Biocarbón

El biocarbón es una forma de carbón vegetal , a veces modificado, destinado a usos orgánicos, como en el suelo. Son los residuos negros y ligeros que quedan tras la pirólisis de la biomasa , compuestos de carbono y cenizas . ^{[ 1 ]} A pesar de su nombre, el biocarbón es estéril inmediatamente después de su producción y solo adquiere vida biológica tras una exposición asistida o incidental a la biota. La Iniciativa Internacional del Biocarbón define el biocarbón como el "material sólido obtenido de la conversión termoquímica de biomasa en un entorno con oxígeno limitado ". ^{[ 2 ]}

El biocarbón se utiliza principalmente en suelos para aumentar la aireación del suelo, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del suelo, ^{[ 3 ]} mejorar la fertilidad del suelo, ^{[ 4 ]} reducir la lixiviación de nutrientes, reducir la acidez del suelo , ^{[ 5 ]} y potencialmente aumentar el contenido de agua de los suelos gruesos. ^{[ 6 ]} La aplicación de biocarbón puede aumentar la fertilidad del suelo y la productividad agrícola . ^{[ 5 ]} Sin embargo, cuando se aplica en exceso o se elabora a partir de materia prima inadecuada para el tipo de suelo, las enmiendas de suelo con biocarbón también pueden tener efectos negativos, como dañar la biota del suelo, reducir el contenido de agua disponible, alterar el pH del suelo y aumentar la salinidad. ^{[ 7 ]}

Más allá de su aplicación al suelo, el biocarbón puede utilizarse en la agricultura de tala y quema , para la retención de agua en el suelo y como aditivo para forraje animal . Existe un creciente interés en el papel potencial de la aplicación de biocarbón en la mitigación del cambio climático global. Debido a su estabilidad refractaria , el biocarbón puede permanecer en suelos u otros entornos durante miles de años. ^{[ 8 ]} Esto ha dado lugar al concepto de eliminación de carbono del biocarbón , un proceso de secuestro de carbono en forma de biocarbón. ^{[ 8 ]} La eliminación de carbono puede lograrse cuando se aplica biocarbón de alta calidad a los suelos o se agrega como material sustituto a materiales de construcción como el hormigón y el alquitrán.

Etimología

La palabra «biocarbón» es un neologismo inglés de finales del siglo XX derivado de la palabra griega « βίος » ( bios , « vida ») y « char » ( carbón vegetal producido por la carbonización de biomasa). ^{[ 9 ]} Se reconoce como carbón vegetal que participa en procesos biológicos presentes en el suelo, los hábitats acuáticos y los sistemas digestivos de los animales.

Historia

Los amazónicos precolombinos producían biocarbón mediante la combustión lenta de residuos agrícolas (es decir, cubriendo la biomasa en combustión con tierra) ^{[ 10 ]} en fosas o zanjas. ^{[ 11 ]} Se desconoce si utilizaban el biocarbón intencionalmente para mejorar la productividad del suelo. ^{[ 11 ]} Los colonos europeos lo llamaban terra preta de Indio . ^{[ 12 ]} Tras observaciones y experimentos, un equipo de investigación que trabajaba en la Guayana Francesa planteó la hipótesis de que la lombriz de tierra amazónica Pontoscolex corethrurus era el principal agente de la pulverización fina y la incorporación de los restos de carbón vegetal en el suelo mineral. ^{[ 13 ]}

Producción

El biocarbón es un residuo de grano fino y alto contenido de carbono que se produce mediante pirólisis . Es la descomposición térmica directa de la biomasa en ausencia de oxígeno , lo que impide la combustión , y produce una mezcla de productos sólidos (biocarbón), líquidos ( bioaceite ) y gaseosos (gas de síntesis ). ^{[ 14 ]}

Gasificación

Los gasificadores producen la mayor parte del biocarbón que se vende en Estados Unidos. ^{[ 15 ]} El proceso de gasificación consta de cuatro etapas principales: oxidación, secado, pirólisis y reducción . ^{[ 16 ]} La temperatura durante la pirólisis en los gasificadores es de 250–550 °C (523–823 K) , 600–800 °C (873–1073 K) en la zona de reducción y 800–1000 °C (1070–1270 K) en la zona de combustión. ^[¹⁷^]

