Biokol – det nya svarta i gröna klimatskal

Figur 1: Med hjälp av en process som kallas pyrolys kan samhällets organiska restprodukter omvandlas till biokol som förutom sina jordförbättrande egenskaper även fungerar som en kolsänka. Foto: Jonatan Malmberg.

Biokol är en substans som det pratas allt oftare om i det klimatsmarta cirkulära samhället. Förutom att det är en lättviktare att räkna med i konstruktionssammanhang, oavsett om det gäller gröna tak, väggar eller infrastrukturlösningar, förbättrar den även odlingsförhållandena i gröna klimatskal, och renar avrinningsvattnet från oönskade ämnen. Samtidigt bidrar man till lösningen på ett av stadens avfallsproblem – hanteringen av organiska restprodukter.

I dagens stadsutveckling finns krav på att bygga både tätt och grönt. Trots att det i en tät stadsbild finns mindre plats för traditionella grönytor ställs höga krav på vilka ekosystemtjänster som stadens grönska ska leverera. Rekreation, klimatanpassning och dagvattenhantering är bara några av dem. För att kravet på ekosystemtjänster ska kunna uppnås i den täta staden är gröna klimatskal nödvändiga. Gröna klimatskal är gröna tak och väggar samt vegetationssystem på infrastruktur, såsom betongbjälklag tillhörande nedsänkta garage, trafiktunnlar med mera.
Men vegetation på byggnader och infrastruktur får i regel tuffare förutsättningar jämfört med där de växer naturligt. Faktorer som har negativ inverkan är bland annat den brutna kontakten med grundvattnet och den ökade risken för jordkompaktering. På grund av lastbegränsningar och prisskillnader mellan olika systemlösningar begränsas ofta även jordvolym och ibland jordkvaliteten, med försämrad luft-, närings- och vattentillgång som följd.
Parallellt med de gröna och täta kraven finns ett skriande behov av att ställa om till ett klimatsmart samhälle, med cirkulära flöden och ett minskat uttag av naturresurser. Det rimmar illa om de gröna klimatskalen, som är tänkta att ge oss en rad miljönyttor, inte bidrar till denna samhällsutveckling. Att ställa krav på de gröna klimatskalens kvalitet, både vad gäller deras kapacitet att klara de tuffa förutsättningarna i staden och att minska miljö- och klimatbelastningen är därför av största vikt. En produkt med stor potential att bidra till båda dessa kvalitetskriterier är biokol.

Biokol binder vatten och näring
I början av 2000-talet myntades uttrycket Terra preta nova (den “nya svarta jorden”). Bakgrunden är högavkastande regnskogsjordar i Amazonas med växter som växte mycket bättre jämfört med de omkringliggande kraftigt vittrade och mycket sura jordar. Även om det ännu råder en viss oklarhet i huruvida jordarna skapades avsiktligt eller inte är forskarna idag relativt eniga om att en komponent har bidragit mer än andra till de svarta jordarnas förmåga att hålla kvar näringsämnen och gynna viktiga marklevande mikroorganismer – nämligen biokol.
Biokolet i de svarta jordarna bildades då ursprungsbefolkningen brände ner skog för att frilägga odlingsyta. Den lågintensiva, kontrollerade förkolningen (snarare än förbränningen) av det organiska materialet gjorde att en stor del av kolet i den organiska massan inte avgick i form av koldioxid utan istället bands in i stabila kolföreningar som blev kvar i marken. Biokolets porösa struktur och stora ytarea resulterade i en mycket god förmåga att binda näringsämnen och vatten. Dess sprickor och håligheter bildade dessutom goda livsmiljöer för mikroorganismer, något som ytterligare förstärkte biokolets positiva effekter på näringsdynamiken i jorden.
Idag produceras biokol i högteknologiska pyrolysanläggningar för att säkerställa optimala processförhållanden och därmed en god kvalitet på det resulterande biokolet. Tyskland och Kina har varit bland de första länderna att genomföra större satsningar på pyrolysteknik för biokolsproduktion, men det sker just nu en mycket snabb utveckling inom biokols- och pyrolysteknik i hela världen, inte minst i Sverige.

