Produktion, karakterisering og kvantificering af biokul i skoven ved hjælp af bærbare flammehætteovne

Summary

Nye metoder til bortskaffelse af skovskråstregsbunker producerer pyrogent kulstof til genopretning af skovenes jordbunds sundhed og til fjernelse og binding af kulstof. Her præsenterer vi en biokulproduktionsmetode, der integrerer en ny regnskabsmetode til fjernelse af kulstof og en digital applikation.

Abstract

En af de største udfordringer ved at udnytte ikke-kommerciel skovbiomasse er dens vidt udbredte natur. Den bedste løsning på biomasseproblemet, for at undgå dyre og kulstofintensive forarbejdnings- (flis) og transportomkostninger, er at behandle det på stedet. Imidlertid har konventionelle brændebunker ødelæggende virkninger på skovjorden og giver ingen andre fordele end brændstofreduktion. Omdannelse af skovskråstreg til biokul på stedet har mange økologiske fordele i forhold til den nuværende praksis med skråstregbortskaffelse ved forbrænding i brændebunker, herunder reduceret jordopvarmning og partikelemissioner, sammen med flere fordele ved biokullet for skovens jordsundhed og vandholdende kapacitet, når det efterlades på plads. At lave biokul på stedet i skoven er en måde at returnere en pyrogen kulstofkomponent til skovjord, der har manglet på grund af den nylige historie med brandbekæmpelse. Biokul er også en førende metode til fjernelse og binding af kulstof til afbødning af klimaændringer. I dette studie dokumenterer vi en metode til fremstilling af biokul ved hjælp af en transportabel biokulovn. Denne billige metode bruger håndbesætninger udstyret med vand til slukning af ovne, før biokullet brænder til aske. Enkle teknikker til kvantificering og karakterisering af det producerede biokul er indarbejdet i metoden med det formål at måle virkningen og kvalificere sig til kulstoffjernelsescertifikater for at hjælpe med at betale for omkostningerne ved arbejdet. Vi beskriver CM002-komponentmetoden, der giver standardiserede procedurer til kvantificering af drivhusgasfordele i tre faser af processen: indkøb af affaldsbiomasse, produktion af biokul og anvendelse af biokuljord. CM002-metoden er baseret på international bedste praksis, herunder den seneste VCS-metode VM0044-standarder og EBC C-Sink Artisan-standarder. Pålidelige kvantificeringsmetoder, der anvender passende sikkerhedsfaktorer, er det første vigtige skridt mod berettigelse til finansiering af kulstoffjernelse.

Introduction

I mange verdensregioner, herunder det vestlige USA, har klimaændringer, tørke og fremmede invasive arter skabt en skovbrandkrise, der truer økosystemer og samfund. Da skove og skovområder brænder ukontrollabelt, udledes store mængder partikler og drivhusgasser i atmosfæren med ødelæggende konsekvenser for menneskers sundhed og klimaet. For eksempel anslås skovbrande i Californien i 2020 at have frigivet omkring 127 millioner megaton drivhusgasemissioner, cirka to gange mængden af Californiens samlede drivhusgasemissionsreduktioner fra 2003 til 2019¹. Forskere og arealforvaltere undersøger i stigende grad menneskelige handlinger, der kan hjælpe med at genoprette disse skove og skovområder og deres økosystemtjenester. Den manuelle udtynding og fjernelse af overskydende biomasse er en af de vigtigste handlinger, der skal træffes². Fjernelse af biomasse omfatter bortskaffelse, og hvor biomassen befinder sig på fjerntliggende og vanskeligt tilgængelige steder, er der få andre muligheder end forbrænding på stedet i ikke-forvaltede skråstregsbunker. Ustyrede brændebunker gør jobbet med at fjerne brændstoffer fra landskabet, men de beskadiger skovjord, da den koncentrerede varme under bunkerne forbrænder jordens organiske horisont og efterlader bar jord, der er sårbar over for erosion og kolonisering af invasive arter. Det kan tage årtier at regenerere den organiske jordhorisont i en brændebunke ar³. Ustyrede brændebunker er også en kilde til partikel- og drivhusgasemissioner. Røg fra skråstregsafbrænding begrænser også det brændende vindue i luftkvalitetsbegrænsede vandskel, hvilket gør det vanskeligere at udføre arbejdet.

