produsere, karakterisere og kvantifisere biokull i skogen ved hjelp av bærbare flammehetteovner

Summary

Nye metoder for deponering av skogbrukspeler på plass produserer pyrogent karbon for å gjenopprette skogens jordhelse og for karbonfjerning og sekvestrering. Her presenterer vi en produksjonsmetode for biokull som integrerer en ny regnskapsmetodikk for karbonfjerning og en digital applikasjon.

Abstract

En av de største utfordringene ved utnyttelse av ikke-kommersiell skogsbiomasse er den utbredte naturen. Den beste løsningen på biomasseproblemet, for å unngå kostbar og karbonintensiv prosessering (chipping) og transportkostnader, er å behandle det på stedet. Konvensjonelle brennhauger har imidlertid ødeleggende virkninger på skogsjord og gir ingen andre fordeler enn drivstoffreduksjon. Konvertering av skogsvedje til biokull på stedet har mange økologiske fordeler i forhold til dagens praksis med svedjedeponering ved forbrenning i brennhauger, inkludert redusert jordoppvarming og partikkelutslipp, sammen med flere fordeler med biokull til skogsjordhelse og vannholdingskapasitet når den blir stående på plass. Å lage biokull på stedet i skogen er en måte å returnere en pyrogen karbonkomponent til skogsjord som har manglet på grunn av den nyere historien om brannundertrykkelse. Biokull er også en ledende metode for karbonfjerning og lagring for å redusere klimaendringene. I denne studien dokumenterer vi en metode for å lage biokull ved hjelp av en bærbar biokullovn. Denne rimelige metoden benytter håndmannskaper utstyrt med vann for å slukke ovner før biokullet brenner til aske. Enkle teknikker for å kvantifisere og karakterisere det produserte biokullet er innarbeidet i metoden med det formål å måle påvirkning og kvalifisere for karbonfjerningssertifikater for å bidra til å betale for kostnadene ved arbeidet. Vi beskriver CM002 komponentmetodikk som gir standardiserte prosedyrer for kvantifisering av drivhusgassfordeler i tre stadier av prosessen: innkjøp av avfallsbiomasse, biokullproduksjon og påføring av biokulljord. CM002-metodikken er basert på internasjonal beste praksis, inkludert den nyeste VCS-metodikken VM0044-standarder og EBC C-Sink Artisan Standards. Pålitelige kvantifiseringsmetoder som benytter passende sikkerhetsfaktorer er det første viktige skrittet mot kvalifisering for finansiering av karbonfjerning.

Introduction

I mange verdensregioner, inkludert det vestlige USA, har klimaendringer, tørke og fremmede invasive arter skapt en brannkrise som truer økosystemer og samfunn. Når skoger og skogsområder brenner ukontrollert, slippes store mengder partikler og klimagasser ut i atmosfæren, med ødeleggende konsekvenser for menneskers helse og klimaet. For eksempel anslås skogbranner i California i 2020 å ha gitt ut rundt 127 millioner megatons klimagassutslipp, omtrent to ganger mengden av Californias totale klimagassutslippsreduksjoner fra 2003 til 2019¹. I økende grad undersøker forskere og landforvaltere menneskelige handlinger som kan bidra til å gjenopprette disse skogene og skogene og deres økosystemtjenester. Manuell tynning og fjerning av overflødig biomasse er et av de viktigste tiltakene som må tas². Fjerning av biomasse inkluderer deponering, og der biomassen ligger på avsidesliggende og vanskelig tilgjengelige steder, er det få andre alternativer enn forbrenning på stedet i uhåndterte skråstreker. Uhåndterte brennhauger gjør jobben med å fjerne drivstoff fra landskapet, men de skader skogsjord da den konsentrerte varmen under haugene brenner jordens organiske horisont, og etterlater bar jord som er sårbar for erosjon og kolonisering av invasive arter. Det kan ta flere tiår å regenerere den organiske jordhorisonten i et brennhaugarr³. Uhåndterte brannhauger er også en kilde til utslipp av partikler og klimagasser. Røyk fra svedjehaugbrenning begrenser også det brennende vinduet i luftkvalitetsbegrensede vannskiller, noe som gjør det vanskeligere å utføre arbeidet.

