ポータブルフレームキャップキルンを使用した森でのバイオ炭の生産、特性評価、定量化

要約

林業用スラッシュパイルを所定の位置に処分する新しい方法は、森林土壌の健全性を回復し、炭素の除去と隔離のために発熱性炭素を生成します。ここでは、新しい炭素除去会計手法とデジタルアプリケーションを統合したバイオ炭製造方法を紹介します。

要約

非商業的な森林バイオマスを利用する上での最大の課題の1つは、その広範囲に分布していることです。バイオマス問題の最善の解決策は、高価で炭素集約的な処理(チッピング)と輸送コストを回避するために、現場で処理することです。しかし、従来のバーンパイルは森林の土壌に破壊的な影響を与え、燃料削減以外のメリットはありません。森林伐採を現場でバイオ炭に変換することは、土壌加熱や粒子状物質の排出削減など、焼却パイルでの焼却による焼却処分の現在の慣行に比べて多くの生態学的利点があり、バイオ炭がそのままにしておくと森林土壌の健康と保水能力に複数の利点があります。森の中でバイオ炭を敷地内で作ることは、近年の消火活動のために失われていた発熱性炭素成分を森林土壌に戻す方法です。バイオ炭は、気候変動緩和のための炭素除去と隔離の主要な方法でもあります。本研究では、ポータブルバイオ炭窯を用いたバイオ炭の製造方法を報告する。この低コストの方法では、バイオ炭が燃え尽きて灰になる前に、水を備えたハンドクルーを利用してキルンを急冷します。生成されたバイオ炭を定量化して特性評価するための簡単な手法が、影響を測定し、作業コストの支払いに役立つ炭素除去証明書の資格を取得する目的で、この方法に組み込まれています。廃棄物バイオマスの調達、バイオ炭の生産、バイオ炭の土壌散布というプロセスの3つの段階でGHG便益を定量化するための標準化された手順を提供するCM002コンポーネント方法論について説明します。CM002 方法論は、最新の VCS 方法論である VM0044 規格や EBC C-Sink Artisan 規格など、国際的なベストプラクティスに基づいています。適切な安全率を利用した信頼性の高い定量化方法は、炭素除去ファイナンスの適格性に向けた最初の重要なステップです。

概要

米国西部を含む世界の多くの地域では、気候変動、干ばつ、外来侵入種が山火事の危機を引き起こし、生態系やコミュニティを脅かしています。森林や森林が制御不能に燃えると、大量の粒子状物質や温室効果ガスが大気中に放出され、人間の健康と気候に壊滅的な影響を及ぼします。例えば、2020年にカリフォルニア州で発生した山火事は、約1億2,700万メガトンの温室効果ガスを排出したと推定されており、これは2003年から2019年までのカリフォルニア州の温室効果ガス総排出量の約2倍^{に相当します1。}科学者や土地管理者は、これらの森林や森林、そしてその生態系サービスの回復に役立つ人間の行動を調査することが増えています。手作業による間伐と余分なバイオマスの除去は^{、取らなければならない}最も重要な行動の1つです2。バイオマスの除去には処分も含まれており、バイオマスが遠隔地やアクセス困難な場所にある場合、管理されていないスラッシュパイルでその場で焼却する以外の選択肢はほとんどありません。管理されていない野焼きパイルは、景観から燃料を除去する役割を果たしますが、パイルの下の集中した熱が土壌の有機地平線を焼却し、侵食や侵入種によるコロニー形成に対して脆弱な裸の土壌を残すため、森林の土壌に損傷を与えます。焼け跡³の有機土壌地平線を再生するには数十年かかることがあります。管理されていないバーンパイルは、粒子状物質や温室効果ガスの排出源でもあります。また、スラッシュパイルの燃焼による煙は、大気質が制限された流域の燃焼窓を制限し、作業の達成をより困難にします。

