Produkcja, charakterystyka i oznaczanie ilościowe biowęgla w lasach przy użyciu przenośnych pieców płomieniowych

Podsumowanie

Nowe metody usuwania stosów leśnych wytwarzają węgiel pirogeniczny do przywracania zdrowia gleby leśnej oraz do usuwania i sekwestracji węgla. W tym miejscu prezentujemy metodę produkcji biowęgla łączącą nową metodologię rozliczania usuwania dwutlenku węgla i aplikację cyfrową.

Streszczenie

Jednym z największych wyzwań w wykorzystaniu niekomercyjnej biomasy leśnej jest jej szeroko rozpowszechniony charakter. Najlepszym rozwiązaniem problemu biomasy, aby uniknąć kosztownego i wysokoemisyjnego przetwarzania (rozdrabniania) oraz kosztów transportu, jest przetwarzanie jej na miejscu. Jednak konwencjonalne stosy spalania mają destrukcyjny wpływ na glebę leśną i nie przynoszą żadnych korzyści poza redukcją paliwa. Przekształcanie ścinków leśnych w biowęgiel na miejscu ma wiele zalet ekologicznych w porównaniu z obecną praktyką usuwania ścinków poprzez spalanie w stosach spalenizny, w tym zmniejszone nagrzewanie gleby i emisję cząstek stałych, a także wiele korzyści płynących z biowęgla dla zdrowia gleby leśnej i zdolności zatrzymywania wody, gdy jest pozostawiony na miejscu. Wytwarzanie biowęgla na miejscu w lesie jest sposobem na przywrócenie glebom leśnym pirogenicznego składnika węglowego, którego brakowało ze względu na niedawną historię gaszenia pożarów. Biowęgiel jest również wiodącą metodą usuwania i sekwestracji dwutlenku węgla w celu łagodzenia zmian klimatu. W tym badaniu dokumentujemy metodę wytwarzania biowęgla przy użyciu przenośnego pieca do wypalania biowęgla. Ta tania metoda wykorzystuje załogi ręczne wyposażone w wodę do hartowania pieców, zanim biowęgiel spali się na popiół. Proste techniki ilościowego określania i charakteryzowania wytwarzanego biowęgla są włączane do metody w celu pomiaru wpływu i kwalifikowania się do certyfikatów usuwania dwutlenku węgla, aby pomóc w pokryciu kosztów pracy. Opisujemy metodologię komponentu CM002, która zapewnia ustandaryzowane procedury kwantyfikacji korzyści związanych z emisją gazów cieplarnianych na trzech etapach procesu: pozyskiwanie biomasy odpadowej, produkcja biowęgla i stosowanie biowęgla w glebie. Metodologia CM002 opiera się na najlepszych międzynarodowych praktykach, w tym na najnowszej metodologii VCS VM0044 Standards i EBC C-Sink Artisan Standards. Wiarygodne metody kwantyfikacji wykorzystujące odpowiednie współczynniki bezpieczeństwa są pierwszym niezbędnym krokiem w kierunku kwalifikowania się do finansowania usuwania dwutlenku węgla.

Wprowadzenie

W wielu regionach świata, w tym w zachodnich Stanach Zjednoczonych, zmiany klimatyczne, susze oraz obcego gatunki inwazyjne doprowadziły do kryzysu pożarów lasów, który zagraża ekosystemom i społecznościom. W wyniku niekontrolowanych pożarów lasów i zadrzewień do atmosfery emitowane są ogromne ilości pyłów i gazów cieplarnianych, co ma dewastujący wpływ na zdrowie ludzi i klimat. Na przykład szacuje się, że pożary w Kalifornii w 2020 roku spowodowały emisję około 127 milionów megaton gazów cieplarnianych, co stanowi około dwukrotność całkowitej redukcji emisji GHG w Kalifornii w latach 2003–2019¹. Naukowcy i zarządcy terenów coraz częściej badają działania człowieka, które mogą pomóc w odnowieniu tych lasów, zadrzewień i ich usług ekosystemowych. Jednym z najważniejszych działań, jakie należy podjąć, jest ręczne przerzedzanie i usuwanie nadmiernej biomasy². Usuwanie biomasy obejmuje jej utylizację, a gdy biomasa znajduje się w odległych i trudnodostępnych miejscach, istnieje niewiele innych opcji niż spalanie na miejscu w niekontrolowanych pryzach z odpadów roślinnych. Niekontrolowane pryzy do spalania pozwalają na usunięcie paliwa z krajobrazu, ale niszczą gleby leśne, ponieważ skoncentrowane ciepło pod pryzami wypala organiczny horyzont gleby, pozostawiając gołą ziemię podatną na erozję i kolonizację przez gatunki inwazyjne. Regeneracja organicznego horyzontu gleby w miejscu po spaleniu pryzy może trwać dziesięciolecia³. Niekontrolowane pryzy do spalania są również źródłem emisji pyłów i gazów cieplarnianych. Dym ze spalania pryz ogranicza ponadto okno czasowe dopuszczalne dla wypaleń w zlewniach z ograniczoną jakością powietrza, co utrudnia realizację prac.

