Producing, Characterizing and Quantifying Biochar in the Woods Using Portable Flame Cap Kilns

Kelpie J. Wilson; Wihan Bekker; Stephen I. Feher

doi:10.3791/65543

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Umwelt

ייצור, אפיון וכימות ביו-פחם ביער באמצעות כבשני כובעי להבה ניידים

Published: January 05, 2024

doi:

10.3791/65543

Kelpie J. Wilson¹, Wihan Bekker², Stephen I. Feher³

¹Wilson Biochar Associates,US Biochar Initiative, ²African Data Technologies (Pty) Ltd., ³Sustainable Community Development Institute,Butte Community College

Summary

שיטות חדשות לסילוק ערימות ייעור במקום מייצרות פחמן פירוגני לשיקום בריאות אדמת היער ולהסרת פחמן ותפיסתו. כאן, אנו מציגים שיטת ייצור ביו-פחם המשלבת מתודולוגיה חשבונאית חדשה להסרת פחמן ויישום דיגיטלי.

Abstract

אחד האתגרים הגדולים ביותר בשימוש בביומסה לא מסחרית של יער הוא אופיו הנפוץ ביותר. הפתרון הטוב ביותר לבעיית הביומסה, כדי להימנע מעלויות עיבוד (שבבים) ושינוע יקרות ועתירות פחמן, הוא לעבד אותה באתר. עם זאת, לערימות שריפה קונבנציונליות יש השפעות הרסניות על אדמת היער והן אינן מספקות יתרונות מלבד הפחתת דלק. להמרת לוכסן יער לביו-פחם באתר יש יתרונות אקולוגיים רבים על פני הנוהג הנוכחי של סילוק לוכסן על ידי שריפה בערימות שריפה, כולל הפחתת חימום הקרקע ופליטת חלקיקים, יחד עם יתרונות מרובים של הביו-פחם לבריאות אדמת היער וליכולת אחיזת המים כאשר הם נותרים במקומם. ייצור ביו-פחם באתר ביער הוא דרך להחזיר מרכיב פחמן פירוגני לקרקעות יער שהיה חסר בגלל ההיסטוריה האחרונה של דיכוי שריפות. ביו-פחם הוא גם שיטה מובילה לסילוק פחמן ולקיבוע לצורך הפחתת שינויי אקלים. במחקר זה אנו מתעדים שיטה לייצור ביו-פחם באמצעות כבשן ביו-פחם נייד. שיטה זולה זו משתמשת בצוותי יד המצוידים במים להרוות כבשנים לפני שהביו-פחם נשרף לאפר. טכניקות פשוטות לכימות ואפיון הביו-פחם המיוצר משולבות בשיטה לצורך מדידת ההשפעה וזכאות לתעודות הסרת פחמן שיסייעו לשלם את עלות העבודה. אנו מתארים את מתודולוגיית רכיבי CM002 המספקת נהלים סטנדרטיים לכימות יתרונות גזי החממה במהלך שלושה שלבים של התהליך: מיקור ביומסה של פסולת, ייצור ביו-פחם ויישום קרקע ביו-פחם. מתודולוגיית CM002 מבוססת על שיטות עבודה מומלצות בינלאומיות, כולל מתודולוגיית VCS העדכנית ביותר VM0044 Standards ו- EBC C-Sink Artisan Standards. שיטות כימות אמינות המשתמשות בגורמי בטיחות מתאימים הן הצעד החיוני הראשון לקראת זכאות למימון הסרת פחמן.

Introduction

באזורים רבים בעולם, כולל מערב ארה”ב, שינויי אקלים, בצורת ומינים פולשים זרים יצרו משבר שריפות המאיים על מערכות אקולוגיות וקהילות. כאשר יערות ויערות נשרפים ללא שליטה, כמויות גדולות של חלקיקים וגזי חממה נפלטות לאטמוספירה, עם השלכות הרסניות על בריאות האדם והאקלים. לדוגמה, על פי הערכות, שריפות יער בקליפורניה בשנת 2020 שחררו כ-127 מיליון מגה-טון של פליטות גזי חממה, בערך פי שניים מסך הפחתת פליטות גזי החממה של קליפורניה בין השנים 2003 ל-2019¹. יותר ויותר, מדענים ומנהלי קרקעות חוקרים פעולות אנושיות שיכולות לעזור לשקם את היערות והיערות האלה ואת שירותי המערכת האקולוגית שלהם. דילול ידני והסרה של ביומסה עודפת היא אחת הפעולות החשובות ביותר שיש לנקוט². סילוק הביומסה כולל את השלכתו, וכאשר הביומסה ממוקמת במקומות מרוחקים וקשים לגישה, יש מעט אפשרויות מלבד שריפה באתר בערימות נטוי לא מנוהלות. ערימות שריפה לא מנוהלות עושות את העבודה של סילוק דלקים מהנוף, אך הן פוגעות בקרקעות היער שכן החום המרוכז מתחת לכלונסאות שורף את האופק האורגני של הקרקע, ומשאיר אחריו קרקע חשופה וחשופה לסחף ולהתיישבות של מינים פולשים. זה יכול לקחת עשרות שנים כדי לחדש את אופק הקרקע האורגנית בצלקת ערימת כוויות³. ערימות כוויות לא מנוהלות הן גם מקור לפליטת חלקיקים וגזי חממה. עשן משריפת ערימות סלאש מגביל גם את החלון הבוער באגני מים מוגבלים באיכות האוויר, מה שמקשה על ביצוע העבודה.

