Producción, caracterización y cuantificación de biocarbón en el bosque utilizando hornos portátiles de tapa de llama

Resumen

Los nuevos métodos para eliminar las pilas de tala forestal en el lugar producen carbono pirogénico para restaurar la salud del suelo forestal y para la eliminación y secuestro de carbono. Aquí, presentamos un método de producción de biocarbón que integra una nueva metodología de contabilidad de eliminación de carbono y una aplicación digital.

Resumen

Uno de los mayores desafíos en la utilización de biomasa forestal no comercial es su naturaleza ampliamente distribuida. La mejor solución al problema de la biomasa, para evitar costos costosos e intensivos en carbono de procesamiento (astillado) y transporte, es procesarla in situ. Sin embargo, las pilas de quema convencionales tienen impactos destructivos en el suelo forestal y no proporcionan ningún otro beneficio que la reducción de combustible. La conversión de la tala forestal en biocarbón in situ tiene muchas ventajas ecológicas sobre la práctica actual de eliminación de la tala mediante incineración en pilas de quema, incluida la reducción del calentamiento del suelo y las emisiones de partículas, junto con múltiples beneficios del biocarbón para la salud del suelo forestal y la capacidad de retención de agua cuando se deja en su lugar. La producción de biocarbón in situ en el bosque es una forma de devolver un componente de carbono pirogénico a los suelos forestales que ha faltado debido a la historia reciente de la extinción de incendios. El biocarbón también es un método líder de eliminación y secuestro de carbono para la mitigación del cambio climático. En este estudio, documentamos un método para hacer biocarbón utilizando un horno de biocarbón portátil. Este método de bajo costo utiliza cuadrillas manuales equipadas con agua para enfriar los hornos antes de que el biocarbón se queme hasta convertirse en cenizas. Se incorporan al método técnicas sencillas para cuantificar y caracterizar el biocarbón producido con el fin de medir el impacto y calificar para certificados de eliminación de carbono para ayudar a pagar el costo del trabajo. Describimos la Metodología de Componentes CM002 que proporciona procedimientos estandarizados para la cuantificación de los beneficios de GEI durante tres etapas del proceso: abastecimiento de biomasa de residuos, producción de biocarbón y aplicación de biocarbón al suelo. La metodología CM002 se basa en las mejores prácticas internacionales, incluidas las normas más recientes de la metodología VCS VM0044 y las normas artesanales EBC C-Sink. Los métodos de cuantificación fiables que utilizan los factores de seguridad adecuados son el primer paso esencial para la elegibilidad para la financiación de la eliminación de carbono.

Introducción

En muchas regiones del mundo, incluido el oeste de los Estados Unidos, el cambio climático, la sequía y las especies exóticas invasoras han creado una crisis de incendios forestales que amenaza los ecosistemas y las comunidades. A medida que los bosques y las tierras boscosas arden sin control, se emiten grandes cantidades de partículas y gases de efecto invernadero a la atmósfera, con consecuencias devastadoras para la salud humana y el clima. Por ejemplo, se estima que los incendios forestales en California en 2020 liberaron alrededor de 127 millones de megatoneladas de emisiones de gases de efecto invernadero, aproximadamente dos veces la cantidad total de reducciones de emisiones de GEI de California de 2003 a 2019¹. Cada vez más, los científicos y los administradores de tierras están investigando las acciones humanas que pueden ayudar a restaurar estos bosques y tierras boscosas y sus servicios ecosistémicos. El aclareo manual y la eliminación del exceso de biomasa es una de las acciones más importantes que se deben realizar². La eliminación de la biomasa incluye su eliminación, y cuando la biomasa está situada en lugares remotos y de difícil acceso, hay pocas opciones distintas de la incineración in situ en pilas de roza no gestionadas. Las pilas de quema no gestionadas hacen el trabajo de eliminar los combustibles del paisaje, pero dañan los suelos forestales a medida que el calor concentrado debajo de las pilas incinera el horizonte orgánico del suelo, dejando un suelo desnudo que es vulnerable a la erosión y la colonización por especies invasoras. Puede llevar décadas regenerar el horizonte orgánico del suelo en una cicatriz de pila quemada³. Las pilas de quema no gestionadas también son una fuente de emisiones de partículas y gases de efecto invernadero. El humo de la quema de pilas de tala también restringe la ventana de quema en las cuencas hidrográficas con calidad limitada del aire, lo que dificulta la realización del trabajo.