Forskere for USDA Forest Service har undersøgt alternativet til at producere biokul fra skråstregmaterialer og har identificeret flere lovende teknikker, herunder muligheden for at bruge små, mobile biokulovne i skoven⁴. Omdannelse af skovskråstreg til biokul på stedet har mange økologiske fordele i forhold til den nuværende praksis med skråstregsbortskaffelse ved forbrænding i brændebunker, herunder reduceret jordopvarmning og partikelemissioner. Biokul, der produceres på stedet, kan fjernes og udnyttes i landbruget, eller det kan efterlades på plads, hvor det tjener flere funktioner til at genoprette skovenes sundhed og forbedre tilpasningen til klimaændringer og tørke. Fordi op til 50 % af det samlede kulstof i mange skovjorder er trækul fra historiske, naturlige brande⁵, kan det genoprette skovjordens trækul, der ofte mangler i de seneste jordhorisonter på grund af brandslukning, med ukendte indvirkninger på økosystemprocesser⁶. Biokul, der efterlades på plads på skovjord, kan efterligne virkningerne af trækul produceret af naturlig ild og producere lignende virkninger på jordens kulstofindhold og jordens fysiske, kemiske og biologiske egenskaber⁷.

I de senere år har et internationalt netværk af skovarbejdere, skovejere, forskere og biokulkonsulenter udviklet en række karboniseringsmetoder til at omdanne skovhugst til biokul på stedet som et alternativ til skråstregforbrænding. Disse metoder er baseret på princippet om flammekarbonisering, først udviklet og kommercialiseret i Japan som den "røgfri karboniseringsovn", der tilbydes af Moki-firmaet⁸. Denne stålringovn fremstiller godt karboniseret biokul med rapporteret biomasse-til-biokul-konverteringseffektivitet på 13% til 20%, afhængigt af det anvendte råmateriale⁹.

Processen med fremstilling af biokul eller trækul kaldes ofte pyrolyse, adskillelse af biomassekomponenter ved varme i fravær af ilt. Dette opfattes normalt som retortpyrolyse, hvor biomasse er fysisk isoleret fra luft i en eksternt opvarmet beholder. Pyrolyse kan dog også finde sted i nærvær af begrænset luft, som ved forgasning og flammekarbonisering, fordi faste brændstoffer som træ brænder i etaper. Når varme påføres biomasse, er det første forbrændingstrin dehydrering, da vand fordampes fra materialet. Dette efterfølges af devolatilisering og samtidig dannelse af kul, også kendt som pyrolyse. Flygtig gas indeholdende brint og ilt frigives og brændes i en flamme, hvilket løbende tilføjer varme til processen. Når gassen frigives, omdannes det resterende kulstof til aromatisk kulstof eller kul. Det sidste forbrændingstrin er oxidationen af kullet til mineralaske¹⁰.

Fordi disse er diskrete faser, der opstår i en åben forbrændingsproces, har vi mulighed for at stoppe processen efter kuldannelse ved at fjerne luft eller varme. Dette opnås under biokulproduktionsprocessen ved løbende at tilføje nyt materiale til brændebunken, så den varme fjeldørred begraves af nyt materiale, der afbryder iltstrømmen. Varmt trækul akkumuleres i bunden af bunken og forhindres i at brænde til aske, så længe flammen er til stede, fordi flammen bruger det meste af den tilgængelige ilt. Når alt brændstoffet er tilsat bunken, begynder flammen at dø ned. På det tidspunkt kan det varme trækul bevares ved at fjerne ilt og varme, normalt ved at sprøjte kulene med vand og rive dem tynde til afkøling¹¹.

Det grundlæggende driftsprincip er modstrømsforbrænding. Modstrømsforbrændingsluft holder flammen lav og forhindrer emission af gløder eller gnister. Flammen brænder også det meste af røgen, hvilket reducerer emissionerne. Sammenfattende forklarer følgende principper driften af modstrømsforbrænding i en flammehætteovn: (1) Gas strømmer opad, mens forbrændingsluft strømmer nedad, (2) Modstrøm etableres, når brændende brændstof trækker luft nedad, (3) Flammer forbliver lave og tæt på brændstof, hvilket minimerer glødudslip, (4) Røgforbrændinger i den varme zone, (5) Fordi al forbrændingsluft kommer ovenfra, det forbruges af flammerne (6) Meget lidt luft er i stand til at nå de uforbrændte kul, der falder til bunden af ovnen, (7) Kullene bevares indtil afslutningen af processen, når de slukkes eller snuses.