Positiva effekter av biokol i flera olika vegetationssystem
I Sverige introducerades biokol som en lösning för att förbättra växtbäddar i stadsmiljöer redan år 2009 av Björn Embrén, verksam på Trafikkontoret i Stockholm. Under flera år hade så kallade skelettjordar med en stor andel makadam testats, med målet att skapa långsiktigt hållbara växtbäddar som inte går att kompaktera. Problemet var att när makadam blandades med vanlig jord blev växtbäddarna för täta. Men när det mer porösa biokolet tillsattes nådde skelettjordarna sin fulla, eller åtminstone sin hittills största, potential. Idag är biokol en självklar del i de skelettjordar som används för trädplantering, och även i övriga växtbäddar, i Stockholm. Efter att initialt ha importerat biokol bestämde sig Stockholms stad för att satsa på en egen pyrolysanläggning. Sedan 2017 har den funnits på plats i Högdalen, och biokol har sedan dess producerats av stockholmarnas eget park- och trädgårdsavfall.
Sedan 2009 har en rad andra försök med biokol genomförts i Sverige, både inom jordbruket och i olika urbana vegetationssystem. Biokolets positiva effekter på markens egenskaper har varit övertygande, inte minst i de fall där biokol tillsatts till torkutsatta jordar. Det biokol som har använts hittills har framställts av olika vedartade material, men med den pyrolysteknik som nu utvecklas finns möjligheter att tillvarata en mycket större bredd av samhällets organiska restprodukter. Det ger möjligheter att både skapa en kolsänka och att etablera ett cirkulärt material- och näringsflöde.

Figur 3: Gröna väggar börjar bli allt mer populära och vanliga i Sverige. I gröna väggar kan biokol bidra med en ökad vatten- och näringshållande förmåga.

Organiska restprodukter kommer till nytta
Inom det Vinnova-finansierade projektet Rest till Bäst tas ett stort kliv framåt i utvecklingen kring biokol genom att hela den värdekedja som kan skapas kring biokolsproduktion analyseras – från nyttiggörande av samhällets organiska restprodukter via avancerad pyrolysteknik till högkvalitativt biokol som kan användas på flera olika sätt. Med hjälp av kompetensen från en mängd olika aktörer, däribland universitet och forskningsinstitut, små och stora företag och flera kommuner, ska biokol produceras från en rad olika organiska restprodukter, samtidigt som miljöpåverkan minimeras och en kolsänka etableras. Projektet Rest till Bäst leds av Lunds kommun. Visionen? Ett klimatsmart, hållbart och cirkulärt samhälle och en grönare och friskare värld.
Flera olika organiska restprodukter som idag inte används kommersiellt för pyrolys och biokolsproduktion, det vill säga nya fraktioner av park- och trädgårdsavfall, jordbruksrester i form av fröskal, avloppsslam samt alger och tång från Skånes stränder, kommer inom ramen för projektet att omvandlas till biokol. Vi vet redan att viktiga näringsämnen i dessa organiska restprodukter måste tillvaratas. Idag bryts fosfor i gruvor runt om i världen, men dessa tillgångar förväntas sina inom 50-100 år och alternativa resurser behövs. Om allt slam från svenska reningsverk används som gödningsmedel skulle till exempel uppemot 7 000 ton fosfor kunna tillföras till åkermark, stadsgrönska och trädgårdsodling.
Förhoppningen är att genom modern pyrolysteknik och svensk innovation omvandla de organiska restprodukterna till ett rent biokol (fritt från kadmium och PAH:er) som samtidigt är rikt på fosfor. Egenskaperna hos de olika typerna av biokol som erhålls från olika restprodukter kommer att analyseras, och dess potential som odlingssubstrat att utvärderas genom odlingsförsök i växthus.

Pyrolys resulterar i ett rent och näringsrikt biokol
Kvaliteten och renhetsgraden på biokol kan variera mycket beroende på hur tillverkningen sker. Även om pyrolystekniken i grunden är enkel fordras därför noggrant kalibrerade pyrolysanläggningar – för att säkerställa kvaliteten med avseende på fosforinnehåll, närings- och vattenhållande kapacitet men även förekomsten av tung-metaller och PAH:er.
Själva ordet pyrolys används för två olika saker:

1. den process där biokol framställs genom att organiskt material hettas upp till mellan 500 och 1000°C utan närvaro av syre
2. den kemiska reaktion som sker när organiska molekyler som cellulosa och lignin utsätts för värme (reaktionen börjar redan vid cirka 250°C) och bryts ned till mindre molekyler och bildar gaser, tjära och en fast kolrik återstod (biokol).

