Summary
Nieuwe methoden voor het verwijderen van bosstapels produceren pyrogene koolstof voor het herstel van de gezondheid van de bosbodem en voor koolstofverwijdering en -vastlegging. Hier presenteren we een biochar-productiemethode die een nieuwe boekhoudmethode voor koolstofverwijdering en een digitale applicatie integreert.
Abstract
Een van de grootste uitdagingen bij het gebruik van niet-commerciële bosbiomassa is de wijdverspreide aard ervan. De beste oplossing voor het biomassaprobleem, om dure en koolstofintensieve verwerkings- (chipping) en transportkosten te vermijden, is om het ter plaatse te verwerken. Conventionele brandstapels hebben echter destructieve gevolgen voor de bosbodem en bieden geen andere voordelen dan brandstofbesparing. Het ter plaatse omzetten van bosslash naar biochar heeft veel ecologische voordelen ten opzichte van de huidige praktijk van slash-verwijdering door verbranding in brandstapels, waaronder verminderde bodemverwarming en deeltjesemissies, samen met meerdere voordelen van de biochar voor de gezondheid van de bosbodem en het watervasthoudend vermogen wanneer het op zijn plaats blijft. Het maken van biochar ter plaatse in het bos is een manier om een pyrogene koolstofcomponent terug te brengen naar bosbodems die ontbreekt vanwege de recente geschiedenis van brandbestrijding. Biochar is ook een toonaangevende methode voor koolstofverwijdering en -vastlegging om de klimaatverandering tegen te gaan. In deze studie documenteren we een methode om biochar te maken met behulp van een draagbare biochar-oven. Deze goedkope methode maakt gebruik van handbemanningen die zijn uitgerust met water voor het blussen van ovens voordat de biochar tot as verbrandt. Eenvoudige technieken voor het kwantificeren en karakteriseren van de geproduceerde biochar zijn opgenomen in de methode om de impact te meten en in aanmerking te komen voor koolstofverwijderingscertificaten om de kosten van het werk te helpen betalen. We beschrijven de CM002 Component Methodology die gestandaardiseerde procedures biedt voor de kwantificering van broeikasgasvoordelen tijdens drie fasen van het proces: de winning van afvalbiomassa, de productie van biochar en de toepassing van biochar in de bodem. De CM002-methodologie is gebaseerd op internationale best practices, waaronder de meest recente VCS-methodologie VM0044-normen en EBC C-Sink Artisan-normen. Betrouwbare kwantificeringsmethoden die gebruik maken van de juiste veiligheidsfactoren zijn de eerste essentiële stap om in aanmerking te komen voor financiering voor koolstofverwijdering.
Introduction
In veel wereldregio's, waaronder het westen van de VS, hebben klimaatverandering, droogte en uitheemse invasieve soorten een bosbrandcrisis veroorzaakt die ecosystemen en gemeenschappen bedreigt. Omdat bossen en bosgebieden ongecontroleerd verbranden, worden grote hoeveelheden fijnstof en broeikasgassen uitgestoten in de atmosfeer, met verwoestende gevolgen voor de menselijke gezondheid en het klimaat. Zo hebben bosbranden in Californië in 2020 naar schatting ongeveer 127 miljoen megaton aan broeikasgasemissies vrijgegeven, ongeveer twee keer zoveel als de totale broeikasgasemissiereducties in Californië van 2003 tot 20191. Wetenschappers en landbeheerders onderzoeken steeds vaker menselijk handelen dat kan helpen bij het herstel van deze bossen en hun ecosysteemdiensten. Het handmatig uitdunnen en verwijderen van overtollige biomassa is een van de belangrijkste acties die moeten worden ondernomen2. Het verwijderen van biomassa omvat de verwijdering ervan, en wanneer de biomassa zich op afgelegen en moeilijk bereikbare locaties bevindt, zijn er weinig andere opties dan verbranding ter plaatse in onbeheerde slash-hopen. Onbeheerde brandstapels doen het werk om brandstoffen uit het landschap te verwijderen, maar ze beschadigen bosbodems omdat de geconcentreerde warmte onder de stapels de organische horizont van de bodem verbrandt, waardoor kale grond achterblijft die kwetsbaar is voor erosie en kolonisatie door invasieve soorten. Het kan tientallen jaren duren om de organische bodemhorizont in een brandstapellitteken te regenereren3. Onbeheerde brandstapels zijn ook een bron van fijnstof en broeikasgasemissies. Rook van het verbranden van slash-stapels beperkt ook het brandvenster in stroomgebieden met beperkte luchtkwaliteit, waardoor het moeilijker wordt om het werk te volbrengen.
Onderzoekers van de USDA Forest Service hebben het alternatief onderzocht om biochar te produceren uit slash-materialen en hebben verschillende veelbelovende technieken geïdentificeerd, waaronder de mogelijkheid om kleine, mobiele biochar-ovens in het bos te gebruiken4. Het ter plaatse omzetten van bosslash in biochar heeft veel ecologische voordelen ten opzichte van de huidige praktijk van slash-verwijdering door verbranding in brandstapels, waaronder verminderde bodemverwarming en deeltjesemissies. Biochar die ter plaatse wordt geproduceerd, kan worden verwijderd en gebruikt in de landbouw, of het kan op zijn plaats worden gelaten waar het verschillende functies vervult bij het herstellen van de gezondheid van bossen en het verbeteren van de aanpassing aan klimaatverandering en droogte. Omdat tot 50% van de totale koolstof in veel bosbodems houtskool is van historische, natuurlijke branden5, kan het achterlaten van biochar op de plaats waar het is gemaakt de houtskool in de bosbodem herstellen die vaak ontbreekt in recente bodemhorizonten als gevolg van brandonderdrukking, met onbekende gevolgen voor ecosysteemprocessen6. Biochar die op bosbodems wordt achtergelaten, kan de effecten van houtskool die door natuurlijk vuur wordt geproduceerd, nabootsen en vergelijkbare effecten hebben op het koolstofgehalte in de bodem en de fysische, chemische en biologische eigenschappen van de bodem7.