Ud over dets fordele for jorden er biokul også en førende metode til fjernelse af kulstof til afbødning af klimaændringer. Op til halvdelen af kulstofindholdet i træbiomasse kan omdannes til stabilt, aromatisk kulstof i form af biokul¹². Imidlertid producerer ikke alle pyrolyseteknologier den samme mængde genstridigt kulstof, der forbliver stabilt i jorden i 100 år eller mere (nøglemetrikken til bestemmelse af kulstoffjernelsesværdi). Biokulstabilitet er tæt korreleret med produktionstemperaturen. Den adiabatiske flammetemperatur i brændende træ anslås at ligge tæt på propansens temperatur, 1.977 °C¹³. Biokulproduktion i en flammehætteovn er tæt forbundet med flammen uden varmeoverførselstab ved ledning gennem en metalvæg, som ved retortpyrolyse. Derfor ville vi forvente, at produktionstemperaturen ville være høj, så længe en flamme opretholdes under processen. En undersøgelse af chars ved hjælp af Raman-spektroskopi¹⁴ rapporterede, at en biokulprøve fra en flammehætteovn (leveret af hovedforfatter Kelpie Wilson) var blandt de tre prøver med den højeste tilsyneladende temperatur for kuldannelse i området 900 ° C.

Termoelementer er nødvendige for at få adgang til det indre af forbrændingen og nøjagtigt måle produktionstemperaturen for biochar i en flammehætteovn eller brændebunke, og disse er dyre og ikke tilgængelige for lavteknologiske producenter. Derfor har vi brugt en metode beskrevet af forskere, der arbejder i den brasilianske Amazonas, der bruger varmekridtninger (bruges af svejsere til at kontrollere temperaturen på metaldele), der smelter ved en kalibreret temperatur¹⁵. Teglsten er markeret med farveblyanter, indpakket i aluminiumsfolie og anbragt forskellige steder i ovnen under produktionen. Vi brugte denne metode flere gange og fastslog, at ovnens temperaturer oversteg 650 ° C, da farveblyantmærkerne var helt smeltede. Dette vil være en nyttig metode til at bekræfte produktionstemperaturer, hvor det er nødvendigt; Det vigtigste verifikationspunkt vil dog være at dokumentere tilstedeværelsen af flammer hele vejen igennem.

Der er ikke meget offentliggjort data om egenskaberne ved biokul fremstillet ved lavteknologiske flammekarboniseringsmetoder. Imidlertid blev biokulprøver fremstillet ved flammekarboniseringsmetoder i flere ovntyper analyseret af Cornellissen et al. og viste sig at opfylde European Biochar Certificate (EBC) standarder for biokul, herunder lavt PAH-indhold og høj biokulstabilitet. Desuden havde biokullet produceret af både træagtige og urteagtige råmaterialer et gennemsnitligt kulstofindhold på 76 procent¹¹. US Forest Service Rocky Mountain Research Station¹⁶ analyserede fem biokulprøver fra flammehætteovne og brændebunker lavet på en feltdag i Californien i 2022. Det gennemsnitlige kulstofindhold i prøverne var 85 procent. I betragtning af disse resultater kan vi konkludere, at det er sandsynligt, at biokul fremstillet af træagtige rester i flammehætteovne vil opfylde de grundlæggende krav til verificeret kulstoffjernelse: højt kulstofindhold og høj biokulstabilitet.

To kulstoffjernelsesprotokoller til lavteknologisk, stedbaseret biokulproduktion er nu blevet frigivet af Verra¹⁷ og European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink protokol¹⁸. Disse nyudviklede protokoller er lovende; De har dog nogle begrænsninger, når de anvendes på skove, skove og andre landskaber, der er truet af tørke og naturbrand. Derfor vil dette papir beskrive en ny metode, metodologien CM002 V1.0, fra AD Tech¹⁹, der udvikles specifikt til flammekarbonisering af træagtige affald som en del af vegetationsstyring og brændstofbelastningsreduktionsaktiviteter. Livscyklusanalyse bekræfter, at kulstofbinding af biokul ved hjælp af biokulproduktion på stedet fra træbiomasse i flammehætteovne giver en nettofordel ved fjernelse af kulstof²⁰. En vellykket implementering af kulstoffjernelsesprotokoller kan hjælpe med økonomisk at støtte det vitale brændstofreduktionsarbejde, der skal finde sted for at beskytte samfund og økosystemer mod skovbrande og forringelse af økosystemer. For at få adgang til betalinger for kulstoffjernelse er feltmålinger og digitale overvågnings-, rapporterings- og verifikationsmetoder (D-MRV) indarbejdet som rutinemæssig praksis i den biokulproduktionsmetode, der er beskrevet her. Nærmere oplysninger om platformen behandles i de supplerende oplysninger (supplerende fil 1).

