Herstellung, Charakterisierung und Quantifizierung von Pflanzenkohle im Wald mit tragbaren Flammkappenöfen

In vielen Regionen der Welt, darunter auch im Westen der USA, haben Klimawandel, Dürre und gebietsfremde invasive Arten zu einer Waldbrandkrise geführt, die Ökosysteme und Gemeinschaften bedroht. Durch die unkontrollierte Verbrennung von Wäldern und Wäldern werden große Mengen an Feinstaub und Treibhausgasen in die Atmosphäre freigesetzt, mit verheerenden Folgen für die menschliche Gesundheit und das Klima. So wurden beispielsweise bei Waldbränden in Kalifornien im Jahr 2020 schätzungsweise rund 127 Millionen Megatonnen Treibhausgasemissionen freigesetzt, was etwa dem Doppelten der gesamten Treibhausgasemissionen Kaliforniens von 2003 bis 2019 entspricht¹. Wissenschaftler und Landbewirtschafter untersuchen zunehmend menschliches Handeln, das dazu beitragen kann, diese Wälder und ihre Ökosystemleistungen wiederherzustellen. Die manuelle Durchforstung und Entfernung überschüssiger Biomasse ist eine der wichtigsten Maßnahmen, die ergriffen werden müssen². Die Entfernung von Biomasse schließt ihre Entsorgung ein, und wenn sich die Biomasse an abgelegenen und schwer zugänglichen Orten befindet, gibt es nur wenige andere Optionen als die Verbrennung vor Ort in unbewirtschafteten Brandrodungshaufen. Unkontrollierte Brandhaufen entfernen zwar Brennstoffe aus der Landschaft, aber sie schädigen die Waldböden, da die konzentrierte Hitze unter den Haufen den organischen Horizont des Bodens verbrennt und nackten Boden hinterlässt, der anfällig für Erosion und Besiedlung durch invasive Arten ist. Es kann Jahrzehnte dauern, bis sich der organische Bodenhorizont in einer Brandhalsnarbe^{regeneriert 3}. Unkontrollierte Brandhaufen sind auch eine Quelle von Feinstaub- und Treibhausgasemissionen. Der Rauch aus dem Abbrennen von Brandrodungspfählen schränkt auch das Brennfenster in Wassereinzugsgebieten mit begrenzter Luftqualität ein, was die Durchführung der Arbeiten erschwert.

Forscher des USDA Forest Service haben die Alternative der Herstellung von Pflanzenkohle aus Schnittmaterialien untersucht und mehrere vielversprechende Techniken identifiziert, darunter die Möglichkeit, kleine, mobile Pflanzenkohleöfen im Wald einzusetzen⁴. Die Umwandlung von Waldrodung in Pflanzenkohle vor Ort hat viele ökologische Vorteile gegenüber der derzeitigen Praxis der Brandrodung durch Verbrennung in Brandhaufen, einschließlich einer geringeren Bodenerwärmung und weniger Feinstaubemissionen. Die vor Ort produzierte Pflanzenkohle kann entfernt und in der Landwirtschaft verwendet werden, oder sie kann an Ort und Stelle belassen werden, wo sie mehrere Funktionen zur Wiederherstellung der Waldgesundheit und zur Verbesserung der Anpassung an Klimawandel und Dürre erfüllt. Da bis zu 50 % des gesamten Kohlenstoffs in vielen Waldböden Holzkohle aus historischen, natürlichen Bränden ist⁵, kann das Belassen von Pflanzenkohle an dem Ort, an dem sie hergestellt wird, Waldbodenkohle wiederherstellen, die aufgrund der Brandbekämpfung oft an den jüngsten Bodenhorizonten fehlt, mit unbekannten Auswirkungen auf Ökosystemprozesse⁶. Pflanzenkohle, die auf Waldböden verbleibt, kann die Auswirkungen von Holzkohle nachahmen, die durch natürliche Brände erzeugt wird, und ähnliche Auswirkungen auf den Kohlenstoffgehalt des Bodens und die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens haben⁷.