Los investigadores del Servicio Forestal del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés) han examinado la alternativa de producir biocarbón a partir de materiales de roza y han identificado varias técnicas prometedoras, incluida la opción de utilizar pequeños hornos móviles de biocarbón en^{el bosque.} La conversión de la tala forestal en biocarbón in situ tiene muchas ventajas ecológicas sobre la práctica actual de eliminación de la tala mediante incineración en pilas de quema, incluida la reducción del calentamiento del suelo y las emisiones de partículas. El biocarbón producido in situ puede eliminarse y utilizarse en la agricultura, o puede dejarse en su lugar donde cumple varias funciones para restaurar la salud de los bosques y mejorar la adaptación al cambio climático y la sequía. Debido a que hasta el 50% del carbono total en muchos suelos forestales es carbón vegetal procedente de incendios naturales históricos⁵, dejar biocarbón en el sitio donde se fabrica puede restaurar el carbón vegetal del suelo forestal que a menudo falta en los horizontes recientes del suelo debido a la supresión de incendios, con impactos desconocidos en los procesos ecosistémicos⁶. El biocarbón que se deja en los suelos forestales puede imitar los efectos del carbón vegetal producido por el fuego natural y producir efectos similares en el contenido de carbono del suelo y en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo⁷.

En los últimos años, una red internacional de trabajadores forestales, propietarios de bosques, investigadores y consultores de biocarbón ha desarrollado un conjunto de métodos de carbonización para convertir la tala forestal en biocarbón in situ como alternativa a la incineración de pilas de roza. Estos métodos se basan en el principio de carbonización por llama, desarrollado y comercializado por primera vez en Japón como el "horno de carbonización sin humo" ofrecido por la empresa Moki⁸. Este horno de anillo de acero produce biocarbón bien carbonizado con una eficiencia de conversión de biomasa a biocarbón del 13% al 20%, dependiendo de la materia prima utilizada⁹.

El proceso de producción de biocarbón o carbón vegetal a menudo se denomina pirólisis, la separación de los componentes de la biomasa por calor en ausencia de oxígeno. Esto generalmente se concibe como pirólisis de retorta, donde la biomasa se aísla físicamente del aire en un recipiente calentado externamente. Sin embargo, la pirólisis también puede tener lugar en presencia de aire limitado, como en la gasificación y la carbonización de la llama, porque los combustibles sólidos como la madera se queman por etapas. Cuando se aplica calor a la biomasa, la primera etapa de la combustión es la deshidratación, ya que el agua se evapora del material. A esto le sigue la desvolatilización y la formación simultánea de carbones, también conocida como pirólisis. El gas volátil que contiene hidrógeno y oxígeno se libera y se quema en una llama, agregando calor continuamente al proceso. A medida que se libera el gas, el carbono restante se convierte en carbono aromático o carbón. La etapa final de la combustión es la oxidación del carbón a cenizas minerales¹⁰.

Debido a que estas son fases discretas que ocurren en un proceso de combustión abierta, tenemos la oportunidad de detener el proceso después de la formación de carbón eliminando aire o calor. Esto se logra durante el proceso de producción de biocarbón mediante la adición continua de material nuevo a la pila de combustión para que el carbón caliente quede enterrado por un nuevo material que corte el flujo de oxígeno. El carbón caliente se acumula en el fondo de la pila y se evita que se convierta en cenizas mientras haya llamas, porque la llama consume la mayor parte del oxígeno disponible. Cuando se ha agregado todo el combustible a la pila, la llama comienza a apagarse. En ese momento, el carbón caliente se puede conservar eliminando el oxígeno y el calor, generalmente rociando las brasas con agua y rastrillándolas^{para que se} enfríen.

El principio básico de funcionamiento es el de la combustión a contraflujo. El aire de combustión a contracorriente mantiene la llama baja y evita la emisión de brasas o chispas. La llama también quema la mayor parte del humo, lo que reduce las emisiones. En resumen, los siguientes principios explican el funcionamiento de la combustión a contracorriente en un horno con tapa de llama: (1) El gas fluye hacia arriba mientras que el aire de combustión fluye hacia abajo, (2) El flujo a contracorriente se establece a medida que el combustible quemado atrae el aire hacia abajo, (3) Las llamas permanecen bajas y cerca del combustible, minimizando el escape de brasas, (4) El humo arde en la zona caliente, (5) Debido a que todo el aire de combustión viene de arriba, es consumido por las llamas (6) Muy poco aire es capaz de llegar a las brasas no quemadas que caen al fondo del horno, (7) Las brasas se conservan hasta el final del proceso cuando se apagan o se apagan.

