Biouhel - Biochar

Ruka držící kousek biouhlu s kýblem na pozadí
Biouhel vyrobený ze zbytkového dřeva v Namibii
Malé pelety z biouhlu
Menší pelety z biouhlu
Velká hromada biouhlu
Biouhel po výrobě, na velké hromadě

Biouhel je dřevěné uhlí , které se vyrábí pyrolýzou z biomasy v nepřítomnosti kyslíku ; používá se jako doplněk půdy . Biochar je definován Mezinárodní iniciativou pro biochar jako „pevný materiál získaný termochemickou přeměnou biomasy v prostředí omezeném kyslíkem“. Biouhel je stabilní pevná látka bohatá na uhlík, která vydrží v půdě tisíce let.

Biouhel je zkoumán jako prostředek k sekvestraci uhlíku a může být prostředkem ke zmírnění změny klimatu . Vyplývá to z procesů souvisejících s pyrogenním zachycováním a ukládáním uhlíku (PyCCS). Biouhel může zvyšovat úrodnost půdy v kyselých půdách , zvýšit produktivitu zemědělství, a poskytují ochranu proti některým listové a nemocí půdních.

Dějiny

Slovo „biochar“ je anglický neologismus z konce 20. století odvozený z řeckého slova βίος , bios , „ life “ a „ char “ ( dřevěné uhlí vyráběné karbonizací biomasy). Je uznáváno jako dřevěné uhlí, které se účastní biologických procesů nacházejících se v půdě, vodních stanovištích a v zažívacích systémech zvířat.

Předkolumbovští amazonci vyráběli biouhel doutnáním zemědělského odpadu (tj. Zakrytím hořící biomasy půdou) v jámách nebo zákopech. Není známo, zda záměrně používali biouhel ke zvýšení produktivity půdy. Evropští osadníci tomu říkali terra preta de Indio . Po pozorováních a experimentech výzkumný tým pracující ve Francouzské Guyaně vyslovil hypotézu, že amazonská žížala Pontoscolex corethrurus byla hlavním činitelem jemného práškování a zapravování dřevěných uhlíků do minerální půdy.

Výroba

Biochar je jemnozrnný zbytek s vysokým obsahem uhlíku, který se vyrábí pyrolýzou ; je to přímý tepelný rozklad biomasy v nepřítomnosti kyslíku (bránící spalování ), který produkuje směs pevných látek (vlastní biochar), kapalných ( bioolej ) a plynných ( syntézních ) produktů. Specifický výtěžek z pyrolýzy závisí na procesních podmínkách, jako je teplota , doba zdržení a rychlost zahřívání. Tyto parametry lze vyladit tak, aby produkovaly buď energii, nebo biouhel. Teploty 400–500 ° C (673–773 K) produkují více zuhelnatělých látek , zatímco teploty nad 700 ° C (973 K) podporují výtěžnost složek kapalných a plynných paliv. Pyrolýza probíhá rychleji při vyšších teplotách, obvykle vyžaduje sekundy než hodiny. Rostoucí rychlost zahřívání vede ke snížení výtěžku biouhlu, zatímco teplota je v rozmezí 350–600 ° C (623–873 K). Typické výtěžky jsou 60% bio-oleje , 20% biouhlu a 20% syntézního plynu. Pro srovnání, pomalá pyrolýza může produkovat podstatně více char (≈35%); to přispívá k úrodnosti půdy. Po inicializaci oba procesy produkují čistou energii. U typických vstupů je energie potřebná k provozu „rychlého“ pyrolyzátoru přibližně 15% energie, kterou vydává. Pyrolýzní závody mohou využívat výkon syntézního plynu a vydávat 3–9krát více energie potřebné k provozu.

Kromě pyrolýzy mohou procesy torefikace a hydrotermální karbonizace také tepelně rozložit biomasu na pevný materiál. Tyto produkty však nelze striktně definovat jako biouhel. Uhlíkový produkt z procesu torefikace obsahuje některé těkavé organické složky , takže jeho vlastnosti jsou mezi vlastnostmi suroviny z biomasy a biouhlem. Navíc i hydrotermální karbonizace může produkovat pevný produkt bohatý na uhlík, hydrotermální karbonizace se evidentně liší od konvenčního procesu tepelné přeměny. Proto je pevný produkt z hydrotermální karbonizace definován spíše jako „hydrochar“ než „biochar“.