Mens flere open source-design af flammehætteovne fremstilles af enkeltpersoner til eget brug²¹, er der, så vidt vi ved, på nuværende tidspunkt kun en flammehætteovn med en kapacitet på mere end en kubikmeter, der masseproduceres til salg i Nordamerika, Ring of Fire Kiln²², En let, bærbar flammehætteovn, der er designet til nem mobilitet ved hjælp af håndbesætninger. Ovnen består af en indre ring bestående af seks plader af blødt stål, der er fastgjort sammen. En ydre ring sammensat af lettere stålbolte på beslagene, der holder den indre ring sammen. Den ydre ring fungerer som et varmeskjold, der holder varmen for bedre effektivitet. Toppen af ovnen er åben for luften, og det er her flammehætten dannes. Luft, der strømmer op gennem det ringformede mellemrum mellem hovedovnlegemet og varmeskjoldet, giver forvarmet forbrændingsluft til ovnen, hvilket yderligere øger forbrændingseffektiviteten (figur 1)

Figur 1: Skematisk visning af luftstrøm, flammeegenskaber og kulakkumulering i ildringovnen. Modstrøms forbrændingsluft trækker røgen ind i den varme zone, hvor den brænder op. Luft, der strømmer op gennem det ringformede mellemrum mellem hovedovnlegemet og varmeskjoldet, giver forvarmet forbrændingsluft til ovnen, hvilket yderligere øger forbrændingseffektiviteten. Klik her for at se en større version af denne figur.

Ovnens diameter er 2,35 m og danner en cylinder, der er en meter høj for et samlet volumen på 4,3 m³. I praksis fyldes ovnen aldrig helt til toppen, så et typisk produktionsparti vil fylde ovnen fra mellem 1/2 til 3/4 fuld for et volumen biokul, der er mellem 2 og 3 kubikmeter.

Fordi Ring of Fire Kiln er et standardiseret design, vedtages det som den første certificerede teknologi til brug i CM002-komponentmetoden, der giver standardiserede procedurer til kvantificering af drivhusgasfordele (GHG). Måle- og dataindsamlingstrin, der opfylder kravene i CM002, er indarbejdet i metoden. Rapportering sker via en smartphone-applikation ved at besvare korte spørgeskemaer gennem hele processen og uploade fotos og videoklip til mobilappen.

Protocol

BEMÆRK: Denne metode bruger Ikhala smart telefon applikation (fremover benævnt D-MRV ansøgning; Tabel over materialer) for at få adgang til betalinger for kulstoffjernelse, feltmålinger og digital overvågning, rapportering og verifikation.

1. Indsamling af råmateriale og bekræftelse af egnetheden

1. Vælg og rapportér råvarestørrelsen.
2. Vælg træagtigt materiale mindre end 15 cm i diameter. Sørg for, at alle materialer er forgrenede eller uensartede i form, så de ikke pakker tæt sammen og hæmmer luftstrømmen i ovnen.
3. I D-MRV-applikationen skal du klikke på knappen Tag et foto i afsnittet Råmateriale for at åbne kameraet. Når kameraet er åbent, skal du sigte mod motivet (tørre råvarebunker med en målepind) og tage billedet ved at trykke på udløserknappen på skærmen.
4. Indberet råvarearter: Åbn D-MRV-applikationen, og besvar det korte digitale spørgeskema, der rapporterer mængderne af hver artstype. Rapportering er baseret på visuelle estimater.
5. Bestem og rapporter råmaterialefugtighed.
   1. Brug en standard brændefugtighedsmåler til at foretage en aflæsning ved at indsætte stifterne midt i det største stykke af hver type råmateriale.
   2. På D-MRV-applikationen skal du tage et billede af hver fugtmåleraflæsning. Klik på knappen Tag et foto i afsnittet fugtighedsmåler, og indtast den værdi, der vises på fugtighedsmåleren i tekstfeltet. Indsend et foto og en tekstindtastning for hver fugtmåleraflæsning.