Además de sus beneficios para el suelo, el biocarbón también es un método líder de eliminación de carbono para la mitigación del cambio climático. Hasta la mitad del carbono de la biomasa leñosa se puede convertir en carbono estable y aromático en forma de biocarbón¹². Sin embargo, no todas las tecnologías de pirólisis producen la misma cantidad de carbono recalcitrante que permanece estable en los suelos durante 100 años o más (la métrica clave para determinar el valor de eliminación de carbono). La estabilidad del biocarbón está estrechamente relacionada con la temperatura de producción. Se estima que la temperatura adiabática de la llama de la madera quemada es cercana a la del propano, 1.977 °C¹³. La producción de biocarbón en un horno de tapa de llama está estrechamente acoplada a la llama, sin pérdidas por transferencia de calor por conducción a través de una pared metálica, como en la pirólisis de retorta. Por lo tanto, esperaríamos que la temperatura de producción fuera alta siempre que se mantenga una llama durante el proceso. Un estudio de carbones utilizando espectroscopía Raman¹⁴ informó que una muestra de biocarbón de un horno de tapa de llama (proporcionada por el autor principal Kelpie Wilson) se encontraba entre las tres muestras con la temperatura aparente más alta de formación de carbonización, en el rango de 900 °C.

Se requieren termopares para acceder al interior de la combustión y medir con precisión la temperatura de producción de biocarbón en un horno de tapa de llama o en una pila de combustión, y estos son costosos y no están disponibles para los productores de baja tecnología. Por lo tanto, hemos utilizado un método descrito por investigadores que trabajan en la Amazonía brasileña que utiliza crayones térmicos (utilizados por los soldadores para verificar la temperatura de las piezas metálicas) que se funden a una temperatura calibrada¹⁵. Los ladrillos se marcan con lápices de colores, se envuelven en papel de aluminio y se colocan en varios lugares del horno durante la producción. Utilizamos este método varias veces y determinamos que las temperaturas del horno superaban los 650 ° C, ya que las marcas de crayón estaban completamente derretidas. Este será un método útil para confirmar las temperaturas de producción cuando sea necesario; Sin embargo, el principal punto de verificación será documentar la presencia de llamas en todo momento.

No hay muchos datos publicados sobre las características del biocarbón producido por métodos de carbonización de llama de baja tecnología. Sin embargo, Cornellissen et al. analizaron muestras de biocarbón elaboradas mediante métodos de carbonización por llama en varios tipos de hornos y se encontró que cumplían con los estándares del Certificado Europeo de Biocarbón (EBC) para biocarbón, incluido el bajo contenido de HAP y la alta estabilidad del biocarbón. Además, el biocarbón producido a partir de materias primas leñosas y herbáceas tenía un contenido medio de carbono del 76 por ciento¹¹. La Estación de Investigación de las Montañas Rocosas¹⁶ del Servicio Forestal de EE. UU. analizó cinco muestras de biocarbón de hornos de tapa de llama y pilas de quema realizadas en un día de campo en California en 2022. El contenido promedio de carbono de las muestras fue del 85 por ciento. Teniendo en cuenta estos resultados, podemos concluir que es probable que el biocarbón elaborado a partir de residuos leñosos en hornos de combustión cumplan con los requisitos básicos para la eliminación verificada de carbono: alto contenido de carbono y alta estabilidad del biocarbón.

Verra¹⁷ y el protocolo¹⁸ del Consorcio Europeo de Biochar Global Artisan C-Sink han publicado dos protocolos de eliminación de carbono para la producción de biocarbón de baja tecnología y basada en el lugar. Estos protocolos recientemente desarrollados son prometedores; Sin embargo, tienen algunas limitaciones cuando se aplican a bosques, tierras boscosas y otros paisajes amenazados por sequías e incendios forestales. En consecuencia, este artículo describirá una nueva metodología, la Metodología CM002 V1.0, de AD Tech¹⁹, que se está desarrollando específicamente para la carbonización por llama de detritos leñosos como parte de las actividades de manejo de la vegetación y reducción de la carga de combustible. El análisis del ciclo de vida confirma que el secuestro de carbono de biocarbón mediante la producción in situ de biocarbón a partir de biomasa leñosa en hornos de combustión produce un beneficio neto de eliminación de carbono²⁰. La implementación exitosa de protocolos de eliminación de carbono puede ayudar a respaldar financieramente el trabajo de reducción de combustibles vitales que debe llevarse a cabo para proteger a las comunidades y los ecosistemas de los incendios forestales y la degradación de los ecosistemas. Para acceder a los pagos por eliminación de carbono, las mediciones de campo y los métodos digitales de monitoreo, notificación y verificación (D-MRV) se incorporan como prácticas rutinarias en la metodología de producción de biocarbón que se describe aquí. Los detalles de la plataforma se analizan en la Información Complementaria (Archivo Complementario 1).

