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

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.