Herstellung, Charakterisierung und Quantifizierung von Pflanzenkohle im Wald mit tragbaren Flammkappenöfen

Summary

Neue Methoden zur Entsorgung von Brandrodungshalden in der Forstwirtschaft produzieren pyrogenen Kohlenstoff zur Wiederherstellung der Gesundheit des Waldbodens und zur Entfernung und Bindung von Kohlenstoff. Hier stellen wir eine Methode zur Herstellung von Pflanzenkohle vor, die eine neue Bilanzierungsmethode für die Kohlenstoffentfernung und eine digitale Anwendung integriert.

Abstract

Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung nicht-kommerzieller Waldbiomasse ist ihre weite Verbreitung. Die beste Lösung für das Biomasseproblem, um teure und kohlenstoffintensive Verarbeitungs- (Hacking) und Transportkosten zu vermeiden, ist die Verarbeitung vor Ort. Herkömmliche Brandhaufen haben jedoch zerstörerische Auswirkungen auf den Waldboden und bieten keine anderen Vorteile als die Reduzierung des Brennstoffs. Die Umwandlung von Waldbrandrodung in Pflanzenkohle vor Ort hat viele ökologische Vorteile gegenüber der derzeitigen Praxis der Brandrodung durch Verbrennung in Brandhaufen, einschließlich einer geringeren Bodenerwärmung und Partikelemissionen sowie mehrerer Vorteile der Pflanzenkohle für die Gesundheit des Waldbodens und die Wasserspeicherkapazität, wenn sie an Ort und Stelle bleibt. Die Herstellung von Pflanzenkohle vor Ort im Wald ist eine Möglichkeit, eine pyrogene Kohlenstoffkomponente in die Waldböden zurückzuführen, die aufgrund der jüngsten Geschichte der Brandbekämpfung gefehlt hat. Pflanzenkohle ist auch eine führende Methode zur Kohlenstoffentfernung und -bindung für den Klimaschutz. In dieser Studie dokumentieren wir eine Methode zur Herstellung von Pflanzenkohle mit Hilfe eines tragbaren Biokohleofens. Bei dieser kostengünstigen Methode werden mit Wasser ausgestattete Handmannschaften zum Abschrecken von Öfen eingesetzt, bevor die Pflanzenkohle zu Asche verbrennt. Einfache Techniken zur Quantifizierung und Charakterisierung der produzierten Pflanzenkohle werden in die Methode integriert, um die Auswirkungen zu messen und sich für Kohlenstoffentfernungszertifikate zu qualifizieren, um die Kosten für die Arbeit zu decken. Wir beschreiben die CM002-Komponentenmethodik, die standardisierte Verfahren für die Quantifizierung des THG-Nutzens in drei Phasen des Prozesses bietet: Beschaffung von Abfallbiomasse, Produktion von Biokohle und Ausbringung von Pflanzenkohleböden. Die CM002-Methodik basiert auf internationalen Best Practices, einschließlich der neuesten VCS-Methodik VM0044 Standards und EBC C-Sink Artisan Standards. Zuverlässige Quantifizierungsmethoden unter Verwendung geeigneter Sicherheitsfaktoren sind der erste wesentliche Schritt auf dem Weg zur Förderung der Finanzierung der Kohlenstoffentfernung.

Introduction

In vielen Regionen der Welt, darunter auch im Westen der USA, haben Klimawandel, Dürre und gebietsfremde invasive Arten zu einer Waldbrandkrise geführt, die Ökosysteme und Gemeinschaften bedroht. Durch die unkontrollierte Verbrennung von Wäldern und Wäldern werden große Mengen an Feinstaub und Treibhausgasen in die Atmosphäre freigesetzt, mit verheerenden Folgen für die menschliche Gesundheit und das Klima. So wurden beispielsweise bei Waldbränden in Kalifornien im Jahr 2020 schätzungsweise rund 127 Millionen Megatonnen Treibhausgasemissionen freigesetzt, was etwa dem Doppelten der gesamten Treibhausgasemissionen Kaliforniens von 2003 bis 2019 entspricht¹. Wissenschaftler und Landbewirtschafter untersuchen zunehmend menschliches Handeln, das dazu beitragen kann, diese Wälder und ihre Ökosystemleistungen wiederherzustellen. Die manuelle Durchforstung und Entfernung überschüssiger Biomasse ist eine der wichtigsten Maßnahmen, die ergriffen werden müssen². Die Entfernung von Biomasse schließt ihre Entsorgung ein, und wenn sich die Biomasse an abgelegenen und schwer zugänglichen Orten befindet, gibt es nur wenige andere Optionen als die Verbrennung vor Ort in unbewirtschafteten Brandrodungshaufen. Unkontrollierte Brandhaufen entfernen zwar Brennstoffe aus der Landschaft, aber sie schädigen die Waldböden, da die konzentrierte Hitze unter den Haufen den organischen Horizont des Bodens verbrennt und nackten Boden hinterlässt, der anfällig für Erosion und Besiedlung durch invasive Arten ist. Es kann Jahrzehnte dauern, bis sich der organische Bodenhorizont in einer Brandhalsnarbe^{regeneriert 3}. Unkontrollierte Brandhaufen sind auch eine Quelle von Feinstaub- und Treibhausgasemissionen. Der Rauch aus dem Abbrennen von Brandrodungspfählen schränkt auch das Brennfenster in Wassereinzugsgebieten mit begrenzter Luftqualität ein, was die Durchführung der Arbeiten erschwert.