Si bien varios diseños de código abierto de hornos de tapa de llama están siendo fabricados por individuos para su propio uso²¹, hasta donde sabemos, en este momento, solo hay un horno de tapa de llama con una capacidad de más de un metro cúbico que se está produciendo en masa para la venta en América del Norte, el horno Ring of Fire²², Un horno de tapa de llama liviano y portátil que está diseñado para facilitar la movilidad con cuadrillas manuales. El horno consta de un anillo interior compuesto por seis láminas de acero dulce unidas entre sí. Un anillo exterior compuesto de acero de calibre más ligero se atornilla en los soportes que mantienen unido el anillo interior. El anillo exterior sirve como un escudo térmico que retiene el calor para una mejor eficiencia. La parte superior del horno está abierta al aire, y aquí es donde se forma la tapa de llama. El aire que fluye hacia arriba a través del espacio anular entre el cuerpo del horno principal y el escudo térmico proporciona aire de combustión precalentado al horno, lo que aumenta aún más la eficiencia de la combustión (Figura 1)

Figura 1: Esquema que muestra el flujo de aire, las características de la llama y la acumulación de carbón en el horno del Anillo de Fuego. El aire de combustión a contracorriente arrastra el humo hacia la zona caliente, donde se quema. El aire que fluye hacia arriba a través del espacio anular entre el cuerpo del horno principal y el escudo térmico proporciona aire de combustión precalentado al horno, lo que aumenta aún más la eficiencia de la combustión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El diámetro del horno es de 2,35 m, formando un cilindro de un metro de altura para un volumen total de 4,3^m3. En la práctica, el horno nunca se llena completamente hasta la parte superior, por lo que un lote de producción típico llenará el horno entre 1/2 y 3/4 de su capacidad para un volumen de biocarbón de entre 2 y 3 metros cúbicos.

Debido a que el horno de anillo de fuego es un diseño estandarizado, se está adoptando como la primera tecnología certificada para su uso en la metodología de componentes CM002 que proporciona procedimientos estandarizados para la cuantificación de los beneficios de los gases de efecto invernadero (GEI). Los pasos de medición y recopilación de datos que cumplen con los requisitos del CM002 se incorporan al método. La presentación de informes se realiza a través de una aplicación para teléfonos inteligentes, respondiendo cuestionarios breves durante todo el proceso y cargando fotos y videoclips en la aplicación móvil.

Protocolo

NOTA: Esta metodología utiliza la aplicación para teléfonos inteligentes Ikhala (en adelante, la aplicación D-MRV; Tabla de Materiales) para acceder a los pagos por eliminación de carbono, las mediciones de campo y el seguimiento, la presentación de informes y la verificación digitales.

1. Recolección de materia prima y confirmación de la idoneidad

1. Seleccione e informe el tamaño de la materia prima.
2. Seleccione material leñoso de menos de 15 cm de diámetro. Asegúrese de que todos los materiales sean ramificados o de forma no uniforme para que no se compacten e inhiban el flujo de aire en el horno.
3. En la aplicación D-MRV, haga clic en el botón Tomar una foto en la sección Material alimenticio para abrir la cámara. Con la cámara abierta, apunte al sujeto (pilas de materia prima seca con una vara de medir) y capture la imagen presionando el botón del obturador en la pantalla.
4. Reporte de especies de materias primas: Abra la aplicación D-MRV y responda el breve cuestionario digital que informa las cantidades de cada tipo de especie. Los informes se basan en estimaciones visuales.
5. Determine e informe la humedad de la materia prima.
   1. Usando un medidor de humedad de leña estándar, tome una lectura insertando los pasadores en el medio de la pieza más grande de cada tipo de materia prima.
   2. En la aplicación D-MRV, tome una foto de cada lectura del medidor de humedad. Haga clic en el botón Tomar una foto en la sección del medidor de humedad y escriba el valor que se muestra en el medidor de humedad en el campo de texto. Envíe una foto y una entrada de texto para cada lectura del medidor de humedad.

