Słońce jest źródłem energii, również tej nieodnawialnej, zawartej w paliwach kopalnych czy biomasie. I okazuje się, że tę zamkniętą w materii energię możemy odzyskać w bardziej ekologiczny sposób niż poprzez spalanie. W obliczu kryzysu klimatycznego to może być jedyne słuszne rozwiązanie.
Kiedy na świecie zacznie brakować energii, przełoży się to na kluczowe gałęzie gospodarki: rolnictwo i transport, czyli podstawy funkcjonowania naszego obecnego systemu zaopatrywania w żywność. W konsekwencji możemy się spodziewać, że konieczne będzie racjonowanie pożywienia i wody – elementarnych dóbr warunkujących życie i zdrowie człowieka. Jednak w całej tej ponurej i mrocznej układance wciąż istnieje nadzieja, jeden jasny punkt! To nasze Słońce.
Centralna gwiazda
Powstała około 4,567 mld lat temu na skutek implozji potężnego obłoku gazów i pyłu. W centrum tego zjawiska rozproszona materia uległa kondensacji, tworząc rozpaloną kulę, którą dziś nazywamy Słońcem. Jej reszta utworzyła orbitujący wokół centrum spłaszczony dysk, z którego uformowała się pozostała część układu, w tym ciała niebieskie krążące wokół gwiazdy. Potężna ilość nagromadzonej energii, olbrzymia siła przyciągania i rozległe pole magnetyczne stworzyły Układ Słoneczny.
Słońce to największy obiekt Układu Słonecznego, stanowi 99,8% całkowitej masy wszystkich obiektów, które się w nim znajdują. Poza nim mamy tutaj jeszcze osiem planet, przynajmniej tuzin planet karłowatych (w tym Pluton), 170 księżyców, a także niezliczoną ilość komet i asteroidów – wszystko to zebrane razem stanowi zaledwie 0,2% pozostałej masy Układu.
W odległej przyszłości możemy spodziewać się śmierci Słońca: w przybliżeniu za około 6,5 mld lat wyczerpie swoje zapasy wodoru i ulegnie ekspansji, pochłaniając Merkurego, Wenus i Ziemię, a następnie zapadnie się, stając się białym karłem. Jednak na razie ta najjaśniejsza gwiazda na niebie wciąż ma się dobrze i pozostaje gwarancją życia na naszej planecie. Stanowi źródło energii warunkującej wszystkie procesy biogeochemiczne, dzięki którym Ziemia to jeden wielki organizm.
Nadciąga duży kryzys
Materia organiczna pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, pod wpływem przeobrażeń biochemicznych w warunkach beztlenowych i przy udziale wysokiej temperatury, przekształca się w ropę naftową. Aby zaistniał ten proces, konieczne jest nagromadzenie olbrzymiej ilości tej materii w sprzyjających procesom okolicznościach. Patrząc na geologiczne dzieje Ziemi, takie zjawiska zachodziły zwykle w obszarze ciepłych mórz i oceanów, a głównym źródłem niezbędnej materii organicznej był fito- i zooplankton unoszący się w toni wodnej, który z czasem obumierał i gromadził się na dnie. Sam proces napędzała energia słoneczna. Złoża ropy naftowej to nic innego jak właśnie ta energia, przetworzona przez organizmy żywe i procesy geologiczne w jeden z najcenniejszych współcześnie zasobów: źródło energii nieodnawialnej.
Kiedy rosyjski chemik Mendelejew po raz pierwszy zbadał ropę, uznał, że jest zbyt cenna, aby ją spalać. Współczesny świat zwykł jednak ignorować ostrzeżenia naukowców. Peak oil – szczytowe wydobycie ropy – to zjawisko, kiedy poziom wydobycia osiąga maksimum, po którym następuje jego powolny, ale nieodwracalny spadek. Już w 1949 r. geolog Marion King Hubbert opracował model prognozowania wydobycia złóż tego surowca. Szczyt pozyskiwania ropy naftowej w Stanach Zjednoczonych miał według niego nastąpić w 1970 r., a na świecie w roku 2000. Faktycznie: kryzys paliwowy związany z gwałtownym spadkiem wydobycia ropy dał o sobie znać w Stanach w 1971 r. Co prawda ze względu na olbrzymi postęp technologiczny i sięganie po ropę zalegającą w tzw. trudnych złożach (np. szczelinowanie ze złóż łupkowych) światowy peak oil został opóźniony, ale jak wskazują galopujące ceny paliw, być może właśnie zaczynamy się do niego zbliżać. Zwróćcie uwagę na to, jak wiele wysiłku wkłada się w pozyskanie ostatnich kropel ropy naftowej. Czy nasz obecny świat wyglądałby inaczej, gdyby z podobnym zapałem zaangażowano się w rozwój technologii pozyskiwania energii ze światła słonecznego docierającego do Ziemi?
