Produção, caracterização e quantificação de biocarvão em madeiras utilizando fornos portáteis com tampa de chama

Summary

Novos métodos de descarte de pilhas de corte florestal em vigor produzem carbono pirogênico para restaurar a saúde do solo florestal e para remoção e sequestro de carbono. Aqui, apresentamos um método de produção de biocarvão integrando uma nova metodologia de contabilidade de remoção de carbono e uma aplicação digital.

Abstract

Um dos maiores desafios na utilização da biomassa florestal não comercial é a sua natureza amplamente distribuída. A melhor solução para o problema da biomassa, para evitar custos caros e intensivos em carbono (chipagem) e transporte, é processá-la no local. No entanto, as pilhas de queima convencionais têm impactos destrutivos no solo florestal e não proporcionam outros benefícios além da redução de combustível. A conversão de corte florestal em biocarvão no local tem muitas vantagens ecológicas em relação à prática atual de eliminação de cortes por incineração em pilhas de queima, incluindo redução do aquecimento do solo e emissões de partículas, juntamente com múltiplos benefícios do biocarvão para a saúde do solo florestal e capacidade de retenção de água quando deixado no lugar. Fazer biochar no local nas florestas é uma maneira de devolver um componente de carbono pirogênico aos solos florestais que tem faltado devido ao histórico recente de supressão de incêndios. O biocarvão também é um método líder de remoção e sequestro de carbono para mitigação das mudanças climáticas. Neste estudo, documentamos um método para fazer biochar usando um forno portátil de biochar. Este método de baixo custo utiliza equipes manuais equipadas com água para extinguir fornos antes que o biocarvão queime em cinzas. Técnicas simples de quantificação e caracterização do biocarvão produzido são incorporadas ao método com a finalidade de medir o impacto e qualificar para certificados de remoção de carbono para ajudar a pagar o custo da obra. Descrevemos a Metodologia de Componentes CM002 que fornece procedimentos padronizados para a quantificação dos benefícios de GEE durante três etapas do processo: fornecimento de biomassa residual, produção de biocarvão e aplicação de biocarvão no solo. A Metodologia CM002 é baseada nas melhores práticas internacionais, incluindo a mais recente metodologia VCS VM0044 Standards e EBC C-Sink Artisan Standards. Métodos de quantificação confiáveis utilizando fatores de segurança apropriados são o primeiro passo essencial para a elegibilidade para financiamento de remoção de carbono.

Introduction

Em muitas regiões do mundo, incluindo o oeste dos EUA, as mudanças climáticas, a seca e as espécies exóticas invasoras criaram uma crise de incêndios florestais que ameaça ecossistemas e comunidades. À medida que as florestas e bosques queimam incontrolavelmente, grandes quantidades de partículas e gases de efeito estufa são emitidas na atmosfera, com consequências devastadoras para a saúde humana e o clima. Por exemplo, estima-se que os incêndios florestais na Califórnia em 2020 tenham liberado cerca de 127 milhões de megatoneladas de emissões de gases de efeito estufa, aproximadamente duas vezes a quantidade das reduções totais de emissões de GEE da Califórnia de 2003 a 2019¹. Cada vez mais, cientistas e gestores de terras estão investigando ações humanas que podem ajudar a restaurar essas florestas e bosques e seus serviços ecossistêmicos. O desbaste manual e a remoção do excesso de biomassa é uma das ações mais importantes que devem ser tomadas². A remoção de biomassa inclui sua disposição e, onde a biomassa está situada em locais remotos e de difícil acesso, há poucas opções além da incineração no local em pilhas de corte não gerenciadas. Pilhas de queimadas não gerenciadas fazem o trabalho de remover combustíveis da paisagem, mas danificam os solos florestais à medida que o calor concentrado sob as pilhas incinera o horizonte orgânico do solo, deixando para trás solo nu e vulnerável à erosão e colonização por espécies invasoras. Pode levar décadas para regenerar o horizonte orgânico do solo em uma cicatriz de pilha de queimadura³. Pilhas de queima não gerenciadas também são uma fonte de emissões de partículas e gases de efeito estufa. A fumaça da queima de pilhas também restringe a janela de queima em bacias hidrográficas limitadas pela qualidade do ar, dificultando a realização do trabalho.

