Уголь плодородия

Биоуголь — не так давно появившаяся идея борьбы с глобальным потеплением. Как она будет работать?

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Как захоронить углерод?

В принципе любой уголь можно назвать био-, коль скоро, согласно общераспространенному мнению, это результат преобразования некогда живого вещества. Однако для задач борьбы с парниковым эффектом разделение на каменный, стало быть, ископаемый, уголь и тот, который получают сжиганием современной органики, вполне оправданно. Ведь при сжигании каменного угля человек высвобождает древний углекислый газ: его растения изъяли из атмосферы планеты триста с лишним миллионов лет назад. А сжигая дрова, солому, кизяк, — выпускает на волю вполне современный, изъятый в крайнем случае сто лет назад, а то и вовсе в предыдущем году.

Стало быть, освобожденный древний углерод усилит парниковый эффект, а современный никак на нем не скажется: сколько ушло, столько и пришло. Если этот современный углерод закопать понадежнее, парниковый эффект снизится, форточка приоткроется, через нее больше тепла утечет в космическое пространство и потепление пойдет медленнее.

Казалось бы, в чем же проблема? Сажай как можно больше деревьев, они запасут в своих стволах много углекислого газа и так форточку распахнут. Собственно, на это направлены программы миллион-миллиард-триллион деревьев. Однако тут есть маленький нюанс. Когда дерево погибнет, оно сразу начнет разлагаться, возвращая запасенный углерод в атмосферу в виде углекислого газа. Но не только его: микробы, перерабатывающие растительные остатки, выделяют еще метан и закись азота, а это сильнейшие парниковые газы с потенциалом потепления в 11 и 265 раз больше, чем у углекислого газа. При этом закись азота еще и озон уничтожает. И выходит, что идея с выращиванием деревьев дает лишь временное облегчение.

А если речь идет об однолетних растениях, то и вовсе изъятый при фотосинтезе углекислый газ они возвратят за несколько лет и изрядно сдобрят его интенсивным потоком метана и закиси азота. Таких однолетников много, ведь это основные сельхозкультуры, которыми засеяно ни много ни мало 15 с лишним млн км², или 10% суши. И на всей этой площади ежегодно получают помимо урожая огромное количество побочной продукции: от соломы до ботвы. Их либо сжигают, либо оставляют гнить, то есть, если смотреть с точки зрения борца с глобальным потеплением, быстро превращают в парниковые газы. В общем, сельское хозяйство обеспечивает 15% антропогенной эмиссии потепления, если пересчитать ее на углекислый газ.

Естественно, возникает вопрос: а есть ли способ уменьшить аграрный поток антропогенной эмиссии? Сделать так, чтобы запасенные растениями углерод и азот не сразу же улетали в атмосферу? От этого будет двойная польза — и повышение урожайности за счет накопления в почве углерода с азотом, и снижение парникового эффекта. Именно эти задачи и призван решить биоуголь, продукт сжигания растительных остатков без доступа кислорода.

Индейский чернозем

История промышленности биоугля насчитывает чуть более тридцати лет. Она начинается с того, что почвоведы решили разобраться, что такое «терра претта», черная земля в переводе с португальского. А раньше эта земля интересовала разве что археологов. Изучая следы древних поселений в бассейне Амазонки, они постоянно натыкались на участки с плодородным грунтом. И это казалось чудом, ведь в тропиках, где процессы разложения органики идут очень быстро, гумус не накапливается и знаменитые тропические леса растут фактически на голом песке. В общем, для сельского хозяйства местность малопригодна. И действительно, индейцы, живущие в бассейне реки, немногочисленны, сейчас их от силы двести тысяч человек на весь огромный регион и занимаются они охотой, рыбной ловлей да собиранием кореньев.

Однако есть мемуары доминиканского монаха Гаспара де Карвахаля, который в 1540 году вместе с экспедицией конкистадора Франсиско де Орийяны, приятеля Франсиско Писсаро, прошел путь от истока до устья Амазонки. Кстати, именно в ходе этой экспедиции де Орийяна и дал название реке, поскольку ему пришлось сражаться против индейцев, в чьих отрядах женщины воевали на равных с мужчинами, что напомнило ему античный сюжет. Так вот, Карвахаль рассказывает о многочисленных укрепленных поселениях, застроенных монументальными зданиями и связанных прекрасными дорогами, которые протянулись по берегам реки на сотни километров.