Życiodajne glony
Na szczęście bardzo duża grupa organizmów żywych występujących na naszej planecie wykształciła w toku ewolucji niesamowitą zdolność współpracy ze Słońcem. Mowa o roślinach zielonych i kilku innych grupach organizmów mających zdolność do fotosyntezy.
W ogromnym uproszczeniu fotoautotrofizm, czyli umiejętność wytwarzania składników pokarmowych i magazynowania energii ze światła słonecznego, polega na wykorzystaniu energii fotonów, wody oraz dwutlenku węgla do wytwarzania skomplikowanych związków organicznych (np. glukozy, fruktozy i celulozy, czyli cukrów). Produktem ubocznym tego procesu jest wydzielanie tlenu do atmosfery, a za blisko połowę tlenu, którym oddychamy, odpowiedzialne są mikroskopijne glony.
Śmiało możemy powiedzieć, że glony te to jedne z najważniejszych organizmów na naszej planecie. Rośliny zielone, których komórki wyposażone są w chlorofil, stanowią podstawę sieci troficznej, czyli w dużym uproszczeniu – bazę pożywienia wszystkich zwierząt roślinożernych, a pośrednio także drapieżników i człowieka. Widać zatem, że od Słońca zależą dwa najbardziej kluczowe czynniki warunkujące życie na Ziemi: tlen do oddychania oraz żywność. Ten uzależniony od światła słonecznego łańcuch powiązań leży też u podstawy procesów zapewniających samooczyszczanie wody, tworzenie gleb, wietrzenie podłoża mineralnego, czyli przepływu energii i krążenia materii (cykli biogeochemicznych) w ziemskiej biosferze. Sama materia organiczna jest zarazem idealnym magazynem energii, jak również „siedliskiem” kluczowych grup mikro- i makroorganizmów.
Kłopotliwa biomasa
Dzięki światłu słonecznemu wszystkie rośliny lądowe i wodne wytwarzają olbrzymie ilości biomasy. Zwierzęta, w tym człowiek, nauczyły się ją wykorzystywać jako pożywienie oraz sposób magazynowania i przenoszenia energii.
Cukry są tego idealnym przykładem – glukoza, fruktoza, sacharoza i skrobia to idealne źródła łatwo przyswajalnej dla organizmów cudzożywnych energii. Stanowią także niezastąpiony materiał budulcowy. Wielocukier o nazwie chityna to podstawowy składnik twardych pancerzy występujących u wielu grup zwierząt. Inny wielocukier jest jednym z głównych materiałów budulcowych wykorzystywanych przez człowieka. Owszem, to nie żart – w pewnym sensie mieszkamy w domach zbudowanych z piernika czy innych słodkości. Celuloza będąca wielocukrem wchodzi w skład drewna, z którego nadal konstruujemy budynki mieszkalne. Człowiek nauczył się również wykorzystywać drewno jako nośnik energii. Wszelkiego rodzaju kotły i piece opalane zrębkami, peletem czy brykietem wykorzystują biomasę będącą źródłem energii odnawialnej i dostarczającej ciepła do ogrzania wody użytkowej oraz naszych domów.
Spalanie roślinnej biomasy powstałej w wyniku fotosyntezy towarzyszy nam od zarania dziejów. Mimo to techniki jej pozyskiwania i substancje emitowane do atmosfery w wyniku jej spalania wskazują, że posługujemy się biomasą w sposób barbarzyński. A przecież są o wiele bardziej eleganckie metody odzyskiwania energii słonecznej.
Przydomowa minibiogazownia
W latach 50. ubiegłego stulecia pewien francuski rolnik nazwiskiem Jean Pain wpadł na genialny pomysł. A wszystko zaczęło się od ograniczania zagrożenia pożarowego w lasach. Pain mieszkał w Prowansji, która leży w południowo-wschodniej części Francji. Jest to region o wybitnie upalnych latach, często nękany potężnymi pożarami. Na początku drugiej połowy XX w. każdy rolnik mieszkający w Prowansji miał obowiązek przeprowadzania okresowej pielęgnacyjnej wycinki suchych gałęzi po to, by usunąć potencjalne paliwo mogące podsycić ogień. Gałęzie uprzątnięte z kilkudziesięciu hektarów lasu były jednak bardzo kłopotliwe w składowaniu, ponieważ zajmowały lwią część cennej powierzchni w gospodarstwie.