Pesquisadores do Serviço Florestal do USDA examinaram a alternativa de produzir biocarvão a partir de materiais cortados e identificaram várias técnicas promissoras, incluindo a opção de usar pequenos fornos móveis de biocarvão na floresta⁴. A conversão de corte florestal em biocarvão no local tem muitas vantagens ecológicas em relação à prática atual de eliminação de cortes por incineração em pilhas de queima, incluindo redução do aquecimento do solo e emissões de partículas. O biocarvão produzido no local pode ser removido e utilizado na agricultura, ou pode ser deixado no local onde serve várias funções na restauração da saúde da floresta e na melhoria da adaptação às mudanças climáticas e à seca. Como até 50% do carbono total em muitos solos florestais é carvão vegetal proveniente de incêndios naturais históricos⁵, deixar o biocarvão no local onde é feito pode restaurar o carvão vegetal do solo florestal que muitas vezes está ausente dos horizontes recentes do solo devido à supressão do fogo, com impactos desconhecidos nos processos ecossistêmicos⁶. O biocarvão deixado nos solos florestais pode mimetizar os efeitos do carvão vegetal produzido pelo fogo natural e produzir efeitos semelhantes sobre o teor de carbono e as propriedades físicas, químicas e biológicas do solo⁷.

Nos últimos anos, uma rede internacional de trabalhadores florestais, proprietários de florestas, pesquisadores e consultores de biochar desenvolveu um conjunto de métodos de carbonização para converter o corte florestal em biocarvão no local como uma alternativa à incineração de pilhas de corte. Esses métodos são baseados no princípio da carbonização por chama, desenvolvido e comercializado pela primeira vez no Japão como o "forno carbonizante sem fumaça" oferecido pela empresa Moki⁸. Este forno de anel de aço produz biocarvão bem carbonizado com eficiência de conversão de biomassa em biocarvão relatada de 13% a 20%, dependendo da matéria-prima utilizada⁹.

O processo de produção de biocarvão ou carvão vegetal é muitas vezes referido como pirólise, a separação dos componentes da biomassa pelo calor na ausência de oxigênio. Isso é geralmente concebido como pirólise de retorta, onde a biomassa é fisicamente isolada do ar em um recipiente aquecido externamente. No entanto, a pirólise também pode ocorrer na presença de ar limitado, como na gaseificação e carbonização da chama, porque combustíveis sólidos como a madeira queimam em etapas. Quando o calor é aplicado à biomassa, o primeiro estágio da combustão é a desidratação, pois a água é evaporada do material. Isso é seguido por desvolatilização e formação simultânea de carvão, também conhecida como pirólise. O gás volátil contendo hidrogênio e oxigênio é liberado e queimado em chama, adicionando continuamente calor ao processo. À medida que o gás é liberado, o carbono restante é convertido em carbono aromático, ou carvão. O estágio final da combustão é a oxidação do carvão a cinzas minerais¹⁰.

Como estas são fases discretas que ocorrem em um processo de combustão aberta, temos a oportunidade de parar o processo após a formação do carvão, removendo ar ou calor. Isso é realizado durante o processo de produção do biochar, adicionando continuamente novo material à pilha de queima para que o carvão quente seja enterrado por novo material que corta o fluxo de oxigênio. O carvão quente se acumula no fundo da pilha e é impedido de queimar em cinzas enquanto a chama estiver presente, porque a chama consome a maior parte do oxigênio disponível. Quando todo o combustível foi adicionado à pilha, a chama começa a se apagar. Nesse ponto, o carvão quente pode ser preservado removendo oxigênio e calor, geralmente borrifando as brasas com água e deixando-as finas para esfriar¹¹.

O princípio básico de funcionamento é o da combustão contra-fluxo. O ar de combustão em contrafluxo mantém a chama baixa e evita a emissão de brasas ou faíscas. A chama também queima a maior parte da fumaça, reduzindo as emissões. Em resumo, os seguintes princípios explicam o funcionamento da combustão em contrafluxo em um forno com tampa de chama: (1) O gás flui para cima enquanto o ar de combustão flui para baixo, (2) O fluxo de contracorrente é estabelecido à medida que o combustível de combustão atrai o ar para baixo, (3) As chamas permanecem baixas e próximas ao combustível, minimizando a fuga de brasa, (4) A fumaça queima na zona quente, (5) Porque todo o ar de combustão vem de cima, é consumido pelas chamas (6) Muito pouco ar é capaz de alcançar as brasas não queimadas que caem no fundo do forno, (7) As brasas são preservadas até o final do processo, quando são apagadas ou rapadas.

