DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-025-00527-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41664687
تاريخ النشر: 2026-02-08
المؤلف: Yuzhou Tang وآخرون
الموضوع الرئيسي: عمليات تحويل الكتلة الحيوية الحرارية الكيميائية
نظرة عامة
يواجه القطاع الزراعي تحديات كبيرة في تقليل انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) من إدارة المخلفات، حيث يظهر الفحم الحيوي كاستراتيجية فعالة لإزالة الكربون. ومع ذلك، فإن اعتماده يعيقه الحواجز التقنية والتنظيمية والاقتصادية، وخاصة غياب تصاميم النظام التي يمكن أن تعالج عدة مواد خام مع الالتزام باللوائح المتعلقة بتطبيقات الأراضي. تقدم هذه الدراسة نظام إنتاج فحم حيوي متكامل يستخدم خطوط بيوكيميائية متوازية لمعالجة القش والسماد بشكل منفصل، مما يحسن من استخدام الطاقة الداخلية. أجريت الدراسة في مزرعة أبحاث جامعة ليدز، وتكشف التقييمات البيئية والاقتصادية أن النظام يمكن أن ينتج 300 طن من الفحم الحيوي سنويًا، ويخزن 350 طن من مكافئ CO₂ (CO₂e)، ويقلل من انبعاثات إدارة السماد بنسبة 75%، مع تجنب 30 طن إضافية من CO₂e من خلال استخدام الحرارة الزائدة. التكلفة المقدرة لتقليل الكربون هي 226 جنيه إسترليني لكل طن من CO₂e، متأثرة بشكل أساسي بتكاليف رأس المال والتشغيل والكهرباء.
تشير النتائج إلى أن توفر القش، المتأثر بالعائد ودورة المحاصيل، هو العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على أداء النظام. تسلط الدراسة الضوء على أنه في سنوات انخفاض عائد القش، فإن الحصول على قش خارجي هو الاستراتيجية الأكثر فعالية للتخفيف من نقص الحرارة، مما يبرز الفوائد المحتملة لأنظمة الفحم الحيوي المجتمعية. لا يلتزم نموذج الإنتاج المتوازي المقترح بالمتطلبات التنظيمية فحسب، بل يعزز أيضًا كفاءة الطاقة من خلال دمج الحرارة. بينما يظهر النظام مساهمة ذات مغزى في التخفيف من تغير المناخ، تشير تكاليفه العالية نسبيًا إلى الحاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من الافتراضات وتوسيع تطبيق النظام عبر سياقات زراعية متنوعة. يجب أن تأخذ التحقيقات المستقبلية أيضًا في الاعتبار آثار ممارسات إدارة القش البديلة لتعزيز قوة النتائج.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة للقطاع الزراعي في المملكة المتحدة لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) كجزء من التزام البلاد بتحقيق صافي صفر بحلول عام 2050. الزراعة مسؤولة عن حوالي 12% من إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة في المملكة المتحدة، مع مساهمة إدارة السماد بنحو 10% من هذا الرقم. يؤدي الإدارة غير الفعالة لمخلفات المحاصيل، مثل القش، إلى تفاقم الانبعاثات وفقدان الموارد، مما يمثل فرصة لإعادة استخدام هذه المواد في التخفيف من تغير المناخ. يتم تحديد الفحم الحيوي، الذي يتم إنتاجه من خلال التحلل الحراري لمخلفات الكتلة الحيوية، كاستراتيجية واعدة لإزالة غازات الدفيئة (GGR) التي لا تخزن الكربون فحسب، بل تعزز أيضًا من وظائف التربة وتقلل من انبعاثات غازات الدفيئة من التربة.
