Produzione, caratterizzazione e quantificazione del biochar nei boschi mediante forni portatili a fiamma

Summary

I nuovi metodi per lo smaltimento dei cumuli forestali producono carbonio pirogeno per ripristinare la salute del suolo forestale e per la rimozione e il sequestro del carbonio. Qui presentiamo un metodo di produzione di biochar che integra una nuova metodologia di contabilizzazione della rimozione del carbonio e un'applicazione digitale.

Abstract

Una delle maggiori sfide nell'utilizzo della biomassa forestale non commerciale è la sua natura ampiamente distribuita. La soluzione migliore al problema della biomassa, per evitare costosi costi di lavorazione (cippatura) e di trasporto ad alta intensità di carbonio, è quella di lavorarla in loco. Tuttavia, i cumuli convenzionali hanno un impatto distruttivo sul suolo forestale e non forniscono alcun beneficio se non la riduzione del combustibile. La conversione in loco del taglio forestale in biochar presenta molti vantaggi ecologici rispetto all'attuale pratica di smaltimento del taglio mediante incenerimento in cumuli di combustione, tra cui la riduzione del riscaldamento del suolo e delle emissioni di particolato, insieme a molteplici vantaggi del biochar per la salute del suolo forestale e la capacità di ritenzione idrica quando viene lasciato sul posto. La produzione di biochar in loco nei boschi è un modo per restituire ai suoli forestali una componente di carbonio pirogeno che mancava a causa della recente storia della soppressione degli incendi. Il biochar è anche un metodo leader di rimozione e sequestro del carbonio per la mitigazione dei cambiamenti climatici. In questo studio, documentiamo un metodo per la produzione di biochar utilizzando un forno portatile per biochar. Questo metodo a basso costo utilizza squadre manuali dotate di acqua per temprare i forni prima che il biochar bruci in cenere. Semplici tecniche per quantificare e caratterizzare il biochar prodotto sono incorporate nel metodo allo scopo di misurare l'impatto e qualificarsi per i certificati di rimozione del carbonio per aiutare a pagare il costo del lavoro. Descriviamo la metodologia CM002 Component che fornisce procedure standardizzate per la quantificazione dei benefici dei gas serra durante tre fasi del processo: approvvigionamento di biomassa di scarto, produzione di biochar e applicazione di biochar nel suolo. La metodologia CM002 si basa sulle migliori pratiche internazionali, tra cui la più recente metodologia VCS VM0044 Standards e EBC C-Sink Artisan Standards. Metodi di quantificazione affidabili che utilizzano fattori di sicurezza appropriati sono il primo passo essenziale verso l'ammissibilità al finanziamento della rimozione del carbonio.

Introduction

In molte regioni del mondo, tra cui gli Stati Uniti occidentali, il cambiamento climatico, la siccità e le specie aliene invasive hanno creato una crisi di incendi che minaccia gli ecosistemi e le comunità. Poiché le foreste e i boschi bruciano in modo incontrollato, grandi quantità di particolato e gas serra vengono emesse nell'atmosfera, con conseguenze devastanti per la salute umana e il clima. Ad esempio, si stima che gli incendi boschivi in California nel 2020 abbiano rilasciato circa 127 milioni di megatoni di emissioni di gas serra, circa due volte l'importo delle riduzioni totali delle emissioni di gas serra della California dal 2003 al 2019¹. Sempre più spesso, gli scienziati e i gestori del territorio stanno studiando le azioni umane che possono aiutare a ripristinare queste foreste e boschi e i loro servizi ecosistemici. Il diradamento manuale e la rimozione della biomassa in eccesso è una delle azioni più importanti da intraprendere². La rimozione della biomassa include il suo smaltimento e, se la biomassa si trova in luoghi remoti e di difficile accesso, ci sono poche opzioni oltre all'incenerimento in loco in cumuli di rifiuti non gestiti. I cumuli di combustione non gestiti svolgono il lavoro di rimozione dei combustibili dal paesaggio, ma danneggiano i suoli forestali poiché il calore concentrato sotto i cumuli incenerisce l'orizzonte organico del suolo, lasciando dietro di sé un suolo nudo che è vulnerabile all'erosione e alla colonizzazione da parte di specie invasive. Possono essere necessari decenni per rigenerare l'orizzonte organico del suolo in una cicatrice da bruciare³. I cumuli di combustione non gestiti sono anche una fonte di emissioni di particolato e gas serra. Il fumo della combustione dei mucchi di taglio limita anche la finestra di combustione nei bacini idrici con qualità dell'aria limitata, rendendo più difficile l'esecuzione del lavoro.