Além de seus benefícios para o solo, o biocarvão também é um método líder de remoção de carbono para mitigação das mudanças climáticas. Até metade do carbono da biomassa lenhosa pode ser convertido em carbono aromático estável na forma de biocarvão¹². No entanto, nem todas as tecnologias de pirólise produzem a mesma quantidade de carbono recalcitrante que permanece estável nos solos por 100 anos ou mais (a métrica chave para determinar o valor de remoção de carbono). A estabilidade do biocarvão está intimamente correlacionada com a temperatura de produção. Estima-se que a temperatura da chama adiabática da queima da madeira seja próxima à do propano, 1.977 °C¹³. A produção de biocarvão em um forno com tampa de chama está intimamente ligada à chama, sem perdas por transferência de calor por condução através de uma parede metálica, como na pirólise de retorta. Portanto, seria de se esperar que a temperatura de produção fosse alta desde que uma chama fosse mantida durante o processo. Um levantamento de chars usando espectroscopia Raman¹⁴ relatou que uma amostra de biochar de um forno de tampa de chama (fornecida pelo autor principal Kelpie Wilson) estava entre as três amostras com a maior temperatura aparente de formação de char, na faixa de 900 °C.

Os termopares são necessários para acessar o interior da queima e medir com precisão a temperatura de produção do biochar em um forno de tampa de chama ou pilha de queima, e estes são caros e não estão disponíveis para produtores de baixa tecnologia. Para tanto, utilizou-se um método descrito por pesquisadores que atuam na Amazônia brasileira que utiliza giz de cera térmico (utilizado por soldadores para verificar a temperatura de peças metálicas) que derretem a uma temperatura calibrada¹⁵. Os tijolos são marcados com giz de cera, envoltos em papel alumínio e colocados em vários lugares do forno durante a produção. Usamos este método várias vezes e determinamos que as temperaturas do forno excediam 650° C, pois as marcas de giz de cera estavam completamente derretidas. Este será um método útil para confirmar as temperaturas de produção quando necessário; no entanto, o principal ponto de verificação será documentar a presença de chama por toda parte.

Não há muitos dados publicados sobre as características do biochar feito por métodos de carbonização de chama de baixa tecnologia. No entanto, amostras de biocarvão feitas por métodos de carbonização por chama em vários tipos de fornos foram analisadas por Cornellissen et al., e descobriram que atendem aos padrões do Certificado Europeu de Biocarvão (EBC) para biochar, incluindo baixo teor de PAH e alta estabilidade do biochar. Além disso, o biocarvão produzido a partir de matérias-primas lenhosas e herbáceas apresentou teor médio de carbono de 76%¹¹. A Estação de Pesquisa de Montanhas Rochosas¹⁶ do Serviço Florestal dos EUA analisou cinco amostras de biocarvão de fornos de tampa de chama e pilhas de queima feitas em um dia de campo na Califórnia em 2022. O teor médio de carbono das amostras foi de 85%. Diante desses resultados, podemos concluir que é provável que o biocarvão produzido a partir de resíduos lenhosos em fornos de tampa de chama atenda aos requisitos básicos para a remoção de carbono verificada: alto teor de carbono e alta estabilidade do biochar.

Dois protocolos de remoção de carbono para a produção de biochar de baixa tecnologia e à base de locais foram agora lançados pela Verra¹⁷ e pelo protocolo C-Sink Global Artisan do Consórcio Europeu de Biochar¹⁸. Esses protocolos recém-desenvolvidos são promissores; no entanto, eles têm algumas limitações quando aplicados a florestas, florestas e outras paisagens sob ameaça de seca e incêndios florestais. Assim, este trabalho descreverá uma nova metodologia, a Metodologia CM002 V1.0, da AD Tech¹⁹, que está sendo desenvolvida especificamente para carbonização por chama de detritos lenhosos como parte das atividades de manejo da vegetação e redução da carga de combustível. A análise do ciclo de vida confirma que o sequestro de carbono do biocarvão usando a produção de biocarvão no local a partir de biomassa lenhosa em fornos de tampa de chama produz um benefício líquido de remoção de carbono²⁰. A implementação bem-sucedida de protocolos de remoção de carbono pode ajudar a apoiar financeiramente o trabalho vital de redução de combustíveis que precisa ocorrer para proteger comunidades e ecossistemas de incêndios florestais e degradação de ecossistemas. Para acessar os pagamentos de remoção de carbono, medições de campo e métodos digitais de monitoramento, relatórios e verificação (D-MRV) são incorporados como práticas de rotina na metodologia de produção de biocarvão aqui descrita. Os detalhes da plataforma são discutidos nas Informações Complementares (Arquivo Suplementar 1).