In de afgelopen jaren heeft een internationaal netwerk van bosarbeiders, boseigenaren, onderzoekers en biochar-consultants een reeks carbonisatiemethoden ontwikkeld om bosslash ter plaatse om te zetten in biochar als alternatief voor slash-stapelverbranding. Deze methoden zijn gebaseerd op het principe van vlamcarbonisatie, voor het eerst ontwikkeld en gecommercialiseerd in Japan als de "rookloze carbonisatieoven" aangeboden door het bedrijf Moki8. Deze stalen ringoven maakt goed verkoolde biochar met een gerapporteerde conversie-efficiëntie van biomassa naar biochar van 13% tot 20%, afhankelijk van de gebruikte grondstof9.
Het proces van het produceren van biochar of houtskool wordt vaak pyrolyse genoemd, de scheiding van biomassacomponenten door warmte in afwezigheid van zuurstof. Dit wordt meestal opgevat als retortpyrolyse, waarbij biomassa fysiek wordt geïsoleerd van lucht in een extern verwarmd vat. Pyrolyse kan echter ook plaatsvinden in aanwezigheid van beperkte lucht, zoals bij vergassing en vlamcarbonisatie, omdat vaste brandstoffen zoals hout in fasen verbranden. Wanneer warmte wordt toegepast op biomassa, is de eerste fase van verbranding uitdroging, omdat water uit het materiaal wordt verdampt. Dit wordt gevolgd door devolatilisatie en gelijktijdige verkolingsvorming, ook wel pyrolyse genoemd. Vluchtig gas dat waterstof en zuurstof bevat, komt vrij en wordt in een vlam verbrand, waardoor het proces voortdurend wordt verwarmd. Als het gas vrijkomt, wordt de resterende koolstof omgezet in aromatische koolstof of houtskool. De laatste fase van de verbranding is de oxidatie van de houtskool tot minerale as10.
Omdat dit discrete fasen zijn die optreden in een open verbrandingsproces, hebben we de mogelijkheid om het proces na verkolingsvorming te stoppen door lucht of warmte te verwijderen. Dit wordt bereikt tijdens het productieproces van biochar door voortdurend nieuw materiaal aan de brandstapel toe te voegen, zodat de hete houtskool wordt begraven door nieuw materiaal dat de zuurstofstroom afsnijdt. Hete houtskool hoopt zich op in de bodem van de stapel en wordt verhinderd om tot as te verbranden zolang er vlam aanwezig is, omdat de vlam het grootste deel van de beschikbare zuurstof verbruikt. Wanneer alle brandstof aan de stapel is toegevoegd, begint de vlam te doven. Op dat moment kan de hete houtskool worden bewaard door zuurstof en warmte te verwijderen, meestal door de kolen met water te besproeien en ze dun te harken om af te koelen11.
Het basisprincipe van de werking is dat van tegenstroomverbranding. Tegenstroom verbrandingslucht houdt de vlam laag en voorkomt het vrijkomen van sintels of vonken. De vlam verbrandt ook het grootste deel van de rook, waardoor de uitstoot wordt verminderd. Samengevat verklaren de volgende principes de werking van tegenstroomverbranding in een vlamkapoven: (1) Gas stroomt naar boven terwijl verbrandingslucht naar beneden stroomt, (2) Tegenstroom wordt tot stand gebracht wanneer brandende brandstof lucht naar beneden trekt, (3) Vlammen blijven laag en dicht bij brandstof, waardoor het ontsnappen van sintels tot een minimum wordt beperkt, (4) Rook brandt in de hete zone, (5) Omdat alle verbrandingslucht van bovenaf komt, het wordt verteerd door de vlammen (6) Er is zeer weinig lucht in staat om de onverbrande kolen te bereiken die naar de bodem van de oven vallen, (7) De kolen worden bewaard tot het einde van het proces wanneer ze worden geblust of gedoofd.
Naast de voordelen voor de bodem, is biochar ook een toonaangevende methode voor koolstofverwijdering om de klimaatverandering tegen te gaan. Tot de helft van de koolstof in houtachtige biomassa kan worden omgezet in stabiele, aromatische koolstof in de vorm van biochar12. Niet alle pyrolysetechnologieën produceren echter dezelfde hoeveelheid recalcitrante koolstof die 100 jaar of langer stabiel blijft in de bodem (de belangrijkste maatstaf voor het bepalen van de koolstofverwijderingswaarde). De stabiliteit van Biochar hangt nauw samen met de productietemperatuur. De adiabatische vlamtemperatuur van brandend hout wordt geschat op 1.977 °C13 die van propaan. De productie van biochar in een vlamkapoven is nauw verbonden met de vlam, zonder warmteoverdrachtsverliezen door geleiding door een metalen wand, zoals bij retortpyrolyse. Daarom zouden we verwachten dat de productietemperatuur hoog zou zijn zolang er tijdens het proces een vlam wordt gehandhaafd. Een onderzoek van chars met behulp van Raman-spectroscopie14 meldde dat een biochar-monster uit een vlamkapoven (geleverd door hoofdauteur Kelpie Wilson) een van de drie monsters was met de hoogste schijnbare temperatuur van charvorming, in het bereik van 900 °C.
Thermokoppels zijn nodig om toegang te krijgen tot het binnenste van de brandwond en om de productietemperatuur van biochar nauwkeurig te meten in een vlamkapoven of brandstapel, en deze zijn duur en niet beschikbaar voor low-tech producenten. Daarom hebben we een methode gebruikt die is beschreven door onderzoekers die in het Braziliaanse Amazonegebied werken en die warmtekrijtjes gebruikt (die door lassers worden gebruikt om de temperatuur van metalen onderdelen te controleren) die smelten bij een gekalibreerde temperatuur15. Bakstenen worden gemarkeerd met kleurpotloden, in aluminiumfolie gewikkeld en tijdens de productie op verschillende plaatsen in de oven geplaatst. We gebruikten deze methode verschillende keren en stelden vast dat de oventemperaturen hoger waren dan 650° C, omdat de krijtstrepen volledig waren gesmolten. Dit zal een nuttige methode zijn om de productietemperaturen waar nodig te bevestigen; Het belangrijkste verificatiepunt is echter het documenteren van de aanwezigheid van vlammen overal.