Forskere for USDA Forest Service har undersøkt alternativet med å produsere biokull fra svedjematerialer, og har identifisert flere lovende teknikker, inkludert muligheten for å bruke små, mobile biokullovner i skogen⁴. Konvertering av skogsvedje til biokull på stedet har mange økologiske fordeler i forhold til dagens praksis med svedjedeponering ved forbrenning i brennhauger, inkludert redusert jordoppvarming og partikkelutslipp. Biokull produsert på stedet kan fjernes og utnyttes i landbruket, eller det kan stå på plass der det tjener flere funksjoner i å gjenopprette skogens helse og forbedre tilpasning til klimaendringer og tørke. Fordi opptil 50% av det totale karbonet i mange skogsjord er trekull fra historiske, naturlige branner⁵, kan det å etterlate biokull på stedet der det er laget, gjenopprette skogsjordkull som ofte mangler i nyere jordhorisonter på grunn av brannundertrykkelse, med ukjente virkninger på økosystemprosesser⁶. Biokull etterlatt på plass på skogsjord kan etterligne effekten av trekull produsert av naturlig brann og produsere lignende effekter på jordens karboninnhold og jordens fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper⁷.

De siste årene har et internasjonalt nettverk av skogsarbeidere, skogeiere, forskere og biokullkonsulenter utviklet en rekke karboniseringsmetoder for å konvertere skogsvedje til biokull på stedet som et alternativ til svedjehaugforbrenning. Disse metodene er basert på prinsippet om flammekarbonisering, først utviklet og kommersialisert i Japan som den "røykfrie karboniseringsovnen" som tilbys av Moki-selskapet⁸. Denne stålringsovnen lager godt karbonisert biokull med rapportert biomasse-til-biokull-konverteringseffektivitet på 13% til 20%, avhengig av råstoffet som brukes⁹.

Prosessen med å produsere biokull eller trekull blir ofte referert til som pyrolyse, separasjon av biomassekomponenter ved varme i fravær av oksygen. Dette er vanligvis tenkt som retort pyrolyse, hvor biomasse er fysisk isolert fra luft i en eksternt oppvarmet beholder. Imidlertid kan pyrolyse også finne sted i nærvær av begrenset luft, som ved gassifisering og flammekarbonisering, fordi fast brensel som tre brenner i trinn. Når varme påføres biomasse, er det første forbrenningstrinnet dehydrering, da vann fordampes fra materialet. Dette etterfølges av devolatilisering og samtidig røyedannelse, også kjent som pyrolyse. Flyktig gass som inneholder hydrogen og oksygen frigjøres og brennes i en flamme, og tilfører kontinuerlig varme til prosessen. Når gassen frigjøres, omdannes det gjenværende karbonet til aromatisk karbon, eller røye. Den endelige forbrenningsfasen er oksidasjonen av røya til mineralaske¹⁰.

Fordi dette er diskrete faser som oppstår i en åpen forbrenningsprosess, har vi muligheten til å stoppe prosessen etter røyedannelse ved å fjerne luft eller varme. Dette oppnås under biokullproduksjonsprosessen ved kontinuerlig å legge nytt materiale til brennhaugen slik at den varme røya blir begravet av nytt materiale som kutter oksygenstrømmen. Varmt trekull samler seg i bunnen av haugen og forhindres i å brenne til aske så lenge flamme er tilstede, fordi flammen bruker det meste av tilgjengelig oksygen. Når alt drivstoffet er lagt til haugen, begynner flammen å dø ned. På det tidspunktet kan det varme trekullet bevares ved å fjerne oksygen og varme, vanligvis ved å sprøyte kullene med vann og rake dem tynne for å avkjøle¹¹.

Det grunnleggende operasjonsprinsippet er motstrømsforbrenning. Motstrømsforbrenningsluft holder flammen lav og forhindrer utslipp av glør eller gnister. Flammen brenner også det meste av røyken, noe som reduserer utslippene. Oppsummert forklarer følgende prinsipper driften av motstrømsforbrenning i en flammekappeovn: (1) Gass strømmer oppover mens forbrenningsluft strømmer nedover, (2) Motstrømstrøm etableres når brennende drivstoff trekker luft nedover, (3) Flammene holder seg lave og nær drivstoff, minimerer glørflukt, (4) Røyk brenner i den varme sonen, (5) Fordi all forbrenningsluften kommer ovenfra, det forbrukes av flammene (6) Svært lite luft er i stand til å nå de uforbrente kullene som faller til bunnen av ovnen, (7) Kullene blir bevart til slutten av prosessen når de slukkes eller snus.