El rendimiento específico de la pirólisis (la etapa de gasificación que produce biocarbón) depende de las condiciones del proceso, como la temperatura, la velocidad de calentamiento y el tiempo de residencia . ^{[ 18 ]} Estos parámetros se pueden ajustar para producir más energía o más biocarbón. ^{[ 19 ]} Las temperaturas de 400–500 °C (673–773 K) producen más carbón , mientras que las temperaturas superiores a 700 °C (973 K) favorecen el rendimiento de componentes de combustible líquidos y gaseosos. ^[²⁰^] La pirólisis ocurre más rápidamente a temperaturas más altas, generalmente requiriendo segundos en lugar de horas. El aumento de la velocidad de calentamiento conduce a una disminución en el rendimiento de biocarbón, mientras que la temperatura está en el rango de 350–600 °C (623–873 K) . ^[²¹^] Los rendimientos típicos son 60 % de bioaceite, 20 % de biocarbón y 20 % de gas de síntesis. En comparación, la pirólisis lenta puede producir sustancialmente más carbón (≈35 %); ^[²⁰^] Esto contribuye a la fertilidad del suelo. Una vez iniciados, ambos procesos producen energía neta. Para insumos típicos, la energía requerida para operar un pirólisis "rápido" es aproximadamente el 15% de la energía que produce. ^[²²^] Las plantas de pirólisis pueden usar la salida de gas de síntesis y producir de 3 a 9 veces la cantidad de energía requerida para operar. ^[¹¹^]

El método de foso/zanja amazónico, ^{[ 11 ]} en contraste, no cosecha ni bioaceite ni gas de síntesis, y libera CO ₂ , carbono negro y otros gases de efecto invernadero (GEI) (y potencialmente, tóxicos ) al aire, aunque menos gases de efecto invernadero que los capturados durante el crecimiento de la biomasa. Los sistemas a escala comercial procesan residuos agrícolas, subproductos de papel e incluso residuos municipales y generalmente eliminan estos efectos secundarios al capturar y usar los productos líquidos y gaseosos. ^[²³^]^[²⁴^] El ganador del Premio X de la Fundación 2018 para generadores de agua atmosférica cosecha agua potable de la etapa de secado del proceso de gasificación. ^[²⁵^]^[²⁶^] La producción de biocarbón como producto no es una prioridad en la mayoría de los casos.

Métodos a pequeña escala

Los pequeños agricultores de los países en desarrollo producen fácilmente su propio biocarbón sin necesidad de equipos especiales. Apilan los residuos de cultivos (por ejemplo, tallos de maíz, paja de arroz o de trigo), les prenden fuego por la parte superior y apagan las brasas con tierra o agua para producir biocarbón. Este método reduce considerablemente el humo en comparación con los métodos tradicionales de quema de residuos agrícolas. Este método se conoce como quema de arriba hacia abajo o quema de conservación. ^{[ 27 ]}^{[ 28 ]}^{[ 29 ]}

Alternativamente, se pueden utilizar métodos más industriales a pequeña escala. Mientras que en un sistema centralizado, la biomasa no utilizada se lleva a una planta central para su procesamiento en biocarbón, ^{[ 30 ]} también es posible que cada agricultor o grupo de agricultores opere un horno . En este escenario, un camión equipado con un pirólisis se mueve de un lugar a otro para pirolizar la biomasa. La energía del vehículo proviene del flujo de gas de síntesis, mientras que el biocarbón permanece en la granja. El biocombustible se envía a una refinería o sitio de almacenamiento. Los factores que influyen en la elección del tipo de sistema incluyen el costo del transporte de los subproductos líquidos y sólidos, la cantidad de material a procesar y la capacidad de suministrar energía a la red eléctrica.

Varias empresas en Norteamérica , Australia e Inglaterra también venden biocarbón o unidades de producción de biocarbón. En Suecia, la «Solución de Estocolmo» es un sistema de plantación de árboles urbanos que utiliza un 30 % de biocarbón para favorecer el crecimiento de los bosques urbanos. ^{[ 31 ]} En la Conferencia Internacional de Biocarbón de 2009, se presentó una unidad móvil de pirólisis con una capacidad de entrada específica de 1000 libras (450 kg) para aplicaciones agrícolas. ^[³²^]

Cultivos utilizados

Entre los cultivos comunes utilizados para la producción de biocarbón se incluyen diversas especies de árboles, así como diversos cultivos energéticos . Algunos de estos cultivos energéticos (por ejemplo, el pasto Napier ) pueden almacenar mucho más carbono en un período de tiempo más corto que los árboles. ^{[ 33 ]}