2. Montaje, carga e iluminación del horno

1. En un terreno llano, limpie el material orgánico inflamable de un círculo de aproximadamente 3 m de diámetro. Ensamble los 6 paneles internos del horno en un cilindro usando los soportes de conexión,
2. Con una pala o una herramienta similar, selle el borde inferior del cilindro con una pequeña berma de tierra mineral o arcilla para que el aire no pueda entrar en el horno desde la parte inferior.
3. Fije los 6 paneles de protección térmica a los soportes de los conectores, asegurándose de que quede un espacio de aire en la parte inferior del escudo térmico para que el aire pueda fluir a través del espacio anular entre los cilindros interior y exterior. Coloque la etiqueta de identificación del horno en el escudo térmico utilizando el hardware del escudo térmico.
4. Identifique los hornos utilizados en el lote. En la sección Preparación de la quema , haga clic en el botón Tomar una foto para tomar fotografías del horno ensamblado y la etiqueta de identificación y enviarlas para cada horno en el sitio.
5. Carga del horno: Utilice material más pequeño (2-6 cm de grosor es ideal) y más seco para la carga inicial del horno. Empaque el material hasta el borde del horno, colocando cualquier material no ramificado, como postes, de modo que no se compacte demasiado y restrinja el flujo de aire.
   NOTA: El objetivo es asegurarse de que el material esté lo suficientemente apretado como para sostener una llama, pero también permitir que el aire de combustión llegue al fondo de la pila.
6. Encienda el horno: Agregue material de leña pequeño y seco en la parte superior del horno cargado. Use un acelerante si es necesario y enciéndalo con un fósforo, o use un soplete de propano. Encienda el horno en varios lugares en la parte superior para que se desarrolle rápidamente una tapa de llama sobre todo el horno.
7. Con la aplicación D-MRV, tome un videoclip de 30 s tan pronto como se establezca la tapa de llama. En la sección Inicio de grabación , haga clic en el botón Grabar video y luego haga clic en el botón Enviar video .

3. Alimentación y cuidado del horno

1. Durante la primera fase de funcionamiento, el aire se extrae desde la parte superior hasta el fondo del horno, mientras que la carga inicial se quema principalmente hasta convertirse en una capa de carbón. Asegúrese de que la primera carga produzca un buen lecho de carbones antes de agregar más material. Agregue una nueva capa de materia prima cuando la capa anterior comience a mostrar una película de ceniza blanca.
2. Transición a la carga continua: Cargue material nuevo en el horno a un ritmo constante. Trate de mantener cada capa de madera del mismo diámetro para que la carbonización sea uniforme.
   1. Use la llama como indicador de la velocidad de carga: Deje que la llama sea la guía para agregar material nuevo. Asegúrese de que se mantenga una buena llama fuerte en la parte superior porque esa es la fuente de calor para hacer carbón.
   2. Si el operador carga demasiado, demasiado rápido, la llama se sofocará. Si eso sucede, haz una pausa y espera a que la llama vuelva a subir. Si el operador no carga suficiente material, la llama se apagará y el carbón comenzará a arder hasta convertirse en cenizas. Si eso comienza a suceder, agregue más material para mantener la llama encendida.
3. Verifique la presencia de llamas durante la combustión como un indicador de combustión limpia y caliente que minimizará las emisiones de metano y maximizará la formación de carbón estable.
   1. Con la aplicación D-MRV, tome un video de 30 segundos de la llama aproximadamente 1 hora después de encender el horno. Vaya a la sección Prueba de calidad de grabación y haga clic en el botón Prueba de grabación a primera hora .
   2. Haga clic en el botón Grabar video , presione Grabar durante un mínimo de 30 segundos y haga clic en el botón Enviar video .
4. Agregue el material más grande en las etapas intermedias de la quemadura para que tenga tiempo de carbonizarse por completo. El horno se llenará de biocarbón a diferentes velocidades, según el tipo de materia prima, el tamaño y la humedad.
5. Con la aplicación D-MRV, tome un video de 30 segundos de la llama al final de la segunda hora de la quema. Haga clic en el botón Prueba de grabación a la segunda hora y, a continuación, en el botón Grabar vídeo . Presione Grabar durante un mínimo de 30 segundos y haga clic en el botón Enviar video .
6. Con la aplicación D-MRV, tome un video de 30 segundos de la llama al final de la tercera hora de la quema. Haga clic en el botón Prueba de grabación a la tercera hora y, a continuación, en el botón Grabar vídeo . Presione Grabar durante un mínimo de 30 segundos y haga clic en el botón Enviar video .
7. A medida que el horno se llena de carbones incandescentes al rojo vivo, haga las últimas capas de material de tamaño mediano para permitir que las piezas más grandes terminen de carbonizarse.