I tillegg til fordelene for jord, er biokull også en ledende metode for karbonfjerning for å redusere klimaendringene. Opptil halvparten av karbonet i treaktig biomasse kan omdannes til stabilt, aromatisk karbon i form av biokull¹². Imidlertid produserer ikke alle pyrolyseteknologier samme mengde gjenstridig karbon som forblir stabilt i jord i 100 år eller mer (nøkkelmetrikken for å bestemme karbonfjerningsverdien). Biokullstabilitet er nært korrelert med produksjonstemperaturen. Den adiabatiske flammetemperaturen ved brennende tre er estimert til å være nær propan, 1,977 °C¹³. Biokullproduksjon i en flammehetteovn er tett forbundet med flammen, uten varmeoverføringstap ved ledning gjennom en metallvegg, som ved retortpyrolyse. Derfor forventer vi at produksjonstemperaturen vil være høy så lenge en flamme opprettholdes under prosessen. En undersøkelse av røye ved hjelp av Raman-spektroskopi¹⁴ rapporterte at en biokullprøve fra en flammehetteovn (levert av hovedforfatter Kelpie Wilson) var blant de tre prøvene med høyest tilsynelatende temperatur på røyedannelse, i området 900 ° C.

Termoelementer kreves for å få tilgang til det indre av brenningen og nøyaktig måle produksjonstemperaturen til biokull i en flammehetteovn eller brennhaug, og disse er dyre og ikke tilgjengelige for lavteknologiske produsenter. Derfor har vi brukt en metode beskrevet av forskere som jobber i brasiliansk Amazonas som bruker varmestifter (brukt av sveisere for å sjekke temperaturen på metalldeler) som smelter ved en kalibrert temperatur¹⁵. Murstein er merket med fargestifter, pakket inn i aluminiumsfolie, og plassert på forskjellige steder i ovnen under produksjonen. Vi brukte denne metoden flere ganger og fastslo at temperaturen i ovnen oversteg 650 °C, da fargestiftmerkene var helt smeltet. Dette vil være en nyttig metode for å bekrefte produksjonstemperaturer der det trengs; Imidlertid vil det viktigste verifikasjonspunktet dokumentere tilstedeværelsen av flamme gjennomgående.

Det er ikke mye publiserte data om egenskapene til biokull laget av lavteknologiske flammekarboniseringsmetoder. Imidlertid ble biokullprøver laget av flammekarboniseringsmetoder i flere ovnstyper analysert av Cornellissen et al. og funnet å oppfylle europeiske Biochar Certificate (EBC) standarder for biokull, inkludert lavt PAH-innhold og høy biokullstabilitet. Videre hadde biokull produsert fra både treaktige og urteaktige råstoffer et gjennomsnittlig karboninnhold på 76 prosent¹¹. US Forest Service Rocky Mountain Research Station¹⁶ analyserte fem biokullprøver fra flammeovner og brennhauger laget på en feltdag i California i 2022. Det gjennomsnittlige karboninnholdet i prøvene var 85 prosent. Gitt disse resultatene kan vi konkludere med at det er sannsynlig at biokull laget av treaktige rester i flammehetteovner vil oppfylle de grunnleggende kravene til verifisert karbonfjerning: høyt karboninnhold og høy biokullstabilitet.

To karbonfjerningsprotokoller for lavteknologisk, stedsbasert biokullproduksjon er nå utgitt av Verra¹⁷ og European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink-protokoll¹⁸. Disse nyutviklede protokollene er lovende; Imidlertid har de noen begrensninger når de brukes på skoger, skog og andre landskap som er truet av tørke og brann. Følgelig vil denne artikkelen beskrive en ny metodikk, metodikken CM002 V1.0, fra AD Tech¹⁹, som utvikles spesielt for flammekarbonisering av treaktig rusk som en del av vegetasjonsstyring og drivstoffbelastningsreduksjonsaktiviteter. Livssyklusanalyser bekrefter at karbonbinding av biokull på stedet fra treaktig biomasse i flammehetteovner gir en netto karbonfjerningsfordel²⁰. Vellykket implementering av karbonfjerningsprotokoller kan bidra til å støtte økonomisk det viktige drivstoffreduksjonsarbeidet som må finne sted for å beskytte samfunn og økosystemer mot brannfeller og økosystemforringelse. For å få tilgang til karbonfjerningsbetalinger, er feltmålinger og digital overvåking, rapportering og verifisering (D-MRV) metoder innarbeidet som rutinemessig praksis i biokullproduksjonsmetodikken beskrevet her. Detaljer om plattformen er omtalt i tilleggsinformasjonen (tilleggsfil 1).

