Biomasa, bioenergia, biopaliwa – to hasła pojawiające się coraz częściej, gdy mowa o możliwości zahamowania zmiany klimatu. I nie chodzi tylko o pozyskiwanie energii, ale też usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery (CDR – Carbon Dioxide Removal). Rozwiązania tego typu są określane angielskim skrótem BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage). Poniżej znajdziecie krótkie podsumowanie na ich temat (na czym polegają, jakie ryzyka przynoszą, i na ile prawdopodobne jest, że wdrożymy je na dużą skalę). 

BECCS: instalacja w zakładach Archer Daniels Midland widziana z lotu ptaka.
Ilustracja 1: Instalacja projektu Illinois Industrial Carbon Capture and Storage wychwytuje dwutlenek węgla powstający podczas przetwarzania kukurydzy w zakładach Archer Daniels Midland w Decatur, Illinois. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości Archer Daniels Midland.

1. BECCS – co to właściwie jest?

BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage – bioenergia z wyłapywaniem i magazynowaniem węgla) to wykorzystanie technologii pozyskiwania energii z biomasy z jednoczesnym przechwytywaniem CO2 i magazynowaniem go w formacjach geologicznych. 

Jak to dokładniej wygląda? Rośliny, rosnąc, pobierają CO2 z atmosfery i gromadzą w swoich tkankach pierwiastkowy węgiel (C). Spalając lub fermentując uzyskaną z nich biomasę, można uzyskać nośniki energii (energia elektryczna, paliwa). CO2 będący odpadem w tych procesach zostaje wyłapany zanim trafi do atmosfery, a następnie uwięziony w pokładach geologicznych na co najmniej setki lat. Obecnie za takie magazyny służą głównie wyczerpane pokłady ropy i gazu, ale mogą to być także podziemne zbiorniki słonowodne/solanki. Szacunki dotyczące możliwości magazynowania geologicznego  wynoszą 1680–24 000 GtCO2 -wystarczająco dużo co najmniej na to stulecie. 

Przeczytaj więcej o magazynowaniu CO2 i wiązaniu CO2.

W rezultacie BECCS następuje „przetransferowanie” CO2 z atmosfery pod ziemię – zakładając, że emisje związane z dostarczeniem biomasy i przechwyceniem CO2 nie przekraczają ilości usuniętej z atmosfery poprzez fotosyntezę. W ten sposób BECCS może zapewnić tzw. negatywne emisje, czyli zmniejszać stężenie CO2 w atmosferze, jednocześnie dostarczając energii (raport IPCC 1,5oC, 2018, Fajardy i in., 2019).

Jak działa BECCS? Schemat działania systemu.
Ilustracja 2: Schemat technologii BECCS. Niebieskie strzałki pokazują przepływ pierwiastkowego węgla, ich grubość jest proporcjonalna do wielkości przepływu. Strzałki w górę: emisje CO2 do atmosfery, strzałki w dół – usuwanie CO2 z atmosfery . Rys. Anna Sierpińska.

Choć bioenergia jest w tym momencie najszerzej wykorzystywanym na świecie źródłem energii odnawialnej, to technologie BECCS nie są zbyt dobrze rozwinięte. Istniejące instalacje wyłapują CO2 wytwarzany bądź przy spalaniu biomasy podczas produkcji energii, bądź przy produkcji biopaliw (np. z fermentacji przy produkcji bioetanolu). Paliwa są jednak produkowane po to, by ostatecznie również je spalić (np. w silniku pojazdu) i CO2 emitowany w tym procesie już wychwytywany nie jest (na tym etapie uwalniane jest ok. 25-30% węgla zawartego w pierwotnej biomasie). Przykładem działającej instalacji jest fabryka etanolu z kukurydzy koncernu Archer Daniel Midland w Decatur (Illinois, USA), gdzie CO2 z fermentacji jest wychwytywany i przechowywany w pobliskim składowisku geologicznym. Rocznie jest to milion ton CO2 (Fajardy i in., 2019, raport Global Status of CCS, 2020).

