Nye metoder for deponering av skogbrukspeler på plass produserer pyrogent karbon for å gjenopprette skogens jordhelse og for karbonfjerning og sekvestrering. Her presenterer vi en produksjonsmetode for biokull som integrerer en ny regnskapsmetodikk for karbonfjerning og en digital applikasjon.
En av de største utfordringene ved utnyttelse av ikke-kommersiell skogsbiomasse er den utbredte naturen. Den beste løsningen på biomasseproblemet, for å unngå kostbar og karbonintensiv prosessering (chipping) og transportkostnader, er å behandle det på stedet. Konvensjonelle brennhauger har imidlertid ødeleggende virkninger på skogsjord og gir ingen andre fordeler enn drivstoffreduksjon. Konvertering av skogsvedje til biokull på stedet har mange økologiske fordeler i forhold til dagens praksis med svedjedeponering ved forbrenning i brennhauger, inkludert redusert jordoppvarming og partikkelutslipp, sammen med flere fordeler med biokull til skogsjordhelse og vannholdingskapasitet når den blir stående på plass. Å lage biokull på stedet i skogen er en måte å returnere en pyrogen karbonkomponent til skogsjord som har manglet på grunn av den nyere historien om brannundertrykkelse. Biokull er også en ledende metode for karbonfjerning og lagring for å redusere klimaendringene. I denne studien dokumenterer vi en metode for å lage biokull ved hjelp av en bærbar biokullovn. Denne rimelige metoden benytter håndmannskaper utstyrt med vann for å slukke ovner før biokullet brenner til aske. Enkle teknikker for å kvantifisere og karakterisere det produserte biokullet er innarbeidet i metoden med det formål å måle påvirkning og kvalifisere for karbonfjerningssertifikater for å bidra til å betale for kostnadene ved arbeidet. Vi beskriver CM002 komponentmetodikk som gir standardiserte prosedyrer for kvantifisering av drivhusgassfordeler i tre stadier av prosessen: innkjøp av avfallsbiomasse, biokullproduksjon og påføring av biokulljord. CM002-metodikken er basert på internasjonal beste praksis, inkludert den nyeste VCS-metodikken VM0044-standarder og EBC C-Sink Artisan Standards. Pålitelige kvantifiseringsmetoder som benytter passende sikkerhetsfaktorer er det første viktige skrittet mot kvalifisering for finansiering av karbonfjerning.
I mange verdensregioner, inkludert det vestlige USA, har klimaendringer, tørke og fremmede invasive arter skapt en brannkrise som truer økosystemer og samfunn. Når skoger og skogsområder brenner ukontrollert, slippes store mengder partikler og klimagasser ut i atmosfæren, med ødeleggende konsekvenser for menneskers helse og klimaet. For eksempel anslås skogbranner i California i 2020 å ha gitt ut rundt 127 millioner megatons klimagassutslipp, omtrent to ganger mengden av Californias totale klimagassutslippsreduksjoner fra 2003 til 20191. I økende grad undersøker forskere og landforvaltere menneskelige handlinger som kan bidra til å gjenopprette disse skogene og skogene og deres økosystemtjenester. Manuell tynning og fjerning av overflødig biomasse er et av de viktigste tiltakene som må tas2. Fjerning av biomasse inkluderer deponering, og der biomassen ligger på avsidesliggende og vanskelig tilgjengelige steder, er det få andre alternativer enn forbrenning på stedet i uhåndterte skråstreker. Uhåndterte brennhauger gjør jobben med å fjerne drivstoff fra landskapet, men de skader skogsjord da den konsentrerte varmen under haugene brenner jordens organiske horisont, og etterlater bar jord som er sårbar for erosjon og kolonisering av invasive arter. Det kan ta flere tiår å regenerere den organiske jordhorisonten i et brennhaugarr3. Uhåndterte brannhauger er også en kilde til utslipp av partikler og klimagasser. Røyk fra svedjehaugbrenning begrenser også det brennende vinduet i luftkvalitetsbegrensede vannskiller, noe som gjør det vanskeligere å utføre arbeidet.