4. Acabado, enfriamiento y medición del biocarbón

1. Finalice la combustión cuando el biocarbón acumulado esté a menos de 10-20 cm del borde superior del horno, cuando se haya agotado toda la materia prima o cuando termine la jornada laboral.
2. La carbonización se completa cuando ya no hay llamas. Espere de 10 a 15 minutos después de agregar la última pieza de materia prima para que las llamas se apaguen. Siempre habrá algunas piezas más grandes que no se carbonicen por completo, lo cual no es una preocupación.
3. Antes de enfriar, use un rastrillo de acero para nivelar las brasas calientes e incandescentes en el horno.
   1. Coloque una varilla de medir verticalmente en el horno, contra la pared del horno, de modo que un extremo toque el carbón nivelado. En la aplicación D-MRV, tome una foto de la varilla de medición que muestra la profundidad del carbón en el horno navegando a la sección Medición del biocarbón y haga clic en el botón Tomar una foto .
   2. En el campo de entrada de texto para la pregunta ¿Cuál es la lectura desde la parte superior del biocarbón hasta la parte superior del horno?, ingrese el valor en la vara de medir.
   3. Repita esta medición y grabación de fotos dos veces más en diferentes lugares dentro del horno haciendo clic en el botón Enviar y agregar otra foto .
4. Inmediatamente después de informar las mediciones de profundidad de carbonización, tome una foto de la etiqueta de identificación del horno para fines de verificación.
5. Mida la densidad aparente de carbones.
   1. Cuando el lote de biocarbón esté completo, pero antes de enfriarlo, llene un balde de metal con brasas incandescentes calientes sacadas del horno. Pesa el cubo para obtener la tara con una báscula colgante. Tome una foto para registrar el peso.
   2. Llene el balde con brasas y péselo, tomando una foto para registrar el peso.
   3. Repita el procedimiento de muestreo (4.5.1-4.5.2) dos veces más, tomando muestras de diferentes partes del horno y registrando el valor con una foto.
6. Apagar con agua.
   1. Comience a rociar agua a baja presión en el horno hasta que el escudo térmico esté lo suficientemente frío como para tocarlo. Retire todos los paneles del escudo térmico y apílelos para que no estorben.
   2. Mientras rocía agua, retire varios paneles del horno y rastrille el carbón en una capa delgada para que se enfríe. Continúe rociando y rastrillando hasta que el carbón esté completamente frío. El biocarbón debe estar lo suficientemente frío como para meter una mano en él.
7. Retire y registre las piezas no quemadas. Retire las piezas parcialmente carbonizadas y colóquelas en uno de los paneles del horno en una sola capa, con la vara de medir colocada al lado. Con la aplicación D-MRV, tome una foto de las piezas carbonizadas de forma incompleta.

Resultados

Un lote de biocarbón bien organizado e implementado utilizando el horno Ring of Fire producirá 2-3^m3 de biocarbón en 4-5 h de tiempo de combustión. El uso de la metodología de componentes CM002 y el registro de los parámetros de combustión en la aplicación D-MRV tienen como objetivo permitir que un verificador certificado confirme el volumen de producción de biocarbón por lotes y la calidad del biocarbón. Se proporciona más información sobre la metodología en la Información Complementaria (Archivo Complementario 1).

Los puntos de verificación del proceso para un lote típico de biocarbón fabricado en el horno del Anillo de Fuego se enumeran aquí (Figura 2). En el cuadro 1 se indican los valores típicos medidos sobre el terreno o determinados por verificación.

1. Indique el tipo de materia prima.
2. Tamaño de la materia prima: imagen de la pila de materia prima con una regla en su lugar.
3. Humedad de la materia prima: una imagen que muestra la lectura del medidor de humedad de la pieza más grande de cada especie de materia prima.
4. Encendido: Un video de 30 segundos que muestra el inicio de la combustión del horno y la hora de registro de arranque. El video muestra que se ha desarrollado una fuerte tapa de llama.
5. Verificación de la temperatura de producción basada en la presencia de llamas: tres videos de 30 segundos muestran una fuerte presencia de llamas durante la quema.
6. Volumen de biocarbón: tres imágenes de la vara de medir en el horno para mostrar la altura del carbón nivelado en el horno en tres ubicaciones. Las distancias medidas desde la parte superior del horno hasta el carbón se promedian a un valor para los cálculos.
7. Densidad aparente: Una imagen de la báscula que muestra el peso vacío del cubo. Tres imágenes de escala que muestran el peso del carbón y el cubo. Carbón extraído de 3 lugares del horno. Las tres medidas de peso se promedian a un valor para los cálculos

Figura 2: Infografía que muestra los puntos de verificación del proceso. Los puntos de verificación del proceso para un lote típico de biocarbón fabricado en el horno del Anillo de Fuego. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

				Punto de datos #1	Punto de datos #2	Punto de datos #3
Especies de materias primas				Pino 50%	Abeto 50%
Lectura del medidor de humedad				19%	23%
Volumen del cilindro vacío del horno				4,3 m3
Altura del cilindro del horno				1 m
Altura del nivel de carbonización en el horno				60 cm	61 cm	59 cm
Tara de cubo de 7 litros				0,6 kg
Peso del cubo con carbonización				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Base de datos del valor del contenido de carbono carbonizado				86.8%
Factor de estabilidad de carbono				0.74

Tabla 1: Valores representativos utilizados para verificar los resultados de producción y los parámetros de procesamiento de un lote típico de biocarbón producido en un horno de biocarbón del Anillo de Fuego.

Utilizando estos puntos de control, el verificador determina que el biocarbón se ha elaborado con materias primas adecuadas y a una temperatura superior a 600 °C para cumplir los requisitos de la metodología del componente CM002 para la estabilidad a largo plazo. Esto permite aplicar al lote de biocarbón el factor de estabilidad de carbono de 0,74 para una permanencia de 100 años. Para determinar el volumen del lote de biocarbón, el verificador utiliza el volumen del horno vacío verificado por la etiqueta de identificación del horno (4,3 m³) y la altura del nivel de carbón en el horno (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Dado que el horno está lleno al 60%, el volumen de carbón es de 0,6 x 4,3 m³ = 2,6 m³. A continuación, el verificador calcula la densidad aparente del biocarbón basándose en las mediciones del cubo. Al restar el peso del cubo de 0,6 kg de cada medición se obtienen valores de 1,2 kg, 1,3 kg y 1,4 kg que se promedian en 1,3 kg/7 L. Esto equivale a 185,7 kg/m³. Por lo tanto, el peso seco del biocarbón producido es (185,7 kg/m³) x (2,6 m³) = 483 kg.

El verificador puede tomar el contenido de carbono del biocarbón de una base de datos o, en este caso, de una simple prueba de laboratorio que confirmó un contenido de carbono del 86,8% de un lote de maderas blandas mixtas producidas en un horno de anillo de fuego en el condado de Sonoma, California, en 2021. La prueba fue realizada por los Laboratorios de Control de Watsonville, CA²³. Se aplica el factor de estabilidad de carbono de 0,74. Por lo tanto, el contenido de carbono orgánico estable en peso seco para el biocarbón se deriva de la masa del biocarbón, su contenido de carbono orgánico y el factor de estabilidad de 100 años para un valor final de (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg de carbono estable. Para llegar al valor final de la eliminación de carbono, se resta la fuga del proyecto y se aplican los márgenes de seguridad apropiados junto con el factor de conversión de carbono sólido a dióxido de carbono, como se describe en el Archivo Suplementario 1. El valor certificado de eliminación del biocarbón depende de la verificación final de que el biocarbón se ha aplicado al suelo o al compost y no se quema ni se oxida de ninguna otra manera.

Ficha complementaria 1: Información detallada sobre la metodología y los cálculos. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

Diferentes especies de biomasa producirán biocarbón con diferentes fracciones de carbono y cenizas, independientemente de la temperatura de producción, debido a la composición elemental de la biomasa²⁴. Debido a que las bases de datos existentes sobre las características del biocarbón para diferentes materias primas no están completas, es posible que los proyectos deban enviar muestras para análisis de laboratorio a fin de verificar el contenido de carbono orgánico del biocarbón. Para mantener bajos los costos del proyecto, recomendamos un procedimiento de laboratorio simple que puede ser realizado a bajo costo por los estudiantes en los laboratorios escolares en el nivel de escuela secundaria o colegio comunitario²⁵. Con el tiempo, a medida que se implementen más proyectos sobre el terreno, la base de datos de valores de contenido de carbono del biocarbón para diferentes tipos de materias primas crecerá y será más utilizable.

Muchas de las mediciones de D-MRV están destinadas a verificar que las condiciones de producción son óptimas para producir biocarbón con características que coinciden estrechamente con los valores de la base de datos. Estas mediciones clave son la humedad de la materia prima y la serie de videos que documentan la calidad de la combustión en llamas, que determina la temperatura de producción y la estabilidad resultante del carbono en el biocarbón.

Si bien medir el volumen de biocarbón producido en el horno es sencillo, determinar la masa seca del biocarbón producido no es fácil. Trabajar con biocarbón es un desafío porque la compleja densidad de partículas del material hace que las mediciones de densidad aparente sean difíciles de determinar²⁶. Una vez que se ha enfriado el biocarbón, no es posible obtener un peso seco de un cierto volumen de biocarbón en el campo. Sin embargo, la densidad aparente seca del biocarbón se puede medir en el campo llenando un cubo de metal de volumen conocido con brasas y pesándolo. Este procedimiento nos puede dar una buena aproximación de la masa seca del biocarbón.

