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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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