Produzione, caratterizzazione e quantificazione del biochar nei boschi mediante forni portatili a fiamma

In molte regioni del mondo, tra cui gli Stati Uniti occidentali, il cambiamento climatico, la siccità e le specie aliene invasive hanno creato una crisi di incendi che minaccia gli ecosistemi e le comunità. Poiché le foreste e i boschi bruciano in modo incontrollato, grandi quantità di particolato e gas serra vengono emesse nell’atmosfera, con conseguenze devastanti per la salute umana e il clima. Ad esempio, si stima che gli incendi boschivi in California nel 2020 abbiano rilasciato circa 127 milioni di megatoni di emissioni di gas serra, circa due volte l’importo delle riduzioni totali delle emissioni di gas serra della California dal 2003 al 2019¹. Sempre più spesso, gli scienziati e i gestori del territorio stanno studiando le azioni umane che possono aiutare a ripristinare queste foreste e boschi e i loro servizi ecosistemici. Il diradamento manuale e la rimozione della biomassa in eccesso è una delle azioni più importanti da intraprendere². La rimozione della biomassa include il suo smaltimento e, se la biomassa si trova in luoghi remoti e di difficile accesso, ci sono poche opzioni oltre all’incenerimento in loco in cumuli di rifiuti non gestiti. I cumuli di combustione non gestiti svolgono il lavoro di rimozione dei combustibili dal paesaggio, ma danneggiano i suoli forestali poiché il calore concentrato sotto i cumuli incenerisce l’orizzonte organico del suolo, lasciando dietro di sé un suolo nudo che è vulnerabile all’erosione e alla colonizzazione da parte di specie invasive. Possono essere necessari decenni per rigenerare l’orizzonte organico del suolo in una cicatrice da bruciare³. I cumuli di combustione non gestiti sono anche una fonte di emissioni di particolato e gas serra. Il fumo della combustione dei mucchi di taglio limita anche la finestra di combustione nei bacini idrici con qualità dell’aria limitata, rendendo più difficile l’esecuzione del lavoro.

I ricercatori del Servizio Forestale dell’USDA hanno esaminato l’alternativa di produrre biochar da materiali tagliati e hanno identificato diverse tecniche promettenti, tra cui l’opzione di utilizzare piccoli forni mobili per biochar nella foresta⁴. La conversione in loco del taglio forestale in biochar presenta molti vantaggi ecologici rispetto all’attuale pratica di smaltimento mediante incenerimento in cumuli di combustione, tra cui la riduzione del riscaldamento del suolo e delle emissioni di particolato. Il biochar prodotto in loco può essere rimosso e utilizzato in agricoltura, oppure può essere lasciato sul posto, dove svolge diverse funzioni per ripristinare la salute delle foreste e migliorare l’adattamento ai cambiamenti climatici e alla siccità. Poiché fino al 50% del carbonio totale in molti suoli forestali è carbone proveniente da incendi storici^{e naturali 5}, lasciare il biochar nel sito in cui viene prodotto può ripristinare il carbone del suolo forestale che spesso manca dai recenti orizzonti del suolo a causa della soppressione degli incendi, con impatti sconosciuti sui processi ecosistemici⁶. Il biochar lasciato in opera sui suoli forestali può imitare gli effetti del carbone prodotto dal fuoco naturale e produrre effetti simili sul contenuto di carbonio del suolo e sulle proprietà fisiche, chimiche e biologiche^{del suolo 7}.

Negli ultimi anni, una rete internazionale di lavoratori forestali, proprietari di boschi, ricercatori e consulenti per il biochar ha sviluppato una serie di metodi di carbonizzazione per convertire il taglio forestale in biochar in loco come alternativa all’incenerimento dei cumuli di slash. Questi metodi si basano sul principio della carbonizzazione a fiamma, sviluppato e commercializzato per la prima volta in Giappone come “forno di carbonizzazione senza fumo” offerto dall’azienda Moki⁸. Questo forno ad anello in acciaio produce biochar ben carbonizzato con un’efficienza di conversione da biomassa a biochar dichiarata dal 13% al 20%, a seconda della materia prima utilizzata⁹.

Il processo di produzione di biochar o carbone vegetale è spesso indicato come pirolisi, la separazione dei componenti della biomassa mediante calore in assenza di ossigeno. Questo è solitamente concepito come pirolisi a storta, in cui la biomassa viene fisicamente isolata dall’aria in un recipiente riscaldato esternamente. Tuttavia, la pirolisi può avvenire anche in presenza di aria limitata, come nella gassificazione e nella carbonizzazione della fiamma, perché i combustibili solidi come il legno bruciano in più fasi. Quando il calore viene applicato alla biomassa, la prima fase della combustione è la disidratazione, poiché l’acqua viene evaporata dal materiale. Segue la devolatilizzazione e la formazione simultanea di char, nota anche come pirolisi. Il gas volatile contenente idrogeno e ossigeno viene rilasciato e bruciato in una fiamma, aggiungendo continuamente calore al processo. Quando il gas viene rilasciato, il carbonio rimanente viene convertito in carbonio aromatico, o char. La fase finale della combustione è l’ossidazione del carbone a ceneri minerali¹⁰.

