Matavfall, trädgårdssticklingar, gödsel, och till och med mänskligt avloppsvatten kan förvandlas till fast biokol för energigenerering, och, om den skalas upp, skulle kunna bidra till att matcha den industriella efterfrågan på kol med behovet av att bli av med organiskt avfall och minska utsläppen av växthusgaser.

Europa har ett problem med bioavfall. Istället för att använda det kolrika materialet som bränsle, miljontals ton organiskt avfallsmaterial dumpas på soptippen, där det bryts ner och avger växthusgaser.

På samma gång, EU importerar miljontals ton kol för industriell användning och energiproduktion. Det tar in ett råmaterial som är föremål för sårbara leveranskedjor, bidrar till koldioxidutsläppen och som EU strävar efter att minska sitt beroende av.

Ansträngningar för att matcha dessa obalanser skulle kunna hitta en lösning inom biokol - en kolneutral vara gjord av organiskt avfall som kan användas som energikälla, industriella råvaror eller till och med som ett sätt att lagra kol, snarare än att släppa ut det i atmosfären.

"(Biokol)teknik kan spela en stark roll (på marknaden), För det första för att vi återvinner material med högt värde, för det andra för att det går snabbt, och för det tredje … eftersom det kan undvika CO ₂ utsläpp, sa Marisa Hernandez Latorre, grundare och vd för hållbara teknikföretag Ingelia, baserat i Valencia, Spanien.

Ett sätt att göra kolersättningen är en process som kallas hydrotermisk karbonisering (HTC), som använder överhettat vatten under tryck för att producera biokol på några timmar. Det tar normalt miljontals år för fossilt kol att bildas geologiskt.

"Det är verkligen en väldigt enkel och stabil process, eftersom det fungerar som en acceleration av den naturliga bildningen av kol, " sa Hernandez Latorre.

Ingelia har utvecklat en egen HTC-process för tre biokolanläggningar – i Spanien, Storbritannien och Belgien, med en total kapacitet på 8, 000 ton biokol per år. Flera fler väntar på myndighetsgodkännande och bör fördubbla kapaciteten under de närmaste åren.

"HTC biokol undviker inte bara användningen av stenkol i industriella processer, men också utsläpp av metan från deponier, " Hernandez Latorre sa, och tillägger att tekniken kan återvinna upp till 95 % av kolet från organiskt avfall.

Metan är en ännu mer potent växthusgas än koldioxid och en anmärkningsvärd källa är soptippar. Europa överger miljontals ton bioavfall på deponier varje år, och även där platser har metanavskiljningssystem, en betydande del av gasen kan komma ut.

Tryckkokare

Flera olika HTC-metoder har utvecklats, men processen fungerar i allmänhet i linje med en tryckkokare, även om ingredienserna sträcker sig från rester från bearbetning av mat eller dryck, jordbruksavfall, utkast från skogsindustrin som flis och sågspån, till majskolvar och avloppsvatten.

Bioavfallet placeras i en anordning som kallas en reaktor, i temperaturer från 180°C-250°C under tryck av storleksordningen 2 megapascal (MPa) eller 20 atmosfärer. Detta innebär att vattnet i systemet är överhettat, snarare än omvandlas till ånga.

Reaktorn omvandlar de fasta ämnena i det organiska materialet till hårt biokol – även känt som hydrochar – medan vätskorna kan samlas upp separat och användas som biogödsel och eventuella gaser som avges fångas upp och används för att driva systemet.

Biokolet har liknande egenskaper oavsett vilket bioavfall som används, Även om olika råvaror påverkar kvaliteten genom att bestämma askhalten. Förhållandena i reaktorn förstör patogener och de resulterande produkterna är sterila. Kolslammet kan också bearbetas för att ta bort stenar eller skärvor av glas eller metall, innan de komprimeras till briketter eller pellets.

Ingelias grundläggande HTC-process kan använda matavfall, till exempel, att producera biokol som liknar fossilt brunkol, innefattande cirka 60 % kol. Detta kolväte kan sedan gå igenom extra steg för att göra "designer" biokol av högre värde, tar bort aska och flyktiga ämnen för att säkerställa en kolhalt på upp till 90 % – kan konkurrera med stenkol av högsta kvalitet.