Er zijn niet veel gepubliceerde gegevens over de kenmerken van biochar gemaakt door low-tech vlamcarbonisatiemethoden. Biochar-monsters gemaakt door middel van vlamcarbonisatiemethoden in verschillende oventypes werden echter geanalyseerd door Cornellissen et al. en bleken te voldoen aan de Europese Biochar Certificate (EBC)-normen voor biochar, waaronder een laag PAK-gehalte en een hoge biochar-stabiliteit. Bovendien had de biochar geproduceerd uit zowel houtachtige als kruidachtige grondstoffen een gemiddeld koolstofgehalte van 76 procent11. Het Rocky Mountain Research Station16 van de US Forest Service analyseerde vijf biochar-monsters van vlamovens en brandstapels gemaakt tijdens een velddag in Californië in 2022. Het gemiddelde koolstofgehalte van de monsters was 85 procent. Gezien deze resultaten kunnen we concluderen dat het waarschijnlijk is dat biochar gemaakt van houtachtige residuen in vlamovens zal voldoen aan de basisvereisten voor geverifieerde koolstofverwijdering: hoog koolstofgehalte en hoge biochar-stabiliteit.
Twee koolstofverwijderingsprotocollen voor low-tech, plaatsgebonden biochar-productie zijn nu vrijgegeven door Verra17 en het European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink-protocol18. Deze nieuw ontwikkelde protocollen zijn veelbelovend; Ze hebben echter enkele beperkingen wanneer ze worden toegepast op bossen, bossen en andere landschappen die worden bedreigd door droogte en bosbranden. Dienovereenkomstig zal dit artikel een nieuwe methodologie beschrijven, de methodologie CM002 V1.0, van AD Tech19, die specifiek wordt ontwikkeld voor vlamcarbonisatie van houtachtig afval als onderdeel van vegetatiebeheer en brandstofbelastingsvermindering. Levenscyclusanalyse bevestigt dat biochar-koolstofvastlegging met behulp van biochar-productie ter plaatse uit houtachtige biomassa in vlamkapovens een netto koolstofverwijderingsvoordeel oplevert20. Een succesvolle implementatie van koolstofverwijderingsprotocollen kan helpen bij het financieel ondersteunen van de essentiële werkzaamheden voor het verminderen van brandstoffen die moeten plaatsvinden om gemeenschappen en ecosystemen te beschermen tegen bosbranden en aantasting van ecosystemen. Om toegang te krijgen tot koolstofverwijderingsbetalingen, worden veldmetingen en digitale monitoring-, rapportage- en verificatiemethoden (D-MRV) als routinematige praktijken opgenomen in de hier beschreven biochar-productiemethodologie. Details van het platform worden besproken in de aanvullende informatie (aanvullend dossier 1).
Hoewel verschillende open-source ontwerpen van vlamkapovens door particulieren worden vervaardigd voor eigen gebruik21, is er, voor zover wij weten, op dit moment slechts één vlamkapoven met een capaciteit van meer dan een kubieke meter die in massa wordt geproduceerd voor verkoop in Noord-Amerika, de Ring of Fire Kiln22, Een lichtgewicht, draagbare vlamkapoven die is ontworpen voor gemakkelijke mobiliteit met behulp van handbemanningen. De oven bestaat uit een binnenring bestaande uit zes aan elkaar bevestigde platen zacht staal. Een buitenring bestaande uit lichter staal wordt vastgeschroefd aan de beugels die de binnenring bij elkaar houden. De buitenste ring dient als een hitteschild dat warmte vasthoudt voor een betere efficiëntie. De bovenkant van de oven is open naar de lucht, en hier vormt zich de vlamkap. Lucht die door de ringvormige opening tussen het hoofdovenlichaam en het hitteschild naar boven stroomt, levert voorverwarmde verbrandingslucht aan de oven, waardoor het verbrandingsrendement verder wordt verhoogd (Figuur 1)
Figuur 1: Schema met luchtstroom, vlamkarakteristieken en verkoling in de Ring of Fire Kiln. Tegenstroom verbrandingslucht trekt de rook naar de hete zone, waar het opbrandt. Lucht die door de ringvormige opening tussen het hoofdovenlichaam en het hitteschild naar boven stroomt, levert voorverwarmde verbrandingslucht aan de oven, waardoor de verbrandingsefficiëntie verder wordt verhoogd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De diameter van de oven is 2,35 m en vormt een cilinder van een meter hoog voor een totaal volume van 4,3m3. In de praktijk wordt de oven nooit helemaal tot de rand gevuld, dus een typische productiebatch zal de oven tussen de 1/2 en 3/4 vol vullen voor een volume biochar dat tussen de 2 en 3 kubieke meter ligt.
Omdat de Ring of Fire Kiln een gestandaardiseerd ontwerp is, wordt het aangenomen als de eerste gecertificeerde technologie voor gebruik in de CM002 Component Methodology die gestandaardiseerde procedures biedt voor de kwantificering van de voordelen van broeikasgassen (BKG). Meet- en gegevensverzamelingsstappen die voldoen aan de eisen van de CM002 zijn in de methode opgenomen. Rapportage gebeurt via een smartphone-applicatie door gedurende het hele proces korte vragenlijsten te beantwoorden en foto's en videoclips te uploaden naar de mobiele app.