2. Jak bardzo BECCS pozwoli zmniejszyć stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze?

Mimo że technologie BECCS są raczkujące, to większość scenariuszy emisji, w których globalna temperatura nie rośnie powyżej 1,5-2°C, opiera się na nich w dużym stopniu. Aby Ziemia nie ogrzała się o więcej niż 1,5°C, w XXI wieku trzeba by wdrożyć BECCS pozwalający usunąć z atmosfery w sumie 480 GtCO2 (mediana), w tym do roku 2050 nawet do 140 GtCO2

Tak szerokie użycie wynika m.in. z tego, że BECCS jest wskazywany w raporcie IPCC Climate Change & Land jako jedno z 3 najskuteczniejszych działań mitygacyjnych związanych z użytkowaniem terenów: miałoby pozwolić na ograniczenie emisji o 0,4–11,3 GtCO2e  rocznie. Pozostałe dwa, zalesianie/odtwarzanie lasów oraz gromadzenie węgla organicznego przez gleby pól uprawnych i terenów wypasowych, mają potencjał pochłaniania odpowiednio 0,5–10,1 i 0,4–8,6 GtCO2e rocznie (raport IPCC 1,5oC, 2018).  

Potencjał BECCS na tle innych rozwiązań. Wykres pokazujący ile CO2 mogą potencjalnie usunąć z atmosfery różne technologie.
Ilustracja 3: Potencjał mitygacyjny rozwiązań mających usuwać CO2 z atmosfery dla lat 2020-2050. Źródło: raport IPCC Climate Change&Land, 2019 

Choć sumaryczny potencjał tych rozwiązań może wydawać się duży, to tak naprawdę jest niemożliwy do osiągnięcia ze względu chociażby na ograniczoną ilość ziemi, którą dysponujemy. Gdy jeszcze uwzględnimy wymogi pozyskiwania biomasy w sposób zrównoważony, to potencjał BECCS spada do co najwyżej 5 GtCO2e  rocznie. Na dodatek pewność naukowców co do dokładnego potencjału BECCS jest niska ze względu na przyjmowane, często rozbieżne, założenia. Chodzi między innymi o:

  • wysokość plonów upraw energetycznych,
  • niepełne wyliczenia odnośnie procesów zachodzących w ekosystemach,
  • emisje związane z usuwaniem naturalnej roślinności pod uprawy energetyczne i z późniejszym uprawianiem roślin energetycznych. 

Wyliczenia utrudnia jeszcze rosnąca temperatura Ziemi, która na bieżąco oddziałuje na np. ilość CO2 uwalnianego z gleb czy wysokość plonów. Zresztą samo wdrożenie na dużą skalę rozwiązań takich jak bioenergia czy zalesianie też nie będzie obojętne, jeśli chodzi o klimat planety, nie tylko ze względu na bilans gazów cieplarnianych ale np. wpływ na albedo (raport IPCC 1,5oC, 2018, raport IPCC Climate Change & Land, 2019).

Ostateczny efekt netto BECCS zależy do tego ostatecznie od całości emisji związanych z uprawą i przetwarzaniem biomasy wśród których są: 

  • bezpośrednie emisje CO2 z użycia energii podczas uprawy, zbioru, przetwórstwa i transportu,
  • emisje CH4 i N2O związane z suszeniem biomasy czy użyciem nawozów,
  • bezpośrednia utrata węgla z gleb z powodu zmiany użytkowania terenu (np. ekosystemu trawiastego na uprawy roślin energetycznych).

Na przykład według wyliczeń zespołu Tima Searchingera, emisje ze zmiany użytkowania terenu pod uprawę kukurydzy na bioetanol w USA zostaną „wyzerowane” dzięki korzyściom zastąpienia benzyny etanolem dopiero po 167 latach. Oznacza to, że uwzględniając straty węgla z gleb, sumaryczne emisje gazów cieplarnianych z etanolu są prawie 2x większe niż z benzyny na każdy przejechany kilometr w ciągu pierwszych 30 lat. Ogólnie emisje z całego cyklu pozyskiwania biomasy mogą więc potencjalnie przekroczyć ilość CO2 wyłapanego w ramach CCS. 

