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Produire, caractériser et quantifier le biochar dans les bois à l’aide de fours à chapeau à flamme portables

Published: January 5, 2024 doi: 10.3791/65543
Automatic Translation
1, 2, 3
1Wilson Biochar Associates, US Biochar Initiative, 2African Data Technologies (Pty) Ltd., 3Sustainable Community Development Institute, Butte Community College

Summary

De nouvelles méthodes d’élimination des tas de déblais forestiers en place produisent du carbone pyrogène pour restaurer la santé des sols forestiers et pour l’élimination et la séquestration du carbone. Nous présentons ici une méthode de production de biochar intégrant une nouvelle méthodologie de comptabilisation de l’élimination du carbone et une application numérique.

Abstract

L’un des plus grands défis liés à l’utilisation de la biomasse forestière non commerciale est sa nature largement distribuée. La meilleure solution au problème de la biomasse, pour éviter des coûts de traitement (déchiquetage) et de transport coûteux et à forte intensité de carbone, est de la traiter sur place. Cependant, les tas de brûlis conventionnels ont des effets destructeurs sur le sol forestier et n’offrent aucun avantage autre que la réduction du combustible. La conversion des déblais forestiers en biochar sur place présente de nombreux avantages écologiques par rapport à la pratique actuelle d’élimination des déblais par incinération dans des tas de brûlis, notamment une réduction du réchauffement du sol et des émissions de particules, ainsi que de multiples avantages du biochar pour la santé du sol forestier et la capacité de rétention d’eau lorsqu’il est laissé en place. La fabrication de biochar sur place dans les bois est un moyen de restituer aux sols forestiers un composant pyrogène du carbone qui manquait en raison de l’histoire récente de la suppression des incendies. Le biochar est également une méthode de pointe d’élimination et de séquestration du carbone pour l’atténuation du changement climatique. Dans cette étude, nous documentons une méthode de fabrication de biochar à l’aide d’un four à biochar portable. Cette méthode peu coûteuse utilise des équipes manuelles équipées d’eau pour tremper les fours avant que le biochar ne soit réduit en cendres. Des techniques simples de quantification et de caractérisation du biochar produit sont incorporées à la méthode dans le but de mesurer l’impact et de se qualifier pour des certificats d’élimination du carbone afin d’aider à payer le coût des travaux. Nous décrivons la méthodologie des composants CM002 qui fournit des procédures normalisées pour la quantification des avantages en matière de GES au cours de trois étapes du processus : l’approvisionnement en biomasse résiduelle, la production de biochar et l’application de biochar dans le sol. La méthodologie CM002 est basée sur les meilleures pratiques internationales, y compris les plus récentes méthodologies VCS VM0044 Standards et EBC C-Sink Artisan Standards. Des méthodes de quantification fiables utilisant des facteurs de sécurité appropriés sont la première étape essentielle vers l’éligibilité au financement de l’élimination du carbone.

Introduction

Dans de nombreuses régions du monde, y compris l’ouest des États-Unis, le changement climatique, la sécheresse et les espèces exotiques envahissantes ont créé une crise des incendies de forêt qui menace les écosystèmes et les communautés. Lorsque les forêts et les zones boisées brûlent de manière incontrôlable, de grandes quantités de particules et de gaz à effet de serre sont émises dans l’atmosphère, avec des conséquences dévastatrices pour la santé humaine et le climat. Par exemple, on estime que les incendies de forêt en Californie en 2020 ont libéré environ 127 millions de mégatonnes d’émissions de gaz à effet de serre, soit environ deux fois le montant total des réductions d’émissions de GES de la Californie de 2003 à 20191. De plus en plus, les scientifiques et les gestionnaires des terres étudient les actions humaines qui peuvent aider à restaurer ces forêts et ces terres boisées et leurs services écosystémiques. L’éclaircissage manuel et l’élimination de l’excédent de biomasse est l’une des actions les plus importantes à entreprendre2. L’enlèvement de la biomasse comprend son élimination, et lorsque la biomasse est située dans des endroits éloignés et difficiles d’accès, il y a peu d’autres options que l’incinération sur place dans des tas de déblais non gérés. Les tas de brûlis non gérés éliminent les combustibles du paysage, mais ils endommagent les sols forestiers, car la chaleur concentrée sous les tas incinère l’horizon organique du sol, laissant derrière lui un sol nu vulnérable à l’érosion et à la colonisation par des espèces envahissantes. Il peut s’écouler des décennies avant que l’horizon organique du sol ne se régénère dans une cicatrice de tas de brûlis3. Les tas de brûlis non gérés sont également une source d’émissions de particules et de gaz à effet de serre. La fumée provenant du brûlage des tas de déblais limite également la fenêtre de combustion dans les bassins versants où la qualité de l’air est limitée, ce qui rend plus difficile l’exécution du travail.