Enquanto vários projetos de código aberto de fornos de tampa de chama estão sendo fabricados por indivíduos para seu próprio uso²¹, até onde sabemos, neste momento, há apenas um forno de tampa de chama com capacidade superior a um metro cúbico que está sendo produzido em massa para venda na América do Norte, o Forno Anel de Fogo²², Um forno de tampa de chama leve e portátil que é projetado para facilitar a mobilidade usando equipes manuais. O forno é composto por um anel interno composto por seis chapas de aço macio presas juntas. Um anel externo composto por parafusos de aço de calibre mais leve nos suportes que mantêm o anel interno unido. O anel externo serve como um escudo térmico que retém o calor para melhor eficiência. A parte superior do forno é aberta para o ar, e é aqui que a tampa da chama se forma. O ar que flui através do espaço anular entre o corpo do forno principal e o escudo térmico fornece ar de combustão pré-aquecido para o forno, aumentando ainda mais a eficiência da combustão (Figura 1)

Figura 1: Esquema mostrando o fluxo de ar, características da chama e acúmulo de carvão no Forno do Anel de Fogo. O ar de combustão contra-fluxo puxa a fumaça para a zona quente, onde queima. O ar que flui através do espaço anular entre o corpo do forno principal e o escudo térmico fornece ar de combustão pré-aquecido para o forno, aumentando ainda mais a eficiência da combustão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O diâmetro do forno é de 2,35 m, formando um cilindro de um metro de altura para um volume total de 4,3^m3. Na prática, o forno nunca é preenchido completamente até o topo, então um lote de produção típico preencherá o forno entre 1/2 a 3/4 cheio para um volume de biochar que está entre 2 e 3 metros cúbicos.

Por ser um projeto padronizado, o Forno Anel de Fogo está sendo adotado como a primeira tecnologia certificada para uso na Metodologia de Componentes CM002, que fornece procedimentos padronizados para a quantificação dos benefícios dos gases de efeito estufa (GEE). As etapas de medição e coleta de dados que atendem aos requisitos do CM002 são incorporadas ao método. A denúncia é feita por meio de um aplicativo de smartphone, respondendo a questionários curtos durante todo o processo e carregando fotos e clipes de vídeo para o aplicativo móvel.

Protocol

NOTA: Esta metodologia utiliza o aplicativo de telefone inteligente Ikhala (doravante referido como aplicativo D-MRV; Tabela de Materiais) para acessar pagamentos de remoção de carbono, medições de campo e monitoramento digital, relatórios e verificação.

1. Recolha de matéria-prima e confirmação da idoneidade

1. Selecione e relate o tamanho da matéria-prima.
2. Selecione material lenhoso com menos de 15 cm de diâmetro. Certifique-se de que todos os materiais são ramificados ou não uniformes em forma para que não embale firmemente e iniba o fluxo de ar no forno.
3. No aplicativo D-MRV, clique no botão Tirar uma foto na seção Matéria-prima para abrir a câmera. Com a câmera aberta, mire no objeto (pilha de matéria-prima seca com uma vareta de medição) e capture a imagem pressionando o botão do obturador na tela.
4. Relatar espécies de matéria-prima: Abra o aplicativo D-MRV e responda ao pequeno questionário digital informando as quantidades de cada tipo de espécie. Os relatórios são baseados em estimativas visuais.
5. Determine e relate a umidade da matéria-prima.
   1. Usando um medidor de umidade de lenha padrão, faça uma leitura inserindo os pinos no meio da maior peça de cada tipo de matéria-prima.
   2. Na aplicação do D-MRV, tire uma foto da leitura de cada medidor de umidade. Clique no botão Tirar uma foto na seção do medidor de umidade e digite o valor exibido no medidor de umidade no campo de texto. Envie uma foto e uma entrada de texto para cada leitura do medidor de umidade.