I ricercatori del Servizio Forestale dell'USDA hanno esaminato l'alternativa di produrre biochar da materiali tagliati e hanno identificato diverse tecniche promettenti, tra cui l'opzione di utilizzare piccoli forni mobili per biochar nella foresta⁴. La conversione in loco del taglio forestale in biochar presenta molti vantaggi ecologici rispetto all'attuale pratica di smaltimento mediante incenerimento in cumuli di combustione, tra cui la riduzione del riscaldamento del suolo e delle emissioni di particolato. Il biochar prodotto in loco può essere rimosso e utilizzato in agricoltura, oppure può essere lasciato sul posto, dove svolge diverse funzioni per ripristinare la salute delle foreste e migliorare l'adattamento ai cambiamenti climatici e alla siccità. Poiché fino al 50% del carbonio totale in molti suoli forestali è carbone proveniente da incendi storici^{e naturali 5}, lasciare il biochar nel sito in cui viene prodotto può ripristinare il carbone del suolo forestale che spesso manca dai recenti orizzonti del suolo a causa della soppressione degli incendi, con impatti sconosciuti sui processi ecosistemici⁶. Il biochar lasciato in opera sui suoli forestali può imitare gli effetti del carbone prodotto dal fuoco naturale e produrre effetti simili sul contenuto di carbonio del suolo e sulle proprietà fisiche, chimiche e biologiche^{del suolo 7}.

Negli ultimi anni, una rete internazionale di lavoratori forestali, proprietari di boschi, ricercatori e consulenti per il biochar ha sviluppato una serie di metodi di carbonizzazione per convertire il taglio forestale in biochar in loco come alternativa all'incenerimento dei cumuli di slash. Questi metodi si basano sul principio della carbonizzazione a fiamma, sviluppato e commercializzato per la prima volta in Giappone come "forno di carbonizzazione senza fumo" offerto dall'azienda Moki⁸. Questo forno ad anello in acciaio produce biochar ben carbonizzato con un'efficienza di conversione da biomassa a biochar dichiarata dal 13% al 20%, a seconda della materia prima utilizzata⁹.

Il processo di produzione di biochar o carbone vegetale è spesso indicato come pirolisi, la separazione dei componenti della biomassa mediante calore in assenza di ossigeno. Questo è solitamente concepito come pirolisi a storta, in cui la biomassa viene fisicamente isolata dall'aria in un recipiente riscaldato esternamente. Tuttavia, la pirolisi può avvenire anche in presenza di aria limitata, come nella gassificazione e nella carbonizzazione della fiamma, perché i combustibili solidi come il legno bruciano in più fasi. Quando il calore viene applicato alla biomassa, la prima fase della combustione è la disidratazione, poiché l'acqua viene evaporata dal materiale. Segue la devolatilizzazione e la formazione simultanea di char, nota anche come pirolisi. Il gas volatile contenente idrogeno e ossigeno viene rilasciato e bruciato in una fiamma, aggiungendo continuamente calore al processo. Quando il gas viene rilasciato, il carbonio rimanente viene convertito in carbonio aromatico, o char. La fase finale della combustione è l'ossidazione del carbone a ceneri minerali¹⁰.

Poiché si tratta di fasi discrete che si verificano in un processo di combustione aperto, abbiamo l'opportunità di interrompere il processo dopo la formazione di carbonizzazione rimuovendo aria o calore. Ciò si ottiene durante il processo di produzione del biochar aggiungendo continuamente nuovo materiale al mucchio di combustione in modo che il carbone caldo venga sepolto da nuovo materiale che interrompe il flusso di ossigeno. Il carbone caldo si accumula sul fondo della pila e viene impedito di bruciare in cenere finché è presente la fiamma, perché la fiamma consuma la maggior parte dell'ossigeno disponibile. Quando tutto il combustibile è stato aggiunto alla pila, la fiamma inizia a spegnersi. A quel punto, il carbone caldo può essere conservato rimuovendo ossigeno e calore, di solito spruzzando i carboni con acqua e rastrellandoli sottili per raffreddarli¹¹.

Il principio di base del funzionamento è quello della combustione in controcorrente. L'aria comburente in controcorrente mantiene bassa la fiamma e impedisce l'emissione di braci o scintille. La fiamma brucia anche la maggior parte del fumo, riducendo le emissioni. In sintesi, i seguenti principi spiegano il funzionamento della combustione in controcorrente in un forno a fiamma a cappuccio: (1) Il gas scorre verso l'alto mentre l'aria comburente scorre verso il basso, (2) Il flusso in controcorrente è stabilito quando il combustibile che brucia attira l'aria verso il basso, (3) Le fiamme rimangono basse e vicine al combustibile, riducendo al minimo la fuoriuscita di brace, (4) Il fumo brucia nella zona calda, (5) Poiché tutta l'aria comburente proviene dall'alto, viene consumato dalle fiamme (6) Pochissima aria è in grado di raggiungere i carboni incombusti che cadono sul fondo del forno, (7) I carboni vengono conservati fino alla fine del processo quando vengono spenti o spenti.