Mens flere åpen kildekode-design av flammehetteovner blir produsert av enkeltpersoner til eget bruk²¹, så vidt vi vet, er det på dette tidspunktet bare en flammehetteovn med en kapasitet på større enn en kubikkmeter som blir masseprodusert for salg i Nord-Amerika, Ring of Fire Kiln²², En lett, bærbar flammehetteovn som er designet for enkel mobilitet ved hjelp av håndmannskaper. Ovnen består av en indre ring bestående av seks plater av mildt stål som er festet sammen. En ytre ring bestående av lettere stålbolter på brakettene som holder den indre ringen sammen. Den ytre ringen fungerer som et varmeskjold som holder på varmen for bedre effektivitet. Toppen av ovnen er åpen for luft, og det er her flammehetten dannes. Luft som strømmer opp gjennom det ringformede gapet mellom hovedovnen og varmeskjoldet gir forvarmet forbrenningsluft til ovnen, noe som øker forbrenningseffektiviteten ytterligere (figur 1)

Figur 1: Skjematisk visning av luftstrøm, flammekarakteristikker og røyeansamling i ildovnens ring. Motstrømsforbrenningsluft trekker røyken inn i den varme sonen, hvor den brenner opp. Luft som strømmer opp gjennom det ringformede gapet mellom hovedovnen og varmeskjoldet gir forvarmet forbrenningsluft til ovnen, noe som øker forbrenningseffektiviteten ytterligere. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Ovnens diameter er 2,35 m, og danner en sylinder som er en meter høy for et totalt volum på 4,3 m³. I praksis fylles ovnen aldri helt til toppen, så en typisk produksjonsbatch vil fylle ovnen fra mellom 1/2 til 3/4 full for et volum biokull som er mellom 2 og 3 kubikkmeter.

Fordi Ring of Fire Kiln er en standardisert design, blir den vedtatt som den første sertifiserte teknologien for bruk i CM002 komponentmetodikk som gir standardiserte prosedyrer for kvantifisering av klimagassfordeler (GHG). Måle- og datainnsamlingstrinn som oppfyller kravene i CM002 er innlemmet i metoden. Rapportering gjøres gjennom en smarttelefonapplikasjon ved å svare på korte spørreskjemaer gjennom hele prosessen og laste opp bilder og videoklipp til mobilappen.

Protocol

MERK: Denne metoden bruker Ikhala smarttelefonapplikasjon (heretter referert til som D-MRV-applikasjon; Tabell over materialer) for å få tilgang til karbonfjerningsbetalinger, feltmålinger og digital overvåking, rapportering og verifisering.

1. Innsamling av råstoff og bekreftelse av egnethet

1. Velg og rapporter råstoffstørrelsen.
2. Velg treaktig materiale mindre enn 15 cm i diameter. Forsikre deg om at alle materialer er forgrenede eller ujevne i formen, slik at de ikke pakker tett og hemmer luftstrømmen i ovnen.
3. I D-MRV-applikasjonen klikker du på Ta et bilde-knappen i Feedstock-delen for å åpne kameraet. Med kameraet åpent, sikt mot motivet (tørre råstoffhauger med en målepinne), og ta bildet ved å trykke på utløserknappen på skjermen.
4. Rapporter råstoffarter: Åpne D-MRV-applikasjonen og svar på det korte digitale spørreskjemaet som rapporterer mengdene for hver artstype. Rapporteringen er basert på visuelle beregninger.
5. Bestem og rapporter råstofffuktighet.
   1. Bruk en standard fuktighetsmåler ved til å lese av ved å sette inn pinnene i midten av det største stykket av hver type råstoff.
   2. På D-MRV-applikasjonen, ta et bilde av hver fuktighetsmåleravlesning. Klikk på Ta et bilde-knappen i delen fuktmåler, og skriv inn verdien som vises på fuktmåleren i tekstfeltet. Send inn én bilde- og tekstoppføring for hver fuktmåleravlesning.

