Summary
Nya metoder för att göra sig av med skogliga hyggeshögar producerar pyrogent kol för att återställa skogens markhälsa och för att ta upp och binda kol. Här presenterar vi en produktionsmetod för biokol som integrerar en ny redovisningsmetod för koldioxidupptag och en digital applikation.
Abstract
En av de största utmaningarna med att utnyttja icke-kommersiell skogsbiomassa är dess utbredda karaktär. Den bästa lösningen på biomassaproblemet, för att undvika dyra och koldioxidintensiva bearbetnings- och transportkostnader, är att bearbeta den på plats. Konventionella brännhögar har dock destruktiva effekter på skogsmarken och ger inga andra fördelar än bränsleminskning. Att omvandla skogsavverkning till biokol på plats har många ekologiska fördelar jämfört med den nuvarande praxisen med bortskaffande av grot genom förbränning i brännhögar, inklusive minskad markuppvärmning och partikelutsläpp, tillsammans med flera fördelar med biokolet för skogens markhälsa och vattenhållande kapacitet när det lämnas på plats. Att göra biokol på plats i skogen är ett sätt att återföra en pyrogen kolkomponent till skogsmarken som har saknats på grund av den senaste historien av brandbekämpning. Biokol är också en ledande metod för koldioxidupptag och bindning för att mildra klimatförändringarna. I denna studie dokumenterar vi en metod för att tillverka biokol med hjälp av en portabel biokolugn. Denna lågkostnadsmetod använder handlag utrustade med vatten för att släcka ugnar innan biokolet brinner till aska. Enkla tekniker för att kvantifiera och karakterisera det producerade biokolet ingår i metoden i syfte att mäta påverkan och kvalificera sig för certifikat för koldioxidupptag för att hjälpa till att betala för kostnaden för arbetet. Vi beskriver CM002-komponentmetodiken som tillhandahåller standardiserade procedurer för kvantifiering av växthusgasfördelar under tre steg i processen: inköp av avfallsbiomassa, produktion av biokol och applicering av biokoljord. CM002-metodiken är baserad på internationell bästa praxis, inklusive den senaste VCS-metodiken VM0044 Standards och EBC C-Sink Artisan Standards. Tillförlitliga kvantifieringsmetoder som använder lämpliga säkerhetsfaktorer är det första viktiga steget mot berättigande till finansiering av koldioxidupptag.
Introduction
I många regioner i världen, inklusive västra USA, har klimatförändringar, torka och främmande invasiva arter skapat en skogsbrandskris som hotar ekosystem och samhällen. När skogar och skogsmarker brinner okontrollerat släpps stora mängder partiklar och växthusgaser ut i atmosfären, med förödande konsekvenser för människors hälsa och klimatet. Till exempel beräknas skogsbränder i Kalifornien 2020 ha släppt ut cirka 127 miljoner megaton utsläpp av växthusgaser, ungefär två gånger så mycket som Kaliforniens totala minskningar av växthusgasutsläpp från 2003 till 20191. Forskare och markförvaltare undersöker i allt högre grad mänskliga handlingar som kan bidra till att återställa dessa skogar och skogsmarker och deras ekosystemtjänster. Manuell gallring och bortforsling av överskottsbiomassa är en av de viktigaste åtgärderna som måste vidtas2. Bortskaffande av biomassa inbegriper bortskaffande av biomassa, och om biomassan är belägen på avlägsna och svåråtkomliga platser finns det få andra alternativ än förbränning på plats i okontrollerade avverkningshögar. Okontrollerade brännhögar gör jobbet med att ta bort bränsle från landskapet, men de skadar skogsmarken eftersom den koncentrerade värmen under högarna förbränner markens organiska horisont och lämnar efter sig bar jord som är sårbar för erosion och kolonisering av invasiva arter. Det kan ta årtionden att regenerera den organiska jordhorisonten iett ärr 3 i en brännhög. Ohanterade brännhögar är också en källa till partikel- och växthusgasutsläpp. Rök från bränning av grothögar begränsar också det brinnande fönstret i avrinningsområden med begränsad luftkvalitet, vilket gör det svårare att utföra arbetet.