Des chercheurs du Service des forêts de l’USDA ont examiné l’alternative de la production de biochar à partir de matériaux de coupe et ont identifié plusieurs techniques prometteuses, notamment la possibilité d’utiliser de petits fours à biochar mobiles dans la forêt4. La conversion des déblais forestiers en biochar sur place présente de nombreux avantages écologiques par rapport à la pratique actuelle d’élimination des déblais par incinération dans des tas de brûlis, notamment une réduction du réchauffement du sol et des émissions de particules. Le biochar produit sur place peut être retiré et utilisé dans l’agriculture, ou il peut être laissé en place où il remplit plusieurs fonctions dans la restauration de la santé des forêts et l’amélioration de l’adaptation au changement climatique et à la sécheresse. Étant donné que jusqu’à 50 % du carbone total dans de nombreux sols forestiers est du charbon de bois provenant d’incendies naturels historiques5, laisser du biochar sur le site où il est fabriqué peut restaurer le charbon de bois du sol forestier qui est souvent absent des horizons de sol récents en raison de la suppression des incendies, avec des impacts inconnus sur les processus écosystémiques6. Le biochar laissé en place sur les sols forestiers peut imiter les effets du charbon de bois produit par le feu naturel et produire des effets similaires sur la teneur en carbone du sol et les propriétés physiques, chimiques et biologiques du sol7.

Au cours des dernières années, un réseau international de travailleurs forestiers, de propriétaires forestiers, de chercheurs et de consultants en biochar a mis au point une série de méthodes de carbonisation pour convertir les déblais forestiers en biochar sur place comme alternative à l’incinération des tas de déblais. Ces méthodes sont basées sur le principe de la carbonisation à la flamme, d’abord développé et commercialisé au Japon sous le nom de « four de carbonisation sans fumée » proposé par la société Moki8. Ce four à anneau d’acier produit du biochar bien carbonisé avec une efficacité de conversion de la biomasse en biochar de 13 % à 20 %, selon la matière première utilisée9.

Le processus de production de biochar ou de charbon de bois est souvent appelé pyrolyse, la séparation des composants de la biomasse par la chaleur en l’absence d’oxygène. C’est généralement ce qu’on appelle la pyrolyse de l’autoclave, où la biomasse est physiquement isolée de l’air dans un récipient chauffé de l’extérieur. Cependant, la pyrolyse peut également avoir lieu en présence d’un air limité, comme dans la gazéification et la carbonisation à la flamme, car les combustibles solides comme le bois brûlent par étapes. Lorsque la chaleur est appliquée à la biomasse, la première étape de la combustion est la déshydratation, car l’eau s’évapore du matériau. Vient ensuite la dévolatilisation et la formation simultanée de carbonisation, également connue sous le nom de pyrolyse. Un gaz volatil contenant de l’hydrogène et de l’oxygène est libéré et brûlé dans une flamme, ajoutant continuellement de la chaleur au processus. Au fur et à mesure que le gaz est libéré, le carbone restant est converti en carbone aromatique, ou carbon. L’étape finale de la combustion est l’oxydation du charbon en cendres minérales10.

Étant donné qu’il s’agit de phases discrètes qui se produisent dans un processus de combustion ouvert, nous avons la possibilité d’arrêter le processus après la formation de la carbonisation en éliminant l’air ou la chaleur. Ceci est accompli pendant le processus de production de biochar en ajoutant continuellement de nouveaux matériaux au tas de brûlage afin que le charbon chaud soit enterré par un nouveau matériau qui coupe le flux d’oxygène. Le charbon de bois chaud s’accumule dans le fond du tas et est empêché de brûler en cendres tant que la flamme est présente, car la flamme consomme la majeure partie de l’oxygène disponible. Lorsque tout le combustible a été ajouté au tas, la flamme commence à s’éteindre. À ce stade, le charbon de bois chaud peut être conservé en éliminant l’oxygène et la chaleur, généralement en pulvérisant les charbons avec de l’eau et en les ratissant finement pour les refroidir11.

Le principe de base du fonctionnement est celui de la combustion à contre-courant. L’air de combustion à contre-courant maintient la flamme basse et empêche l’émission de braises ou d’étincelles. La flamme brûle également la majeure partie de la fumée, ce qui réduit les émissions. En résumé, les principes suivants expliquent le fonctionnement de la combustion à contre-courant dans un four à chapeau de flamme : (1) le gaz s’écoule vers le haut tandis que l’air de combustion s’écoule vers le bas, (2) le flux à contre-courant est établi lorsque le combustible en combustion aspire l’air vers le bas, (3) les flammes restent basses et proches du combustible, minimisant ainsi les fuites de braises, (4) La fumée brûle dans la zone chaude, (5) Parce que tout l’air de combustion vient d’en haut, il est consumé par les flammes (6) Très peu d’air est capable d’atteindre les charbons non brûlés qui tombent au fond du four, (7) Les charbons sont conservés jusqu’à la fin du processus lorsqu’ils sont trempés ou éteints.