2. Montagem, carregamento e iluminação do forno

1. Em terreno plano, material orgânico inflamável transparente de um círculo de aproximadamente 3 m de diâmetro. Montar os 6 painéis internos do forno em um cilindro usando os suportes conectores,
2. Usando uma pá ou ferramenta similar, sele a borda inferior do cilindro com uma pequena berma de sujeira mineral ou argila para que o ar não possa entrar no forno pelo fundo.
3. Conecte os 6 painéis de proteção térmica aos suportes do conector, garantindo que uma folga de ar seja deixada na parte inferior do escudo térmico para que o ar possa fluir através do espaço anular entre os cilindros interno e externo. Conecte a etiqueta de identificação do forno ao escudo térmico usando o hardware do escudo térmico.
4. Identificar os fornos utilizados no lote. Na seção Preparação para queimaduras , clique no botão Tirar uma foto para tirar fotos do forno montado e da etiqueta de identificação e enviá-las para cada forno no local.
5. Carregue o forno: Use material menor (2-6 cm de espessura é o ideal), mais seco para o carregamento inicial do forno. Embale o material até a borda do forno, arrumando qualquer material não ramificado, como postes, para que não embale com muita força e restrinja o fluxo de ar.
   NOTA: O objetivo é garantir que o material esteja embalado com força suficiente para sustentar uma chama, mas também permitir que o ar de combustão chegue ao fundo da pilha.
6. Acenda o forno: Adicione material de ignição pequeno e seco em cima do forno carregado. Use um acelerador, se necessário, e acenda com um fósforo, ou use uma tocha de propano. Acenda o forno em vários lugares na parte superior para que uma tampa de chama se desenvolva rapidamente sobre todo o forno.
7. Usando o aplicativo D-MRV, faça um vídeo de 30 s assim que a tampa da chama for estabelecida. Na seção Burn Start , clique no botão Gravar vídeo e, em seguida, clique no botão Enviar vídeo .

3. Alimentação e cuidado do forno

1. Durante a primeira fase de operação, o ar é puxado de cima para baixo do forno, enquanto a carga inicial queima principalmente até uma camada de carvão. Certifique-se de que a primeira carga produza um bom leito de carvão antes de adicionar mais material. Adicione uma nova camada de matéria-prima quando a camada anterior começar a mostrar uma película de cinzas brancas.
2. Transição para carregamento contínuo: Carregue material novo no forno a uma taxa constante. Procure manter cada camada de madeira do mesmo diâmetro para que a carbonização fique uniforme.
   1. Use a chama como um indicador da taxa de carregamento: Deixe a chama ser o guia para adicionar novo material. Certifique-se de que uma boa chama forte seja mantida no topo, porque essa é a fonte de calor para fazer carvão.
   2. Se o operador carregar demais, muito rápido, a chama será sufocada. Se isso acontecer, faça uma pausa e espere a chama voltar a subir. Se o operador não carregar material suficiente, a chama morrerá e o carvão começará a queimar em cinzas. Se isso começar a acontecer, adicione mais material para manter a chama acesa.
3. Verifique a presença de chama durante a queima como um indicador de combustão limpa e quente que minimizará as emissões de metano e maximizará a formação estável de carvão.
   1. Usando o aplicativo D-MRV, faça um vídeo de 30 s da chama aproximadamente 1 h após o forno ser aceso. Navegue até a seção Burn Quality Proof e clique no botão Proof of Burn at First Hour .
   2. Clique no botão Gravar vídeo , pressione Gravar por um mínimo de 30 s e clique no botão Enviar vídeo .
4. Adicione o maior material nos estágios intermediários da queima para que tenha tempo de carbonizar completamente. O forno será preenchido com biochar em diferentes taxas, dependendo do tipo de matéria, tamanho e umidade.
5. Usando o aplicativo D-MRV, faça um vídeo de 30 s da chama no final da segunda hora da queimadura. Clique no botão Prova de Gravação na Segunda Hora e, em seguida, no botão Gravar Vídeo . Pressione Gravar por um mínimo de 30 s e clique no botão Enviar vídeo .
6. Usando o aplicativo D-MRV, faça um vídeo de 30 s da chama ao final da terceira hora da queimadura. Clique no botão Prova de Gravação na Terceira Hora e, em seguida, no botão Gravar Vídeo . Pressione Gravar por um mínimo de 30 s e clique no botão Enviar vídeo .
7. À medida que o forno se enche de brasas vermelhas e quentes, faça as últimas camadas de material de tamanho médio para permitir que peças maiores terminem de carbonizar.