Protocol
OPMERKING: Deze methodologie maakt gebruik van de Ikhala-smartphonetoepassing (hierna aangeduid als D-MRV-toepassing; Tabel met materialen) om toegang te krijgen tot koolstofverwijderingsbetalingen, veldmetingen en digitale monitoring, rapportage en verificatie.
1. Het verzamelen van grondstoffen en het bevestigen van de geschiktheid
- Selecteer en rapporteer de grootte van de grondstof.
- Kies houtachtig materiaal met een diameter van minder dan 15 cm. Zorg ervoor dat alle materialen vertakt of niet-uniform van vorm zijn, zodat het niet strak aaneengepakt wordt en de luchtstroom in de oven belemmert.
- Klik in de D-MRV-applicatie op de knop Maak een foto in het gedeelte Grondstof om de camera te openen. Richt met de camera open op het onderwerp (droge grondstofstapels met een meetlat) en leg het beeld vast door op de sluiterknop op het scherm te drukken.
- Grondstofsoorten melden: Open de D-MRV-applicatie en beantwoord de korte digitale vragenlijst waarin de hoeveelheden van elk soorttype worden vermeld. De rapportage is gebaseerd op visuele schattingen.
- Bepalen en rapporteren van het vochtgehalte van de grondstof.
- Gebruik een standaard brandhoutvochtmeter om een meting uit te voeren door de pinnen in het midden van het grootste stuk van elk type grondstof te steken.
- Maak op de D-MRV-applicatie een foto van elke vochtmeteruitlezing. Klik op de knop Maak een foto in het gedeelte Vochtmeter en typ de waarde die wordt weergegeven op de vochtmeter in het tekstveld. Dien één foto en tekst in voor elke vochtmeterstand.
2. Monteren, laden en aansteken van de oven
- Verwijder op een vlakke ondergrond brandbaar organisch materiaal uit een cirkel met een diameter van ongeveer 3 m. Monteer de 6 binnenovenpanelen tot een cilinder met behulp van de connectorbeugels,
- Gebruik een schop of iets dergelijks om de onderkant van de cilinder af te dichten met een kleine berm van mineraal vuil of klei, zodat lucht niet vanaf de bodem de oven kan binnendringen.
- Bevestig de 6 hitteschildpanelen aan de connectorbeugels en zorg ervoor dat er aan de onderkant van het hitteschild een luchtspleet overblijft, zodat lucht door de ringvormige opening tussen de binnen- en buitencilinders kan stromen. Bevestig de oven-ID-tag aan het hitteschild met behulp van de hitteschildhardware.
- Identificeer de ovens die in de batch zijn gebruikt. Klik in het gedeelte Brandvoorbereiding op de knop Maak een foto om foto's te maken van de geassembleerde oven en het ID-label en deze voor elke oven ter plaatse in te dienen.
- Laad de oven: Gebruik kleiner (2-6 cm dik is ideaal), droger materiaal voor de eerste belading van de oven. Verpak het materiaal tot aan de rand van de oven en plaats al het niet-vertakte materiaal, zoals palen, zo dat het niet te strak wordt ingepakt en de luchtstroom wordt beperkt.
NOTITIE: Het doel is om ervoor te zorgen dat het materiaal stevig genoeg is verpakt om een vlam in stand te houden, maar ook om verbrandingslucht naar de bodem van de stapel te laten gaan. - Steek de oven aan: Voeg klein, droog aanmaakmateriaal toe aan de bovenkant van de geladen oven. Gebruik indien nodig een versneller en steek aan met een lucifer, of gebruik een propaanfakkel. Steek de oven op meerdere plaatsen aan de bovenzijde aan, zodat er snel een vlamdop ontstaat over de gehele oven.
- Maak met behulp van de D-MRV-app een videoclip van 30 seconden zodra de vlamkap is geplaatst. Klik in het gedeelte Start branden op de knop Video maken en klik vervolgens op de knop Video verzenden .
3. Voederen en verzorgen van de oven
- Tijdens de eerste fase van de werking wordt lucht van boven naar beneden naar de bodem van de oven gezogen, terwijl de eerste lading meestal verbrandt tot een laag kolen. Zorg ervoor dat de eerste lading een goed kolenbed oplevert voordat u meer materiaal toevoegt. Voeg een nieuwe laag grondstof toe wanneer de vorige laag een film van witte as begint te vertonen.
- Overgang naar continu laden: Laad nieuw materiaal in de oven met een constante snelheid. Probeer elke laag hout dezelfde diameter te houden, zodat de verkoling gelijkmatig is.
- Gebruik de vlam als indicator voor de beladingssnelheid: Laat de vlam de leidraad zijn voor het toevoegen van nieuw materiaal. Zorg ervoor dat er een goede sterke vlam bovenop blijft, want dat is de warmtebron voor het maken van houtskool.
- Als de operator te veel en te snel laadt, wordt de vlam gesmoord. Als dat gebeurt, pauzeer dan en wacht tot de vlam weer omhoog komt. Als de operator niet genoeg materiaal laadt, dooft de vlam en begint de houtskool tot as te verbranden. Als dat begint te gebeuren, voeg dan meer materiaal toe om de vlam gaande te houden.
- Controleer de aanwezigheid van de vlam tijdens de verbranding als een indicator van schone, hete verbranding die de methaanuitstoot minimaliseert en de stabiele houtskoolvorming maximaliseert.
- Maak met behulp van de D-MRV-applicatie een video van 30 seconden van de vlam ongeveer 1 uur nadat de oven is aangestoken. Navigeer naar het gedeelte Burn Quality Proof en klik op de knop Proof of Burn at First Hour .
- Klik op de knop Video opnemen , druk minimaal 30 seconden op Opnemen en klik op de knop Video verzenden .
- Voeg het grootste materiaal toe in de middelste stadia van de brandwond, zodat het de tijd heeft om volledig te verkolen. De oven vult zich met verschillende snelheden met biochar, afhankelijk van het type grondstof, de grootte en het vochtgehalte.