Forskere for USDA Forest Service har undersøkt alternativet med å produsere biokull fra svedjematerialer, og har identifisert flere lovende teknikker, inkludert muligheten for å bruke små, mobile biokullovner i skogen4. Konvertering av skogsvedje til biokull på stedet har mange økologiske fordeler i forhold til dagens praksis med svedjedeponering ved forbrenning i brennhauger, inkludert redusert jordoppvarming og partikkelutslipp. Biokull produsert på stedet kan fjernes og utnyttes i landbruket, eller det kan stå på plass der det tjener flere funksjoner i å gjenopprette skogens helse og forbedre tilpasning til klimaendringer og tørke. Fordi opptil 50% av det totale karbonet i mange skogsjord er trekull fra historiske, naturlige branner5, kan det å etterlate biokull på stedet der det er laget, gjenopprette skogsjordkull som ofte mangler i nyere jordhorisonter på grunn av brannundertrykkelse, med ukjente virkninger på økosystemprosesser6. Biokull etterlatt på plass på skogsjord kan etterligne effekten av trekull produsert av naturlig brann og produsere lignende effekter på jordens karboninnhold og jordens fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper7.
De siste årene har et internasjonalt nettverk av skogsarbeidere, skogeiere, forskere og biokullkonsulenter utviklet en rekke karboniseringsmetoder for å konvertere skogsvedje til biokull på stedet som et alternativ til svedjehaugforbrenning. Disse metodene er basert på prinsippet om flammekarbonisering, først utviklet og kommersialisert i Japan som den “røykfrie karboniseringsovnen” som tilbys av Moki-selskapet8. Denne stålringsovnen lager godt karbonisert biokull med rapportert biomasse-til-biokull-konverteringseffektivitet på 13% til 20%, avhengig av råstoffet som brukes9.
Prosessen med å produsere biokull eller trekull blir ofte referert til som pyrolyse, separasjon av biomassekomponenter ved varme i fravær av oksygen. Dette er vanligvis tenkt som retort pyrolyse, hvor biomasse er fysisk isolert fra luft i en eksternt oppvarmet beholder. Imidlertid kan pyrolyse også finne sted i nærvær av begrenset luft, som ved gassifisering og flammekarbonisering, fordi fast brensel som tre brenner i trinn. Når varme påføres biomasse, er det første forbrenningstrinnet dehydrering, da vann fordampes fra materialet. Dette etterfølges av devolatilisering og samtidig røyedannelse, også kjent som pyrolyse. Flyktig gass som inneholder hydrogen og oksygen frigjøres og brennes i en flamme, og tilfører kontinuerlig varme til prosessen. Når gassen frigjøres, omdannes det gjenværende karbonet til aromatisk karbon, eller røye. Den endelige forbrenningsfasen er oksidasjonen av røya til mineralaske10.
Fordi dette er diskrete faser som oppstår i en åpen forbrenningsprosess, har vi muligheten til å stoppe prosessen etter røyedannelse ved å fjerne luft eller varme. Dette oppnås under biokullproduksjonsprosessen ved kontinuerlig å legge nytt materiale til brennhaugen slik at den varme røya blir begravet av nytt materiale som kutter oksygenstrømmen. Varmt trekull samler seg i bunnen av haugen og forhindres i å brenne til aske så lenge flamme er tilstede, fordi flammen bruker det meste av tilgjengelig oksygen. Når alt drivstoffet er lagt til haugen, begynner flammen å dø ned. På det tidspunktet kan det varme trekullet bevares ved å fjerne oksygen og varme, vanligvis ved å sprøyte kullene med vann og rake dem tynne for å avkjøle11.