Forskare för USDA Forest Service har undersökt alternativet att producera biokol från grotmaterial och har identifierat flera lovande tekniker, bland annat möjligheten att använda små, mobila biokolugnar i skogen4. Att omvandla skogsavverkning till biokol på plats har många ekologiska fördelar jämfört med den nuvarande praxisen med bortskaffande av grot genom förbränning i brännhögar, inklusive minskad markuppvärmning och partikelutsläpp. Biokol som produceras på plats kan tas bort och användas i jordbruket, eller så kan det lämnas kvar där det fyller flera funktioner för att återställa skogens hälsa och förbättra anpassningen till klimatförändringar och torka. Eftersom upp till 50 % av det totala kolet i många skogsmarker är träkol från historiska, naturliga bränder5, kan man genom att lämna biokol på platsen där det tillverkas återställa träkol i skogsmark som ofta saknas i de senaste markhorisonterna på grund av brandbekämpning, med okända effekter på ekosystemprocesser6. Biokol som lämnas på plats på skogsmark kan efterlikna effekterna av träkol som produceras av naturlig brand och ge liknande effekter på markens kolhalt och markens fysiska, kemiska och biologiska egenskaper7.
Under de senaste åren har ett internationellt nätverk av skogsarbetare, skogsägare, forskare och biokolkonsulter utvecklat en serie förkolningsmetoder för att omvandla skogsavverkning till biokol på plats som ett alternativ till förbränning av grothögar. Dessa metoder är baserade på principen om flamkarbonisering, som först utvecklades och kommersialiserades i Japan som den "rökfria förkolningsugnen" som erbjuds av Moki-företaget8. Denna stålringugn gör välförkolnat biokol med rapporterad omvandlingseffektivitet från biomassa till biokol på 13 % till 20 %, beroende på vilken råvara som används9.
Processen att producera biokol eller träkol kallas ofta pyrolys, separation av biomassakomponenter genom värme i frånvaro av syre. Detta brukar uppfattas som retortpyrolys, där biomassa fysiskt isoleras från luft i ett externt uppvärmt kärl. Pyrolys kan dock också ske i närvaro av begränsad luft, som vid förgasning och flamkarbonisering, eftersom fasta bränslen som trä brinner i steg. När värme appliceras på biomassa är det första steget i förbränningen uttorkning, eftersom vatten avdunstar från materialet. Detta följs av avdunstning och samtidig kolbildning, även känd som pyrolys. Flyktig gas som innehåller väte och syre frigörs och förbränns i en låga, vilket kontinuerligt tillför värme till processen. När gasen frigörs omvandlas det återstående kolet till aromatiskt kol, eller kol. Det sista steget i förbränningen är oxidationen av kolet till mineralaska10.
Eftersom det är diskreta faser som uppstår i en öppen förbränningsprocess har vi möjlighet att stoppa processen efter kolbildning genom att ta bort luft eller värme. Detta åstadkoms under biokolproduktionsprocessen genom att kontinuerligt lägga till nytt material i brännhögen så att det heta kolet begravs av nytt material som stänger av syreflödet. Varmt kol samlas i botten av högen och hindras från att brinna till aska så länge lågan är närvarande, eftersom lågan förbrukar det mesta av det tillgängliga syret. När allt bränsle har fyllts på i högen börjar lågan slockna. Vid den tidpunkten kan det heta kolet bevaras genom att ta bort syre och värme, vanligtvis genom att spraya kolen med vatten och kratta dem tunt för att svalna11.
Den grundläggande funktionsprincipen är motströmsförbränning. Motströmsförbränningsluft håller lågan låg och förhindrar utsläpp av glöd eller gnistor. Lågan bränner också det mesta av röken, vilket minskar utsläppen. Sammanfattningsvis förklarar följande principer driften av motströmsförbränning i en flamlocksugn: (1) Gas strömmar uppåt medan förbränningsluft strömmar nedåt, (2) Motströmsflöde etableras när brinnande bränsle drar luft nedåt, (3) Lågorna håller sig låga och nära bränslet, vilket minimerar glödutströmning, (4) Rök brinner i den heta zonen, (5) Eftersom all förbränningsluft kommer uppifrån, den förtärs av lågorna (6) Mycket lite luft kan nå de oförbrända kolen som faller till botten av ugnen, (7) Kolet bevaras till slutet av processen då de släcks eller släcks.