Oltre ai suoi benefici per il suolo, il biochar è anche un metodo leader di rimozione del carbonio per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Fino alla metà del carbonio presente nella biomassa legnosa può essere convertito in carbonio stabile e aromatico sotto forma di biochar¹². Tuttavia, non tutte le tecnologie di pirolisi producono la stessa quantità di carbonio recalcitrante che rimane stabile nel suolo per 100 anni o più (la metrica chiave per determinare il valore di rimozione del carbonio). La stabilità del biochar è strettamente correlata alla temperatura di produzione. La temperatura della fiamma adiabatica della legna che brucia è stimata essere vicina a quella del propano, 1.977 °C¹³. La produzione di biochar in un forno a fiamma è strettamente accoppiata con la fiamma, senza perdite di trasferimento di calore per conduzione attraverso una parete metallica, come nella pirolisi a storta. Pertanto, ci aspetteremmo che la temperatura di produzione sia elevata finché viene mantenuta una fiamma durante il processo. Un'indagine sui carboni utilizzando la spettroscopia Raman¹⁴ ha riportato che un campione di biochar proveniente da un forno a fiamma (fornito dall'autore principale Kelpie Wilson) era tra i tre campioni con la più alta temperatura apparente di formazione del carbone, nell'intervallo di 900 °C.

Le termocoppie sono necessarie per accedere all'interno della combustione e misurare con precisione la temperatura di produzione del biochar in un forno a fiamma o in una pila di combustione, e queste sono costose e non disponibili per i produttori a bassa tecnologia. Pertanto, abbiamo utilizzato un metodo descritto dai ricercatori che lavorano nell'Amazzonia brasiliana che utilizza pastelli termici (utilizzati dai saldatori per controllare la temperatura delle parti metalliche) che fondono a una temperatura calibrata¹⁵. I mattoni vengono contrassegnati con pastelli, avvolti in un foglio di alluminio e posizionati in vari punti del forno durante la produzione. Abbiamo utilizzato questo metodo più volte e abbiamo stabilito che le temperature del forno superavano i 650° C, poiché i segni di pastello erano completamente sciolti. Questo sarà un metodo utile per confermare le temperature di produzione dove necessario; Tuttavia, il principale punto di verifica sarà documentare la presenza di fiamme in tutto il percorso.

Non ci sono molti dati pubblicati sulle caratteristiche del biochar prodotto con metodi di carbonizzazione a fiamma a bassa tecnologia. Tuttavia, i campioni di biochar ottenuti con metodi di carbonizzazione a fiamma in diversi tipi di forni sono stati analizzati da Cornellissen et al. e sono risultati conformi agli standard dell'European Biochar Certificate (EBC) per il biochar, tra cui il basso contenuto di IPA e l'elevata stabilità del biochar. Inoltre, il biochar prodotto da materie prime legnose ed erbacee aveva un contenuto medio di carbonio del 76%¹¹. La Rocky Mountain Research Station¹⁶ del Servizio Forestale degli Stati Uniti ha analizzato cinque campioni di biochar provenienti da forni a fiamma e pile di bruciatura realizzati in una giornata sul campo in California nel 2022. Il contenuto medio di carbonio dei campioni era dell'85%. Alla luce di questi risultati, possiamo concludere che è probabile che il biochar ottenuto da residui legnosi nei forni a fiamma soddisfi i requisiti di base per la rimozione verificata del carbonio: alto contenuto di carbonio ed elevata stabilità del biochar.

Due protocolli di rimozione del carbonio per la produzione di biochar a bassa tecnologia e basati sul luogo sono stati ora rilasciati da Verra¹⁷ e dal protocollo Global Artisan C-Sink¹⁸ dell'European Biochar Consortium. Questi protocolli di nuova concezione sono promettenti; Tuttavia, hanno alcune limitazioni se applicate a foreste, boschi e altri paesaggi minacciati da siccità e incendi. Di conseguenza, questo documento descriverà una nuova metodologia, la metodologia CM002 V1.0, di AD Tech¹⁹, che è in fase di sviluppo specificamente per la carbonizzazione a fiamma di detriti legnosi come parte della gestione della vegetazione e delle attività di riduzione del carico di combustibile. L'analisi del ciclo di vita conferma che il sequestro del carbonio del biochar mediante la produzione in loco di biochar da biomassa legnosa in forni a fiamma produce un beneficio netto di rimozione del carbonio²⁰. L'implementazione efficace dei protocolli di rimozione del carbonio può aiutare a sostenere finanziariamente il lavoro vitale di riduzione dei combustibili che deve essere svolto per proteggere le comunità e gli ecosistemi dagli incendi e dal degrado degli ecosistemi. Al fine di accedere ai pagamenti per la rimozione del carbonio, le misurazioni sul campo e i metodi di monitoraggio, rendicontazione e verifica digitale (D-MRV) sono incorporati come pratiche di routine nella metodologia di produzione del biochar qui descritta. I dettagli della piattaforma sono discussi nelle Informazioni supplementari (File supplementare 1).