Forscher des USDA Forest Service haben die Alternative der Herstellung von Pflanzenkohle aus Schnittmaterialien untersucht und mehrere vielversprechende Techniken identifiziert, darunter die Möglichkeit, kleine, mobile Pflanzenkohleöfen im Wald einzusetzen⁴. Die Umwandlung von Waldrodung in Pflanzenkohle vor Ort hat viele ökologische Vorteile gegenüber der derzeitigen Praxis der Brandrodung durch Verbrennung in Brandhaufen, einschließlich einer geringeren Bodenerwärmung und weniger Feinstaubemissionen. Die vor Ort produzierte Pflanzenkohle kann entfernt und in der Landwirtschaft verwendet werden, oder sie kann an Ort und Stelle belassen werden, wo sie mehrere Funktionen zur Wiederherstellung der Waldgesundheit und zur Verbesserung der Anpassung an Klimawandel und Dürre erfüllt. Da bis zu 50 % des gesamten Kohlenstoffs in vielen Waldböden Holzkohle aus historischen, natürlichen Bränden ist⁵, kann das Belassen von Pflanzenkohle an dem Ort, an dem sie hergestellt wird, Waldbodenkohle wiederherstellen, die aufgrund der Brandbekämpfung oft an den jüngsten Bodenhorizonten fehlt, mit unbekannten Auswirkungen auf Ökosystemprozesse⁶. Pflanzenkohle, die auf Waldböden verbleibt, kann die Auswirkungen von Holzkohle nachahmen, die durch natürliche Brände erzeugt wird, und ähnliche Auswirkungen auf den Kohlenstoffgehalt des Bodens und die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens haben⁷.

In den letzten Jahren hat ein internationales Netzwerk von Forstarbeitern, Waldbesitzern, Forschern und Pflanzenkohleberatern eine Reihe von Karbonisierungsmethoden entwickelt, um Waldschnitt vor Ort als Alternative zur Verbrennung von Brandrodungen in Pflanzenkohle umzuwandeln. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der Flammenkarbonisierung, das zuerst in Japan als "rauchloser Karbonisierungsofen"^{der Firma} Moki 8 entwickelt und vermarktet wurde. Dieser Stahlringofen stellt gut karbonisierte Pflanzenkohle mit einem ausgewiesenen Wirkungsgrad von 13 % bis 20 % her, je nach verwendetem Ausgangsmaterial⁹.

Der Prozess der Herstellung von Pflanzenkohle oder Holzkohle wird oft als Pyrolyse bezeichnet, die Abtrennung von Biomassebestandteilen durch Hitze unter Ausschluss von Sauerstoff. Dies wird in der Regel als Retortenpyrolyse bezeichnet, bei der Biomasse in einem extern beheizten Behälter physikalisch von der Luft isoliert wird. Die Pyrolyse kann aber auch in Gegenwart begrenzter Luft stattfinden, wie bei der Vergasung und Flammenkarbonisierung, da feste Brennstoffe wie Holz stufenweise verbrennen. Wenn Biomasse erhitzt wird, ist die erste Stufe der Verbrennung die Dehydrierung, da Wasser aus dem Material verdampft. Es folgt die Entgasung und die gleichzeitige Verkohlungsbildung, auch Pyrolyse genannt. Flüchtiges Gas, das Wasserstoff und Sauerstoff enthält, wird freigesetzt und in einer Flamme verbrannt, wobei dem Prozess kontinuierlich Wärme zugeführt wird. Wenn das Gas freigesetzt wird, wird der verbleibende Kohlenstoff in aromatischen Kohlenstoff oder Kohle umgewandelt. Die letzte Stufe der Verbrennung ist die Oxidation der Kohle zu mineralischer Asche¹⁰.

Da es sich um diskrete Phasen handelt, die bei einem offenen Verbrennungsprozess auftreten, haben wir die Möglichkeit, den Prozess nach der Verkohlungsbildung zu stoppen, indem wir Luft oder Wärme entfernen. Dies wird während des Produktionsprozesses von Pflanzenkohle erreicht, indem dem Brandhaufen kontinuierlich neues Material hinzugefügt wird, so dass die heiße Kohle von neuem Material begraben wird, das den Sauerstofffluss unterbricht. Heiße Holzkohle sammelt sich im Boden des Haufens an und wird daran gehindert, zu Asche zu verbrennen, solange Flammen vorhanden sind, da die Flamme den größten Teil des verfügbaren Sauerstoffs verbraucht. Wenn der gesamte Brennstoff auf den Haufen gegeben wurde, beginnt die Flamme zu erlöschen. Zu diesem Zeitpunkt kann die heiße Holzkohle konserviert werden, indem Sauerstoff und Wärme entfernt werden, normalerweise indem die Kohlen mit Wasser besprüht und dünn geharkt werden, um sie abzukühlen¹¹.

Das grundlegende Funktionsprinzip ist das der Gegenstromverbrennung. Gegenstrom-Verbrennungsluft hält die Flamme niedrig und verhindert die Emission von Glut oder Funken. Die Flamme verbrennt auch den größten Teil des Rauchs, wodurch die Emissionen reduziert werden. Zusammenfassend erklären die folgenden Prinzipien den Betrieb der Gegenstromverbrennung in einem Flammenkappenofen: (1) Gas strömt nach oben, während Verbrennungsluft nach unten strömt, (2) Gegenstromströmung wird hergestellt, wenn brennender Brennstoff Luft nach unten zieht, (3) Die Flammen bleiben niedrig und in der Nähe des Brennstoffs, wodurch der Glutaustritt minimiert wird, (4) Rauch brennt in der heißen Zone, (5) Da die gesamte Verbrennungsluft von oben kommt, es wird von den Flammen verzehrt (6) Es kann nur sehr wenig Luft zu den unverbrannten Kohlen gelangen, die auf den Boden des Ofens fallen, (7) Die Kohlen werden bis zum Ende des Prozesses aufbewahrt, wenn sie gelöscht oder gelöscht werden.