Четыре сотни лет исследователи считали это повествование выдумкой, но вот в семидесятых годах ХХ века, в связи с вырубкой амазонских лесов, стали открываться удивительные творения какой-то древней цивилизации, причем очень хорошо различимые с самолета. Речь идет о геоглифах — геометрических фигурах, нанесенных на землю в верховьях Амазонки. Современные лидарные исследования и вовсе обнаруживают в тропических дебрях следы огромных поселений, действительно связанных дорогами.

В общем, согласно современным данным, ко времени прихода испанцев в Новый Свет вдоль Амазонки проживало не менее пяти миллионов человек, которые вели достаточно сложное хозяйство. Затем большинство из них умерло от занесенных испанцами болезней вроде оспы, а оставшиеся, спасаясь от банд работорговцев, отказались от земледелия и перешли к кочевому образу жизни, встав на путь вторичного одичания. Впрочем, этнологи замечают в социальной структуре амазонских индейцев следы былой земледельческой культуры с доминированием аристократии.

Естественно, археологов заинтересовал вопрос: как скудная тропическая почва могла прокормить столько народа? Вот тогда и всплыл феномен терры претты. Внимательно изучив эти черные земли, исследователи пришли к выводу, что происхождение плодородной почвы искусственное: в ней оказалось много черепков глиняной посуды. А дальше придумали и механизм формирования таких почвы — перемешивание навоза, компоста, бытового мусора с древесным углем, благо в тропиках недостатка в древесине нет, а пережигать дерево на уголь в земляных печах человечество научилось в глубокой древности. По разным оценкам, такие почвы занимают от долей процента до 10% площади земель Амазонии и служат наряду с геоглифами своеобразным памятником исчезнувшей доколумбовой цивилизации.

В древности кучу из поленьев обмазывали глиной, обкладывали дровами и поджигали их. Древесина разлагалась на газ, который вылетал в отверстие вверху, деготь, стекавший в специальную яму, и уголь для нужд металлургии

Кустарный биоуголь

Похоже, что размышления о том, как бы приспособить древнюю индейскую практику для выгоды современного человечества, и привели к тому, что в 2006 году на Международном конгрессе почвоведов в Филадельфии была основана Международная биоугольная инициатива. Ее задача — поддержать исследования биоугля и внедрить придуманные технологии его производства и методов использования в сельское хозяйство.

Проблем же у биоугля две. Первая — это высокая стоимость продукции, из-за чего фермеры во всем мире не спешат его использовать. Вот как рассуждают китайцы. Тонна биоугля обходится в 1800 юаней. На один гектар надо внести по меньшей мере 10 тонн биоугля, то есть затратить 18 тысяч юаней. Если предположить, что биоуголь работает три года, то для покрытия этих затрат он должен обеспечить ежегодную прибавку урожая на 6000 юаней. В принципе можно учесть плату за утилизацию углекислого газа (150 юаней за тонну), что позволит ограничиться ростом дохода на 5000 юаней. Однако один гектар дает лишь 10 тонн риса, а госцена на него — 3000 юаней за тонну. То есть один гектар приносит 30 тысяч юаней, и, чтобы дело было выгодным, биоуголь должен повысить урожайность на 15%. И стоит ли овчинка выделка? Ответ на этот вопрос составляет вторую проблему биоугля — как обеспечить экономическую выгоду при его использовании.

Биоуголь получают пиролизом, нагревая органику до высокой температуры без доступа кислорода. При этом идет деструкция биополимеров, углеродные цепочки частично сворачиваются в ароматические кольца, обеспечивая углю механическую прочность, а частично превращаются в газ, прежде всего метан, водород и угарный газ, и углеводородную жидкость, бионефть.

Специалисты различают три вида пиролиза: террификация, пиролиз медленный и пиролиз быстрый. Известный с древности процесс в земляных печах, когда древесину помешали в яму, сверху плотно замазывали глиной и затем над ямой несколько часов жгли костер, как раз и проводил террификацию, когда температура не превышала 350°С, а угля получалось много — до 70% от заложенной древесины.