Mentre diversi progetti open-source di forni a cappuccio di fiamma vengono prodotti da privati per uso proprio²¹, per quanto ne sappiamo, in questo momento, c'è solo un forno a cappuccio di fiamma con una capacità superiore a un metro cubo che viene prodotto in serie per la vendita in Nord America, il forno Ring of Fire²², Un forno a fiamma leggero e portatile, progettato per una facile mobilità con squadre manuali. Il forno è costituito da un anello interno costituito da sei lamiere di acciaio dolce fissate insieme. Un anello esterno composto da bulloni in acciaio di calibro più leggero sulle staffe che tengono insieme l'anello interno. L'anello esterno funge da scudo termico che trattiene il calore per una migliore efficienza. La parte superiore del forno è aperta all'aria ed è qui che si forma il tappo della fiamma. L'aria che scorre attraverso l'intercapedine anulare tra il corpo principale del forno e lo scudo termico fornisce aria comburente preriscaldata al forno, aumentando ulteriormente l'efficienza della combustione (Figura 1)

Figura 1: Schema che mostra il flusso d'aria, le caratteristiche della fiamma e l'accumulo di carbone nel forno ad anello di fuoco. L'aria comburente in controcorrente attira il fumo nella zona calda, dove brucia. L'aria che scorre attraverso l'intercapedine anulare tra il corpo principale del forno e lo scudo termico fornisce aria comburente preriscaldata al forno, aumentando ulteriormente l'efficienza della combustione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il diametro del forno è di 2,35 m, formando un cilindro alto un metro per un volume totale di 4,3^m3. In pratica, il forno non viene mai riempito completamente fino all'orlo, quindi un tipico lotto di produzione riempirà il forno da 1/2 a 3/4 per un volume di biochar compreso tra 2 e 3 metri cubi.

Poiché il forno Ring of Fire è un progetto standardizzato, viene adottato come la prima tecnologia certificata per l'uso nella metodologia dei componenti CM002 che fornisce procedure standardizzate per la quantificazione dei benefici dei gas serra (GHG). Le fasi di misurazione e raccolta dati che soddisfano i requisiti del CM002 sono incorporate nel metodo. La segnalazione viene effettuata tramite un'applicazione per smartphone rispondendo a brevi questionari durante tutto il processo e caricando foto e video clip sull'app mobile.

Protocol

NOTA: Questa metodologia utilizza l'applicazione per smartphone Ikhala (d'ora in poi denominata applicazione D-MRV; Tabella dei materiali) per accedere ai pagamenti per l'assorbimento del carbonio, alle misurazioni sul campo e al monitoraggio, alla rendicontazione e alla verifica digitali.

1. Raccolta delle materie prime e conferma dell'idoneità

1. Selezionare e segnalare la dimensione della materia prima.
2. Selezionare materiale legnoso di diametro inferiore a 15 cm. Assicurarsi che tutti i materiali siano ramificati o di forma non uniforme in modo che non si impacchettano strettamente e inibiscano il flusso d'aria nel forno.
3. Nell'applicazione D-MRV, fare clic sul pulsante Scatta una foto nella sezione Feedstock per aprire la fotocamera. Con la fotocamera aperta, mirare al soggetto (pile di materie prime secche con un'asta di misurazione) e catturare l'immagine premendo il pulsante dell'otturatore sullo schermo.
4. Segnala le specie di materie prime: apri l'applicazione D-MRV e rispondi al breve questionario digitale che riporta le quantità di ciascun tipo di specie. La reportistica si basa su stime visive.
5. Determinare e segnalare l'umidità delle materie prime.
   1. Utilizzando un misuratore di umidità della legna da ardere standard, effettuare una lettura inserendo i perni al centro del pezzo più grande di ciascun tipo di materia prima.
   2. Sull'applicazione D-MRV, scattare una foto di ogni lettura del misuratore di umidità. Fare clic sul pulsante Scatta una foto nella sezione del misuratore di umidità e digitare il valore visualizzato sul misuratore di umidità nel campo di testo. Invia una foto e un testo per ogni lettura del misuratore di umidità.

2. Assemblaggio, caricamento e accensione del forno

1. Su un terreno pianeggiante, rimuovere il materiale organico infiammabile da un cerchio di circa 3 m di diametro. Assemblare i 6 pannelli interni del forno in un cilindro utilizzando le staffe di collegamento,
2. Utilizzando una pala o uno strumento simile, sigillare il bordo inferiore del cilindro con una piccola berma di terra minerale o argilla in modo che l'aria non possa entrare nel forno dal basso.
3. Fissare i 6 pannelli dello scudo termico alle staffe del connettore, assicurandosi che venga lasciato un traferro nella parte inferiore dello scudo termico in modo che l'aria possa fluire attraverso lo spazio anulare tra i cilindri interno ed esterno. Fissare il forno tag ID allo scudo termico utilizzando l'hardware dello scudo termico.
4. Identificare i forni utilizzati nel lotto. Nella sezione Preparazione alla combustione , fare clic sul pulsante Scatta una foto per scattare foto del forno assemblato e della targhetta identificativa e inviarle per ogni forno in loco.
5. Caricare il forno: utilizzare materiale più piccolo (2-6 cm di spessore è l'ideale) e più asciutto per il caricamento iniziale del forno. Imballare il materiale fino al bordo del forno, sistemando qualsiasi materiale non ramificato, come i pali, in modo che non si impacchetti troppo strettamente e limiti il flusso d'aria.
   NOTA: L'obiettivo è assicurarsi che il materiale sia imballato abbastanza strettamente da sostenere una fiamma ma anche consentire all'aria comburente di raggiungere il fondo della pila.
6. Accendi il forno: aggiungi del piccolo materiale da ardere secco sopra il forno carico. Usa un accelerante se necessario e accendi con un fiammifero, oppure usa una torcia a propano. Accendere il forno in più punti sulla parte superiore in modo che un tappo di fiamma si sviluppi rapidamente su tutto il forno.
7. Utilizzando l'app D-MRV, registra un video clip di 30 secondi non appena viene stabilito il tappo della fiamma. Nella sezione Inizio masterizzazione , fai clic sul pulsante Registra video , quindi fai clic sul pulsante Invia video .

