Biowęgiel to porowaty materiał bogaty w stabilne formy węgla. W rolnictwie wykorzystuje się go przede wszystkim do poprawy właściwości gleby, zwiększania retencji wody i ograniczania strat składników pokarmowych. Powstaje on w wyniku pirolizy biomasy prowadzonej przy ograniczonym dostępie tlenu. Może wspierać regenerację gleb, aktywność mikroorganizmów glebowych i efektywność nawożenia, jednak rezultaty jego stosowania zależą od rodzaju materiału, dawki oraz warunków stanowiska.

Słowo „węgiel” najczęściej kojarzy się z paliwami kopalnymi, wysoką emisją dwutlenku węgla oraz negatywnym wpływem na środowisko. Takie skojarzenia są uzasadnione, ponieważ spalanie węgla kamiennego i brunatnego od wielu lat stanowi jedno z głównych źródeł antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych. Istnieje jednak materiał, którego właściwości i sposób powstawania sprawiają, że może on odgrywać zupełnie inną rolę w gospodarce oraz ochronie środowiska. Tym materiałem jest biowęgiel, określany również angielskim terminem biochar.

Biowęgiel a węgiel kopalny – najważniejsze różnice

Czym są węgle kopalne? Są to surowce powstałe z materii organicznej przekształcanej przez miliony lat pod wpływem wysokiego ciśnienia i temperatury. Do paliw kopalnych zalicza się przede wszystkim:

• węgiel kamienny,
• węgiel brunatny,
• ropę naftową,
• gaz ziemny.

Biowęgla nie należy utożsamiać z węglem kamiennym ani brunatnym. Węgle kopalne, podobnie jak ropa naftowa i gaz ziemny to paliwa kopalne. Biowęgiel powstaje natomiast z biomasy poddawanej pirolizie. Nie jest więc kolejnym paliwem kopalnym, lecz materiałem, który może znaleźć zastosowanie między innymi w poprawie właściwości i regeneracji gleb.

Spalanie paliw kopalnych prowadzi do uwalniania do atmosfery węgla magazynowanego przez miliony lat. W przypadku biowęgla znaczna część węgla zawartego w biomasie zostaje związana w stabilnej strukturze. Po wprowadzeniu biowęgla do gleby może być w niej magazynowana przez długi czas.

Jak powstaje biowęgiel?

Biowęgiel jest materiałem bogatym w węgiel elementarny, który powstaje podczas procesu pirolizy biomasy. Piroliza to termiczny rozkład materiału organicznego w wysokiej temperaturze, prowadzony bez dostępu tlenu lub przy jego bardzo ograniczonej ilości. W takich warunkach biomasa nie spala się całkowicie, lecz przekształca się w materiał bogaty w stabilne formy węgla. Oprócz biowęgla w procesie powstają również gaz pirolityczny oraz olej pirolityczny, które mogą być wykorzystywane jako źródła energii.

Proces pirolizy jest znany od tysięcy lat. Dawniej wykorzystywano go głównie do produkcji węgla drzewnego stosowanego w hutnictwie i kowalstwie. Obecnie znajduje zastosowanie między innymi w produkcji biowęgla przeznaczonego dla rolnictwa i ochrony środowiska.

W zależności od rodzaju wykorzystywanego surowca oraz parametrów technologicznych, proces pirolizy przebiega najczęściej w temperaturze od 350 do 700°C.

Z czego produkuje się biowęgiel?

Do produkcji biowęgla wykorzystuje się między innymi:

• drewno,
• słomę,
• odpady rolnicze,
• łuski zbóż,
• pestki owoców,
• pozostałości po produkcji spożywczej,
• inne odpady pochodzenia roślinnego.

Wykorzystanie pozostałości organicznych do produkcji biowęgla wpisuje się w założenia gospodarki o obiegu zamkniętym.

Jak piroliza wpływa na właściwości biowęgla?

Piroliza przebiega w reaktorach z ograniczonym dostępem tlenu, co zapobiega spalaniu biomasy, a prowadzi do jej termicznego rozkładu. W zależności od zastosowanych warunków uzyskuje się biowęgle o zróżnicowanej porowatości i strukturze chemicznej.

Niższe temperatury sprzyjają zachowaniu większej ilości grup funkcyjnych na powierzchni, co zwiększa zdolność do wymiany jonowej. Wyższe temperatury prowadzą natomiast do powstania bardziej uporządkowanej sieci aromatycznej, podnoszącej trwałość materiału i jego powierzchnię właściwą.

Jak długo biowęgiel pozostaje w glebie?