In den letzten Jahren hat ein internationales Netzwerk von Forstarbeitern, Waldbesitzern, Forschern und Pflanzenkohleberatern eine Reihe von Karbonisierungsmethoden entwickelt, um Waldschnitt vor Ort als Alternative zur Verbrennung von Brandrodungen in Pflanzenkohle umzuwandeln. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der Flammenkarbonisierung, das zuerst in Japan als “rauchloser Karbonisierungsofen”^{der Firma} Moki 8 entwickelt und vermarktet wurde. Dieser Stahlringofen stellt gut karbonisierte Pflanzenkohle mit einem ausgewiesenen Wirkungsgrad von 13 % bis 20 % her, je nach verwendetem Ausgangsmaterial⁹.

Der Prozess der Herstellung von Pflanzenkohle oder Holzkohle wird oft als Pyrolyse bezeichnet, die Abtrennung von Biomassebestandteilen durch Hitze unter Ausschluss von Sauerstoff. Dies wird in der Regel als Retortenpyrolyse bezeichnet, bei der Biomasse in einem extern beheizten Behälter physikalisch von der Luft isoliert wird. Die Pyrolyse kann aber auch in Gegenwart begrenzter Luft stattfinden, wie bei der Vergasung und Flammenkarbonisierung, da feste Brennstoffe wie Holz stufenweise verbrennen. Wenn Biomasse erhitzt wird, ist die erste Stufe der Verbrennung die Dehydrierung, da Wasser aus dem Material verdampft. Es folgt die Entgasung und die gleichzeitige Verkohlungsbildung, auch Pyrolyse genannt. Flüchtiges Gas, das Wasserstoff und Sauerstoff enthält, wird freigesetzt und in einer Flamme verbrannt, wobei dem Prozess kontinuierlich Wärme zugeführt wird. Wenn das Gas freigesetzt wird, wird der verbleibende Kohlenstoff in aromatischen Kohlenstoff oder Kohle umgewandelt. Die letzte Stufe der Verbrennung ist die Oxidation der Kohle zu mineralischer Asche¹⁰.

Da es sich um diskrete Phasen handelt, die bei einem offenen Verbrennungsprozess auftreten, haben wir die Möglichkeit, den Prozess nach der Verkohlungsbildung zu stoppen, indem wir Luft oder Wärme entfernen. Dies wird während des Produktionsprozesses von Pflanzenkohle erreicht, indem dem Brandhaufen kontinuierlich neues Material hinzugefügt wird, so dass die heiße Kohle von neuem Material begraben wird, das den Sauerstofffluss unterbricht. Heiße Holzkohle sammelt sich im Boden des Haufens an und wird daran gehindert, zu Asche zu verbrennen, solange Flammen vorhanden sind, da die Flamme den größten Teil des verfügbaren Sauerstoffs verbraucht. Wenn der gesamte Brennstoff auf den Haufen gegeben wurde, beginnt die Flamme zu erlöschen. Zu diesem Zeitpunkt kann die heiße Holzkohle konserviert werden, indem Sauerstoff und Wärme entfernt werden, normalerweise indem die Kohlen mit Wasser besprüht und dünn geharkt werden, um sie abzukühlen¹¹.

Das grundlegende Funktionsprinzip ist das der Gegenstromverbrennung. Gegenstrom-Verbrennungsluft hält die Flamme niedrig und verhindert die Emission von Glut oder Funken. Die Flamme verbrennt auch den größten Teil des Rauchs, wodurch die Emissionen reduziert werden. Zusammenfassend erklären die folgenden Prinzipien den Betrieb der Gegenstromverbrennung in einem Flammenkappenofen: (1) Gas strömt nach oben, während Verbrennungsluft nach unten strömt, (2) Gegenstromströmung wird hergestellt, wenn brennender Brennstoff Luft nach unten zieht, (3) Die Flammen bleiben niedrig und in der Nähe des Brennstoffs, wodurch der Glutaustritt minimiert wird, (4) Rauch brennt in der heißen Zone, (5) Da die gesamte Verbrennungsluft von oben kommt, es wird von den Flammen verzehrt (6) Es kann nur sehr wenig Luft zu den unverbrannten Kohlen gelangen, die auf den Boden des Ofens fallen, (7) Die Kohlen werden bis zum Ende des Prozesses aufbewahrt, wenn sie gelöscht oder gelöscht werden.