على الرغم من إمكانياته، فإن اعتماد أنظمة الفحم الحيوي في الزراعة يعيقه تحديات عملية وتقنية وتنظيمية، بما في ذلك نقص نماذج التنفيذ القابلة للتطبيق في إعدادات المزارع الواقعية واللوائح المانعة لتطبيق الفحم الحيوي من المخلفات المختلطة على الأراضي. تقترح هذه الدراسة نموذج إنتاج فحم حيوي متكامل ومتوازي يعالج القش والسماد في خطوط مخصصة للحفاظ على الامتثال التنظيمي مع تحسين استخدام الطاقة من خلال استرداد الحرارة الزائدة. يهدف النموذج إلى تحسين كفاءة الطاقة ومرونة التشغيل، مع معالجة المحتوى العالي من الرطوبة في السماد وتكاليف الطاقة المرتبطة به. من خلال ربط هذا التصميم المبتكر مع تقييم دورة الحياة (LCA) وتقييم تقني اقتصادي (TEA)، تقوم الدراسة بت quantifying الفوائد البيئية والاقتصادية للنظام المقترح، مما يساهم في جهود إزالة الكربون في المزارع.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام منهجية تقييم تأثير دورة الحياة (LCIA) لتقييم الآثار البيئية لنظام الفحم الحيوي المقترح مقارنة بالممارسات الزراعية الحالية. استخدم التقييم مقياس الإمكانات العالمية للاحتباس الحراري لمدة 100 عام (GWP100) لت quantifying انبعاثات غازات الدفيئة (GHG)، مع التركيز على الانبعاثات المباشرة من النظام، وتخزين الكربون من خلال تطبيق الفحم الحيوي، والانبعاثات التي تم تجنبها من استرداد الحرارة الزائدة. من الجدير بالذكر أن الانبعاثات الناتجة عن إنتاج المنتجات الثانوية الزراعية، مثل القش والسماد، تم استبعادها، وكذلك انبعاثات CO₂ البيوجينية المنبعثة أثناء التحلل الحراري. تم تحديد إمكانات تخزين الكربون للفحم الحيوي بناءً على استقراره في التربة على مدى 100 عام، حيث أظهر الفحم الحيوي المستخرج من القش نسبة مولارية من الهيدروجين إلى الكربون (H:C) أقل من 0.4 واستقرارًا مقدرًا بنسبة 70%، بينما كان للفحم الحيوي المستخرج من السماد نسبة 0.41 واستقرار بنسبة 60%. تم تحويل انبعاثات غازات الدفيئة من الميثان (CH₄) وأكسيد النيتروز (N₂O) إلى مكافئات CO₂ باستخدام عوامل GWP الخاصة بها.
بالنسبة للتحليل التقني الاقتصادي (TEA)، قارن الدراسة سيناريو الأساس الذي يعكس العمليات الزراعية الحالية مع نظام إنتاج الفحم الحيوي المحسن. أخذ التحليل في الاعتبار جميع التكاليف المرتبطة بإنتاج الفحم الحيوي، بما في ذلك نفقات رأس المال والتشغيل، ومعالجة المواد الخام، واستهلاك الطاقة. تم اشتقاق تكاليف المعدات من نماذج محددة وتم تعديلها باستخدام عامل قياس، مع تطبيق معدل خصم بنسبة 5% على النفقات الرأسمالية السنوية. تضمنت الافتراضات الرئيسية تكلفة الكهرباء 25.3 بنس/كيلوواط ساعة وتكلفة المياه 1.71 جنيه إسترليني/م³. بينما تسهم الحرارة الزائدة من نظام الفحم الحيوي في تجنب انبعاثات غازات الدفيئة، لم يتم تضمين فوائدها الاقتصادية في التحليل، مما يشير إلى أن دمجها يمكن أن يعزز من جدوى النظام الاقتصادية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن نظام إنتاج الفحم الحيوي المتوازي المقترح يمكن أن يحقق انبعاثات سلبية صافية من غازات الدفيئة (GHG) على مستوى المزرعة. تشمل العوامل الرئيسية التي تسهم في هذه النتيجة تقليلًا كبيرًا في الانبعاثات من إدارة السماد، حيث يعالج سيناريو RB 75% من المادة الجافة في السماد، مما يؤدي إلى انخفاض بنسبة 75% في الانبعاثات المرتبطة. بالإضافة إلى ذلك، سهل إنتاج الفحم الحيوي تخزين الكربون بشكل كبير، حيث يمثل 39% من إجمالي الانبعاثات في سيناريو RF، بينما ساهمت الحرارة الزائدة من النظام في تجنب 29 طنًا من انبعاثات مكافئ CO₂. كانت الانبعاثات من نظام الفحم الحيوي نفسه ضئيلة نسبيًا، حيث تمثل فقط 15% من إجمالي الكربون المخزن، ويرجع ذلك أساسًا إلى عمليات التحلل الحراري.
من منظور اقتصادي، كشف التحليل التقني الاقتصادي (TEA) أن سيناريو RB تطلب استثمارًا سنويًا كبيرًا قدره 218,055 جنيه إسترليني، مما يتناقض بشكل حاد مع التكاليف الضئيلة لسيناريو RF. أسفر سيناريو RB عن تقليل 997.5 طن من انبعاثات مكافئ CO₂ بتكلفة 225.6 جنيه إسترليني لكل طن، بينما أنتج 295.5 طن من الفحم الحيوي بتكلفة وحدة قدرها 753.9 جنيه إسترليني لكل طن. كانت أكبر مكون تكلفة هي النفقات الرأسمالية السنوية (CAPEX)، المدفوعة أساسًا بمعدات التحلل الحراري وإزالة الماء، إلى جانب نفقات التشغيل الكبيرة (OPEX) التي تعزى إلى العمالة واستهلاك الكهرباء، والتي شكلت حوالي 30% من إجمالي التكاليف.