- Maak met behulp van de D-MRV-applicatie een video van 30 seconden van de vlam aan het einde van het tweede uur van de verbranding. Klik op de knop Brandbewijs bij tweede uur en vervolgens op de knop Video opnemen . Druk minimaal 30 seconden op Opnemen en klik op de knop Video verzenden .
- Maak met behulp van de D-MRV-applicatie een video van 30 seconden van de vlam aan het einde van het derde uur van de verbranding. Klik op de knop Bewijs van branden bij derde uur en vervolgens op de knop Video opnemen . Druk minimaal 30 seconden op Opnemen en klik op de knop Video verzenden .
- Terwijl de oven zich vult met roodgloeiende gloeiende kolen, maak je de laatste paar lagen middelgroot materiaal om grotere stukken te laten verkolen.
4. Afwerken, blussen en meten van de biochar
- Beëindig de verbranding wanneer de opgehoopte biochar zich binnen 10-20 cm van de bovenrand van de oven bevindt, wanneer alle grondstoffen zijn gebruikt of wanneer de werkdag eindigt.
- Het verkolen is voltooid als er geen vlammen meer zijn. Wacht 10-15 minuten na het toevoegen van het laatste stuk grondstof om de vlammen te doven. Er zullen altijd een paar grotere stukken zijn die niet volledig verkolen, wat geen probleem is.
- Gebruik voor het blussen een stalen hark om de hete, gloeiende kolen in de oven waterpas te zetten.
- Plaats een meetlat verticaal in de oven, tegen de ovenwand, zodat het ene uiteinde de waterpas raakt. Maak in de D-MRV-applicatie een foto van de meetlat die de diepte van de houtskool in de oven laat zien door naar het gedeelte De Biochar meten te navigeren en op de knop Een foto maken te klikken.
- Voer in het tekstinvoerveld voor de vraag Wat is de aflezing van de bovenkant van de biochar tot de bovenkant van de oven, de waarde op de meetlat in.
- Herhaal deze meting en foto-opname nog twee keer op verschillende locaties in de oven door op de knop Verzenden en nog een foto toevoegen te klikken.
- Maak onmiddellijk na het rapporteren van de houtskooldieptemetingen een foto van het identificatielabel van de oven voor verificatiedoeleinden.
- Meet de dichtheid van de char bulk.
- Wanneer de biochar-batch is voltooid, maar voordat u gaat blussen, vult u een metalen emmer met hete gloeiende kolen die uit de oven zijn geschept. Weeg de emmer om het tarragewicht te krijgen met behulp van een hangende weegschaal. Maak een foto om het gewicht vast te leggen.
- Vul de emmer met hete kolen en weeg deze, maak een foto om het gewicht vast te leggen.
- Herhaal de bemonsteringsprocedure (4.5.1-4.5.2) nog twee keer, waarbij monsters worden genomen uit verschillende delen van de oven en de waarde met een foto wordt genoteerd.
- Blus af met water.
- Begin water onder lage druk in de oven te spuiten totdat het hitteschild voldoende is afgekoeld om aan te raken. Verwijder alle hitteschildpanelen en stapel ze uit de weg.
- Verwijder tijdens het sproeien van water verschillende ovenpanelen en hark de houtskool in een dunne laag om af te koelen. Blijf spuiten en harken totdat de houtskool helemaal is afgekoeld. De biochar moet koel genoeg zijn om er een hand in te steken.
- Verwijder onverbrande stukken en noteer ze. Verwijder gedeeltelijk verkoolde stukken en leg ze in een enkele laag op een van de ovenpanelen, met de meetlat ernaast. Maak met behulp van de D-MRV-applicatie een foto van de onvolledig verkoolde stukken.
Representative Results
Een goed georganiseerde en geïmplementeerde biochar-batch met behulp van de Ring of Fire-oven zal 2-3 m3 biochar produceren in 4-5 uur brandtijd. Het gebruik van de CM002-componentmethodologie en het registreren van verbrandingsparameters in de D-MRV-toepassing is bedoeld om een gecertificeerde verificateur in staat te stellen het productievolume van de batch biochar en de kwaliteit van de biochar te bevestigen. Meer informatie over de methodologie is te vinden in de Aanvullende Informatie (Aanvullend Dossier 1).
De procesverificatiepunten voor een typische batch biochar gemaakt in de Ring of Fire-oven worden hier vermeld (Figuur 2). Tabel 1 geeft typische waarden weer zoals gemeten in het veld of bepaald door verificatie.
1. Rapporteer het type grondstof.
2. Grondstofgrootte: afbeelding van grondstofstapel met een liniaal op zijn plaats.
3. Grondstofvocht: een afbeelding met de vochtmeterstand van het grootste stuk van elke grondstofsoort.
4. Ontsteking: Een video uit de jaren 30 die het begin van de verbranding van de oven en de opnametijd van de start laat zien. Op video is te zien dat er een sterke vlamkap is ontstaan.
5. Productietemperatuurverificatie op basis van de aanwezigheid van de vlam: drie video's van 30 seconden tonen een sterke aanwezigheid van de vlam tijdens de verbranding.
6. Biochar-volume: drie foto's van meetlat in de oven om de hoogte van de niveauchar in de oven op drie locaties te laten zien. De gemeten afstanden van de bovenkant van de oven tot de houtskool worden gemiddeld tot één waarde voor berekeningen.