Neben ihren Vorteilen für den Boden ist Pflanzenkohle auch eine führende Methode zur Kohlenstoffentfernung für den Klimaschutz. Bis zur Hälfte des Kohlenstoffs in holziger Biomasse kann in Form von Pflanzenkohle¹² in stabilen, aromatischen Kohlenstoff umgewandelt werden. Allerdings produzieren nicht alle Pyrolysetechnologien die gleiche Menge an widerspenstigem Kohlenstoff, der 100 Jahre oder länger im Boden stabil bleibt (die Schlüsselmetrik zur Bestimmung des Kohlenstoffentfernungswerts). Die Stabilität der Pflanzenkohle steht in engem Zusammenhang mit der Produktionstemperatur. Die adiabatische Flammentemperatur von brennendem Holz wird auf 1.977 °C geschätzt und liegt nahe an der von Propan 1.977 °C¹³. Die Herstellung von Pflanzenkohle in einem Flammenkappenofen ist eng mit der Flamme gekoppelt, ohne Wärmeübertragungsverluste durch die Leitung durch eine Metallwand, wie bei der Retortenpyrolyse. Daher würden wir erwarten, dass die Produktionstemperatur hoch ist, solange eine Flamme während des Prozesses aufrechterhalten wird. Eine Untersuchung von Kohle mit Hilfe der Raman-Spektroskopie¹⁴ ergab, dass eine Biokohleprobe aus einem Flammkappenofen (zur Verfügung gestellt von Erstautor Kelpie Wilson) zu den drei Proben mit der höchsten scheinbaren Temperatur der Kohlebildung im Bereich von 900 °C gehörte.

Thermoelemente sind erforderlich, um in das Innere der Verbrennung zu gelangen und die Produktionstemperatur von Pflanzenkohle in einem Brennkappenofen oder einem Brennhaufen genau zu messen, und diese sind teuer und für Low-Tech-Hersteller nicht verfügbar. Aus diesem Grund haben wir eine Methode verwendet, die von Forschern im brasilianischen Amazonasgebiet beschrieben wurde, bei der Heißstifte (die von Schweißern verwendet werden, um die Temperatur von Metallteilen zu überprüfen) verwendet werden, die bei einer kalibrierten Temperatur schmelzen¹⁵. Die Ziegel werden mit Buntstiften markiert, in Alufolie eingewickelt und während der Produktion an verschiedenen Stellen im Ofen platziert. Wir haben diese Methode mehrmals angewendet und festgestellt, dass die Ofentemperaturen 650° C überschritten haben, da die Buntstiftspuren vollständig geschmolzen waren. Dies ist eine nützliche Methode, um die Produktionstemperaturen bei Bedarf zu bestätigen. Der wichtigste Überprüfungspunkt ist jedoch die Dokumentation des Vorhandenseins von Flammen im gesamten Verfahren.

Es gibt nicht viele veröffentlichte Daten über die Eigenschaften von Pflanzenkohle, die mit Low-Tech-Flammkarbonisierungsmethoden hergestellt wird. Cornellissen et al. analysierten jedoch Pflanzenkohleproben, die mit Flammkarbonisierungsmethoden in verschiedenen Ofentypen hergestellt wurden, und es wurde festgestellt, dass sie die Standards des Europäischen Biokohlezertifikats (EBC) für Pflanzenkohle erfüllen, einschließlich eines niedrigen PAK-Gehalts und einer hohen Stabilität der Pflanzenkohle. Darüber hinaus wies die Pflanzenkohle, die sowohl aus holzigen als auch aus krautigen Rohstoffen hergestellt wurde, einen durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von 76 Prozent^{auf 11}. Die Rocky Mountain Research Station¹⁶ des US Forest Service analysierte fünf Pflanzenkohleproben aus Flammenkappenöfen und Brandhaufen, die bei einem Feldtag in Kalifornien im Jahr 2022 hergestellt wurden. Der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt der Proben lag bei 85 Prozent. Aus diesen Ergebnissen können wir schließen, dass es wahrscheinlich ist, dass Pflanzenkohle, die aus holzigen Rückständen in Flammkappenöfen hergestellt wird, die grundlegenden Anforderungen für eine nachgewiesene Kohlenstoffentfernung erfüllt: hoher Kohlenstoffgehalt und hohe Stabilität der Pflanzenkohle.

Zwei Protokolle zur Kohlenstoffentfernung für die ortsgebundene Low-Tech-Produktion von Pflanzenkohle wurden jetzt von Verra¹⁷ und dem Global Artisan C-Sink Protokoll¹⁸ des European Biochar Consortium veröffentlicht. Diese neu entwickelten Protokolle sind vielversprechend; Sie haben jedoch einige Einschränkungen, wenn sie auf Wälder, Wälder und andere Landschaften angewendet werden, die von Dürren und Waldbränden bedroht sind. Dementsprechend wird in diesem Artikel eine neue Methodik, die Methodik CM002 V1.0, aus AD Tech¹⁹ beschrieben, die speziell für die Flammenkarbonisierung von Holzschutt als Teil des Vegetationsmanagements und der Reduzierung der Brennstoffbelastung entwickelt wird. Die Lebenszyklusanalyse bestätigt, dass die Kohlenstoffbindung von Biokohle durch die Produktion von Biokohle vor Ort aus holziger Biomasse in Flammenkappenöfen einen Nettovorteil für die Kohlenstoffentfernung bringt²⁰. Die erfolgreiche Umsetzung von Protokollen zur Kohlenstoffentfernung kann dazu beitragen, die lebenswichtigen Maßnahmen zur Reduzierung von Brennstoffen finanziell zu unterstützen, die zum Schutz von Gemeinden und Ökosystemen vor Waldbränden und der Verschlechterung von Ökosystemen erforderlich sind. Um Zugang zu Zahlungen für die Kohlenstoffentfernung zu erhalten, werden Feldmessungen und digitale Überwachungs-, Berichts- und Verifizierungsmethoden (D-MRV) als Routineverfahren in die hier beschriebene Methodik zur Herstellung von Pflanzenkohle integriert. Einzelheiten zur Plattform werden in den Ergänzenden Informationen (Ergänzungsdatei 1) erläutert.