2. Montering, lasting og belysning av ovnen

1. På jevnt underlag, klart brennbart organisk materiale fra en sirkel på ca. 3 m i diameter. Monter de 6 indre ovnspanelene i en sylinder ved hjelp av koblingsbrakettene,
2. Bruk en spade eller lignende verktøy til å forsegle sylinderens underkant med en liten berm av mineralsk smuss eller leire, slik at luft ikke kan komme inn i ovnen fra bunnen.
3. Fest de 6 varmeskjoldpanelene til kontaktbrakettene, og sørg for at det er et luftgap igjen i bunnen av varmeskjoldet slik at luft kan strømme gjennom det ringformede gapet mellom de indre og ytre sylindrene. Fest ovnens ID-merke til varmeskjoldet ved hjelp av varmeskjoldmaskinvaren.
4. Identifiser ovnene som brukes i batchen. I delen Brannskadeforberedelse klikker du på Ta et bilde-knappen for å ta bilder av den monterte ovnen og ID-taggen og sende dem inn for hver ovn på stedet.
5. Legg i ovnen: Bruk mindre (2-6 cm tykt er ideelt), tørrere materiale for den første lastingen av ovnen. Pakk materialet opp til ovnsfelgen, ordne alt ikke-forgrenet materiale, for eksempel poler, slik at det ikke pakker for tett og begrenser luftstrømmen.
   MERK: Målet er å sørge for at materialet er pakket tett nok til å opprettholde en flamme, men også la forbrenningsluft nå til bunnen av haugen.
6. Tenn ovnen: Legg små, tørre tenningsmaterialer på toppen av den lastede ovnen. Bruk en akselerator om nødvendig og lys med en fyrstikk, eller bruk en propanbrenner. Tenn ovnen flere steder på toppen slik at det raskt utvikler seg en flammehette over hele ovnen.
7. Bruk D-MRV-appen til å ta et 30 s videoklipp så snart flammehetten er etablert. I Burn Start-delen klikker du på Ta video-knappen og klikker deretter på Send video-knappen .

3. Fôring og stell av ovnen

1. I den første driftsfasen trekkes luft fra toppen ned til bunnen av ovnen, mens den opprinnelige lasten for det meste brenner ned til et lag kull. Sørg for at den første lasten gir en god seng av kull før du legger til mer materiale. Legg til et nytt lag med råstoff når det forrige laget begynner å vise en film med hvit aske.
2. Overgang til kontinuerlig lasting: Legg nytt materiale i ovnen jevnt. Prøv å holde hvert lag av tre med samme diameter slik at forkullingen er jevn.
   1. Bruk flammen som en indikator på lasthastighet: La flammen være veiledningen for å legge til nytt materiale. Sørg for at en god sterk flamme opprettholdes på toppen fordi det er varmekilden for å lage røye.
   2. Hvis operatøren laster for mye, for fort, vil flammen bli kvalt. Hvis det skjer, ta en pause og vent til flammen kommer opp igjen. Hvis operatøren ikke laster nok materiale, vil flammen dø ned, og røya vil begynne å brenne til aske. Hvis det begynner å skje, legg til mer materiale for å holde flammen i gang.
3. Bekreft flammens tilstedeværelse under brenningen som en indikator på ren, varm forbrenning som vil minimere metanutslipp og maksimere stabil røyedannelse.
   1. Bruk D-MRV-applikasjonen til å ta en 30-s-video av flammen ca. 1 time etter at ovnen er tent. Naviger til delen Brennkvalitetsbevis og klikk på Proof of Burn at First Hour-knappen .
   2. Klikk på Ta video-knappen , trykk på Ta opp i minst 30 sekunder, og klikk på Send video-knappen .
4. Tilsett det største materialet i de midterste stadiene av brenningen, slik at den får tid til å røye helt. Ovnen vil fylles med biokull i ulike hastigheter, avhengig av råstofftype, størrelse og fuktighet.
5. Bruk D-MRV-applikasjonen, ta en 30-s-video av flammen på slutten av den andre timen av brenningen. Klikk Proof of Burn at Second Hour-knappen og deretter Ta video-knappen . Trykk på Record i minst 30 sekunder og klikk på Send video-knappen .
6. Bruk D-MRV-applikasjonen, ta en 30-s-video av flammen på slutten av den tredje timen av brenningen. Klikk på Proof of Burn at Third Hour-knappen og deretter Ta video-knappen . Trykk på Record i minst 30 sekunder og klikk på Send video-knappen .
7. Når ovnen fylles med rødglødende glødende kull, lager du de siste lagene av mellomstort materiale slik at større biter kan fullføre forkullingen.

