Biochar - множество преимуществ

1. Бюллетень возобновляемой энергии AgMRC Декабрь 2009 Дон Хофстранд Заслуженный профессор сельского...
2. Улучшить продуктивность почвы
3. Производить биоэнергетику
4. Секвестр углерода
5. Управление отходами
6. Рекомендации

Бюллетень возобновляемой энергии AgMRC
Декабрь 2009

Дон Хофстранд
Заслуженный профессор сельского хозяйства экономист
Университет штата Айова
[email protected]
Это первая из серии статей о биочаре. В следующих статьях мы более подробно остановимся на конкретных аспектах и ​​применениях биочара.
Пятьсот лет назад испанские исследователи, прокладывая себе путь в бассейне реки Амазонки в Южной Америке, столкнулись с интересным явлением. Как традиционно для почв тропических лесов, исследователи обнаружили почвы с низкой продуктивностью, которые были выщелочены из питательных веществ для растений и органических веществ. Однако периодически они находят небольшие участки черных высокопродуктивных почв. После дальнейшего расследования они обнаружили, что эти участки были созданы местными индейскими племенами с использованием частичного сжигания биомассы. По сути, они сделали эти почвы из биочара (древесного угля).
Рисунок 1. Сравнение традиционных почв тропических лесов (слева) с участком биочара (справа).

Источник: Международная инициатива Biochar http://www.biochar-international.org/biochar/soils
Спустя пятьсот лет ученые обнаружили, что эти участки почвы все еще существуют и являются столь же продуктивными (или более продуктивными), чем когда их сформировали индейцы. Это привело к целому ряду научных исследований о потенциале биоугля как почвенной добавки и повышения продуктивности в современном сельском хозяйстве.

Основные преимущества биочара

Древесный уголь или биоуголь при использовании в этом контексте получают путем пиролиза биомассы (пиро означает огонь, а лизис означает разложение). Биочар получают в результате термического разложения органического материала при ограниченном поступлении кислорода и при относительно низких температурах. Пиролиз является формой выпекания биомассы в отсутствие воздуха для удаления летучих газов, оставляя углерод позади. Таким образом, он производит биоэнергию в форме газа и нефти вместе с биочаром. Эта энергия может быть извлечена и использована в качестве возобновляемого топлива. Как показано на рисунке 2, биомасса в виде растительных остатков, биоэнергетических культур, навоза или органических отходов будет производить около 50 процентов биоуглерода, который возвращается в почву, и 50 процентов биоэнергии в виде синтез-газа и биомасла.
Рисунок 2. Медленный пиролиз производит биоуголь и биоэнергию.

Источник: Международная инициатива Biochar http://www.biochar-international.org/biochar/soils
Пиролиз биомассы в биочар и энергию создает четыре основных преимущества.

1. Улучшение продуктивности почвы для достижения более высоких урожаев.
2. Создание биоэнергии в качестве заменителя ископаемого топлива.
3. Секвестрация углерода в почве, что приведет к снижению содержания углекислого газа в атмосфере.
4. Управление отходами.

