Ostatnimi czasy wpadł w nasze ręce artykuł mówiący o tym, że intensywna emisja metanu występuje na wysypiskach, którego źródłem są tworzywa biodegradowalne[1]. Informacja nie stanowiła dla mnie zaskoczenia, gdyż metan emitowany jest na drodze kompostowania beztlenowego, jednak ilości te wg literatury są pomijalnie małe[2] (pisałem o tym w artykule “Czy tworzywa kompostowalne są ekologiczne?”). Weryfikując jednak źródła okazuje się, że sprawa wygląda nieco inaczej niż mi się z początku wydawało.
Emisja metanu – wstęp
Przeglądając informacje w Internecie trafiłem na stronę organizacji European Bioplastics, wg której większość bioplastików (biodegradowalnych) pozostaje “obojętna” na wysypiskach, to znaczy, że nie dochodzi do emisji gazów cieplarnianych[3]. Na stronie jest nawet dostępne badanie jednego z tworzyw biodegradowalnych (PLA), w którym przeprowadzono badania w temperaturze pokojowej przy wilgotności rzędu 55-65% w warunkach przyspieszonego rozkładu (1 rok testu jest równoważny okresowi 100 lat w środowisku). W przypadku amorficznego PLA (wariantu, w którym wewnątrz materiału nie ma uporządkowanej struktury), biodegradacja postępowała barzdziej intensywnie, jednak ilość gazu wynosiła zaledwie 30-50 litrów (czyli 1,5-2,5 mola gazu) z kilograma surowca. Wynik ten został uzyskany przy 35 stopniach Celsjusza, w temperaturze 20 stopni żadna emisja gazu nie została zaobserwowana. Przy uzyskanej 55% zawartości metanu mamy ok. 24-40 gramów metanu na 1 kg tworzywa. Wiedząc, że metan jest średnio 25 razy gorszy od CO2 otrzymujemy wartość 625-1000 g eqCO2 (ekwiwalentu CO2) z 1 kilograma PLA. Nie są to jednak duże wartości jak na okres 100 lat. [4]
W przypadku krystalicznego PLA (o uporządkowanej strukturze wewnętrznej), który jest bardziej popularny – emisja nie została praktycznie zaobserwowana. Wynika to z faktu, że struktura krystaliczna polimeru jest zdecydowanie bardziej odporna na proces degradacji (biodegradacji beztlenowej, hydrolizy). [4]
Warto wspomniane wartości odnieść do zwykłych tworzyw sztucznych, którym zarzucana jest emisja gazów cieplarnianych. W artykule „Emisja gazów (cieplarnianych) z plastiku?” dla najgorszego wariantu uzyskano emisję na poziomie 20 milimoli/rok. Jest to ilość metanu 2 rzędy wielkości mniejsza niż emisja z PLA amorficznego w temperaturze 35 stopni Celsjusza.
Druga strona medalu
Weryfikując szerzej literaturę natrafiłem na nieco nowsze badania (nie prowadzone przez producentów tworzywa jak powyżej [4]). W pierwszym z artykułów podają, że rzeczywiście w temperaturach mezofilnych (30-40 stopni Celsjusza) nie dochodzi o emisji metanu z PLA[5]. We wspomnianym artykule wykorzystano metodę Biochemical Methane Potential (BMC), która służy do przewidzenia ilości emitowanego metanu z danego materiału organicznego [6]. Metoda ta zakłada umieszczenie badanej próbki z bakteriami beztlenowymi pobranymi z działającego kompostownika. Próbki są przechowywane w butelce w temperaturze 35 lub 55 stopni Celsjusza i są ciągle mieszane przez 30 lub 60 dni[7]. W tym czasie następuje pomiar emisji gazów. Istnieje szereg odmian tej techniki, jednak co do zasady nie różnią się one aż tak bardzo.
