Sản xuất đồng thời biochar và bioenergy: một nghiên cứu trường hợp cụ thể về lợi ích môi trường và tác động kinh tế

GCB Bioenergy - Tập 5 Số 2 - Trang 177-191 - 2013
John Field1,2, Catherine Keske3, Greta L. Birch3, Morgan DeFoort1, Maurizio Cotrufo3,2
1Engines and Energy Conversion Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Colorado State University, 430 N. College Ave., Fort Collins, CO, 80524 USA
2Natural Resource Ecology Laboratory, Colorado State University, 1499 Campus Delivery, Fort Collins, CO, 80523, USA
3Department of Soil and Crop Science, Colorado State University, 1170 Campus Delivery, Fort Collins, CO, 80523 USA

Tóm tắt

Tóm tắt

Biochar đã được khuyến nghị như một phương pháp lưu trữ carbon đồng thời cải thiện năng suất cây trồng và tính bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp. Nó có thể được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối khác nhau bằng các công nghệ chuyển đổi nhiệt hóa khác nhau, có hoặc không thu hồi sản phẩm năng lượng phụ, dẫn đến các loại than (chars) có chất lượng khác nhau và một loạt các kết quả giảm thiểu khí nhà kính (GHG) của hệ thống. Phân tích này mở rộng các nghiên cứu trước đây về tính bền vững bằng cách đề xuất một mô hình đánh giá chi phí hoạt động vòng đời cơ chế GHG và kinh tế cho việc đồng sản xuất biochar và bioenergy từ nguyên liệu thải sinh khối, với một nghiên cứu trường hợp cho khu vực trung bắc Colorado. Quá trình sản xuất được mô tả như một hàm liên tục của nhiệt độ cho các hệ thống nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh và khí hóa. Lợi ích môi trường của biochar (C lưu trữ, N2O kiềm chế, cải thiện năng suất cây trồng) được dự đoán dựa trên giá trị kiềm hóa kỳ vọng và độ bền. Giảm thiểu GHG của hệ thống được tính toán, và lợi nhuận ròng được ước tính phản ánh các chi phí sản xuất kinh tế thay đổi, giá trị nông học của biochar dựa trên giá trị thay thế vôi nông nghiệp hoặc phân bón, và giá trị giảm thiểu GHG, với các kết quả so với việc sử dụng char cho sản xuất năng lượng. Kết quả từ nghiên cứu trường hợp cho thấy các hệ thống nhiệt phân chậm có thể giảm thiểu tới 1.4 Mg CO2eq/Mg nguyên liệu tiêu thụ, nếu sử dụng nguyên liệu phù hợp, giảm thiểu khí thải ô nhiễm từ sản xuất, và thu hồi các sản phẩm năng lượng phụ. Mô hình cho thấy rằng trong khi lợi nhuận tài chính thường cao hơn khi char được sử dụng cho năng lượng (biocoal) so với khi được sử dụng như một chất cải tạo đất (biochar), các char sản xuất qua các quá trình chuyển đổi nhiệt độ cao sẽ có giá trị giảm thiểu GHG cao hơn. Kịch bản biochar đạt được sự bình đẳng kinh tế với mức giá carbon chỉ từ $50/Mg CO2eq cho các kịch bản tối ưu, bất chấp các giả định mô hình bảo thủ. Mô hình này là một bước tiến hướng tới đánh giá và tối ưu hóa thiết kế hệ thống biochar theo không gian trên các nguyên liệu khác nhau, công nghệ chuyển đổi và đất nông nghiệp.

Từ khóa

#biochar #bioenergy #khí nhà kính #phát triển bền vững #sản xuất nông nghiệp

Tài liệu tham khảo

10.1016/j.rser.2010.07.026

Arora S, 2008, Update of Distillers Grains Displacement Ratios for Corn Ethanol Life‐Cycle Analysis, ANL/ESD/11‐1

10.1007/s11104-010-0464-5

10.1007/s11367-010-0177-2

10.1002/er.1451

Blackwell P, 2009, Biochar for Environmental Management: Science and Technology, 207

10.1007/BF00476967

BranderM TipperR HutchisonC DavisG(2009)Consequential and attributional approaches to LCA: a guide to policy makers with specific reference to greenhouse gas LCA of biofuels.Ecometrica Press Technical Paper TP‐090403‐A.

10.1002/ep.10378

BrickS LyutseS(2010)Biochar: Assessing the Promise and Risks to Guide US Policy. Natural Resources Defense Council Issue Paper. Available at:http://www.nrdc.org/energy/files/biochar_paper.pdf(accessed 3 November 2012).

10.1016/S1364-0321(01)00010-7

10.1002/bbb.254

10.1097/SS.0b013e3181cb7f46

10.1016/j.rser.2011.07.035

10.1111/j.1757-1707.2011.01102.x

10.2134/jeq2010.0204

ColemanM Page‐DumroeseD ArchuletaJet al. (2010)Can Portable Pyrolysis Units Make Biomass Utilization Affordable While Using Bio‐Char to Enhance Soil Productivity and Sequester Carbon?USDA Forest Service Proceedings RMRS‐P‐61.