4. Etterbehandling, slukking og måling av biokullet

1. Avslutt brenningen når det akkumulerte biokullet er innenfor 10-20 cm fra ovnens øverste kant, når råstoffet er brukt, eller når arbeidsdagen slutter.
2. Forkullingen er fullført når det ikke lenger er noen flammer. Vent i 10-15 min etter å ha tilsatt det siste råstoffet for at flammene skal dø ned. Det vil alltid være noen større brikker som ikke røye helt, noe som ikke er et problem.
3. Før du slukker, bruk en stålrake for å jevne ut de varme, glødende kullene i ovnen.
   1. Plasser en målepinne vertikalt i ovnen, mot ovnsveggen, slik at den ene enden berører røyeflaten. På D-MRV-applikasjonen tar du et bilde av målepinnen som viser dybden på røya i ovnen ved å navigere til delen Måle biokull og klikke på Ta et bilde-knappen .
   2. I tekstfeltet for spørsmålet Hva er avlesningen fra toppen av biokullet til toppen av ovnen, skriv inn verdien på målepinnen.
   3. Gjenta denne målingen og bildeopptaket to ganger til på forskjellige steder i ovnen ved å klikke på Send inn og legg til et nytt bilde-knappen .
4. Umiddelbart etter å ha rapportert røyedybdemålingene, ta et bilde av ovnens identifikasjonsmerke for verifiseringsformål.
5. Mål røye bulk tetthet.
   1. Når biokullpartiet er ferdig, men før du slukker, fyll en metallbøtte med varme glødende kull som er måket fra ovnen. Vei bøtta for å få taravekten ved hjelp av en hengende vekt. Ta et bilde for å registrere vekten.
   2. Fyll bøtta med glør og vei den, ta et bilde for å registrere vekten.
   3. Gjenta prøvetakingsprosedyren (4.5.1-4.5.2) to ganger til, ta prøver fra forskjellige deler av ovnen og registrer verdien med et bilde.
6. Slukk med vann.
   1. Begynn å sprøyte vann ved lavt trykk inn i ovnen til varmeskjoldet er kaldt nok til å berøre. Fjern alle varmeskjoldpanelene og stable dem ut av veien.
   2. Mens du sprøyter vann, fjern flere ovnspaneler og rak røya ut i et tynt lag for å avkjøles. Fortsett å spraye og rake til røya er helt avkjølt. Biokullet skal være kjølig nok til å legge en hånd i det.
7. Fjern og registrer ubrente biter. Fjern eventuelle delvis forkullede stykker og ordne dem på et av ovnspanelene i et enkelt lag, med målepinnen lagt ved siden av. Bruk D-MRV-applikasjonen til å ta et bilde av de ufullstendig forkullede bitene.

Representative Results

Et godt organisert og gjennomført biokullparti med Ring of Fire-ovnen vil produsere 2-3 m³ biokull i løpet av 4-5 timers brenntid. Bruk av CM002-komponentmetodikken og registrering av brennparametere i D-MRV-applikasjonen er ment å gjøre det mulig for en sertifisert verifikator å bekrefte batchbiokullproduksjonsvolum og biokullkvalitet. Mer informasjon om metodikken finnes i Tilleggsinformasjon (tilleggsfil 1).

Prosessverifikasjonspunktene for et typisk parti biokull laget i Ring of Fire-ovnen er oppført her (figur 2). Tabell 1 gir typiske verdier målt i felt eller bestemt ved verifisering.

1. Rapporter råstofftype.
2. Råstoffstørrelse: bilde av råstoffhaug med linjal på plass.
3. Råstofffuktighet: ett bilde som viser fuktighetsmåleravlesning fra den største delen av hver råstoffart.
4. Tenning: En 30-s video som viser starten på ovnen brenne og opptakstid for start. Video viser at det har utviklet seg en sterk flammehette.
5. Produksjonstemperaturverifisering basert på flammetilstedeværelse: tre 30-tallsvideoer viser sterk flammetilstedeværelse under brenningen.
6. Biokullvolum: tre bilder av målestokk i ovnen for å vise høyden på røye i ovnen på tre steder. Målte avstander fra toppen av ovnen til røya er gjennomsnittet til en verdi for beregninger.
7. Bulktetthet: Ett bilde av vekten som viser tomvekten til bøtta. Tre bilder av målestokk som viser vekten av røye og bøtte. Røye tatt fra 3 steder i ovnen. De tre vektmålene er gjennomsnittet til en verdi for beregninger

Figur 2: Infografikk som viser prosessbekreftelsespunktene. Prosessverifiseringspunktene for et typisk parti biokull laget i Ring of Fire-ovnen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

				Datapunkt #1	Datapunkt #2	Datapunkt #3
Råstoff arter				furu 50%	gran 50%
Avlesning av fuktmåler				19%	23%
Volum av tom ovnsylinder				4,3 m3
Høyde på ovnsylinder				1 m
Høyde på røyenivå i ovn				60 cm	61 cm	59 cm
Taravekt på 7 liters bøtte				0,6 kg
Vekt av bøtte med røye				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Databaseverdi av kullkarboninnhold				86.8%
Karbon stabilitetsfaktor				0.74

Tabell 1: Representative verdier brukt til å verifisere produksjonsresultater og prosesseringsparametere for et typisk parti biokull produsert i en Ring of Fire biokullovn.