En plus de ses avantages pour le sol, le biochar est également une méthode de pointe d’élimination du carbone pour l’atténuation du changement climatique. Jusqu’à la moitié du carbone de la biomasse ligneuse peut être convertie en carbone aromatique stable sous forme de biochar12. Cependant, toutes les technologies de pyrolyse ne produisent pas la même quantité de carbone récalcitrant qui reste stable dans les sols pendant 100 ans ou plus (la mesure clé pour déterminer la valeur d’élimination du carbone). La stabilité du biochar est étroitement corrélée à la température de production. On estime que la température adiabatique de la flamme du bois brûlé est proche de celle du propane, soit 1 977 °C13. La production de biochar dans un four à chapeau de flamme est étroitement couplée à la flamme, sans perte de transfert de chaleur par conduction à travers une paroi métallique, comme dans la pyrolyse de l’autoclave. Par conséquent, nous nous attendons à ce que la température de production soit élevée tant qu’une flamme est maintenue pendant le processus. Une étude de l’omble chevalier à l’aide de la spectroscopie Raman14 a révélé qu’un échantillon de biochar provenant d’un four à chapeau à flamme (fourni par l’auteur principal Kelpie Wilson) figurait parmi les trois échantillons présentant la température apparente de formation de l’omble la plus élevée, de l’ordre de 900 °C.

Des thermocouples sont nécessaires pour accéder à l’intérieur de la combustion et mesurer avec précision la température de production de biochar dans un four à chapeau de flamme ou un tas de brûlure, et ceux-ci sont coûteux et ne sont pas disponibles pour les producteurs de faible technologie. C’est pourquoi nous avons utilisé une méthode décrite par des chercheurs travaillant en Amazonie brésilienne qui utilise des crayons chauffants (utilisés par les soudeurs pour vérifier la température des pièces métalliques) qui fondent à une température calibrée15. Les briques sont marquées avec des crayons de couleur, enveloppées dans du papier d’aluminium et placées à divers endroits dans le four pendant la production. Nous avons utilisé cette méthode à plusieurs reprises et avons déterminé que les températures du four dépassaient 650° C, car les marques de crayon étaient complètement fondues. Il s’agira d’une méthode utile pour confirmer les températures de production si nécessaire ; Cependant, le principal point de vérification sera de documenter la présence de flammes partout.

Il n’y a pas beaucoup de données publiées sur les caractéristiques du biochar fabriqué par des méthodes de carbonisation à la flamme de faible technologie. Cependant, des échantillons de biochar fabriqués par des méthodes de carbonisation à la flamme dans plusieurs types de fours ont été analysés par Cornellissen et al. et se sont avérés conformes aux normes du certificat européen de biochar (EBC) pour le biochar, y compris une faible teneur en HAP et une grande stabilité du biochar. De plus, le biochar produit à partir de matières premières ligneuses et herbacées avait une teneur moyenne en carbone de 76 %11. La stationde recherche 16 du Service des forêts des États-Unis dans les montagnes Rocheuses a analysé cinq échantillons de biochar provenant de fours à chapeau de flamme et de tas de brûlis fabriqués lors d’une journée sur le terrain en Californie en 2022. La teneur moyenne en carbone des échantillons était de 85 %. Compte tenu de ces résultats, nous pouvons conclure qu’il est probable que le biochar fabriqué à partir de résidus ligneux dans les fours à chapeau de flamme répondra aux exigences de base pour une élimination vérifiée du carbone : une teneur élevée en carbone et une grande stabilité du biochar.

Deux protocoles d’élimination du carbone pour la production de biochar low-tech et basée sur le lieu ont maintenant été publiés par Verra17 et le protocole C-Sink18 de l’European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink. Ces protocoles nouvellement développés sont prometteurs ; Cependant, ils présentent certaines limites lorsqu’ils sont appliqués aux forêts, aux terres boisées et à d’autres paysages menacés par la sécheresse et les incendies de forêt. En conséquence, cet article décrira une nouvelle méthodologie, la méthodologie CM002 V1.0, de AD Tech19, qui est en cours d’élaboration spécifiquement pour la carbonisation à la flamme des débris ligneux dans le cadre d’activités de gestion de la végétation et de réduction de la charge de combustible. L’analyse du cycle de vie confirme que la séquestration du carbone du biochar à l’aide de la production de biochar sur site à partir de la biomasse ligneuse dans les fours à chapeau de flamme produit un avantage net d’élimination du carbone20. La mise en œuvre réussie de protocoles d’élimination du carbone peut aider à soutenir financièrement les travaux vitaux de réduction des combustibles qui doivent être entrepris pour protéger les communautés et les écosystèmes contre les incendies de forêt et la dégradation des écosystèmes. Afin d’accéder aux paiements d’élimination du carbone, les mesures sur le terrain et les méthodes numériques de surveillance, de déclaration et de vérification (D-MRV) sont intégrées en tant que pratiques de routine dans la méthodologie de production de biochar décrite ici. Les détails de la plate-forme sont abordés dans les informations supplémentaires (fichier supplémentaire 1).