חוקרים מטעם שירות היערות של משרד החקלאות האמריקאי בחנו את החלופה של הפקת ביו-פחם מחומרי סלאש, וזיהו מספר טכניקות מבטיחות, כולל האפשרות להשתמש בכבשני ביו-פחם קטנים וניידים ביער⁴. להמרת לוכסן יער לביו-פחם באתר יש יתרונות אקולוגיים רבים על פני הנוהג הנוכחי של סילוק לוכסן על ידי שריפה בערימות שריפה, כולל חימום קרקע מופחת ופליטת חלקיקים. ביו-פחם המיוצר במקום ניתן להסיר ולהשתמש בו בחקלאות, או להשאיר אותו במקום שבו הוא ממלא מספר תפקידים בשיקום בריאות היער ושיפור ההסתגלות לשינויי אקלים ובצורת. מכיוון שעד 50% מכלל הפחמן בקרקעות יער רבות הוא פחם משריפות טבעיות היסטוריות⁵, השארת ביו-פחם באתר שבו הוא מיוצר יכולה לשחזר פחם אדמת יער שלעתים קרובות נעדר מאופק הקרקע האחרון עקב דיכוי שריפות, עם השפעות לא ידועות על תהליכים במערכת האקולוגית⁶. ביו-פחם שנשאר במקומו על קרקעות יער יכול לחקות את ההשפעות של פחם המיוצר על ידי אש טבעית ולייצר השפעות דומות על תכולת הפחמן בקרקע ועל התכונות הפיזיקליות, הכימיות והביולוגיות של הקרקע⁷.

בשנים האחרונות, רשת בינלאומית של עובדי יערנות, בעלי יערות, חוקרים ויועצי ביו-פחם פיתחה חבילה של שיטות קרבוניזציה להמרת סלאש יער לביו-פחם באתר כחלופה לשריפת ערימות סלאש. שיטות אלה מבוססות על עקרון קרבוניזציה של להבות, שפותח ומוסחר לראשונה ביפן כ”כבשן פחמן ללא עשן” המוצע על ידי חברת מוקי⁸. כבשן טבעת פלדה זה מייצר ביו-פחם פחמני היטב עם יעילות המרה מדווחת של ביומסה לביו-פחם של 13% עד 20%, בהתאם לחומרי הגלם שבהם נעשה שימוש⁹.

תהליך ייצור ביו-פחם או פחם מכונה לעתים קרובות פירוליזה, הפרדת רכיבי ביומסה על ידי חום בהיעדר חמצן. זה נתפס בדרך כלל כמו פירוליזה retort, שבו ביומסה מבודדת פיזית מן האוויר בכלי מחומם חיצונית. עם זאת, פירוליזה יכולה להתרחש גם בנוכחות אוויר מוגבל, כמו בגזיפיקציה ובפחמן להבה, מכיוון שדלקים מוצקים כמו עץ נשרפים בשלבים. כאשר חום מוחל על ביומסה, השלב הראשון של הבעירה הוא התייבשות, כמו מים מתאדים מן החומר. זה ואחריו devolatilization והיווצרות char בו זמנית, הידוע גם בשם פירוליזה. גז נדיף המכיל מימן וחמצן משתחרר ונשרף בלהבה, ומוסיף חום לתהליך ללא הרף. כאשר הגז משתחרר, הפחמן שנותר מומר לפחמן ארומטי, או פחם. השלב הסופי של הבעירה הוא חמצון הפחם לאפר מינרלי¹⁰.

מכיוון שמדובר בשלבים בדידים המתרחשים בתהליך בעירה פתוחה, יש לנו הזדמנות לעצור את התהליך לאחר היווצרות פחם על ידי הסרת אוויר או חום. זה מושג במהלך תהליך הייצור של ביו-פחם על ידי הוספה מתמדת של חומר חדש לערימת השריפה, כך שהפחם החם נקבר על ידי חומר חדש שמנתק את זרימת החמצן. פחם חם מצטבר בתחתית הערימה ונמנע ממנו להישרף לאפר כל עוד קיימת להבה, משום שהלהבה צורכת את רוב החמצן הזמין. כאשר כל הדלק נוסף לערימה, הלהבה מתחילה לדעוך. בשלב זה, ניתן לשמר את הפחם החם על ידי סילוק חמצן וחום, בדרך כלל על ידי ריסוס הגחלים במים וגריפתם דק כדי לקרר¹¹.

העיקרון הבסיסי של הפעולה הוא זה של בעירה נגדית. אוויר בעירה נגדית שומר על הלהבה נמוכה ומונע פליטת גחלים או ניצוצות. הלהבה גם שורפת את רוב העשן ומפחיתה את פליטת המזהמים. לסיכום, העקרונות הבאים מסבירים את פעולתה של בעירה נגדית בכבשן כובע להבה: (1) גז זורם כלפי מעלה בעוד אוויר בעירה זורם כלפי מטה, (2) זרימה נגד זרם נוצרת כאשר דלק בוער מושך אוויר כלפי מטה, (3) להבות נשארות נמוכות וקרובות לדלק, וממזערות את בריחת הגחלת, (4) עשן נשרף באזור החם, (5) מכיוון שכל אוויר הבעירה מגיע מלמעלה, הוא נצרך על ידי הלהבות (6) מעט מאוד אוויר מסוגל להגיע לגחלים הלא שרופות שנופלות לתחתית הכבשן, (7) הגחלים נשמרות עד סוף התהליך כאשר הן מרוות או מרחרחות.