4. Acabamento, têmpera e medição do biochar

1. Termine a queima quando o biochar acumulado estiver a 10-20 cm da borda superior do forno, quando a matéria-prima for toda usada ou quando o dia de trabalho terminar.
2. A carbonização é completa quando não há mais chamas. Aguarde 10-15 minutos depois de adicionar o último pedaço de matéria-prima para que as chamas se apaguem. Sempre haverá algumas peças maiores que não carbonizam completamente, o que não é uma preocupação.
3. Antes de temperar, use um ancinho de aço para nivelar as brasas quentes e brilhantes no forno.
   1. Coloque uma vareta de medição verticalmente no forno, contra a parede do forno, de modo que uma extremidade toque o char nivelado. No aplicativo D-MRV, tire uma foto da vareta de medição que mostra a profundidade do carvão no forno navegando até a seção Medindo o Biochar e clique no botão Tirar uma foto .
   2. No campo de entrada de texto para a pergunta Qual é a leitura do topo do biochar até o topo do forno, insira o valor na vara de medição.
   3. Repita essa medição e gravação de fotos mais duas vezes em locais diferentes dentro do forno, clicando no botão Enviar e Adicionar Outra Foto .
4. Imediatamente após relatar as medições de profundidade do char, tire uma foto da etiqueta de identificação do forno para fins de verificação.
5. Meça a densidade aparente do carvão.
   1. Quando o lote de biochar estiver completo, mas antes de temperar, encha um balde de metal com brasas brilhantes quentes retiradas do forno. Pese o balde para obter o peso da tara usando uma balança suspensa. Tire uma foto para registrar o peso.
   2. Encha o balde com brasas quentes e pese-o, tirando uma foto para registrar o peso.
   3. Repetir o processo de amostragem (4.5.1-4.5.2) mais duas vezes, colhendo amostras de diferentes partes do forno e registando o valor com uma fotografia.
6. Tempere com água.
   1. Comece a borrifar água a baixa pressão no forno até que o escudo térmico esteja frio o suficiente para tocar. Remova todos os painéis de proteção térmica e empilha-os fora do caminho.
   2. Enquanto borrifa água, remova vários painéis do forno e coloque o carvão em uma camada fina para esfriar. Continue a pulverizar e ancinho até que o carvão esteja completamente fresco. O biochar deve ser fresco o suficiente para colocar uma mão nele.
7. Remova e registre as peças não queimadas. Retire as peças parcialmente carbonizadas e disponha em um dos painéis do forno em uma única camada, com a vareta de medição colocada ao lado. Usando o aplicativo D-MRV, tire uma foto das peças incompletamente carbonizadas.

Representative Results

Um lote de biochar bem organizado e implementado usando o forno Ring of Fire produzirá 2-3^m3 de biochar em 4-5 h de tempo de queima. O uso da Metodologia de Componentes CM002 e o registro de parâmetros de queima na aplicação D-MRV visam permitir que um verificador certificado confirme o volume de produção de biochar em lote e a qualidade do biochar. Mais informações sobre a metodologia são fornecidas nas Informações Complementares (Arquivo Suplementar 1).

Os pontos de verificação do processo para um lote típico de biochar feito no forno Anel de Fogo estão listados aqui (Figura 2). A Tabela 1 apresenta os valores típicos medidos no campo ou determinados por verificação.

1. Relate o tipo de matéria-prima.
2. Tamanho da matéria-prima: imagem da pilha de matéria-prima com uma régua no lugar.
3. Umidade da matéria-prima: uma imagem mostrando a leitura do medidor de umidade da maior parte de cada espécie de matéria-prima.
4. Ignição: Um vídeo de 30 s mostrando o início da queima do forno e registrando o tempo de partida. Vídeo mostra que uma forte tampa de chama se desenvolveu.
5. Verificação da temperatura de produção com base na presença da chama: três vídeos de 30 s mostram a forte presença da chama durante a queima.
6. Volume do biochar: três fotos da vara de medição no forno para mostrar a altura do nível de carvão no forno em três locais. As distâncias medidas do topo do forno até o char são calculadas em média até um valor para os cálculos.
7. Densidade aparente: Uma imagem da balança mostrando o peso vazio do balde. Três fotos de balança mostrando o peso do carvão e do balde. Char retirado de 3 locais no forno. As três medidas de peso são calculadas em média até um valor para os cálculos

Figura 2: Infográfico mostrando os pontos de verificação do processo. Os pontos de verificação do processo para um lote típico de biochar feito no forno Anel de Fogo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

				Ponto de dados #1	Ponto de dados #2	Ponto de dados #3
Espécies de matéria-prima				Pinho 50%	abeto 50%
Leitura do medidor de umidade				19%	23%
Volume do cilindro vazio do forno				4,3 m3
Altura do cilindro do forno				1 milhão
Altura do nível de carvão no forno				60 centímetros	61 centímetros	59 centímetros
Tara peso da caçamba de 7 litros				0,6 kg
Peso do balde com carvão				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Valor do banco de dados do teor de carbono do carvão vegetal				86.8%
Fator de estabilidade do carbono				0.74

Tabela 1: Valores representativos usados para verificar os resultados de produção e parâmetros de processamento para um lote típico de biochar produzido em um forno de biochar Ring of Fire.