Neben ihren Vorteilen für den Boden ist Pflanzenkohle auch eine führende Methode zur Kohlenstoffentfernung für den Klimaschutz. Bis zur Hälfte des Kohlenstoffs in holziger Biomasse kann in Form von Pflanzenkohle¹² in stabilen, aromatischen Kohlenstoff umgewandelt werden. Allerdings produzieren nicht alle Pyrolysetechnologien die gleiche Menge an widerspenstigem Kohlenstoff, der 100 Jahre oder länger im Boden stabil bleibt (die Schlüsselmetrik zur Bestimmung des Kohlenstoffentfernungswerts). Die Stabilität der Pflanzenkohle steht in engem Zusammenhang mit der Produktionstemperatur. Die adiabatische Flammentemperatur von brennendem Holz wird auf 1.977 °C geschätzt und liegt nahe an der von Propan 1.977 °C¹³. Die Herstellung von Pflanzenkohle in einem Flammenkappenofen ist eng mit der Flamme gekoppelt, ohne Wärmeübertragungsverluste durch die Leitung durch eine Metallwand, wie bei der Retortenpyrolyse. Daher würden wir erwarten, dass die Produktionstemperatur hoch ist, solange eine Flamme während des Prozesses aufrechterhalten wird. Eine Untersuchung von Kohle mit Hilfe der Raman-Spektroskopie¹⁴ ergab, dass eine Biokohleprobe aus einem Flammkappenofen (zur Verfügung gestellt von Erstautor Kelpie Wilson) zu den drei Proben mit der höchsten scheinbaren Temperatur der Kohlebildung im Bereich von 900 °C gehörte.

Thermoelemente sind erforderlich, um in das Innere der Verbrennung zu gelangen und die Produktionstemperatur von Pflanzenkohle in einem Brennkappenofen oder einem Brennhaufen genau zu messen, und diese sind teuer und für Low-Tech-Hersteller nicht verfügbar. Aus diesem Grund haben wir eine Methode verwendet, die von Forschern im brasilianischen Amazonasgebiet beschrieben wurde, bei der Heißstifte (die von Schweißern verwendet werden, um die Temperatur von Metallteilen zu überprüfen) verwendet werden, die bei einer kalibrierten Temperatur schmelzen¹⁵. Die Ziegel werden mit Buntstiften markiert, in Alufolie eingewickelt und während der Produktion an verschiedenen Stellen im Ofen platziert. Wir haben diese Methode mehrmals angewendet und festgestellt, dass die Ofentemperaturen 650° C überschritten haben, da die Buntstiftspuren vollständig geschmolzen waren. Dies ist eine nützliche Methode, um die Produktionstemperaturen bei Bedarf zu bestätigen. Der wichtigste Überprüfungspunkt ist jedoch die Dokumentation des Vorhandenseins von Flammen im gesamten Verfahren.

Es gibt nicht viele veröffentlichte Daten über die Eigenschaften von Pflanzenkohle, die mit Low-Tech-Flammkarbonisierungsmethoden hergestellt wird. Cornellissen et al. analysierten jedoch Pflanzenkohleproben, die mit Flammkarbonisierungsmethoden in verschiedenen Ofentypen hergestellt wurden, und es wurde festgestellt, dass sie die Standards des Europäischen Biokohlezertifikats (EBC) für Pflanzenkohle erfüllen, einschließlich eines niedrigen PAK-Gehalts und einer hohen Stabilität der Pflanzenkohle. Darüber hinaus wies die Pflanzenkohle, die sowohl aus holzigen als auch aus krautigen Rohstoffen hergestellt wurde, einen durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von 76 Prozent^{auf 11}. Die Rocky Mountain Research Station¹⁶ des US Forest Service analysierte fünf Pflanzenkohleproben aus Flammenkappenöfen und Brandhaufen, die bei einem Feldtag in Kalifornien im Jahr 2022 hergestellt wurden. Der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt der Proben lag bei 85 Prozent. Aus diesen Ergebnissen können wir schließen, dass es wahrscheinlich ist, dass Pflanzenkohle, die aus holzigen Rückständen in Flammkappenöfen hergestellt wird, die grundlegenden Anforderungen für eine nachgewiesene Kohlenstoffentfernung erfüllt: hoher Kohlenstoffgehalt und hohe Stabilität der Pflanzenkohle.