2. Montering, lastning og belysning af ovnen

1. På jævnt underlag klart brændbart organisk materiale fra en cirkel med en diameter på ca. 3 m. Saml de 6 indvendige ovnpaneler i en cylinder ved hjælp af forbindelsesbeslagene,
2. Brug en skovl eller lignende værktøj til at forsegle cylinderens nederste kant med en lille berm mineralsk snavs eller ler, så luft ikke kan komme ind i ovnen fra bunden.
3. Fastgør de 6 varmeskjoldpaneler til forbindelsesbeslagene, og sørg for, at der er et luftgab i bunden af varmeskærmen, så luft kan strømme gennem det ringformede mellemrum mellem de indre og ydre cylindre. Fastgør ovnens ID-mærke til varmeskjoldet ved hjælp af varmeskjoldhardwaren.
4. Identificer de ovne, der anvendes i batchen. I afsnittet Brændeforberedelse skal du klikke på knappen Tag et foto for at tage billeder af den samlede ovn og ID-mærket og indsende dem for hver ovn på stedet.
5. Læg ovnen i: Brug mindre (2-6 cm tykt er ideelt), tørrere materiale til den første belastning af ovnen. Pak materialet op til ovnkanten, og arranger ethvert ikke-forgrenet materiale, såsom stænger, så det ikke pakker for tæt og begrænser luftstrømmen.
   BEMÆRK: Målet er at sikre, at materialet er pakket tæt nok til at opretholde en flamme, men også tillade forbrændingsluft at nå til bunden af bunken.
6. Tænd ovnen: Tilsæt lille, tørt optændingsmateriale oven på den fyldte ovn. Brug en accelerant, hvis det er nødvendigt, og tænd med en tændstik, eller brug en propanbrænder. Tænd ovnen flere steder på toppen, så der hurtigt udvikles en flammehætte over hele ovnen.
7. Brug D-MRV-appen til at tage et 30 s videoklip, så snart flammehætten er etableret. I afsnittet Brænd start skal du klikke på knappen Tag video og derefter klikke på knappen Send video .

3. Fodring og pasning af ovnen

1. I den første driftsfase trækkes luft fra toppen ned til bunden af ovnen, mens den indledende belastning for det meste brænder ned til et lag kul. Sørg for, at den første belastning giver en god seng af kul, før du tilføjer mere materiale. Tilføj et nyt lag råmateriale, når det forrige lag begynder at vise en film af hvid aske.
2. Overgang til kontinuerlig belastning: Fyld nyt materiale i ovnen med en jævn hastighed. Prøv at holde hvert lag træ med samme diameter, så forkulningen er jævn.
   1. Brug flammen som indikator for belastningshastighed: Lad flammen være vejledningen til tilføjelse af nyt materiale. Sørg for, at en god stærk flamme opretholdes ovenpå, fordi det er varmekilden til fremstilling af kul.
   2. Hvis operatøren laster for meget, for hurtigt, vil flammen blive kvalt. Hvis det sker, skal du stoppe op og vente på, at flammen kommer op igen. Hvis operatøren ikke lægger nok materiale, vil flammen dø ned, og kullet begynder at brænde til aske. Hvis det begynder at ske, skal du tilføje mere materiale for at holde flammen i gang.
3. Kontroller flammens tilstedeværelse under forbrændingen som en indikator for ren, varm forbrænding, der minimerer metanemissioner og maksimerer stabil dannelse af kul.
   1. Brug D-MRV-applikationen til at tage en 30-s video af flammen ca. 1 time efter, at ovnen er tændt. Naviger til afsnittet Burn Quality Proof , og klik på knappen Bevis for forbrænding i første time .
   2. Klik på knappen Tag video , tryk på Optag i mindst 30 sekunder, og klik på knappen Send video .
4. Tilføj det største materiale i de midterste stadier af forbrændingen, så det har tid til at kulle helt. Ovnen fyldes med biokul i forskellige hastigheder afhængigt af råvaretype, størrelse og fugtighed.
5. Brug D-MRV-applikationen til at tage en 30-s video af flammen i slutningen af den anden time af forbrændingen. Klik på knappen Bevis for brænding ved anden time og derefter på knappen Tag video . Tryk på Optag i mindst 30 sekunder, og klik på knappen Send video .
6. Brug D-MRV-applikationen til at tage en 30-s video af flammen i slutningen af den tredje time af forbrændingen. Klik på knappen Bevis for forbrænding ved tredje time og derefter på knappen Tag video . Tryk på Optag i mindst 30 sekunder, og klik på knappen Send video .
7. Når ovnen fyldes med rødglødende kul, skal du lave de sidste par lag mellemstort materiale, så større stykker kan afslutte forkulning.