Zmyślny prowansalski rolnik zbudował więc maszynę do rozdrabniania drewna na zrębki, by móc je łatwiej magazynować. Dołączany do ciągnika rębak doskonale radził sobie z postawionym przed nim zadaniem i faktycznie sterty zrębków zajmowały o wiele mniej miejsca niż sterty luźnych gałęzi. Ale wtedy pojawił się inny problem. Wraz z nastaniem deszczowych dni, gdy suche do tej pory zrębki nasiąkły wodą deszczową, zaczął się proces ich biologicznego rozkładu, który skutkuje wydzieleniem dużych ilości ciepła. Mówiąc wprost, groziło to samozapłonem potężnych hałd zrębków składowanych w pobliżu domu i zabudowań gospodarskich.
Świadomy tego zagrożenia Francuz wpadł więc na kolejny genialny pomysł i zastosował rury ułożone spiralnie wewnątrz potężnych pryzm zrębkowych, przez które przepuszczał zimną wodę, aby je ochłodzić. Pozwoliło to zniwelować zagrożenie samozapłonu zrębków, a przy okazji pozyskać energię cieplną. Okazało się bowiem, że w przypadku dużej pryzmy, zbudowanej z około 120 m³ zrębków, wtłaczana do wewnętrznej wężownicy woda o temperaturze 5–8°C na wyjściu osiąga blisko 65°C i doskonale nadaje się do ogrzewania domu, szklarni oraz innych budynków w gospodarstwie.
Możliwości grzewcze tak wielkiej ilości materii organicznej rozciągały się na kilkanaście miesięcy. Pryzma zrębkowa dostarczała energię cieplną niezależnie od tego, czy świeciło słońce, czy wiał wiatr. Dodatkowo Pain we wnętrzu kolejnych pryzm grzewczych zainstalował komorę do beztlenowej fermentacji biomasy, uzyskując w ten sposób nieprzerwane dostawy biogazu, którym napędzał swojego citroëna oraz zasilał agregat prądotwórczy i kuchenkę gazową w domu. W ten sprytny sposób zbudował sobie całkowicie niezależny system energetyczny, bazujący na lokalnie pozyskiwanej biomasie i pokrywający w 100% jego własne zapotrzebowanie na energię i paliwo. Dodatkowo po zakończonym procesie gorącego kompostowania i biogazowania Francuz otrzymywał mnóstwo kompostu oraz płynny poferment, którym nawoził sporych rozmiarów ogród i pola dostarczające żywność zarówno jemu, jak i zwierzętom utrzymywanym w gospodarstwie.
Kiedy naukowcy zaczęli przyglądać się dokonaniom Paina i analizować wydajność jego systemu, z zaskoczeniem odkryli, że ilość energii pozyskana z biomasy poprzez gorące kompostowanie jest większa niż ilość energii, którą można by pozyskać z tej samej ilości biomasy poprzez jej spalanie. Jest to zapewne efekt tego, że zrębki stanowią idealne siedlisko dla rozwoju miliardów organizmów, które dodatkowo pochłaniają gazy z atmosfery i konsumując zrębki, zamieniają te składniki w nadwyżkową energię cieplną.
Jak spalać czyściej
Kolejną metodą na eleganckie, przemyślane i ekologiczne odzyskiwanie energii słonecznej zamkniętej w biomasie jest zgazowanie. Polega ono na konwersji paliw stałych w mieszaninę gazów palnych, które mogą być spalane w odpowiednim palniku lub zespole wytwarzającym energię elektryczną i cieplną jednocześnie. W procesie zgazowania zwykle wykorzystuje się różne, często niejednorodne i odpadowe, rodzaje biomasy, co znacznie ułatwia pozyskiwanie i gromadzenie odpowiednich ilości paliwa do ciągłego zasilania instalacji.