Badacze z USDA Forest Service zbadali alternatywną możliwość produkcji biowęgla z materiałów z pozostałości wylesiania i zidentyfikowali kilka obiecujących technik, w tym opcję wykorzystania małych, mobilnych pieców do biowęgla w lesie⁴. Przetwarzanie pozostałości leśnych na biowęgiel w miejscu ich pozyskania niesie ze sobą wiele zalet ekologicznych w porównaniu z obecną praktyką utylizacji pozostałości poprzez spalanie w stosach, w tym ograniczenie nagrzewania gleby oraz emisji cząstek stałych. Biowęgiel wytworzony na miejscu może zostać usunięty i wykorzystany w rolnictwie lub pozostawiony w miejscu wytwarzania, gdzie pełni kilka funkcji w przywracaniu zdrowia lasu i poprawie adaptacji do zmian klimatu oraz suszy. Ponieważ do 50% całkowitego węgla w wielu glebach leśnych stanowi węgiel drzewny z historycznych pożarów naturalnych⁵, pozostawienie biowęgla w miejscu jego wytworzenia może przywrócić węgiel drzewny w glebie leśnej, który często brakuje w nowszych horyzontach glebowych z powodu zapobiegania pożarom, co wywołuje nieznane skutki dla procesów ekosystemowych⁶. Biowęgiel pozostawiony w glebach leśnych może naśladować efekty węgla drzewnego powstałego w wyniku naturalnego pożaru i wywierać podobny wpływ na zawartość węgla w glebie oraz fizyczne, chemiczne i biologiczne właściwości gleby⁷.

W ostatnich latach międzynarodowa sieć pracowników leśnictwa, właścicieli lasów, badaczy i konsultantów ds. biowęgla opracowała zestaw metod karbonizacji służących do przetwarzania pozostałości leśnych w biowęgiel na miejscu, jako alternatywę dla spalania pryzm wiórów i gałęzi. Metody te opierają się na zasadzie karbonizacji płomieniowej, po raz pierwszy opracowanej i skomercjalizowanej w Japonii jako „bezdymny piec do karbonizacji” oferowany przez firmę Moki⁸. Ten stalowy piec pierścieniowy wytwarza dobrze zwęglony biowęgiel z raportowaną wydajnością konwersji biomasy na biowęgiel wynoszącą od 13% do 20%, w zależności od zastosowanego surowca⁹.

Proces produkcji biocharu lub węgla drzewnego często określa się mianem pirolizy, czyli rozdzielania składników biomasy za pomocą ciepła w warunkach beztlenowych. Zazwyczaj rozumie się to jako pirolizę w retorcie, w której biomasa jest fizycznie odizolowana od powietrza w naczyniu ogrzewanym zewnętrznie. Jednak piroliza może zachodzić również w obecności ograniczonej ilości powietrza, jak w przypadku zgazyfikowania i karbonizacji płomieniowej, ponieważ paliwa stałe, takie jak drewno, spalają się etapowo. Po dostarczeniu ciepła do biomasy pierwszym etapem spalania jest dehydratacja, podczas której woda odparowuje z materiału. Następnie następuje dewolatylizacja i jednoczesne tworzenie się zwęgliny, co również nazywa się pirolizą. Uwolniony gaz lotny zawierający wodór i tlen ulega spaleniu w płomieniu, nieustannie dostarczając ciepła do procesu. Wraz z uwalnianiem się gazu, pozostały węgiel przekształca się w węgiel aromatyczny, czyli zwęglinę. Ostatnim etapem spalania jest utlenianie zwęgliny do popiołu mineralnego¹⁰.

Ponieważ są to oddzielne fazy występujące w otwartym procesie spalania, istnieje możliwość przerwania procesu po etapie powstawania zwęgliny poprzez usunięcie dopływu powietrza lub ciepła. W procesie produkcji biowęgla osiąga się to poprzez ciągłe dodawanie nowego materiału do stosu spalania, tak aby gorąca zwęglina została przykryta nowym materiałem, co odcina dopływ tlenu. Gorący węgiel drzewny gromadzi się na dnie stosu i nie ulega całkowitemu wypaleniu do postaci popiołu tak długo, jak obecny jest płomień, ponieważ płomień zużywa większość dostępnego tlenu. Gdy cały materiał zostanie dodany do stosu, płomień zaczyna wygasać. W tym momencie gorący węgiel drzewny można zabezpieczyć poprzez usunięcie tlenu i ciepła, zazwyczaj poprzez spryskanie żaru wodą i rozgrabienie go w cienką warstwę w celu schłodzenia¹¹.

Podstawową zasadą działania jest spalanie przeciwprądowe. Powietrze do spalania w układzie przeciwprądowym utrzymuje płomień nisko i zapobiega emisji żaru lub iskier. Płomień spala również większość dymu, co redukuje emisje. Podsumowując, działanie spalania przeciwprądowego w piecu z czapką płomieniową wyjaśniają następujące zasady: (1) Gaz przepływa w górę, podczas gdy powietrze do spalania przepływa w dół, (2) Przepływ przeciwprądowy zostaje ustanowiony, ponieważ palące się paliwo zasysa powietrze w dół, (3) Płomienie pozostają niskie i blisko paliwa, minimalizując ucieczkę żaru, (4) Dym spala się w strefie gorącej, (5) Ponieważ całe powietrze do spalania dostaje się z góry, jest ono zużywane przez płomienie, (6) Bardzo niewielka ilość powietrza jest w stanie dotrzeć do niespalonych węgli, które opadają na dno pieca, (7) Węgle są zachowane aż do końca procesu, kiedy zostają schłodzone lub zduszone.