Para cultivos que no se destinan exclusivamente a la producción de biocarbón, la relación residuo-producto (RPR) y el factor de recolección (CF), el porcentaje del residuo que no se utiliza para otros fines, miden la cantidad aproximada de materia prima que se puede obtener. Por ejemplo, Brasil cosecha aproximadamente 460 millones de toneladas (MT) de caña de azúcar anualmente, ^{[ 34 ]} con una RPR de 0,30 y un CF de 0,70 para las puntas de la caña de azúcar, que normalmente se queman en el campo. ^{[ 35 ]} Esto se traduce en aproximadamente 100 MT de residuo al año, que podrían pirolizarse para generar energía y aditivos para el suelo. Si se añade el bagazo (residuo de caña de azúcar) (RPR=0,29, CF=1,0), que de otro modo se quema (ineficientemente) en calderas, el total asciende a 230 MT de materia prima para pirólisis. Sin embargo, parte del residuo vegetal debe permanecer en el suelo para evitar mayores costos y emisiones de fertilizantes nitrogenados. ^{[ 36 ]}

Hidrocarbón

Además de la pirólisis, los procesos de torrefacción y carbonización hidrotermal también pueden descomponer térmicamente la biomasa en material sólido. Sin embargo, estos productos no pueden definirse estrictamente como biocarbón. El producto de carbono del proceso de torrefacción contiene algunos componentes orgánicos volátiles ; por lo tanto, sus propiedades se encuentran entre las de la materia prima de biomasa y el biocarbón. ^{[ 37 ]} Y aunque la carbonización hidrotermal puede producir un producto sólido rico en carbono, el proceso es evidentemente diferente del proceso de conversión térmica convencional, ^{[ 38 ]} por lo que el producto se define como "hidrocarbón" en lugar de "biocarbón".

Despolimerización termocatalítica

La despolimerización termocatalítica es otro método para producir biocarbón, que utiliza microondas . Se ha empleado para convertir eficientemente materia orgánica en biocarbón a escala industrial, produciendo aproximadamente un 50 % de carbón. ^{[ 39 ]}^{[ 40 ]}

Propiedades

Una mano sosteniendo un trozo de biocarbón con un cubo lleno del mismo al fondo. — Biocarbón producido a partir de madera residual

Las propiedades físicas y químicas de los biocarbones, determinadas por las materias primas y las tecnologías, son cruciales. Los datos de caracterización explican su rendimiento en un uso específico. Por ejemplo, las directrices publicadas por la Iniciativa Internacional de Biocarbón proporcionan métodos de evaluación estandarizados. ^{[ 14 ]} Las propiedades se pueden categorizar en varios aspectos, incluyendo la composición proximal y elemental, el valor de pH y la porosidad. Las relaciones atómicas del biocarbón, incluyendo H / C y O /C, se correlacionan con las propiedades que son relevantes para el contenido orgánico, como la polaridad y la aromaticidad . ^{[ 41 ]} Un diagrama de van-Krevelen puede mostrar la evolución de las relaciones atómicas del biocarbón en el proceso de producción. ^{[ 42 ]} En el proceso de carbonización, tanto las relaciones atómicas H/C como O/C disminuyen debido a la liberación de grupos funcionales que contienen hidrógeno y oxígeno. ^{[ 43 ]}

Las temperaturas de producción influyen en las propiedades del biocarbón de varias maneras. La estructura molecular del carbono de la matriz sólida del biocarbón se ve particularmente afectada. La pirólisis inicial a 450-550 ° C deja una estructura de carbono amorfo . Temperaturas superiores a este rango darán como resultado la conversión termoquímica progresiva del carbono amorfo en láminas de grafeno turbostrático . La conductividad del biocarbón también aumenta con la temperatura de producción. ^{[ 44 ]}^{[ 45 ]}^{[ 46 ]} Importante para la captura de carbono, la aromaticidad y la recalcitrancia intrínseca aumentan con la temperatura. ^{[ 47 ]}

Aplicaciones

sumidero de carbono

La estabilidad refractaria del biocarbón conduce al concepto de eliminación de carbono del biocarbón , un proceso de secuestro de carbono en forma de biocarbón. ^{[ 48 ]}^{[ 8 ]} Puede ser un medio para mitigar el cambio climático debido a su potencial de secuestro de carbono con un esfuerzo mínimo. ^{[ 49 ]}^{[ 50 ]}^{[ 51 ]} La quema de biomasa y la descomposición natural liberan grandes cantidades de dióxido de carbono y metano a la atmósfera terrestre. El proceso de producción de biocarbón también libera CO ₂ (hasta el 50% de la biomasa); sin embargo, el contenido de carbono restante se vuelve indefinidamente estable. ^{[ 51 ]} El carbono del biocarbón permanece en el suelo durante siglos, ralentizando el aumento de los niveles de gases de efecto invernadero atmosféricos . Simultáneamente, su presencia en la tierra puede mejorar la calidad del agua , aumentar la fertilidad del suelo , elevar la productividad agrícola y reducir la presión sobre los bosques primarios . ^{[ 52 ]}