בנוסף ליתרונותיו לקרקע, ביו-פחם הוא גם שיטה מובילה לסילוק פחמן להפחתת שינויי אקלים. עד מחצית הפחמן בביומסה עצית יכול להיות מומר לפחמן יציב וארומטי בצורה של ביו-פחם¹². עם זאת, לא כל טכנולוגיות הפירוליזה מייצרות את אותה כמות של פחמן סרבן שנשאר יציב בקרקעות במשך 100 שנים או יותר (מדד המפתח לקביעת ערך הסרת הפחמן). יציבות ביו-פחם קשורה קשר הדוק עם טמפרטורת הייצור. טמפרטורת הלהבה האדיאבטית של עץ בוער מוערכת קרוב לזו של פרופאן, 1,977 מעלות צלזיוס¹³. ייצור ביו-פחם בכבשן כובע להבה צמוד ללהבה, ללא הפסדי העברת חום על ידי הולכה דרך דופן מתכת, כמו בפירוליזה רטורט. לכן, היינו מצפים שטמפרטורת הייצור תהיה גבוהה כל עוד הלהבה נשמרת במהלך התהליך. סקר של צ’ארים באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן¹⁴ דיווח כי דגימת ביו-פחם מכבשן כובע להבה (שסופקה על ידי המחבר הראשי קלפי וילסון) הייתה בין שלוש הדגימות עם הטמפרטורה הגבוהה ביותר הנראית לעין של היווצרות פחם, בטווח של 900 מעלות צלזיוס.

זוגות תרמיים נדרשים לגשת לחלק הפנימי של הכוויה ולמדוד במדויק את טמפרטורת הייצור של ביו-פחם בכבשן כובע להבה או בערימת שריפה, ואלה יקרים ואינם זמינים ליצרני טכנולוגיה נמוכה. לכן, השתמשנו בשיטה שתוארה על ידי חוקרים העובדים באמזונס הברזילאי המשתמשת בעפרונות חום (המשמשים רתכים לבדיקת הטמפרטורה של חלקי מתכת) שנמסים בטמפרטורה מכוילת¹⁵. לבנים מסומנות בעפרונות צבעוניים, עטופות ברדיד אלומיניום, ומונחות במקומות שונים בכבשן במהלך הייצור. השתמשנו בשיטה זו מספר פעמים וקבענו כי טמפרטורות הכבשן עלו על 650 מעלות צלזיוס, שכן סימני העפרונות הותכו לחלוטין. זו תהיה שיטה שימושית לאישור טמפרטורות הייצור במידת הצורך; עם זאת, נקודת האימות העיקרית תהיה תיעוד נוכחות של להבה לאורך כל הדרך.

אין הרבה נתונים שפורסמו על המאפיינים של ביו-פחם המיוצר בשיטות קרבוניזציה של להבות לואו-טק. עם זאת, דגימות ביו-פחם שיוצרו בשיטות קרבוניזציה של להבה במספר סוגי כבשנים נותחו על ידי Cornellissen et al. ונמצאו עומדות בתקני European Biochar Certificate (EBC) עבור ביו-פחם, כולל תכולת PAH נמוכה ויציבות ביו-פחם גבוהה. יתר על כן, הביו-פחם שהופק הן מחומרי הזנה עציים והן מעשבוניים היה בעל תכולת פחמן ממוצעת של 76%¹¹. תחנת המחקר^{Rocky Mountain Research Station 16} של שירות היערות האמריקני ניתחה חמש דגימות ביו-פחם מכבשני כובעי להבה וערימות שריפה שיוצרו ביום שדה בקליפורניה בשנת 2022. תכולת הפחמן הממוצעת של הדגימות הייתה 85 אחוזים. בהתחשב בתוצאות אלה, אנו יכולים להסיק כי סביר להניח כי ביו-פחם המיוצר משאריות עצים בכבשני כובעי להבה יעמוד בדרישות הבסיסיות להסרת פחמן מאומתת: תכולת פחמן גבוהה ויציבות ביו-פחם גבוהה.

שני פרוטוקולים להסרת פחמן לייצור ביו-פחם מבוסס מקום וטכנולוגיה לואו-טק פורסמו כעת על ידי Verra¹⁷ ופרוטוקול C-Sink¹⁸ European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink. פרוטוקולים חדשים אלה מבטיחים; עם זאת, יש להם כמה מגבלות כאשר הם מיושמים על יערות, חורש ונופים אחרים תחת איום של בצורת ושריפות. בהתאם לכך, מאמר זה יתאר מתודולוגיה חדשה, מתודולוגיית CM002 V1.0, מבית AD Tech¹⁹, המפותחת במיוחד עבור קרבוניזציה של פסולת עצים כחלק מפעילויות ניהול צמחייה והפחתת עומס דלק. ניתוח מחזור החיים מאשר כי קיבוע פחמן ביו-פחם באמצעות ייצור ביו-פחם באתר מהביומסה העצית בכבשני כובעי להבה מייצר יתרון נטו^{להסרת פחמן 20}. יישום מוצלח של פרוטוקולים לסילוק פחמן יכול לעזור לתמוך כלכלית בעבודת הפחתת הדלקים החיונית שצריכה להתרחש כדי להגן על קהילות ומערכות אקולוגיות מפני שריפות והרס מערכות אקולוגיות. על מנת לגשת לתשלומים לסילוק פחמן, מדידות שדה ושיטות ניטור דיגיטליות, דיווח ואימות (D-MRV) משולבות כפרקטיקות שגרתיות במתודולוגיית ייצור הביו-פחם המתוארת כאן. פרטי המצע נדונים במידע המשלים (קובץ משלים 1).