3. Alimentazione e cura del forno

1. Durante la prima fase di funzionamento, l'aria viene aspirata dall'alto verso il basso verso il basso del forno, mentre il carico iniziale brucia per lo più fino a uno strato di carboni. Assicurarsi che il primo carico produca un buon letto di carboni prima di aggiungere altro materiale. Aggiungi un nuovo strato di materia prima quando lo strato precedente inizia a mostrare una pellicola di cenere bianca.
2. Passaggio al caricamento continuo: caricare nuovo materiale nel forno a una velocità costante. Cerca di mantenere ogni strato di legno dello stesso diametro in modo che la carbonizzazione sia uniforme.
   1. Usa la fiamma come indicatore della velocità di carico: lascia che la fiamma sia la guida per l'aggiunta di nuovo materiale. Assicurati che venga mantenuta una buona fiamma forte in cima perché quella è la fonte di calore per fare la carbonizzazione.
   2. Se l'operatore carica troppo, troppo velocemente, la fiamma verrà soffocata. Se ciò accade, fai una pausa e attendi che la fiamma torni a salire. Se l'operatore non carica abbastanza materiale, la fiamma si spegnerà e il carbone inizierà a bruciare in cenere. Se ciò inizia ad accadere, aggiungi altro materiale per mantenere viva la fiamma.
3. Verificare la presenza di fiamma durante la combustione come indicatore di una combustione pulita e calda che ridurrà al minimo le emissioni di metano e massimizzerà la formazione di carboni stabili.
   1. Utilizzando l'applicazione D-MRV, riprendi un video di 30 secondi della fiamma circa 1 ora dopo l'accensione del forno. Vai alla sezione Prova di qualità della bruciatura e fai clic sul pulsante Prova di bruciatura alla prima ora .
   2. Fare clic sul pulsante Registra video , premere Registra per un minimo di 30 secondi e fare clic sul pulsante Invia video .
4. Aggiungi il materiale più grande nelle fasi centrali della combustione in modo che abbia il tempo di carbonizzarsi completamente. Il forno si riempirà di biochar a velocità diverse, a seconda del tipo di materia prima, delle dimensioni e dell'umidità.
5. Utilizzando l'applicazione D-MRV, fai un video di 30 secondi della fiamma alla fine della seconda ora di combustione. Fare clic sul pulsante Prova di masterizzazione alla seconda ora , quindi sul pulsante Registra video . Premere Registra per un minimo di 30 secondi e fare clic sul pulsante Invia video .
6. Utilizzando l'applicazione D-MRV, fai un video di 30 secondi della fiamma alla fine della terza ora di combustione. Fare clic sul pulsante Prova di masterizzazione alla terza ora , quindi sul pulsante Registra video . Premere Registra per un minimo di 30 secondi e fare clic sul pulsante Invia video .
7. Man mano che il forno si riempie di carboni ardenti, fare gli ultimi strati di materiale di medie dimensioni per consentire a eventuali pezzi più grandi di finire di carbonizzarsi.