El biocarbón puede secuestrar carbono en el suelo durante cientos o miles de años, como el carbón . ^{[ 53 ]}^{[ 54 ]}^{[ 55 ]}^{[ 56 ]}^{[ 57 ]} Según el Banco Mundial, "el biocarbón retiene entre el 10 y el 70 por ciento (en promedio alrededor del 50 por ciento) del carbono presente en la biomasa original y ralentiza la tasa de descomposición del carbono en uno o dos órdenes de magnitud, es decir, en la escala de siglos o milenios". ^{[ 58 ]} Los primeros trabajos que proponían el uso de biocarbón para la eliminación de dióxido de carbono para crear un sumidero de carbono estable a largo plazo se publicaron a principios de la década de 2000. ^{[ 59 ]}^{[ 60 ]}^{[ 61 ]} Esta técnica es defendida por científicos como James Hansen ^{[ 62 ]} y James Lovelock . ^{[ 63 ]}

Un informe de 2010 estimó que el uso sostenible del biocarbón podría reducir las emisiones netas globales de dióxido de carbono ( CO₂).₂ ),metanoyóxido nitrosohasta en 1.800 millones de toneladasde dióxido de carbono equivalente(CO2).₂ e) por año (en comparación con las aproximadamente 50 mil millones de toneladas emitidas en 2021), sin poner en peligrola seguridad alimentaria,los hábitatsola conservación del suelo.^{[ 51 ]} Sin embargo, un estudio de 2018 dudaba que hubiera suficiente biomasa disponible para lograr un secuestro de carbono significativo.^{[ 64 ]} Una revisión de 2021 estimó la eliminación potencialde CO₂de 1,6 a 3,2 mil millones de toneladas por año,^{[ 65 ]} y para 2023 se había convertido en un negocio lucrativo renovado por créditos de carbono.^{[ 66 ]}

A partir de 2023, la importancia del potencial del biocarbón como sumidero de carbono es ampliamente aceptada. Se descubrió que el biocarbón tiene el potencial técnico para secuestrar un 7 % de dióxido de carbono en promedio en todos los países, y doce naciones son capaces de secuestrar más del 20 % de sus emisiones de gases de efecto invernadero; Bután lidera esta proporción (68 %), seguido de India (53 %). ^{[ 67 ]}

En 2021, el costo del biocarbón se situaba en torno a los precios del carbono europeos, ^{[ 68 ]} pero aún no estaba incluido en el Sistema de Comercio de Emisiones de la UE o del Reino Unido . ^{[ 69 ]}

Adsorción de CO2 por biocarbón₂ puede verse limitado por el área superficial del material, que puede mejorarse mediante el uso de mezcla acústica resonante.^{[ 70 ]}

En los países en desarrollo, el biocarbón derivado de estufas mejoradas para uso doméstico puede reducir las emisiones de carbono (cuando se deja de usar la estufa tradicional), además de lograr otros beneficios para el desarrollo sostenible. ^{[ 71 ]}

El biocarbón se ha propuesto como una tecnología de emisiones negativas con un potencial sustancial de mitigación climática a largo plazo. Si bien los primeros estudios de escenarios se centraron en máximos técnicos y sugirieron que se podrían evitar varias gigatoneladas de CO₂ _equivalente anualmente, trabajos más recientes enfatizan que el despliegue económicamente viable probablemente sea menor, con potenciales de eliminación global de aproximadamente 0,3–1,8 Gt CO₂ _por año bajo precios del carbono inferiores a 100 USD por tonelada. ^{[ 72 ]} La implementación en el mundo real aún se encuentra en una etapa temprana: la producción mundial de biocarbón se estima en el orden de unos cientos de miles de toneladas por año, lo que proporciona bastante menos de 1 Mt CO₂ _por año de eliminación certificada, aunque las entregas voluntarias del mercado de carbono y la capacidad instalada han crecido rápidamente en los últimos años. Debido a que la disponibilidad de materia prima, la logística y el uso de coproductos influyen fuertemente en los costos, algunas aplicaciones actualmente solo son viables cuando el biocarbón proporciona beneficios agronómicos o ambientales adicionales o puede acceder a créditos de eliminación de carbono. La rápida expansión de las publicaciones sobre biocarbón ha generado preocupación en la literatura científica de que las expectativas sobre su papel en el clima podrían desencadenar un ciclo de auge y caída si los beneficios proyectados no se materializan a gran escala. ^{[ 73 ]}^{[ 74 ]}

Salud del suelo

El biocarbón ofrece múltiples beneficios para la salud del suelo en suelos tropicales degradados, pero es menos beneficioso en regiones templadas. ^{[ 75 ]}^{[ 76 ]} Su naturaleza porosa es eficaz para retener tanto agua como nutrientes solubles en agua. La bióloga de suelos Elaine Ingham destacó su idoneidad como hábitat para microorganismos beneficiosos del suelo . Señaló que, cuando se le añaden estos organismos beneficiosos, el biocarbón promueve una buena salud del suelo y de las plantas. ^{[ 77 ]}