Während mehrere Open-Source-Konstruktionen von Flammkappenöfen von Einzelpersonen für den Eigenbedarf hergestellt werden²¹, gibt es unseres Wissens derzeit nur einen Flammkappenofen mit einem Fassungsvermögen von mehr als einem Kubikmeter, der für den Verkauf in Nordamerika in Massenproduktion hergestellt wird, den Ring of Fire Ofen²². Ein leichter, tragbarer Flammkappenofen, der für eine einfache Mobilität mit Handmannschaften ausgelegt ist. Der Ofen besteht aus einem Innenring, der aus sechs Blechen aus Baustahl besteht, die miteinander verbunden sind. Ein Außenring aus leichterem Stahl, der an den Halterungen befestigt ist, die den Innenring zusammenhalten. Der äußere Ring dient als Hitzeschild, das die Wärme für einen besseren Wirkungsgrad speichert. Die Oberseite des Ofens ist zur Luft hin offen, und hier bildet sich die Flammenkappe. Luft, die durch den Ringspalt zwischen dem Hauptofenkörper und dem Hitzeschild nach oben strömt, versorgt den Ofen mit vorgewärmter Verbrennungsluft, wodurch die Verbrennungseffizienz weiter erhöht wird (Abbildung 1)

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Luftstroms, der Flammeneigenschaften und der Verkohlungsansammlung im Feuerringofen. Gegenstrom-Verbrennungsluft zieht den Rauch in die heiße Zone, wo er verbrennt. Luft, die durch den Ringspalt zwischen dem Hauptofenkörper und dem Hitzeschild nach oben strömt, versorgt den Ofen mit vorgewärmter Verbrennungsluft, wodurch die Verbrennungseffizienz weiter erhöht wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Der Ofendurchmesser beträgt 2,35 m und bildet einen Zylinder mit einer Höhe von einem Meter bei einem Gesamtvolumen von 4,3^m3. In der Praxis ist der Ofen nie vollständig bis zum Rand gefüllt, so dass eine typische Produktionscharge den Ofen zwischen 1/2 und 3/4 voll füllt, um ein Volumen an Pflanzenkohle zwischen 2 und 3 Kubikmetern zu erreichen.

Da es sich bei dem Feuerringofen um ein standardisiertes Design handelt, wird er als erste zertifizierte Technologie für den Einsatz in der CM002-Komponentenmethodik übernommen, die standardisierte Verfahren für die Quantifizierung von Treibhausgasvorteilen (THG) bietet. Mess- und Datenerfassungsschritte, die den Anforderungen des CM002 entsprechen, sind in die Methode integriert. Die Berichterstattung erfolgt über eine Smartphone-Anwendung, indem während des gesamten Prozesses kurze Fragebögen beantwortet und Fotos und Videoclips in die mobile App hochgeladen werden.

Protocol

HINWEIS: Diese Methode verwendet die Ikhala-Smartphone-Anwendung (im Folgenden als D-MRV-Anwendung bezeichnet; Material-Tabelle) Zugang zu Zahlungen für die Kohlenstoffentfernung, Feldmessungen und digitale Überwachung, Berichterstattung und Verifizierung.

1. Sammeln von Rohstoffen und Bestätigen der Eignung

1. Wählen Sie die Rohstoffgröße aus und geben Sie sie an.
2. Wählen Sie holziges Material mit einem Durchmesser von weniger als 15 cm. Stellen Sie sicher, dass alle Materialien verzweigt oder ungleichmäßig geformt sind, damit sie sich nicht dicht verdichten und den Luftstrom im Ofen behindern.
3. Klicken Sie in der D-MRV-Anwendung auf die Schaltfläche Foto aufnehmen im Abschnitt Feedstock , um die Kamera zu öffnen. Zielen Sie bei geöffneter Kamera auf das Motiv (trockene Rohstoffhaufen mit einem Messstab) und nehmen Sie das Bild auf, indem Sie den Auslöser auf dem Bildschirm drücken.
4. Melden Sie die Rohstoffarten: Öffnen Sie die D-MRV-Anwendung und beantworten Sie den kurzen digitalen Fragebogen, in dem die Mengen der einzelnen Arten angegeben sind. Die Berichterstattung basiert auf visuellen Schätzungen.
5. Ermitteln und melden Sie die Feuchte des Ausgangsmaterials.
   1. Nehmen Sie mit einem Standard-Brennholzfeuchtemessgerät eine Messung vor, indem Sie die Stifte in die Mitte des größten Stücks jeder Art von Ausgangsmaterial stecken.
   2. Machen Sie in der D-MRV-Anwendung ein Foto von jedem Feuchtigkeitsmesswert. Klicken Sie auf die Schaltfläche Foto aufnehmen im Abschnitt Feuchtigkeitsmessgerät und geben Sie den auf dem Feuchtigkeitsmessgerät angezeigten Wert in das Textfeld ein. Reichen Sie für jeden Feuchtigkeitsmesswert einen Foto- und Texteintrag ein.

2. Zusammenbauen, Beladen und Anzünden des Ofens

1. Auf ebenem Boden klares brennbares organisches Material aus einem Kreis von ca. 3 m Durchmesser. Montieren Sie die 6 inneren Ofenplatten mit Hilfe der Verbindungshalterungen zu einem Zylinder.
2. Mit einer Schaufel oder einem ähnlichen Werkzeug den unteren Rand des Zylinders mit einer kleinen Berme aus mineralischer Erde oder Lehm abdichten, damit keine Luft von unten in den Ofen eindringen kann.
3. Befestigen Sie die 6 Hitzeschildplatten an den Anschlusshalterungen und achten Sie darauf, dass an der Unterseite des Hitzeschilds ein Luftspalt bleibt, damit Luft durch den Ringspalt zwischen Innen- und Außenzylinder strömen kann. Befestigen Sie das Ofen-ID-Tag mit den Hitzeschild-Hardware am Hitzeschild.
4. Identifizieren Sie die in der Charge verwendeten Öfen. Klicken Sie im Abschnitt "Brennvorbereitung " auf die Schaltfläche "Foto aufnehmen ", um Fotos des montierten Ofens und des ID-Tags zu machen und diese für jeden Ofen vor Ort einzureichen.
5. Beschickung des Ofens: Verwenden Sie für die Erstbeschickung des Ofens ein kleineres (2-6 cm dickes und trockeneres Material). Verpacken Sie das Material bis zum Ofenrand und ordnen Sie nicht verzweigtes Material, wie z. B. Stangen, so an, dass es nicht zu dicht wird und den Luftstrom einschränkt.
   HINWEIS: Das Ziel ist es, sicherzustellen, dass das Material dicht genug gepackt ist, um eine Flamme aufrechtzuerhalten, aber auch Verbrennungsluft an den Boden des Stapels zu gelangen.
6. Zünden Sie den Ofen an: Geben Sie kleines, trockenes Anzündmaterial auf den beladenen Ofen. Verwenden Sie bei Bedarf einen Brandbeschleuniger und zünden Sie ihn mit einem Streichholz an oder verwenden Sie eine Propangaslampe. Zünden Sie den Ofen an mehreren Stellen auf der Oberseite an, so dass sich schnell eine Flammenkappe über dem gesamten Ofen entwickelt.
7. Nehmen Sie mit der D-MRV-App einen 30-Sekunden-Videoclip auf, sobald die Flammenkappe aufgestellt ist. Klicken Sie im Abschnitt "Start brennen " auf die Schaltfläche "Video aufnehmen " und dann auf die Schaltfläche "Video senden ".