Det grunnleggende operasjonsprinsippet er motstrømsforbrenning. Motstrømsforbrenningsluft holder flammen lav og forhindrer utslipp av glør eller gnister. Flammen brenner også det meste av røyken, noe som reduserer utslippene. Oppsummert forklarer følgende prinsipper driften av motstrømsforbrenning i en flammekappeovn: (1) Gass strømmer oppover mens forbrenningsluft strømmer nedover, (2) Motstrømstrøm etableres når brennende drivstoff trekker luft nedover, (3) Flammene holder seg lave og nær drivstoff, minimerer glørflukt, (4) Røyk brenner i den varme sonen, (5) Fordi all forbrenningsluften kommer ovenfra, det forbrukes av flammene (6) Svært lite luft er i stand til å nå de uforbrente kullene som faller til bunnen av ovnen, (7) Kullene blir bevart til slutten av prosessen når de slukkes eller snus.
I tillegg til fordelene for jord, er biokull også en ledende metode for karbonfjerning for å redusere klimaendringene. Opptil halvparten av karbonet i treaktig biomasse kan omdannes til stabilt, aromatisk karbon i form av biokull12. Imidlertid produserer ikke alle pyrolyseteknologier samme mengde gjenstridig karbon som forblir stabilt i jord i 100 år eller mer (nøkkelmetrikken for å bestemme karbonfjerningsverdien). Biokullstabilitet er nært korrelert med produksjonstemperaturen. Den adiabatiske flammetemperaturen ved brennende tre er estimert til å være nær propan, 1,977 °C13. Biokullproduksjon i en flammehetteovn er tett forbundet med flammen, uten varmeoverføringstap ved ledning gjennom en metallvegg, som ved retortpyrolyse. Derfor forventer vi at produksjonstemperaturen vil være høy så lenge en flamme opprettholdes under prosessen. En undersøkelse av røye ved hjelp av Raman-spektroskopi14 rapporterte at en biokullprøve fra en flammehetteovn (levert av hovedforfatter Kelpie Wilson) var blant de tre prøvene med høyest tilsynelatende temperatur på røyedannelse, i området 900 ° C.
Termoelementer kreves for å få tilgang til det indre av brenningen og nøyaktig måle produksjonstemperaturen til biokull i en flammehetteovn eller brennhaug, og disse er dyre og ikke tilgjengelige for lavteknologiske produsenter. Derfor har vi brukt en metode beskrevet av forskere som jobber i brasiliansk Amazonas som bruker varmestifter (brukt av sveisere for å sjekke temperaturen på metalldeler) som smelter ved en kalibrert temperatur15. Murstein er merket med fargestifter, pakket inn i aluminiumsfolie, og plassert på forskjellige steder i ovnen under produksjonen. Vi brukte denne metoden flere ganger og fastslo at temperaturen i ovnen oversteg 650 °C, da fargestiftmerkene var helt smeltet. Dette vil være en nyttig metode for å bekrefte produksjonstemperaturer der det trengs; Imidlertid vil det viktigste verifikasjonspunktet dokumentere tilstedeværelsen av flamme gjennomgående.
Det er ikke mye publiserte data om egenskapene til biokull laget av lavteknologiske flammekarboniseringsmetoder. Imidlertid ble biokullprøver laget av flammekarboniseringsmetoder i flere ovnstyper analysert av Cornellissen et al. og funnet å oppfylle europeiske Biochar Certificate (EBC) standarder for biokull, inkludert lavt PAH-innhold og høy biokullstabilitet. Videre hadde biokull produsert fra både treaktige og urteaktige råstoffer et gjennomsnittlig karboninnhold på 76 prosent11. US Forest Service Rocky Mountain Research Station16 analyserte fem biokullprøver fra flammeovner og brennhauger laget på en feltdag i California i 2022. Det gjennomsnittlige karboninnholdet i prøvene var 85 prosent. Gitt disse resultatene kan vi konkludere med at det er sannsynlig at biokull laget av treaktige rester i flammehetteovner vil oppfylle de grunnleggende kravene til verifisert karbonfjerning: høyt karboninnhold og høy biokullstabilitet.