Bien que plusieurs modèles de fours à chapeau de flamme à source ouverte soient fabriqués par des particuliers pour leur propre usage21, à notre connaissance, à l’heure actuelle, il n’y a qu’un seul four à chapeau de flamme d’une capacité supérieure à un mètre cube qui est produit en série pour la vente en Amérique du Nord, le four du Cercle de feu22, Un four à chapeau de flamme léger et portable conçu pour faciliter la mobilité à l’aide d’équipes manuelles. Le four se compose d’un anneau intérieur composé de six feuilles d’acier doux fixées ensemble. Un anneau extérieur composé d’acier de calibre plus léger se boulonne sur les supports qui maintiennent l’anneau intérieur ensemble. L’anneau extérieur sert de bouclier thermique qui retient la chaleur pour une meilleure efficacité. Le haut du four est ouvert à l’air, et c’est là que se forme le chapeau de flamme. L’air qui circule à travers l’espace annulaire entre le corps du four principal et le bouclier thermique fournit de l’air de combustion préchauffé au four, ce qui augmente encore l’efficacité de la combustion (Figure 1)

Figure 1
Figure 1 : Schéma montrant le débit d’air, les caractéristiques de la flamme et l’accumulation de charbon dans le four du Cercle de feu. L’air de combustion à contre-courant attire la fumée dans la zone chaude, où elle brûle. L’air qui circule à travers l’espace annulaire entre le corps du four principal et le bouclier thermique fournit de l’air de combustion préchauffé au four, ce qui augmente encore l’efficacité de la combustion. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le diamètre du four est de 2,35 m, formant un cylindre d’un mètre de haut pour un volume total de 4,3 m3. En pratique, le four n’est jamais complètement rempli jusqu’en haut, de sorte qu’un lot de production typique remplira le four entre 1/2 et 3/4 pour un volume de biochar compris entre 2 et 3 mètres cubes.

Étant donné que le four à anneau de feu est de conception normalisée, il est adopté comme première technologie certifiée pour une utilisation dans la méthodologie des composants CM002 qui fournit des procédures normalisées pour la quantification des avantages en matière de gaz à effet de serre (GES). Des étapes de mesure et de collecte de données répondant aux exigences de la CM002 sont intégrées à la méthode. Le signalement se fait par le biais d’une application pour téléphone intelligent en répondant à de courts questionnaires tout au long du processus et en téléchargeant des photos et des clips vidéo sur l’application mobile.

Protocol

REMARQUE : Cette méthodologie utilise l’application pour téléphone intelligent Ikhala (ci-après dénommée application D-MRV ; Table des matériaux) d’accéder aux paiements d’élimination du carbone, aux mesures sur le terrain et à la surveillance, à la production de rapports et à la vérification numériques.

1. Collecte des matières premières et confirmation de leur adéquation

  1. Sélectionnez et signalez la taille de la matière première.
  2. Choisissez un matériau ligneux de moins de 15 cm de diamètre. Assurez-vous que tous les matériaux sont ramifiés ou de forme non uniforme afin qu’ils ne s’entassent pas trop et n’empêchent pas la circulation de l’air dans le four.
  3. Sur l’application D-MRV, cliquez sur le bouton Prendre une photo dans la section Matières premières pour ouvrir l’appareil photo. Avec l’appareil photo ouvert, visez le sujet (piles de matières premières sèches avec un bâton de mesure) et capturez l’image en appuyant sur le bouton de l’obturateur à l’écran.
  4. Déclarer les espèces de matières premières : Ouvrez l’application D-MRV et répondez au court questionnaire numérique indiquant les quantités de chaque type d’espèce. Les rapports sont basés sur des estimations visuelles.
  5. Déterminer et déclarer l’humidité de la charge d’alimentation.
    1. À l’aide d’un humidimètre à bois de chauffage standard, effectuez une lecture en insérant les broches au milieu de la plus grande pièce de chaque type de matière première.
    2. Sur l’application D-MRV, prenez une photo de chaque lecture d’humidimètre. Cliquez sur le bouton Prendre une photo dans la section de l’humidimètre et saisissez la valeur affichée sur l’humidimètre dans le champ de texte. Soumettez une photo et un texte pour chaque lecture de l’humidimètre.

2. Assemblage, chargement et allumage du four

  1. Sur un sol plat, dégagez les matières organiques inflammables d’un cercle d’environ 3 m de diamètre. Assemblez les 6 panneaux intérieurs du four en un cylindre à l’aide des supports de connexion,
  2. À l’aide d’une pelle ou d’un outil similaire, scellez le bord inférieur du cylindre avec une petite berme de terre minérale ou d’argile afin que l’air ne puisse pas pénétrer dans le four par le bas.
  3. Fixez les 6 panneaux de bouclier thermique aux supports de connecteur, en veillant à ce qu’un espace d’air soit laissé au bas du bouclier thermique afin que l’air puisse circuler à travers l’espace annulaire entre les cylindres intérieur et extérieur. Fixez l’étiquette d’identification du four au bouclier thermique à l’aide du matériel du bouclier thermique.
  4. Identifiez les fours utilisés dans le lot. Dans la section Préparation à la combustion , cliquez sur le bouton Prendre une photo pour prendre des photos du four assemblé et de l’étiquette d’identification et les soumettre pour chaque four sur le site.
  5. Chargez le four : Utilisez un matériau plus petit (2 à 6 cm d’épaisseur est idéal) et plus sec pour le chargement initial du four. Emballez le matériau jusqu’au bord du four, en disposant tout matériau non ramifié, comme les poteaux, de manière à ce qu’il ne soit pas trop serré et ne limite pas la circulation de l’air.
    REMARQUE : L’objectif est de s’assurer que le matériau est suffisamment serré pour soutenir une flamme, mais aussi pour permettre à l’air de combustion d’atteindre le bas de la pile.
  6. Allumez le four : Ajoutez de petits matériaux d’allumage secs sur le dessus du four chargé. Utilisez un accélérateur si nécessaire et allumez-le avec une allumette, ou utilisez un chalumeau au propane. Allumez le four à plusieurs endroits sur le dessus afin qu’un chapeau de flamme se développe rapidement sur l’ensemble du four.
  7. À l’aide de l’application D-MRV, prenez un clip vidéo de 30 s dès que le capuchon de flamme est établi. Dans la section Démarrer la gravure , cliquez sur le bouton Prendre une vidéo , puis cliquez sur le bouton Soumettre la vidéo .