10.1016/j.esd.2011.03.004

10.1016/j.biombioe.2011.12.017

10.1021/ef901120h

Duda K, 2008, Boulder County Wood‐Fired Heating System Fuel Cost Assessment

10.1016/j.biombioe.2011.09.010

10.2136/sssaj1962.03615995002600040015x

10.1126/science.1121416

10.1016/j.jenvman.2009.06.018

Forster P, 2007, Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In, Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change

10.1016/j.biombioe.2007.01.012

10.1016/j.enpol.2011.07.035

GaskinJW SpeirA MorrisLM OgdenL HarrisK LeeD DasKC(2007)Potential for pyrolysis char to affect soil moisture and nutrient status of a loamy sand soil. Proceedings of the 2007 Georgia Water Resources Conference University of Georgia.

10.13031/2013.25409

10.2134/agronj2009.0083

10.1021/es071361i

10.1007/s001140000193

10.1016/j.rser.2006.07.014

10.1016/j.enpol.2011.03.024

10.1016/j.enpol.2011.02.033

10.1021/ie00005a006

10.2172/971374

10.1073/pnas.0604600103

10.1016/S0960-8524(99)00085-1

10.1111/j.1757-1707.2010.01041.x

10.1016/j.agee.2011.08.015

10.1016/j.fuel.2011.06.031

10.1021/es9031419

10.1016/j.tej.2011.09.020

Keske CMH, 2012, Biochar: an emerging market solution for legacy mine reclamation and the environment, Appalachian Natural Resources Law Journal

10.1002/bbb.169

10.1890/1540-9295(2007)5[381:BITB]2.0.CO;2

10.1038/447143a

10.1016/j.soilbio.2011.04.022

Liesch AM, 2010, Impact of two different biochars on earthworm growth and survival, Annals of Environmental Science, 4, 1

10.1016/j.biombioe.2009.05.015

10.1016/S0308-521X(02)00016-1

LynchDL MackesK(2003)Costs for reducing fuels in Colorado forest restoration projects. USDA Forest Service Proceedings RMRS‐P‐29.

10.1016/j.biombioe.2011.05.023

McCarl BA, 2009, Biochar for Environmental Management: Science and Technology, 341

10.1029/2009JD011836

10.1021/es201792c

10.1073/pnas.0902568106

10.1021/ef900912s

NorrisK(2009)UTK Trucking Cost Model.Forest Product Center University of Tennessee. Available at:http://www.biosat.net/XLS/Toolset/UTK_TruckingCostModel_KNorris_Version1.xlsm(accessed 3 November 2012).

Novak JM, 2009, Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand, Annals of Environmental Science, 3, 195

10.1088/1748-9326/4/2/024001

10.1029/2000JD000041

10.1016/j.biombioe.2010.03.004

10.2172/894989

10.1021/es902266r

10.1016/S0960-8524(03)00059-2

10.1080/00908310252888727

10.4155/cmt.11.22

10.2134/jeq2009.0138

Soil Survey Staff Natural Resources Conservation Service United States Department of Agriculture(2012)Web Soil Survey. Available at:http://websoilsurvey.nrcs.usda.gov/app/HomePage.htm(accessed 3 November 2012).

10.1021/ef201109t

10.2527/2002.80102639x

10.4155/cmt.10.32

Spokas KA, 2009, Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production, Annals of Environmental Science, 3, 179

10.1111/gcbb.12001

10.2136/sssaj2010.0325

10.1016/j.biortech.2005.12.005

United States Government Interagency Workgroup on Social Cost of Carbon(2010)Technical Support Document: Social Cost of Carbon for Regulatory Impact Analysis Under Executive Order 12866. Available at:http://www.epa.gov/oms/climate/regulations/scc-tsd.pdf(accessed 3 November 2012).

US Biochar Initiative(2012)Manufacturers & Retailers. Available at:http://www.biochar-us.org/Retailers.html(accessed 3 November 2012).

US Department of Commerce(2010)U.S. Carbon Dioxide Emissions and Intensities Over Time: A Detailed Accounting of Industries Government and Households. Available at:http://www.esa.doc.gov/Reports/u.s.-carbon-dioxide(accessed 3 November 2012).

U.S. Department of Energy, 2011, U.S. Billion‐Ton Update: Biomass Supply for a Bioenergy and Biproducts Industry

US Forest Service(2012)Mountain Pine Beetle on the Colorado Western Slope. Available at:http://www.fs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/stelprdb5340093.pdf(accessed 3 November 2012).

10.1016/j.fuproc.2010.02.018

10.1007/s11104-009-0050-x

10.1071/SR10003

10.1071/SR10004

VerheijenF JefferyS BastosAC van der VeldeM DiafasI(2009)Biochar Application to Soils: A critical scientific review of effects on soil properties processes and functions. European Commission EUR 24099‐EN.

10.2172/14775

10.1016/j.biombioe.2011.01.028

10.1016/j.agee.2005.01.002

10.1038/ncomms1053

10.1002/bbb.25

10.1016/j.biombioe.2011.01.026

10.1111/j.1757-1707.2010.01046.x

10.2134/jeq2012.0019