To karbonfjerningsprotokoller for lavteknologisk, stedsbasert biokullproduksjon er nå utgitt av Verra17 og European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink-protokoll18. Disse nyutviklede protokollene er lovende; Imidlertid har de noen begrensninger når de brukes på skoger, skog og andre landskap som er truet av tørke og brann. Følgelig vil denne artikkelen beskrive en ny metodikk, metodikken CM002 V1.0, fra AD Tech19, som utvikles spesielt for flammekarbonisering av treaktig rusk som en del av vegetasjonsstyring og drivstoffbelastningsreduksjonsaktiviteter. Livssyklusanalyser bekrefter at karbonbinding av biokull på stedet fra treaktig biomasse i flammehetteovner gir en netto karbonfjerningsfordel20. Vellykket implementering av karbonfjerningsprotokoller kan bidra til å støtte økonomisk det viktige drivstoffreduksjonsarbeidet som må finne sted for å beskytte samfunn og økosystemer mot brannfeller og økosystemforringelse. For å få tilgang til karbonfjerningsbetalinger, er feltmålinger og digital overvåking, rapportering og verifisering (D-MRV) metoder innarbeidet som rutinemessig praksis i biokullproduksjonsmetodikken beskrevet her. Detaljer om plattformen er omtalt i tilleggsinformasjonen (tilleggsfil 1).
Mens flere åpen kildekode-design av flammehetteovner blir produsert av enkeltpersoner til eget bruk21, så vidt vi vet, er det på dette tidspunktet bare en flammehetteovn med en kapasitet på større enn en kubikkmeter som blir masseprodusert for salg i Nord-Amerika, Ring of Fire Kiln22, En lett, bærbar flammehetteovn som er designet for enkel mobilitet ved hjelp av håndmannskaper. Ovnen består av en indre ring bestående av seks plater av mildt stål som er festet sammen. En ytre ring bestående av lettere stålbolter på brakettene som holder den indre ringen sammen. Den ytre ringen fungerer som et varmeskjold som holder på varmen for bedre effektivitet. Toppen av ovnen er åpen for luft, og det er her flammehetten dannes. Luft som strømmer opp gjennom det ringformede gapet mellom hovedovnen og varmeskjoldet gir forvarmet forbrenningsluft til ovnen, noe som øker forbrenningseffektiviteten ytterligere (figur 1)
Figur 1: Skjematisk visning av luftstrøm, flammekarakteristikker og røyeansamling i ildovnens ring. Motstrømsforbrenningsluft trekker røyken inn i den varme sonen, hvor den brenner opp. Luft som strømmer opp gjennom det ringformede gapet mellom hovedovnen og varmeskjoldet gir forvarmet forbrenningsluft til ovnen, noe som øker forbrenningseffektiviteten ytterligere. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Ovnens diameter er 2,35 m, og danner en sylinder som er en meter høy for et totalt volum på 4,3 m3. I praksis fylles ovnen aldri helt til toppen, så en typisk produksjonsbatch vil fylle ovnen fra mellom 1/2 til 3/4 full for et volum biokull som er mellom 2 og 3 kubikkmeter.
Fordi Ring of Fire Kiln er en standardisert design, blir den vedtatt som den første sertifiserte teknologien for bruk i CM002 komponentmetodikk som gir standardiserte prosedyrer for kvantifisering av klimagassfordeler (GHG). Måle- og datainnsamlingstrinn som oppfyller kravene i CM002 er innlemmet i metoden. Rapportering gjøres gjennom en smarttelefonapplikasjon ved å svare på korte spørreskjemaer gjennom hele prosessen og laste opp bilder og videoklipp til mobilappen.