El biocarbón reduce la lixiviación de E. coli a través de suelos arenosos dependiendo de la tasa de aplicación, la materia prima, la temperatura de pirólisis, el contenido de humedad del suelo , la textura del suelo y las propiedades superficiales de las bacterias. ^{[ 78 ]}^{[ 79 ]}^{[ 80 ]}

Para plantas que requieren alto contenido de potasio y pH elevado , ^{[ 81 ]} el biocarbón puede mejorar el rendimiento. ^{[ 82 ]}

El biocarbón puede mejorar la calidad del agua, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del suelo , reducir la lixiviación de nutrientes , reducir la acidez del suelo , ^{[ 83 ]} y reducir los requerimientos de riego y fertilizantes . ^{[ 84 ]}^{[ 85 ]} Debido a su porosidad, los pequeños orificios en el biocarbón pueden retener el agua y los minerales disueltos en las capas superiores del suelo, lo que ayuda al crecimiento de las plantas y reduce la necesidad y el costo de los fertilizantes. ^{[ 85 ]} En ciertas circunstancias, el biocarbón induce respuestas sistémicas de las plantas a enfermedades fúngicas foliares y mejora las respuestas de las plantas a enfermedades causadas por patógenos transmitidos por el suelo. ^{[ 86 ]}^{[ 87 ]}^{[ 88 ]} El biocarbón puede eliminar metales pesados del suelo. ^{[ 89 ]}

Los impactos del biocarbón dependen de sus propiedades ^{[ 90 ]} , así como de la cantidad aplicada ^{[ 88 ]} , aunque el conocimiento sobre los mecanismos y propiedades importantes es limitado ^{[ 91 ]} . El impacto del biocarbón puede depender de las condiciones regionales, incluyendo el tipo de suelo, la condición del suelo (agotado o sano), la temperatura y la humedad ^{[ 92 ]} . Adiciones modestas de biocarbón reducen el óxido nitroso ( N).₂ O)^{[ 93 ]} emisiones hasta en un 80% y eliminanlas emisiones de metano, que son gases de efecto invernadero más potentes queel CO₂.^{[ 94 ]}

Estudios reportaron efectos positivos del biocarbón en la producción de cultivos en suelos degradados y pobres en nutrientes. ^{[ 95 ]} La aplicación de compost y biocarbón bajo el proyecto FERTIPLUS del FP7 tuvo efectos positivos en la humedad del suelo, la productividad y la calidad de los cultivos en varios países. ^{[ 96 ]} El biocarbón puede adaptarse con cualidades específicas para abordar propiedades de suelo distintas. ^{[ 97 ]} En el suelo de la sabana colombiana, el biocarbón redujo la lixiviación de nutrientes críticos, creó una mayor absorción de nutrientes y proporcionó una mayor disponibilidad de nutrientes. ^{[ 98 ]} A niveles del 10%, el biocarbón redujo los niveles de contaminantes en las plantas hasta en un 80%, mientras que redujo el contenido de clordano y DDX en las plantas en un 68 y 79%, respectivamente. ^{[ 99 ]} Sin embargo, debido a su alta capacidad de adsorción, el biocarbón puede reducir la eficacia de los plaguicidas. ^{[ 100 ]}^{[ 101 ]} Los biocarbones de alta superficie específica pueden ser particularmente problemáticos. ^{[ 100 ]}

El biocarbón puede ararse en suelos de campos de cultivo o agregarse a jardines para mejorar su fertilidad y estabilidad ^{[ 102 ]} y para el secuestro de carbono a mediano y largo plazo en estos suelos. Incluso muestra buenos resultados cuando se aplica como abono superficial. Ha mostrado efectos positivos en el aumento de la fertilidad del suelo y la mejora de la resistencia a las enfermedades en suelos de Europa Occidental. ^{[ 96 ]} Los jardineros que toman medidas individuales contra el cambio climático agregan biocarbón al suelo, ^{[ 103 ]} aumentando el rendimiento de las plantas y, por lo tanto, capturando más carbono. ^{[ 104 ]} El uso de biocarbón como aditivo para piensos es una forma de aplicar biocarbón a los pastos y reducir las emisiones de metano. ^{[ 105 ]}^{[ 106 ]}