При медленном пиролизе нагрев проходит до 300–550°С со скоростью полградуса в секунду и весь процесс превращения занимает менее часа. Медленный пиролиз можно проводить непрерывно, засыпая в один конец установки измельченную и высушенную биомассу, архимедов винт протягивает ее с заданной скоростью через печь и на втором конце высыпается уголь. Угля получается 25–35% и от 30 до 50% бионефти и пиролизных газов. И то, и то разделяют и как-то используют.

При быстром пиролизе размолотую в пыль биомассу засыпают в реактор, где она за секунды нагревается до 300–1000°С. Этот процесс выдает 10–30% биоугля, 50–70% бионефти и 15–20% пиролизных газов. Ну и в зависимости от того, какова цель переработки биомассы — получение угля, нефти или отопление — выбирают ту или иную схему.

С помощью трубы пиролизный газ можно вывести и потом сжечь под днищем бочки, обеспечив длительный нагрев

В принципе, делать биоуголь может каждый, причем практически бесплатно. То есть, не тратя средств на производство, но и не получая денег от продажи продукции. В самом простом виде пиролизная установка — это положенная на бок металлическая бочка, под низ которой выведена из ее верха труба с отверстиями. Бочку кладут на подставку и сооружают вокруг нее кирпичную конструкцию с крышей и трубой. В бочку загружают сухую древесину, солому, навоз, в общем растительную биомассу, под бочкой же разводят костер.

Через непродолжительное время происходит чудо: проходящая под бочкой труба становится горелкой — из просверленных в ней отверстий начинают вырываться языки пламени. Это означает, что процесс пиролиза вошел в самоподдерживающуюся стадию и больше не требует добавки дров в костер: все сделает горящий пиролизный газ. Этот газ дает большую экономию на дровах. Фактически выделяемая при пиролизе энергия в десять раз превосходит ту, что надо затратить для его инициации. Сжигание пиролизного газа не только дает энергию, но и предотвращает загрязнение атмосферы метаном и водородом, выхлопа углекислого газа избежать конечно же не удается, но это будет лишь треть содержавшегося в биомассе углерода. Когда горелка погаснет, значит, разложение биомассы закончилось.

За сутки бочка остынет, и можно выгружать биоуголь. Продать его вряд ли удастся, ведь в таком кустарном процессе нет никакой гарантии, что получившийся уголь всегда будет обладать некими стандартными свойствами. Однако для личного использования он подойдет, в конце концов ни один садовод-огородник не задумывается о качестве используемой золы. Зато сделав из бочки пиролитическую установку и используя ее вместо привычного костра для сжигания растительных остатков, он сможет гордиться вкладом, внесенным в борьбу с глобальным потеплением.

Если пиролизный газ не утилизировать, процесс получается очень грязным

Сертифицированный биоуголь

Конечно, при кустарном производстве теряется огромное количество тепла; его можно отправить разве что на сушку следующей партии сырья для производства биоугля. Качественный сертифицированный биоуголь с гарантированным содержанием углерода и минеральных компонентов получают на крупных установках пиролиза. И там же утилизируют высвобождаемую при пиролизе энергию. Вот как эта система работает в Калифорнии, где оперирует компания Pacific Biochar.

Ни для кого не секрет, что, благодаря мерам по защите дикой природы от рубки и пожаров, в Калифорнии сложилась ужасная ситуация: за годы борьбы в лесах скопилось огромное количество горючих материалов, и они вызывают катастрофические пожары. Теперь нужно леса чистить, однако куда девать горы высохшей древесины, ни на какие поделки не годной? Возникла мысль сжигать ее на тепловых станциях и получать электричество с теплом. Такие станции построили и до поры до времени на них просто сжигали дрова, обеспечивая два полезных дела. Во-первых — снижали риск лесных пожаров. Во-вторых, обеспечивали нулевые выбросы углерода при производстве энергии и получали премию в виде углеродных кредитов.

Pacific Biochar пошла дальше. За не столь уж большие деньги она проводит модернизацию этих энергетических станций, чтобы вместо сжигания в их печах шел пиролиз древесины. Пиролизный газ идет в топку, бионефть отправляют на переработку в моторное топливо, а биоуголь компания продает фермерам. Сейчас у нее есть четыре продукта: уголь с низкой зольностью, на 85–90% состоящий из углерода; уголь с высокой зольностью и содержанием углерода 65%, он служит для раскисления почв; уголь, смешанный с рисовой шелухой и переработанный дождевыми червями, который отлично работает искусственным грунтом для получения качественной рассады, и, наконец, компост, заправленный биоуглем.

