Biokull - status for forskning og utprøving i Norge

Innholdet av karbon har økt i atmosfæren og avtatt i jord de siste 50 år. Dette har ført til stor interesse for organisk materiale og karbon i jord. En liten økning av karboninnholdet i jorda kan føre til en nedgang i innholdet av CO₂ i atmosfæren. Utfordringen for bønder og klimaforskere er at de aller fleste typer organisk materiale som tilføres jord omdannes til CO₂ i løpet av noen år.

Menneskeskapt jord

Organisk materiale i én type menneskeskapt jord har imidlertid vist seg å være svært stabilt: Terra preta de indio er et menneskeskapt jordsmonn med høyt innhold av organisk materiale. Slik jord finnes i flere områder i Amazonas i Sør-Amerika (Glaser & Birk 2012). Jorda ser ut som en svart, fingrynet skogsjord. Når de ser nærmere på den, inneholder den blant annet mye kullrester. Arkeologiske studier av områdene viser at jorda er veldig gammel, mellom 500 og 2 000 år. Nøkkelen til å lage en slik jord med mye stabilt karbon prøver både forskere og praktikere å finne, også i Norge.

Jordsmonn i varmt og fuktig klima

Terra preta-jord inneholder rundt 9 % karbon, mens jorda ellers i disse regnskogsområdene bare inneholder 0,5-4 % karbon (Lehmann m. fl. 2003, Lehmann 2006). Typisk terra preta-jordsmonn har et 40 cm tykt toppjordlag med organisk materiale, kullrester og terrakottapotteskår fra før-colombisk tid (Glaser & Birk 2012). Vanlig karbondynamikk skulle ikke tilsi at innholdet av karbon i denne jorda er så høyt i dette klimaet. Et klima med 40 °C i skyggen, luftfuktighet på nær 100 % og tilgang på oksygen betyr stor mikrobiell aktivitet i jorda. Mesteparten av karbonet i jorda burde da vært i bruk

Biokull er karbonskjeletter av planterester

Det lages flere typer biokull som testes for økt karbonbinding i landbruksjord i Europa, men også ut fra et ønske om mer fruktbar og næringsrik jord. Biokull ligner på grillkull og lages ved at organisk materiale som treflis (1-5 cm), halm eller fast husdyrgjødsel (strø + hestegjødsel) varmes opp til 400-700 °C ved liten tilgang på oksygen ved såkalt langsom pyrolyse. Her blir ca halvparten av karbonet i biomassen omdannet til kull, mens resten blir til bioenergi i form av varme. Pyrolyse er en prosess som bevarer og stabiliserer planterestenes egen struktur, og gjør de opprinnelige lignin- og cellulosemolekylene om til stabile, såkalte aromatiske molekyler med en sekskantstruktur som likner celleveggene i en tavle i en bikube. Disse sekskantstrukturene på molekylnivå er motstandsdyktige mot nedbryting, og etter pyrolyse utgjør de celleveggene i halmen eller treflisen. Biokullet ser da ut som forkullede, inntørkede planteskjeletter som i struktur likner på det det er laget av.  

Omtrent halvparten av biomassen

Pyrolyse er ikke forbrenning, selv om det gjøres i ovner og ved høy temperatur. Lite oksygen forhindrer at materialet brenner opp, og ca. halvparten av karbonet er igjen etter en vellykket pyrolyse, samt at karbonet utgjør en større andel av molekylene etter pyrolysen. Mens cellulose (C₆H₁₀O₅)n inneholder 40 % C, 6 % H og 54 % O, så inneholder biokull mye større andel karbon og tilsvarende mindre hydrogen og oksygen. For eksempel produserte O’Toole og kollegaer (2013) et biokull av norsk hvetehalm med ca. 70% C, hvor 92 % av karbonet var i ringformede aromatiske karbonforbindelser. Ved langsom pyrolyse av elefantgras (Miscanthus sp) ved ulike temperaturer under pyrolysen, varierte karboninnholdet i biokullet som ble laget mellom 50-80 %, og mengden biokull som ble dannet varierte mellom 30-50 % (Budai m. fl. 2014). Det jobbes fortsatt med å optimalisere produksjonen av biokull når det gjelder utforming av ovner, biokullutbytte, stabil produksjon, ulike råstoff osv.