Förutom dess fördelar för marken är biokol också en ledande metod för koldioxidupptag för att mildra klimatförändringarna. Upp till hälften av kolet i träbiomassa kan omvandlas till stabilt, aromatiskt kol i form av biokol12. Alla pyrolystekniker producerar dock inte samma mängd motsträvigt kol som förblir stabilt i jordar i 100 år eller mer (nyckelmåttet för att bestämma koldioxidborttagningsvärdet). Biokolets stabilitet är nära korrelerad med produktionstemperaturen. Den adiabatiska flamtemperaturen för brinnande ved uppskattas vara nära den för propan, 1 977 °C13. Produktionen av biokol i en flamlocksugn är nära kopplad till lågan, utan värmeöverföringsförluster genom ledning genom en metallvägg, som vid retortpyrolys. Därför skulle vi förvänta oss att produktionstemperaturen skulle vara hög så länge en låga upprätthålls under processen. En undersökning av rödingar med Raman-spektroskopi14 rapporterade att ett biokolprov från en flamlocksugn (tillhandahållen av huvudförfattaren Kelpie Wilson) var bland de tre proverna med den högsta skenbara temperaturen för kolbildning, i intervallet 900 °C.
Termoelement krävs för att komma åt det inre av förbränningen och noggrant mäta produktionstemperaturen för biokol i en flamlocksugn eller brännhög, och dessa är dyra och inte tillgängliga för lågteknologiska producenter. Därför har vi använt en metod som beskrivits av forskare som arbetar i brasilianska Amazonas som använder värmekritor (som används av svetsare för att kontrollera temperaturen på metalldelar) som smälter vid en kalibrerad temperatur15. Tegelstenar märks med kritor, lindas in i aluminiumfolie och placeras på olika ställen i ugnen under produktionen. Vi använde denna metod flera gånger och kom fram till att ugnstemperaturen översteg 650 °C, eftersom kritmärkena var helt smälta. Detta kommer att vara en användbar metod för att bekräfta produktionstemperaturer där det behövs. Den viktigaste verifieringspunkten kommer dock att vara att dokumentera förekomsten av flamma hela tiden.
Det finns inte mycket publicerade data om egenskaperna hos biokol som tillverkas med lågteknologiska flamförkolningsmetoder. Biokolprover gjorda med flamförkolningsmetoder i flera ugnstyper analyserades dock av Cornellissen et al. och befanns uppfylla European Biochar Certificate (EBC) standarder för biokol, inklusive låg PAH-halt och hög biokolstabilitet. Dessutom hade biokolet som producerades från både vedartade och örtartade råvaror en genomsnittlig kolhalt på 76 procent11. US Forest Service Rocky Mountain Research Station16 analyserade fem biokolprover från flamlocksugnar och brännhögar som gjordes vid en fältdag i Kalifornien 2022. Den genomsnittliga kolhalten i proverna var 85 procent. Med tanke på dessa resultat kan vi dra slutsatsen att det är troligt att biokol tillverkat av trärester i flamlocksugnar kommer att uppfylla de grundläggande kraven för verifierat koldioxidupptag: hög kolhalt och hög biokolstabilitet.
Två protokoll för koldioxidborttagning för lågteknologisk, platsbaserad biokolproduktion har nu släppts av Verra17 och European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink protocol18. Dessa nyutvecklade protokoll är lovande; De har dock vissa begränsningar när de tillämpas på skogar, skogsmark och andra landskap som hotas av torka och skogsbränder. Följaktligen kommer denna artikel att beskriva en ny metod, metodiken CM002 V1.0, från AD Tech19, som utvecklas specifikt för flamkarbonisering av vedartat skräp som en del av vegetationshantering och bränsleminskningsaktiviteter. Livscykelanalys bekräftar att kolbindning av biokol med hjälp av biokolproduktion på plats från träbiomassa i flamlocksugnar ger en nettofördel för koldioxidupptag20. Ett framgångsrikt genomförande av protokoll för koldioxidupptag kan bidra till att ekonomiskt stödja det viktiga arbete för att minska bränsleförbrukningen som måste göras för att skydda samhällen och ekosystem från skogsbränder och förstörelse av ekosystem. För att få tillgång till betalningar för koldioxidupptag införlivas fältmätningar och digitala övervaknings-, rapporterings- och verifieringsmetoder (D-MRV) som rutinmetoder i den metod för produktion av biokol som beskrivs här. Detaljer om plattformen diskuteras i den kompletterande informationen (tilläggsfil 1).
Medan flera konstruktioner med öppen källkod av flamlocksugnar tillverkas av individer för eget bruk21, så finns det såvitt vi vet för närvarande bara en flamlocksugn med en kapacitet på mer än en kubikmeter som massproduceras för försäljning i Nordamerika, Ring of Fire Kiln22, En lätt, bärbar flamskyddsugn som är designad för enkel rörlighet med hjälp av handbesättningar. Ugnen består av en innerring bestående av sex plåtar av kolstål som fästs ihop. En yttre ring som består av lättare stålbultar på fästena som håller ihop den inre ringen. Den yttre ringen fungerar som en värmesköld som håller inne värmen för bättre effektivitet. Ugnens ovansida är öppen mot luften, och det är här flamlocket bildas. Luft som strömmar upp genom det ringformiga gapet mellan huvudugnens kropp och värmeskölden ger förvärmd förbränningsluft till ugnen, vilket ytterligare ökar förbränningseffektiviteten (figur 1)
Figur 1: Schematisk bild av luftflöde, flamegenskaper och kolackumulering i eldringen. Motströmsförbränningsluft drar in röken i den heta zonen, där den brinner upp. Luft som strömmar upp genom det ringformiga gapet mellan huvudugnen och värmeskölden ger förvärmd förbränningsluft till ugnen, vilket ytterligare ökar förbränningseffektiviteten. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Ugnsdiametern är 2,35 m och bildar en cylinder som är en meter hög för en total volym på 4,3 m3. I praktiken fylls ugnen aldrig helt till toppen, så en typisk produktionssats kommer att fylla ugnen från mellan 1/2 till 3/4 full för en volym biokol som är mellan 2 och 3 kubikmeter.
Eftersom Ring of Fire Kiln är en standardiserad design, antas den som den första certifierade tekniken för användning i CM002 Component Methodology som tillhandahåller standardiserade procedurer för kvantifiering av växthusgaser (GHG). Mät- och datainsamlingssteg som uppfyller kraven i CM002 ingår i metoden. Rapporteringen sker via en smartphone-applikation genom att svara på korta frågeformulär under hela processen och ladda upp bilder och videoklipp till mobilappen.
Protocol
OBS: Denna metod använder Ikhala smarttelefonapplikation (hädanefter kallad D-MRV-applikation; Materialförteckning) för att få tillgång till betalningar för koldioxidupptag, fältmätningar och digital övervakning, rapportering och verifiering.
1. Insamling av råmaterial och bekräftelse av lämpligheten
- Välj och rapportera råvarans storlek.
- Välj trämaterial som är mindre än 15 cm i diameter. Se till att alla material är greniga eller ojämna i formen så att det inte packas tätt och hämmar luftflödet i ugnen.
- I D-MRV-applikationen klickar du på knappen Ta ett foto i avsnittet Feedstock för att öppna kameran. Med kameran öppen, sikta på motivet (torra råvaruhögar med en mätsticka) och ta bilden genom att trycka på slutarknappen på skärmen.
- Rapportera råvaruslag: Öppna applikationen D-MRV och svara på det korta digitala frågeformuläret som rapporterar mängderna av varje arttyp. Rapporteringen baseras på visuella uppskattningar.
- Bestäm och rapportera råvarans fukthalt.
- Använd en vanlig vedfuktighetsmätare och gör en avläsning genom att sätta in stiften i mitten av den största biten av varje typ av råmaterial.
- På D-MRV-applikationen, ta ett foto av varje fuktmätaravläsning. Klicka på knappen Ta ett foto i avsnittet om fuktmätare och skriv in värdet som visas på fuktmätaren i textfältet. Skicka in ett foto och en textpost för varje fuktmätarställning.
2. Montering, lastning och belysning av ugnen
- På plan mark, rensa brandfarligt organiskt material från en cirkel med en diameter på cirka 3 m. Montera de 6 inre ugnspanelerna till en cylinder med hjälp av anslutningsfästena,
- Använd en spade eller liknande verktyg och täta cylinderns nedre kant med en liten vall av mineralsmuts eller lera så att luft inte kan komma in i ugnen från botten.
- Fäst de 6 värmesköldspanelerna på anslutningsfästena och se till att en luftspalt lämnas i botten av värmeskölden så att luft kan strömma genom det ringformiga gapet mellan de inre och yttre cylindrarna. Fäst ugnens ID-tag på värmeskölden med hjälp av värmesköldens hårdvara.
- Identifiera de ugnar som används i partiet. I avsnittet Bränningsförberedelse klickar du på knappen Ta ett foto för att ta bilder av den monterade ugnen och ID-taggen och skicka in dem för varje ugn på plats.
- Ladda ugnen: Använd mindre (2-6 cm tjockt är idealiskt), torrare material för den första laddningen av ugnen. Packa materialet upp till ugnskanten och ordna eventuellt icke-grenigt material, såsom stolpar, så att det inte packas för tätt och begränsar luftflödet.