3. Beschickung und Pflege des Ofens

1. In der ersten Betriebsphase wird die Luft von oben nach unten in den Ofen gesaugt, während die anfängliche Ladung meist bis auf eine Schicht Kohle abbrennt. Stellen Sie sicher, dass die erste Ladung ein gutes Kohlenbett ergibt, bevor Sie mehr Material hinzufügen. Fügen Sie eine neue Schicht des Ausgangsmaterials hinzu, wenn die vorherige Schicht beginnt, einen Film aus weißer Asche zu zeigen.
2. Übergang zur kontinuierlichen Beschickung: Laden Sie neues Material gleichmäßig in den Ofen. Versuchen Sie, jede Holzschicht den gleichen Durchmesser zu halten, damit die Verkohlung gleichmäßig ist.
   1. Verwenden Sie die Flamme als Indikator für die Ladegeschwindigkeit: Lassen Sie die Flamme als Leitfaden für das Hinzufügen von neuem Material dienen. Stellen Sie sicher, dass eine gute, starke Flamme oben gehalten wird, da dies die Wärmequelle für die Herstellung von Kohle ist.
   2. Wenn der Bediener zu viel und zu schnell lädt, wird die Flamme erstickt. Wenn das passiert, halte inne und warte, bis die Flamme wieder aufgeht. Wenn der Bediener nicht genügend Material lädt, erlischt die Flamme und die Kohle beginnt zu Asche zu verbrennen. Wenn das passiert, füge mehr Material hinzu, um die Flamme am Laufen zu halten.
3. Überprüfen Sie das Vorhandensein der Flamme während der Verbrennung als Indikator für eine saubere, heiße Verbrennung, die die Methanemissionen minimiert und die stabile Verkohlungsbildung maximiert.
   1. Nehmen Sie mit der D-MRV-Anwendung ein 30-Sekunden-Video der Flamme etwa 1 Stunde nach dem Anzünden des Ofens auf. Navigieren Sie zum Abschnitt Brennqualitätsbeweis und klicken Sie auf die Schaltfläche Brennechtheitsnachweis in der ersten Stunde .
   2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Video aufnehmen , drücken Sie mindestens 30 Sekunden lang auf Aufnahme und klicken Sie auf die Schaltfläche Video senden .
4. Füge das größte Material in den mittleren Phasen der Verbrennung hinzu, damit es Zeit hat, vollständig zu verkohlen. Der Ofen füllt sich je nach Rohstofftyp, Größe und Feuchtigkeit unterschiedlich schnell mit Pflanzenkohle.
5. Nehmen Sie mit der D-MRV-Anwendung ein 30-Sekunden-Video der Flamme am Ende der zweiten Stunde der Verbrennung auf. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Brennnachweis zur zweiten Stunde " und dann auf die Schaltfläche "Video aufnehmen ". Drücken Sie mindestens 30 Sekunden lang auf Aufnahme und klicken Sie auf die Schaltfläche Video senden .
6. Nehmen Sie mit der D-MRV-Anwendung ein 30-Sekunden-Video der Flamme am Ende der dritten Stunde der Verbrennung auf. Klicken Sie auf die Schaltfläche Brennnachweis zur dritten Stunde und dann auf die Schaltfläche Video aufnehmen . Drücken Sie mindestens 30 Sekunden lang auf Aufnahme und klicken Sie auf die Schaltfläche Video senden .
7. Wenn sich der Ofen mit glühend glühenden Kohlen füllt, stellen Sie die letzten Schichten aus mittelgroßem Material her, damit größere Stücke fertig verkohlen können.