مناقشة
هدفت الدراسة إلى تقييم نظام إنتاج فحم حيوي متكامل للمزارع الصغيرة، مع التركيز على معالجة المخلفات الزراعية بشكل منفصل، والامتثال التنظيمي، وكفاءة الطاقة. باستخدام مزرعة أبحاث جامعة ليدز كدراسة حالة، قامت الدراسة بتقييم الجدوى التقنية وإمكانات إزالة غازات الدفيئة (GHG) للنظام المقترح، مقارنةً بالآثار البيئية لإنتاج الفحم الحيوي (سيناريو RB) ضد الممارسات الحالية (سيناريو RF). استخدم التحليل تقييم دورة الحياة من المهد إلى اللحد (LCA) وسلط الضوء على تخفيضات كبيرة في غازات الدفيئة، حيث حقق النظام انخفاضًا بنسبة 75% في الانبعاثات من إدارة السماد وخزن 350 طنًا من الكربون سنويًا. ومع ذلك، تظل تكلفة الإنتاج البالغة حوالي 754 جنيه إسترليني لكل طن من الفحم الحيوي مرتفعة مقارنةً بأسعار الكربون الحالية، مما يتطلب تقليلًا بنسبة حوالي 70% في التكاليف لتحقيق الجدوى الاقتصادية.
أشار جرد دورة الحياة (LCI) إلى أن انبعاثات غازات الدفيئة من إدارة السماد كانت المساهم الرئيسي في سيناريو الأساس، بينما شمل سيناريو إنتاج الفحم الحيوي انبعاثات من السماد غير المعالج ومتطلبات الطاقة لعمليات التحلل الحراري والتجفيف. كشفت تحليلات الحساسية أن إنتاج القش يؤثر بشكل كبير على كل من تكلفة الفحم الحيوي وتكاليف تقليل غازات الدفيئة، حيث تلعب دورة المحاصيل وتغير العائدات أدوارًا حاسمة. تضمنت الاستراتيجيات للتخفيف من نقص الطاقة بسبب انخفاض عائدات القش شراء القش، وتقليل معالجة السماد، أو استخدام الكهرباء، حيث برز شراء القش كأكثر الطرق فعالية للحفاظ على توازن الطاقة وتعزيز الفوائد البيئية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية أن تقدم أنظمة الفحم الحيوي مزايا بيئية كبيرة مع تسليط الضوء على الحاجة إلى تحسين التكاليف والتقدم التكنولوجي لتحسين الجدوى الاقتصادية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-025-00527-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41664687
Publication Date: 2026-02-08
Author(s): Yuzhou Tang et al.
Primary Topic: Thermochemical Biomass Conversion Processes
Overview
The agricultural sector faces significant challenges in reducing greenhouse gas (GHG) emissions from residue management, with biochar emerging as a viable carbon removal strategy. However, its adoption is hindered by technical, regulatory, and economic barriers, particularly the absence of system designs that can process multiple feedstocks while adhering to land application regulations. This study presents an integrated biochar production system that utilizes parallel pyrolysis lines to separately process straw and manure, optimizing internal energy use. Conducted at the University of Leeds Research Farm, the environmental and economic assessments reveal that the system can produce 300 tons of biochar annually, sequester 350 tons of CO₂ equivalent (CO₂e), and reduce manure management emissions by 75%, with an additional 30 tons of CO₂e avoided through surplus heat utilization. The estimated carbon abatement cost is £226 per ton of CO₂e, influenced primarily by capital, operational, and electricity costs.
The findings indicate that straw availability, affected by yield and crop rotation, is the most significant factor impacting system performance. The study highlights that in years of low straw yield, procuring external straw is the most effective strategy to mitigate heat shortfalls, underscoring the potential benefits of community-based biochar systems. The proposed parallel production model not only complies with regulatory requirements but also enhances energy efficiency through heat integration. While the system demonstrates a meaningful contribution to climate change mitigation, its relatively high costs suggest the need for further research to validate assumptions and expand the system’s applicability across diverse agricultural contexts. Future investigations should also consider the implications of alternative straw management practices to enhance the robustness of the findings.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need for the agricultural sector in the United Kingdom to reduce greenhouse gas (GHG) emissions as part of the country’s commitment to achieving net-zero by 2050. Agriculture is responsible for approximately 12% of the UK’s total GHG emissions, with manure management contributing nearly 10% of this figure. Inefficient management of crop residues, such as straw, exacerbates emissions and resource loss, presenting an opportunity to repurpose these materials for climate mitigation. Biochar, produced through the pyrolysis of biomass residues, is identified as a promising greenhouse gas removal (GGR) strategy that not only sequesters carbon but also enhances soil functionality and reduces soil GHG emissions.