Ryzyko jest wyższe właśnie w przypadku produkcji biopaliw. Na przykład przy produkcji bioetanolu, tylko emisje CO2 z fermentacji (15% ilości węgla zawartego w biomasie) mogą zostać przechwycone. W tej sytuacji emisje towarzyszące wytworzeniu i wykorzystaniu o bioetanolu muszą być bardzo niskie, żeby udało się uzyskać „negatywne emisje”. Oznacza to, że nie cały CO2 związany przez rośliny zostanie zgromadzony pod ziemią w wyniku BECCS (zobacz il. 4). Do tego w niektórych sytuacjach instalacja BECCS może potrzebować więcej lub niemal tyle samo energii co produkuje (proces CCS jest energochłonny). Na przykład w przypadku wilgotnej biomasy wożonej do spalenia na długie dystanse, ilość energii uzyskanej, w stosunku do sumarycznie użytej, może być bardzo mała (Searchinger T. i in. 2008, Vaughan i in., 2018, Fajardy i in., 2019).

Wydajność BECCS: schemat pokazujący, jaka część węgla związanego w biomasie zostaje usunięta z obiegu w zależności od sposobu użycia biomasy.
Ilustracja 4: Jaka część węgla związanego w biomasie zostaje usunięta z obiegu (zmagazynowana) jeśli biomasa jest spalana na cele energetyczne (po lewej) i wykorzystywana w produkcji paliw (po prawej). Źródło: Fajardy i in., 2019

3. Jakie zagrożenia przynosi BECCS?

Oprócz niepewności co do rzeczywistego potencjału BECCS, technologie te mają jeszcze inne poważne wady. Produkcja biomasy zasadniczo wymaga gleby (chyba, że mowa o algach), azotu, fosforu i wody, przez co niektórzy naukowcy wskazują, że wielkoskalowe wdrożenie BECCS może z dużym prawdopodobieństwem przybliżyć systemy ziemskie do granicy planetarnej w zakresie użycia słodkiej wody i pogorszyć sytuację w zakresie bioróżnorodności i przepływów biochemicznych Fajardy i in., 2019, Creutzig i in., 2021. Oznacza też bardzo duży wzrost zapotrzebowania  na ziemię. W scenariuszach ograniczania temperatury Ziemi do maksymalnie 1,5°C uprawy  energetyczne musiałyby do roku 2050 obejmować nawet 700 mln ha. Biorąc pod uwagę, że pola i pastwiska zajmują obecnie ok.1600 mln ha jest to bardzo dużo ziemi (raport IPCC 1,5oC, 2018). Duże użycie biomasy bez i z BECCS może więc w przyszłości wzmóc presję zarówno na tereny naturalne jak i na ziemię rolną. Wzrost cen ziemi rolnej może powodować wzrost cen żywności. 

Intensyfikacja rolnictwa w celu uzyskania większych plonów może prowadzić do degradacji gleby czy zwiększonego użycia nawozów i środków ochrony roślin. W miejscach gdzie występują niedobory wody, uprawy energetyczne mogą konkurować o nią np. ze zbożami. Z tego względu scenariusze mitygacji oparte o wykorzystanie dużych obszarów ziemi mogą z dużą pewnością oddalić osiągnięcie celów zrównoważonego rozwoju, takich jak brak biedy, brak głodu i utrzymanie bioróżnorodności na lądach. 

Sposobem na łagodzenie tych negatywnych skutków może być zrównoważone zarządzanie produkcją biomasy. IPCC szacuje że ok. 100-400 mln ha może zostać przeznaczone na produkcję bioenergii bez znaczącego ryzyka dla bezpieczeństwa żywnościowego, usług ekosystemowych i zasobów słodkiej wody. W takiej skali uprawy niektórych roślin energetycznych mogą nawet przynosić korzyści z punktu widzenia klimatu czy środowiska np. sadzenie wieloletnich traw (chociażby gatunków miskantów) może zwiększać zawartość węgla w glebie czy zapobiegać pustynnieniu na niektórych obszarach (raport IPCC 1,5oC, 2018).