3. Alimentation et entretien du four

  1. Au cours de la première phase de fonctionnement, l’air est aspiré du haut vers le bas du four, tandis que la charge initiale brûle principalement jusqu’à une couche de charbon. Assurez-vous que la première charge produit un bon lit de charbon avant d’ajouter plus de matériau. Ajoutez une nouvelle couche de matière première lorsque la couche précédente commence à montrer une pellicule de cendres blanches.
  2. Transition vers le chargement continu : Chargez de nouveaux matériaux dans le four à un rythme régulier. Essayez de garder chaque couche de bois du même diamètre pour que la carbonisation soit uniforme.
    1. Utilisez la flamme comme indicateur de la vitesse de chargement : laissez la flamme être le guide pour l’ajout de nouveaux matériaux. Assurez-vous qu’une bonne flamme forte est maintenue sur le dessus car c’est la source de chaleur pour faire du charbon.
    2. Si l’opérateur charge trop, trop vite, la flamme sera étouffée. Si cela se produit, faites une pause et attendez que la flamme revienne. Si l’opérateur ne charge pas assez de matériau, la flamme s’éteindra et le charbon commencera à brûler en cendres. Si cela commence à se produire, ajoutez plus de matériau pour maintenir la flamme.
  3. Vérifiez la présence de la flamme pendant la combustion comme indicateur d’une combustion propre et chaude qui minimisera les émissions de méthane et maximisera la formation stable de carbonisation.
    1. À l’aide de l’application D-MRV, prenez une vidéo de 30 s de la flamme environ 1 h après l’allumage du four. Accédez à la section Preuve de la qualité de la gravure et cliquez sur le bouton Preuve de la brûlure à la première heure .
    2. Cliquez sur le bouton Prendre une vidéo , appuyez sur Enregistrer pendant au moins 30 secondes, puis cliquez sur le bouton Soumettre la vidéo .
  4. Ajoutez le plus gros matériau au milieu de la brûlure pour qu’il ait le temps de carboniser complètement. Le four se remplira de biochar à des taux différents, en fonction du type de matière première, de la taille et de l’humidité.
  5. À l’aide de l’application D-MRV, prenez une vidéo de 30 secondes de la flamme à la fin de la deuxième heure de combustion. Cliquez sur le bouton Proof of Burn at Second Hour (Preuve de brûlure à la deuxième heure ), puis sur le bouton Prendre une vidéo . Appuyez sur Enregistrer pendant au moins 30 secondes et cliquez sur le bouton Envoyer la vidéo .
  6. À l’aide de l’application D-MRV, prenez une vidéo de 30 secondes de la flamme à la fin de la troisième heure de combustion. Cliquez sur le bouton Proof of Burn at Third Hour (Preuve de brûlure à la troisième heure ), puis sur le bouton Prendre une vidéo . Appuyez sur Enregistrer pendant au moins 30 secondes et cliquez sur le bouton Envoyer la vidéo .
  7. Au fur et à mesure que le four se remplit de charbons rougeoyants, faites les dernières couches de matériau de taille moyenne pour permettre aux plus gros morceaux de finir de carboniser.