米国農務省森林局の研究者は、スラッシュ材料からバイオ炭を生産する代替案を検討し^、森林で小型の移動式バイオ炭窯を使用するオプションなど、いくつかの有望な技術を特定しました4。森林伐採を現場でバイオ炭に転換することは、焼却パイルでの焼却による焼却処分の現在の慣行に比べて、土壌加熱や粒子状物質の排出の削減など、多くの生態学的利点があります。敷地内で生産されたバイオ炭は、取り出して農業に利用することも、森林の健康を回復し、気候変動や干ばつへの適応を改善する上でいくつかの機能を果たす場所に残すこともできます。多くの森林土壌の総炭素の最大50%は、歴史的な自然火災による木炭^{であるため5、}バイオ炭が製造された場所に残しておくと、火災の抑制のために近年の土壌地平線から欠落しがちな森林土壌木炭を回復させることができ、^{生態系プロセスへの影響}は不明である6。森林土壌に残されたバイオ炭は、自然火災によって生成される木炭の影響を模倣し、土壌炭素含有量と土壌の物理的、化学的、生物学的特性に同様の影響を与える可能性があります⁷。

近年、林業従事者、森林所有者、研究者、バイオ炭コンサルタントの国際ネットワークは、スラッシュパイル焼却の代替として、森林の伐採を現場でバイオ炭に変換するための一連の炭化方法を開発しました。これらの方法は、火炎炭化の原理に基づいており、茂木社⁸が提供する「無煙炭化窯」として日本で初めて開発・製品化されました。このスチールリングキルンは^{、使用する原料}にもよりますが、バイオマスからバイオ炭への変換効率が13%から20%と報告されており、十分に炭化したバイオ炭を製造しています9。

バイオ炭または木炭を製造するプロセスは、熱分解と呼ばれることが多く、酸素がない場合に熱によってバイオマス成分を分離します。これは通常、外部加熱容器内でバイオマスを空気から物理的に分離するレトルト熱分解として考えられます。ただし、熱分解は、木材などの固体燃料が段階的に燃焼するため、ガス化や火炎炭化のように、限られた空気の存在下でも発生する可能性があります。バイオマスに熱を加えると、燃焼の最初の段階は、材料から水分が蒸発するため、脱水です。これに続いて、脱揮と同時チャー形成が続き、熱分解とも呼ばれます。水素と酸素を含む揮発性ガスが放出され、炎の中で燃焼され、プロセスに継続的に熱が加わります。ガスが放出されると、残りの炭素は芳香族炭素(チャー)に変換されます。燃焼の最終段階は、チャーの鉱物灰¹⁰への酸化である。

これらは開放燃焼プロセスで発生する離散相であるため、チャー形成後に空気や熱を除去してプロセスを停止する機会があります。これは、バイオ炭の製造プロセス中に、燃焼パイルに新しい材料を継続的に追加して、高温の炭が酸素の流れを遮断する新しい材料によって埋められるようにすることで達成されます。熱い木炭はパイルの底に蓄積し、炎が存在する限り燃えて灰になるのを防ぎます。すべての燃料が山に追加されると、炎は消え始めます。その時点で、熱い木炭は、酸素と熱を取り除くことによって保存することができ、通常は石炭に水を噴霧し、それらを薄くかき集めて冷やすことによって¹¹。

動作の基本原理は向流燃焼の原理です。向流燃焼空気は炎を低く保ち、残り火や火花の放出を防ぎます。また、炎は煙のほとんどを燃やし、排出量を削減します。要約すると、次の原則は、フレームキャップキルンでの向流燃焼の動作を説明しています:(1)燃焼用空気が下向きに流れている間、ガスは上向きに流れます、(2)燃焼燃料が下向きに空気を吸い込むと向流流が確立されます、(3)炎は低く燃料の近くにとどまり、残り火の逃げを最小限に抑えます、(4)煙はホットゾーンで燃えます、(5)すべての燃焼用空気は上から来るので、 それは炎によって消費されます (6) 窯の底に落ちた未燃の石炭にはほとんど空気が届きません (7) 石炭は、焼入れまたは嗅ぎタバコを吸い取られるプロセスの終わりまで保存されます。