Zgazowanie obejmuje tylko częściowe spalanie biomasy w sytuacji niedoboru tlenu, gdy dopływ powietrza jest odpowiednio mniejszy niż w przypadku spalania całkowitego. Dodatkową zaletę tego procesu stanowi o wiele mniejsza ilość popiołów, a duży udział w pozostałościach po spalaniu węgla, który ma ciekawe właściwości. Przy odpowiedniej konstrukcji paleniska można taki węgiel drzewny ekspandować, czyli znacznie zwiększyć jego powierzchnię czynną. Robi się to podczas procesu wygaszania pieca, poprzez zalanie go wodą. Węgiel ekspandowany charakteryzuje się bardzo porowatą strukturą. Ta olbrzymia powierzchnia czynna jest doskonałym środowiskiem dla rozwoju tlenowych mikroorganizmów, które można namnażać i aplikować do gleby, aby ją rekultywować. Odpowiednio przygotowany węgiel drzewny zalewa się pożywką, w której znajdują się szczepy pozytywnych mikroorganizmów glebowych. Następnie taki „biowęgiel” (węgiel oraz biologiczny materiał w postaci mikroorganizmów) mieszany jest z wierzchnią warstwą gleby.
Rozwiązanie polegające na użyźnianiu gleby z jednoczesnym jej ożywianiem przy użyciu węgla drzewnego jest znane od kilku tysięcy lat i było stosowane na olbrzymią skalę przez pierwszych ludzi – rdzenne kultury zamieszkujące obszary centralnej Amazonii. Dzięki wykorzystaniu węgla drzewnego mogli oni uprawiać zdumiewającą ilość pożywienia na najgorszych glebach na świecie, bez niszczenia lokalnego ekosystemu – tak jak to robi obecnie rolnictwo przemysłowe w tzw. krajach rozwiniętych. Odkrycia tego dokonała w latach 90. grupa antropologów zajmujących się mapowaniem miejsc występowania licznych artefaktów dowodzących istnienia potężnej kultury zamieszkującej dorzecze Amazonki – polecam zapoznanie się z dokumentem BBC The Secret of El Dorado, dostępnym na YouTubie.
Zgazowanie biomasy jest ponadto dużo „czystszą” formą spalania, ponieważ nie ma tak negatywnego wpływu na stan atmosfery jak spalanie całkowite. W wyniku tego procesu nie tylko produkuje się mniej smogu, ale jest to także modelowa forma czerpania energii ze Słońca poprzez przemyślane wykorzystanie lokalnie dostępnej biomasy. Jeżeli pójdziemy krok dalej, zauważymy, że to również doskonały pretekst do zazieleniania potężnych obszarów, które obecnie ulegają pustynnieniu. To wzorcowa metoda na sekwestrację (wychwycenie z atmosfery i trwałe wbudowanie w strukturę gleby) olbrzymich ilości gazów cieplarnianych. Proces ten umożliwiają zwierzęta hodowlane, które mają zdolność przywracania życia tam, gdzie w wyniku nieprzemyślanej gospodarki człowieka obecnie znajdują się pustynie.
Kwaterowy wypas zwierząt
Jeśli jeszcze nie słyszeliście o holistycznym wypasie kwaterowym zwierząt i zamienianiu pustyń w życiodajne oazy, polecam waszej uwadze doskonałe wystąpienie prof. Allana Savory’ego na konferencji naukowej TED (do obejrzenia w serwisie YouTube). Naukowiec w sposób bardzo przejrzysty wyjaśnia, jak wykorzystał obserwacje naturalnie migrujących stad zwierząt z grupy przeżuwaczy – bydła, owiec, kóz itp. – do stworzenia wydajnego systemu zarządzania wypasem. System ten przyśpiesza regenerację gleby i odwraca procesy pustynnienia. W rolnictwie już dawno nie mówiło się tyle o innowacji, która mogłaby zadziałać globalnie, powstrzymując ocieplenie klimatu i dostarczając pełnowartościową żywność wszystkim potrzebującym.
I wiecie co? To rozwiązanie też jest zasilane przez Słońce!
Korzystałem m.in. z publikacji Biochar as Soil Amendment: Impact on Soil Properties and Sustainable Resource Management, red. prof. dr José M. de la Rosa; The Biochar Solution: Carbon Farming and Climate Change Alberta K. Batesa; Regenerate Earth: The practical drawdown of 20 billion tonnes of carbon… Waltera Jehne’a oraz jego wystąpienia Climate Solutions for a Blue Planet, a także materiałów dostępnych w serwisie YouTube: Earth from Space: Nutrient Cycles, Upwelling and Algal Blooms; Algae: The World’s Most Important Plants – Perspectives on Ocean Science.
Czytaj również:
