Біовугілля(з англ. biochar) — це легкий чорний залишок з вуглецю та золи, що залишається після піролізу біомаси. Біовугілля може підвищити родючість ґрунтів і збільшити продуктивність сільського господарства, а також значно зменшити рівень вуглецю в атмосфері
Міжнародна ініціатива з біовугілля пропонує визначення «твердий матеріал, отриманий термохімічним перетворенням біомаси в середовищі з обмеженим вмістом кисню».
Біовугілля — це стабільна тверда речовина, яка багата пірогенним вуглецем і може зберігатися в ґрунті тисячі років, сприяючи покращенню родючих властивостей ґрунту, завдяки своїх пористій структурі, що насичує киснем та вуглецем ґрунт, і є ідеальним середовищем для розвитку необхідних мікроорганізмів.
Вогнетривка стабільність біовугілля призводить до концепції пірогенного захоплення та зберігання вуглецюConstanze Werner, Hans-Peter Schmidt, Dieter Gerten, Wolfgang Lucht und Claudia Kammann (2018). Biogeochemical potential of biomass pyrolysis systems for limiting global warming to 1.5 °C. Environmental Research Letters, 13(4), 044036. doi.org/10.1088/1748-9326/aabb0e, тобто секвестрації вуглецю у формі біовугілля. Це може бути засобом пом'якшення зміни клімату завдяки його потенціалу поглинання вуглецю з мінімальними зусиллями.
Історія Слово «біовугілля» є англійським неологізмом кінця 20 століття, що походить від грецького слова , bios — «життя» і «char» — деревне вугілля, вироблене шляхом карбонізації біомаси. Вважається, що вугілля бере участь у біологічних процесах у ґрунті, водних середовищах існування та травній системі тварин.
Доколумбові жителі Амазонії виробляли біовугілля, змушуючи тліти сільськогосподарські відходи (тобто покриваючи палаючу біомасу ґрунтом) у ямах або траншеях. Similar soils are found, more scarcely, elsewhere in the world. To date, scientists have been unable to completely reproduce the beneficial growth properties of terra preta. It is hypothesized that part of the alleged benefits of terra preta require the biochar to be aged so that it increases the cation exchange capacity of the soil, among other possible effects. In fact, there is no evidence natives made biochar for soil treatment, but rather for transportable fuel charcoal; there is little evidence for any hypothesis accounting for the frequency and location of terra preta patches in Amazonia. Abandoned or forgotten charcoal pits left for centuries were eventually reclaimed by the forest. In that time, the initially harsh negative effects of the char (high pH, extreme ash content, salinity) wore off and turned positive as the forest soil ecosystem saturated the charcoals with nutrients. supra note 2 at 386 ("Only aged biochar shows high cation retention, as in Amazonian Dark Earths. At high temperatures (30–70 °C), cation retention occurs within a few months. The production method that would attain high CEC in soil in cold climates is not currently known.") (internal citations omitted). Невідомо, чи навмисно вони використовували біовугілля для підвищення продуктивності ґрунту. Європейські поселенці називали це terra preta de Indio. "These so-called Terra Preta do Indio (Terra Preta) characterize the settlements of pre-Columbian Indios. In Terra Preta soils large amounts of black C indicate a high and prolonged input of carbonized organic matter probably due to the production of charcoal in hearths, whereas only low amounts of charcoal are added to soils as a result of forest fires and slash-and-burn techniques." (internal citations omitted) Після спостережень і експериментів дослідницька група, яка працювала у Французькій Гвіані, висунула гіпотезу про те, що амазонський дощовий черв’як Pontoscolex corethrurus був головним агентом тонкого подрібнення та включення уламків деревного вугілля в мінеральний ґрунт.
Виробництво Біовугілля — це дрібнозернистий відхід з високим вмістом вуглецю, який отримують шляхом піролізу; це прямий термічний розклад біомаси за відсутності кисню (запобігання горінню), який утворює суміш твердих речовин (власне біовугілля), рідини (біонафта) і газу (синтез-газ).
Газифікатори виробляють більшу частину біовугілля, що продається в Сполучених Штатах. Процес газифікації складається з чотирьох основних стадій: окислення, сушіння, піролізу і відновлення. Температура при піролізі в газифікаторах: , у зоні зниження, і в зоні горіння.
Питомий вихід від піролізу залежить від умов процесу, таких як температура, час перебування та швидкість нагрівання. Ці параметри можна налаштувати для виробництва енергії або біовугілля. ("Assuming that the energy in syngas is converted to electricity with an efficiency of 35%, the recovery in the life cycle energy balance ranges from 92 to 274 kg CO2 MWn−1 of electricity generated where the pyrolysis process is optimized for energy and 120 to 360 kg MWn−1 where biochar is applied to land. This compares to emissions of 600–900 kg MWh−1 for fossil-fuel-based technologies.) За температури виробляють більше вугілля, тоді як температури вище сприяють виходу рідких і газових компонентів палива. (See Table 1 for differences in output for Fast, Intermediate, Slow, and Gasification). Піроліз відбувається швидше при вищих температурах, зазвичай це вимагає секунд, а не годин. Збільшення швидкості нагрівання призводить до зменшення виходу біовугілля Типовий вихід становить 60% біонафти, 20% біовугілля та 20% синтез-газу. Для порівняння, повільний піроліз може виробляти значно більше вугілля (≈35%); це сприяє родючості ґрунту. Після ініціалізації обидва процеси виробляють чисту енергію. Для типових витрат енергія, необхідна для роботи «швидкого» піролізера, становить приблизно 15% енергії, яку він видає. "The energy required to operate a fast pyrolyzer is ≈15% of the total energy that can be derived from the dry biomass. Modern systems are designed to use the syngas generated by the pyrolyzer to provide all the energy needs of the pyrolyzer." Піролізні установки можуть використовувати синтез-газ і виробляти в 3-9 разів більше енергії, необхідної для роботи.