Metoda amazonské jámy/příkopu nesbírá ani bio-olej ani syngas a uvolňuje CO
2, černý uhlík a další skleníkové plyny (a potenciálně toxiny ) do ovzduší, i když méně skleníkových plynů, než kolik je zachyceno během růstu biomasy. Systémy v komerčním měřítku zpracovávají zemědělský odpad, papírové vedlejší produkty a dokonce i komunální odpad a obvykle tyto vedlejší účinky eliminují zachycováním a používáním kapalných a plynných produktů. Produkce biouhlu jako výstupu není ve většině případů prioritou.

Centralizované, decentralizované a mobilní systémy

V centralizovaném systému je nevyužitá biomasa přivedena do centrální elektrárny (tj. Tepelné elektrárny na biomasu ) ke zpracování na biouhel. Alternativně může každý zemědělec nebo skupina zemědělců provozovat pec . Nakonec se nákladní vůz vybavený pyrolyzérem může přesouvat z místa na místo a pyrolyzovat biomasu. Energie vozidla pochází z proudu syngasu , zatímco biouhel zůstává na farmě. Biopaliva je zaslána na místě rafinériích nebo při skladování. Faktory, které ovlivňují výběr typu systému, zahrnují náklady na přepravu kapalných a pevných vedlejších produktů, množství zpracovávaného materiálu a schopnost dodávat elektrickou síť.

Mezi běžné plodiny používané k výrobě biouhlu patří různé druhy stromů a různé energetické plodiny . Některé z těchto energetických plodin (tj. Napierova tráva ) dokážou na kratší časové období uložit mnohem více uhlíku než stromy.

U plodin, které nejsou výlučně pro produkci biouhlu , měří poměr zbytku k produktu (RPR) a sběrný faktor (CF), procento zbytku nepoužitého na jiné věci, přibližné množství suroviny, které lze získat. Brazílie například sklízí přibližně 460 milionů tun (MT) cukrové třtiny ročně s RPR 0,30 a CF 0,70 pro vrcholy cukrové třtiny, které se normálně spalují na poli. To znamená přibližně 100 MT zbytků ročně, které by mohly být pyrolyzovány za vzniku energetických a půdních přísad. Přidáním bagasy (odpad z cukrové třtiny) (RPR = 0,29 CF = 1,0), která se jinak spaluje (neúčinně) v kotlích, se zvýší celkový objem na 230 MT pyrolýzní suroviny. Některé rostlinné zbytky však musí zůstat na půdě, aby se předešlo zvýšeným nákladům a emisím z dusíkatých hnojiv.

Různé společnosti v Severní Americe , Austrálii a Anglii prodávají jednotky na výrobu biouhlu nebo biouhlu. Ve Švédsku je „Stockholmské řešení“ systém městské výsadby stromů, který využívá 30% biouhlu k podpoře růstu městských lesů. Katarský Aspire Park využívá biouhel, aby pomohl stromům zvládnout intenzivní letní vedra.

Na mezinárodní konferenci o biocharu 2009 byla představena mobilní pyrolýzní jednotka se stanoveným příjmem 1 000 liber (450 kg) pro zemědělské aplikace.

Termo-katalytická depolymerace

Alternativně byla „termokatalytická depolymerizace“, která využívá mikrovlnné trouby , v poslední době použita k účinné přeměně organické hmoty na biouhel v průmyslovém měřítku za vzniku ≈50% uhlí.