Un inconveniente clave de esta metodología es la variabilidad inherente de las operaciones de campo, incluida la variabilidad de la materia prima y el nivel de habilidad del operador. El operador debe determinar la tasa de carga de materia prima y trabajar para mantener una llama fuerte en el horno. La falta de mantenimiento de la llama por sobrecarga afectará la temperatura de formación del carbón y, por lo tanto, la estabilidad del carbón. La mejor manera de abordar esto es mediante un programa de capacitación eficaz para los operadores. La capacitación de los trabajadores y los protocolos de seguridad son cruciales para el éxito de la producción de biocarbón en el sitio. Dados los requisitos laborales, los programas de capacitación deberán estar bien organizados y estar ampliamente disponibles²⁷.

Otra limitación de la metodología es la variabilidad en la implementación de las mediciones de D-MRV. La humedad de la materia prima puede ser bastante variable dentro de un lote determinado, incluso si toda la materia prima es uniforme. El método de tomar tres videos instantáneos de la llama durante el proceso para verificar que se alcancen las temperaturas adecuadas está limitado por la naturaleza dinámica de la combustión. Es posible que tres videos de instantáneas no sean representativos de todo el proceso. Una verificación cruzada viable de esta medición es simplemente saber cuánto tiempo duró la combustión y cuánto biocarbón se produjo, ya que las condiciones de temperatura no óptimas darán como resultado volúmenes de producción más bajos. Las mediciones de campo D-MRV de densidad aparente y volumen son limitadas en su precisión; Sin embargo, esto se compensa mediante el uso de márgenes de seguridad para garantizar que los valores finales sean conservadores y no sobreestimen la absorción de carbono.

La logística operativa también contribuye a la variabilidad de los parámetros de producción de biocarbón y al éxito de los proyectos. La logística operativa debe tener en cuenta factores como el clima, el terreno, el acceso, la seguridad de los trabajadores, la capacitación, las herramientas y equipos, y la disponibilidad de agua. La mayoría de las herramientas y suministros necesarios para producir biocarbón son equipos estándar que se proporcionan a los bomberos y equipos forestales. Las herramientas específicas necesarias para implementar D-MRV con el horno de biocarbón Ring of Fire se enumeran en el archivo de la Tabla de Materiales .

La producción de biocarbón en el campo a partir de biomasa residual debe competir con la alternativa de la quema a cielo abierto o la incineración, que tiene la ventaja de un costo muy bajo. El costo marginal de la fabricación de biocarbón frente a la quema a cielo abierto tiene que ver principalmente con el aumento de los requisitos de mano de obra, ya que el costo de capital de los hornos de tapa de llama simple^{es bajo.} Hasta la fecha, no hay suficientes proyectos a gran escala con una recopilación de datos sólida para determinar el costo marginal real de la producción de biocarbón en comparación con la incineración. Sin embargo, un ejemplo puede mostrar el potencial de la financiación del carbono para llenar la brecha.

Watershed Consulting en Missoula, MT, trató la tala raleada de 21 acres de bosque mixto de coníferas en el oeste de Montana en 2021 utilizando hornos de biocarbón Ring of Fire²⁸. El costo total del proyecto fue de $42,302.00 y el rendimiento total de biocarbón fue de 112.5 yardas cúbicas. Utilizando nuestras propias suposiciones estándar sobre las características del biocarbón fabricado en hornos de llama, estimamos que el proyecto secuestró 31,75 toneladas métricas de_CO2 a 1.332,35 dólares por tonelada. El costo de apilar e incinerar el material habría sido de $15,750.00, dejando un costo marginal de $26,552.00 para hacer biocarbón en lugar de incineración, o $836.28 por tonelada de biocarbón producido. Ese costo marginal podría compensarse, al menos parcialmente, con pagos de eliminación de carbono de entre 100 y 200 dólares por tonelada de_CO2, lo que validaría la importancia del proceso de D-MRV. Para completar el panorama económico del proyecto, es importante que las autoridades financieras reconozcan los beneficios ecosistémicos de evitar el daño al suelo por las cicatrices de las pilas quemadas, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación atmosférica por partículas, así como el retorno de la carbonización a los suelos forestales para la retención de humedad, el ciclo de nutrientes y la salud del suelo.

Los métodos detallados descritos en este documento ayudarán a las personas y grupos que trabajan en ecosistemas afectados por especies exóticas invasoras, sequías e incendios forestales a implementar proyectos de conversión de biomasa en biocarbón económicamente viables que puedan mejorar y restaurar los suelos y los ecosistemas nativos, evitando al mismo tiempo las emisiones de gases de efecto invernadero y el secuestro de carbono para la mitigación del clima. A pesar de la variabilidad y la falta de precisión en las mediciones y puntos de verificación en esta metodología práctica de campo, concluimos que sigue siendo un enfoque valioso para secuestrar carbono en situaciones de campo donde otros enfoques, como el transporte de biomasa a una instalación de pirólisis industrial, no son prácticos.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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