Podczas pirolizy większość związków organicznych ulega rozkładowi, natomiast znaczna część węgla zostaje związana w stabilnej strukturze aromatycznej. Dzięki temu biowęgiel charakteryzuje się wysoką odpornością na procesy biologicznego rozkładu i może pozostawać w glebie przez bardzo długi okres.

Szacuje się, że trwałość tego materiału wynosi od kilkuset do nawet kilku tysięcy lat, co czyni go jednym z najbardziej perspektywicznych sposobów długoterminowego magazynowania węgla.

Porowata struktura biowęgla – dlaczego jest ważna?

Charakterystyczną cechą biowęgla jest bardzo rozwinięta powierzchnia właściwa oraz obecność licznych porów o zróżnicowanej wielkości. Ze względu na swoją porowatą strukturę 1 gram biowęgla może mieć powierzchnię nawet kilkuset metrów kwadratowych, a w niektórych przypadkach przekraczającą 1000 m². Dzięki temu biowęgiel skutecznie zatrzymuje wodę i składniki pokarmowe, a także tworzy siedlisko dla mikroorganizmów.

Jak biowęgiel wpływa na właściwości gleby?

Wpływ biowęgla na glebę może obejmować jej właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne. Skala oraz trwałość tych zmian zależą jednak między innymi od:

• rodzaju zastosowanego materiału,
• dawki,
• właściwości stanowiska,
• sposobu aplikacji.

Biowęgiel a retencja wody i żyzność gleby

W prowadzonych doświadczeniach polowych wykazano, że efekty stosowania biowęgla są najbardziej widoczne na glebach ubogich w materię organiczną oraz na stanowiskach narażonych na niedobory wody.

W takich warunkach poprawa właściwości gleby może przekładać się na wzrost stabilności plonowania oraz zwiększenie odporności roślin na stres środowiskowy. Zwiększenie aktywności mikrobiologicznej sprzyja poprawie żyzności gleby oraz wspomaga rozwój systemów korzeniowych roślin.

Biowęgiel jako siedlisko dla mikroorganizmów

Porowata struktura biowęgla może tworzyć warunki sprzyjające rozwojowi mikroorganizmów glebowych. Pory materiału zapewniają przestrzeń, w której mikroorganizmy mogą znajdować wodę i składniki potrzebne do rozwoju.

Z tego względu coraz częściej prowadzone są badania nad biowęglami wzbogaconymi wyselekcjonowanymi mikroorganizmami, które mogą dodatkowo wspierać procesy biologiczne zachodzące w glebie.

Biowęgiel a składniki pokarmowe i efektywność nawożenia

Biowęgiel wpływa również na właściwości chemiczne gleby. Dzięki rozwiniętej powierzchni właściwej może adsorbować jony składników pokarmowych i ograniczać ich wymywanie do głębszych warstw profilu glebowego. Zjawisko to dotyczy przede wszystkim azotu, fosforu oraz potasu.

W rezultacie rośliny mogą efektywniej wykorzystywać zastosowane nawozy, a straty składników pokarmowych do środowiska ulegają zmniejszeniu. W praktyce może to oznaczać lepsze wykorzystanie nawozów mineralnych i organicznych oraz możliwość ograniczenia strat azotu poza zasięg systemu korzeniowego.

Jaką rolę pełni biowęgiel w rolnictwie regeneratywnym?

Biowęgiel powstaje z biomasy roślinnej, a jego zastosowanie jest obecnie przedmiotem intensywnych badań prowadzonych w wielu krajach świata. Szczególne zainteresowanie wzbudza możliwość wykorzystania go w rolnictwie regeneratywnym, którego celem jest:

• odbudowa żyzności gleb,
• zwiększenie różnorodności biologicznej,
• remediacja gruntów.

Wyniki licznych badań wskazują, że odpowiednio przygotowany i właściwie stosowany biowęgiel może poprawiać właściwości fizyko-chemiczne gleby oraz zwiększać pojemność wodną. Coraz częściej biowęgiel stosuje się w postaci wzbogaconej o wyselekcjonowane mikroorganizmy, które dodatkowo wspierają procesy biologiczne zachodzące w glebie.

Rolnictwo regeneratywne opiera się na założeniu, że gleba powinna być traktowana jako żywy ekosystem wymagający ochrony i odbudowy. W przeciwieństwie do intensywnych systemów produkcji, które często prowadzą do degradacji gleb, celem rolnictwa regeneratywnego jest zwiększenie zawartości materii organicznej, poprawa aktywności biologicznej oraz ograniczenie strat składników pokarmowych.