Vlastnosti

Zásadní význam mají fyzikální a chemické vlastnosti biouhel, jak je určují suroviny a technologie. Charakterizační data vysvětlují jejich výkon při konkrétním použití. Například pokyny publikované Mezinárodní biocharovou iniciativou poskytují standardizované metody hodnocení. Vlastnosti lze kategorizovat z několika hledisek, včetně blízkého a elementárního složení, hodnoty pH a porozity. Atomové poměry biouhlu, včetně H/C a O/C, korelují s vlastnostmi, které jsou relevantní pro organický obsah, jako je polarita a aromatičnost . Van Krevelen-diagram může ukázat vývoj Biouhel atomových poměrů ve výrobním procesu. V procesu karbonizace se poměr H/C i O/C snižuje v důsledku uvolňování funkčních skupin, které obsahují vodík a kyslík.

Aplikace

Uhlíkový dřez

Viz také: Klimatické inženýrství

Spalování biomasy a přirozený rozklad uvolňuje do zemské atmosféry velké množství oxidu uhličitého a metanu . Proces výroby biouhlu také uvolňuje CO2 (až 50% biomasy), zbývající obsah uhlíku se však stává neomezeně stabilní. Biouhelný uhlík zůstává v zemi po staletí a zpomaluje růst hladin skleníkových plynů v atmosféře . Jeho přítomnost na Zemi může současně zlepšit kvalitu vody , zvýšit úrodnost půdy , zvýšit produktivitu zemědělství a snížit tlak na pralesy .

Biouhel může zadržovat uhlík v půdě po stovky až tisíce let, jako uhlí . Tuto techniku ​​obhajují vědci včetně Jamese Hansena a Jamese Lovelocka .

Výzkumníci odhadli, že udržitelné využívání biouhlu by mohlo snížit globální čisté emise oxidu uhličitého ( CO
2), metanu a oxidu dusného až o 1,8 Pg CO
2-C ekvivalent ( CO
2-C e ) za rok (12% současného antropogenního CO
2-C e emise), a celkové čisté emise v průběhu příštího století 130 Pg CO
2C e , aniž by byla ohrožena bezpečnost potravin , přírodní stanoviště nebo ochrany půdy .

Cena, kvůli které by se bioenergetickým firmám vyplatilo vyrábět biouhel pro sekvestraci uhlíku, byla odhadnuta na 37 dolarů za tunu. Uhlíkové kredity ze sekvestrace biouhlu by mohly bioenergetickým firmám umožnit splnit potenciální požadavky na sekvestraci bez narušení výrobních procesů.

Úprava půdy

Biouhel v bílé plachtě
Biouhel v přípravě jako doplněk půdy

Biochar nabízí mnoho výhod pro zdraví půdy . Jeho porézní povaha je účinná při zadržování vody a ve vodě rozpustných živin. Půdní biologka Elaine Ingham vyzdvihla jeho vhodnost jako stanoviště pro prospěšné půdní mikroorganismy . Poukázala na to, že když je biouhel předem nabitý těmito prospěšnými organismy, podporuje dobré zdraví půdy a rostlin.

Biochar snižuje vyplavování E-coli přes písčité půdy v závislosti na aplikačním množství, surovině, teplotě pyrolýzy, obsahu půdní vlhkosti , textuře půdy a povrchových vlastnostech bakterií.

U rostlin, které vyžadují vysoký potaš a zvýšené pH , může biouhel zlepšit výnos.

Biouhel může zlepšit kvalitu vody, snížit emise skleníkových plynů z půdy , omezit vyplavování živin , snížit kyselost půdy a snížit požadavky na zavlažování a hnojení . Za určitých okolností biouhel indukuje systémové reakce rostlin na listová houbová onemocnění a zlepšuje reakce rostlin na choroby způsobené půdními patogeny.

Dopady Biochar jsou závislé na jeho vlastnostech, stejně jako na aplikovaném množství, přestože znalosti o důležitých mechanismech a vlastnostech jsou omezené. Dopad na biochar může záviset na regionálních podmínkách, včetně typu půdy, stavu půdy (vyčerpané nebo zdravé), teploty a vlhkosti. Skromné ​​přídavky biouhlu snižují oxid dusný ( N.
2O ) emise až o 80% a odstranění emisí metanu , které jsou oba silnějšími skleníkovými plyny než CO
2.