4. Finitura, tempra e misurazione del biochar

1. Terminare la combustione quando il biochar accumulato si trova entro 10-20 cm dal bordo superiore del forno, quando la materia prima è tutta utilizzata o quando la giornata di lavoro finisce.
2. La carbonizzazione è completa quando non ci sono più fiamme. Attendere 10-15 minuti dopo aver aggiunto l'ultimo pezzo di materia prima affinché le fiamme si spengano. Ci saranno sempre alcuni pezzi più grandi che non si carbonizzano completamente, il che non è un problema.
3. Prima di temprare, utilizzare un rastrello in acciaio per livellare i carboni ardenti nel forno.
   1. Posizionare un bastoncino di misurazione verticalmente nel forno, contro la parete del forno, in modo che un'estremità tocchi il carboncino di livello. Sull'applicazione D-MRV, scatta una foto dell'asta di misurazione che mostra la profondità del carbone nel forno navigando nella sezione Misurazione del biochar e fai clic sul pulsante Scatta una foto .
   2. Nel campo di immissione del testo per la domanda Qual è la lettura dalla parte superiore del biochar alla parte superiore del forno, inserire il valore sull'asta di misurazione.
   3. Ripetere questa misurazione e la registrazione di foto altre due volte in punti diversi all'interno del forno facendo clic sul pulsante Invia e aggiungi un'altra foto .
4. Subito dopo aver segnalato le misurazioni della profondità di carbonizzazione, scattare una foto del cartellino identificativo del forno a scopo di verifica.
5. Misurare la densità apparente del carbone.
   1. Quando il lotto di biochar è completo, ma prima della tempra, riempi un secchio di metallo con carboni ardenti caldi spalati dal forno. Pesare il secchio per ottenere la tara utilizzando una bilancia appesa. Scatta una foto per registrare il peso.
   2. Riempi il secchio di carboni ardenti e pesalo, scattando una foto per registrare il peso.
   3. Ripetere la procedura di campionamento (4.5.1-4.5.2) altre due volte, prelevando campioni da diverse parti del forno e registrando il valore con una foto.
6. Spegnere con acqua.
   1. Iniziare a spruzzare acqua a bassa pressione nel forno fino a quando lo scudo termico non è abbastanza freddo da poter essere toccato. Rimuovere tutti i pannelli dello scudo termico e impilarli in modo che non siano d'intralcio.
   2. Mentre si spruzza l'acqua, rimuovere diversi pannelli del forno e rastrellare il carbone in uno strato sottile per raffreddarlo. Continuare a spruzzare e rastrellare fino a quando il salmerino non si è completamente raffreddato. Il biochar dovrebbe essere abbastanza freddo da poterci mettere una mano.
7. Rimuovere e registrare i pezzi incombusti. Rimuovere eventuali pezzi parzialmente carbonizzati e disporli su uno dei pannelli del forno in un unico strato, con il misurino a fianco. Utilizzando l'applicazione D-MRV, scatta una foto dei pezzi carbonizzati in modo incompleto.

Results

Un lotto di biochar ben organizzato e implementato utilizzando il forno Ring of Fire produrrà 2-3 m³ di biochar in 4-5 ore di combustione. L'utilizzo della metodologia dei componenti CM002 e la registrazione dei parametri di combustione nell'applicazione D-MRV hanno lo scopo di consentire a un verificatore certificato di confermare il volume di produzione di biochar in lotti e la qualità del biochar. Maggiori informazioni sulla metodologia sono fornite nelle informazioni supplementari (file supplementare 1).

I punti di verifica del processo per un tipico lotto di biochar prodotto nel forno Ring of Fire sono elencati qui (Figura 2). La tabella 1 riporta i valori tipici misurati sul campo o determinati mediante verifica.

1. Segnalare il tipo di materia prima.
2. Dimensione della materia prima: immagine del mucchio di materie prime con un righello in posizione.
3. Umidità della materia prima: un'immagine che mostra la lettura del misuratore di umidità dal pezzo più grande di ciascuna specie di materia prima.
4. Accensione: un video di 30 secondi che mostra l'inizio della combustione del forno e l'ora di registrazione dell'avvio. Il video mostra che si è sviluppato un forte tappo di fiamma.
5. Verifica della temperatura di produzione in base alla presenza di fiamma: tre video di 30 secondi mostrano una forte presenza di fiamme durante la combustione.
6. Volume di biochar: tre immagini del bastone di misurazione nel forno per mostrare l'altezza del carbone livellato nel forno in tre posizioni. Per i calcoli, le distanze misurate dalla parte superiore del forno al carbone vengono calcolate in media in base a un valore.
7. Densità apparente: un'immagine della bilancia che mostra il peso a vuoto del secchio. Tre immagini della bilancia che mostrano il peso del salmerino e del secchio. Salmerino prelevato da 3 punti della fornace. Le tre misurazioni del peso vengono calcolate in media su un valore per i calcoli

Figura 2: Infografica che mostra i punti di verifica del processo. I punti di verifica del processo per un tipico lotto di biochar prodotto nel forno Ring of Fire. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

				Punto dati #1	Punto dati #2	Punto dati #3
Specie di materie prime				pino 50%	abete 50%
Lettura del misuratore di umidità				19%	23%
Volume del cilindro vuoto del forno				4,3 milioni3
Altezza del cilindro del forno				1 m
Altezza del livello di carbonizzazione nel forno				60 cm	61 cm	59 cm
Peso a vuoto del secchio da 7 litri				0,6 kg
Peso della benna con carbonizzazione				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Valore del database del contenuto di carbonio char				86.8%
Fattore di stabilità del carbonio				0.74

Tabella 1: Valori rappresentativi utilizzati per verificare i risultati di produzione e i parametri di lavorazione per un lotto tipico di biochar prodotto in un forno per biochar Ring of Fire.