Ilustracja 5: Uprawa miskanta na cele energetyczne, Niemcy, źródło: Wikipedia/Hamsterdancer, licencja CC BY-SA 3.0

Wszystko to oznacza, że choć techniczny potencjał BECCS jest duży, to spada po uwzględnieniu ograniczeń środowiskowych, społecznych, politycznych, technicznych, ekonomicznych i geograficznych. Na przykład odpowiednie polityki, wieloletnie plany zarządzania, skuteczny rząd są potrzebne aby zarządzać podziemnymi zbiornikami CO2 i niwelować ryzyko wycieków. Aczkolwiek według badań, nawet przy złym zarządzaniu, ok. 70-80% CO2 wtłoczonego pod ziemię pozostaje w magazynie przez co najmniej 10 000 lat, co pokazuje, że BECCS (i ogólnie technologie CCS) może być skutecznym narzędziem do „wyciągania” CO2 z atmosfery, nawet jeśli nie jesteśmy w stanie zagwarantować całkowitej trwałości magazynów. (Alcalde i in., 2018, raport IPCC 1,5oC, 2018).

Na BECCS jeszcze poczekamy

Wdrożenie BECCS w skali potrzebnej do tego, by faktycznie miało to znaczenie dla stężenia CO2 w atmosferze, będzie wymagało zdecydowanego przyspieszenia rozwoju technologicznego. Na ten moment rozwój wszystkich technologii CCS jest powolny i nie ma niemal żadnych przykładów wielkoskalowego wdrożenia. W przypadku BECCS wszystkie funkcjonujące obecnie obiekty przechwytują około 1,5 mln ton CO2 rocznie, co jest zaniedbywaną ilością w porównaniu do rocznych antropogenicznych emisji CO2 (ok. 36 mld ton). 

Przejście od niemal niczego do dziesiątek gigaton w nadchodzących dekadach, wymaga ogromnych inwestycji. Szacunki mówią o ok. 260 mld dolarów rocznie do roku 2050. Niektóre scenariusze ograniczania emisji zakładają wdrożenie BECCS do końca tego wieku w skali porównywalnej wielkością do 2/3 wielkości obecnego przemysłu paliw kopalnych (raport IPCC 1,5oC, 2018, Vaughan i in., 2018, Fajardy i in., 2019, Osman i in., 2021, Regufe i in., 2021).

Trudno powiedzieć, czy to jest w ogóle realne. Z tego powodu naukowcy podkreślają, że konieczne jest jak najszybsze i jak najbardziej radykalne obniżanie emisji ze wszystkich sektorów gospodarki, a BECCS mogłoby wtedy pozostać opcją równoważenia emisji tam, gdzie ich ograniczenie jest przy obecnych technologiach trudne. Dotyczy to np. produkcji żywności, choć w tym przypadku zmiany po stronie popytu (np. zmiany dietetyczne) i produkcji (np. intensyfikacja produkcji rolnej) są i tak konieczne aby jak najbardziej minimalizować potrzebę korzystania z technologii „negatywnych emisji” (zobacz też „Klimatyczny ślad kotleta”).  

Im dłużej będziemy jednak zwlekać z ograniczaniem emisji tym bardziej będziemy w przyszłości zależni od szybkiego wdrażania technologii, która obecnie jest w powijakach. Co więcej, wyliczenia ile CO2 może zostać wychwycone w drugiej połowie XXI w. mogą nie mieć zupełnie znaczenia, jeśli ze względu na nasz brak działań zostaną wcześniej uruchomione sprzężenia zwrotne w systemie klimatycznym skutkujące uwolnieniem ogromnych ilości gazów cieplarnianych. IPCC wskazuje wręcz, że poleganie na BECCS niesie pewne moralne zagrożenia (moral hazards). Obietnice wdrożenia technologii usuwania CO2 mogą powstrzymywać lub opóźniać redukowanie emisji w różnych sektorach. Konsekwencją będzie większe ryzyko niepowodzenia mitygacji i przekroczenie „bezpiecznych”  progów temperaturowych, a także przeniesienie ciężaru mitygacji i katastrofalnej zmiany klimatu na przyszłe pokolenia (raport IPCC 1,5oC, 2018, raport IPCC Climate Change&Land, 2019, Creutzig i in., 2021). 

Anna Sierpińska, konsultacja dr. inż. Katarzyna Dąbkowska-Susfał 

Opublikowano: 12 kwietnia 2022

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.