4. Veredelung, Abschrecken und Messen der Pflanzenkohle

1. Beenden Sie die Verbrennung, wenn sich die angesammelte Pflanzenkohle innerhalb von 10-20 cm vom oberen Rand des Ofens befindet, wenn das gesamte Ausgangsmaterial verbraucht ist oder wenn der Arbeitstag endet.
2. Die Verkohlung ist abgeschlossen, wenn keine Flammen mehr vorhanden sind. Warten Sie 10-15 Minuten, nachdem Sie das letzte Stück Einsatzmaterial hinzugefügt haben, bis die Flammen erloschen sind. Es wird immer ein paar größere Stücke geben, die nicht vollständig verkohlen, was kein Problem ist.
3. Verwenden Sie vor dem Abschrecken einen Stahlrechen, um die heißen, glühenden Kohlen im Ofen zu glätten.
   1. Legen Sie einen Messstab senkrecht in den Ofen, an die Ofenwand, so dass ein Ende die ebene Verkohlung berührt. Machen Sie in der D-MRV-Anwendung ein Foto des Messstabs, der die Tiefe der Kohle im Ofen anzeigt, indem Sie zum Abschnitt Messung der Pflanzenkohle navigieren und auf die Schaltfläche Foto aufnehmen klicken.
   2. Geben Sie in das Texteingabefeld für die Frage Wie hoch ist der Messwert von der Oberseite der Pflanzenkohle bis zur Oberkante des Ofens ein, den Wert auf dem Messstab.
   3. Wiederholen Sie diese Messung und Fotoaufnahme noch zwei weitere Male an verschiedenen Stellen im Ofen, indem Sie auf die Schaltfläche "Senden und ein weiteres Foto hinzufügen " klicken.
4. Machen Sie unmittelbar nach der Meldung der Verkohlungstiefenmessungen ein Foto des Ofenidentifikationsetiketts zu Überprüfungszwecken.
5. Messen Sie die Schüttdichte der Kohle.
   1. Wenn die Pflanzenkohlecharge fertig ist, aber vor dem Abschrecken, füllen Sie einen Metalleimer mit heißen, glühenden Kohlen, die aus dem Ofen geschaufelt wurden. Wiegen Sie den Eimer, um das Taragewicht mit einer hängenden Waage zu ermitteln. Machen Sie ein Foto, um das Gewicht aufzuzeichnen.
   2. Füllen Sie den Eimer mit heißen Kohlen und wiegen Sie ihn, indem Sie ein Foto machen, um das Gewicht aufzuzeichnen.
   3. Das Probenahmeverfahren (4.5.1-4.5.2) wird noch zwei weitere Male wiederholt, wobei Proben aus verschiedenen Teilen des Ofens entnommen und der Wert mit einem Foto aufgezeichnet wird.
6. Mit Wasser ablöschen.
   1. Beginnen Sie, Wasser mit niedrigem Druck in den Ofen zu sprühen, bis der Hitzeschild kühl genug ist, um ihn zu berühren. Entferne alle Hitzeschildplatten und stapele sie aus dem Weg.
   2. Während Sie Wasser sprühen, entfernen Sie mehrere Ofenplatten und harken Sie die Kohle zum Abkühlen in eine dünne Schicht. Sprühen und harken Sie weiter, bis der Saibling vollständig abgekühlt ist. Die Pflanzenkohle sollte kühl genug sein, um eine Hand hineinzulegen.
7. Entferne und befestige unverbrannte Stücke. Entfernen Sie alle teilweise verkohlten Stücke und legen Sie sie mit dem Messstab in einer einzigen Schicht auf eine der Ofenplatten. Machen Sie mit der D-MRV-Anwendung ein Foto von den unvollständig verkohlten Stücken.

Results

Eine gut organisierte und implementierte Pflanzenkohlecharge mit dem Feuerringofen produziert 2-3^m3 Pflanzenkohle in 4-5 h Brennzeit. Die Verwendung der CM002-Komponentenmethodik und die Aufzeichnung von Brennparametern in der D-MRV-Anwendung soll es einem zertifizierten Verifizierer ermöglichen, das Produktionsvolumen der Biokohle und die Qualität der Pflanzenkohle zu bestätigen. Weitere Informationen zur Methodik finden Sie in den ergänzenden Informationen (Ergänzungsdatei 1).

Die Prozessüberprüfungspunkte für eine typische Charge von Pflanzenkohle, die im Feuerringofen hergestellt wird, sind hier aufgeführt (Abbildung 2). Tabelle 1 enthält typische Werte, die vor Ort gemessen oder durch Überprüfung ermittelt wurden.

1. Geben Sie die Art des Ausgangsmaterials an.
2. Rohstoffgröße: Bild eines Rohstoffhaufens mit einem Lineal.
3. Rohstofffeuchtigkeit: Ein Bild zeigt den Feuchtigkeitsmesswert des größten Stücks jeder Rohstoffart.
4. Zündung: Ein 30-Sekunden-Video, das den Beginn des Ofenbrandes und die Aufzeichnungszeit des Starts zeigt. Das Video zeigt, dass sich eine starke Flammenkappe entwickelt hat.
5. Überprüfung der Produktionstemperatur basierend auf dem Vorhandensein von Flammen: Drei 30-Sekunden-Videos zeigen eine starke Flammenpräsenz während der Verbrennung.
6. Volumen der Pflanzenkohle: drei Bilder der Messlatte im Ofen, um die Höhe der Ebenkohle im Ofen an drei Stellen anzuzeigen. Die gemessenen Abstände von der Oberseite des Ofens bis zur Kohle werden für Berechnungen auf einen Wert gemittelt.
7. Schüttdichte: Ein Bild der Waage zeigt das Leergewicht des Eimers. Drei Bilder der Waage, die das Gewicht der Kohle und des Eimers zeigen. Kohle von 3 Stellen im Ofen. Die drei Gewichtsmessungen werden für die Berechnungen zu einem Wert gemittelt

Abbildung 2: Infografik mit den Prozessverifizierungspunkten. Die Prozessverifizierungspunkte für eine typische Charge von Pflanzenkohle, die im Feuerringofen hergestellt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

				Datenpunkt #1	Datenpunkt #2	Datenpunkt #3
Arten von Rohstoffen				Kiefer 50%	Tanne 50%
Ablesung des Feuchtigkeitsmessgeräts				19%	23%
Volumen des leeren Ofenzylinders				4,3 m3
Höhe des Ofenzylinders				1 m
Höhe der Verkohlungsebene im Ofen				60 cm	61 cm	59 cm
Eigengewicht des 7-Liter-Eimers				0,6 kg
Gewicht des Eimers mit Kohle				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Datenbankwert des Kohlegehalts				86.8%
Kohlenstoff-Stabilitätsfaktor				0.74

Tabelle 1: Repräsentative Werte zur Überprüfung der Produktionsergebnisse und Verarbeitungsparameter für eine typische Charge von Pflanzenkohle, die in einem Ring of Fire-Biokohleofen hergestellt wird.