Oprócz korzyści dla gleby, biowęgiel jest również wiodącą metodą usuwania węgla w celu łagodzenia zmian klimatu. Do połowy węgla zawartego w biomasie zdrewniałej może zostać przekształcone w stabilny węgiel aromatyczny w formie biowęgla¹². Jednak nie wszystkie technologie pirolizy wytwarzają taką samą ilość węgla opornego, który pozostaje stabilny w glebach przez 100 lat lub dłużej (co jest kluczowym wskaźnikiem określającym wartość usuwania węgla). Stabilność biowęgla jest ściśle skorelowana z temperaturą produkcji. Adiabatyczną temperaturę płomienia podczas spalania drewna szacuje się na wartość bliską temperaturze spalania propanu, czyli 1,977 °C¹³. Produkcja biowęgla w piecu z osłoną płomienia (flame cap kiln) jest ściśle powiązana z płomieniem, bez strat ciepła wynikających z przewodzenia przez metalową ściankę, jak ma to miejsce w pirolizie retortowej. W związku z tym można oczekiwać, że temperatura produkcji będzie wysoka, dopóki w trakcie procesu utrzymuje się płomień. Przegląd węgielnych materiałów z wykorzystaniem spektroskopii Ramana¹⁴ wykazał, że próbka biowęgla z pieca z osłoną płomienia (dostarczona przez główną autorkę, Kelpie Wilson) znajdowała się wśród trzech próbek o najwyższej pozornej temperaturze powstawania węgla, w zakresie 900 °C.

Termopary są niezbędne do uzyskania dostępu do wnętrza procesu spalania i dokładnego pomiaru temperatury produkcji biowęgla w piecu z czapką płomienia lub w pryzmie spalania, jednak są one kosztowne i niedostępne dla producentów stosujących technologie niskonakładowe. W związku z tym zastosowaliśmy metodę opisaną przez badaczy pracujących w brazylijskiej Amazonii, która wykorzystuje kredki termiczne (używane przez spawaczy do sprawdzania temperatury części metalowych), które topią się w skalibrowanej temperaturze¹⁵. Cegły są znakowane kredkami, owijane folią aluminiową i umieszczane w różnych miejscach w piecu podczas produkcji. Stosowaliśmy tę metodę kilkakrotnie i ustaliliśmy, że temperatury w piecu przekroczyły 650° C, ponieważ znaki z kredki całkowicie się stopiły. Będzie to użyteczna metoda potwierdzania temperatur produkcji w razie potrzeby; głównym punktem weryfikacji będzie jednak dokumentowanie obecności płomienia przez cały czas trwania procesu.

Nie ma wielu opublikowanych danych na temat charakterystyki biowęgla otrzymywanego za pomocą niskotechnologicznych metod karbonizacji w płomieniu. Jednakże próbki biowęgla wytworzone metodami karbonizacji w płomieniu w kilku typach pieców zostały przeanalizowane przez Cornellissena i wsp., którzy stwierdzili, że spełniają one standardy Europejskiego Certyfikatu Biowęgla (EBC), w tym niską zawartość PAH i wysoką stabilność biowęgla. Ponadto biowęgiel produkowany zarówno z surowców drewnianych, jak i zielnych miał średnią zawartość węgla na poziomie 76 procent¹¹. Stacja Badawcza Rocky Mountain Służby Leśnej USA¹⁶ przeanalizowała pięć próbek biowęgla z pieców typu flame cap oraz pryzm spalanych, przygotowanych podczas dnia polowego w Kalifornii w 2022 roku. Średnia zawartość węgla w próbkach wynosiła 85 procent. Biorąc pod uwagę te wyniki, można wywnioskować, że biowęgiel wytwarzany z pozostałości drzewnych w piecach typu flame cap prawdopodobnie spełni podstawowe wymagania dotyczące zweryfikowanego usuwania węgla: wysoką zawartość węgla i wysoką stabilność biowęgla.

Verra opublikowała dwa protokoły usuwania węgla dla niskotechnologicznej, lokalnej produkcji biowęgla¹⁷, a European Biochar Consortium wprowadziło protokół Global Artisan C-Sink¹⁸. Te nowo opracowane protokoły są obiecujące, jednak wykazują pewne ograniczenia w zastosowaniu do lasów, zadrzewień i innych krajobrazów zagrożonych suszą oraz pożarami. W związku z tym w niniejszej pracy opisano nową metodologię, Methodology CM002 V1.0 firmy AD Tech¹⁹, która jest opracowywana specjalnie dla karbonizacji płomieniowej resztek drzewnych w ramach działań z zakresu zarządzania roślinnością i redukcji ładunku paliwa. Analiza cyklu życia potwierdza, że sekwestracja węgla w formie biowęgla przy zastosowaniu produkcji biowęgla na miejscu z biomasy drzewnej w piecach z czapą płomienia przynosi korzyści w postaci netto usuniętego węgla²⁰. Skuteczne wdrożenie protokołów usuwania węgla może pomóc w finansowaniu kluczowych prac nad redukcją paliwa, które są niezbędne do ochrony społeczności i ekosystemów przed pożarami oraz degradacją ekosystemową. Aby uzyskać płatności za usuwanie węgla, w opisaną tutaj metodologię produkcji biowęgla włączono jako rutynowe praktyki pomiary terenowe oraz cyfrowe metody monitorowania, raportowania i weryfikacji (D-MRV). Szczegóły dotyczące platformy omówiono w informacjach uzupełniających (Supplementary File 1).