OBS: Målet är att se till att materialet packas tillräckligt tätt för att upprätthålla en låga men också tillåta förbränningsluft att nå botten av högen. - Tänd ugnen: Lägg små, torra tändämnen ovanpå den laddade ugnen. Använd en accelerator om det behövs och tänd med en tändsticka, eller använd en propanbrännare. Tänd ugnen på flera ställen på toppen så att en eldslåga snabbt utvecklas över hela ugnen.
- Använd D-MRV-appen och ta ett videoklipp på 30 s så snart flamlocket är etablerat. I avsnittet Burn Start klickar du på knappen Ta video och klickar sedan på knappen Skicka video .
3. Matning och skötsel av ugnen
- Under den första driftsfasen dras luft från toppen ner till botten av ugnen, medan den initiala lasten mestadels brinner ner till ett lager kol. Se till att den första lasten ger en bra kolbädd innan du lägger till mer material. Lägg till ett nytt lager råmaterial när det föregående lagret börjar visa en film av vit aska.
- Övergång till kontinuerlig lastning: Lastning av nytt material i torken i jämn takt. Försök att hålla varje lager av trä med samma diameter så att förkolningen blir jämn.
- Använd lågan som en indikator på laddningshastigheten: Låt lågan vara guiden för att lägga till nytt material. Se till att en bra stark låga upprätthålls på toppen eftersom det är värmekällan för att göra kol.
- Om operatören laddar för mycket, för snabbt, kommer lågan att kvävas. Om det händer, pausa och vänta tills lågan kommer upp igen. Om operatören inte laddar tillräckligt med material kommer lågan att slockna och kolet börjar brinna till aska. Om det börjar hända, lägg till mer material för att hålla lågan igång.
- Verifiera lågans närvaro under bränningen som en indikator på ren, het förbränning som minimerar metanutsläppen och maximerar stabil kolbildning.
- Använd D-MRV-applikationen, ta en 30-s-video av lågan cirka 1 timme efter att ugnen har tänts. Navigera till avsnittet Burn Quality Proof och klicka på knappen Proof of Burn at First Hour .
- Klicka på knappen Ta video , tryck på Spela in i minst 30 sekunder och klicka på knappen Skicka video .
- Tillsätt det största materialet i mitten av bränningen så att den hinner förkolna helt. Ugnen kommer att fyllas med biokol i olika hastigheter, beroende på råvarutyp, storlek och fukt.
- Använd D-MRV-applikationen och ta en 30-s-video av lågan i slutet av den andra timmen av bränningen. Klicka på knappen Proof of Burn at Second Hour och sedan på Take Video knapp. Tryck på Spela in i minst 30 sekunder och klicka på knappen Skicka video .
- Använd D-MRV-applikationen och ta en 30-s-video av lågan i slutet av den tredje timmen av bränningen. Klicka på knappen Proof of Burn at Third Hour och sedan på Take Video knapp. Tryck på Spela in i minst 30 sekunder och klicka på knappen Skicka video .
- När ugnen fylls med glödande glödande kol, gör de sista lagren av medelstort material så att eventuella större bitar kan förkolna.
4. Efterbehandling, kylning och mätning av biokolet
- Avsluta förbränningen när det ackumulerade biokolet är inom 10-20 cm från ugnens övre kant, när råvaran är förbrukad eller när arbetsdagen är slut.
- Förkolningen är klar när det inte längre finns några lågor. Vänta i 10-15 minuter efter att du har tillsatt den sista råvaran tills lågorna slocknar. Det kommer alltid att finnas några större bitar som inte förkolnar helt, vilket inte är ett problem.
- Innan släckning, använd en stålkratta för att jämna ut de heta, glödande kolen i ugnen.
- Placera en mätsticka vertikalt i ugnen, mot ugnsväggen, så att ena änden nuddar nivåkolet. I D-MRV-applikationen tar du en bild av mätstickan som visar djupet på kolet i ugnen genom att navigera till avsnittet Mäta biokolet och klicka på knappen Ta ett foto .
- I textinmatningsfältet för frågan Vad är avläsningen från toppen av biokolet till toppen av ugnen, skriv in värdet på mätstickan.
- Upprepa denna mätning och fotoinspelning ytterligare två gånger på olika platser i ugnen genom att klicka på knappen Skicka och lägg till ytterligare ett foto .
- Omedelbart efter att du har rapporterat koldjupsmätningarna, ta ett foto av ugnens identifieringstagg för verifieringsändamål.
- Mät rödingens bulkdensitet.