Biowęgiel wpisuje się w tę koncepcję, ponieważ wpływa jednocześnie na wiele procesów zachodzących w środowisku glebowym. Jego zastosowanie nie zastępuje prawidłowej agrotechniki, lecz stanowi element wspierający takie działania jak:

• stosowanie nawozów organicznych,
• uprawa międzyplonów,
• ograniczenie intensywności uprawy mechanicznej,
• prowadzenie odpowiedniego płodozmianu.

Biowęgiel w regeneracji gleb zanieczyszczonych pestycydami

Firma GI4C w ramach projektu „Opracowanie mikrobiologicznie wzbogaconych biowęgli do regeneracji gleb rolniczych zanieczyszczonych pestycydami”, realizowanego w ramach programu Fundusze Europejskie dla Mazowsza 2021–2027, bada wpływ specjalnie dobranych formulacji biowęglowych, wzbogaconych mikroorganizmami, na zachowanie pestycydów, właściwości fizykochemiczne gleby i jej potencjał regeneracyjny.

Odpowiedni dobór surowca i parametrów pirolizy pozwala kształtować właściwości biowęgla pod kątem jego zastosowania w rolnictwie i regeneracji gleb. W ramach prowadzonych przez GI4C badań analizowane są różne rodzaje biowęgla, między innymi pod kątem poprawy retencji wody, adsorpcji pestycydów oraz wspierania wybranych grup mikroorganizmów glebowych.

Do badań włączone zostały firmy i jednostki badawcze specjalizujące się w tematach rolniczych, co ma na celu zapewnienie najwyższych standardów prowadzonych prac.

Od badań laboratoryjnych do praktyki rolniczej

Zakład Herbologii z Wrocławia, będący częścią IUNG-PIB, prowadzi badania laboratoryjne, fitotronowe i mikropoletkowe, dzięki którym możliwa będzie rejestracja produktu wzbogaconego biowęglem i mikroorganizmami.

Centrum Badawczo-Rozwojowe Grupy Azoty S.A. w Tarnowie aktywnie wspiera realizację projektu w obszarze badań sorpcji pestycydów, wykorzystując swoją infrastrukturę do precyzyjnych analiz chromatograficznych.

Za szczegółową charakterystykę fizykochemiczną i strukturalną opracowywanych nośników biowęglowych odpowiadają eksperci z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Ważnym wsparciem merytorycznym jest również Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, który pełni rolę konsultanta, wnosząc wieloletnie doświadczenie w dziedzinie agrotechniki.

Projekt wzbudził duże zainteresowanie przedstawicieli sektora rolniczego, a opracowywane preparaty są obecnie walidowane w warunkach rzeczywistej praktyki rolniczej u odbiorców końcowych.

Biowęgiel w rolnictwie – korzyści i ograniczenia

Biowęgiel stanowi jeden z najbardziej perspektywicznych materiałów wykorzystywanych we współczesnym rolnictwie regeneratywnym. Wyniki badań wskazują, że jego zastosowanie może:

• poprawiać właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne gleby,
• zwiększać retencję wody,
• ograniczać straty składników pokarmowych,
• wspierać rozwój mikroorganizmów odpowiedzialnych za utrzymanie żyzności gleb.

Dodatkową zaletą jest możliwość długotrwałego magazynowania węgla w środowisku glebowym, co może przyczyniać się do ograniczenia zmian klimatu.

Skuteczność biowęgla zależy od wielu czynników, a jego niewłaściwe stosowanie może prowadzić do niekorzystnych zmian w środowisku glebowym. Z tego względu wykorzystanie tego materiału powinno opierać się na wiedzy naukowej i rzetelnych badaniach oraz być dostosowane do lokalnych warunków siedliskowych.

Obecny stan badań wskazuje, że biowęgiel nie zastąpi innych praktyk rolnictwa regeneratywnego, jednak może stanowić ich wartościowe uzupełnienie i odgrywać istotną rolę w budowaniu bardziej zrównoważonych systemów produkcji rolniczej.

Jeżeli wyniki badań potwierdzą skuteczność opracowywanych formulacji, mogą one w przyszłości stanowić nowe narzędzie wspierające regenerację gleb oraz zwiększające efektywność zrównoważonej produkcji rolniczej.

Finansowanie projektu

Badania zostały sfinansowane w ramach projektu nr FEMA.01.01-IP.01-046B/24 pt. „Opracowanie mikrobiologicznie wzbogaconych biowęgli do regeneracji gleb rolniczych zanieczyszczonych pestycydami”.

Projekt jest współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach programu Fundusze Europejskie dla Mazowsza 2021–2027.