"Vi kan använda (ytterligare bearbetning) för att skräddarsy slutprodukten, att från biomaterialet återvinna exakt vad de behöver för de industriella processerna, i en cirkulär ekonomi (system), " sa Hernandez Latorre.

Växthusgaser

Hernandez Latorre säger att intern Ingelia-forskning visar att mellan 6,5 och 8,3 ton koldioxid ₂ motsvarande undviks per ton producerat HTC biokol, jämfört med en deponiverksamhet med eller utan ett metanåtervinningssystem.

Hon säger att biokol kan ha ett marknadsvärde på 170 euro per ton för det mest grundläggande kolet, till mer än 400 euro per ton för biokol av högsta kvalitet med den högsta kolhalten, beroende på dess avsedda användning.

Ingelia har kombinerat sina resultat från flera forskningsprojekt i sin HTC-process och riktar sin teknologi mot industrier som är beroende av kol, avloppshantering, som har att hantera organiskt avfall, och energiproducenter som går bort från koleldad kraftproduktion mot förnybara energikällor.

Med fallet i kolpriserna och efterfrågan i den ekonomiska nedgången orsakad av covid-19-pandemin, det kan ta tid för biokol att tränga undan fossila bränslen i industrin över hela världen. Men det erbjuder en lösning för dem som är skyldiga att hantera organiskt avfall och uppfylla EU:s plan att bli koldioxidneutral 2050.

Hernandez Latorre, som den 12 juni utsågs till EU:s Mission Innovation Champion för sitt arbete inom ren energiforskning, ser att det spelar en allt viktigare roll under de kommande 10-15 åren.

"Marknaden är verkligen beredd att acceptera eller implementera ny teknik, det enda är att de måste utvecklas tillräckligt i skala, " tillade hon.

Branscher behöver tillräcklig tillgång på biokol på marknaden för att planera för ersättning av fossila bränslen. Och investerare vill vara säkra på att de kommer att ha tillräckligt med bioavfall att bearbeta – och engagemang från användarna att ta deras produkter – innan de investerar i sofistikerade HTC-enheter som kan kosta hundratusentals eller till och med miljoner euro.

Lågteknologisk

Dessa etableringskostnader är oöverkomliga i många utvecklingsländer, även om bioavfall utgör ett problem över hela världen.

Men en låg kostnad, lågteknologisk version som använder mänsklig avföring för att göra biokol och gödningsmedel kan ge dubbel nytta för platser där människor saknar sanitära anläggningar, sa den sydkoreanske forskaren Dr Jae Wook Chung.

Han ser potential att både generera inkomster för samhällen och ta itu med deras miljö- och hälsoproblem orsakade av obehandlad avföring, med hänvisning till WHO uppskattar att 673 miljoner människor måste göra avföring i det fria – på gatan, bakom buskar eller i öppet vatten.

Forskning har visat att HTC-reaktorer kan tillverkas för mindre än 20 euro, 000, men Dr Chung siktar på att använda ett projekt som heter FEET för att utveckla en ännu enklare, billigare modell som kan användas i fattiga, högdensitetssamhällen som Kibera-slummen i Kenyas huvudstad Nairobi.

Han tänker sig ett system ungefär som ett oljefat, tillverkad med rör av rostfritt stål tillgängligt som byggmaterial i många utvecklingsländer. Och han vill övervaka temperatur och tryck utanför reaktorn, undvika dyra sonder.

Dr Chung kommer också att fokusera på sätt att säkerställa en hållbar försörjning av avfall för bearbetning – kanske genom organiserad tömning av groplatriner eller portabla toaletter – och att visa de ekonomiska fördelarna med biokol och flytande gödsel.

Han ser att göra ett sanitetssystem lönsamt för samhället som nyckeln till att göra det hållbart, och att tillhandahålla toaletter i regioner som för närvarande saknar dem.

"(Den) ekonomiska fördelen skulle också hjälpa dem som har en kulturell barriär att använda konventionella toaletter att gå bort från öppen avföring, " han sa.