thumb|300px|Carbón vegetal.|alt=Biocarbón Biochar (de origen inglés, a partir de bio- y charcoal, "carbón vegetal"; también llamado 'biocarbón' en español) es el nombre que recibe el carbón vegetal cuando es empleado como enmienda para el suelo. Es decir, es biomasa de origen vegetal procesada por medio de la pirólisis (descomposición térmica en ausencia de oxígeno).
Este uso del carbón se está investigando como una forma de secuestrar carbono para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Por lo tanto, este sistema tiene el potencial de ayudar a mitigar el cambio climático. Se afirma que el biochar puede incrementar la fertilidad en suelos ácidos (suelos con bajo pH), incrementar la productividad agrícola y brindar protección contra algunas enfermedades foliares y edáficas. Además, se dice que podría ayudar a reducir la presión que se viene ejerciendo sobre los bosques. El biochar es un material estable, rico en carbono, y puede perdurar en el suelo durante miles de años.
Historia Los indígenas precolombinos de la Amazonia crearon un suelo de gran productividad conocido como tierra negra amazónica (en portugués: terra preta), que entre otros componentes contenía carbón vegetal. No está claro si este carbón se incorporaba al suelo con la intención de mejorar sus propiedades o de si se trata de un fenómeno accidental. Lo producían aplicando combustión latente con sus desechos agrícolas (por ejemplo, cubriendo vegetación ardiente con tierra)Solomon, Dawit, Johannes Lehmann, Janice Thies, Thorsten Schafer, Biqing Liang, James Kinyangi, Eduardo Neves, James Petersen, Flavio Luizao, and Jan Skjemstad, Molecular signature and sources of biochemical recalcitrance of organic carbone in Amazonian Dark Earths, 71 Geochemica et cosmochemica ACTA 2285, 2286 (2007) en fosas o trincheras. Siguiendo observaciones y experimentos, un equipo de investigadores en la Guayana francesa planteó la hipótesis de que la lombriz de tierra amazónica Pontoscolex corethrurus podría ser la agente principal en el proceso de pulverización e incorporación de los restos de carbón a la capa mineral del suelo.
El término 'biochar' fue acuñado por Peter Read para definir el carbón usado como mejora del suelo.
Producción El biochar es un residuo alto en carbono y de grano fino que hoy en día es producido a través de modernos procesos de pirólisis, que es una descomposición directa de la biomasa por medio del calor y en ausencia de oxígeno —lo cual evita la combustión— para obtener una serie de productos sólidos (biochar), líquidos (biocombustible) y gaseosos (gas sintetizado). El rendimiento específico de la pirólisis depende de las condiciones del proceso, como la temperatura, y puede ser optimizado para producir tanto energía como biochar. ("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 MW-1 of electricity generated where the pyrolysis process is optimized for energy and 120 to 360 kg MW-1 where biochar is applied to land. This compares to emissions of 600–900 kg CO2 MW-1 for fossil-fuel-based technologies.) Temperaturas de 400–500 °C (752–932 °F) producen más carboncillo, mientras que temperaturas sobre 700 °C (1,292 °F) favorecen el rendimiento de los componentes líquidos y en gas para combustible. (See Table 1 for differences in output for Fast, Intermediate, Slow, and Gasification). La pirólisis ocurre más rápidamente con temperaturas más altas, típicamente requiere segundos en lugar de horas. Pirólisis de altas temperaturas también son conocidas como gasificación, y primordialmente producen gas sintetizado. Los rendimientos típicos son 60% de biocombustible, 20% de biochar y 20% gas sintetizado. En comparación, pirólisis lentas pueden producir sustancialmente más carboncillo (~50%). Una vez iniciados, ambos procesos generan energía neta. Para entradas típicas, la energía necesaria para correr un pirolizador 'rápido' es de aproximadamente el 15% de la energía que sale. "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." Plantas modernas de pirólisis pueden usar el gas sintetizado que generan por medio del mismo proceso pirolítico y sacar de 3 a 9 veces la cantidad de energía necesaria para su funcionamiento.
El método amazónico de fosa y trinchera no produce ni biocombustible ni gas sintetizado y libera hacia el aire una gran cantidad de CO2, carbono negro, entre otros gases de invernadero (GEI) y potencialmente, toxinas. Los sistemas a escala comercial procesan desechos agrícolas, subproductos del papel e incluso desechos municipales y normalmente eliminan estos efectos secundarios al capturar y emplear los productos líquidos y gaseosos.
Sistemas móviles, centralizados y descentralizados
En un sistema centralizado, toda la biomasa de una región es llevada a una planta central de procesamiento. Alternativamente, cada agricultor o grupo de agricultores pueden operar un kiln de baja tecnología. Y finalmente, un camión equipado con un pirolizador puede moverse de un lugar a otro para pirolizar biomasa. La potencia del vehículo viene del flujo de gas sintetizado mientras que el biochar permanece en la finca. El biocombustible es enviado a una refinería o sitio de almacenamiento. Factores que influyen en la elección del tipo de sistema incluyen el costo del transporte de los subproductos sólidos y líquidos, la cantidad de material que va a ser procesado y la capacidad de alimentar directamente al sistema eléctrico.