בעוד מספר עיצובים בקוד פתוח של כבשני כובעי להבה מיוצרים על ידי אנשים פרטיים לשימושם האישי²¹, למיטב ידיעתנו, נכון לעכשיו, יש רק כבשן כובע להבה אחד עם קיבולת של יותר ממטר מעוקב אחד המיוצר בייצור המוני למכירה בצפון אמריקה, כבשן טבעת האש²², כבשן כובע להבה קל משקל ונייד המיועד לניידות קלה באמצעות צוותי יד. הכבשן מורכב מטבעת פנימית המורכבת משש יריעות פלדה עדינה המאובטחות זו לזו. טבעת חיצונית המורכבת מברגי פלדה מד קלים יותר על הסוגרים המחזיקים את הטבעת הפנימית יחד. הטבעת החיצונית משמשת כמגן חום המחזיק בחום ליעילות טובה יותר. חלקו העליון של הכבשן פתוח לאוויר, וכאן נוצר כובע הלהבה. האוויר הזורם למעלה דרך הרווח הטבעתי בין גוף הכבשן הראשי לבין מגן החום מספק אוויר בעירה שחומם מראש לכבשן, מה שמגביר עוד יותר את יעילות הבעירה (איור 1)

איור 1: סכמטי המראה זרימת אוויר, מאפייני להבה והצטברות פחם בכבשן טבעת האש. אוויר בעירה נגדי מושך את העשן לאזור החם, שם הוא נשרף. האוויר הזורם למעלה דרך הרווח הטבעתי בין גוף הכבשן הראשי לבין מגן החום מספק אוויר בעירה שחומם מראש לכבשן, מה שמגביר עוד יותר את יעילות הבעירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קוטר הכבשן הוא 2.35 מ’, ויוצר גליל שגובהו מטר אחד לנפח כולל של 4.3 מ’³. בפועל, הכבשן לעולם אינו ממולא במלואו עד למעלה, כך שאצוות ייצור טיפוסיות ימלאו את הכבשן בין 1/2 ל-3/4 מלא עבור נפח ביו-פחם שהוא בין 2 ל-3 מ”ק.

מכיוון שכבשן טבעת האש הוא תכנון סטנדרטי, הוא מאומץ כטכנולוגיה המאושרת הראשונה לשימוש במתודולוגיית רכיבי CM002 המספקת נהלים סטנדרטיים לכימות יתרונות גזי החממה (GHG). שלבי מדידה ואיסוף נתונים העומדים בדרישות CM002 משולבים בשיטה. הדיווח נעשה באמצעות אפליקציה לסמארטפון על ידי מענה על שאלונים קצרים לאורך התהליך והעלאת תמונות וסרטונים לאפליקציה לנייד.