- När biokolsatsen är klar, men innan släckning, fyll en metallhink med heta glödande kol som skyfflas från ugnen. Väg hinken för att få taravikten med hjälp av en hängande våg. Ta en bild för att registrera vikten.
- Fyll hinken med glödande kol och väg den, ta en bild för att registrera vikten.
- Upprepa provtagningsförfarandet (4.5.1-4.5.2) ytterligare två gånger, ta prover från olika delar av ugnen och registrera värdet med ett foto.
- Släck med vatten.
- Börja spruta vatten med lågt tryck i ugnen tills värmeskölden är tillräckligt sval för att vidröra. Ta bort alla värmesköldspaneler och stapla dem ur vägen.
- När du sprutar vatten, ta bort flera ugnspaneler och kratta ut kolet i ett tunt lager för att svalna. Fortsätt att spraya och kratta tills rödingen är helt sval. Biokolet ska vara tillräckligt svalt för att man ska kunna lägga en hand i det.
- Ta bort och spela in obrända bitar. Ta bort eventuella delvis förkolnade bitar och ordna dem på en av ugnspanelerna i ett enda lager, med mätstickan lagd bredvid. Använd D-MRV-applikationen för att ta en bild av de ofullständigt förkolnade bitarna.
Representative Results
En välorganiserad och implementerad biokolsats med hjälp av Ring of Fire-ugnen kommer att producera 2-3 m3 biokol på 4-5 timmars brinntid. Att använda CM002-komponentmetodiken och registrera förbränningsparametrar i D-MRV-applikationen är avsett att göra det möjligt för en certifierad kontrollör att bekräfta batchproduktionsvolymen för biokol och biokolkvaliteten. Mer information om metoden finns i den kompletterande informationen (tilläggsfil 1).
Processverifieringspunkterna för en typisk sats biokol som tillverkas i eldringsugnen listas här (figur 2). I tabell 1 anges typiska värden som uppmätts i fält eller fastställts genom verifiering.
1. Rapportera typ av råvara.
2. Råvarustorlek: bild av råvaruhögen med en linjal på plats.
3. Råvarans fuktighet: en bild som visar fuktmätaravläsningen från den största delen av varje råvaruslag.
4. Tändning: En 30-s-video som visar början av ugnsbränningen och inspelningstiden för start. Videon visar att ett starkt flamskydd har utvecklats.
5. Verifiering av produktionstemperatur baserat på flamnärvaro: tre 30-s-videor visar stark flamnärvaro under bränningen.
6. Biokolvolym: tre bilder på mätsticka i ugnen för att visa höjden på nivåkol i ugnen på tre platser. Uppmätta avstånd från toppen av ugnen till kolet beräknas i genomsnitt till ett värde för beräkningar.
7. Bulkdensitet: En bild av vågen som visar skopans tomvikt. Tre bilder på våg som visar vikten på rödingen och hinken. Röding tagen från 3 platser i ugnen. De tre viktmåtten beräknas i genomsnitt till ett värde för beräkningar
Bild 2: Infografik som visar processens verifieringspunkter. Processverifieringspunkterna för ett typiskt parti biokol tillverkat i Eldringens ugn. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Datapunkt #1 | Datapunkt #2 | Datapunkt #3 | ||||
| Råvaruslag | furu 50% | gran 50% | ||||
| Avläsning av fuktmätare | 19% | 23% | ||||
| Volym av tom ugnscylinder | 4,3 m3 | |||||
| Höjd på ugnscylinder | 1 m | |||||
| Höjd på kolnivå i ugn | 60 cm | 61 cm | 59 cm | |||
| Taravikt på 7 liters hink | 0,6 kg | |||||
| Vikt på hink med röding | 1,8 kg | 1,9 kg | 2,0 kg | |||
| Databasvärde för kolinnehåll | 86.8% | |||||
| Stabilitetsfaktor för kol | 0.74 | |||||
Tabell 1: Representativa värden som används för att verifiera produktionsresultat och bearbetningsparametrar för ett typiskt parti biokol som produceras i en biokolugn från eldringen.