Studie uvádějí pozitivní účinky biouhlu na rostlinnou produkci v degradovaných a na živiny chudých půdách. Aplikace kompostu a biouhlu v rámci 7. rámcového programu FERTIPLUS měla pozitivní účinky na vlhkost půdy, produktivitu plodin a kvalitu v několika zemích. Biouhel lze se specifickými vlastnostmi přizpůsobit tak, aby cílil na odlišné vlastnosti půdy. V kolumbijské savanové půdě biochar omezil vyplavování kritických živin, vytvořil vyšší příjem živin a zajistil větší dostupnost živin. Při 10%hladinách biochar snížil hladiny kontaminantů v rostlinách až o 80%, zatímco snížil obsah chlordanu a DDX v rostlinách o 68, respektive 79%. Vzhledem ke své vysoké adsorpční kapacitě však může biouhel snižovat účinnost pesticidů. Obzvláště problematické mohou být biouhly s velkým povrchem.

Biouhel lze zorat do půdy na polích plodin, aby se zvýšila jejich plodnost a stabilita, a pro střednědobé až dlouhodobé sekvestrace uhlíku v těchto půdách. Znamenalo to pozoruhodné zlepšení tropických půd, které mělo pozitivní účinky na zvýšení úrodnosti půdy a zlepšení odolnosti vůči chorobám v západoevropských půdách.

Jedna studie uvádí, že biouhel pomáhá vytvářet půdní uhlík v průměru o 3,8%.

Aplikační dávky 2,5–20 tun na hektar (1,0–8,1 t/akr) se zdají být nutné k výraznému zlepšení výnosů rostlin. Náklady na biouhel v rozvinutých zemích se pohybují od 300 do 7 000 USD za tunu, což je pro zemědělce/zahradníka obecně nepraktické a pro polní plodiny s nízkým vstupem nepřiměřené. V rozvojových zemích se omezení zemědělského biouhlu týkají spíše dostupnosti biomasy a doby výroby. Kompromisem je použití malého množství biouhlu v levnějších komplexech biouhel-hnojivo.

Slash-and-char

Přechod z techniky slash-and-burn na lomítko a char v Brazílii může snížit odlesňování amazonské pánve a emise oxidu uhličitého a také zvýšit výnosy plodin. Slash-and-burn zanechá v půdě pouze 3% uhlíku z organického materiálu. Slash-and-char si může ponechat až 50%. Biochar snižuje potřebu dusíkatých hnojiv, čímž snižuje náklady a emise z výroby a přepravy hnojiv. Navíc zlepšením schopnosti půdy obdělávat půdu, její úrodnosti a produktivity mohou půdy obohacené biouhelem donekonečna udržovat zemědělskou produkci, zatímco lomové/vypalovací půdy se rychle vyčerpávají živinami, což nutí zemědělce opustit pole a vytvářet nepřetržitý cyklus lomení a spalování . Využívání pyrolýzy k výrobě bioenergie nevyžaduje změny infrastruktury, jako je tomu u zpracování biomasy na celulózový ethanol . Kromě toho může být biouhel aplikován široce používaným strojním zařízením.

Zadržování vody

Biouhel je díky své porézní struktuře a vysokému specifickému povrchu hygroskopický . Výsledkem je, že hnojiva a další živiny jsou uchovávány ve prospěch rostlin.

Výroba energie: bioolej a syngas

Hlavní článek: Biopalivo

Spolu s biouhelem vyrábí pyrolýza obnovitelnou energii ve formě biooleju a syngasu . Bio-olej obsahuje organické kyseliny, které jsou korozivní pro ocelové nádoby, má vysoký obsah vodní páry, která je škodlivá pro vznícení, a pokud není pečlivě vyčištěn, obsahuje částice biouhlu, které mohou blokovat vstřikovače. V současné době je méně vhodný pro použití jako druh bionafty než jiné zdroje.

Biouhel používaný k výrobě energie spíše než jako půdní doplněk může být přímo nahrazen uhlím. Pyrolýza může být nákladově nejefektivnějším způsobem výroby elektřiny z biomateriálu.