We wspomnianym wcześniej artykule przeprowadzono badania BMC dla PLA w temperaturze 55 stopni Celsjusza zgodnie z [8] oraz normą ASTM D5210-92. Zastosowanie podwyższonej temperatury spowodowało, że w trakcie 60 dni badania PLA wyemitowało 274- 372 litrów/kg tworzywa (średnio 325 litrów). Daje to 235 g metanu, czyli ok. 5,9 kg eqCO2. Są to już bardzo znaczące ilości. Dlaczego? Ponieważ w 55 stopniach emisja metanu będzie zdecydowanie szybsza niż w przypadku niższej temperatury. Ma to związek z temperaturą zeszklenia PLA, która wynosi ok. 55-60 stopni, powyżej której następuje osłabienie odporności PLA na biodegradację.
W innym znalezionym badaniu z kolei badano wpływ obróbki chemicznej PLA na emisję metanu pod kątem wytwarzania metanu z żywności oraz PLA[9]. Naukowcy przeprowadzili badania w celu zwiększenia ilości generowanego metanu w celu zwiększenia wydajności procesu. Dla nieobrobionego chemicznie PLA emisja metanu w temperaturze 37 stopni była w okolicach 600 litrów/kg tworzywa, a dla obrobionego 1200 litrów/kg. Jest to ilość wręcz dwukrotnie większa, z tą różnicą, że tutaj proces odbywał się w obecności resztek żywności. Zasadniczo PLA jest wykorzystywane w opakowaniówce, więc obecność żywności jest jak najbardziej prawdopodobna.
Rozbieżności między wyliczeniami a rzeczywistością
W obliczeniach dot. cyklu życia PLA zakłada się zazwyczaj zerową emisję metanu – w przypadku 6 z 7 modeli LCA założono wartość zerową lub nie było możliwe uwzględnienie czynnika. Nie uwzględniono go np. w modelu EASETECH, który został wykorzystany przez duńskich badaczy do oceny ekologiczności toreb na zakupy (przeczytacie o tym w artykule: „Czy torby bawełniane są ekologiczne?” ). Założenia te potrafią być prawdziwe w sytuacji, gdy w danym kraju mamy dość małe nasłonecznienie, dzięki czemu zachowana zostanie temperatura materiału poniżej 35 stopni Celsjusza.
W rzeczywistości jednak (biorąc do tego ocieplanie się klimatu) temperatury materiału na wysypisku będą zdecydowanie wyższe. Dla przykładu na wysypiskach w USA temperatury wynosiły 30-55 stopni, a w Kanadzie 10-49 stopni. W Finlandii również została osiągnięta temperatura powyżej 50 stopni Celsjusza[5]. Oznacza to, że wspomniane modele błędnie zakładają wartości emisji metanu z tworzywa biodegradowalnego jakim jest PLA. W rzeczywistości w wielu krajach emisja ta będzie zdecydowanie większa. Wyznaczone wartości niekoniecznie zostaną wyemitowane w ciągu kilkudziesięciu dni (wymagany jest aktywny kompost i ciągłemieszanie). Nawet jeżeli zostanie rozciągnięte do kilku-kilkunastu lat, to ta emisja będzie i tak będzie znacząca. Paradoksalnie – emisja ta będzie średnio trzy rzędy wielkości większa od emisji z tworzyw niebiodegradowalnych.
W obliczeniach dot. cyklu życia PLA zakłada się, że emisja metanu jest zerowa – w przypadku 6 z 7 modeli LCA założono wartość zerową. Taką wartość założył również model EASETECH, który został wykorzystany przez duńskich badaczy do oceny ekologiczności toreb na zakupy (przeczytacie o tym w artykule: „Czy torby bawełniane są ekologiczne?” ). Założenia te potrafią być prawdziwe w sytuacji, gdy w danym kraju mamy dość małe nasłonecznienie, dzięki czemu zachowana zostanie temperatura materiału poniżej 35 stopni Celsjusza. W rzeczywistości jednak (biorąc do tego ocieplanie się klimatu) temperatury te będą zdecydowanie wyższe. Dla przykładu na wysypiskach w USA temperatury wynosiły 30-55 stopni, a w Kanadzie 10-49 stopni. W Finlandii również została osiągnięta temperatura powyżej 50 stopni Celsjusza[5]. Oznacza to, że wspomniane modele błędnie zakładają emisję metanu z tworzywa biodegradowalnego jakim jest PLA. W rzeczywistości w wielu krajach emisja ta będzie zdecydowanie większa. Wyznaczone wartości niekoniecznie zostaną wyemitowane w ciągu kilkudziesięciu dni (wymagany jest aktywny kompost i jego mieszanie). Nawet jeżeli zostanie rozciągnięte do kilku-kilkunastu lat, to ta emisja będzie i tak będzie znacząca. Paradoksalnie – emisja ta będzie trzy rzędy wielkości większa od emisji z tworzyw niebiodegradowalnych.