Choć istnieje wiele projektów pieców z osłoną płomienia (flame cap) typu open-source, które są produkowane przez osoby prywatne do własnego użytku²¹, według naszej wiedzy obecnie w Ameryce Północnej produkowany seryjnie na sprzedaż jest tylko jeden piec tego typu o pojemności przekraczającej jeden metr sześcienny — Ring of Fire Kiln²², który jest lekkim, przenośnym piecem zaprojektowanym dla łatwej mobilności przy użyciu ekip naziemnych. Piec składa się z wewnętrznego pierścienia obejmującego sześć ze sobą połączonych arkuszy blachy stalowej. Zewnętrzny pierścień, wykonany z cieńszej blachy stalowej, jest przykręcony do wsporników utrzymujących wewnętrzny pierścień. Zewnętrzny pierścień pełni rolę osłony termicznej, która zatrzymuje ciepło w celu zwiększenia wydajności. Górna część pieca jest otwarta, co umożliwia uformowanie się osłony płomienia. Powietrze przepływające w górę przez szczelinę pierścieniową między głównym korpusem pieca a osłoną termiczną dostarcza do pieca wstępnie podgrzane powietrze do spalania, co dodatkowo zwiększa wydajność procesu (Rysunek 1)

Rycina 1: Schemat przedstawiający przepływ powietrza, charakterystykę płomienia i akumulację węgla w piecu Ring of Fire. Powietrze do spalania w przeciwprądzie wciąga dym do strefy gorącej, gdzie zostaje on spalony. Powietrze przepływające w górę przez szczelinę pierścieniową między głównym korpusem pieca a osłoną cieplną dostarcza do pieca wstępnie podgrzane powietrze do spalania, co dodatkowo zwiększa wydajność procesu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Średnica pieca wynosi 2,35 m, tworząc cylinder o wysokości jednego metra, co daje całkowitą objętość 4,3 m³. W praktyce piec nigdy nie jest wypełniany całkowicie po brzegi, dlatego typowa partia produkcyjna wypełnia piec w zakresie od ½ do ¾ jego objętości, co odpowiada ilości biocharu od 2 do 3 metrów sześciennych.

Ponieważ piec Ring of Fire opiera się na zestandaryzowanym projekcie, zostaje on przyjęty jako pierwsza certyfikowana technologia do zastosowania w metodologii komponentu CM002, która dostarcza ustandaryzowanych procedur kwantyfikacji korzyści w zakresie redukcji gazów cieplarnianych (GHG). Kroki pomiarowe i etapy gromadzenia danych spełniające wymagania CM002 zostały włączone do tej metody. Sprawozdawczość odbywa się za pomocą aplikacji na smartfona poprzez wypełnianie krótkich kwestionariuszy w trakcie całego procesu oraz przesyłanie zdjęć i klipów wideo do aplikacji mobilnej.

Protokół

UWAGA: Ta metodologia wykorzystuje aplikację Ikhala na smartfony (odtąd nazywaną aplikacją D-MRV; Tabela materiałów) , aby uzyskać dostęp do płatności za usuwanie dwutlenku węgla, pomiarów terenowych oraz cyfrowego monitorowania, raportowania i weryfikacji.

1. Zbieranie surowca i potwierdzanie przydatności

1. Wybierz i podaj wielkość surowca.
2. Wybierz materiał drzewny o średnicy mniejszej niż 15 cm. Upewnij się, że wszystkie materiały są rozgałęzione lub mają niejednorodny kształt, aby nie pakowały się ciasno i nie utrudniały przepływu powietrza w piecu.
3. W aplikacji D-MRV kliknij przycisk Zrób zdjęcie w sekcji Surowiec, aby otworzyć kamerę. Przy otwartym aparacie wyceluj w obiekt (suche stosy surowca za pomocą miarki) i uchwyć obraz, naciskając przycisk migawki na ekranie.
4. Zgłaszanie gatunków surowców: Otwórz aplikację D-MRV i odpowiedz na krótki kwestionariusz cyfrowy informujący o ilościach każdego rodzaju gatunku. Raportowanie opiera się na szacunkach wizualnych.
5. Określanie i raportowanie wilgotności surowca.
   1. Korzystając ze standardowego miernika wilgotności drewna opałowego, dokonaj odczytu, wkładając kołki w środek największego kawałka każdego rodzaju surowca.
   2. W aplikacji D-MRV zrób zdjęcie każdego odczytu wilgotnościomierza. Kliknij przycisk Zrób zdjęcie w sekcji wilgotnościomierza i wpisz wartość wyświetlaną na wilgotnościomierzu w polu tekstowym. Prześlij jedno zdjęcie i wpis tekstowy dla każdego odczytu wilgotnościomierza.

2. Montaż, załadunek i rozpalanie pieca

1. Na równym podłożu usuń łatwopalny materiał organiczny z okręgu o średnicy około 3 m. Zamontuj 6 wewnętrznych paneli pieca w cylindrze za pomocą wsporników łączących,
2. Za pomocą łopaty lub podobnego narzędzia uszczelnij dolną krawędź cylindra małym nasypem z ziemi mineralnej lub gliny, aby powietrze nie mogło dostać się do pieca od dołu.
3. Przymocuj 6 paneli osłony termicznej do wsporników złącza, upewniając się, że w dolnej części osłony termicznej pozostała szczelina powietrzna, aby powietrze mogło przepływać przez pierścieniową szczelinę między cylindrami wewnętrznymi i zewnętrznymi. Przymocuj identyfikator pieca tag do osłony termicznej za pomocą osprzętu osłony termicznej.
4. Zidentyfikuj piece używane w partii. W sekcji Przygotowanie do wypalania kliknij przycisk Zrób zdjęcie, aby zrobić zdjęcia zmontowanego pieca i identyfikatora, a następnie przesłać je dla każdego pieca na miejscu.
5. Załaduj piec: Do początkowego załadunku pieca należy użyć mniejszego (najlepiej 2-6 cm grubości), bardziej suchego materiału. Upakuj materiał aż do krawędzi pieca, układając wszelkie nierozgałęzione materiały, takie jak słupy, tak, aby nie pakował się zbyt ciasno i nie ograniczał przepływu powietrza.
   UWAGA: Celem jest upewnienie się, że materiał jest wystarczająco ciasno upakowany, aby utrzymać płomień, ale także umożliwić dotarcie powietrza do spalania na dno stosu.
6. Rozpal piec: Dodaj mały, suchy materiał rozpałkowy na wierzch załadowanego pieca. W razie potrzeby użyj przyspieszacza i zapal zapałką lub użyj latarki propanowej. Rozpal piec w kilku miejscach na górze, aby nad całym piecem szybko rozwinęła się nasadka płomienia.
7. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy klip wideo, gdy tylko nasadka płomienia zostanie założona. W sekcji Początek nagrywania kliknij przycisk Nagraj wideo, a następnie kliknij przycisk Prześlij wideo.