Sulla base di questi punti di controllo, il verificatore determina che il biochar è stato prodotto con materie prime appropriate e a una temperatura superiore a 600 °C per soddisfare i requisiti della metodologia CM002 Component per la stabilità a lungo termine. Ciò consente di applicare al lotto di biochar il fattore di stabilità del carbonio di 0,74 per 100 anni di permanenza. Per determinare il volume del lotto di biochar, il verificatore utilizza il volume del forno vuoto come verificato dalla targhetta identificativa del forno (4,3 m³) e l'altezza del livello di carbonizzazione nel forno (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Poiché il forno è pieno al 60%, il volume di carbone è 0,6 x 4,3 m³ = 2,6 m³. Il verificatore calcola quindi la densità apparente del biochar in base alle misurazioni effettuate con la benna. Sottraendo il peso della benna di 0,6 kg da ciascuna misurazione, si ottengono valori di 1,2 kg, 1,3 kg e 1,4 kg che sono in media di 1,3 kg/7 L. Ciò equivale a 185,7 kg/m³. Pertanto, il peso secco del biochar prodotto è (185,7 kg/m³) x (2,6 m³) = 483 kg.

Il verificatore può prendere il contenuto di carbonio del biochar da un database o, in questo caso, da un semplice test di laboratorio che ha confermato un contenuto di carbonio dell'86,8% da un lotto di legni teneri misti prodotti in un forno Ring of Fire nella contea di Sonoma, in California, nel 2021. Il test è stato eseguito dai Laboratori di Controllo di Watsonville, CA²³. Viene applicato il fattore di stabilità del carbonio di 0,74. Pertanto, il contenuto di carbonio organico stabile sulla base del peso secco per il biochar deriva dalla massa del biochar, dal suo contenuto di carbonio organico e dal fattore di stabilità a 100 anni per un valore finale di (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg di carbonio stabile. Per arrivare al valore finale dell'assorbimento del carbonio, si sottrae la perdita del progetto e si applicano i margini di sicurezza appropriati insieme al fattore di conversione dal carbonio solido all'anidride carbonica, come descritto nel file supplementare 1. Il valore certificato di rimozione del biochar dipende dalla verifica finale che il biochar sia stato applicato al suolo o al compost e non sia bruciato o altrimenti ossidato.

Fascicolo supplementare 1: informazioni dettagliate sulla metodologia e sui calcoli. Fare clic qui per scaricare il file.

Discussion

Diverse specie di biomassa produrranno biochar con diverse frazioni di carbonio e ceneri, indipendentemente dalla temperatura di produzione, a causa della composizione elementare della biomassa²⁴. Poiché i database esistenti sulle caratteristiche del biochar per le diverse materie prime non sono completi, i progetti potrebbero dover inviare campioni per analisi di laboratorio per verificare il contenuto di carbonio organico del biochar. Per mantenere bassi i costi del progetto, si consiglia una semplice procedura di laboratorio che può essere eseguita a basso costo dagli studenti nei laboratori scolastici di livello²⁵ della scuola superiore o del community college. Nel corso del tempo, man mano che vengono implementati più progetti sul campo, il database dei valori del contenuto di carbonio del biochar per diversi tipi di materie prime crescerà e diventerà più utilizzabile.

Molte delle misurazioni D-MRV hanno lo scopo di verificare che le condizioni di produzione siano ottimali per la produzione di biochar con caratteristiche che corrispondono strettamente ai valori del database. Queste misurazioni chiave sono l'umidità della materia prima e la serie di video che documentano la qualità della combustione in fiamme, che determina la temperatura di produzione e la conseguente stabilità del carbonio nel biochar.

Mentre misurare il volume di biochar prodotto nel forno è semplice, determinare la massa secca del biochar prodotto non è facile. Lavorare con il biochar è impegnativo perché la complessa densità delle particelle del materiale rende difficile determinare le misurazioni della densità apparente²⁶. Una volta che il biochar è stato temprato, non è possibile ottenere un peso secco di un certo volume di biochar in campo. Tuttavia, la densità apparente secca del biochar può essere misurata sul campo riempiendo un secchio di metallo di volume noto con carboni ardenti e pesandolo. Questa procedura può darci una buona approssimazione della massa secca del biochar.

Uno svantaggio chiave di questa metodologia è la variabilità intrinseca delle operazioni sul campo, compresa la variabilità delle materie prime e il livello di abilità dell'operatore. L'operatore deve determinare la velocità di carico della materia prima e lavorare per mantenere una forte fiamma nel forno. Il mancato mantenimento della fiamma mediante sovraccarico influirà sulla temperatura di formazione della carbonizzazione e, quindi, sulla stabilità della carbonizzazione. Il modo migliore per affrontare questo problema è un efficace programma di formazione per gli operatori. La formazione dei lavoratori e i protocolli di sicurezza sono fondamentali per il successo della produzione di biochar in loco. Date le esigenze di manodopera, i programmi di formazione dovranno essere ben organizzati e resi ampiamente disponibili²⁷.