Pyrolýza generovaných biomasy pocházející z lesů nebo zemědělství nekonkuruje rostlinné výrobě.

Produkce biomasy za účelem získání biopaliv a biouhlu pro sekvestraci uhlíku v půdě je procesem negativním na uhlík, tj. Více CO
2 je odstraněn z atmosféry, než je uvolněn, což umožňuje dlouhodobé sekvestrace.

Skladové krmivo

Západní australský farmář prozkoumal používání biouhlu smíchaný s melasou jako akciové krmiva . Tvrdil, že u přežvýkavců může biouhel napomáhat trávení a snižovat produkci metanu . Zemědělec také používal brouky k opracování výsledného trusu naplněného biocharem do půdy bez použití strojů. Dusík a uhlík v hnoji jsou oba začleněny do půdy, místo aby zůstávaly na povrchu půdy, což snižuje produkci oxidu dusného a oxidu uhličitého . Dusík a uhlík přispívají k úrodnosti půdy. Důkazy na farmě naznačují, že krmivo vedlo ke zlepšení přírůstku živé hmotnosti u skotu Angus-cross .

Doug Pow získal za tuto inovaci ocenění Australian Government Innovation in Agriculture Land Management Award v roce 2019 Western Australian Landcare Awards. Powova práce vedla ke dvěma dalším pokusům na mléčném skotu, které přinesly snížený zápach a zvýšenou produkci mléka.

Výzkum

Ruka držící kousek biouhlu s kýblem na pozadí
Biouhel aplikovaný na půdu ve výzkumných pokusech v Namibii

Po celém světě probíhá výzkum aspektů zahrnujících pyrolýzu/biouhel. Od roku 2005 do roku 2012 obsahovalo 1 038 článků slovo „biochar“ nebo „biochar“ v tématu indexovaném na ISI Web of Science . Výzkum probíhá na Cornell University , University of Edinburgh (která má specializovanou výzkumnou jednotku), University of Georgia , Izraelská organizace pro zemědělský výzkum (ARO), Volcani Center a University of Delaware .

Dlouhodobé účinky biouhlu na sekvestraci C byly zkoumány pomocí půdy z polí na orné půdě v Belgii s černými skvrnami obohacenými dřevěným uhlím pocházejícími z doby před rokem 1870 z mohylových pecí produkujících dřevěné uhlí. Ornice z těchto „černých skvrn“ měla vyšší koncentraci organického C [3,6 ± 0,9% organického uhlíku (OC)] než sousední půdy mimo tyto černé skvrny (2,1 ± 0,2% OC). Půdy byly obdělávány kukuřicí po dobu nejméně 12 let, což poskytovalo nepřetržitý přísun C s izotopovým podpisem C (δ13C) −13,1, odlišným od δ13C půdního organického uhlíku (−27,4 ‰) a dřevěného uhlí (−25,7 ‰) shromážděné v okolí. Podpisy izotopů v půdě odhalily, že koncentrace C odvozená z kukuřice byla významně vyšší u vzorků upravených dřevěným uhlím („černé skvrny“) než u sousedních neošetřených (0,44% vs. 0,31%; p = 0,02). Ornice byly následně shromážděny jako gradient na dvou „černých skvrnách“ spolu s odpovídajícími sousedními půdami mimo tyto černé skvrny a dýchání půdy a byla provedena fyzická frakcionace půdy. Celkové dýchání půdy (130 dní) nebylo ovlivněno dřevěným uhlím, ale dýchání C odvozené z kukuřice na jednotku OC odvozeného z kukuřice v půdě významně kleslo asi o polovinu (p <0,02) se zvyšujícím se C v půdě odvozeným z uhlí. C získaný z kukuřice byl proporcionálně více přítomen v chráněných půdních agregátech za přítomnosti dřevěného uhlí. Nižší specifická mineralizace a zvýšená sekvestrace C nedávného C aktivním uhlím je přičítána kombinaci fyzické ochrany, saturace C mikrobiálních společenstev a potenciálně mírně vyšší roční primární produkci. Celkově tato studie dokazuje schopnost biouhlu zlepšit sekvestraci C snížením obratu C.