バイオ炭は、土壌への利点に加えて、気候変動緩和のための炭素除去の主要な方法でもあります。木質バイオマスの炭素の最大半分は、バイオ炭¹²の形で安定した芳香族炭素に変換できます。ただし、すべての熱分解技術が、土壌中で100年以上安定している同じ量の難分解性炭素を生成するわけではありません(炭素除去値を決定するための重要な指標)。バイオ炭の安定性は、製造温度と密接に関連しています。薪を燃やす断熱火炎温度は、プロパンの断熱火炎温度(1,977°C)に近いと推定されています¹³。フレームキャップキルンでのバイオ炭の生成は炎と密接に結合しており、レトルト熱分解のように金属壁を通る伝導による熱伝達損失はありません。したがって、プロセス中に炎が維持されている限り、生産の温度は高くなると予想されます。ラマン分光法¹⁴ を用いたチャーの調査では、火炎キャップキルンからのバイオ炭サンプル(筆頭著者のKelpie Wilson氏提供)が、チャー形成の見かけ温度が900°Cの範囲で最も高い3つのサンプルの1つであることが報告された。

熱電対は、火炎管窯または焼却パイル内のバイオ炭の生産温度を正確に測定するために火傷の内部にアクセスし、これらは高価であり、ローテク生産者には利用できません。そこで、ブラジルのアマゾンで働いている研究者によって説明された方法を使用し、校正された温度¹⁵で溶けるヒートクレヨン(溶接工が金属部品の温度をチェックするために使用)を使用しました。レンガはクレヨンで印を付け、アルミホイルで包み、生産中に窯のさまざまな場所に置かれます。この方法を何度か使用し、クレヨンの跡が完全に溶けているため、窯の温度が650°Cを超えていることを確認しました。これは、必要に応じて生産温度を確認するのに便利な方法です。ただし、主な検証ポイントは、全体に炎の存在を文書化することです。

ローテクの火炎炭化法で作られたバイオ炭の特性に関する公開データはあまりありません。しかし、Cornellissenらは、いくつかのキルンタイプで火炎炭化法で製造されたバイオ炭サンプルを分析し、PAH含有量が低く、バイオ炭の安定性が高いなど、バイオ炭の欧州バイオ炭証明書(EBC)基準を満たしていることがわかりました。さらに、木質原料と草本原料の両方から生産されたバイオ炭の平均炭素含有量は76%でした¹¹。米国森林局ロッキーマウンテン研究ステーション¹⁶は、2022年にカリフォルニア州で行われた運動会で作られた火炎キャップ窯と焼却杭から採取された5つのバイオ炭サンプルを分析しました。サンプルの平均炭素含有量は85%でした。これらの結果から、フレームキャップキルンの木質残渣から作られたバイオ炭は、炭素除去を検証するための基本要件である高炭素含有量と高いバイオ炭安定性を満たす可能性が高いと結論付けることができます。

現在、Verra¹⁷ と European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink プロトコル¹⁸ によって、ローテクで場所ベースのバイオ炭生産のための 2 つの炭素除去プロトコルがリリースされています。これらの新しく開発されたプロトコルは有望です。ただし、干ばつや山火事の脅威にさらされている森林、森林、その他の景観に適用すると、いくつかの制限があります。そこで、本稿では、植生管理と燃料負荷低減活動の一環として、木質残骸の火炎炭化に特化して開発されているAD Tech¹⁹の新しい方法論であるMethodology CM002 V1.0について説明します。ライフサイクル分析により、フレームキャップキルンで木質バイオマスからオンサイトバイオ炭を生産するバイオ炭を使用したバイオ炭炭素隔離は、正味の炭素除去効果を生み出すことが確認されています²⁰。炭素除去プロトコルの実施が成功すれば、山火事や生態系の劣化からコミュニティや生態系を守るために必要な重要な燃料削減作業を財政的に支援することができます。炭素除去の支払いにアクセスするために、現場での測定とデジタル監視、報告、検証(D-MRV)の方法が、ここで説明するバイオ炭生産方法論に日常的な慣行として組み込まれています。プラットフォームの詳細については、補足情報(補足ファイル1)を参照してください。

いくつかのオープンソースのフレームキャップキルンの設計が個人によって製造されていますが²¹、私たちの知る限り、現時点では、北米で販売されるために大量生産されている1立方メートルを超える容量のフレームキャップキルンが1つだけあります。 軽量で持ち運び可能なフレームキャップキルンは、ハンドクルーを使用して簡単に移動できるように設計されています。窯は、6枚の軟鋼板を一緒に固定した内輪で構成されています。内輪を固定するブラケットに軽量ゲージのスチールボルトで構成された外輪。外輪は熱シールドとして機能し、熱を保持して効率を向上させます。窯の上部は空気に開放されており、ここに炎のキャップが形成されます。主窯本体と遮熱板の間の環状の隙間から流れ上がった空気は、予熱された燃焼用空気を窯に供給し、燃焼効率をさらに高めます(図1)

