Energetyczny słomiany ogień

13 maja 2021
Blog szalonych naukowców

Nieco upraszczając sprawę, można przyjąć, że im większy udział węgla w paliwie, tym więcej ciepła się wydzieli przy jego spalaniu. Diamentów, grafenu/fulerenów ani nawet grafitu nikt nie będzie spalał z innych względów, więc jako paliwa używa się różnych substancji, w których węgiel tworzy związki organiczne.

Spalanie paliw kopalnych, jak ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny i brunatny, a także subfosylnych, jak torf, ma jednak wadę, z której zdaliśmy sobie sprawę dopiero w XIX w., kiedy z jednej strony zrozumieliśmy, jak te paliwa powstały, a z drugiej – jak zachowuje się promieniowanie wpływające na temperaturę Ziemi, przenikając warstwy atmosfery zawierające cząsteczki głównych produktów spalania węglowodorów: pary wodnej i dwutlenku węgla.

Z drugą sprawą niewiele da się zrobić – spalanie węgla zawsze będzie generować gazy cieplarniane. Dopóki nie rozwinie się innych źródeł energii, trzeba kombinować z pierwszą. Obecny poziom dwutlenku węgla w atmosferze i pośrednio hydrosferze jest komplementarny dla zawartości węgla w litosferze. Pośrednikiem jest biosfera. To, co wydziela i pochłania biosfera, jest tzw. małym cyklem węglowym i w ogarnialnej skali czasowej jest w równowadze. Równowaga dużego cyklu węglowego oczywiście może być zachwiana przez zjawiska spoza biosfery, jak wydobycie dużych pokładów węgla organicznego lub węglanowego na powierzchnię, gdzie może się utlenić lub zwietrzeć, przez ruchy skorupy ziemskiej czy wulkanizm, albo przeciwnie, zagrzebanie w głębi ziemi pokładów węgla, który normalnie krążyłby w małym cyklu.

Rola biosfery zwykle polegała na przesuwaniu węgla z atmosfery i hydrosfery do litosfery poprzez fosylizację – zamianę ciał organizmów w kredę albo próchnicę, torf i kolejne fazy węgla kopalnego i ropy/gazu. To proces powolny. Czasem jednak w historii Ziemi zdarzały się nietypowe zjawiska, jak stosunkowo szybkie w skali geologicznej pochłanianie i grzebanie węgla (można poczytać o epizodzie Azolla) czy przeciwnie – jego uwalnianie, jakie ma miejsce powoli od kilku tysięcy i szybko od kilkuset lat przez działalność jednego z gatunków ssaków. Są tacy, którzy zamiast mówić o epoce antropocenu, wskazują, że to, co się dzieje, właśnie bardziej przypomina geologiczny epizod raptownych zmian.

Jednym ze sposobów na uniknięcie szybkiego uwalniania fosylizowanego przez miliony lat węgla jest spalanie zamiast niego węgla wciąż pozostającego w biosferze, czyli coś, co jest bardziej tradycyjnym, bo mającym tysiące lat tradycji sposobem pozyskiwania energii.

Pod względem energetycznym najbardziej wydajne jest spalanie drewna. Rzecz w tym, że drewno (w rozumieniu surowca) przyrasta dość wolno. Poza tym pozyskanie go wymaga z reguły drastycznej zmiany krajobrazowej. Problemy są nieco mniejsze przy pozyskiwaniu surowca z krzewów, np. różnych wierzb, zwłaszcza wikliny czy bambusa. W tym celu tworzy się specjalne plantacje. Mogą one nawet nieco przypominać naturalne zbiorowiska zwane rokicinami.

Jednak od jakiegoś czasu eksploruje się możliwości energetycznego spalania po prostu roślin zielnych. One też mają drewno (w rozumieniu tkanki), które przyrasta szybko, a którego pozyskanie nie zmienia znacząco natury siedliska. Także dlatego, że już po kilku tygodniach lub miesiącach wraca do stanu wyjściowego. Poza tym, kiedy myślimy o słomianym ogniu, mamy przed oczami mierzwę spalającą się w mgnieniu oka, bo luźne źdźbła traw w większości składają się z powietrza. Do spalania w piecach siano czy słomę zbija się w pellety czy brykiety, które palą się inaczej.