Parece necesario aplicar dosis de 2,5 a 20 toneladas por hectárea (1,0 a 8,1 t/acre) para mejorar significativamente el rendimiento de los cultivos. El costo del biocarbón en los países desarrollados varía entre 300 y 7000 dólares por tonelada, lo que generalmente resulta poco práctico para el agricultor/horticultor y prohibitivo para cultivos de bajo insumo. En los países en desarrollo, las limitaciones del biocarbón agrícola se relacionan más con la disponibilidad de biomasa y el tiempo de producción. Una solución intermedia es utilizar pequeñas cantidades de biocarbón en complejos de biocarbón y fertilizantes de menor costo. ^[¹⁰⁷^]

Las enmiendas de suelo con biocarbón, cuando se aplican en dosis excesivas o con combinaciones inadecuadas de tipo de suelo y materia prima de biocarbón, también pueden tener efectos negativos, como dañar la biota del suelo, reducir el contenido de agua disponible, alterar el pH del suelo y aumentar la salinidad. ^{[ 7 ]}

Cortar y quemar

Sugeridas como alternativa a la tala y quema , las técnicas de cultivo de tala y carbón en regiones tropicales pueden disminuir tanto la deforestación como la emisión de dióxido de carbono , además de aumentar los rendimientos de los cultivos. La tala y quema deja solo el 3% del carbono del material orgánico en el suelo ^{[ 108 ]} mientras que la tala y carbón puede retener hasta el 50%. ^{[ 109 ]} El potencial global para el secuestro de carbono al cambiar de las técnicas de cultivo de tala y quema a tala y carbón se ha estimado entre 0,22 y 0,42 Gt C/año. ^{[ 110 ]} El biocarbón reduce la necesidad de fertilizantes nitrogenados, por lo que reduce el costo y las emisiones de la producción y el transporte de fertilizantes. ^{[ 111 ]} Además, al mejorar la capacidad de labranza, la fertilidad y la productividad del suelo, los suelos mejorados con biocarbón pueden sostener indefinidamente la producción agrícola. Esto difiere de los suelos de tala y quema, que se agotan rápidamente de nutrientes, obligando a los agricultores a abandonar los campos y generando un ciclo continuo de tala y quema. El uso de la pirólisis para producir bioenergía no requiere cambios en la infraestructura como, por ejemplo, el procesamiento de biomasa para etanol celulósico . Además, el biocarbón se puede aplicar con la maquinaria de uso común. ^{[ 112 ]}

retención de agua

El biocarbón es higroscópico debido a su estructura porosa y su alta superficie específica . ^{[ 113 ]} Como resultado, el fertilizante y otros nutrientes se retienen para beneficio de las plantas.

forraje para ganado

El biocarbón se ha utilizado en la alimentación animal durante siglos. ^{[ 114 ]}

Doug Pow, un agricultor de Australia Occidental , exploró el uso de biocarbón mezclado con melaza como forraje para el ganado . Afirmó que en los rumiantes , el biocarbón puede ayudar a la digestión y reducir la producción de metano . También utilizó escarabajos peloteros para incorporar el estiércol resultante, impregnado con biocarbón, al suelo sin usar maquinaria. El nitrógeno y el carbono del estiércol se incorporaron al suelo en lugar de permanecer en la superficie, reduciendo la producción de óxido nitroso y dióxido de carbono . El nitrógeno y el carbono contribuyeron a la fertilidad del suelo. La evidencia en la granja indica que el forraje condujo a mejoras en la ganancia de peso vivo en el ganado Angus-cross . ^{[ 115 ]} Doug Pow ganó el Premio a la Innovación en la Gestión de Tierras Agrícolas del Gobierno Australiano en los Premios Landcare de Australia Occidental de 2019 por esta innovación. ^{[ 116 ]}^{[ 115 ]} El trabajo de Pow condujo a dos ensayos más en ganado lechero, que dieron como resultado una reducción del olor y un aumento de la producción de leche. ^{[ 117 ]}

Aditivo para hormigón

El cemento Portland ordinario (CPO), un componente esencial de la mezcla de hormigón, requiere mucha energía y genera emisiones; la producción de cemento representa alrededor del 8 % de las emisiones globales de CO₂ _. [ ^{118 ] La} industria del hormigón ha optado cada vez más por utilizar materiales cementicios suplementarios (MCS), aditivos que reducen el volumen de CPO en una mezcla, manteniendo o mejorando las propiedades del hormigón. ^{[ 119 ]} Se ha demostrado que el biocarbón es un MCS eficaz, ya que reduce las emisiones de la producción de hormigón y mantiene las propiedades de resistencia y ductilidad requeridas. ^{[ 120 ]}^{[ 121 ]}