4. Efterbehandling, slukning og måling af biokullet

1. Afslut forbrændingen, når det akkumulerede biokul er inden for 10-20 cm fra ovnens øverste kant, når råmaterialet er brugt, eller når arbejdsdagen slutter.
2. Forkulningen er færdig, når der ikke længere er flammer. Vent i 10-15 minutter efter tilsætning af det sidste stykke råmateriale, så flammerne dør ned. Der vil altid være et par større stykker, der ikke kuller helt, hvilket ikke er et problem.
3. Før du slukker, skal du bruge en stålrive til at udjævne de varme, glødende kul i ovnen.
   1. Placer en målepind lodret i ovnen mod ovnvæggen, så den ene ende rører niveauet char. På D-MRV-applikationen skal du tage et billede af målepinden, der viser dybden af fjeldørred i ovnen ved at navigere til afsnittet Måling af biokul og klikke på knappen Tag et foto .
   2. I tekstindtastningsfeltet for spørgsmålet Hvad er aflæsningen fra toppen af biokullet til toppen af ovnen, indtast værdien på målepinden.
   3. Gentag denne måling og fotooptagelse to gange mere på forskellige steder i ovnen ved at klikke på knappen Send og tilføj et andet foto .
4. Umiddelbart efter rapportering af kuldybdemålingerne skal du tage et foto af ovnens identifikationsmærke til verifikationsformål.
5. Mål kulmassetæthed.
   1. Når biokulpartiet er færdigt, men inden du slukker, skal du fylde en metalspand med varme glødende kul, der skovles fra ovnen. Vej spanden for at få taravægten ved hjælp af en hængende vægt. Tag et billede for at registrere vægten.
   2. Fyld spanden med varme kul og vej den, tag et billede for at registrere vægten.
   3. Prøveudtagningsproceduren (4.5.1-4.5.2) gentages yderligere to gange, idet der udtages prøver fra forskellige dele af ovnen, og værdien registreres med et foto.
6. Sluk med vand.
   1. Begynd at sprøjte vand ved lavt tryk ind i ovnen, indtil varmeskærmen er kølig nok til at røre ved. Fjern alle varmeskjoldpanelerne, og stak dem af vejen.
   2. Mens du sprøjter vand, skal du fjerne flere ovnpaneler og rive fjeldørred ud i et tyndt lag for at afkøle. Fortsæt med at sprøjte og rake, indtil kullet er helt køligt. Biokullet skal være køligt nok til at lægge en hånd i det.
7. Fjern og optag ubrændte stykker. Fjern eventuelle delvist forkullede stykker og arranger dem på et af ovnpanelerne i et enkelt lag med målepinden lagt ved siden af. Brug D-MRV-applikationen til at tage et billede af de ufuldstændigt forkullede stykker.

Representative Results

En velorganiseret og implementeret biokulbatch ved hjælp af Ring of Fire-ovnen producerer 2-3 m³ biokul i 4-5 timers brændetid. Brug af CM002-komponentmetoden og registrering af brændeparametre i D-MRV-applikationen er beregnet til at give en certificeret verifikator mulighed for at bekræfte batchbiokulproduktionsvolumen og biokulkvalitet. Yderligere oplysninger om metoden findes i de supplerende oplysninger (supplerende fil 1).

Procesverifikationspunkterne for et typisk parti biokul fremstillet i Ring of Fire-ovnen er angivet her (figur 2). Tabel 1 viser typiske værdier målt i marken eller bestemt ved verifikation.

1. Indberet råvaretype.
2. Råvarestørrelse: billede af råvarebunke med en lineal på plads.
3. Råvarefugtighed: et billede, der viser aflæsning af fugtighedsmåler fra det største stykke af hver råvareart.
4. Tænding: En 30-s video, der viser starten af ovnens forbrænding og optagelsestidspunktet for start. Video viser, at en stærk flammehætte har udviklet sig.
5. Verifikation af produktionstemperatur baseret på flammetilstedeværelse: tre 30-s-videoer viser stærk flammetilstedeværelse under forbrændingen.
6. Biokulvolumen: tre billeder af målepind i ovnen for at vise højden af niveaukul i ovnen tre steder. Målte afstande fra toppen af ovnen til fjeldørred beregnes i gennemsnit til én værdi til beregninger.
7. Bulkdensitet: Et billede af vægten, der viser spandens tomme vægt. Tre billeder af skala, der viser vægten af fjeldørred og spand. Char taget fra 3 steder i ovnen. De tre vægtmålinger beregnes i gennemsnit til én værdi til beregninger

Figur 2: Infografik, der viser procesbekræftelsespunkterne. Procesverifikationspunkterne for et typisk parti biokul fremstillet i Ring of Fire-ovnen. Klik her for at se en større version af denne figur.

				Datapunkt #1	Datapunkt #2	Datapunkt #3
Råvarearter				fyrretræ 50%	gran 50%
Aflæsning af fugtighedsmåler				19%	23%
Volumen af tom ovncylinder				4,3 m3
Ovnens cylinders højde				1 m
Højde af kulniveau i ovn				60 cm	61 cm	59 cm
Taravægt på 7 liters spand				0,6 kg
Vægt af skovl med fjeldørred				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Databaseværdi af kulindhold				86.8%
Kulstofstabilitetsfaktor				0.74

Tabel 1: Repræsentative værdier anvendt til at verificere produktionsresultater og forarbejdningsparametre for et typisk parti biokul produceret i en Ring of Fire biokulovn.