図1:環状窯内の気流、火炎特性、チャーの蓄積を示す概略図。 向流燃焼用空気は煙をホットゾーンに引き込み、そこで燃焼します。主窯本体と遮熱板の間の環状の隙間から流れ上がった空気は、予熱された燃焼用空気を窯に供給し、燃焼効率をさらに高めます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

窯の直径は2.35mで、高さ1mの円柱を形成し、総容積は4.3m3です。実際には、窯が上部まで完全に満たされることはないため、一般的な生産バッチでは、2〜3立方メートルのバイオ炭の体積に対して、1/2〜3/4で窯をいっぱいに充填します。

リング・オブ・ファイア・キルンは標準化された設計であるため、温室効果ガス(GHG)の利益を定量化するための標準化された手順を提供するCM002コンポーネント方法論で使用するための最初の認定技術として採用されています。CM002の要件を満たす測定およびデータ収集ステップがメソッドに組み込まれています。レポートは、プロセス全体を通して簡単なアンケートに回答し、写真やビデオクリップをモバイルアプリにアップロードすることにより、スマートフォンアプリケーションを介して行われます。

プロトコル

注:この方法論では、Ikhalスマートフォンアプリケーション(以下、D-MRVアプリケーションと呼びます。 資料表)炭素除去の支払い、現地測定、デジタル監視、報告、検証にアクセスするため。

1. 原料の採取と適合性の確認

1. 原料サイズを選択して報告します。
2. 直径15cm未満の木質素材を選択してください。すべての材料が枝分かれしているか、形状が不均一であることを確認して、しっかりと詰まって窯内の空気の流れを妨げないようにします。
3. D-MRVアプリケーションで、[Feedstock]セクションの[Take a Photo]ボタンをクリックしてカメラを開きます。カメラを開いた状態で被写体(物差しで乾燥した原料の山)に狙いを定め、画面のシャッターボタンを押して画像を撮影します。
4. 原料種の報告:D-MRVアプリケーションを開き、各種の種類ごとの量を報告する簡単なデジタルアンケートに回答します。レポートは視覚的な推定に基づいています。
5. 原料の水分を測定して報告します。
   1. 標準の薪水分計を使用して、各タイプの原料の最大の部分の中央にピンを挿入して読み取ります。
   2. D-MRVアプリケーションで、各水分計の読み取り値の写真を撮ります。水分計セクションの[ 写真を撮る ]ボタンをクリックし、水分計に表示されている値をテキストフィールドに入力します。水分計の測定値ごとに1つの写真とテキストのエントリを提出してください。

2.窯の組み立て、積み込み、照明

1. 平らな地面で、直径約3mの円から可燃性有機物を取り除きます。コネクタブラケットを使用して、6つの内窯パネルをシリンダーに組み立てます。
2. シャベルなどを使って、シリンダーの下端をミネラルの土や粘土の小さな犬走りで密封し、底から空気が窯に入らないようにします。
3. 6枚の熱シールドパネルをコネクタブラケットに取り付け、熱シールドの下部にエアギャップを残して、内筒と外筒の間の環状の隙間を空気が流れるようにします。熱シールドハードウェアを使用して、窯のIDタグを熱シールドに取り付けます。
4. バッチで使用される窯を特定します。 [燃焼の準備 ]セクションで、[ 写真を撮る ]ボタンをクリックして、組み立てられた窯とIDタグの写真を撮影し、現場の窯ごとに提出します。
5. 窯に負荷をかける:窯の初期積み込みには、より小さい(厚さ2〜6 cmが理想的)乾燥した材料を使用します。材料を窯の縁まで詰め、ポールなどの枝分かれしない材料を配置して、きつく詰めすぎて空気の流れを制限しないようにします。
   注意: 目標は、材料が炎を維持するのに十分なほどしっかりと梱包されていることを確認することですが、燃焼用空気がパイルの底に到達できるようにします。
6. 窯に火をつける: ロードされた窯の上に小さく乾いた焚き付け材料を追加します。必要に応じて促進剤を使用し、マッチで火をつけるか、プロパントーチを使用します。窯の上部のいくつかの場所で火をつけて、窯全体に炎のキャップがすばやく発生するようにします。
7. D-MRVアプリを使用して、フレームキャップが確立されたらすぐに30秒のビデオクリップを撮影します。[ Burn Start ]セクションで、[ Take Video ]ボタンをクリックしてから、[ Submit Video ]ボタンをクリックします。