Para cultivos que no son exclusivamente para producción de biochar, la proporción de residuo/producto (PRP) y el factor de colección (FC) —el porcentaje de residuos que no se emplean para otras cosas—, miden la cantidad aproximada de materia prima que puede ser obtenida por pirólisis tras cosechar los productos primarios. Por ejemplo, Brasil cosecha aproximadamente 460 millones de toneladas de caña de azúcar anualmente, con un PRP de 0.30 y un FC de 0.70 en ápices foliares de caña de azúcar que normalmente son quemados en el campo.Perera, K.K.C.K., P.G. Rathnasiri, S.A.S. Senarath, A.G.T. Sugathapala, S.C. Bhattacharya, and P. Abdul Salam, Assessment of sustainable energy potential of non-plantation biomass resources in Sri Lanka, 29 Biomass & Bioenergy 199, 204 (2005) (showing RPRs for numerous plants, describing method for determining available agricultural waste for energy and char production). Esto traduce aproximadamente 100 millones de toneladas de residuo anual que podría ser pirolizado para generar energía y crear aditivos para el suelo. Si se añadiera el bagazo (desechos de la caña) (PRP=0.29 FC=1.0), que por el contrario es ineficientemente quemado en calderas, se incrementaría el total hasta 230 millones de toneladas de materia prima para pirólisis. Sin embargo, algunos residuos de las plantas deben permanecer en el suelo para evitar incremento en los costos y emisiones provenientes de los fertilizantes nitrogenados. "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."
Las tecnologías de pirólisis para procesamiento de biomasa foliar producen tanto biochar como gas sintetizado.
Despolimerización termo-catalítica
De manera alternativa, la despolimerización termo-catalítica que utiliza microondas, recientemente ha sido usada de manera eficiente para convertir materia orgánica en biochar a escala industrial, produciendo ~50% de carboncillo.
Usos
Sumidero de carbono
La quema y descomposición natural de biomasa y en particular los desechos agrícolas envían grandes cantidades de a la atmósfera. Dado que el biochar es un material estable, fijo, puede almacenar enormes cantidades de gases de invernadero en el suelo durante siglos, reduciendo potencialmente el aumento en los niveles de gases de invernadero atmosférico; al mismo tiempo, su presencia en la tierra puede mejorar la calidad del agua, incrementar la fertilidad del suelo, elevar la productividad agrícola y reducir la presión sobre los bosques vírgenes.
El biochar puede secuestrar carbono en el suelo por cientos y hasta miles de años, como el carbón mineral. Not only do biochar-enriched soils contain more carbon - 150gC/kg compared to 20-30gC/kg in surrounding soils - but biochar-enriched soils are, on average, more than twice as deep as surrounding soils. "this sequestration can be taken a step further by heating the plant biomass without oxygen (a process known as low-temperature pyrolysis)." "pyrolysis produces 3–9 times more energy than is invested in generating the energy. At the same time, about half of the carbon can be sequestered in soil. The total carbon stored in these soils can be one order of magnitude higher than adjacent soils. Una tecnología de carbono negativo impulsaría una retirada neta de CO2 de la atmósfera, al mismo tiempo que se produce y consume energía.” Esta técnica es recomendada por prominentes científicos como James Hansen, director del Instituto Goddard para estudios espaciales de la NASA, o James Lovelock, creador de la hipótesis Gaia para la mitigación del calentamiento global a través de la remediación de gases de efecto invernadero.
Los investigadores han estimado que un uso sostenible de biochar podría reducir las emisiones globales netas de dióxido de carbono (), metano y óxido nitroso hasta en 1.8 Pg de -C equivalente (-Ce) por año (12% de las actuales emisiones -Ce generadas por el hombre; 1 Pg=1 Gt), y las emisiones totales netas durante el transcurso del próximo siglo por 130 Pg -Ce, sin poner en riesgo la seguridad alimentaria, el hábitat, o la conservación del suelo.
Enmienda para el suelo
El biochar está reconocido como proveedor de numerosos beneficios para la salud del suelo. Muchos de ellos se deben a su naturaleza extremadamente porosa. Se ha encontrado que tal estructura es muy efectiva para retener tanto agua como nutrientes hidrosolubles. La edafóloga Elaine Ingham resaltaIngham, Elaine [http://www.needfire.info/home/interview-with-dr-elaine-ingham ,(2015) la idoneidad del biochar como hábitat para innumerables microorganismos benéficos del suelo. Ella señala que cuando se han incorporado previamente estos microorganismos benéficos el biochar se vuelve una enmienda poderosamente efectiva en la formación de suelos ricos, y por ende, plantas más saludables.
También se ha visto que el biochar es capaz de reducir el filtrado de E-coli a través de suelos arenosos dependiendo de su tasa de aplicación, materias primas, temperatura de la pirólisis, contenido de humedad del suelo, textura de éste y propiedades superficiales de la bacteria.Bolster, C.H., and Abit, S.M. (2012) Biochar pyrolyzed at two temperatures affects Escherichia coli transport through a sandy soil. Journal of Environmental Quality 41:124-133Abit, S.M., Bolster, C.H., Cai, P., and Walker, S.L. (2012) Influence of feedstock and pyrolysis temperature of biochar amendments on transport of Escherichia coli in saturated and unsaturated soil. Environmental Science and Technology 46:8097-8105Abit, S.M., Bolster, C.H., Cantrell, K.B., Flores, J.Q., and Walker, S.L. (2014) Transport of Escherichia coli, Salmonella typhimurium, and microspheres in biochar-amended soils with different textures. Journal of Environmental Quality 43:371-378
Para plantas que requieren altos contenidos de potasa y pHs elevados,Lehmann, Johannes, and Jose Pereira da Silva Jr., Christoph Steiner, Thomas Nehls, Wolfgang Zech, & Bruno Glaser, Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin: fertilizer, manure and charcoal amendments, 249 Plant & Soil 343, 355 (2003) el biochar puede usarse como enmienda edáfica para mejorar su rendimiento.