Podsumowanie
Jak widać, obliczenia cyklu życia potrafią zawierać znaczące błędy jeżeli wszystkie czynniki nie zostaną uwzględnione. Z tego powodu tworzywa biodegradowalne pochodzenia roślinnego, które są uznawane za zeroemisyjne w realnych warunkach będą niekorzystnie oddziaływać na środowisko emitując metan. Wymaga to odpowiednich szerokości geograficznych, które potrafią podnieść temperaturę składowanych śmieci w okolicę 50 stopni Celsjusza. Jeżeli w Finlandii uzyskano tę wartość, to w Polsce w większości krajów europejskich jest ona realna. Oczywiście gdyby tworzywa biodegradowalne byłyby wykorzystywane do produkcji biogazu – w tej sytuacji będą stanowić one bardzo ciekawe źródło energii. Energia ta ma ogromną zaletę, gdyż można ją łatwo składować. Co bardziej istotne, na dzień dzisiejszy mniej niż 10% potencjalnego metanu jest wychwytywane w celu produkcji ciepła lub elektryczności [10]. Niestety, w naszym kraju wg mojej wiedzy – nie ma zbyt wielu tego biogazowni, a tworzywa biodegradowalne mogą trafić na wysypiska, gdyż spalarnie nie są w stanie przetworzyć aktualnej ilości śmieci.
Literatura
- [1] http://www.biosphereplastic.com/biodegradableplastic/compost-facility-verification/pla-plastic-creates-methane-in-landfills-japan-bioindustry-and-bioplastics-council/
- [2] Antoni Sánchez, Adriana Artola, Xavier Font, Teresa Gea, Raquel Barrena,David Gabriel, Miguel Ángel Sánchez-Monedero, Asunción Roig,María Luz Cayuela and Claudio Mondin, Greenhouse Gas from Organic Waste Composting: Emissions and Measurement
- [3] https://www.european-bioplastics.org/faq-items/how-do-bioplastics-behave-in-landfills-do-they-release-methane-gas/
- [4] Jeffrey J. Kolstad, Erwin T.H. Vink, Bruno De Wilde, Lies Debeer, Assessment of anaerobic degradation of Ingeo polylactides under accelerated landfill conditions, Polymer Degradation and Stability 97 (2012) 1131e1141
- [5] Max J. Krause and Timothy G. Townsend, Life-Cycle Assumptions of Landfilled Polylactic Acid Underpredict Methane Generation, Environ. Sci. Technol. Lett. 2016, 3, 166−169
- [6] F. Raposo et al., Biochemical methane potential (BMP) of solid organic substrates: evaluation of anaerobic biodegradability using data from an international interlaboratory study, J Chem Technol Biotechnol 2011; 86: 1088–1098
- [7]Jameson Filer, Huihuang H. Ding and Sheng Chang, Biochemical Methane Potential (BMP) Assay Method for Anaerobic Digestion Research, Water 2019, 11, 921;
- [8] Owen, W.; Stuckey, D.; Healy, J.; Young, L.; McCarty, P. L. Bioassay for Monitoring Biochemical Methane Potential and Anaerobic Toxicity. Water Res. 1979, 13, 485−492.
- [9] Shakira R. Hobbs, Prathap Parameswaran, Barbara Astmann, Jay P. Devkota and Amy E. Landis, Anaerobic Codigestion of Food Waste and Polylactic Acid: Effect of Pretreatment on Methane Yield and Solid Reduction, Advances in Materials Science and Engineering Volume 2019, Article ID 4715904, 6 pages
- [10] Jacqueline Stagner, Methane generation from anaerobic digestion of biodegradable plastics – a review International Journal of Environmental Studies, 2015,http://dx.doi.org/10.1080/00207233.2015.1108607
One Comment