4. Finition, trempe et mesure du biochar

  1. Terminez la combustion lorsque le biochar accumulé se trouve à moins de 10 à 20 cm du bord supérieur du four, lorsque la matière première est entièrement utilisée ou lorsque la journée de travail se termine.
  2. La carbonisation est terminée lorsqu’il n’y a plus de flammes. Attendez 10 à 15 minutes après avoir ajouté le dernier morceau de matière première pour que les flammes s’éteignent. Il y aura toujours quelques gros morceaux qui ne se carbonisent pas complètement, ce qui n’est pas un problème.
  3. Avant la trempe, utilisez un râteau en acier pour niveler les charbons chauds et incandescents dans le four.
    1. Placez un bâton de mesure verticalement dans le four, contre la paroi du four, de manière à ce qu’une extrémité touche le charbon de niveau. Sur l’application D-MRV, prenez une photo du bâton de mesure qui indique la profondeur de la carbonisation dans le four en naviguant jusqu’à la section Mesure du biochar et cliquez sur le bouton Prendre une photo .
    2. Dans le champ de saisie de texte de la question Quelle est la lecture du haut du biochar au sommet du four, entrez la valeur sur le bâton de mesure.
    3. Répétez cette mesure et l’enregistrement de la photo deux fois de plus à différents endroits dans le four en cliquant sur le bouton Soumettre et ajouter une autre photo .
  4. Immédiatement après avoir signalé les mesures de la profondeur de carbonisation, prenez une photo de l’étiquette d’identification du four à des fins de vérification.
  5. Mesurez la densité apparente de l’omble.
    1. Lorsque le lot de biochar est terminé, mais avant la trempe, remplissez un seau en métal avec des charbons incandescents chauds sortis du four. Pesez le seau pour obtenir le poids à vide à l’aide d’une balance suspendue. Prenez une photo pour noter le poids.
    2. Remplissez le seau de charbons ardents et pesez-le en prenant une photo pour noter le poids.
    3. Répétez la procédure d’échantillonnage (4.5.1-4.5.2) deux fois de plus, en prélevant des échantillons dans différentes parties du four et en enregistrant la valeur avec une photo.
  6. Tremper à l’eau.
    1. Commencez à pulvériser de l’eau à basse pression dans le four jusqu’à ce que le bouclier thermique soit suffisamment froid pour être touché. Retirez tous les panneaux de bouclier thermique et empilez-les à l’écart.
    2. Pendant que vous pulvérisez de l’eau, retirez plusieurs panneaux du four et ratissez le charbon en une fine couche pour qu’il refroidisse. Continuez à pulvériser et à ratisser jusqu’à ce que l’omble soit complètement refroidi. Le biochar doit être suffisamment froid pour y mettre la main.
  7. Retirez et enregistrez les morceaux non brûlés. Retirez les morceaux partiellement carbonisés et disposez-les sur l’un des panneaux du four en une seule couche, avec le bâton de mesure posé à côté. À l’aide de l’application D-MRV, prenez une photo des morceaux incomplètement carbonisés.

Representative Results

Un lot de biochar bien organisé et mis en œuvre à l’aide du four Ring of Fire produira 2 à 3 m3 de biochar en 4 à 5 h de temps de combustion. L’utilisation de la méthodologie des composants CM002 et l’enregistrement des paramètres de combustion dans l’application D-MRV sont destinés à permettre à un vérificateur certifié de confirmer le volume de production de biochar par lots et la qualité du biochar. De plus amples renseignements sur la méthodologie sont fournis dans les renseignements supplémentaires (fichier supplémentaire 1).

Les points de vérification du processus pour un lot typique de biochar fabriqué dans le four du Cercle de feu sont répertoriés ici (Figure 2). Le tableau 1 donne les valeurs typiques mesurées sur le terrain ou déterminées par vérification.

1. Déclarez le type de charge d’alimentation.
2. Taille de la matière première : image de la pile de matières premières avec une règle en place.
3. Humidité de la matière première : une image montrant la lecture de l’humidimètre de la plus grande pièce de chaque espèce de matière première.
4. Allumage : Une vidéo de 30 secondes montrant le début de la combustion du four et l’heure d’enregistrement du démarrage. La vidéo montre qu’un fort chapeau de flamme s’est développé.
5. Vérification de la température de production basée sur la présence de flammes : trois vidéos de 30 secondes montrent une forte présence de flamme pendant la combustion.
6. Volume de biochar : trois images de bâton de mesure dans le four pour montrer la hauteur du charbon de niveau dans le four à trois endroits. Les distances mesurées entre le haut du four et le charbon sont moyennées à une valeur pour les calculs.
7. Densité apparente : Une image de la balance montrant le poids à vide du seau. Trois photos de balance montrant le poids de l’omble et du seau. Charbon prélevé à 3 endroits dans le four. Les trois mesures de poids sont moyennées à une seule valeur pour les calculs

Figure 2
Figure 2 : Infographie montrant les points de vérification du processus. Les points de vérification du processus pour un lot typique de biochar fabriqué dans le four du Cercle de feu. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Point de données #1 Point de données #2 Point de données #3
Espèces de matières premières Pin 50% Sapin 50%
Lecture de l’humidimètre 19% 23%
Volume du cylindre vide du four 4,3 m3
Hauteur du cylindre du four 1 m
Hauteur du niveau de carbonisation dans le four 60 cm 61 cm 59 cm
Poids à vide du seau de 7 litres 0,6 kg
Poids du seau avec charbon 1,8 kg 1,9 kg 2.0 kg
Valeur de la base de données de la teneur en carbone de l’omble chevalier 86.8%
Facteur de stabilité du carbone 0.74

Tableau 1 : Valeurs représentatives utilisées pour vérifier les résultats de production et les paramètres de traitement d’un lot typique de biochar produit dans un four à biochar du Cercle de feu.