Poiché si tratta di fasi discrete che si verificano in un processo di combustione aperto, abbiamo l’opportunità di interrompere il processo dopo la formazione di carbonizzazione rimuovendo aria o calore. Ciò si ottiene durante il processo di produzione del biochar aggiungendo continuamente nuovo materiale al mucchio di combustione in modo che il carbone caldo venga sepolto da nuovo materiale che interrompe il flusso di ossigeno. Il carbone caldo si accumula sul fondo della pila e viene impedito di bruciare in cenere finché è presente la fiamma, perché la fiamma consuma la maggior parte dell’ossigeno disponibile. Quando tutto il combustibile è stato aggiunto alla pila, la fiamma inizia a spegnersi. A quel punto, il carbone caldo può essere conservato rimuovendo ossigeno e calore, di solito spruzzando i carboni con acqua e rastrellandoli sottili per raffreddarli¹¹.

Il principio di base del funzionamento è quello della combustione in controcorrente. L’aria comburente in controcorrente mantiene bassa la fiamma e impedisce l’emissione di braci o scintille. La fiamma brucia anche la maggior parte del fumo, riducendo le emissioni. In sintesi, i seguenti principi spiegano il funzionamento della combustione in controcorrente in un forno a fiamma a cappuccio: (1) Il gas scorre verso l’alto mentre l’aria comburente scorre verso il basso, (2) Il flusso in controcorrente è stabilito quando il combustibile che brucia attira l’aria verso il basso, (3) Le fiamme rimangono basse e vicine al combustibile, riducendo al minimo la fuoriuscita di brace, (4) Il fumo brucia nella zona calda, (5) Poiché tutta l’aria comburente proviene dall’alto, viene consumato dalle fiamme (6) Pochissima aria è in grado di raggiungere i carboni incombusti che cadono sul fondo del forno, (7) I carboni vengono conservati fino alla fine del processo quando vengono spenti o spenti.

Oltre ai suoi benefici per il suolo, il biochar è anche un metodo leader di rimozione del carbonio per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Fino alla metà del carbonio presente nella biomassa legnosa può essere convertito in carbonio stabile e aromatico sotto forma di biochar¹². Tuttavia, non tutte le tecnologie di pirolisi producono la stessa quantità di carbonio recalcitrante che rimane stabile nel suolo per 100 anni o più (la metrica chiave per determinare il valore di rimozione del carbonio). La stabilità del biochar è strettamente correlata alla temperatura di produzione. La temperatura della fiamma adiabatica della legna che brucia è stimata essere vicina a quella del propano, 1.977 °C¹³. La produzione di biochar in un forno a fiamma è strettamente accoppiata con la fiamma, senza perdite di trasferimento di calore per conduzione attraverso una parete metallica, come nella pirolisi a storta. Pertanto, ci aspetteremmo che la temperatura di produzione sia elevata finché viene mantenuta una fiamma durante il processo. Un’indagine sui carboni utilizzando la spettroscopia Raman¹⁴ ha riportato che un campione di biochar proveniente da un forno a fiamma (fornito dall’autore principale Kelpie Wilson) era tra i tre campioni con la più alta temperatura apparente di formazione del carbone, nell’intervallo di 900 °C.

Le termocoppie sono necessarie per accedere all’interno della combustione e misurare con precisione la temperatura di produzione del biochar in un forno a fiamma o in una pila di combustione, e queste sono costose e non disponibili per i produttori a bassa tecnologia. Pertanto, abbiamo utilizzato un metodo descritto dai ricercatori che lavorano nell’Amazzonia brasiliana che utilizza pastelli termici (utilizzati dai saldatori per controllare la temperatura delle parti metalliche) che fondono a una temperatura calibrata¹⁵. I mattoni vengono contrassegnati con pastelli, avvolti in un foglio di alluminio e posizionati in vari punti del forno durante la produzione. Abbiamo utilizzato questo metodo più volte e abbiamo stabilito che le temperature del forno superavano i 650° C, poiché i segni di pastello erano completamente sciolti. Questo sarà un metodo utile per confermare le temperature di produzione dove necessario; Tuttavia, il principale punto di verifica sarà documentare la presenza di fiamme in tutto il percorso.