Protocol

הערה: מתודולוגיה זו משתמשת ביישום הטלפון החכם Ikhala (מעתה ייקרא יישום D-MRV; טבלת חומרים) כדי לגשת לתשלומים להסרת פחמן, מדידות בשטח וניטור, דיווח ואימות דיגיטליים. 1. איסוף חומרי הזנה ואישור ההתאמה בחר ודווח על גודל חומרי הזנה. בחר חומר עצי בקוטר של פחות מ-15 ס”מ. ודא שכל החומרים מסועפים או לא אחידים בצורתם, כך שהוא לא ייארז היטב ויעכב את זרימת האוויר בכבשן. ביישום D-MRV, לחץ על הלחצן צלם תמונה בקטע Feedstock כדי לפתוח את המצלמה. כשהמצלמה פתוחה, כוון אל נושא הצילום (ערימות חומרי הזנה יבשים עם מקל מדידה), וצלם את התמונה על-ידי לחיצה על לחצן הצילום על המסך. דווח על מיני חומרי הזנה: פתח את היישום D-MRV וענה על השאלון הדיגיטלי הקצר המדווח על הכמויות של כל סוג מין. הדיווח מבוסס על הערכות חזותיות. קבע ודווח על לחות חומרי הזנה.באמצעות מד לחות סטנדרטי של עצי הסקה, בצע קריאה על ידי הכנסת הפינים באמצע החתיכה הגדולה ביותר מכל סוג של חומרי הזנה. ביישום D-MRV, צלם תמונה של כל קריאת מד לחות. לחץ על כפתור צלם בקטע מד לחות, והקלד את הערך המוצג על מד הלחות בשדה הטקסט. שלח רשומה אחת של תמונה וטקסט עבור כל קריאת מד לחות. 2. הרכבה, העמסה ותאורה של הכבשן על קרקע מישורית, חומר אורגני דליק ברור ממעגל בקוטר של כ-3 מ’. הרכיבו את 6 לוחות הכבשן הפנימי לגליל באמצעות סוגרי המחברים, באמצעות חפירה או כלי דומה, אטמו את הקצה התחתון של הגליל עם סולם קטן של לכלוך מינרלי או חימר, כך שאוויר לא יוכל להיכנס לכבשן מלמטה. חברו את 6 לוחות מגן החום לתושבות המחברים, וודאו שנותר מרווח אוויר בתחתית מגן החום, כך שהאוויר יוכל לזרום דרך הרווח הטבעתי בין הצילינדרים הפנימיים והחיצוניים. חבר את תג זיהוי הכבשן למגן החום באמצעות חומרת מגן החום. זהה את הכבשנים המשמשים אצווה. במקטע הכנה לכוויה , לחץ על הלחצן צלם תמונה כדי לצלם את הכבשן שהורכב ואת תג הזיהוי ולשלוח אותם עבור כל כבשן באתר. העמיסו את הכבשן: השתמשו בחומר קטן יותר (2-6 ס”מ עובי הוא אידיאלי), יבש יותר לטעינה הראשונית של הכבשן. ארזו את החומר עד שפת הכבשן, וסדרו כל חומר שאינו מסועף, כגון מוטות, כך שלא ייארז חזק מדי ויגביל את זרימת האוויר.הערה: המטרה היא לוודא שהחומר ארוז מספיק חזק כדי לשמור על להבה, אך גם לאפשר לאוויר בעירה להגיע לתחתית הערימה. להדליק את הכבשן: להוסיף חומר הדלקה קטן ויבש על גבי הכבשן הטעון. השתמש במאיץ במידת הצורך ואור עם גפרור, או השתמש בלפיד פרופאן. הדליקו את הכבשן בכמה מקומות בחלקו העליון, כך שמכסה להבה יתפתח במהירות על כל הכבשן. באמצעות האפליקציה D-MRV, צלם סרטון וידאו של 30 שניות ברגע שמכסה הלהבה נוצר. בקטע צריבת התחלה , לחץ על צלם וידאו כפתור ואז לחץ על שלח וידאו לחצן. 3. האכלה וטיפול בכבשן בשלב הראשון של הפעולה, האוויר נשאב מלמעלה למטה לתחתית הכבשן, בעוד שהעומס הראשוני נשרף ברובו לשכבת גחלים. ודא כי העומס הראשון מייצר מצע טוב של גחלים לפני הוספת חומר נוסף. הוסף שכבה חדשה של חומרי הזנה כאשר השכבה הקודמת מתחילה להציג סרט של אפר לבן. מעבר להעמסה רציפה: העמסת חומר חדש בכבשן בקצב קבוע. נסו לשמור על כל שכבת עץ באותו קוטר כך שהחריכה תהיה אחידה.השתמשו בלהבה כאינדיקטור לקצב העמסה: תנו ללהבה להיות המדריך להוספת חומר חדש. ודא כי להבה חזקה טובה נשמרת על גבי כי זה מקור החום להכנת פחם. אם המפעיל טוען יותר מדי, מהר מדי, הלהבה תיחנק. אם זה קורה, עצרו וחכו שהלהבה תחזור לעלות. אם המפעיל לא יעמיס מספיק חומר, הלהבה תדעך, והפחם יתחיל לבעור לאפר. אם זה מתחיל לקרות, הוסיפו עוד חומר כדי לשמור על הלהבה. אמת את נוכחות הלהבה במהלך הכוויה כאינדיקטור לבעירה נקייה וחמה שתמזער את פליטת המתאן ותמקסם היווצרות פחם יציב.באמצעות יישום D-MRV, צלם וידאו של 30 שניות של הלהבה כשעה לאחר הדלקת הכבשן. נווט אל הקטע הוכחת איכות צריבה ולחץ על כפתור הוכחת צריבה בשעה הראשונה . לחץ על קח וידאו לחצן, לחץ על הקלט לפחות 30 שניות ולחץ על שלח וידאו לחצן. מוסיפים את החומר הגדול ביותר בשלבים האמצעיים של הכוויה כדי שיהיה לו זמן להיחרך לחלוטין. הכבשן יתמלא בביו-פחם בקצב שונה, בהתאם לסוג חומרי ההזנה, גודלם ולחותם. באמצעות יישום D-MRV, צלם סרטון של 30 שניות של הלהבה בסוף השעה השנייה של הכוויה. לחץ על הלחצן Proof of Burn at Second Hour ולאחר מכן על הלחצן Take Video . לחץ על הקלט למשך 30 שניות לפחות ולחץ על שלח וידאו לחצן. באמצעות יישום D-MRV, צלם סרטון של 30 שניות של הלהבה בסוף השעה השלישית של הכוויה. לחץ על הוכחת צריבה בשעה שלישית כפתור ולאחר מכן על צלם וידאו לחצן. לחץ על הקלט למשך 30 שניות לפחות ולחץ על שלח וידאו לחצן. כאשר הכבשן מתמלא בגחלים אדומות לוהטות, הכינו את השכבות האחרונות של חומר בינוני כדי לאפשר לחתיכות גדולות יותר לסיים את החריכה. 4. גימור, מרווה ומדידה של הביו-פחם יש לסיים את הכוויה כאשר הביו-פחם המצטבר נמצא בטווח של 10-20 ס”מ מהשפה העליונה של הכבשן, כאשר כל חומרי ההזנה נמצאים בשימוש, או כאשר יום העבודה מסתיים. החרכה מושלמת כאשר אין עוד להבות. המתינו 10-15 דקות לאחר הוספת פיסת חומרי ההזנה האחרונה כדי שהלהבות ידעכו. תמיד יהיו כמה חתיכות גדולות יותר שלא נחרכות לגמרי, וזה לא מדאיג. לפני המרווה השתמשו במגרפת פלדה כדי ליישר את הגחלים החמות והזוהרות בכבשן.הניחו מקל מדידה במאונך בכבשן, כנגד דופן הכבשן, כך שקצה אחד ייגע בפחם הרמה. ביישום D-MRV, צלם תמונה של מקל המדידה המציג את עומק הפחם בכבשן על ידי ניווט לאזור מדידת הביו-פחם ולחץ על כפתור צלם . בשדה קלט הטקסט עבור השאלה מהי הקריאה מראש הביו-פחם לראש הכבשן, הזן את הערך על מקל המדידה. חזור על מדידה זו והקלטת תמונות פעמיים נוספות במקומות שונים בכבשן על ידי לחיצה על שלח והוסף תמונה נוספת לחצן. מיד לאחר הדיווח על מדידות עומק הפחם, צלמו את תג הזיהוי של הכבשן למטרות אימות. מדוד את צפיפות הפחם בתפזורת.כאשר אצווה biochar הושלמה, אבל לפני מרווה, למלא דלי מתכת עם גחלים זוהרות חם חפר מן הכבשן. שקלו את הדלי כדי לקבל את משקל הטר באמצעות סולם תלייה. צלם תמונה כדי להקליט את המשקל. ממלאים את הדלי בגחלים לוהטות ושוקלים אותו, מצלמים תמונה כדי לרשום את המשקל. חזור על הליך הדגימה (4.5.1-4.5.2) פעמיים נוספות, לקיחת דגימות מחלקים שונים של הכבשן ורישום הערך בתמונה. להרוות במים.מתחילים להתיז מים בלחץ נמוך לתוך הכבשן עד שמגן החום קריר מספיק למגע. הסירו את כל לוחות מגן החום וערמו אותם מהדרך. בזמן התזת המים, מסירים מספר לוחות כבשן וגורפים את הפחם לשכבה דקה לקירור. ממשיכים לרסס ולגרוף עד שהפחם מתקרר לחלוטין. הביו-פחם צריך להיות קריר מספיק כדי להכניס לו יד. הסר והקלט חלקים שלא נשרפו. מוציאים את החתיכות החרוכות חלקית ומסדרים אותן על אחד מלוחות הכבשן בשכבה אחת, כשמקל המדידה מונח לצידו. באמצעות היישום D-MRV, צלם תמונה של חתיכות חרוכות לחלוטין.