Zwei Protokolle zur Kohlenstoffentfernung für die ortsgebundene Low-Tech-Produktion von Pflanzenkohle wurden jetzt von Verra¹⁷ und dem Global Artisan C-Sink Protokoll¹⁸ des European Biochar Consortium veröffentlicht. Diese neu entwickelten Protokolle sind vielversprechend; Sie haben jedoch einige Einschränkungen, wenn sie auf Wälder, Wälder und andere Landschaften angewendet werden, die von Dürren und Waldbränden bedroht sind. Dementsprechend wird in diesem Artikel eine neue Methodik, die Methodik CM002 V1.0, aus AD Tech¹⁹ beschrieben, die speziell für die Flammenkarbonisierung von Holzschutt als Teil des Vegetationsmanagements und der Reduzierung der Brennstoffbelastung entwickelt wird. Die Lebenszyklusanalyse bestätigt, dass die Kohlenstoffbindung von Biokohle durch die Produktion von Biokohle vor Ort aus holziger Biomasse in Flammenkappenöfen einen Nettovorteil für die Kohlenstoffentfernung bringt²⁰. Die erfolgreiche Umsetzung von Protokollen zur Kohlenstoffentfernung kann dazu beitragen, die lebenswichtigen Maßnahmen zur Reduzierung von Brennstoffen finanziell zu unterstützen, die zum Schutz von Gemeinden und Ökosystemen vor Waldbränden und der Verschlechterung von Ökosystemen erforderlich sind. Um Zugang zu Zahlungen für die Kohlenstoffentfernung zu erhalten, werden Feldmessungen und digitale Überwachungs-, Berichts- und Verifizierungsmethoden (D-MRV) als Routineverfahren in die hier beschriebene Methodik zur Herstellung von Pflanzenkohle integriert. Einzelheiten zur Plattform werden in den Ergänzenden Informationen (Ergänzungsdatei 1) erläutert.

Während mehrere Open-Source-Konstruktionen von Flammkappenöfen von Einzelpersonen für den Eigenbedarf hergestellt werden²¹, gibt es unseres Wissens derzeit nur einen Flammkappenofen mit einem Fassungsvermögen von mehr als einem Kubikmeter, der für den Verkauf in Nordamerika in Massenproduktion hergestellt wird, den Ring of Fire Ofen²². Ein leichter, tragbarer Flammkappenofen, der für eine einfache Mobilität mit Handmannschaften ausgelegt ist. Der Ofen besteht aus einem Innenring, der aus sechs Blechen aus Baustahl besteht, die miteinander verbunden sind. Ein Außenring aus leichterem Stahl, der an den Halterungen befestigt ist, die den Innenring zusammenhalten. Der äußere Ring dient als Hitzeschild, das die Wärme für einen besseren Wirkungsgrad speichert. Die Oberseite des Ofens ist zur Luft hin offen, und hier bildet sich die Flammenkappe. Luft, die durch den Ringspalt zwischen dem Hauptofenkörper und dem Hitzeschild nach oben strömt, versorgt den Ofen mit vorgewärmter Verbrennungsluft, wodurch die Verbrennungseffizienz weiter erhöht wird (Abbildung 1)

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Luftstroms, der Flammeneigenschaften und der Verkohlungsansammlung im Feuerringofen. Gegenstrom-Verbrennungsluft zieht den Rauch in die heiße Zone, wo er verbrennt. Luft, die durch den Ringspalt zwischen dem Hauptofenkörper und dem Hitzeschild nach oben strömt, versorgt den Ofen mit vorgewärmter Verbrennungsluft, wodurch die Verbrennungseffizienz weiter erhöht wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Der Ofendurchmesser beträgt 2,35 m und bildet einen Zylinder mit einer Höhe von einem Meter bei einem Gesamtvolumen von 4,3^m3. In der Praxis ist der Ofen nie vollständig bis zum Rand gefüllt, so dass eine typische Produktionscharge den Ofen zwischen 1/2 und 3/4 voll füllt, um ein Volumen an Pflanzenkohle zwischen 2 und 3 Kubikmetern zu erreichen.

Da es sich bei dem Feuerringofen um ein standardisiertes Design handelt, wird er als erste zertifizierte Technologie für den Einsatz in der CM002-Komponentenmethodik übernommen, die standardisierte Verfahren für die Quantifizierung von Treibhausgasvorteilen (THG) bietet. Mess- und Datenerfassungsschritte, die den Anforderungen des CM002 entsprechen, sind in die Methode integriert. Die Berichterstattung erfolgt über eine Smartphone-Anwendung, indem während des gesamten Prozesses kurze Fragebögen beantwortet und Fotos und Videoclips in die mobile App hochgeladen werden.