3.窯への給餌と手入れ

1. 運転の最初の段階では、空気は窯の上から下に向かって引き込まれますが、初期負荷はほとんどが石炭の層に燃え尽きます。材料を追加する前に、最初の負荷で石炭の良好な層が生成されることを確認してください。前の層に白い灰の膜が現れ始めたら、新しい原料の層を追加します。
2. 連続ローディングへの移行:新しい材料を一定の速度でキルンにロードします。焦げ目が均一になるように、木材の各層を同じ直径に保つようにしてください。
   1. 炎を負荷率の指標として使用する:炎を新しい材料を追加するためのガイドにしましょう。それが炭を作るための熱源であるため、上部に良好な強い炎が維持されていることを確認してください。
   2. オペレーターの負荷が速すぎると、炎が窒息します。その場合は、一時停止して炎が戻ってくるのを待ちます。オペレーターが十分な材料を積まないと、炎が消え、チャーが燃え始めて灰になります。それが起こり始めたら、炎を燃やし続けるためにさらに材料を追加します。
3. メタンガスの排出を最小限に抑え、安定したチャー形成を最大化するクリーンで高温の燃焼の指標として、燃焼中の炎の存在を確認します。
   1. D-MRVアプリケーションを使用して、窯に火をつけてから約1時間後に炎の30秒のビデオを撮影します。[ Burn Quality Proof ]セクションに移動し、[ Proof of Burn at First Hour ]ボタンをクリックします。
   2. [ ビデオの撮影 ]ボタンをクリックし、[ 録画 ]を30秒以上押して、[ ビデオの送信 ]ボタンをクリックします。
4. 燃焼の中間段階で最大の材料を追加して、完全に焦げる時間を確保します。窯は、原料の種類、サイズ、水分に応じて、さまざまな速度でバイオ炭で満たされます。
5. D-MRVアプリケーションを使用して、燃焼の2時間目の終わりに炎の30秒のビデオを撮影します。[ Proof of Burn at Second Hour](2時間目に燃えている証拠 )ボタンをクリックし、 次に[Take Video](ビデオ撮影 )ボタンをクリックします。 [録画 ] を 30 秒以上押して、[ ビデオの送信 ] ボタンをクリックします。
6. D-MRVアプリケーションを使用して、燃焼の3時間目の終わりに炎の30秒のビデオを撮影します。[ Proof of Burn at Third Hour](3時間目での燃焼証明 )ボタンをクリックし、 次に[Take Video](ビデオ撮影 )ボタンをクリックします。 [録画 ] を 30 秒以上押して、[ ビデオの送信 ] ボタンをクリックします。
7. 窯が赤く熱く光る石炭でいっぱいになったら、中型の材料の最後の数層を作り、大きな部分が焦げ終わるようにします。