Los estudios han encontrado que una concentración en peso de biocarbón del 1 al 2 % es óptima para su uso en mezclas de concreto, tanto desde el punto de vista del costo como de la resistencia. ^{[ 120 ]} Se ha demostrado que una solución de biocarbón al 2 % en peso aumenta la resistencia a la flexión del concreto en un 15 % en un ensayo de flexión de tres puntos realizado después de 7 días, en comparación con el concreto OPC tradicional. ^{[ 121 ]} El concreto con biocarbón también se muestra prometedor en la resistencia a altas temperaturas y la reducción de la permeabilidad. ^{[ 122 ]}

Una evaluación del ciclo de vida de la cuna a la puerta del hormigón de biocarbón mostró menores emisiones de producción con concentraciones más altas de biocarbón, lo que coincide con una reducción en OPC. ^{[ 123 ]} En comparación con otros SCM de corrientes de residuos industriales (como cenizas volantes y humo de sílice ), el biocarbón también mostró una toxicidad reducida.

Lodo de combustible

El biocarbón mezclado con medios líquidos como agua o líquidos orgánicos (como el etanol) es un tipo de combustible emergente conocido como lodo a base de biocarbón . ^{[ 124 ]} La adaptación de la pirólisis lenta en grandes campos e instalaciones de biomasa permite la generación de lodos de biocarbón con características únicas. Estos lodos se están convirtiendo en combustibles prometedores en países con áreas regionales donde la biomasa es abundante y el suministro de energía depende en gran medida de generadores diésel. ^{[ 125 ]} Este tipo de combustible se asemeja a un lodo de carbón , pero con la ventaja de que puede derivarse de biocarbón proveniente de recursos renovables.

Tratamiento del agua

El biocarbón también tiene aplicaciones en el tratamiento de agua. ^{[ 126 ]} Sus propiedades, en particular la porosidad, pueden modificarse mediante diferentes métodos para aumentar la eficiencia de la eliminación de contaminantes. ^{[ 127 ]} Se ha informado que el biocarbón elimina contaminantes como metales pesados, colorantes y contaminantes orgánicos. ^{[ 89 ]}^{[ 128 ]}^{[ 129 ]}

Investigación

La investigación sobre pirólisis y biocarbón está en marcha a nivel mundial, pero a partir de 2018aún estaba en sus inicios. ^{[ 64 ]} De 2005 a 2012, 1038 artículos incluyeron la palabra "biocarbón" o "bio-carbón" en el tema indexado en la Web of Science de ISI . ^{[ 130 ]} La investigación está en curso por la Universidad de Edimburgo , ^{[ 131 ]} la Universidad de Georgia , ^{[ 132 ]}^{[ 133 ]} el Centro Volcani , ^{[ 134 ]} y la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas . ^{[ 135 ]}

También se están llevando a cabo investigaciones sobre la aplicación de biocarbón a suelos gruesos en ecosistemas semiáridos y degradados. En Namibia , se está explorando el biocarbón como una medida de adaptación al cambio climático , fortaleciendo la resiliencia a la sequía y la seguridad alimentaria de las comunidades locales mediante la producción y aplicación local de biocarbón a partir de la abundante biomasa de especies invasoras . ^{[ 136 ]}^{[ 137 ]}^{[ 138 ]} En Australia se han explorado soluciones similares para pastizales afectados por la invasión de plantas leñosas . ^{[ 139 ]}

En los últimos años, el biocarbón ha despertado interés como medio de filtración de aguas residuales, así como por su capacidad de adsorción de contaminantes de aguas residuales, como productos farmacéuticos, productos de cuidado personal ^{[ 140 ]} y sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas ^{[ 141 ]}^{[ 142 ]}^[¹⁴³^] .

En algunas áreas, el interés y el apoyo de los ciudadanos al biocarbón motivan la investigación gubernamental sobre los usos del biocarbón. ^{[ 144 ]}^{[ 145 ]}

Estudios

Se han examinado los efectos a largo plazo del biocarbón en el secuestro de carbono utilizando suelo de campos de cultivo en Bélgica con manchas negras enriquecidas con carbón vegetal que datan de antes de 1870, procedentes de hornos de carbón vegetal. Este estudio demostró que el suelo tratado durante un largo período con carbón vegetal presentaba una mayor proporción de carbono derivado del maíz y una respiración reducida, atribuida a la protección física, la saturación de carbono de las comunidades microbianas y, potencialmente, una producción primaria anual ligeramente mayor. En general, este estudio evidencia la capacidad del biocarbón para mejorar el secuestro de carbono mediante la reducción de la renovación del carbono. ^{[ 146 ]}