Anhand dieser Kontrollpunkte stellt der Prüfer fest, dass die Pflanzenkohle mit geeigneten Rohstoffen und bei einer Temperatur von über 600 °C hergestellt wurde, um die Anforderungen der CM002-Komponentenmethodik für Langzeitstabilität zu erfüllen. Damit kann der Kohlenstoffstabilitätsfaktor von 0,74 für eine 100-jährige Permanenz auf die Pflanzenkohlecharge angewendet werden. Um das Volumen der Pflanzenkohlecharge zu bestimmen, verwendet der Verifizierer das Volumen des leeren Ofens, das durch das Ofen-ID-Tag (4,3 m³) verifiziert wird, und die Höhe des Kohlespiegels im Ofen (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Da der Ofen zu 60 % gefüllt ist, beträgt das Kohlevolumen 0,6 x 4,3^m3 = 2,6^m3. Der Verifizierer berechnet dann die Schüttdichte der Pflanzenkohle auf der Grundlage von Eimermessungen. Subtrahiert man das Eimergewicht von 0,6 kg von jeder Messung, erhält man Werte von 1,2 kg, 1,3 kg und 1,4 kg, die auf 1,3 kg/7 l gemittelt werden. Dies entspricht 185,7 kg/^m3. Daher beträgt das Trockengewicht der produzierten Pflanzenkohle (185,7 kg/^m3) x (2,6^m3) = 483 kg.

Der Verifizierer kann den Kohlenstoffgehalt der Pflanzenkohle aus einer Datenbank oder in diesem Fall aus einem einfachen Labortest entnehmen, der einen Kohlenstoffgehalt von 86,8 % aus einer Charge gemischter Nadelhölzer bestätigte, die 2021 in einem Feuerringofen in Sonoma County, Kalifornien, hergestellt wurden. Der Test wurde von Control Laboratories in Watsonville, CA²³, durchgeführt. Es wird der Kohlenstoffstabilitätsfaktor von 0,74 angewendet. Daher wird der Gehalt an stabilem organischem Kohlenstoff auf Trockengewichtsbasis für Pflanzenkohle aus der Masse der Pflanzenkohle, ihrem Gehalt an organischem Kohlenstoff und dem 100-Jahres-Stabilitätsfaktor für einen Endwert von (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg stabilem Kohlenstoff abgeleitet. Um den endgültigen Wert der Kohlenstoffentfernung zu ermitteln, wird die Projektleckage subtrahiert und die entsprechenden Sicherheitsmargen zusammen mit dem Umrechnungsfaktor von festem Kohlenstoff in Kohlendioxid angewendet, wie in der Zusatzdatei 1 beschrieben. Der zertifizierte Pflanzenkohle-Entfernungswert der Pflanzenkohle hängt von der abschließenden Überprüfung ab, ob die Pflanzenkohle auf Erde oder Kompost aufgebracht wurde und nicht verbrannt oder anderweitig oxidiert ist.

Ergänzendes Dossier 1: Detaillierte Informationen zur Methodik und zu den Berechnungen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Unterschiedliche Biomassearten produzieren aufgrund der elementaren Zusammensetzung der Biomasse unabhängig von der Produktionstemperatur Biokohle mit unterschiedlichen Anteilen an Kohlenstoff und Asche²⁴. Da die vorhandenen Datenbanken mit den Eigenschaften von Pflanzenkohle für verschiedene Rohstoffe nicht vollständig sind, müssen die Projekte möglicherweise Proben zur Laboranalyse einreichen, um den Gehalt an organischem Kohlenstoff der Pflanzenkohle zu überprüfen. Um die Projektkosten niedrig zu halten, empfehlen wir ein einfaches Laborverfahren, das von Schülern in Schullaboren der High School oder Community College-Stufe²⁵ kostengünstig durchgeführt werden kann. Im Laufe der Zeit, wenn mehr Projekte vor Ort umgesetzt werden, wird die Datenbank mit den Kohlenstoffgehaltswerten von Biokohle für verschiedene Rohstofftypen wachsen und besser nutzbar werden.

Viele der D-MRV-Messungen sollen verifizieren, dass die Produktionsbedingungen optimal sind, um Pflanzenkohle mit Eigenschaften herzustellen, die den Datenbankwerten sehr nahe kommen. Diese Schlüsselmessungen sind die Rohstofffeuchte und die Videoreihe, die die Qualität der Flammenverbrennung dokumentiert, die die Produktionstemperatur und die daraus resultierende Stabilität des Kohlenstoffs in der Pflanzenkohle bestimmt.

Während die Messung des Volumens der im Ofen produzierten Pflanzenkohle einfach ist, ist die Bestimmung der Trockenmasse der produzierten Pflanzenkohle nicht einfach. Die Arbeit mit Pflanzenkohle ist eine Herausforderung, da die komplexe Partikeldichte des Materials die Bestimmung von Schüttdichtemessungen erschwert²⁶. Nach dem Abschrecken der Pflanzenkohle ist es nicht mehr möglich, ein Trockengewicht von einem bestimmten Volumen der Pflanzenkohle auf dem Feld zu erhalten. Die trockene Schüttdichte von Pflanzenkohle kann jedoch im Feld gemessen werden, indem ein Metalleimer mit bekanntem Volumen mit heißen Kohlen gefüllt und gewogen wird. Dieses Verfahren kann uns eine gute Annäherung an die Trockenmasse der Pflanzenkohle geben.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode ist die inhärente Variabilität der Feldbetriebe, einschließlich der Variabilität der Rohstoffe und des Qualifikationsniveaus des Bedieners. Der Bediener muss die Beladungsrate des Ausgangsmaterials bestimmen und daran arbeiten, eine starke Flamme im Ofen aufrechtzuerhalten. Wenn die Flamme nicht durch Überladung aufrechterhalten wird, wirkt sich dies auf die Temperatur der Verkohlungsbildung und damit auf die Verkohlungsstabilität aus. Dies lässt sich am besten durch ein effektives Schulungsprogramm für Bediener erreichen. Mitarbeiterschulungen und Sicherheitsprotokolle sind entscheidend für den Erfolg der Biokohleproduktion vor Ort. Angesichts des Arbeitskräftebedarfs müssen Schulungsprogramme gut organisiert und allgemein zugänglich gemacht werden²⁷.