Улучшить продуктивность почвы

В качестве поправки к почве биочар помогает улучшить почвенный ресурс Земли, повышая продуктивность и урожайность, снижая кислотность почвы, уменьшая потребность в некоторых химических веществах и удобрениях и потенциально обеспечивая другие преимущества для почвы.
За последние несколько лет в тропиках были проведены полевые испытания с использованием биочара. Все показали положительные результаты по урожайности, когда biochar был применен к полевым почвам, и питательные вещества были обработаны соответствующим образом. Министерство сельского хозяйства США начало полевые испытания на очень плодородных почвах штата Айова Моллизол. Первоначальные результаты положительные, но для подтверждения этих результатов требуется еще несколько лет испытаний.
Biochar обладает способностью улучшать плодородие почвы, что приводит к повышению урожайности. Применительно к почве в тонкоизмельченном виде обширная площадь поверхности биочара и сложная структура пор являются благоприятными для бактерий и грибков, которые необходимы растениям для поглощения питательных веществ из почвы. Таким образом, биочар обеспечивает безопасную среду обитания для полезной микробной активности, что важно для процветания растениеводства.
Было показано, что биочар уменьшает выбросы в почву закиси азота (как парниковый газ, он в 310 раз сильнее, чем углекислый газ) и улучшает поглощение метана (в 21 раз сильнее, чем углекислый газ). Выбросы оксида азота в почву составляют примерно половину выбросов парниковых газов от производства кукурузы (четверть выбросов от производства кукурузного этанола). Таким образом, сокращение выбросов закиси азота на 50 процентов и более значительно улучшит углеродный след производства кукурузы, наряду с производством кукурузы-этанола.
Было также показано, что Biochar снижает кислотность почвы. Почвы в значительной части мира страдают от кислотности (низкий уровень pH). Биочар удерживает питательные вещества в почве непосредственно через отрицательный заряд, который развивается на ее поверхности, и этот отрицательный заряд может сдерживать кислотность в почве. В настоящее время кислотность почвы корректируется путем внесения большого количества извести.
Благодаря способности биочара улучшать доступность питательных веществ для растений, улучшается удержание питательных веществ в почве. Это означает, что нужно вносить меньше удобрений, что снижает стоимость производства урожая. Кроме того, на обугленных почвах наблюдается уменьшение стока фосфора в поверхностные воды и вымывание азота в подземные воды. Таким образом, загрязнение, вызванное стоком удобрений в ручьи и реки, уменьшается, что помогает уменьшить размер «мертвой зоны» в Мексиканском заливе, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Мертвая зона в Мексиканском заливе

Biochar обладает потенциалом для повышения производительности сельского хозяйства в мире за счет улучшения деградированных почв. Например, в тропических регионах мира часто используется сельскохозяйственный метод, который называется «рубить и сжигать», когда тропические леса вырубаются и обрабатываются в течение нескольких лет, пока в почве не останется питательных веществ, а затем они заброшены, и тогда фермер переезжает на новое место, вырубает больше тропических лесов и повторяет цикл. Biochar имеет потенциал, чтобы изменить «косить и сжечь» в сельском хозяйстве. Вместо того, чтобы отказываться от тропических почв, истощенных по питательным веществам, продуктивность почвы можно улучшить с использованием биочара, и необходимость повторения цикла «руби и жги» заканчивается.

Производить биоэнергетику

Процесс производит биоэнергию, такую ​​как синтез-газ и био-масла. Эту биоэнергию можно «модернизировать» до транспортных топлив, таких как биодизель и заменители бензина, для замены ископаемого топлива.
Чтобы захватить энергию, содержащуюся в биомассе, связи, которые удерживают молекулы биомассы вместе, должны быть разорваны. Высвобождаемая химическая энергия представляет собой смесь молекул, называемых синтез-газом. Сингаз (из синтетического или синтез-газа) состоит в основном из окиси углерода и водорода, а иногда из двуокиси углерода и других второстепенных молекул. Он является горючим и имеет половину плотности энергии природного газа.
Сингаз может быть использован непосредственно в качестве источника энергии (например, газовых турбин) или в качестве промежуточного продукта при производстве синтетического природного газа, аммиака и других источников энергии. Сингаз может также использоваться в качестве посредника при производстве синтетического нефтяного или жидкого топлива (например, дизельного топлива). Кроме того, синтез-газ имеет потенциал для производства многих продуктов и химикатов, которые в настоящее время создаются из нефти.
Другой биоэнергетический продукт - био-масло. Био-масло можно использовать в качестве замены мазута или мазута. Он также может использоваться на биоперерабатывающем заводе, где добываются ценные химические вещества и соединения, а остальная часть перерабатывается в топливо или синтез-газ.

Секвестр углерода

Biochar обладает уникальной способностью улавливать углерод и тем самым уменьшать содержание углерода в атмосфере. Чтобы понять это, нам нужно изучить углеродный цикл Земли.
Земля содержит огромные хранилища углерода. Углерод выделяется в наших океанах, почвах и растительности, как показано на рисунке 4. Углерод непрерывно течет назад и вперед между этими хранилищами углерода и атмосферой. Например, когда растения растут, они поглощают атмосферный углекислый газ, используют углерод для создания структуры растения и выпускают кислород обратно в атмосферу. Когда растение умирает и распадается (или обрабатывается), углерод в растении выбрасывается в атмосферу, где он соединяется с кислородом и образует углекислый газ в атмосфере.
Однако часть углерода, выбрасываемого в атмосферу, образуется в результате сжигания ископаемого топлива (сырая нефть, уголь и природный газ), которое хранилось глубоко в земле в течение миллионов лет. Эти выбросы углерода, в отличие от естественных выбросов углерода, со временем постепенно накапливают углерод в атмосфере.
Рисунок 4

Задача смягчения последствий изменения климата заключается в том, чтобы остановить или снизить уровень углерода в атмосфере. Чтобы достичь этого, мы должны изучить нашу деятельность, чтобы определить, являются ли они углерод-позитивными, углерод-нейтральными или углерод-негативными.