Ulike biomassearter vil produsere biokull med ulike fraksjoner av karbon og aske, uavhengig av produksjonstemperatur, på grunn av den elementære sammensetningen av biomassen24. Fordi de eksisterende databasene med biokullegenskaper for forskjellige råstoffer ikke er komplette, kan det hende at prosjekter må sende inn prøver for laboratorieanalyse for å verifisere det organiske karboninnholdet i biokullet. For å holde prosjektkostnadene nede, anbefaler vi en enkel laboratorieprosedyre som kan gjøres til lave kostnader av studenter i skolelaboratorier på videregående skole eller samfunnsskole nivå25. Over tid, etter hvert som flere prosjekter implementeres på bakken, vil databasen med biokullkarboninnholdsverdier for forskjellige råstofftyper vokse og bli mer brukbar.
Mange av D-MRV-målingene skal verifisere at produksjonsforholdene er optimale for å produsere biokull med egenskaper som samsvarer tett opp til databaseverdiene. Disse nøkkelmålingene er råstofffuktigheten og videoserien som dokumenterer kvaliteten på flammende forbrenning, som bestemmer produksjonstemperaturen og den resulterende stabiliteten til karbonet i biokullet.
Selv om det er enkelt å måle volumet av biokull produsert i ovnen, er det ikke lett å bestemme tørrmassen til biokullet som produseres. Arbeid med biokull er utfordrende fordi materialets komplekse partikkeltetthet gjør målinger av bulktetthet vanskelig å bestemme26. Når biokull er slukket, er det ikke mulig å få en tørrvekt på et visst volum biokull i felt. Den tørre bulktettheten av biokull kan imidlertid måles i felt ved å fylle en metallbøtte med kjent volum med glør og veie den. Denne fremgangsmåten kan gi oss en god tilnærming til tørrmassen til biokullet.
En viktig ulempe med denne metodikken er den iboende variasjonen i feltoperasjonene, inkludert råstoffvariabilitet og ferdighetsnivået til operatøren. Operatøren må bestemme råstoffbelastningshastigheten og arbeide for å opprettholde en sterk flamme i ovnen. Unnlatelse av å opprettholde flammen ved overbelastning vil påvirke temperaturen på røyedannelsen og dermed røyestabiliteten. Dette løses best ved et effektivt treningsprogram for operatører. Arbeidsopplæring og sikkerhetsprotokoller er avgjørende for suksessen til biokullproduksjon på stedet. Gitt arbeidskravene, må opplæringsprogrammer være godt organisert og gjort allment tilgjengelig27.
En annen begrensning ved metodikken er variasjonen i implementeringen av D-MRV-målingene. Råstofffuktighet kan være ganske variabel innenfor et gitt parti, selv om alt råstoffet ellers er ensartet. Metoden for å ta tre øyeblikksbildevideoer av flammen under prosessen for å verifisere at riktig temperatur er nådd, er begrenset av brenningens dynamiske natur. Tre øyeblikksbildevideoer er kanskje ikke representative for hele prosessen. En levedyktig kryssjekk til denne målingen er ganske enkelt å vite hvor lang tid forbrenningen tok og hvor mye biokull som ble produsert fordi ikke-optimale temperaturforhold vil resultere i lavere produksjonsvolum. Felt-D-MRV-målingene av bulktetthet og volum er begrenset i presisjon; Dette kompenseres imidlertid ved å bruke sikkerhetsmarginer for å sikre at de endelige verdiene er konservative og ikke overestimerer karbonfjerningen.
Operasjonell logistikk bidrar også til variasjonen i produksjonsparametere for biokull og suksess for prosjekter. Operativ logistikk må ta hensyn til faktorer som vær, terreng, tilgang, arbeidernes sikkerhet, opplæring, verktøy og utstyr og vanntilgjengelighet. De fleste verktøyene og forsyningene som trengs for å lage biokull er standardutstyr som leveres til brannmenn og skogbruksmannskaper. Spesifikke verktøy som trengs for å implementere D-MRV med Ring of Fire biokullovn er oppført i materialfortegnelsen .