Нечто подобное, то есть биоуголь или содержащий его грунт, предлагают и многие другие компании такого профиля, ведь годовое производство биоугля составляет около миллиона тонн, и к 2030 году его рынок должен вырасти с нынешних примерно 200 млн долларов до 450 млн долларов. Конечно, если речь идет о захоронении углекислого газа, это капля в море, ведь антропогенный выброс исчисляется миллиардами тонн. А если думать о повышении плодородия почв, то получается совсем немало: можно облагородить сотню тысяч гектаров. Работу биоугольных копаний интенсивно финансируют благотворительные фонды. Например, фонд компании Microsoft заказал компании Pacific Biochar производство биоугля с последующей поставкой в развивающиеся страны с засушливым климатом: биоуголь неплохо удерживает влагу и помогает растениям противостоять засухе.

Схема промышленного процесса совместного получения биоугля и энергии

Что в биоугле лежит?

Уже из перечисленной продукции небольшой компании, занятой производством биоугля, видно, что расчет идет не просто на длительное захоронение углерода в почве, но и на его использование как удобрения, точнее, нового средства повышения плодородия. На чем же основаны эти идеи?

Нельзя сказать, что агрономическая наука далеко продвинулась, хотя работа и проделана большая. Если провести анализ публикаций, выяснится, что добавка биоугля в почву в различных экспериментах, на различных почвах и для различных культур может как повысить урожай, так и снизить его. Однако в среднем все равно выходит плюс: биомасса растет на 12,5%, урожайность — на 8,7%. При этом лидерами оказываются бобовые, которые дают прибавку в 30,3%, за ними овощи (28,6%) и травы (13,9%). Из зерновых лидером оказывается пшеница — 11,3%, у кукурузы прибавка меньше — 8,4%, а у риса и вовсе 5,5%. Лучше всего на биоуголь отзываются кислые песчаные почвы. При рН менее 5 прибавка урожая может превышать 30%, а вот на нейтральных почвах биоуголь даже несколько снижает урожайность.

Однозначно плохо сказывается уголь, изготовленный из бытовых отходов: падение урожайности достигает 10%. Лучший же уголь получается при пиролизе ила с древесиной — прибавка под 40%. На втором месте стоит уголь из навоза — около 30%. А вот с соломой история сложнее, тут все сильно зависит от температуры пиролиза. Если она меньше 350°С, биоуголь будет вредным, потому что он снизит урожайность почти на 15%. Если же пиролиз соломы проводили при 550°С и выше — то урожай вырастет на 20%. Древесину надо превращать в уголь при температуре не ниже 350°С, а навоз — в интервале температур от 350 до 550°С.

В чем же благотворное действие биоугля на почву? Ведь, казалось бы, если таким способом предполагается захоранивать на столетия изъятый из атмосферы углерод, он никоим образом не должен участвовать в круговороте почвенных веществ. И действительно, сам угольный углерод в обороте не участвует, однако есть другие факторы.

Мы уже знаем, что биоуголь служит сильным раскислителем. И это хорошо, ведь многие сельскохозяйственные культуры предпочитают почвы с нейтральной или немного щелочной реакцией, поскольку на кислых они не могут усвоить питательные вещества. А почвы у нас, как правило, кислые, и их постоянно подкисляют, внося тот же перегной. Неудивительно, что инертный уголь, изменяя всего лишь кислотность, сразу увеличивает возможности растений потреблять плодородные вещества почвы.

Однако биоуголь вовсе не инертен. Мало того что при пиролизе имевшиеся в растениях азот, калий, фосфор никуда не деваются, а остаются в угле и при разрушении его частиц станут высвобождаться. Так он еще обладает и сильно развитой пористой структурой. За счет нее уголь оказывается уникальным компонентом почвенной системы.