7. Bulkdichtheid: Een afbeelding van de weegschaal met het leeggewicht van de emmer. Drie foto's van de schaal die het gewicht van de kolen en de emmer laten zien. Char genomen van 3 locaties in de oven. De drie gewichtsmetingen worden gemiddeld tot één waarde voor berekeningen
Figuur 2: Infographic met de procesverificatiepunten. De procesverificatiepunten voor een typische batch biochar gemaakt in de Ring of Fire-oven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Gegevenspunt #1 | Gegevenspunt #2 | Gegevenspunt #3 | ||||
| Soorten grondstoffen | Dennen 50% | spar 50% | ||||
| Uitlezing vochtmeter | 19% | 23% | ||||
| Volume van lege ovencilinder | 4,3 m3 | |||||
| Hoogte van ovencilinder | 1 m boven NN | |||||
| Hoogte van het koolpeil in de oven | 60 cm | 61 cm | 59 cm | |||
| Leeg gewicht van 7 liter emmer | 0,6 kg | |||||
| Gewicht van emmer met houtskool | 1,8 kg | 1,9 kg | 2,0 kg | |||
| Databasewaarde van het koolstofgehalte van char | 86.8% | |||||
| Koolstof stabiliteitsfactor | 0.74 | |||||
Tabel 1: Representatieve waarden die worden gebruikt om de productieresultaten en verwerkingsparameters te verifiëren voor een typische partij biochar geproduceerd in een Ring of Fire-biocharoven.
Aan de hand van deze controlepunten stelt de verificateur vast dat de biochar is gemaakt met geschikte grondstoffen en bij een temperatuur van meer dan 600 °C om te voldoen aan de vereisten van de CM002-componentmethodologie voor stabiliteit op lange termijn. Hierdoor kan de koolstofstabiliteitsfactor van 0,74 voor een permanentie van 100 jaar worden toegepast op de biochar-batch. Om het volume van de biochar-batch te bepalen, gebruikt de verificateur het volume van de lege oven zoals geverifieerd door het oven-ID-label (4,3m3) en de hoogte van het houtskoolniveau in de oven (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Aangezien de oven voor 60% gevuld is, is het volume houtskool 0,6 x 4,3m3 = 2,6m3. De verificateur berekent vervolgens de bulkdichtheid van de biochar op basis van emmermetingen. Als u het emmergewicht van 0,6 kg van elke meting aftrekt, krijgt u waarden van 1,2 kg, 1,3 kg en 1,4 kg die gemiddeld zijn 1,3 kg/7 l. Dit komt overeen met 185,7 kg/m3. Daarom is het drooggewicht van de geproduceerde biochar (185,7 kg/m3) x (2,6 m3) = 483 kg.
De verificateur kan het koolstofgehalte van de biochar uit een database halen, of in dit geval uit een eenvoudige laboratoriumtest die een koolstofgehalte van 86.8% bevestigde van een partij gemengd naaldhout geproduceerd in een Ring of Fire Kiln in Sonoma County, Californië in 2021. De test werd uitgevoerd door Control Laboratories uit Watsonville, CA23. De koolstofstabiliteitsfactor van 0,74 wordt toegepast. Daarom wordt het stabiele organische koolstofgehalte op basis van droog gewicht voor biochar afgeleid van de massa van biochar, het gehalte aan organische koolstof en de 100-jarige stabiliteitsfactor voor een eindwaarde van (483) x (0.868) x (0.74) = 310.2 kg stabiele koolstof. Om tot de uiteindelijke waarde van de koolstofverwijdering te komen, wordt de projectlekkage afgetrokken en worden de juiste veiligheidsmarges toegepast, samen met de conversiefactor van vaste koolstof naar kooldioxide, zoals beschreven in aanvullend bestand 1. De gecertificeerde biochar-verwijderingswaarde van de biochar hangt af van de definitieve verificatie dat de biochar op grond of compost is aangebracht en niet is verbrand of anderszins geoxideerd.
Aanvullend dossier 1: Gedetailleerde informatie over de methodologie en berekeningen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Discussion
Verschillende biomassasoorten zullen biochar produceren met verschillende fracties koolstof en as, ongeacht de productietemperatuur, vanwege de elementaire samenstelling van de biomassa24. Omdat de bestaande databases met biochar-kenmerken voor verschillende grondstoffen niet volledig zijn, moeten projecten mogelijk monsters indienen voor laboratoriumanalyse om het organische koolstofgehalte van de biochar te verifiëren. Om de projectkosten laag te houden, raden we een eenvoudige laboratoriumprocedure aan die tegen lage kosten kan worden uitgevoerd door studenten in schoollaboratoria op de middelbare school of community college niveau25. In de loop van de tijd, naarmate er meer projecten in de praktijk worden uitgevoerd, zal de database met biochar-koolstofgehaltewaarden voor verschillende soorten grondstoffen groeien en bruikbaarder worden.
Veel van de D-MRV-metingen zijn bedoeld om te verifiëren dat de productieomstandigheden optimaal zijn voor het produceren van biochar met kenmerken die nauw overeenkomen met databasewaarden. Deze belangrijke metingen zijn de vochtigheid van de grondstof en de videoserie die de kwaliteit van de brandende verbranding documenteert, die de productietemperatuur en de resulterende stabiliteit van de koolstof in de biochar bepaalt.
Hoewel het meten van het volume biochar dat in de oven wordt geproduceerd eenvoudig is, is het bepalen van de droge massa van de geproduceerde biochar niet eenvoudig. Werken met biochar is een uitdaging omdat de complexe deeltjesdichtheid van het materiaal het moeilijk maakt om bulkdichtheidsmetingen te bepalen26. Als biochar eenmaal is geblust, is het niet mogelijk om een droog gewicht van een bepaald volume biochar in het veld te krijgen. De droge bulkdichtheid van biochar kan echter in het veld worden gemeten door een metalen emmer met een bekend volume met hete kolen te vullen en te wegen. Deze procedure kan ons een goede benadering geven van de droge massa van de biochar.