4.バイオ炭の仕上げ、急冷、測定

1. 蓄積されたバイオ炭が窯の上縁から10〜20 cm以内にあるとき、原料がすべて使用されたとき、または作業日が終了したときに燃焼を終了します。
2. 炎がなくなったら焦げ目がつきます。最後の原料を追加した後、炎が消えるまで10〜15分待ちます。完全に焦げない大きな部分が常にいくつかありますが、これは問題ではありません。
3. 焼入れする前に、スチールレーキを使用して、窯の中の熱くて輝く石炭を平らにします。
   1. 物差しを窯の壁に垂直に置き、一方の端がレベルチャーに触れるようにします。D-MRVアプリケーションで、バイオ 炭の測定 セクションに移動し、[ 写真を撮る ]ボタンをクリックして、窯の中のチャーの深さを示す測定棒の写真を撮ります。
   2. 質問「バイオ炭の上部から窯の上部までの読み取り値は何ですか」のテキスト入力フィールドに、物差しの値を入力します。
   3. この測定と写真記録を窯内の異なる場所でさらに2回繰り返すには、[ 送信して別の写真を追加 ]ボタンをクリックします。
4. チャーの深さの測定値を報告した直後に、検証のために窯の識別タグの写真を撮ります。
5. チャーのかさ密度を測定します。
   1. バイオ炭バッチが完成したら、急冷する前に、窯からシャベルで掘り出した熱く光る石炭を金属製のバケツに入れます。バケツの重さを量り、吊り下げ式スケールを使用して風袋重量を取得します。体重を記録するために写真を撮ります。
   2. バケツに熱い石炭を入れて重さを量り、写真を撮って重さを記録します。
   3. サンプリング手順(4.5.1-4.5.2)をさらに2回繰り返し、窯のさまざまな部分からサンプルを採取し、値を写真で記録します。
6. 水で急冷します。
   1. 熱シールドが触れるほど冷えるまで、低圧で窯に水を噴霧し始めます。すべての熱シールドパネルを取り外し、邪魔にならないように積み重ねます。
   2. 水を吹きかけながら、いくつかの窯のパネルを取り外し、焦げ目をかき集めて薄くして冷まします。焦げ目が完全に冷えるまでスプレーとすくい取りを続けます。バイオ炭は、手を入れるのに十分冷たくなければなりません。
7. 未燃焼の部分を削除して記録します。部分的に焦げた部分を取り除き、窯のパネルの1つに単層で並べ、物差しを横に置きます。D-MRVアプリケーションを使用して、不完全に焦げた部分の写真を撮ります。

結果

リング・オブ・ファイア・キルンを使用して適切に組織化され、実施されたバイオ炭バッチは、4〜5時間の燃焼時間で2〜3 m³ のバイオ炭を生成します。CM002コンポーネント方法論を使用し、D-MRVアプリケーションで燃焼パラメータを記録することは、認定された検証者がバッチバイオ炭の生産量とバイオ炭の品質を確認できるようにすることを目的としています。方法論の詳細については、補足情報(補足ファイル1)を参照してください。

リング・オブ・ファイア窯で製造されたバイオ炭の典型的なバッチのプロセス検証ポイントをここにリストします(図2)。 表1 は、現場で測定された値、または検証によって決定された典型的な値を示しています。

1. 原料タイプを報告します。
2.原料サイズ:定規が設置された原料の山の写真。
3.原料水分:各原料種の最大の部分からの水分計の読み取り値を示す1枚の写真。
4.点火:窯の燃焼の開始と開始の記録時間を示す1つの30秒のビデオ。ビデオは、強力なフレームキャップが発達したことを示しています。
5.炎の存在に基づく生産温度の検証:3つの30秒のビデオは、燃焼中に強い炎の存在を示しています。
6.バイオ炭の体積:窯の中の物差しの3枚の写真で、3か所の窯内のレベルチャーの高さを示します。窯の頂上からイワナまでの測定距離を平均して1つの値にして計算します。
7. 見掛け密度:バケツの空の重量を示すスケールの1枚の映像。イワナとバケツの重さを示すスケールの3枚の写真。窯の3カ所からとれたイワナ。3 つの重み測定値は、計算のために 1 つの値に平均されます

図2:プロセス検証ポイントを示すインフォグラフィック。 リング・オブ・ファイア窯で製造されたバイオ炭の典型的なバッチのプロセス検証ポイント。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

				データポイント #1	データポイント #2	データポイント #3
原料種				パイン 50%	もみ 50%
水分計の読み取り値				19%	23%
空の窯シリンダーの容積				4.3メートル3
窯シリンダーの高さ				1メートル
窯のチャーレベルの高さ				60センチメートル	61センチメートル	59センチメートル
7リットルのバケツの風袋重量				0.6キロ
イワナ入りバケツの重量				1.8キロ	1.9キロ	2.0キロ
チャー炭素含有量のデータベース値				86.8%
炭素安定係数				0.74