Эти поры обеспечивают микроаэрацию почвы, доставляя воздух почвенным микроорганизмам, и вообще предоставляют микробам кров и стол: на стенках пор сорбировано немало питательных для них веществ. В результате биомасса микробов в почве с биоуглем может вырасти в два раза. Охотно осваивают кусочки биоугля и грибы, точнее, их грибница, микориза. А это важнейший компонент растительного сообщества: грибница заставляет корни растений ветвиться и, стало быть, осваивать большую площадь, а также сам гриб, разлагая минеральные вещества, высвобождает питательные элементы. Есть даже подозрения, что грибница способна доставлять растению воду из таких почвенных закоулков, куда корни дотянуться не могут, и это помогает пережить засуху.

Обычно из-за многократной вспашки и применения ядохимикатов и грибница, и микробное сообщество почвы сильно страдают, поэтому сельскохозяйственные земли оказываются своеобразной микробной пустыней, лишенной плодородия. Человек же вынужден увеличивать дозы минеральных удобрений для сохранения урожайности. А применение удобрений — это не только выбросы парниковых газов в атмосферу при их производстве, это еще и выбросы при потреблении удобрений, в первую очередь азотных, почвенными микробами. Стало быть, чем меньше удобрений, тем меньше вклад аграриев в парниковый эффект.

Кроме того, пористый уголь оказывается прекрасным сорбентом для питательных веществ. Зачем это нужно? Питательные вещества растворимы, их едят бактерии, поэтому они довольно быстро покидают почву, что требует постоянного внесения удобрений. Которые опять-таки быстро вымываются из почвы, создавая порочный круг. Уголь запирает в своих порах фосфор, калий, азот с тем, чтобы потом постепенно их отдавать, становясь удобрением длительного действия.

Есть оценки, что вымывание фосфора, азота, многих микроэлементов из почвы, насыщенной углем, сокращается на треть. При этом замедляется превращение соединений азота и углерода в парниковые газы, закись азота и метан, в результате почвенная эмиссия этих газов падает вполовину. Интересно, что ионы тяжелых металлов, собираясь на стенках пор, охотно превращаются в нерастворимые карбонаты. Таким образом уголь чистит почву от этих загрязнителей, так же, как и от остатков ядохимикатов.

Наконец, добавки угля помогают бороться с засухой, поскольку уголь отлично впитывает влагу, а потом, так же, как и питательные вещества, постепенно возвращает ее в почву по мере высыхания последней.

А сколько же надо добавлять угля в почву, чтобы добиться всех этих выигрышей? От 10 до 20 тонн на гектар, и делать это надо раз в два-три года. Перед внесением уголь полезно пропитать удобрениями. В противном случае в первый год может наблюдаться снижение урожайности из-за того, что уголь впитает часть полезных веществ прямо из почвы с тем, чтобы отдать их позже. А можно и вовсе добавлять уголь в растительные остатки, предназначенные для превращения в компост. Тогда перегнивание пойдет быстрее и питательные вещества сразу окажутся в угольных частицах, которые защитят их от разбазаривания.

Каждый может побороться за климат

Сколько же углекислого газа можно захоронить, закапывая биоуголь в почву? Посчитаем. Площадь пахотных земель составляет 1,5 млрд га. Если исходить из нормы 20 тонн биоугля на гектар раз в два года и доли углерода в таком угле в 65%, выходит захоронение под 10 млрд тонн углерода ежегодно, что соответствует более 35 млрд тонн углекислого газа, то есть чуть меньше, чем вся мировая эмиссия от сжигания ископаемого топлива в 2021 году. И это не считая эффекта от снижения выделения из почвы метана и закиси азота, а также вклада от использования пиролизных газов для энергетики. Впрочем, видимо, нет никакой возможности обращать в уголь столько биомассы, чтобы его хватило на все поля Земли. Специалисты из Международной ассоциации биоугля оценивают его потенциал гораздо скромнее: 12% антропогенной эмиссии парниковых газов.

В общем, как видно, у людей имеется неплохой ресурс, позволяющий одновременно утилизировать растительные остатки, повысить плодородие почв и изъять углекислый газ из атмосферы с его безопасным захоронением на долгие годы. Интересно, что свой вклад в это дело может внести любой садовод-огородник, собрав нехитрую пиролизную установку из металлической бочки и трубы. Тем более что в связи с ужесточением правил пожарной безопасности сжигать в костре ветки, получаемые при обрезке садовых растений становится все труднее и труднее.

Кандидат физико-математических наук
С.М. Комаров