À l’aide de ces points de contrôle, le vérificateur détermine que le biochar a été fabriqué avec des matières premières appropriées et à une température supérieure à 600 °C pour répondre aux exigences de la méthodologie CM002 Component pour une stabilité à long terme. Cela permet d’appliquer le facteur de stabilité du carbone de 0,74 pour une permanence de 100 ans au lot de biochar. Pour déterminer le volume du lot de biochar, le vérificateur utilise le volume du four vide tel que vérifié par l’étiquette d’identification du four (4,3 m3) et la hauteur du niveau de charbon dans le four (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Comme le four est rempli à 60 %, le volume de charbon est de 0,6 x 4,3 m3 = 2,6 m3. Le vérificateur calcule ensuite la densité apparente du biochar en fonction des mesures du seau. En soustrayant le poids du seau de 0,6 kg de chaque mesure, on obtient des valeurs de 1,2 kg, 1,3 kg et 1,4 kg qui sont moyennées à 1,3 kg/7 L. Cela équivaut à 185,7 kg/m3. Par conséquent, le poids sec du biochar produit est de (185,7 kg/m3) x (2,6 m3) = 483 kg.

Le vérificateur peut prendre la teneur en carbone du biochar à partir d’une base de données, ou dans ce cas, d’un simple test de laboratoire qui a confirmé une teneur en carbone de 86,8 % à partir d’un lot de bois résineux mélangés produits dans un four du Cercle de feu dans le comté de Sonoma, en Californie, en 2021. Le test a été effectué par Control Laboratories de Watsonville, CA23. Le facteur de stabilité du carbone de 0,74 est appliqué. Par conséquent, la teneur en carbone organique stable sur la base du poids sec du biochar est dérivée de la masse de biochar, de sa teneur en carbone organique et du facteur de stabilité sur 100 ans pour une valeur finale de (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg de carbone stable. Pour arriver à la valeur finale de l’élimination du carbone, les fuites du projet sont soustraites et les marges de sécurité appropriées sont appliquées ainsi que le facteur de conversion du carbone solide en dioxyde de carbone, comme décrit dans le fichier supplémentaire 1. La valeur certifiée d’élimination du biochar du biochar dépend de la vérification finale que le biochar a été appliqué sur le sol ou le compost et qu’il n’est pas brûlé ou oxydé d’une autre manière.

Fichier supplémentaire 1 : Informations détaillées sur la méthodologie et les calculs. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Différentes espèces de biomasse produiront du biochar avec différentes fractions de carbone et de cendres, quelle que soit la température de production, en raison de la composition élémentaire de la biomasse24. Étant donné que les bases de données existantes sur les caractéristiques du biochar pour différentes matières premières ne sont pas complètes, les projets devront peut-être soumettre des échantillons pour analyse en laboratoire afin de vérifier la teneur en carbone organique du biochar. Pour réduire les coûts du projet, nous recommandons une procédure de laboratoire simple qui peut être effectuée à faible coût par les étudiants dans les laboratoires scolaires au niveau secondaire ou collégialcommunautaire 25. Au fil du temps, au fur et à mesure que de plus en plus de projets sont mis en œuvre sur le terrain, la base de données des valeurs de teneur en carbone du biochar pour différents types de matières premières s’agrandira et deviendra plus utilisable.

De nombreuses mesures D-MRV sont destinées à vérifier que les conditions de production sont optimales pour produire du biochar avec des caractéristiques qui correspondent étroitement aux valeurs de la base de données. Ces mesures clés sont l’humidité de la matière première et la série de vidéos documentant la qualité de la combustion enflammée, qui détermine la température de production et la stabilité résultante du carbone dans le biochar.

Bien que la mesure du volume de biochar produit dans le four soit simple, il n’est pas facile de déterminer la masse sèche du biochar produit. Travailler avec du biochar est difficile car la densité de particules complexe du matériau rend les mesures de densité apparente difficiles à déterminer26. Une fois le biochar trempé, il n’est pas possible d’obtenir un poids sec d’un certain volume de biochar dans le champ. Cependant, la densité apparente sèche du biochar peut être mesurée sur le terrain en remplissant un seau métallique de volume connu avec des charbons ardents et en le pesant. Cette procédure peut nous donner une bonne approximation de la masse sèche du biochar.

L’un des principaux inconvénients de cette méthodologie est la variabilité inhérente des opérations sur le terrain, y compris la variabilité des matières premières et le niveau de compétence de l’opérateur. L’opérateur doit déterminer le taux de charge de la charge d’alimentation et s’efforcer de maintenir une flamme forte dans le four. Le fait de ne pas maintenir la flamme par une surcharge affectera la température de formation de la carbonisation et, par conséquent, la stabilité de la carbonisation. La meilleure façon d’y remédier est de mettre en place un programme de formation efficace pour les opérateurs. La formation des travailleurs et les protocoles de sécurité sont essentiels au succès de la production de biochar sur site. Compte tenu des besoins en main-d’œuvre, les programmes de formation devront être bien organisés et largement diffusés27.