Eine weitere Einschränkung der Methodik ist die Variabilität bei der Durchführung der D-MRV-Messungen. Die Feuchte des Ausgangsmaterials kann innerhalb einer bestimmten Charge sehr unterschiedlich sein, auch wenn das gesamte Ausgangsmaterial ansonsten einheitlich ist. Die Methode, drei Schnappschussvideos der Flamme während des Prozesses aufzunehmen, um zu überprüfen, ob die richtigen Temperaturen erreicht werden, ist durch die dynamische Natur der Verbrennung begrenzt. Drei Schnappschuss-Videos sind möglicherweise nicht repräsentativ für den gesamten Prozess. Eine praktikable Gegenkontrolle zu dieser Messung besteht darin, einfach zu wissen, wie lange die Verbrennung gedauert hat und wie viel Pflanzenkohle produziert wurde, da nicht optimale Temperaturbedingungen zu geringeren Produktionsmengen führen. Die Feld-D-MRV-Messungen von Schüttdichte und Volumen sind in ihrer Genauigkeit begrenzt; Dies wird jedoch durch die Verwendung von Sicherheitsmargen kompensiert, um sicherzustellen, dass die Endwerte konservativ sind und die Kohlenstoffentfernung nicht überschätzt werden.

Auch die operative Logistik trägt zur Variabilität der Produktionsparameter von Pflanzenkohle und zum Erfolg von Projekten bei. Die Betriebslogistik muss Faktoren wie Wetter, Gelände, Zugang, Arbeitssicherheit, Schulung, Werkzeuge und Ausrüstung sowie Wasserverfügbarkeit berücksichtigen. Die meisten Werkzeuge und Verbrauchsmaterialien, die für die Herstellung von Pflanzenkohle benötigt werden, sind Standardausrüstung, die Feuerwehrleuten und Forstleuten zur Verfügung gestellt wird. Spezifische Werkzeuge, die für die Implementierung von D-MRV mit dem Ring-of-Fire-Biokohleofen benötigt werden, sind in der Materialtabelle aufgeführt.

Die Herstellung von Pflanzenkohle auf dem Feld aus Abfallbiomasse muss mit der Alternative der offenen Verbrennung oder Verbrennung konkurrieren, die den Vorteil sehr niedriger Kosten hat. Die Grenzkosten für die Herstellung von Pflanzenkohle im Vergleich zur offenen Verbrennung haben hauptsächlich mit dem erhöhten Arbeitsaufwand zu tun, da die Kapitalkosten der einfachen Flammenkappenöfen niedrig sind²⁷. Bisher gibt es nicht genügend Großprojekte mit einer robusten Datenerfassung, um die tatsächlichen Grenzkosten der Produktion von Pflanzenkohle gegenüber der Verbrennung zu ermitteln. Ein Beispiel kann jedoch zeigen, dass die Kohlenstofffinanzierung das Potenzial hat, die Lücke zu schließen.

Watershed Consulting in Missoula, MT, behandelte im Jahr 2021 mit Ring-of-Fire-Biokohleöfen²⁸ Schnittwunden, die aus 21 Hektar gemischtem Nadelwald in West-Montana ausgedünnt wurden. Die Gesamtkosten des Projekts beliefen sich auf 42.302,00 $ und die Gesamtausbeute an Pflanzenkohle betrug 112,5 Kubikmeter. Unter Verwendung unserer eigenen Standardannahmen über die Eigenschaften von Biokohle, die in Flammkappenöfen getroffen wurden, schätzen wir, dass das Projekt 31,75 metrische Tonnen CO₂ zu einem Preis von 1.332,35 $ pro Tonne gebunden hat. Die Kosten für das Aufschütten und Verbrennen des Materials hätten 15.750,00 $ betragen, so dass Grenzkosten von 26.552,00 $ für die Herstellung von Biokohle anstelle der Verbrennung oder 836,28 $ pro Tonne produzierter Biokohle übrig geblieben wären. Diese Grenzkosten könnten zumindest teilweise durch Zahlungen für die Kohlenstoffentfernung in Höhe von 100 bis 200 US-Dollar pro Tonne CO₂ kompensiert werden, was die Bedeutung des D-MRV-Verfahrens bestätigt. Um das wirtschaftliche Bild des Projekts zu vervollständigen, ist es wichtig, dass die Finanzbehörden die Vorteile für das Ökosystem anerkennen, die sich aus der Vermeidung von Bodenschäden durch Brandnarben, der Verringerung der Treibhausgasemissionen und der Feinstaubbelastung durch Luftverschmutzung sowie der Rückführung von Kohle in Waldböden zur Feuchtigkeitsspeicherung, zum Nährstoffkreislauf und zur Bodengesundheit ergeben.

Die detaillierten Methoden, die in diesem Papier beschrieben werden, werden Einzelpersonen und Gruppen, die in Ökosystemen arbeiten, die von gebietsfremden invasiven Arten, Dürren und Waldbränden betroffen sind, dabei helfen, wirtschaftlich tragfähige Biomasse-zu-Biokohle-Projekte umzusetzen, die Böden und einheimische Ökosysteme verbessern und wiederherstellen können, während gleichzeitig Treibhausgasemissionen vermieden und Kohlenstoff für den Klimaschutz gebunden werden. Trotz der Variabilität und mangelnden Präzision der Messungen und Verifizierungspunkte in dieser praktischen Feldmethodik kommen wir zu dem Schluss, dass es sich immer noch um einen wertvollen Ansatz zur Sequestrierung von Kohlenstoff in Feldsituationen handelt, in denen andere Ansätze, wie z. B. der Transport von Biomasse zu einer industriellen Pyrolyseanlage, nicht praktikabel sind.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Digitale hängende Waage	AvaWeigh	HSD40	44-Pfund-Waage zum Wiegen von Produkten
Ikhala Smartphone-App	AD Tech	N / A	Download aus dem Android- oder Apple-App-Store
Metalllineal	Azbvek	ZG0044-Neuer	Edelstahl 100 cm Lineal
Ring of Fire Kiln	Wilson Biochar	ROF 1.2	Panel Style Flammenkappe Ofen mit Hitzeschild
Smart Telefon	beliebig	N/A	muss entweder I-OS- oder Android-Betriebssystem verwenden
Eimer aus Stahl - 7 Liter	Behrens	120GS	Eimer aus verzinktem Stahl
Holzfeuchtemessgerät	Allgemeine Werkzeuge	MMD4E	Digitales Feuchtigkeitsmessgerät, Stiftausführung mit LCD-Display