Окрім піролізу, процеси торрефікації та гідротермальної карбонізації також можуть термічно розкласти біомасу до твердого матеріалу. Однак ці продукти не можна чітко визначити як біовугілля. Вуглецевий продукт процесу торрефікації містить деякі леткі органічні компоненти, тому його властивості знаходяться між властивостями вихідної біомаси та біовугілля.
Крім того, навіть гідротермальна карбонізація може давати насичений вуглецем твердий продукт; але гідротермальна карбонізація значно відрізняється від звичайного термічного процесу перетворення. Твердий продукт гідротермальної карбонізації визначається як "гідровугілля", а не "біовугілля".
Метод амазонської ями/траншеї не збирає ні біонафту, ні синтетичний газ, і викидає , сажу та інші парникові гази (ПГ) (і потенційно токсиканти ) у повітря, хоча менше парникових газів, ніж уловлюється під час зростання біомаси. Системи комерційного масштабу переробляють сільськогосподарські відходи, паперові побічні продукти та навіть муніципальні відходи та зазвичай усувають ці побічні ефекти шляхом уловлювання та використання рідких і газоподібних продуктів. Переможець 2018 року X Prize Foundation за генератори атмосферної води збирає питну воду на стадії сушіння в процесі газифікації. Виробництво біовугілля як продукт у більшості випадків не є пріоритетним.
Спрощене виробництво Фермери в країнах, що розвиваються, легко виробляють власне біовугілля без спеціального обладнання. Вони створюють купи відходів рослинництва (наприклад, стебла кукурудзи, рисової або пшеничної соломи), запалюють купи зверху та гасять вугілля брудом або водою для отримання біовугілля. Цей метод значно зменшує дим у порівнянні з традиційними методами спалювання відходів рослинництва. Цей метод відомий як спалювання зверху вниз або консерваційне спалювання.
Централізовані, децентралізовані та мобільні системи У централізованій системі невикористана біомаса надходить на центральний завод для переробки в біовугілля. Крім того, кожен фермер або група фермерів може керувати піччю. Нарешті, вантажівка, оснащена піролізатором, може пересуватися з місця на місце для піролізу біомаси. Потужність автомобіля надходить від потоку синтез-газу, тоді як біовугілля залишається на фермі. Біопаливо відправляється на нафтопереробний завод або місце зберігання. Фактори, які впливають на вибір типу системи, включають вартість транспортування рідких і твердих побічних продуктів, кількість матеріалу, який потрібно переробити, і здатність забезпечити енергомережу.
Звичайні культури, які використовуються для виготовлення біовугілля, включають різні породи дерев, а також різні енергетичні культури. Деякі з цих енергетичних культур (наприклад, Pennisetum Purpureum) можуть зберігати набагато більше вуглецю за менший проміжок часу, ніж дерева.
Для культур, які не використовуються виключно для виробництва біовугілля, співвідношення залишки-продукт (RPR) і коефіцієнт збору (CF), відсоток залишків, які не використовуються для інших цілей, вимірюють приблизну кількість вихідної сировини, яку можна отримати. Наприклад, Бразилія щорічно збирає приблизно 460 мільйонів тонн (MT) цукрової тростини з RPR 0,30 і CF 0,70 для бадилля цукрової тростини, яке зазвичай спалюється в полі. (showing RPRs for numerous plants, describing method for determining available agricultural waste for energy and char production). Це означає приблизно 100 тонн залишків на рік, які можуть бути піддані піролізу для отримання енергії та ґрунтових добавок. Додавання багаси (жом) (відходів цукрової тростини) (RPR=0,29 CF=1,0), яка інакше спалюється (неефективно) у котлах, підвищує загальну кількість до 230 тонн вихідної сировини для піролізу. Деякі рослинні залишки, однак, повинні залишатися на ґрунті, щоб уникнути збільшення витрат і викидів від азотних добрив. "Much of the current scientific debate on the harvesting of biomass for bioenergy is focused on how much can be harvested without doing too much damage."
Різні компанії в Північній Америці, Австралії, Європі продають біовугілля або установки для виробництва біовугілля. У Швеції «Стокгольмське рішення» — це міська система посадки дерев, яка використовує 30% біовугілля для підтримки росту міських лісів.
На Міжнародній конференції з біовугілля 2009 року була представлена мобільна піролізна установка із заданим споживанням 450 кг для застосування в сільському господарстві.
Термокаталітична деполімеризація Також, «термокаталітична деполімеризація», що використовує мікрохвилі, була використана для ефективного перетворення органічної речовини на біовугілля в промислових масштабах, виробляючи ≈50% вугілля.
Властивості Фізичні та хімічні властивості біовугілля, визначені сировиною з якої воно виробляється та технологіями якими виробляється. Характеристичні дані пояснюють їх ефективність при конкретному використанні. Наприклад, рекомендації, опубліковані International Biochar Initiative, містять стандартизовані методи оцінки.
Властивості можна класифікувати за кількома ознаками, включаючи приблизний і елементний склад, значення pH і пористість. Атомні співвідношення біовугілля, включаючи H/C і O/C, корелюють із властивостями, які мають відношення до органічного вмісту, такими як полярність і ароматичність. Діаграма Ван-Кревелена може показати еволюцію атомних співвідношень біовугілля в процесі виробництва. У процесі карбонізації атомні співвідношення H / C і O /C зменшуються через вивільнення функціональних груп, які містять водень і кисень.