Energibruk i biokullproduksjonen

Ved produksjon av biokull blir det også produsert bioenergi, men i mindre grad enn ved direkte forbrenning fordi en del av energien fortsatt finnes i kullet. Pyrolysen krever energi, men bare rundt 20 % av karbonet må forbrennes for å drive prosessen. Når prosessen først er i gang gir den overskuddsvarme som tilsvarer minst 30 % av brennverdien i materialet som pyrolyseres. Dette betyr at systemer med kontinuerlig strøm av råstoff og effektiv gjenbruk av energi vil være mest energieffektive. En slik pyrolyseovn testes ved Skjærgården gartneri i Vestfold, hvor sluttproduktet er biokull og varme. Varmen skal brukes til oppvarming av drivhus. I de fleste tilfelle ønsker man et utbytte med mindre bioenergi og mer biokull. Det gjøres ved å holde temperaturen så lav som mulig, men høy nok til at massene forkulles. Forsker Alice Budai i NIBIO har vist at det kan lages stabilt og godt biokull ved temperaturer helt ned til ca 400 °C (2014).

Farlige stoffer ved pyrolyse

Under pyrolyse dannes det også noe gass og olje. I små pyrolyseanlegg vil både gass og olje som lages forbrennes underveis og samles ikke opp. En bekymring ved produksjon av biokull for landbruket er at det dannes giftige forbindelser ved pyrolyse, såkalte polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH). Dette skjer også ved skogbrann og da trekullet som ble brukt i Terra preta ble dannet. Testing av mange ulike råstoff til biokull, viser at PAH også dennes ved langsom pyrolyse, men at mengden var veldig lav, fra 0,07µg/g – 3,27 µg PAH/g biokull, og kun en liten del av dette ble antatt å være biotilgjengelig (Hale m. fl. 2012).

Videre avgjør reinheten til råstoffet som brukes også hvor mye tungmetaller det er i sluttproduktet. Typisk vil konsentrasjonen være dobbelt så høy i kullet som i råmaterialet dersom 50 % av karbonet blir til biokull. Dette er grunnen til at f.eks. avløpsslam ikke brukes til biokull, da det ofte inneholder mye kopper og sink, og noe kadmium.

Ved å bruke såkalt langsom pyrolyse og unngå temperaturer over 700 °C produseres færrest uønskete og farlig stoffer. Uansett hvordan biokull produseres trengs det kvalitetskrav og kontrollrutiner for biokull som skal brukes i landbruksjord.

Jordforbedring og lagring av karbon

Frem til nå har biokull blitt testet som fysisk jordforbedringsmiddel. Biokullet har med sin porøse struktur mange egenskaper som kan være bra for en moldfattig jord: Det kan holde på vann, det har stor overflate som kan holde på næringsstoffer, og det har et utall av hulrom hvor jordmikroorganismer kan leve. Biokull er basisk (pH 9-10) fordi det inneholder noe aske, men kalkingseffekten er likevel beskjeden. Asken og selve biokullet inneholder noen plantenæringsstoffer, men hvilke næringsstoffer og hvor mye avhenger av utgangsmaterialet og pyrolysebetingelsene. Generelt finner man mye Ca og noe Mg, men lite plantetilgjengelig P og N.

Binder til seg forurensing i jord

Godt produsert biokull er ikke bare trygt å bruke i jord, men kan også brukes til å redusere giftigheten av forurensninger i jord, såkalt bioremediering. Dette skyldes at biokull har sterk evne til å binde tungmetaller og organiske miljøgifter (inkludert PAH), slik at disse ikke blir tilgjengelig for plantopptak. I Kina brukes mye biokull til akkurat dette formålet. Forskere fra NIBIO, sammen med polske kolleger, fant også langt mindre opptak av kobber i bygg fra en sterkt kopperforurenset jord fra Polen hvor planter ellers nesten ikke kunne gro i det hele tatt.  

Karbonet i biokull virker stabilt også i norsk jord

Karbonet i biokullet omdannes svært sakte i jord, men dersom bønder skal få betalt for å lagre karbon i jord i form av biokull, er det viktig å dokumentere stabiliteten under norske forhold.  