1. Углеродный позитив (вызывает накопление атмосферного углерода)

• Выброс секвестрированного углерода в атмосферу. Например, использование ресурсов на основе углерода, таких как уголь, сырая нефть и природный газ, которые накапливались в земле миллионы лет, и выбрасывают углерод в атмосферу.

1. Нейтральный углерод (уровень атмосферного углерода не изменяется)

• Взятие углерода на растительной основе, который ранее был удален из атмосферы и использован для создания структуры растения в процессе фотосинтеза, и выброс этого углерода обратно в атмосферу. Например, углерод, выбрасываемый из завода по производству этанола из кукурузы, где атмосферный углерод использовался для производства зерна кукурузы, выбрасывается обратно в атмосферу (энергия ископаемого топлива, используемая для выращивания кукурузы и переработки ее в этанол, является углерод-положительной).

• Секвестрация углерода на основе ископаемого топлива обратно в землю. Например, улавливание углекислого газа из работающего на угле объекта и улавливание его глубоко в земле.

1. Отрицательный углерод (вызывает снижение содержания углерода в атмосфере)

• Извлечение углерода на растительной основе, происходящего из атмосферы в результате фотосинтеза, и его улавливание в почве. Например, биочар создается путем сжигания биомассы (образованной из атмосферного углерода) и секвестрации биочара (углерода) в сельскохозяйственных почвах.

Таким образом, биочар обладает уникальной способностью снижать уровень углерода в атмосфере.
Для эффективного улавливания углерода биочар обладает рядом преимуществ.

1. Стабильность - как показано на графиках тропических лесов в бассейне Амазонки, биоуголь, по-видимому, связывает углерод на сотни, если не тысячи лет. Он устойчив к разрушению микроорганизмами, что характерно для растительных остатков и других типов органических веществ в почве. Через несколько лет растительные остатки разрушаются, а гумус окисляется менее чем за 25 лет. Таким образом, биоуголь не подвержен «утечке», которая вызывает беспокойство по поводу углерода, связанного с нулевым сельскохозяйственным производством, а также улавливания и улавливания углерода выбросами углерода ископаемого топлива (например, угля).

Источник: Международная инициатива Biochar http://www.biochar-international.org/biochar/soils

1. Измеримый - Похоже, что будет легче измерить количество углерода, секвестрированного через биочар, чем многие другие формы поглощения углерода.

1. Стоимость. Секвестрация углерода с помощью биочара является относительно низкой стоимостью и требует мало энергии для секвестрации, особенно по сравнению с другими формами секвестрации. Например, для улавливания углерода на оборудовании, работающем на угле, требуется улавливание дымовой трубы углекислого газа, создавая давление в нем, потенциально транспортируя его на большие расстояния и выталкивая глубоко в землю.

1. Секвестрация кислорода. Секвестрация диоксида углерода напрямую означает, что кислород выделяется вместе с углеродом. Однако секвестрация углерода с помощью биочара означает, что секвестируется только углерод.

Управление отходами

Сельскохозяйственные отходы являются полезными ресурсами для производства пиролизной биоэнергии. Мало того, что энергия получена в процессе обугливания, но количество отходов значительно уменьшается. Аналогичные возможности существуют для городских и промышленных отходов.

Рекомендации

Тененбаум Д. 2009. Biochar: уменьшение выбросов углерода с нуля. Перспективы гигиены окружающей среды , 117 (2).
Биоуголь , Википедия, свободная энциклопедия.
Эберт Дж. Syngas 101 , Журнал Биомасса.
Леманн, Дж. 2007. Биоэнергия в Blac к. Экологическое общество Америки
Леманн Дж., Джозеф С. (ред.) 2009. Биочар для экологического менеджмента. Earthscan.
Международная инициатива Biochar (IBI)
Syngas , Википедия, свободная энциклопедия.

Похожие