Hur mycket som bildas av varje produkt under pyrolysen bestäms i första hand av temperatur och uppehållstid. Även bränslepartiklarnas (det organiska materialet) kemiska sammansättning och storlek samt upphettningshastighet och närvaro av oxidationsmedel under pyrolysen har betydelse. Alla dessa faktorer påverkar även vilka egenskaper biokolet får. Högre temperatur genererar till exempel en mindre mängd biokol, men ett biokol som innehåller mer kol per gram och är renare med avseende på olika skadliga ämnen (se nedan).
Efter pyrolysprocessen finns så gott som all fosfor som fanns i ursprungsmaterialet kvar i biokolet (försök har visat på över 97 procent). Även många andra näringsämnen finns kvar, dock inte kväve.
Om pyrolysen sker vid tillräckligt hög temperatur (>750°C) förångas kadmiumföreningar i stor utsträckning. Dessa kan därmed avskiljas från biokolet som renas från kadmium. Även kvicksilver förångas, och i viss mån även bly och zink, medan koppar, krom och nickel inte avskiljs. Höga kadmiumhalter är ofta ett problem så en effektiv avskiljning av kadmium är en förutsättning för att kunna återföra fosfor och andra näringsämnen i organiska restprodukter till jordbruksmark och gröna lösningar i våra städer.

Figur 4: Skånefrö har under vintern installerat en pyrolysanläggning i Hammenhög i Skåne. Anläggningen kommer huvudsakligen att användas för att pyrolysera restprodukter från jordbruket, men kommer även att användas för försök inom projektet ”Rest till Bäst”.

Koldioxidnegativ process som genererar fjärrvärme
De gaser och tjäror som bildas vid pyrolysen kan förbrännas och alstra värme som i sin tur upprätthåller pyrolysprocessen. Så länge organiskt material med tillräckligt hög TS-halt (torrhetsgrad – vatten förbrukar energi från processen när det förångas) kontinuerligt matas in i pyrolysanläggningen behövs därmed ingen extern energikälla för att driva pyrolysprocessen. Tvärtom ger moderna pyrolysanläggningar ofta ett värmeöverskott. I Hammenhög har Skånefrö (projektpart inom projektet Rest till Bäst) uppfört en, med globala mått mätt, mycket stor pyrolysanläggning för att omvandla frörens och liknande restprodukter från jordbruket till biokol. Av överskottsenergin produceras fjärrvärme – vilket innebär att Hammenhög har fått världens antagligen första koldioxidnegativa fjärrvärmeverk!

Hög temperatur minskar risken för PAH:er i biokolet
I tjära förekommer ofta Polycykliska Aromatiska Kolväten (PAH), en typ av organiska föreningar som är cancerogena. PAH:er bildas vid ofullständig förbränning, det vill säga när kol eller kolväten upphettas utan tillräcklig tillgång till syre såsom vid pyrolys. Vid låga pyrolystemperaturer finns risk att en liten tjärfraktion blir kvar i biokolet. Vid högre pyrolystemperaturer avgår dock i princip all tjära i gasform, och därmed även eventuella PAH:er. Förutom temperaturen har även uppehållstiden betydelse. Ju längre uppehållstid, desto mindre risk för att PAH:er finns kvar i biokolet. Studier har visat att risken för förekomst av PAH:er och dioxiner är högre vid snabb pyrolys (några sekunder) än vid långsam pyrolys (>15 min) och vid cirka 500°C jämfört med cirka 800°C.

Grön-blå-svarta klimatskal?
Biokol kan ge växterna bättre förutsättningar att klara stadsklimatets påfrestningar, speciellt under varma som-mardagar eftersom det har en mycket god vattenhållande kapacitet (motsvarande lerans). Den vattenhållande förmågan hos biokol är till stor nytta i växtbäddar i gröna tak och gröna överbyggnader på betongbjälklag, eftersom det begränsade substratdjupet i växtbäddarna leder till att de lätt torkar. Jordar med hög ler- och mullhalt håller mycket vatten, men blir oftast för täta i tunna växtbäddar (<500 mm) med syrebrist för växternas rötter som följd. Därför används ofta porösa substrat som pimpsten eller tegelkross, som släpper in luft samtidigt som de har interna porer som kan hålla vatten. Biokolets porösa struktur fungerar på samma sätt.
Andra fördelar med biokol i gröna klimatskal är dess lätta vikt, stabilitet och näringshållande förmåga. Biokol har en hög porositet och stor ytarea och därmed en hög katjonutbyteskapacitet, det vill säga god förmåga att binda positiva joner såsom näringsämnen och tungmetaller. Hur stor katjonutbyteskapaciteten är varierar, men den är jämförbar med andra organiska material, till exempel kompost. En hög katjonutbyteskapacitet är positiv ur växtodlingssynpunkt, men även när det gäller att rena vatten. Biokolets förmåga att binda näringsämnen gör att risken för att näring förs bort med avrinningsvattnet minskar. Kvaliteten på det vatten som lämnar gröna tak, och andra planteringar blir därför bättre om de innehåller biokol och risken för förorening av sjöar, hav och andra vattendrag minskar.