Ved hjelp av disse kontrollpunktene bestemmer verifikatoren at biokullet er laget med passende råstoff og ved en temperatur over 600 °C for å oppfylle kravene i CM002-komponentmetodikken for langsiktig stabilitet. Dette gjør at karbonstabilitetsfaktoren på 0,74 for 100 års varighet kan påføres biokullpartiet. For å bestemme volumet av biokullpartiet bruker kontrolløren volumet på den tomme ovnen som verifisert av ovnens ID-merke (4,3 m³) og høyden på røyenivået i ovnen (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Siden ovnen er 60% full, er volumet av røye 0,6 x 4,3 m³ = 2,6 m³. Kontrolløren beregner deretter bulktettheten til biokullet basert på bøttemålinger. Hvis du trekker fra skuffevekten på 0,6 kg fra hver måling, får du verdier på 1,2 kg, 1,3 kg og 1,4 kg som i gjennomsnitt utgjør 1,3 kg/7 liter. Dette tilsvarer 185,7 kg/m³. Derfor er tørrvekten til biokullet som produseres (185,7 kg/m³) x (2,6 m³) = 483 kg.

Verifikatoren kan ta karboninnholdet i biokullet fra en database, eller i dette tilfellet, fra en enkel laboratorietest som bekreftet et karboninnhold på 86.8% fra et parti blandet bartre produsert i en Ring of Fire Kiln i Sonoma County, California i 2021. Testen ble utført av Control Laboratories i Watsonville, CA²³. Karbonstabilitetsfaktoren på 0,74 påføres. Derfor er det stabile organiske karboninnholdet på tørrvektbasis for biokull avledet fra massen av biokull, dets organiske karboninnhold og 100-års stabilitetsfaktor for en sluttverdi på (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg stabilt karbon. For å komme frem til den endelige verdien av karbonfjerning, trekkes prosjektlekkasje fra, og passende sikkerhetsmarginer brukes sammen med konverteringsfaktoren fra fast karbon til karbondioksid, som beskrevet i tilleggsfil 1. Den sertifiserte biokullfjerningsverdien av biokullet avhenger av endelig verifisering av at biokullet er påført jord eller kompost og ikke er brent eller oksidert på annen måte.

Tilleggsfil 1: Detaljert informasjon om metodikk og beregninger. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Ulike biomassearter vil produsere biokull med ulike fraksjoner av karbon og aske, uavhengig av produksjonstemperatur, på grunn av den elementære sammensetningen av biomassen²⁴. Fordi de eksisterende databasene med biokullegenskaper for forskjellige råstoffer ikke er komplette, kan det hende at prosjekter må sende inn prøver for laboratorieanalyse for å verifisere det organiske karboninnholdet i biokullet. For å holde prosjektkostnadene nede, anbefaler vi en enkel laboratorieprosedyre som kan gjøres til lave kostnader av studenter i skolelaboratorier på videregående skole eller samfunnsskole nivå²⁵. Over tid, etter hvert som flere prosjekter implementeres på bakken, vil databasen med biokullkarboninnholdsverdier for forskjellige råstofftyper vokse og bli mer brukbar.

Mange av D-MRV-målingene skal verifisere at produksjonsforholdene er optimale for å produsere biokull med egenskaper som samsvarer tett opp til databaseverdiene. Disse nøkkelmålingene er råstofffuktigheten og videoserien som dokumenterer kvaliteten på flammende forbrenning, som bestemmer produksjonstemperaturen og den resulterende stabiliteten til karbonet i biokullet.

Selv om det er enkelt å måle volumet av biokull produsert i ovnen, er det ikke lett å bestemme tørrmassen til biokullet som produseres. Arbeid med biokull er utfordrende fordi materialets komplekse partikkeltetthet gjør målinger av bulktetthet vanskelig å bestemme²⁶. Når biokull er slukket, er det ikke mulig å få en tørrvekt på et visst volum biokull i felt. Den tørre bulktettheten av biokull kan imidlertid måles i felt ved å fylle en metallbøtte med kjent volum med glør og veie den. Denne fremgangsmåten kan gi oss en god tilnærming til tørrmassen til biokullet.

En viktig ulempe med denne metodikken er den iboende variasjonen i feltoperasjonene, inkludert råstoffvariabilitet og ferdighetsnivået til operatøren. Operatøren må bestemme råstoffbelastningshastigheten og arbeide for å opprettholde en sterk flamme i ovnen. Unnlatelse av å opprettholde flammen ved overbelastning vil påvirke temperaturen på røyedannelsen og dermed røyestabiliteten. Dette løses best ved et effektivt treningsprogram for operatører. Arbeidsopplæring og sikkerhetsprotokoller er avgjørende for suksessen til biokullproduksjon på stedet. Gitt arbeidskravene, må opplæringsprogrammer være godt organisert og gjort allment tilgjengelig²⁷.