Ostatnio wpadła mi w oko publikacja badaczy z (głównie) Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu nad potencjałem traw rosnących na polskich łąkach i ugorach. Samo wykorzystanie traw nie jest niczym nowym, ale często wiąże się z uprawą szybko rosnących gatunków obcych, potencjalnie inwazyjnych, jak różne miskanty. A gdyby zamiast tego wykorzystać gatunki nawet trochę inwazyjne, więc niekoniecznie chętnie widziane w uprawach, ale rodzime (czy też na tyle dawno sprowadzone, że już zadomowione)? Takimi gatunkami są trzcinnik piaskowy czy perz właściwy. W naturze związane są z terenami zaburzanymi np. przez regularne powodzie czy osuwiska, więc łatwo wnikają w tereny zaburzane przez zabiegi leśne czy rolnicze, stając się chwastami.

Badacze przyjrzeli się też gatunkom typowym dla tradycyjnego łąkarstwa – rajgrasowi wyniosłemu czy kupkówce pospolitej. Tradycyjnego w rozumieniu współczesnym, a więc z nawozami i maksymalizacją wydajności, ale gatunki te można też uprawiać w sposób mniej intensywny, zgodnie z wymogami unijnych programów rolnośrodowiskowych, bo są one typowe dla jednego z siedlisk systemu Natura 2000 – świeżych łąk rajgrasowych. Wzięli pod uwagę też gatunki mniej pożądane w uprawie paszowej, jak tomka wonna czy kłosówka wełnista, a także stokłosa dachowa. Wreszcie przeanalizowali dwa gatunki raczej typowe dla szuwarów niż łąk: mozgę trzcinowatą i samą trzcinę.

Analiza dotyczyła głównie zawartości celulozy i ligniny, pozostałości popiołu i samej wartości kalorycznej spalania. Zawartość celulozy jest u wszystkich gatunków dość podobna – nieco ponad jednej trzeciej suchej masy. Zawartość ligniny jest trochę bardziej zmienna, ale też nie za bardzo. Najwyższa, bo powyżej 20 proc., jest u trzciny, trzcinnika i mietlicy pospolitej, czyli można powiedzieć, że są one najbardziej zdrewniałe. Najmniejszą ma mozga (ok. 15 proc.). Najwięcej popiołu zostawia rajgras (ok. 8 proc.), a najmniej tomka (ok. 3 proc.). Dla porównania: drewno opałowe zostawia go mniej niż 1 proc. (Autorzy pochodzą z rolniczych uczelni i instytutu, więc sugerują wykorzystanie go jako nawozu).

Różnice te nie przekładają się wprost na wartość opałową. Najwięcej ciepła z tej samej masy daje spalanie trzcinnika, a potem perzu, trzciny, mozgi i stokłosy. Najmniej kłosówki, ale różnice nie są wielkie.

Ostatecznie autorzy wnioskują, że spalanie w celach energetycznych traw typowych dla niezbyt intensywnego łąkarstwa, a nawet spoza klasycznej uprawy, ma sens. Ewentualnie niektóre gatunki może być lepiej przeznaczać na kompostowanie i wytwarzanie biogazu. Pozwala to na upieczenie dwóch i pół pieczeni na jednym ogniu – wytwarzaniu energii neutralnej klimatycznie, bo z małego obiegu węgla (a w przypadku traw już nie ma nawet za wiele marginesu do dywagacji, czy zatrzymanie węgla w ciele kilkusetletniego drzewa jest neutralne dla poziomu dwutlenku węgla), zachowania naturalnych (szuwar trzcinowy, szuwar mozgowy) lub półnaturalnych, ale chronionych w systemie Natura 2000 siedlisk przyrodniczych (łąka rajgrasowa) i wreszcie wykorzystanie gatunków traw skądinąd nieużytkowanych łąkarsko.

Wykorzystanie trzciny jest postulowane przez propagatorów ochrony mokradeł w ramach tzw. paludikultury. To nie jest gatunek chętnie widziany na łąkach i polach, ale można z niego robić plecionki, używać w budownictwie, a także właśnie w celach energetycznych. W odróżnieniu od traw łąkowych nastawienie się na trzcinę wymusza wszelką rezygnację z melioracji. W przypadku mozgi w sumie też. Trzcinnik piaskowy czy perz nie są mokradłowe, ale też są w uprawach, także leśnych, uważane za chwasty, więc zamiast usuwać je przy pomocy herbicydów, można je kosić jak trawy łąkowe.