表1:リング・オブ・ファイア・バイオ炭窯で生産されたバイオ炭の典型的なバッチの生産結果と処理パラメータを検証するために使用される代表値。

これらの管理ポイントを使用して、検証者は、バイオ炭が適切な原料を使用し、600°Cを超える温度で製造され、長期安定性に関するCM002コンポーネント方法論の要件を満たしていると判断します。これにより、100年の永続性に対する炭素安定係数0.74をバイオ炭バッチに適用できます。バイオ炭バッチの体積を決定するために、検証機は、キルンIDタグ(4.3 m³)によって検証された空のキルンの容量と、キルン内のチャーレベルの高さ(1 m-0.4 m = 0.6 m)を使用します。窯は60%満杯なので、チャーの体積は0.6×4.3m3=2.6m3となります。次に、検証機は、バケットの測定値に基づいてバイオ炭のかさ密度を計算します。各測定値から0.6kgのバケット重量を差し引くと、1.2kg、1.3kg、1.4kgの値が得られ、平均して1.3kg/7Lになります。これは185.7kg/^m3に相当します。したがって、製造されるバイオ炭の乾燥重量は、(185.7 kg / m³)x(2.6 m³)= 483 kgです。

検証者は、データベースから、またはこの場合は、2021年にカリフォルニア州ソノマ郡のリングオブファイアキルンで生産された混合針葉樹のバッチから86.8%の炭素含有量を確認した簡単なラボテストから、バイオ炭の炭素含有量を取得できます。このテストは、カリフォルニア州ワトソンビルのコントロールラボラトリーズ²³によって実施されました。炭素安定係数0.74が適用されます。したがって、バイオ炭の乾燥重量ベースの安定有機炭素含有量は、バイオ炭の質量、その有機炭素含有量、および(483)x(0.868)x(0.74)=310.2kgの安定炭素の最終値の100年安定係数から導き出されます。炭素除去の最終値に到達するために、プロジェクトの漏れが差し引かれ、 補足ファイル1に記載されているように、固体炭素から二酸化炭素への変換係数とともに適切なセキュリティマージンが適用されます。バイオ炭の認定されたバイオ炭除去値は、バイオ炭が土壌または堆肥に適用され、燃焼またはその他の方法で酸化されていないことを最終検証する必要があります。

補足ファイル1:方法論と計算に関する詳細情報。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

バイオマス種が異なれば、バイオマスの元素組成により、生産温度に関係なく、炭素と灰分の異なるバイオ炭が生成されます²⁴。さまざまな原料のバイオ炭特性の既存のデータベースは完全ではないため、プロジェクトは、バイオ炭の有機炭素含有量を検証するために、ラボ分析用のサンプルを提出する必要がある場合があります。プロジェクトのコストを抑えるために、高校またはコミュニティカレッジレベル²⁵の学校の研究室の学生が低コストで実行できる簡単なラボ手順をお勧めします。時間が経つにつれて、より多くのプロジェクトが現場で実施されるにつれて、さまざまな原料タイプのバイオ炭炭素含有量値のデータベースが成長し、より有用になります。

D-MRV測定の多くは、データベース値とほぼ一致する特性を持つバイオ炭を生産するのに生産条件が最適であることを確認することを目的としています。これらの重要な測定値は、原料の水分と、生産温度とバイオ炭中の炭素の安定性を決定する燃焼の品質を記録したビデオシリーズです。

窯で生産されるバイオ炭の量を測定するのは簡単ですが、生成されるバイオ炭の乾燥質量を決定するのは簡単ではありません。バイオ炭を扱うことは、材料の複雑な粒子密度がかさ密度の測定を決定するのを困難にするため、困難です²⁶。バイオ炭が急冷されると、現場で一定量のバイオ炭の乾燥重量を得ることはできません。ただし、バイオ炭の乾燥かさ密度は、既知の体積の金属製バケツに高温の石炭を充填して計量することにより、現場で測定できます。この手順により、バイオ炭の乾燥質量の適切な近似値が得られます。