Een belangrijk nadeel van deze methodologie is de inherente variabiliteit van de veldwerkzaamheden, inclusief de variabiliteit van de grondstoffen en het vaardigheidsniveau van de operator. De operator moet de beladingssnelheid van de grondstof bepalen en werken om een sterke vlam in de oven te behouden. Als de vlam niet in stand wordt gehouden door overbelasting, heeft dit invloed op de temperatuur van de houtskoolvorming en dus op de stabiliteit van de verkoling. Dit kan het beste worden aangepakt door een effectief trainingsprogramma voor operators. Training van werknemers en veiligheidsprotocollen zijn cruciaal voor het succes van de productie van biochar ter plaatse. Gezien de arbeidsbehoeften zullen opleidingsprogramma's goed georganiseerd moeten zijn en op grote schaal beschikbaar moeten worden gesteld27.
Een andere beperking van de methodologie is de variabiliteit in de uitvoering van de D-MRV-metingen. Het vochtgehalte van de grondstof kan binnen een bepaalde batch behoorlijk variëren, zelfs als alle grondstoffen verder uniform zijn. De methode om tijdens het proces drie snapshotvideo's van de vlam te maken om te controleren of de juiste temperaturen zijn bereikt, wordt beperkt door de dynamische aard van de verbranding. Drie snapshotvideo's zijn mogelijk niet representatief voor het hele proces. Een haalbare kruiscontrole van deze meting is simpelweg weten hoe lang de verbranding duurde en hoeveel biochar werd geproduceerd, omdat niet-optimale temperatuuromstandigheden zullen resulteren in lagere productievolumes. De D-MRV-metingen van bulkdichtheid en volume in het veld zijn beperkt in hun precisie; Dit wordt echter gecompenseerd door veiligheidsmarges te gebruiken om ervoor te zorgen dat de eindwaarden conservatief zijn en de koolstofverwijdering niet overschatten.
Operationele logistiek draagt ook bij aan de variabiliteit van biochar-productieparameters en het succes van projecten. Bij de operationele logistiek moet rekening worden gehouden met factoren als het weer, het terrein, de toegang, de veiligheid van de werknemers, training, gereedschappen en uitrusting en de beschikbaarheid van water. De meeste gereedschappen en benodigdheden die nodig zijn om biochar te maken, zijn standaarduitrusting die wordt verstrekt aan brandweerlieden en boswachters. Specifieke gereedschappen die nodig zijn voor het implementeren van D-MRV met de Ring of Fire-biochar-oven worden vermeld in het bestand Materiaaltabel .
Het maken van biochar in het veld uit afvalbiomassa moet concurreren met het alternatief van open verbranding of verbranding, wat het voordeel heeft van zeer lage kosten. De marginale kosten van het maken van biochar versus open verbranding hebben vooral te maken met de toegenomen arbeidsvereisten, aangezien de kapitaalkosten van de eenvoudige vlamkapovens laag zijn27. Tot op heden zijn er niet genoeg grootschalige projecten met robuuste gegevensverzameling om de werkelijke marginale kosten van de productie van biochar ten opzichte van verbranding vast te stellen. Eén voorbeeld kan echter het potentieel van koolstoffinanciering aantonen om de leemte op te vullen.
Watershed Consulting in Missoula, MT, behandelde in 2021 slash verdund van 21 hectare gemengd naaldbos in West-Montana met behulp van Ring of Fire biochar-ovens28. De totale projectkosten bedroegen $ 42,302.00 en de totale biochar-opbrengst was 112.5 kubieke meter. Met behulp van onze eigen standaardaannames over biochar-kenmerken gemaakt in vlamdopovens, schatten we dat het project 31.75 ton CO2 heeft vastgelegd tegen $ 1,332.35 per ton. De kosten van het stapelen en verbranden van het materiaal zouden $ 15,750.00 zijn geweest, waardoor er een marginale kost van $ 26,552.00 overbleef om biochar te maken in plaats van verbranding, of $ 836.28 per ton geproduceerde biochar. Die marginale kosten zouden op zijn minst gedeeltelijk kunnen worden gecompenseerd door koolstofverwijderingsbetalingen van $ 100 tot $ 200 per ton CO2 , wat het belang van het D-MRV-proces bevestigt. Om het economische plaatje van het project compleet te maken, is het belangrijk dat financieringsautoriteiten de ecosysteemvoordelen erkennen van het voorkomen van bodemschade door littekens van brandstapels, verminderde uitstoot van broeikasgassen en luchtverontreiniging door deeltjes, evenals het terugbrengen van houtskool naar bosbodems voor het vasthouden van vocht, nutriëntenkringloop en bodemgezondheid.
De gedetailleerde methoden die in dit artikel worden beschreven, zullen individuen en groepen die werken in ecosystemen die worden beïnvloed door uitheemse invasieve soorten, droogte en bosbranden helpen om economisch haalbare biomassa-naar-biochar-projecten te implementeren die bodems en inheemse ecosystemen kunnen verbeteren en herstellen, terwijl de uitstoot van broeikasgassen wordt vermeden en koolstof wordt vastgelegd voor klimaatmitigatie. Ondanks de variabiliteit en het gebrek aan precisie in de metingen en verificatiepunten in deze praktische veldmethodologie, concluderen we dat het nog steeds een waardevolle benadering is om koolstof vast te leggen in veldsituaties waar andere benaderingen, zoals het transport van biomassa naar een industriële pyrolyse-installatie, niet praktisch zijn.
Disclosures
Auteur Kelpie Wilson is de uitvinder en fabrikant van de Ring of Fire Biochar Kiln. Auteur Wihan Bekker is mede-eigenaar van African Data Technologies (Pty) Ltd., ontwikkelaar van de CM002 Component Methodology en het Ikhala D-MRV-rapportageplatform.