Med hjälp av dessa kontrollpunkter fastställer kontrollören att biokolet har framställts med lämpliga råvaror och vid en temperatur över 600 °C för att uppfylla kraven i CM002-komponentmetoden för långsiktig stabilitet. Detta gör att kolstabilitetsfaktorn på 0,74 för 100 års beständighet kan tillämpas på biokolsatsen. För att bestämma volymen på biokolsatsen använder kontrollören volymen på den tomma ugnen som verifieras av ugnens ID-tagg (4,3 m3) och höjden på kolnivån i ugnen (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Eftersom ugnen är fylld till 60 % är volymen röding 0,6 x 4,3 m3 = 2,6 m3. Kontrollören beräknar sedan biokolets bulkdensitet baserat på hinkmätningar. Subtrahering av skopans vikt på 0,6 kg från varje mätning ger värden på 1,2 kg, 1,3 kg och 1,4 kg som i genomsnitt är 1,3 kg/7 l. Detta motsvarar 185,7 kg/m3. Därför är torrvikten för det producerade biokolet (185,7 kg/m3) x (2,6 m3) = 483 kg.
Verifieraren kan ta kolhalten i biokolet från en databas, eller i det här fallet, från ett enkelt laboratorietest som bekräftade en kolhalt på 86,8 % från ett parti blandade barrved som producerades i en Ring of Fire Kiln i Sonoma County, Kalifornien 2021. Testet utfördes av Control Laboratories i Watsonville, CA23. Kolstabilitetsfaktorn på 0,74 tillämpas. Därför härleds den stabila organiska kolhalten på torrviktsbasis för biokol från massan av biokol, dess innehåll av organiskt kol och den 100-åriga stabilitetsfaktorn för ett slutvärde på (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg stabilt kol. För att komma fram till det slutliga värdet av koldioxidupptag subtraheras projektläckage och lämpliga säkerhetsmarginaler tillämpas tillsammans med omvandlingsfaktorn från fast kol till koldioxid, enligt beskrivningen i tilläggsfil 1. Biokolets certifierade biokolborttagningsvärde beror på slutlig verifiering av att biokolet har applicerats på jord eller kompost och inte förbränns eller på annat sätt oxideras.
Tilläggsfil 1: Detaljerad information om metoden och beräkningarna. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Olika biomassaarter kommer att producera biokol med olika fraktioner av kol och aska, oavsett produktionstemperatur, på grund av biomassans elementära sammansättning24. Eftersom de befintliga databaserna över biokolegenskaper för olika råvaror inte är fullständiga kan projekt behöva lämna in prover för laboratorieanalys för att verifiera innehållet av organiskt kol i biokolet. För att hålla projektkostnaderna nere rekommenderar vi en enkel labbprocedur som kan göras till låg kostnad av elever i skollaboratorier på gymnasie- eller högskolenivå25. Med tiden, i takt med att fler projekt genomförs på plats, kommer databasen med kolhalter i biokol för olika typer av råvaror att växa och bli mer användbar.
Många av D-MRV-mätningarna är avsedda att verifiera att produktionsförhållandena är optimala för att producera biokol med egenskaper som nära matchar databasvärden. Dessa nyckelmått är råvarans fuktighet och videoserien som dokumenterar kvaliteten på flamförbränningen, som bestämmer produktionstemperaturen och den resulterande stabiliteten hos kolet i biokolet.
Även om det är enkelt att mäta volymen biokol som produceras i ugnen, är det inte lätt att bestämma torrmassan för det producerade biokolet. Att arbeta med biokol är utmanande eftersom materialets komplexa partikeldensitet gör det svårt att bestämma bulkdensitetsmätningar26. När biokol väl har släckts är det inte möjligt att få en torrvikt av en viss volym biokol i fält. Biokolets torra bulkdensitet kan dock mätas i fält genom att fylla en metallhink med känd volym med heta kol och väga den. Denna procedur kan ge oss en bra uppskattning av biokolets torrmassa.
En viktig nackdel med denna metod är den inneboende variationen i fältarbetet, inklusive råvaruvariabilitet och operatörens kompetensnivå. Operatören måste bestämma råmaterialets lastningshastighet och arbeta för att upprätthålla en stark låga i ugnen. Underlåtenhet att underhålla lågan genom överbelastning kommer att påverka temperaturen på kolbildningen och därmed kolstabiliteten. Detta åtgärdas bäst genom ett effektivt utbildningsprogram för operatörer. Arbetarutbildning och säkerhetsprotokoll är avgörande för framgången med biokolproduktion på plats. Med tanke på arbetskraftskraven måste utbildningsprogrammen vara välorganiserade och göras allmänt tillgängliga27.