Ved hjælp af disse kontrolpunkter fastslår verifikatoren, at biokullet er fremstillet med passende råmaterialer og ved en temperatur over 600 °C for at opfylde kravene i CM002-komponentmetoden for langsigtet stabilitet. Dette gør det muligt at anvende kulstofstabilitetsfaktoren på 0,74 for 100-års varighed på biokulbatchen. For at bestemme volumenet af biokulpartiet bruger verifikatoren volumenet af den tomme ovn som verificeret af ovnens ID-mærke (4,3 m³) og højden af kulniveauet i ovnen (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Da ovnen er 60% fuld, er volumenet af kul 0,6 x 4,3 m³ = 2,6 m³. Verifikatoren beregner derefter bulkdensiteten af biokullet baseret på spandmålinger. At trække 0,6 kg skovlvægten fra hver måling giver værdier på 1,2 kg, 1,3 kg og 1,4 kg, der i gennemsnit er 1,3 kg / 7 L. Det svarer til 185,7 kg/m³. Derfor er tørvægten af det producerede biokul (185,7 kg / m³) x (2,6 m³) = 483 kg.

Verifikatoren kan tage kulstofindholdet i biokullet fra en database eller i dette tilfælde fra en simpel laboratorietest, der bekræftede et kulstofindhold på 86,8% fra et parti blandet blødt træ produceret i en Ring of Fire-ovn i Sonoma County, Californien i 2021. Testen blev udført af Control Laboratories of Watsonville, CA²³. Kulstofstabilitetsfaktoren på 0,74 anvendes. Derfor er det stabile organiske kulstofindhold på tørvægtsbasis for biokul afledt af massen af biokul, dets organiske kulstofindhold og 100-årsstabilitetsfaktoren for en endelig værdi på (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg stabilt kulstof. For at nå frem til den endelige værdi af kulstoffjernelsen trækkes projektlækage fra, og de relevante sikkerhedsmargener anvendes sammen med omregningsfaktoren fra fast kulstof til kuldioxid som beskrevet i supplerende fil 1. Biokullets certificerede værdi for fjernelse af biokul afhænger af den endelige verifikation af, at biokullet er blevet påført jord eller kompost og ikke er brændt eller på anden måde oxideret.

Supplerende fil 1: Detaljerede oplysninger om metoden og beregningerne. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Forskellige biomassearter vil producere biokul med forskellige fraktioner af kulstof og aske, uanset produktionstemperatur, på grund af biomassens grundstofsammensætning²⁴. Da de eksisterende databaser over biokulegenskaber for forskellige råmaterialer ikke er komplette, kan det være nødvendigt for projekter at indsende prøver til laboratorieanalyse for at verificere biokullets organiske kulstofindhold. For at holde projektomkostningerne nede anbefaler vi en simpel laboratorieprocedure, der kan udføres billigt af studerende i skolelaboratorier på gymnasiet eller community college niveau²⁵. Over tid, efterhånden som flere projekter implementeres på stedet, vil databasen over kulstofindholdsværdier for biokul for forskellige råvaretyper vokse og blive mere anvendelig.

Mange af D-MRV-målingerne har til formål at verificere, at produktionsbetingelserne er optimale til fremstilling af biokul med egenskaber, der nøje matcher databaseværdierne. Disse nøglemålinger er råmaterialets fugtighed og videoserien, der dokumenterer kvaliteten af flammende forbrænding, som bestemmer produktionstemperaturen og den resulterende stabilitet af kulstoffet i biokullet.

Mens måling af mængden af biokul produceret i ovnen er ligetil, er det ikke let at bestemme tørmassen af den producerede biokul. At arbejde med biokul er udfordrende, fordi materialets komplekse partikeltæthed gør bulkdensitetsmålinger vanskelige at bestemme²⁶. Når først biokullet er slukket, er det ikke muligt at få en tørvægt af en vis mængde biokul i marken. Imidlertid kan den tørre bulkdensitet af biokul måles i marken ved at fylde en metalspand med kendt volumen med varme kul og veje den. Denne procedure kan give os en god tilnærmelse af biokullets tørmasse.

En væsentlig ulempe ved denne metode er den iboende variabilitet af feltoperationerne, herunder råvarevariabilitet og operatørens færdighedsniveau. Operatøren skal bestemme råmaterialets belastningshastighed og arbejde for at opretholde en stærk flamme i ovnen. Manglende opretholdelse af flammen ved overbelastning vil påvirke temperaturen på kuldannelse og dermed kulstabiliteten. Dette løses bedst ved hjælp af et effektivt uddannelsesprogram for operatører. Uddannelse af arbejdere og sikkerhedsprotokoller er afgørende for succesen med produktion af biokul på stedet. I betragtning af arbejdskravene skal uddannelsesprogrammer være velorganiserede og gøres bredt tilgængelige²⁷.