Representative Results

אצווה ביו-פחם מאורגנת ומיושמת היטב באמצעות כבשן טבעת האש תפיק 2-3 מ”ק של ביו-פחם ב-4-5 שעות של זמן שריפה. השימוש במתודולוגיית רכיבי CM002 ורישום פרמטרי צריבה ביישום D-MRV נועד לאפשר למאמת מוסמך לאשר את נפח ייצור הביו-פחם באצווה ואת איכות הביו-פחם. מידע נוסף על המתודולוגיה ניתן למצוא במידע המשלים (קובץ משלים 1). נקודות אימות התהליך עבור אצווה טיפוסית של ביו-פחם המיוצרת בכבשן טבעת האש מפורטות כאן (איור 2). טבלה 1 מציגה ערכים אופייניים כפי שנמדדו בשדה או נקבעו על-ידי אימות. 1. דווח על סוג חומרי הזנה.2. גודל חומרי הזנה: תמונה של ערימת חומרי הזנה עם סרגל במקום.3. לחות חומרי הזנה: תמונה אחת המציגה קריאת מד לחות מהיצירה הגדולה ביותר מכל מין של חומרי הזנה.4. הצתה: סרטון אחד בן 30 שניות המציג את תחילת שריפת הכבשן ותיעוד זמן ההתחלה. בסרטון נראה כי התפתח כובע להבה חזק.5. אימות טמפרטורת ייצור על בסיס נוכחות להבה: שלושה סרטונים משנות ה-30 מראים נוכחות להבה חזקה במהלך הכוויה.6. נפח ביו-פחם: שלוש תמונות של מקל מדידה בכבשן המראות את גובה הפחם המישורי בכבשן בשלושה מקומות. מרחקים מדודים מראש הכבשן לפחם ממוצעים לערך אחד לצורך חישובים.7. צפיפות בתפזורת: תמונה אחת של הסולם מראה את המשקל הריק של הדלי. שלוש תמונות של קנה מידה המציגות את משקל הפחם והדלי. צ’אר נלקח מ-3 מקומות בכבשן. שלוש מדידות המשקל ממוצעות לערך אחד לצורך חישובים איור 2: אינפוגרפיקה המציגה את נקודות אימות התהליך. התהליך מצביע על אצווה טיפוסית של ביו-פחם המיוצרת בכבשן טבעת האש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. נקודת נתונים #1 נקודת נתונים #2 נקודת נתונים #3 מיני חומרי הזנה אורן 50% אשוח 50% קריאת מד לחות 19% 23% נפח גליל כבשן ריק 4.3 מטר3 גובה גליל הכבשן 1 מטר גובה מפלס הפחם בכבשן 60 ס”מ 61 ס”מ 59 ס”מ משקל של דלי 7 ליטר 0.6 ק”ג משקל דלי עם פחם 1.8 ק”ג 1.9 ק”ג 2.0 ק”ג ערך מסד הנתונים של תכולת פחמן פחם 86.8% גורם יציבות פחמן 0.74 טבלה 1: ערכים מייצגים המשמשים לאימות תוצאות הייצור ופרמטרי עיבוד עבור אצווה טיפוסית של ביו-פחם המיוצרת בכבשן ביו-פחם מסוג Ring of Fire. באמצעות נקודות בקרה אלה, המאמת קובע כי הביו-פחם יוצר עם חומרי הזנה מתאימים ובטמפרטורה מעל 600 מעלות צלזיוס כדי לעמוד בדרישות מתודולוגיית רכיב CM002 ליציבות ארוכת טווח. זה מאפשר למקדם יציבות פחמן של 0.74 עבור קביעות של 100 שנים להיות מיושם על אצווה biochar. כדי לקבוע את נפח אצוות הביו-פחם, המאמת משתמש בנפח הכבשן הריק כפי שאומת על ידי תג זיהוי הכבשן (4.3 מ’3) וגובה מפלס הפחם בכבשן (1 מ’ – 0.4 מ’ = 0.6 מ’). מאז הכבשן הוא 60% מלא, נפח פחם הוא 0.6 x 4.3 מ ‘3 = 2.6 מ ‘3. לאחר מכן, המאמת מחשב את צפיפות הנפח של הביו-פחם בהתבסס על מדידות דלי. הפחתת משקל הדלי של 0.6 ק”ג מכל מדידה נותנת ערכים של 1.2 ק”ג, 1.3 ק”ג ו- 1.4 ק”ג בממוצע ל- 1.3 ק”ג / 7 ליטר. זה שווה ערך ל-185.7 ק”ג/מ”ר 3. לכן, המשקל היבש של הביו-פחם המיוצר הוא (185.7 ק”ג/מ”ק 3) x (2.6 מ’ 3) = 483 ק”ג. המאמת יכול לקחת את תכולת הפחמן של הביו-פחם ממסד נתונים, או במקרה זה, מבדיקת מעבדה פשוטה שאישרה תכולת פחמן של 86.8% מאצווה של עצים רכים מעורבים שיוצרו בכבשן טבעת האש במחוז סונומה, קליפורניה בשנת 2021. הבדיקה בוצעה על ידי מעבדות הבקרה של ווטסונוויל, קליפורניה23. גורם יציבות הפחמן של 0.74 מוחל. לכן, תכולת הפחמן האורגני היציבה על בסיס משקל יבש עבור ביו-פחם נגזרת ממסת הביו-פחם, תכולת הפחמן האורגני שלו וגורם היציבות ל-100 שנים עבור ערך סופי של (483) x (0.868) x (0.74) = 310.2 ק”ג פחמן יציב. כדי להגיע לערך הסופי של הסרת פחמן, דליפת הפרויקט מופחתת, ושולי האבטחה המתאימים מוחלים יחד עם גורם ההמרה מפחמן מוצק לפחמן דו חמצני, כמתואר בקובץ משלים 1. ערך הסרת הביו-פחם המאושר של הביו-פחם תלוי באימות סופי שהביו-פחם נמרח על אדמה או קומפוסט ואינו נשרף או מחומצן בדרך אחרת. קובץ משלים 1: מידע מפורט על המתודולוגיה והחישובים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