En annan begränsning med metoden är variabiliteten vid genomförandet av mätningarna av D-MRV. Råvarans fuktighet kan vara ganska varierande inom en given sats, även om alla råvaror i övrigt är enhetliga. Metoden att ta tre ögonblicksbilder av lågan under processen för att verifiera att rätt temperaturer uppnås begränsas av brännskadans dynamiska karaktär. Tre ögonblicksbildsvideor kanske inte är representativa för hela processen. En genomförbar dubbelkontroll av denna mätning är helt enkelt att veta hur lång tid bränningen tog och hur mycket biokol som producerades, eftersom icke-optimala temperaturförhållanden kommer att resultera i lägre produktionsvolymer. Fältmätningarna av skrymdensitet och volym är begränsade i sin precision. Detta kompenseras dock genom att använda säkerhetsmarginaler för att säkerställa att slutvärdena är konservativa och inte överskattar koldioxidupptaget.
Operativ logistik bidrar också till variationen i biokolproduktionsparametrar och projektens framgång. Operativ logistik måste ta hänsyn till faktorer som väder, terräng, tillgänglighet, arbetarnas säkerhet, utbildning, verktyg och utrustning samt vattentillgång. De flesta av de verktyg och förnödenheter som behövs för att tillverka biokol är standardutrustning som tillhandahålls brandmän och skogsarbetare. Specifika verktyg som behövs för att implementera D-MRV med Ring of Fire-biokolugnen listas i materialtabellfilen .
Att tillverka biokol på fältet från avfallsbiomassa måste konkurrera med alternativet öppen förbränning eller förbränning, vilket har fördelen av mycket låg kostnad. Marginalkostnaden för att tillverka biokol kontra öppen förbränning har mest att göra med ökade arbetskrav, eftersom kapitalkostnaden för de enkla flamlocksugnarna är låg27. Hittills finns det inte tillräckligt många storskaliga projekt med robust datainsamling för att fastställa den faktiska marginalkostnaden för biokolproduktion jämfört med förbränning. Ett exempel kan dock visa att koldioxidfinansiering kan fylla luckan.
Watershed Consulting i Missoula, MT, behandlade svedjebruk från 21 hektar blandad barrskog i västra Montana 2021 med hjälp av Ring of Fire biokolugnar28. Den totala projektkostnaden var 42 302,00 USD och den totala biokolavkastningen var 112,5 kubikmeter. Med hjälp av våra egna standardantaganden om biokolegenskaper gjorda i flamlocksugnar uppskattar vi att projektet bundet 31,75 ton CO2 till 1 332,35 USD per ton. Kostnaden för att stapla och förbränna materialet skulle ha varit 15 750,00 USD, vilket gav en marginalkostnad på 26 552,00 USD för att göra biokol istället för förbränning, eller 836,28 USD per ton producerat biokol. Denna marginalkostnad skulle åtminstone delvis kunna kompenseras genom betalningar för koldioxidupptag på 100 till 200 US-dollar per ton koldioxid, vilket bekräftar vikten av D-MRV-processen. För att komplettera den ekonomiska bilden av projektet är det viktigt att finansiärerna erkänner ekosystemfördelarna med att undvika markskador från ärr från brännhögar, minskade utsläpp av växthusgaser och partikelformiga luftföroreningar, samt att återföra röding till skogsmark för fukthållning, näringsomsättning och markhälsa.
De detaljerade metoderna som beskrivs i detta dokument kommer att hjälpa individer och grupper som arbetar i ekosystem som påverkas av främmande invasiva arter, torka och skogsbränder att genomföra ekonomiskt genomförbara biomassa-till-biokol-projekt som kan förbättra och återställa jordar och inhemska ekosystem samtidigt som man undviker utsläpp av växthusgaser och binder kol för att begränsa klimatförändringarna. Trots variabiliteten och bristen på precision i mätningarna och verifieringspunkterna i denna praktiska fältmetodik, drar vi slutsatsen att det fortfarande är ett värdefullt tillvägagångssätt för att binda kol i fältsituationer där andra tillvägagångssätt, som transport av biomassa till en industriell pyrolysanläggning, inte är praktiska.
Disclosures
Författaren Kelpie Wilson är uppfinnaren och tillverkaren av Ring of Fire Biochar Kiln. Författaren Wihan Bekker är delägare i African Data Technologies (Pty) Ltd., utvecklare av CM002 Component Methodology och Ikhala D-MRV-rapporteringsplattform.
Acknowledgments
Stort tack till US Biochar Initiative och USDA Forest Service för sponsring och stöd till Biochar in the Woods-nätverket för att dela information mellan en mängd olika utövare som uppfinner och förfinar metoder för att tillverka och använda biokol för miljöförvaltning och begränsning av klimatförändringar.
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).