3. Karmienie i doglądanie pieca

1. W pierwszej fazie pracy powietrze jest zasysane od góry do dołu pieca, podczas gdy początkowy ładunek w większości spala się do warstwy węgla. Upewnij się, że pierwszy ładunek wytwarza dobre złoże węgli przed dodaniem większej ilości materiału. Dodaj nową warstwę surowca, gdy poprzednia warstwa zacznie pokazywać warstwę białego popiołu.
2. Przejście do załadunku ciągłego: Ładowanie nowego materiału do pieca ze stałą prędkością. Staraj się, aby każda warstwa drewna miała tę samą średnicę, aby zwęglenie było równe.
   1. Użyj płomienia jako wskaźnika szybkości ładowania: Niech płomień będzie przewodnikiem przy dodawaniu nowego materiału. Upewnij się, że na górze utrzymywany jest dobry, silny płomień, ponieważ jest to źródło ciepła do wytwarzania zwęglenia.
   2. Jeśli operator załaduje zbyt dużo i zbyt szybko, płomień zostanie zduszony. Jeśli tak się stanie, zatrzymaj się i poczekaj, aż płomień ponownie się podniesie. Jeśli operator nie załaduje wystarczającej ilości materiału, płomień wygaśnie, a zwęglenie zacznie się palić na popiół. Jeśli tak się stanie, dodaj więcej materiału, aby utrzymać płomień.
3. Sprawdź obecność płomienia podczas spalania jako wskaźnik czystego, gorącego spalania, które zminimalizuje emisję metanu i zmaksymalizuje stabilne tworzenie się zwęglenia.
   1. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy film płomienia około 1 godziny po rozpaleniu pieca. Przejdź do sekcji Dowód jakości spalania i kliknij przycisk Dowód spalenia w pierwszej godzinie.
   2. Kliknij przycisk Nagraj wideo, naciśnij przycisk nagrywania przez co najmniej 30 sekund, a następnie kliknij przycisk Prześlij wideo.
4. Dodaj największy materiał w środkowych etapach spalania, aby miał czas na całkowite zwęglenie. Piec będzie napełniał się biowęglem w różnym tempie, w zależności od rodzaju surowca, wielkości i wilgotności.
5. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy film płomienia pod koniec drugiej godziny palenia. Kliknij przycisk Proof of Burn at Second Hour, a następnie przycisk Take Video (Nagrywaj wideo). Naciśnij przycisk nagrywania przez co najmniej 30 sekund i kliknij przycisk Prześlij wideo.
6. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy film płomienia pod koniec trzeciej godziny palenia. Kliknij przycisk Proof of Burn at Third Hour (Dowód nagrania o trzeciej godzinie), a następnie przycisk Take Video (Nagraj wideo). Naciśnij przycisk nagrywania przez co najmniej 30 sekund i kliknij przycisk Prześlij wideo.
7. Gdy piec wypełni się rozgrzanymi do czerwoności żarzącymi się węglami, ułóż kilka ostatnich warstw materiału średniej wielkości, aby umożliwić większe kawałki dokończenie zwęglania.