מיני ביומסה שונים ייצרו ביו-פחם עם שברים שונים של פחמן ואפר, ללא קשר לטמפרטורת הייצור, בשל ההרכב היסודי של הביומסה²⁴. מאחר שמאגרי המידע הקיימים של מאפייני ביו-פחם עבור חומרי הזנה שונים אינם מלאים, ייתכן שפרויקטים יצטרכו לשלוח דגימות לניתוח מעבדה כדי לאמת את תכולת הפחמן האורגני של הביו-פחם. כדי לשמור על עלויות פרויקט נמוכות, אנו ממליצים על הליך מעבדה פשוט שיכול להיעשות בעלות נמוכה על ידי סטודנטים במעבדות בית הספר התיכון או המכללה הקהילתית ברמה²⁵. עם הזמן, ככל שייושמו יותר פרויקטים בשטח, מסד הנתונים של ערכי תכולת הפחמן של ביו-פחם עבור סוגי חומרי הזנה שונים יגדל ויהפוך לשמיש יותר.

רבות ממדידות D-MRV נועדו לוודא שתנאי הייצור אופטימליים לייצור ביו-פחם עם מאפיינים התואמים באופן הדוק את ערכי מסד הנתונים. מדידות מפתח אלה הן לחות חומרי ההזנה וסדרת הסרטונים המתעדת את איכות הבעירה הבוערת, הקובעת את טמפרטורת הייצור ואת יציבות הפחמן בביו-פחם כתוצאה מכך.

בעוד שמדידת נפח הביו-פחם המיוצר בכבשן היא פשוטה, קביעת המסה היבשה של הביו-פחם המיוצר אינה קלה. העבודה עם ביו-פחם מאתגרת מכיוון שצפיפות החלקיקים המורכבת של החומר מקשה על קביעת מדידות צפיפות בתפזורת²⁶. לאחר המרווה של ביו-פחם, לא ניתן לקבל משקל יבש של נפח מסוים של ביו-פחם בשטח. עם זאת, ניתן למדוד את צפיפות הצובר היבש של ביו-פחם בשדה על ידי מילוי דלי מתכת בעל נפח ידוע בגחלים לוהטות ושקילתו. הליך זה יכול לתת לנו קירוב טוב של המסה היבשה של biochar.

חסרון מרכזי במתודולוגיה זו הוא השונות האינהרנטית של פעולות השדה, כולל השתנות חומרי ההזנה ורמת המיומנות של המפעיל. על המפעיל לקבוע את קצב טעינת חומרי ההזנה ולפעול לשמירה על להבה חזקה בכבשן. אי שמירה על הלהבה על ידי העמסת יתר תשפיע על טמפרטורת היווצרות הפחם ומכאן על יציבות הפחם. זה מטופל בצורה הטובה ביותר על ידי תוכנית הכשרה יעילה למפעילים. הדרכת עובדים ופרוטוקולי בטיחות חיוניים להצלחת ייצור ביו-פחם באתר. בהתחשב בדרישות העבודה, תוכניות הכשרה יצטרכו להיות מאורגנות היטב וזמינות באופן נרחב²⁷.

מגבלה נוספת של המתודולוגיה היא השונות ביישום מדידות D-MRV. לחות חומרי הזנה יכולה להיות משתנה למדי בתוך אצווה נתונה, גם אם כל חומרי ההזנה אחידים אחרת. השיטה של צילום שלושה סרטוני בזק של הלהבה במהלך התהליך כדי לוודא שמגיעים לטמפרטורות מתאימות מוגבלת על ידי האופי הדינמי של הכוויה. ייתכן ששלושה סרטוני בזק אינם מייצגים את התהליך כולו. הצלבה מעשית למדידה זו היא פשוט לדעת כמה זמן לקחה הכוויה וכמה ביו-פחם הופק, מכיוון שתנאי טמפרטורה לא אופטימליים יביאו לנפחי ייצור נמוכים יותר. מדידות שדה D-MRV של צפיפות ונפח בתפזורת מוגבלות בדיוק שלהן; עם זאת, זה מפוצה על ידי שימוש בשולי אבטחה כדי להבטיח כי הערכים הסופיים הם שמרניים ולא להעריך יתר על המידה את הסרת הפחמן.