Biouhel sekvestruje uhlík (C) v půdách díky prodloužené době pobytu v rozmezí let až tisíciletí. Biouhel navíc může podporovat nepřímou sekvestraci C zvýšením výnosu plodin a potenciálně snížením C-mineralizace. Laboratorní studie prokázaly účinky biouhlu na C-mineralizaci pomocí13
C podpisy.

Fluorescenční analýza organických látek rozpuštěných v půdě rozpustených na biouhel odhalila, že aplikace biouhlu zvýšila fluorescenční složku podobnou humusu, pravděpodobně spojenou s biouhelným uhlíkem v roztoku. Kombinovaný přístup spektroskopie a mikroskopie odhalil akumulaci aromatického uhlíku v diskrétních skvrnách v pevné fázi mikroagregátů a jeho společnou lokalizaci s jílovými minerály pro půdu doplněnou surovým zbytkem nebo biouhelem. Kolokalizace aromatických-C: polysacharidů-C byla po aplikaci biouhlu důsledně redukována. Tato zjištění naznačila, že snížený metabolismus C je důležitým mechanismem pro stabilizaci C v půdách upravených biocharem.

Studenti Stevensova technologického institutu v New Jersey vyvíjejí superkondenzátory, které používají biocharové elektrody. Proces vyvinutý vědci University of Florida, který odstraňuje fosfáty z vody, také poskytuje metanový plyn použitelný jako palivo a uhlík naložený fosfáty vhodný k obohacení půdy. Vědci z University of Auckland pracují na využití biouhlu v betonových aplikacích ke snížení emisí uhlíku při výrobě betonu a zlepšení pevnosti. Biochar lze použít jako vhodné plnivo v polymerní matrici. Byly připraveny biokompozity s biocharovým škrobem a jejich nano-mechanické chování bylo zkoumáno pomocí mikroskopie dynamické atomové síly . Aglomerační chování biouhlu v polypropylenu bylo zkoumáno pomocí mikro-CT studií.

Pokračuje výzkum a praktická zkoumání potenciálu biouhlu pro hrubé půdy v polosuchých a degradovaných ekosystémech. V Namibii je biouhel zkoumán jako snaha o přizpůsobení se změně klimatu , která posiluje odolnost místních komunit vůči suchu a zajišťování potravin prostřednictvím místní produkce a aplikace biouhlu z hojné zasahující biomasy .

V posledních letech je biouhel přitahován také jako filtrační médium pro odpadní vody díky své adsorpční kapacitě pro znečišťující látky v odpadních vodách.

Viz také

Poznámky

Reference

  • Ameloot, N .; Graber, ER; Verheijen, F .; De Neve, S. (2013). „Účinek půdních organismů na stabilitu biouhlu v půdě: potřeby revize a výzkumu“. European Journal of Soil Science . 64 (4): 379–390. doi : 10.1111/ejss.12064 .
  • Aysu, Tevfik; Küçük, M. Maşuk (16. prosince 2013). „Pyrolýza biomasy v reaktoru s pevným ložem: Účinky parametrů pyrolýzy na výtěžky produktů a charakterizaci produktů“. Energie . 64 (1): 1002–1025. doi : 10,1016/j.energy.2013.11.053 . ISSN  0360-5442 .
  • Badger, Phillip C .; Fransham, Peter (2006). „Využití mobilních rychlých pyrolýzních zařízení k zahuštění biomasy a snížení nákladů na manipulaci s biomasou - předběžné posouzení“. Biomasa a bioenergie . 30 (4): 321–325. doi : 10,1016/j.biombioe.2005.07.011 .
  • Glaser, Bruno; Lehmann, Johannes; Zech, Wolfgang (2002). „Zlepšení fyzikálních a chemických vlastností vysoce zvětralých půd v tropech dřevěným uhlím - přehled“. Biologie a úrodnost půd . 35 (4): 219–230. doi : 10,1007/s00374-002-0466-4 . S2CID  15437140 .

externí odkazy