El biocarbón secuestra carbono en los suelos debido a su prolongado tiempo de residencia, que oscila entre años y milenios. Además, el biocarbón puede promover el secuestro indirecto de carbono al aumentar el rendimiento de los cultivos y, potencialmente, reducir la mineralización del carbono. Estudios de laboratorio han evidenciado los efectos del biocarbón en la mineralización del carbono utilizando ¹³Firmas C. ^{[ 147 ]}

El análisis de fluorescencia de la materia orgánica disuelta en suelo enmendado con biocarbón reveló que la aplicación de biocarbón aumentó un componente fluorescente similar al húmico, probablemente asociado con el carbono del biocarbón en solución. El enfoque combinado de espectroscopia y microscopía reveló la acumulación de carbono aromático en puntos discretos en la fase sólida de los microagregados y su colocalización con minerales arcillosos en suelos enmendados con residuos crudos o biocarbón. La aplicación de biocarbón redujo consistentemente la colocalización de carbono aromático y carbono de polisacáridos. Estos hallazgos sugieren que la reducción del metabolismo del carbono es un mecanismo importante para la estabilización del carbono en suelos enmendados con biocarbón. ^{[ 148 ]}

Véase también

Referencias

↑ Khedulkar, Akhil Pradiprao; Dang, Van Dien; Thamilselvan, Annadurai; Doong, Ruey-an; Pandit, Bidhan (30 de enero de 2024). "Supercondensadores sostenibles de alta energía: compuestos de biocarbón de residuos agrícolas y óxido metálico que allanan el camino hacia un futuro más verde" . Journal of Energy Storage . 77 109723. Bibcode : 2024JEnSt..7709723K . doi : 10.1016/j.est.2023.109723 . ISSN 2352-152X .
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1 2 3 4 Lehmann 2007a , pp. 381–387 : "Se encuentran suelos similares, aunque con menor frecuencia, en otras partes del mundo. Hasta la fecha, los científicos no han podido reproducir completamente las propiedades beneficiosas de crecimiento de la terra preta . Se hipotetiza que parte de los supuestos beneficios de la terra preta requieren que el biocarbón envejezca para aumentar la capacidad de intercambio catiónico del suelo, entre otros posibles efectos. De hecho, no hay evidencia de que los nativos elaboraran biocarbón para el tratamiento del suelo, sino más bien para combustible vegetal transportable; hay poca evidencia que respalde cualquier hipótesis que explique la frecuencia y la ubicación de los parches de terra preta en la Amazonia. Los pozos de carbón abandonados u olvidados durante siglos fueron finalmente recuperados por el bosque. En ese tiempo, los efectos negativos inicialmente severos del carbón (pH alto, contenido extremo de cenizas, salinidad) se atenuaron y se volvieron positivos a medida que el ecosistema del suelo forestal saturó el carbón con nutrientes." (citas internas omitidas)
Véase nota 2 en la página 386: «Solo el biocarbón envejecido muestra una alta retención de cationes, como en las Tierras Oscuras Amazónicas. A altas temperaturas (30–70 °C), la retención de cationes se produce en pocos meses. Actualmente se desconoce el método de producción que permitiría alcanzar una alta capacidad de intercambio catiónico (CIC) en suelos de climas fríos».
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Véase nota 2 en la página 386: «Solo el biocarbón envejecido muestra una alta retención de cationes, como en las Tierras Oscuras Amazónicas. A altas temperaturas (30–70 °C), la retención de cationes se produce en pocos meses. Actualmente se desconoce el método de producción que permitiría alcanzar una alta capacidad de intercambio catiónico (CIC) en suelos de climas fríos».

[12] Glaser, Lehmann y Zech 2002 , págs. 219-220 : "Estas denominadas Terra Preta do Indio (Terra Preta) caracterizan los asentamientos de los indígenas precolombinos. En los suelos de Terra Preta, grandes cantidades de carbono negro indican un aporte elevado y prolongado de materia orgánica carbonizada, probablemente debido a la producción de carbón vegetal en hogares, mientras que solo se añaden pequeñas cantidades de carbón vegetal a los suelos como resultado de incendios forestales y técnicas de tala y quema." (citas internas omitidas)

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[92] El Dr. Wardle señala que se ha observado un mejor crecimiento de las plantas en suelos tropicales (agotados) citando a Lehmann, pero que en el bosque boreal (con alto contenido de materia orgánica nativa del suelo ) donde se realizó este experimento, se aceleró la pérdida de materia orgánica nativa del suelo. Wardle, supra nota 18. ("Aunque varios estudios han reconocido el potencial del carbono negro para mejorar el secuestro de carbono del ecosistema, nuestros resultados muestran que estos efectos pueden verse parcialmente contrarrestados por su capacidad de estimular la pérdida de carbono nativo del suelo, al menos en los bosques boreales.") (citas internas omitidas) (énfasis añadido).

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