לוגיסטיקה תפעולית תורמת גם לשונות של פרמטרים לייצור ביו-פחם ולהצלחת פרויקטים. לוגיסטיקה תפעולית חייבת לקחת בחשבון גורמים כגון מזג אוויר, שטח, גישה, בטיחות עובדים, הדרכה, כלים וציוד וזמינות מים. רוב הכלים והאספקה הדרושים לייצור ביו-פחם הם ציוד סטנדרטי המסופק לכבאים ולצוותי יערנות. כלים ספציפיים הדרושים ליישום D-MRV עם כבשן הביו-פחם טבעת האש מפורטים בקובץ טבלת החומרים .

ייצור ביו-פחם בשטח מביומסה של פסולת חייב להתחרות בחלופה של שריפה או שריפה פתוחה, שיש לה יתרון של עלות נמוכה מאוד. העלות השולית של ייצור ביו-פחם לעומת שריפה פתוחה קשורה בעיקר לדרישות עבודה מוגברות, שכן עלות ההון של כבשני כובע הלהבה הפשוטים נמוכה²⁷. נכון להיום, אין מספיק פרויקטים בקנה מידה גדול עם איסוף נתונים חזק כדי לאתר את העלות השולית בפועל של ייצור ביו-פחם על פני שריפה. עם זאת, דוגמה אחת יכולה להראות את הפוטנציאל של מימון פחמן למלא את הפער.

חברת Watershed Consulting במיזולה, מונטנה, טיפלה בלוכסן שדולל מ-21 דונם של יער עצי מחט מעורב במערב מונטנה בשנת 2021 באמצעות כבשני ביו-פחם²⁸ של טבעת האש. עלות הפרויקט הכוללת הייתה $42,302.00, ותפוקת הביו-פחם הכוללת הייתה 112.5 מטרים מעוקבים. תוך שימוש בהנחות הסטנדרטיות שלנו לגבי מאפייני ביו-פחם המיוצרים בכבשני כובעי להבה, אנו מעריכים כי הפרויקט תפס 31.75 טון מטרי של_CO2 במחיר של 1,332.35 דולר לטונה. עלות הערמה והשריפה של החומר הייתה 15,750.00 דולר, מה שמשאיר עלות שולית של 26,552.00 דולר לייצור ביו-פחם במקום שריפה, או 836.28 דולר לטון ביו-פחם המיוצר. עלות שולית זו יכולה להיות מפוצה לפחות חלקית על ידי תשלומי הסרת פחמן של 100 עד 200 דולר לטון CO₂, מה שמאמת את החשיבות של תהליך D-MRV. כדי להשלים את התמונה הכלכלית של הפרויקט, חשוב שהרשויות המממנות יכירו ביתרונות המערכת האקולוגית של הימנעות מנזקי קרקע מצלקות כלונסאות כוויות, הפחתת פליטת גזי חממה וזיהום אוויר חלקיקי, כמו גם החזרת פחם לקרקעות יער לשימור לחות, מחזור חומרים מזינים ובריאות הקרקע.

השיטות המפורטות המתוארות במאמר זה יסייעו לאנשים ולקבוצות העובדים במערכות אקולוגיות המושפעות ממינים פולשים זרים, בצורת ושריפות ליישם פרויקטים בעלי היתכנות כלכלית מביומסה לביו-פחם שיכולים לשפר ולשקם קרקעות ומערכות אקולוגיות מקומיות תוך הימנעות מפליטת גזי חממה ותפיסת פחמן להפחתת האקלים. למרות השונות וחוסר הדיוק במדידות ובנקודות האימות במתודולוגיית שדה מעשית זו, אנו מסיקים כי עדיין מדובר בגישה בעלת ערך ללכידת פחמן במצבי שדה שבהם גישות אחרות, כמו הובלת ביומסה למתקן פירוליזה תעשייתי, אינן מעשיות.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

תודה רבה ליוזמת הביו-פחם של ארה”ב ולשירות היערות של USDA על מתן חסות ותמיכה ברשת Biochar in the Woods לשיתוף מידע בין מגוון אנשי מקצוע הממציאים ומשכללים שיטות לייצור ושימוש בביו-פחם לניהול סביבתי והפחתת אקלים.

Materials

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

Referenzen

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., Uzun, B. B., Apayd?n Varol, E., Liu, J., Bruckman, V. J. Opportunities and Uses of Biochar on Forest Sites in North America. Biochar: A Regional Supply Chain Approach in View of Climate Change Mitigation. , (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. , (2019).
Boateng, A. A., Garcia-Perez, M., Mašek, O., Brown, R., del Campo, B. Biochar Production Technology. Biochar for Environmental Management. , 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. Temperatures in flames and fires. Fire Science and Technology Inc. 18, 369-374 (2006).
McDonald-Wharry, J. 2013-2014 survey of chars using Raman spectroscopy. C. Journal of Carbon Research. 7, 63 (2021).
Swami, S. N., Steiner, C., Teixeira, W. G., Lehmann, J., 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. , (2009).
. Available from: 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. , (2021).
. Available from: https://www.carbon-standards.com/docs/7c831c99c4c1f3639703621518a5cd87_artisan-c-sink-guidelines_v1_0.pdf (2022)
. Available from: 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. , (2023).
Young, G. . 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).
. Simple lab method for determining carbon content of biochar Available from: 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. , (2015).
Wilson, K. e. l. p. i. e. . 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. , (2023).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Diesen Artikel zitieren

Wilson, K. J., Bekker, W., Feher, S. I. Producing, Characterizing and Quantifying Biochar in the Woods Using Portable Flame Cap Kilns. J. Vis. Exp. (203), e65543, doi:10.3791/65543 (2024).