Usando esses pontos de controle, o verificador determina que o biocarvão foi feito com matérias-primas apropriadas e a uma temperatura acima de 600 °C para atender aos requisitos da metodologia CM002 Component para estabilidade a longo prazo. Isso permite que o fator de estabilidade de carbono de 0,74 para permanência de 100 anos seja aplicado ao lote de biochar. Para determinar o volume do lote de biochar, o verificador utiliza o volume do forno vazio verificado pela etiqueta de identificação do forno (4,3 m³) e a altura do nível de carvão no forno (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Como o forno está 60% cheio, o volume de carvão é de 0,6 x 4,3 m³ = 2,6 m³. O verificador então calcula a densidade aparente do biochar com base em medições de balde. Subtraindo o peso do balde de 0,6 kg de cada medição, obtém-se valores de 1,2 kg, 1,3 kg e 1,4 kg que são em média para 1,3 kg/7 L. Isso equivale a 185,7 kg/m³. Portanto, o peso seco do biochar produzido é de (185,7 kg/m³) x (2,6 m³) = 483 kg.

O verificador pode tirar o teor de carbono do biocarvão de um banco de dados ou, neste caso, de um teste de laboratório simples que confirmou um teor de carbono de 86,8% de um lote de madeiras moles mistas produzidas em um forno Ring of Fire no condado de Sonoma, Califórnia, em 2021. O teste foi realizado pelos Laboratórios de Controle de Watsonville, CA²³. Aplica-se o fator de estabilidade de carbono de 0,74. Portanto, o teor de carbono orgânico estável em uma base de peso seco para o biochar é derivado da massa do biochar, seu teor de carbono orgânico e o fator de estabilidade de 100 anos para um valor final de (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg de carbono estável. Para chegar ao valor final da remoção de carbono, o vazamento do projeto é subtraído e as margens de segurança apropriadas são aplicadas juntamente com o fator de conversão de carbono sólido em dióxido de carbono, conforme descrito no Arquivo Suplementar 1. O valor de remoção certificada do biochar depende da verificação final de que o biochar foi aplicado no solo ou composto e não é queimado ou oxidado de outra forma.

Arquivo Suplementar 1: Informações detalhadas sobre a metodologia e cálculos. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

Diferentes espécies de biomassa produzirão biocarvão com diferentes frações de carbono e cinzas, independentemente da temperatura de produção, devido à composição elementar da biomassa²⁴. Como os bancos de dados existentes de características do biochar para diferentes matérias-primas não estão completos, os projetos podem precisar enviar amostras para análise de laboratório para verificar o teor de carbono orgânico do biochar. Para manter os custos do projeto baixos, recomendamos um procedimento de laboratório simples que pode ser feito a baixo custo por alunos em laboratórios escolares no ensino médio ou faculdade comunitária^{nível 25}. Com o tempo, à medida que mais projetos são implementados no terreno, a base de dados de valores de teor de carbono de biocarvão para diferentes tipos de matérias-primas crescerá e se tornará mais utilizável.

Muitas das medições do D-MRV destinam-se a verificar se as condições de produção são ótimas para a produção de biocarvão com características que correspondem aos valores do banco de dados. Essas medidas-chave são a umidade da matéria-prima e a série de vídeos que documentam a qualidade da combustão em chamas, que determina a temperatura de produção e a estabilidade resultante do carbono no biochar.

Embora a medição do volume de biocarvão produzido no forno seja simples, determinar a massa seca do biocarvão produzido não é fácil. Trabalhar com biocarvão é um desafio porque a complexa densidade de partículas do material torna as medidas de densidade aparente difíceis de determinar²⁶. Uma vez que o biochar foi extinguido, não é possível obter um peso seco de um certo volume de biochar no campo. No entanto, a densidade seca do biocarvão pode ser medida no campo enchendo um balde de metal de volume conhecido com carvão quente e pesando-o. Este procedimento pode nos dar uma boa aproximação da massa seca do biochar.