Figur 5: På Augustenborgs Botaniska Takträdgård i Malmö testas olika tillämpningar med biokol i gröna tak. En av takytorna har Peter Korn designat och är byggt som ett stenparti, fast här har stenarna bytts ut till cellglas för att skapa en mycket lätt konstruktion.

Ett axplock av aktuella projekt under 2019
Förmågan att binda tungmetaller gör biokol till ett mycket intressant material i grönblågrå system i gaturum med syfte att ta hand om regn. Hårdgjorda ytor som bil- och cykelvägar byggs traditionellt sett upp på ett förstärkningslager av bergkross med fraktionen 0–90 mm. Detta ger en tät uppbyggnad med mycket låg genomsläpplighet och gasutbyte. I Rosendal i Uppsala bygger Uppsala kommun en lösning där förstärkningslagret används på ett nytt sätt. Genom att använda makadam utan de fina fraktionerna skapas ett förstärkningslager med stora porer som kan fyllas med vatten, luft och rötter. För att förbättra det öppna förstärkningslagrets funktion som dagvattenfilter och växtsubstrat används biokol. Biokolets porösa struktur gynnar både vegetation och mikroorganismer genom att hålla kvar vatten och näring, samtidigt som näring och föroreningar i dagvattnet kan bindas till biokolet istället för att dräneras bort. I Vinnovaprojektet Rest till Bäst kommer Uppsala kommun att tillsammans med SLU följa upp insatsen, och jämföra olika växtbäddar som anlagts med respektive utan biokol. En annan av Rest till Bäst projekt-partners, Veg Tech, som är leverantör av gröna tak, investerar under 2019 med hjälp av stöd från Klimatklivet i en egen pyrolysanläggning. Där kommer restprodukter från regionala sågverk att förädlas till biokol som senare ska inkluderas i vissa av VegTech:s produkter. Överskottsenergin från pyrolysanläggningen kommer att användas för att värma företagets växthus och kontor.
Biokol i gröna tak testas också på Augustenborgs Botaniska Takträdgård i Malmö. Med stöd från Region Skånes miljövårdsfond genomför Scandinavian Green Roof Institute under 2018-2019 flera olika pilotförsök som syftar till att skapa mycket lätta och hållbara taklösningar för takodling, ängstak samt exotiska takplanteringar. Biokol används bland annat tillsammans med andra lättviktsmaterial såsom återvunnet glas.
En annan aktuell satsning är Parkering Malmös (Malmös kommunala parkeringsbolag) investering i gröna väggar. Flera hundra kvadratmeter gröna väggar ska under 2019 monteras på två av bolagets parkeringshus. I dessa gröna väggar kommer biokol finnas med i växtsubstratet. En möjlighet som undersöks av Parkering Malmö är att samla in regnvatten från den översta körytan på parkeringshusen och använda det till bevattning. Förhoppningen är att biokolet i substratet ska bidra till att rena det ofta starkt förorenade vattnet från parkeringshuset. Om det fungerar blir detta ytterligare ett av biokolets många unika användningsområden. 

Läs mer:
www.biokol.org (för att läsa mer om ämnet och om projektet Rest till Bäst)
www.european-biochar.org/en

Referenser
[1] Jeffery, S., F. G. A. Verheijen, M. van der Velde, and A. C. Bastos. 2011. A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment 144:175-187.
[2] Sohi, S. P., E. Krull, E. Lopez-Capel, and R. Bol. 2010. Chapter 2 – A Review of Biochar and Its Use and Function in Soil. Pages 47-82  Advances in Agronomy. Academic Press.
[3] Woolf, D., J. E. Amonette, F. A. Street-Perrott, J. Lehmann, and S. Joseph. 2010. Sustainable biochar to mitigate global climate change. Nature Communications 1:9.

Artikelförfattare
Jonatan Malmberg, Scandinavian Green Roof Institute
Ann-Mari Fransson, SLU
Ulrika Jönsson Belyazid, Belyazid Consulting & Communication
Markus Paulsson, Lunds Kommun

Artikeln är publicerad i Bygg & teknik 4/19