Non ci sono molti dati pubblicati sulle caratteristiche del biochar prodotto con metodi di carbonizzazione a fiamma a bassa tecnologia. Tuttavia, i campioni di biochar ottenuti con metodi di carbonizzazione a fiamma in diversi tipi di forni sono stati analizzati da Cornellissen et al. e sono risultati conformi agli standard dell’European Biochar Certificate (EBC) per il biochar, tra cui il basso contenuto di IPA e l’elevata stabilità del biochar. Inoltre, il biochar prodotto da materie prime legnose ed erbacee aveva un contenuto medio di carbonio del 76%¹¹. La Rocky Mountain Research Station¹⁶ del Servizio Forestale degli Stati Uniti ha analizzato cinque campioni di biochar provenienti da forni a fiamma e pile di bruciatura realizzati in una giornata sul campo in California nel 2022. Il contenuto medio di carbonio dei campioni era dell’85%. Alla luce di questi risultati, possiamo concludere che è probabile che il biochar ottenuto da residui legnosi nei forni a fiamma soddisfi i requisiti di base per la rimozione verificata del carbonio: alto contenuto di carbonio ed elevata stabilità del biochar.

Due protocolli di rimozione del carbonio per la produzione di biochar a bassa tecnologia e basati sul luogo sono stati ora rilasciati da Verra¹⁷ e dal protocollo Global Artisan C-Sink¹⁸ dell’European Biochar Consortium. Questi protocolli di nuova concezione sono promettenti; Tuttavia, hanno alcune limitazioni se applicate a foreste, boschi e altri paesaggi minacciati da siccità e incendi. Di conseguenza, questo documento descriverà una nuova metodologia, la metodologia CM002 V1.0, di AD Tech¹⁹, che è in fase di sviluppo specificamente per la carbonizzazione a fiamma di detriti legnosi come parte della gestione della vegetazione e delle attività di riduzione del carico di combustibile. L’analisi del ciclo di vita conferma che il sequestro del carbonio del biochar mediante la produzione in loco di biochar da biomassa legnosa in forni a fiamma produce un beneficio netto di rimozione del carbonio²⁰. L’implementazione efficace dei protocolli di rimozione del carbonio può aiutare a sostenere finanziariamente il lavoro vitale di riduzione dei combustibili che deve essere svolto per proteggere le comunità e gli ecosistemi dagli incendi e dal degrado degli ecosistemi. Al fine di accedere ai pagamenti per la rimozione del carbonio, le misurazioni sul campo e i metodi di monitoraggio, rendicontazione e verifica digitale (D-MRV) sono incorporati come pratiche di routine nella metodologia di produzione del biochar qui descritta. I dettagli della piattaforma sono discussi nelle Informazioni supplementari (File supplementare 1).

Mentre diversi progetti open-source di forni a cappuccio di fiamma vengono prodotti da privati per uso proprio²¹, per quanto ne sappiamo, in questo momento, c’è solo un forno a cappuccio di fiamma con una capacità superiore a un metro cubo che viene prodotto in serie per la vendita in Nord America, il forno Ring of Fire²², Un forno a fiamma leggero e portatile, progettato per una facile mobilità con squadre manuali. Il forno è costituito da un anello interno costituito da sei lamiere di acciaio dolce fissate insieme. Un anello esterno composto da bulloni in acciaio di calibro più leggero sulle staffe che tengono insieme l’anello interno. L’anello esterno funge da scudo termico che trattiene il calore per una migliore efficienza. La parte superiore del forno è aperta all’aria ed è qui che si forma il tappo della fiamma. L’aria che scorre attraverso l’intercapedine anulare tra il corpo principale del forno e lo scudo termico fornisce aria comburente preriscaldata al forno, aumentando ulteriormente l’efficienza della combustione (Figura 1)

Figura 1: Schema che mostra il flusso d’aria, le caratteristiche della fiamma e l’accumulo di carbone nel forno ad anello di fuoco. L’aria comburente in controcorrente attira il fumo nella zona calda, dove brucia. L’aria che scorre attraverso l’intercapedine anulare tra il corpo principale del forno e lo scudo termico fornisce aria comburente preriscaldata al forno, aumentando ulteriormente l’efficienza della combustione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il diametro del forno è di 2,35 m, formando un cilindro alto un metro per un volume totale di 4,3^m3. In pratica, il forno non viene mai riempito completamente fino all’orlo, quindi un tipico lotto di produzione riempirà il forno da 1/2 a 3/4 per un volume di biochar compreso tra 2 e 3 metri cubi.

Poiché il forno Ring of Fire è un progetto standardizzato, viene adottato come la prima tecnologia certificata per l’uso nella metodologia dei componenti CM002 che fornisce procedure standardizzate per la quantificazione dei benefici dei gas serra (GHG). Le fasi di misurazione e raccolta dati che soddisfano i requisiti del CM002 sono incorporate nel metodo. La segnalazione viene effettuata tramite un’applicazione per smartphone rispondendo a brevi questionari durante tutto il processo e caricando foto e video clip sull’app mobile.