Uma desvantagem fundamental dessa metodologia é a variabilidade inerente das operações de campo, incluindo a variabilidade da matéria-prima e o nível de habilidade do operador. O operador deve determinar a taxa de carregamento da matéria-prima e trabalhar para manter uma chama forte no forno. A falha em manter a chama por excesso de carga afetará a temperatura de formação de carvão e, portanto, a estabilidade do carvão. Isso é melhor resolvido por um programa de treinamento eficaz para os operadores. O treinamento dos trabalhadores e os protocolos de segurança são cruciais para o sucesso da produção de biocarvão no local. Dadas as exigências de mão de obra, os programas de treinamento precisarão ser bem organizados e amplamente disponibilizados²⁷.

Outra limitação da metodologia é a variabilidade na implementação das medidas de D-MRV. A umidade da matéria-prima pode ser bastante variável dentro de um determinado lote, mesmo que toda a matéria-prima seja uniforme. O método de tirar três vídeos instantâneos da chama durante o processo para verificar se as temperaturas adequadas são atingidas é limitado pela natureza dinâmica da queima. Três vídeos instantâneos podem não ser representativos de todo o processo. Uma verificação cruzada viável para essa medição é simplesmente saber quanto tempo a queima levou e quanto biochar foi produzido, porque condições de temperatura não ideais resultarão em volumes de produção mais baixos. As medidas de campo D-MRV de densidade e volume aparente são limitadas em sua precisão; no entanto, isso é compensado usando margens de segurança para garantir que os valores finais sejam conservadores e não superestimem a remoção de carbono.

A logística operacional também contribui para a variabilidade dos parâmetros de produção de biocarvão e para o sucesso dos projetos. A logística operacional deve considerar fatores como clima, terreno, acesso, segurança do trabalhador, treinamento, ferramentas e equipamentos e disponibilidade de água. A maioria das ferramentas e suprimentos necessários para fazer o biochar são equipamentos padrão fornecidos aos bombeiros e equipes florestais. Ferramentas específicas necessárias para a implementação do D-MRV com o forno de biochar Ring of Fire estão listadas no arquivo Tabela de Materiais .

Fazer biochar no campo a partir de biomassa residual deve competir com a alternativa de queima a céu aberto ou incineração, que tem a vantagem de custo muito baixo. O custo marginal de fazer biocarvão versus queima a céu aberto tem principalmente a ver com o aumento das necessidades de mão-de-obra, já que o custo de capital dos fornos de tampa de chama simples é baixo²⁷. Até o momento, não há projetos de grande escala suficientes com coleta de dados robusta para identificar o custo marginal real da produção de biocarvão em relação à incineração. No entanto, um exemplo pode mostrar o potencial do financiamento de carbono para preencher a lacuna.

A Watershed Consulting em Missoula, MT, tratou o corte desbastado de 21 acres de floresta mista de coníferas no oeste de Montana em 2021 usando fornos de biochar Ring of Fire²⁸. O custo total do projeto foi de $42,302.00, e o rendimento total de biochar foi de 112,5 metros cúbicos. Usando nossas próprias suposições padrão sobre as características do biochar feitas em fornos de tampa de chama, estimamos que o projeto sequestrou 31,75 toneladas métricas de CO₂ a US$ 1.332,35 por tonelada. O custo de empilhamento e incineração do material teria sido de US$ 15.750,00, restando um custo marginal de US$ 26.552,00 para fazer biocarvão em vez de incineração, ou US$ 836,28 por tonelada de biocarvão produzido. Esse custo marginal poderia ser pelo menos parcialmente compensado por pagamentos de remoção de carbono de US$ 100 a US$ 200 por tonelada de CO₂, validando a importância do processo D-MRV. Para completar o quadro econômico do projeto, é importante que as autoridades financiadoras reconheçam os benefícios ecossistêmicos de evitar danos ao solo causados por cicatrizes de queimadas, reduzir as emissões de gases de efeito estufa e a poluição do ar por partículas, bem como devolver carvão aos solos florestais para retenção de umidade, ciclagem de nutrientes e saúde do solo.

Os métodos detalhados descritos neste artigo ajudarão indivíduos e grupos que trabalham em ecossistemas impactados por espécies exóticas invasoras, seca e incêndios florestais a implementar projetos economicamente viáveis de biomassa para biocarvão que possam melhorar e restaurar solos e ecossistemas nativos, evitando emissões de gases de efeito estufa e sequestrando carbono para mitigação climática. Apesar da variabilidade e falta de precisão nas medições e pontos de verificação nesta metodologia prática de campo, concluímos que ainda é uma abordagem valiosa para o sequestro de carbono em situações de campo onde outras abordagens, como o transporte de biomassa para uma instalação de pirólise industrial, não são práticas.

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