4. Wykańczanie, hartowanie i pomiar biowęgla

1. Zakończ spalanie, gdy nagromadzony biowęgiel znajdzie się w odległości nie większej niż 10-20 cm od górnej krawędzi pieca, gdy cały surowiec zostanie wykorzystany lub gdy zakończy się dzień pracy.
2. Zwęglenie jest zakończone, gdy nie ma już płomieni. Odczekaj 10-15 minut po dodaniu ostatniego kawałka surowca, aby płomienie ucichły. Zawsze znajdzie się kilka większych kawałków, które nie zwęglą się całkowicie, co nie jest problemem.
3. Przed hartowaniem użyj stalowych grabi, aby wyrównać gorące, żarzące się węgle w piecu.
   1. Umieść miarkę pionowo w piecu, przy ścianie pieca, tak aby jeden koniec dotykał zwęglenia poziomego. W aplikacji D-MRV zrób zdjęcie miarki, która pokazuje głębokość zwęglenia w piecu, przechodząc do sekcji Pomiar biowęgla i kliknij przycisk Zrób zdjęcie.
   2. W polu wprowadzania tekstu dla pytania Jaki jest odczyt od góry biowęgla do górnej części pieca, wprowadź wartość na miarce.
   3. Powtórz ten pomiar i nagranie zdjęcia jeszcze dwa razy w różnych miejscach pieca, klikając przycisk Prześlij i dodaj kolejne zdjęcie.
4. Natychmiast po zgłoszeniu pomiarów głębokości zwęglenia należy zrobić zdjęcie tabliczki identyfikacyjnej pieca w celu weryfikacji.
5. Zmierz gęstość nasypową zwęglenia.
   1. Gdy partia biowęgla jest kompletna, ale przed hartowaniem, napełnij metalowe wiadro gorącymi żarzącymi się węglami wyjętymi z pieca. Zważ wiadro, aby uzyskać tarę za pomocą wiszącej wagi. Zrób zdjęcie, aby zarejestrować wagę.
   2. Napełnij wiadro rozżarzonymi węglami i zważ je, robiąc zdjęcie, aby zarejestrować wagę.
   3. Powtórzyć procedurę pobierania próbek (4.5.1-4.5.2) jeszcze dwa razy, pobierając próbki z różnych części pieca i zapisując wartość za pomocą zdjęcia.
6. Ugasić wodą.
   1. Zacznij rozpylać wodę pod niskim ciśnieniem do pieca, aż osłona termiczna ostygnie na tyle, aby można było jej dotknąć. Zdejmij wszystkie panele osłony termicznej i ułóż je tak, aby nie przeszkadzały.
   2. Podczas rozpylania wody zdejmij kilka paneli pieca i zgrab zwęglenie cienką warstwą do ostygnięcia. Kontynuuj spryskiwanie i grabienie, aż zwęglenie całkowicie ostygnie. Biowęgiel powinien być na tyle chłodny, aby włożyć do niego rękę.
7. Usuń i nagraj niespalone kawałki. Usuń wszelkie częściowo zwęglone kawałki i ułóż je na jednym z paneli pieca w jednej warstwie, z miarką ułożoną obok. Korzystając z aplikacji D-MRV, zrób zdjęcie niecałkowicie zwęglonych elementów.

Wyniki

Dobrze zorganizowana i przeprowadzona partia biowęgla z wykorzystaniem pieca Ring of Fire pozwoli na wytworzenie 2-3 m³ biowęgla w czasie spalania wynoszącym 4-5 h. Zastosowanie metodologii komponentowej CM002 oraz rejestrowanie parametrów spalania w aplikacji D-MRV ma na celu umożliwienie certyfikowanemu weryfikatorowi potwierdzenie objętości produkcji partii biowęgla oraz jego jakości. Więcej informacji na temat metodologii znajduje się w informacjach uzupełniających (Supplementary File 1).

Punkty weryfikacji procesu dla typowej partii biowęgla wytworzonego w piecu Ring of Fire wymieniono tutaj (Rysunek 2). Tabela 1 przedstawia typowe wartości zmierzone w terenie lub określone w drodze weryfikacji.

1. Określ rodzaj surowca.
2. Wielkość surowca: zdjęcie pryzmy surowca z przyłożoną linijką.
3. Wilgotność surowca: jedno zdjęcie pokazujące odczyt wilgotnościomierza z największego fragmentu każdego gatunku surowca.
4. Zapłon: jedno 30-sekundowe wideo pokazujące rozpoczęcie procesu wypalania w piecu oraz zapis czasu startu. Wideo powinno przedstawiać rozwój silnego czapa płomienia.
5. Weryfikacja temperatury produkcji na podstawie obecności płomienia: trzy 30-sekundowe filmy pokazujące obecność silnego płomienia podczas wypalania.
6. Objętość biowęgla: trzy zdjęcia pręta pomiarowego w piecu, pokazujące wysokość wyrównanego poziomu węgla w trzech miejscach. Odległości zmierzone od górnej krawędzi pieca do węgla są uśredniane do jednej wartości wykorzystywanej w obliczeniach.
7. Gęstość nasypowa: jedno zdjęcie wagi pokazujące masę pustego wiadra. Trzy zdjęcia wagi pokazujące masę węgla wraz z wiadrem. Węgiel pobrano z 3 miejsc w piecu. Trzy pomiary masy są uśredniane do jednej wartości wykorzystywanej w obliczeniach

Rycina 2: Infografika przedstawiająca punkty weryfikacji procesu. Punkty weryfikacji procesu dla typowej partii biocharu wytworzonej w piecu Ring of Fire. Aby wyświetlić większą wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

				Punkt danych nr 1	Punkt danych nr 2	Punkt danych nr 3
Gatunek surowca				sosna 50%	jodła 50%
Odczyt wilgotnościomierza				19%	23%
Objętość pustego cylindra pieca				4.3 m3
Wysokość cylindra pieca				1 m
Wysokość poziomu węgla w piecu				60 cm	61 cm	59 cm
Masa własna wiadra 7 litrów				0.6 kg
Masa wiadra z węglem				1.8 kg	1.9 kg	2.0 kg
Wartość bazodanowa zawartości węgla w węglu drzewnym				86.8%
Współczynnik stabilności węgla				0.74

Tabela 1: Reprezentatywne wartości wykorzystane do weryfikacji wyników produkcji i parametrów przetwarzania dla typowej partii biowęgla wytworzonego w piecu do biowęgla Ring of Fire.