En anden begrænsning af metoden er variabiliteten i implementeringen af D-MRV-målingerne. Råvarefugtighed kan være ret variabel inden for en given batch, selvom hele råmaterialet ellers er ensartet. Metoden til at tage tre snapshot-videoer af flammen under processen for at kontrollere, at de rette temperaturer nås, er begrænset af forbrændingens dynamiske karakter. Tre snapshot-videoer er muligvis ikke repræsentative for hele processen. Et levedygtigt krydstjek til denne måling er simpelthen at vide, hvor lang tid forbrændingen tog, og hvor meget biokul der blev produceret, fordi ikke-optimale temperaturforhold vil resultere i lavere produktionsmængder. Felt-D-MRV-målingerne af bulkdensitet og volumen er begrænsede i deres præcision; Dette kompenseres dog ved at bruge sikkerhedsmargener til at sikre, at de endelige værdier er konservative og ikke overvurderer kulstoffjernelsen.

Operationel logistik bidrager også til variabiliteten af biokulproduktionsparametre og projekternes succes. Operationel logistik skal overveje faktorer som vejr, terræn, adgang, arbejdstagersikkerhed, uddannelse, værktøj og udstyr og vandtilgængelighed. De fleste af de værktøjer og forsyninger, der er nødvendige for at fremstille biokul, er standardudstyr, der leveres til brandmænd og skovbrugsbesætninger. Specifikke værktøjer, der er nødvendige for at implementere D-MRV med Ring of Fire-biokulovnen, er angivet i filen Tabel over materialer .

Fremstilling af biokul i marken fra affaldsbiomasse skal konkurrere med alternativet åben forbrænding eller forbrænding, som har fordelen ved meget lave omkostninger. De marginale omkostninger ved fremstilling af biokul versus åben forbrænding har for det meste at gøre med øgede arbejdskrav, da kapitalomkostningerne ved de enkle flammehætteovne er lave²⁷. Til dato er der ikke nok store projekter med robust dataindsamling til at fastslå de faktiske marginalomkostninger ved produktion af biokul frem for forbrænding. Et eksempel kan dog vise potentialet for kulstoffinansiering til at udfylde hullet.

Watershed Consulting i Missoula, MT, behandlet skråstreg tyndet fra 21 hektar blandet nåleskov i det vestlige Montana i 2021 ved hjælp af Ring of Fire biokulovne²⁸. De samlede projektomkostninger var $ 42,302,00, og det samlede biokuludbytte var 112,5 kubikmeter. Ved hjælp af vores egne standardantagelser om biokulegenskaber foretaget i flammehætteovne estimerer vi, at projektet sekvestrerede 31.75 tons CO₂ til $ 1.332.35 pr. Ton. Omkostningerne ved at bunke og brænde materialet ville have været $ 15,750,00, hvilket efterlod en marginal omkostning på $ 26,552,00 til fremstilling af biochar i stedet for forbrænding eller $ 836,28 pr. Ton produceret biokul. Disse marginale omkostninger kunne i det mindste delvist kompenseres af kulstoffjernelsesbetalinger på $ 100 til $ 200 pr. Ton CO₂, hvilket validerer vigtigheden af D-MRV-processen. For at fuldende det økonomiske billede af projektet er det vigtigt, at de finansierende myndigheder anerkender økosystemfordelene ved at undgå jordskader fra brandsår, reducerede drivhusgasemissioner og partikelformet luftforurening samt returnere fjeldørred til skovjord for fugtbevarelse, næringsstofkredsløb og jordens sundhed.

De detaljerede metoder, der er beskrevet i dette papir, vil hjælpe enkeltpersoner og grupper, der arbejder i økosystemer, der er påvirket af fremmede invasive arter, tørke og skovbrand, med at gennemføre økonomisk gennemførlige biomasse-til-biokul-projekter, der kan forbedre og genoprette jord og indfødte økosystemer, samtidig med at man undgår drivhusgasemissioner og binder kulstof til klimaafbødning. På trods af variabiliteten og manglen på præcision i målingerne og verifikationspunkterne i denne praktiske feltmetode konkluderer vi, at det stadig er en værdifuld tilgang til binding af kulstof i feltsituationer, hvor andre tilgange, såsom transport af biomasse til et industrielt pyrolyseanlæg, ikke er praktiske.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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