En annen begrensning ved metodikken er variasjonen i implementeringen av D-MRV-målingene. Råstofffuktighet kan være ganske variabel innenfor et gitt parti, selv om alt råstoffet ellers er ensartet. Metoden for å ta tre øyeblikksbildevideoer av flammen under prosessen for å verifisere at riktig temperatur er nådd, er begrenset av brenningens dynamiske natur. Tre øyeblikksbildevideoer er kanskje ikke representative for hele prosessen. En levedyktig kryssjekk til denne målingen er ganske enkelt å vite hvor lang tid forbrenningen tok og hvor mye biokull som ble produsert fordi ikke-optimale temperaturforhold vil resultere i lavere produksjonsvolum. Felt-D-MRV-målingene av bulktetthet og volum er begrenset i presisjon; Dette kompenseres imidlertid ved å bruke sikkerhetsmarginer for å sikre at de endelige verdiene er konservative og ikke overestimerer karbonfjerningen.

Operasjonell logistikk bidrar også til variasjonen i produksjonsparametere for biokull og suksess for prosjekter. Operativ logistikk må ta hensyn til faktorer som vær, terreng, tilgang, arbeidernes sikkerhet, opplæring, verktøy og utstyr og vanntilgjengelighet. De fleste verktøyene og forsyningene som trengs for å lage biokull er standardutstyr som leveres til brannmenn og skogbruksmannskaper. Spesifikke verktøy som trengs for å implementere D-MRV med Ring of Fire biokullovn er oppført i materialfortegnelsen .

Å lage biokull i felt fra avfallsbiomasse må konkurrere med alternativet åpen brenning eller forbrenning, som har fordelen av svært lave kostnader. Marginalkostnaden ved å lage biokull kontra åpen brenning har mest å gjøre med økte arbeidskrav, da kapitalkostnaden for de enkle flammehetteovnene er lav²⁷. Per dags dato er det ikke nok storskala prosjekter med robust datainnsamling til å fastslå den faktiske marginalkostnaden ved produksjon av biokull fremfor forbrenning. Et eksempel kan imidlertid vise potensialet for karbonfinansiering for å fylle gapet.

Watershed Consulting i Missoula, MT, behandlet skråstrek tynnet fra 21 dekar blandet barskog i Vest-Montana i 2021 ved hjelp av Ring of Fire biokullovner²⁸. Den totale prosjektkostnaden var $ 42,302.00, og det totale biokullutbyttet var 112,5 kubikkmeter. Ved å bruke våre egne standardforutsetninger om biokullegenskaper laget i flammehetteovner, anslår vi at prosjektet sekvestrerte 31,75 tonn CO₂ til $ 1,332.35 per tonn. Kostnaden for pæling og forbrenning av materialet ville ha vært $ 15,750.00, og etterlot en marginal kostnad på $ 26,552.00 for å lage biokull i stedet for forbrenning, eller $ 836.28 per tonn biokull produsert. Denne marginalkostnaden kan i det minste delvis kompenseres ved karbonfjerningsbetalinger på $ 100 til $ 200 per tonn CO₂, som validerer viktigheten av D-MRV-prosessen. For å fullføre det økonomiske bildet av prosjektet, er det viktig for finansieringsmyndighetene å anerkjenne økosystemfordelene ved å unngå jordskader fra brennhaugarr, reduserte klimagassutslipp og partikkelformig luftforurensning, samt returnere røye til skogsjord for fuktighetsretensjon, næringssyklus og jordhelse.

De detaljerte metodene som er beskrevet i dette papiret, vil hjelpe enkeltpersoner og grupper som arbeider i økosystemer påvirket av fremmede invasive arter, tørke og brann for å implementere økonomisk gjennomførbare biomasse-til-biokullprosjekter som kan forbedre og gjenopprette jord og innfødte økosystemer samtidig som man unngår klimagassutslipp og sekvestrerer karbon for klimareduksjon. Til tross for variasjonen og mangelen på presisjon i målingene og verifikasjonspunktene i denne praktiske feltmetodikken, konkluderer vi med at det fortsatt er en verdifull tilnærming til å binde karbon i feltsituasjoner der andre tilnærminger, som transport av biomasse til et industrielt pyrolyseanlegg, ikke er praktiske.

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