Wykorzystując te punkty kontrolne, weryfikator ustala, że biowęgiel został wytworzony z odpowiednich surowców w temperaturze powyżej 600 °C, aby spełnić wymagania metodologii komponentu CM002 w zakresie długoterminowej stabilności. Pozwala to na zastosowanie współczynnika stabilności węgla wynoszącego 0,74 dla trwałości 100-letniej w odniesieniu do partii biowęgla. Aby określić objętość partii biowęgla, weryfikator przyjmuje objętość pustego pieca potwierdzoną etykietą identyfikacyjną pieca (4,3 m³) oraz wysokość poziomu węgla w piecu (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Ponieważ piec jest wypełniony w 60%, objętość węgla wynosi 0,6 x 4,3 m³ = 2,6 m³. Następnie weryfikator oblicza gęstość nasypową biowęgla na podstawie pomiarów wykonanych wiadrem. Po odjęciu masy wiadra wynoszącej 0,6 kg od każdego pomiaru otrzymano wartości 1,2 kg, 1,3 kg i 1,4 kg, których średnia wynosi 1,3 kg/7 L. Jest to równoważne 185,7 kg/m³. W związku z tym sucha masa wyprodukowanego biowęgla wynosi (185,7 kg/m³) x (2,6 m³) = 483 kg.

Weryfikator może pobrać zawartość węgla w biowęglu z bazy danych lub, w tym przypadku, z prostego testu laboratoryjnego, który potwierdził zawartość węgla na poziomie 86.8% w partii mieszanych drzew iglastych produkowanych w piecu typu Ring of Fire w hrabstwie Sonoma w Kalifornii w 2021 roku. Test został przeprowadzony przez Control Laboratories z Watsonville, CA²³. Zastosowano współczynnik stabilności węgla wynoszący 0.74. Zatem zawartość stabilnego węgla organicznego w przeliczeniu na suchą masę biowęgla jest wyznaczana na podstawie masy biowęgla, jego zawartości węgla organicznego oraz 100-letniego współczynnika stabilności, co daje końcową wartość (483) x (0.868) x (0.74) = 310.2 kg stabilnego węgla. Aby uzyskać końcową wartość usuniętego węgla, odlicuje się wycieki z projektu i stosuje odpowiednie marginesy bezpieczeństwa wraz z przelicznikiem z węgla stałego na dwutlenek węgla, zgodnie z opisem w Supplementary File 1. Certyfikowana wartość usunięcia węgla przez biowęgiel zależy od końcowej weryfikacji, czy biowęgiel został naniesiony na glebę lub kompost i nie został spalony ani w inny sposób utleniony.

Plik uzupełniający 1: Szczegółowe informacje dotyczące metodologii i obliczeń. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Różne gatunki biomasy będą produkować biowęgiel o różnych frakcjach węgla i popiołu, niezależnie od temperatury produkcji, ze względu na skład pierwiastkowy biomasy²⁴. Ponieważ istniejące bazy danych dotyczące charakterystyki biowęgla dla różnych surowców nie są kompletne, w ramach projektów może być konieczne przedłożenie próbek do analizy laboratoryjnej w celu zweryfikowania zawartości węgla organicznego w biowęglu. Aby utrzymać koszty projektu na niskim poziomie, zalecamy prostą procedurę laboratoryjną, którą uczniowie mogą wykonać przy niskich kosztach w laboratoriach szkolnych na poziomie szkoły średniej lub college'u²⁵. Z biegiem czasu, w miarę realizacji kolejnych projektów w terenie, baza danych o wartościach zawartości węgla w biowęglu dla różnych rodzajów surowców będzie się powiększać i stawać się bardziej użyteczna.

Wiele pomiarów D-MRV ma na celu sprawdzenie, czy warunki produkcji są optymalne do produkcji biowęgla o właściwościach ściśle odpowiadających wartościom z bazy danych. Te kluczowe pomiary to wilgotność surowca oraz seria filmów dokumentujących jakość spalania płomieniowego, która decyduje o temperaturze produkcji i wynikającej z niej stabilności węgla w biowęglu.

O ile pomiar objętości biowęgla produkowanego w piecu jest prosty, o tyle określenie suchej masy wyprodukowanego biowęgla nie jest łatwe. Praca z biowęglem jest trudna, ponieważ złożona gęstość cząstek materiału sprawia, że pomiary gęstości nasypowej są trudne do^{wyznaczenia26}. Po schłodzeniu biowęgla nie jest możliwe uzyskanie na polu suchej masy określonej objętości biowęgla. Jednak gęstość nasypową biowęgla w stanie suchym można zmierzyć na polu, napełniając metalowe wiadro o znanej objętości rozżarzonymi węglami i ważąc je. Ta procedura może dać nam dobre przybliżenie suchej masy biowęgla.

Główną wadą tej metodologii jest nieodłączna zmienność operacji polowych, w tym zmienność surowca i poziom umiejętności operatora. Operator musi określić szybkość załadunku surowca i pracować nad utrzymaniem silnego płomienia w piecu. Nieutrzymanie płomienia przez nadmierne obciążenie wpłynie na temperaturę tworzenia się zwęglenia, a tym samym na stabilność zwęglenia. Najlepszym rozwiązaniem tego problemu jest skuteczny program szkoleniowy dla operatorów. Szkolenie pracowników i protokoły bezpieczeństwa mają kluczowe znaczenie dla sukcesu produkcji biowęgla na miejscu. Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na siłę roboczą, programy szkoleniowe będą musiały być dobrze zorganizowane i szeroko dostępne²⁷.