Acknowledgments
Veel dank aan het US Biochar Initiative en de USDA Forest Service voor het sponsoren en ondersteunen van het Biochar in the Woods-netwerk voor het delen van informatie tussen een verscheidenheid aan beoefenaars die methoden bedenken en verfijnen om biochar te maken en te gebruiken voor milieubeheer en klimaatmitigatie.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Digital hanging scale | AvaWeigh | HSD40 | 44 pound scale for weighing produce |
| Ikhala smart phone app | AD Tech | N/A | download from Android or Apple app store |
| Metal ruler | Azbvek | ZG0044-New | Stainless Steel 100 cm Ruler |
| Ring of Fire Kiln | Wilson Biochar | ROF 1.2 | Panel style flame cap kiln with heatshield |
| Smart phone | any | N/A | must use either I-OS or Android operating system |
| Steel utility pail - 7 liter | Behrens | 120GS | galvanized steel utility bucket |
| Wood moisture meter | General Tools | MMD4E | Digital moisture meter, pin type with LCD display |
References
- Jerrett, M., Jina, A. S., Marlier, M. E. Up in smoke: California's greenhouse gas reductions could be wiped out by 2020 wildfires. Environmental Pollution. 310, 119888 (2022).
- Case, M. J., Johnson, B. G., Bartowitz, K. J., Hudiburg, T. W. Forests of the future: Climate change impacts and implications for carbon storage in the Pacific Northwest, USA. Forest Ecology and Management. 482, 118886 (2021).
- Korb, J. E., Johnson, N. C., Covington, W. W. Slash pile burning effects on soil biotic and chemical properties and plant establishment: Recommendations for amelioration. Restoration Ecology. 12 (1), 52-62 (2004).
- Page-Dumroese, D. S., Busse, M. D., Archuleta, J. G., McAvoy, D., Roussel, E. Methods to reduce forest residue volume after timber harvesting and produce black carbon. Scientifica. 2017, 2745764 (2017).
- Pingree, M. R. A., Homann, P. S., Morrissette, B., Darbyshire, R. Long and short-term effects of fire on soil charcoal of a conifer forest in Southwest Oregon. Forests. 3 (4), 353-369 (2012).
- DeLuca, T. H., Aplet, G. H. Charcoal and carbon storage in forest soils of the Rocky Mountain West. Frontiers in Ecology and the Environment. 6 (1), 18-24 (2008).
- Page-Dumroese, D. S., Coleman, M. D., Thomas, S. C. Opportunities and Uses of Biochar on Forest Sites in North America. Biochar: A Regional Supply Chain Approach in View of Climate Change Mitigation. Uzun, B. B., Apayd?n Varol, E., Liu, J., Bruckman, V. J. , Cambridge University Press, Cambridge. (2016).
- Ogawa, M., Okimori, Y. Pioneering works in biochar research, Japan. Soil Research. 48 (7), 489-500 (2010).
- Inoue, Y., Mogi, K., Yoshizawa, S. J. A. K. Properties of cinders from red pine, black locust and henon bamboo. , https://biochar.jp/pdf/6 PropertiesOfCinders.pdf (2019).
- Boateng, A. A., Garcia-Perez, M., Mašek, O., Brown, R., del Campo, B. Biochar Production Technology. Biochar for Environmental Management. , Routledge, London. 63-87 (2015).
- Cornelissen, G., et al. Emissions and char quality of flame-curtain" Kon Tiki" Kilns for Farmer-Scale charcoal/biochar production. PloS One. 11 (5), e0154617 (2016).
- Lehmann, J., Gaunt, J., Rondon, M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 11 (2), 403-427 (2006).
- Babrauskas, V.
- McDonald-Wharry, J. 2013-2014 survey of chars using Raman spectroscopy. C. Journal of Carbon Research. 7, 63 (2021).
- Woods, W. I., Teixeira, W. G., Lehmann, J., Steiner, C., WinklerPrins, A., Rebellato, L. Charcoal making in the Brazilian Amazon: Economic Aspects of Production and Carbon Conversion Efficiencies of Kilns. Amazonian Dark Earths: Wim Sombroek's Vision. , Springer, Dordrecht. (2009).
- Rocky Mountain Research Station. , https://www.fs.usda.gov/research/rmrs (2023).
- Etter, H., Vera, A., Aggarwal, C., Delaney, M., Manley, S. Methodology for biochar utilization in soil and non-soil applications. Verified Carbon Standard. , https://verra.org/methodologies/methodology-for-biochar-utilization-in-soil-and-non-soil-applications/ (2021).
- Ithaka Institute for Carbon Strategies Guidelines for carbon sink certification for artisan biochar production. , https://www.carbon-standards.com/docs/7c831c99c4c1f3639703621518a5cd87_artisan-c-sink-guidelines_v1_0.pdf (2022).
- African Data Technologies. , https://www.africandata.tech (2023).
- Puettmann, M., Sahoo, K., Wilson, K., Oneil, E. Life cycle assessment of biochar produced from forest residues using portable systems. Journal of Cleaner Production. 250, 119564 (2020).
- Robillard, T. (2019). Innovations in Biochar - new CSP enhancement helps forest owners convert tree debris to soil-friendly, carbon-storing biochar. Natural Resources Conservation Service. , https://www.nrcs.usda.gov/conservation-basics/conservation-by-state/oregon/news/innovations-in-biochar (2023).
- Ring of Fire Kiln Brochure. , www.wilsonbiochar.com (2023).
- Young, G. Potter Valley Tribe Biochar Results. , https://wilsonbiochar.com/blog/f/potter-valley-tribe-biochar-results (2023).
- Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresource Technology. 114, 644-653 (2012).
- Feher, S. Simple lab method for determining carbon content of biochar. , https://biochar-us.org/simple-lab-method-determining-carbon-content-biochar-2022 (2023).
- Brewer, C. E., Levine, J. Weight or volume for handling biochar and biomass. The Biochar Journal. , www.biochar-journal.org/en/ct/71 (2015).
- Wilson, K. elpie J. A carbon conservation corps to restore forests with biochar using flame cap kilns. 2021 ASABE Annual International Virtual Meeting. , 2100361 (2021).
- VanderMeer, M. Time and motion study results using an in-woods flame-cap kiln. US Biochar Initiative, Biochar in the Woods Symposium. , https://biochar-us.org/presentations-biochar-woods-webinar-and-field-days-jan-feb-2022 (2023).