Une autre limite de la méthodologie est la variabilité dans la mise en œuvre des mesures D-MRV. L’humidité de la matière première peut être très variable au sein d’un lot donné, même si toute la matière première est par ailleurs uniforme. La méthode consistant à prendre trois vidéos instantanées de la flamme pendant le processus pour vérifier que les températures appropriées sont atteintes est limitée par la nature dynamique de la combustion. Trois vidéos instantanées peuvent ne pas être représentatives de l’ensemble du processus. Une vérification croisée viable de cette mesure consiste simplement à savoir combien de temps la combustion a duré et quelle quantité de biochar a été produite, car des conditions de température non optimales entraîneront des volumes de production plus faibles. Les mesures D-MRV sur le terrain de la densité apparente et du volume sont limitées dans leur précision ; Cependant, cela est compensé par l’utilisation de marges de sécurité pour s’assurer que les valeurs finales sont conservatrices et ne surestiment pas l’élimination du carbone.

La logistique opérationnelle contribue également à la variabilité des paramètres de production de biochar et à la réussite des projets. La logistique opérationnelle doit tenir compte de facteurs tels que les conditions météorologiques, le terrain, l’accès, la sécurité des travailleurs, la formation, les outils et l’équipement, ainsi que la disponibilité de l’eau. La plupart des outils et des fournitures nécessaires à la fabrication du biochar sont des équipements standard fournis aux pompiers et aux équipes forestières. Les outils spécifiques nécessaires à la mise en œuvre du D-MRV avec le four à biochar Ring of Fire sont répertoriés dans le fichier Table des matériaux .

La fabrication de biochar sur le terrain à partir de déchets de biomasse doit concurrencer l’alternative de la combustion à ciel ouvert ou de l’incinération, qui présente l’avantage d’un coût très faible. Le coût marginal de la fabrication du biochar par rapport à la combustion à ciel ouvert est principalement lié à l’augmentation des besoins en main-d’œuvre, car le coût en capital des fours à capuchon de flamme simple est faible27. À ce jour, il n’y a pas assez de projets à grande échelle avec une collecte de données robuste pour déterminer le coût marginal réel de la production de biochar par rapport à l’incinération. Cependant, un exemple peut montrer le potentiel de la finance carbone pour combler l’écart.

Watershed Consulting à Missoula, MT, a traité la coupe éclaircie de 21 acres de forêt mixte de conifères dans l’ouest du Montana en 2021 à l’aide de fours à biochar Ringof Fire 28. Le coût total du projet était de 42 302,00 $ et le rendement total en biochar était de 112,5 verges cubes. À l’aide de nos propres hypothèses standard sur les caractéristiques du biochar faites dans les fours à chapeau de flamme, nous estimons que le projet a séquestré 31,75 tonnes métriques de CO2 à 1 332,35 $ la tonne. Le coût de l’empilage et de l’incinération du matériau aurait été de 15 750,00 $, ce qui laisse un coût marginal de 26 552,00 $ pour fabriquer du biochar au lieu de l’incinération, soit 836,28 $ par tonne de biochar produite. Ce coût marginal pourrait être au moins partiellement compensé par des paiements d’élimination du carbone de 100 $ à 200 $ par tonne de CO2, ce qui confirmerait l’importance du procédé D-MRV. Pour compléter le portrait économique du projet, il est important que les autorités de financement reconnaissent les avantages pour l’écosystème d’éviter les dommages au sol causés par les cicatrices de brûlis, de réduire les émissions de gaz à effet de serre et la pollution atmosphérique par les particules, ainsi que de renvoyer l’omble dans les sols forestiers pour la rétention d’humidité, le cycle des éléments nutritifs et la santé des sols.

Les méthodes détaillées décrites dans cet article aideront les individus et les groupes travaillant dans les écosystèmes touchés par les espèces exotiques envahissantes, la sécheresse et les incendies de forêt à mettre en œuvre des projets de transformation de la biomasse en biochar économiquement réalisables qui peuvent améliorer et restaurer les sols et les écosystèmes indigènes tout en évitant les émissions de gaz à effet de serre et en séquestrant le carbone pour l’atténuation du changement climatique. Malgré la variabilité et le manque de précision des mesures et des points de vérification dans cette méthodologie pratique sur le terrain, nous concluons qu’il s’agit toujours d’une approche précieuse pour séquestrer le carbone dans des situations de terrain où d’autres approches, comme le transport de la biomasse vers une installation de pyrolyse industrielle, ne sont pas pratiques.

Disclosures

L’auteur Kelpie Wilson est l’inventeur et le fabricant du four à biochar Ring of Fire. L’auteur Wihan Bekker est copropriétaire d’African Data Technologies (Pty) Ltd., développeur de la méthodologie des composants CM002 et de la plate-forme de reporting Ikhala D-MRV.

Acknowledgments

Un grand merci à l’US Biochar Initiative et au Service des forêts de l’USDA pour avoir parrainé et soutenu le réseau Biochar in the Woods pour le partage d’informations entre une variété de praticiens qui inventent et affinent des méthodes pour fabriquer et utiliser le biochar pour la gestion de l’environnement et l’atténuation du climat.

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

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References

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