この手法の主な欠点は、原料のばらつきやオペレーターのスキルレベルなど、現場作業に固有のばらつきがあることです。オペレーターは、原料の負荷率を決定し、窯内の強い炎を維持するように作業する必要があります。過負荷によって炎を維持できないと、チャー形成の温度、ひいてはチャーの安定性に影響を与えます。これは、オペレーター向けの効果的なトレーニングプログラムによって最もよく対処されます。作業員のトレーニングと安全プロトコルは、現場でのバイオ炭生産の成功に不可欠です。労働要件を考えると、トレーニングプログラムはよく組織され、広く利用できるようにする必要があります²⁷。

この方法論のもう一つの限界は、D-MRV測定の実施におけるばらつきです。原料の水分は、すべての原料が均一であっても、特定のバッチ内で大きく変動する可能性があります。プロセス中に炎のスナップショットビデオを3回撮影して、適切な温度に達していることを確認する方法は、燃焼の動的な性質によって制限されます。3 つのスナップショット ビデオは、プロセス全体を表していない場合があります。この測定に対する実行可能なクロスチェックは、最適でない温度条件では生産量が少なくなるため、燃焼にかかった時間と生成されたバイオ炭の量を知ることです。かさ密度と体積のフィールドD-MRV測定は、その精度に制限があります。ただし、これは、セキュリティマージンを使用して、最終値が保守的であり、炭素除去量を過大評価しないようにすることで補われます。

オペレーショナルロジスティクスは、バイオ炭生産パラメータの変動性とプロジェクトの成功にも貢献します。オペレーショナルロジスティクスでは、天候、地形、アクセス、作業員の安全性、トレーニング、ツールと機器、水の利用可能性などの要因を考慮する必要があります。バイオ炭を作るために必要な道具や備品のほとんどは、消防士や林業従事者に提供される標準的な機器です。リング・オブ・ファイア・バイオ炭窯でD-MRVを実装するために必要な特定のツールは、 材料表 ファイルに記載されています。

廃棄物バイオマスから現場でバイオ炭を製造するには、非常に低コストという利点がある野焼きまたは焼却の代替手段と競合する必要があります。バイオ炭と野焼きの限界費用は、単純なフレームキャップキルンの資本コストが低いため、主に人件費の増加に関係しています²⁷。これまでのところ、焼却よりもバイオ炭生産の実際の限界費用を特定するための堅牢なデータ収集を備えた十分な大規模プロジェクトはありません。しかし、ある例は、カーボンファイナンスがギャップを埋める可能性を示しています。

モンタナ州ミズーラのWatershed Consultingは、2021年にモンタナ州西部の針葉樹混交林21エーカーから間伐されたスラッシュをリング・オブ・ファイア・バイオ炭窯²⁸で処理しました。総事業費は42,302.00ドルで、バイオ炭の総収量は112.5立方ヤードでした。フレームキャップキルンで作られたバイオ炭の特性に関する独自の標準的な仮定を使用して、このプロジェクトは31.75メートルトンの_CO2 を1トンあたり1,332.35ドルで隔離したと推定しています。材料を積み上げて焼却するコストは15,750.00ドルであり、焼却の代わりにバイオ炭を作るための限界費用は26,552.00ドル、つまり生産されたバイオ炭のトンあたり836.28ドルになります。その限界費用は、_CO21トンあたり100ドルから200ドルの炭素除去支払いによって少なくとも部分的に補うことができ、D-MRVプロセスの重要性が実証されています。プロジェクトの経済的全体像を完成させるためには、資金調達当局が、焼失の痕跡による土壌損傷の回避、温室効果ガス排出量の削減、粒子状大気汚染の回避、および水分保持、栄養循環、土壌の健康のためにイワナを森林土壌に戻すことの生態系上の利点を認識することが重要です。

この論文で説明されている詳細な方法は、外来侵入種、干ばつ、山火事の影響を受ける生態系で働く個人やグループが、温室効果ガスの排出を回避し、気候緩和のために炭素を隔離しながら、土壌と在来の生態系を改善および回復できる経済的に実現可能なバイオマスからバイオ炭へのプロジェクトを実施するのに役立ちます。この実用的なフィールド方法論では、測定と検証ポイントにばらつきがあり、精度が不足しているにもかかわらず、バイオマスを工業用熱分解施設に輸送するなど、他のアプローチが実用的でないフィールド状況で炭素を隔離するための貴重なアプローチであると結論付けています。

資料

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