Co do roślin szuwarowych – usuwanie ich biomasy jest też jednym ze sposobów na zmniejszanie eutrofizacji wód. Oczywiście nie w sposób bezmyślny. Ludzie często mylą skutek z przyczyną i wydaje im się, że problemem zbiornika wodnego jest „zarośnięcie”. Próbują rozwiązać problem przez usunięcie roślin. Nie jest to łatwe i może skutkować rozruszaniem osadów, z których substancje biogenne uwolnią się do wody. Często to nawet nie jest skutek uboczny, bo usuwanie korzeniących się roślin (z bagrowaniem) jest wręcz ustawowym obowiązkiem utrzymywania drożności rzek, choć jako żywo dziś nikt nie spławia drewna strumykami, jak było w czasach, gdy ten obowiązek wprowadzano. Gdy wreszcie uda się usunąć rośliny widoczne gołym okiem, zawarte w wodzie substancje biogenne, które one dotąd pochłaniały, stają się dostępne dla glonów i zamiast szuwaru na brzegu i dość czystej wody na środku jest zakwit w całej toni. Zatem usuwanie biomasy szuwarowej musi być robione sensownie, także z uwzględnieniem faktu, że w zeszłorocznych trzcinach mogą zakładać gniazda ptaki. Najgorzej, gdy rośliny się wykosi, więc nie ma siedliska dla ptaków, a źdźbła trzcin zostawi pływające w wodzie, a więc żadnych biogenów ze zbiornika się nie usunie.

Powinienem więc tylko przyklasnąć wnioskom z tej pracy. Jednak czasem dobrymi chęciami jest wybrukowane piekło. Autorzy zakładają, że można pozyskiwać biomasę traw w sposób mało inwazyjny dla przyrody, zgodny z wymogami systemu Natura 2000. Podobnie podają różne poradniki ochrony mokradeł. Ale może się okazać, że gdy lokalna elektrownia już nastawi się na spalanie biomasy, jej podaż z ekstensywnego koszenia nie wystarczy. Może i mozga jest dobra energetycznie, ale wymaga podmokłej łąki, w której zakopie się traktor z kosiarką. Rolnik więc może zamiast kosić ręcznie, udrożni zastawkę na rowie melioracyjnym i zamiast podmokłej łąki z mozgą, wyczyńcem i kłosówką będzie miał suchszą łąkę z rajgrasem, kupkówką i stokłosą. A może zamiast zróżnicowanej gatunkowo łąki rajgrasowej pozwoli jej w całości zarosnąć trzcinnikiem, który zagłusza inne gatunki. Może kupi motorówkę z wodną kosiarką do trzciny, która wyemituje więcej zanieczyszczeń, niż ta trzcina zaoszczędzi.

Czarnowidztwo nie musi być uzasadnione, ale nie wzięło się znikąd. Jedną z największych katastrof ekologicznych ostatnich dekad jest degradacja indomalajskich puszcz równikowych na potrzeby plantacji palmy olejowej w celach… no właśnie, wytwarzania biopaliw. Coś, co miało zredukować emisję dwutlenku węgla, przyczynia się do jeszcze większego jego uwalniania, o czym kiedyś wspominałem. (Swoją drogą, nie śledzę tego zbyt dokładnie, ale podobno odkąd firmy wydobywające ropę naftową zajęły się również wytwarzaniem biopaliw, z prasy motoryzacyjnej znikły artykuły opisujące, jak to biopaliwa są zabójcze dla silników).

Podobnie w Unii Europejskiej, łącznie z Polską, palenie drewnem to już przede wszystkim nie marginalne ratowanie się chrustem przez biedaków, których nie stać na węgiel, czy nawet snobistyczne, więc też ograniczone używanie kominków, tylko hurtowe spalanie w elektrowniach jako odnawialne i neutralne klimatycznie źródło energii drzew z wyrębu. Zatem wykorzystanie polskich traw z siedlisk utrzymywanych w stanie półnaturalnym to może być świetny kompromis między gospodarką a ochroną przyrody, ale przez ludzką pazerność ma niestety potencjał do przyniesienia skutków odwrotnych do zamierzonych.

Piotr Panek

ilustracja pochodzi z cytowanej pracy, licencja CC BY 4.0

  • Bogusława Waliszewska, Mieczysław Grzelak, Eliza Gaweł, Agnieszka Spek-Dźwigała, Agnieszka Sieradzka, Wojciech Czekała (2021) Chemical Characteristics of Selected Grass Species from Polish Meadows and Their Potential Utilization for Energy Generation Purposes Energies 14(6), 1669 doi:10.3390/en14061669