Un altro limite della metodologia è la variabilità nell'implementazione delle misure D-MRV. L'umidità della materia prima può essere molto variabile all'interno di un determinato lotto, anche se tutta la materia prima è altrimenti uniforme. Il metodo di scattare tre video istantanei della fiamma durante il processo per verificare che vengano raggiunte le temperature corrette è limitato dalla natura dinamica della combustione. Tre video istantanei potrebbero non essere rappresentativi dell'intero processo. Un valido controllo incrociato per questa misurazione è semplicemente sapere quanto tempo è durato l'ustione e quanto biochar è stato prodotto, perché condizioni di temperatura non ottimali si tradurranno in volumi di produzione inferiori. Le misure sul campo D-MRV della densità apparente e del volume sono limitate nella loro precisione; Tuttavia, ciò viene compensato utilizzando margini di sicurezza per garantire che i valori finali siano prudenti e non sovrastimino l'assorbimento di carbonio.

Anche la logistica operativa contribuisce alla variabilità dei parametri di produzione del biochar e al successo dei progetti. La logistica operativa deve considerare fattori quali le condizioni meteorologiche, il terreno, l'accesso, la sicurezza dei lavoratori, la formazione, gli strumenti e le attrezzature e la disponibilità di acqua. La maggior parte degli strumenti e delle forniture necessarie per produrre biochar sono attrezzature standard fornite ai vigili del fuoco e alle squadre forestali. Gli strumenti specifici necessari per l'implementazione del D-MRV con il forno per biochar Ring of Fire sono elencati nel file Table of Materials .

La produzione di biochar sul campo a partire da biomasse di scarto deve competere con l'alternativa della combustione all'aperto o dell'incenerimento, che ha il vantaggio di un costo molto basso. Il costo marginale della produzione di biochar rispetto alla combustione all'aperto ha principalmente a che fare con l'aumento del fabbisogno di manodopera, poiché il costo di capitale dei forni a fiamma semplice è basso²⁷. Ad oggi, non ci sono abbastanza progetti su larga scala con una solida raccolta di dati per individuare l'effettivo costo marginale della produzione di biochar rispetto all'incenerimento. Tuttavia, un esempio può mostrare il potenziale dei finanziamenti per il carbonio per colmare il divario.

Watershed Consulting a Missoula, MT, ha trattato il taglio diradato da 21 acri di foresta mista di conifere nel Montana occidentale nel 2021 utilizzando forni per biochar Ring of Fire²⁸. Il costo totale del progetto è stato di $ 42.302,00 e la resa totale del biochar è stata di 112,5 metri cubi. Utilizzando le nostre ipotesi standard sulle caratteristiche del biochar prodotto nei forni a fiamma captante, stimiamo che il progetto abbia sequestrato 31,75 tonnellate di CO₂ a 1.332,35 dollari per tonnellata. Il costo dell'accatastamento e dell'incenerimento del materiale sarebbe stato di $ 15.750,00, lasciando un costo marginale di $ 26.552,00 per produrre biochar invece dell'incenerimento, o $ 836,28 per tonnellata di biochar prodotto. Questo costo marginale potrebbe essere almeno parzialmente compensato da pagamenti per la rimozione del carbonio da 100 a 200 dollari per tonnellata di CO₂ , convalidando l'importanza del processo D-MRV. Per completare il quadro economico del progetto, è importante che le autorità finanziatrici riconoscano i benefici ecosistemici derivanti dall'evitare danni al suolo causati dalle cicatrici da incendio, ridurre le emissioni di gas serra e l'inquinamento atmosferico da particolato, nonché restituire il carbone ai suoli forestali per la ritenzione dell'umidità, il ciclo dei nutrienti e la salute del suolo.

I metodi dettagliati descritti in questo documento aiuteranno gli individui e i gruppi che lavorano in ecosistemi colpiti da specie aliene invasive, siccità e incendi a implementare progetti economicamente fattibili da biomassa a biochar che possono migliorare e ripristinare i suoli e gli ecosistemi nativi evitando le emissioni di gas serra e sequestrando il carbonio per la mitigazione del clima. Nonostante la variabilità e la mancanza di precisione nelle misurazioni e nei punti di verifica in questa metodologia pratica sul campo, concludiamo che è ancora un approccio valido per sequestrare il carbonio in situazioni di campo in cui altri approcci, come il trasporto di biomassa a un impianto di pirolisi industriale, non sono pratici.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bilancia digitale	sospesa AvaWeigh	HSD40	Bilancia da 44 libbre per pesare i prodotti
App per smartphone Ikhala	AD Tech	N/A	Scarica da Android o Apple app store
Righello in metallo	Azbvek	ZG0044-Nuovo	righello in acciaio inossidabile da 100 cm
Anello di fuoco Forno	Wilson Biochar	ROF 1.2	Forno a fiamma a pannello con scudo termico
Smart telefono	qualsiasi	N/A	deve utilizzare il sistema operativo I-OS o Android
Secchio multiuso in acciaio - 7 litri	Behrens	120GS	secchio multiuso in acciaio zincato
Misuratore di umidità per legno	generali	MMD4E	Misuratore di umidità digitale, tipo a perno con display LCD