Å lage biokull i felt fra avfallsbiomasse må konkurrere med alternativet åpen brenning eller forbrenning, som har fordelen av svært lave kostnader. Marginalkostnaden ved å lage biokull kontra åpen brenning har mest å gjøre med økte arbeidskrav, da kapitalkostnaden for de enkle flammehetteovnene er lav27. Per dags dato er det ikke nok storskala prosjekter med robust datainnsamling til å fastslå den faktiske marginalkostnaden ved produksjon av biokull fremfor forbrenning. Et eksempel kan imidlertid vise potensialet for karbonfinansiering for å fylle gapet.
Watershed Consulting i Missoula, MT, behandlet skråstrek tynnet fra 21 dekar blandet barskog i Vest-Montana i 2021 ved hjelp av Ring of Fire biokullovner28. Den totale prosjektkostnaden var $ 42,302.00, og det totale biokullutbyttet var 112,5 kubikkmeter. Ved å bruke våre egne standardforutsetninger om biokullegenskaper laget i flammehetteovner, anslår vi at prosjektet sekvestrerte 31,75 tonn CO2 til $ 1,332.35 per tonn. Kostnaden for pæling og forbrenning av materialet ville ha vært $ 15,750.00, og etterlot en marginal kostnad på $ 26,552.00 for å lage biokull i stedet for forbrenning, eller $ 836.28 per tonn biokull produsert. Denne marginalkostnaden kan i det minste delvis kompenseres ved karbonfjerningsbetalinger på $ 100 til $ 200 per tonn CO2, som validerer viktigheten av D-MRV-prosessen. For å fullføre det økonomiske bildet av prosjektet, er det viktig for finansieringsmyndighetene å anerkjenne økosystemfordelene ved å unngå jordskader fra brennhaugarr, reduserte klimagassutslipp og partikkelformig luftforurensning, samt returnere røye til skogsjord for fuktighetsretensjon, næringssyklus og jordhelse.
De detaljerte metodene som er beskrevet i dette papiret, vil hjelpe enkeltpersoner og grupper som arbeider i økosystemer påvirket av fremmede invasive arter, tørke og brann for å implementere økonomisk gjennomførbare biomasse-til-biokullprosjekter som kan forbedre og gjenopprette jord og innfødte økosystemer samtidig som man unngår klimagassutslipp og sekvestrerer karbon for klimareduksjon. Til tross for variasjonen og mangelen på presisjon i målingene og verifikasjonspunktene i denne praktiske feltmetodikken, konkluderer vi med at det fortsatt er en verdifull tilnærming til å binde karbon i feltsituasjoner der andre tilnærminger, som transport av biomasse til et industrielt pyrolyseanlegg, ikke er praktiske.
The authors have nothing to disclose.
Mange takk til US Biochar Initiative og USDA Forest Service for sponsing og støtte Biochar i Woods-nettverket for å dele informasjon blant en rekke utøvere som oppfinner og raffinerer metoder for å lage og bruke biokull for miljøledelse og klimareduksjon.
Digital hanging scale | AvaWeigh | HSD40 | 44 pound scale for weighing produce |
Ikhala smart phone app | AD Tech | N/A | download from Android or Apple app store |
Metal ruler | Azbvek | ZG0044-New | Stainless Steel 100 cm Ruler |
Ring of Fire Kiln | Wilson Biochar | ROF 1.2 | Panel style flame cap kiln with heatshield |
Smart phone | any | N/A | must use either I-OS or Android operating system |
Steel utility pail – 7 liter | Behrens | 120GS | galvanized steel utility bucket |
Wood moisture meter | General Tools | MMD4E | Digital moisture meter, pin type with LCD display |