Kolejnym ograniczeniem metodyki jest zmienność w realizacji pomiarów D-MRV. Wilgotność surowca może być dość zmienna w obrębie danej partii, nawet jeśli wszystkie surowce są poza tym jednolite. Metoda polegająca na wykonaniu trzech filmów migawkowych płomienia podczas procesu w celu sprawdzenia, czy osiągnięto odpowiednią temperaturę, jest ograniczona przez dynamiczny charakter spalania. Trzy filmy z migawkami mogą nie być reprezentatywne dla całego procesu. Realną kontrolą krzyżową z tym pomiarem jest po prostu wiedza o tym, jak długo trwało spalanie i ile biowęgla zostało wyprodukowane, ponieważ nieoptymalne warunki temperaturowe spowodują zmniejszenie wielkości produkcji. Pomiary terenowe D-MRV gęstości nasypowej i objętościowej są ograniczone pod względem precyzji; Jest to jednak kompensowane przez zastosowanie marginesów bezpieczeństwa, aby zapewnić, że ostateczne wartości są konserwatywne i nie zawyżają pochłaniania dwutlenku węgla.

Logistyka operacyjna również przyczynia się do zmienności parametrów produkcji biowęgla i powodzenia projektów. Logistyka operacyjna musi uwzględniać takie czynniki, jak pogoda, ukształtowanie terenu, dostęp, bezpieczeństwo pracowników, szkolenia, narzędzia i sprzęt oraz dostępność wody. Większość narzędzi i materiałów potrzebnych do produkcji biowęgla to standardowe wyposażenie strażaków i ekip leśnych. Konkretne narzędzia potrzebne do wdrożenia D-MRV z piecem do wypalania biowęgla w pierścieniu ognia są wymienione w pliku Tabela materiałów .

Wytwarzanie biowęgla na polu z biomasy odpadowej musi konkurować z alternatywą otwartego spalania lub spalania, co ma tę zaletę, że jest bardzo niskie. Koszt krańcowy wytwarzania biowęgla w porównaniu ze spalaniem otwartym ma głównie związek ze zwiększonym zapotrzebowaniem na siłę roboczą, ponieważ koszt kapitałowy prostych pieców płomieniowych jest niski²⁷. Do tej pory nie ma wystarczającej liczby projektów na dużą skalę, w których gromadzono solidne dane, aby określić rzeczywisty koszt krańcowy produkcji biowęgla w porównaniu ze spalaniem. Jeden przykład może jednak pokazać, że finansowanie emisji dwutlenku węgla może wypełnić tę lukę.

Firma Watershed Consulting w Missoula w stanie Massachusetts poddała obróbce ukorośl przerzedzoną z 21 akrów mieszanego lasu iglastego w zachodniej Montanie w 2021 r. przy użyciu pieców do wypalania biowęgla Ring of Fire²⁸. Całkowity koszt projektu wyniósł 42 302,00 USD, a całkowity plon biowęgla wyniósł 112,5 jarda sześciennego. Korzystając z naszych własnych standardowych założeń dotyczących charakterystyki biowęgla wytwarzanego w piecach płomieniowych, szacujemy, że w ramach projektu sekwestrowano 31,75 ton metrycznych CO₂ po cenie 1 332,35 USD za tonę. Koszt palowania i spalania materiału wyniósłby 15 750,00 USD, pozostawiając koszt krańcowy w wysokości 26 552,00 USD na wyprodukowanie biowęgla zamiast spalania, czyli 836,28 USD za tonę wyprodukowanego biowęgla. Ten koszt krańcowy mógłby być przynajmniej częściowo zrekompensowany przez płatności z tytułu usuwania dwutlenku węgla w wysokości od 100 do 200 USD za tonę CO_{2 ,} co potwierdza znaczenie procesu D-MRV. Aby uzupełnić ekonomiczny obraz projektu, ważne jest, aby instytucje finansujące uznały korzyści ekosystemowe wynikające z unikania szkód w glebie spowodowanych bliznami po oparzeniach, zmniejszonej emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczenia powietrza cząstkami stałymi, a także zwrócenia zwęglenia glebom leśnym w celu zatrzymywania wilgoci, obiegu składników odżywczych i zdrowia gleby.

Szczegółowe metody opisane w tym artykule pomogą osobom i grupom pracującym w ekosystemach dotkniętych obcymi gatunkami inwazyjnymi, suszami i pożarami w realizacji ekonomicznie wykonalnych projektów przekształcania biomasy w biowęgiel, które mogą poprawić i przywrócić gleby i rodzime ekosystemy, jednocześnie unikając emisji gazów cieplarnianych i sekwestracji dwutlenku węgla w celu łagodzenia zmiany klimatu. Pomimo zmienności i braku precyzji pomiarów i punktów weryfikacyjnych w tej praktycznej metodologii terenowej, stwierdzamy, że jest to nadal cenne podejście do sekwestracji węgla w sytuacjach polowych, w których inne podejścia, takie jak transport biomasy do przemysłowego zakładu pirolizy, nie są praktyczne.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Cyfrowa waga wisząca	AvaWeigh	HSD40	44-funtowa waga do ważenia produktów
Aplikacja na smartfony Ikhala	AD Tech	Nie dotyczy	pobrania ze sklepu z aplikacjami na Androida lub Apple
Metalowa linijka	Azbvek	ZG0044-Nowa	linijka ze stali nierdzewnej 100 cm Linijka
Pierścień ognia Piec	Wilson Biowęgiel	ROF 1.2	Piec płomieniowy w stylu panelowym z osłoną termiczną
Inteligentny Telefon	dowolny	Nie dotyczy	musi korzystać z systemu operacyjnego I-OS lub Android
Stalowe wiadro użytkowe - 7 litrów	Łyżka uniwersalna	Behrens	120GS
Miernik wilgotności drewna	Narzędzia ogólne	MMD4E	Cyfrowy miernik wilgotności, typu pinowego z wyświetlaczem LCD

do ze stali ocynkowanej