Dette ble gjort i et feltforsøk over to år på Ås, der 800 eller 2 500 kg /daa biokull laget av karbonholdig elefantgras (Miscanthus) ble tilført jorda. Biokullet ble pløyd ned høsten 2010, sådd med havre, høstpløyd i 2011 og sådd med bygg våren 2012. Det ble gjødslet med 55 kg NPK 22-3-10 per dekar. Ved bruk av en nøyaktig sporingsmetode basert på karbonisotopen C-13 (som elefantgras har et naturlig høyt innhold av) ble mindre enn 1 % av karbonet i biokullet omdannet til CO2 i løpet av ett år. Dette bekrefter at karbonet var stabilt også i norsk jord (Rasse m fl. 2017). Hva som skjer med organisk materiale i jord avhenger blant annet av klima, plantevekst og jordliv (Schmidt m. fl 2011, Pommeresche & Riley 2018) og det er fremdeles mange spørsmål knyttet til biokull med hensyn til næringsforsyning og lagring av karbon i landbruksjord.  

Biokullgjødsel, et fremtidig alternativ for karbonfattig jord

Til tross for sine positive jordegenskaper har tilførsel av biokull i feltforsøk i Norge ikke ført til økte kornavlinger. En grunn er at biokull bare inneholder små mengder med tilgjengelige næringsstoffer. Biokull har høy spesifikk overflate og kan holde på plantenærings-stoffer slik at de ikke tapes ved utvasking. Det er vist at effektiviteten av mineralsk og organisk gjødsel øker når disse er bundet til biokull (fertichar), ved at flere næringsstoffer blir tatt opp av planter og mindre tapes ved utvasking (Qiang m. fl. 2014).

Kan en kombinasjon av biokull og næringsrikt organisk materiale være en positiv løsning for både plantevekst og karbonlagring? Da får jorda både tilført næringsstoffer og stabilt organisk materiale. En tysk studie viser at på sandholdig jord med maisdyrking og med veldig lavt innhold av karbon (0,8 %) ga tilførsel av kompost med biokull økt innhold av karbon, knapt økt innhold av nitrogen, men økt innhold av kalsium, kalium og fosfor (Liu 2012).

Det trengs mer forskning og utprøving når det gjelder tilførsel av biokull og biokullgjødsel under norske forhold, da særlig på plantevekst. Kombinasjoner av ulike typer organisk restmateriale og biokull testes og prøves ut av NIBIO og grønnsaksprodusenter i Østfold i prosjektet CARBO-FERTIL. Dette prosjektet skal se på næringstilgang for planter, hvilke pyrolyseløsninger som er best tilpasset gårdsnivå og hvordan produksjon og bruk av biokullgjødsel bidrar til gårdsøkonomien.  

Les mer

• Prosjektet Biokull som bærekraftig klimatiltak for nullutslippsamfunnet (CAPTURE+)
• Lenke til omtale av Budai sitt arbeid: Biokull kan bli enda grønnere

Referanser

• Budai, A.L. m. fl. 2014. Surface properties and chemical composition of corncob and miscanthus biochars: effects of production temperature and method. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 62:3791–3799.
• Glaser, B. & J.J. Birk 2012. State of the scientific knowledge on properties and genesis og Anthropogenic dark earths in central Amazonia (terra preta de Indio). Geochimica et Cosmochimica Acta 82, 39-51
• Hale, S.-E. m. fl. 2012. Quantifying the total and bioavailable polycyclic aromatic hydrocarbons and dioksin in biochars. Environmental Science and Technology 46, 2830-2838.
• Lehmann, J. m. fl. 2003. Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and Ferralsol of the Central Amazon basin: Fertilizer, manure and charcoal amendments. Plant and Soil 249, 343-357.
• Lehmann, J. 2006. Black is the new green. Sequestration news Feature, Nature 442, 624-626.
• Liu, J. m. fl. 2012. Short term effects of biochar and compost on soil fertility and water status of Dystric Cambisol in NE Germany under field conditions. J. Plant Nutr. Soil Sci. 175, 698-707.
• O’Toole, A. m. fl. 2013. Characterization, stability, and plant effects of kiln-produced wheat straw biochar. J. Environ. Qual. 42, 429-436.
• Pommeresche, R. & H. Riley 2018. Karbonlagring i jord er avhengig av både planter og jordliv. Forskning.no.
• Qian, L. m. fl. 2014. Biochar compound fertilizer as an option to reach high productivity but low carbon intensity in rice agriculture of China. Carbon Management, 5(2), 145-154.
• Rasse, D. m fl. 2017. Persistence in soil of Mischanthus biochar in laboratory and field conditions. Plos One, sept. 5.
• Schmidt, M. W. I. m.fl. 2011. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature 478, 49, 49- 56.