Despite its potential, the adoption of biochar systems in agriculture is hindered by practical, technical, and regulatory challenges, including the lack of viable implementation models for real-world farm settings and prohibitive regulations against the land application of biochar from mixed residues. This study proposes an integrated parallel biochar production model that processes straw and manure in dedicated lines to maintain regulatory compliance while optimizing energy use through surplus heat recovery. The model aims to improve energy efficiency and operational flexibility, addressing the high moisture content of manure and the associated energy costs. By coupling this innovative design with a life cycle assessment (LCA) and techno-economic assessment (TEA), the research quantifies the environmental and economic benefits of the proposed system, ultimately contributing to on-farm decarbonization efforts.
Methods
In this study, a life cycle impact assessment (LCIA) methodology was employed to evaluate the environmental implications of a proposed biochar system compared to current agricultural practices. The assessment utilized the 100-year global warming potential (GWP100) metric to quantify greenhouse gas (GHG) emissions, focusing on direct emissions from the system, carbon sequestration through biochar application, and avoided emissions from surplus heat recovery. Notably, emissions from the production of agricultural by-products, such as straw and manure, were excluded, as were biogenic CO₂ emissions released during pyrolysis. The carbon sequestration potential of biochar was determined based on its stability in soil over 100 years, with straw-derived biochar showing a hydrogen-to-carbon molar (H:C) ratio below 0.4 and an estimated stability of 70%, while manure-derived biochar had a ratio of 0.41 and 60% stability. GHG emissions from methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) were converted to CO₂ equivalents using their respective GWP factors.
For the techno-economic analysis (TEA), the study compared a baseline scenario reflecting current farm operations with an optimized biochar production system. The analysis accounted for all costs associated with biochar production, including capital and operating expenditures, feedstock handling, and energy consumption. Equipment costs were derived from specific models and adjusted using a scaling factor, with a discount rate of 5% applied to annualized capital expenditures. Key assumptions included an electricity cost of 25.3 pence/kWh and a water cost of £1.71/m³. While the surplus heat from the biochar system contributes to avoided GHG emissions, its economic benefits were not included in the analysis, suggesting that their incorporation could enhance the system’s economic viability.
Results
The results of the study indicate that the proposed parallel biochar production system can achieve net negative greenhouse gas (GHG) emissions at the farm level. Key factors contributing to this outcome include a significant reduction in emissions from manure management, with the RB scenario processing 75% of dry matter in manure, leading to a 75% decrease in associated emissions. Additionally, biochar production facilitated substantial carbon sequestration, accounting for 39% of total emissions in the RF scenario, while surplus heat from the system contributed to avoiding 29 tons of CO₂ equivalent emissions. The emissions from the biochar system itself were relatively minor, representing only 15% of the total sequestered carbon, primarily due to pyrolysis processes.
From an economic perspective, the techno-economic analysis (TEA) revealed that the RB scenario necessitated a considerable annual investment of £218,055, contrasting sharply with the negligible costs of the RF scenario. The RB scenario resulted in a reduction of 997.5 tons of CO₂ equivalent emissions at a cost of £225.6 per ton, while producing 295.5 tons of biochar at a unit cost of £753.9 per ton. The largest cost component was the annualized capital expenditure (CAPEX), primarily driven by pyrolysis and dewatering equipment, along with significant operational expenditures (OPEX) largely attributed to labor and electricity consumption, which accounted for approximately 30% of the total costs.
Discussion
The research aimed to evaluate an integrated biochar production system for small-scale farms, focusing on the separate processing of agricultural residues, regulatory compliance, and energy efficiency. Using the University of Leeds Research Farm as a case study, the study assessed the technical feasibility and greenhouse gas (GHG) removal potential of the proposed system, comparing the environmental impacts of biochar production (RB scenario) against existing practices (RF scenario). The analysis employed a cradle-to-grave life cycle assessment (LCA) and highlighted significant GHG reductions, with the system achieving a 75% decrease in emissions from manure management and sequestering 350 tons of carbon annually. However, the production cost of approximately £754 per ton of biochar remains high compared to current carbon pricing, necessitating a reduction of about 70% in costs for economic viability.
The life cycle inventory (LCI) indicated that GHG emissions from manure management were the primary contributor to the baseline scenario, while the biochar production scenario included emissions from untreated manure and energy requirements for pyrolysis and drying processes. Sensitivity analyses revealed that straw production significantly impacts both the cost of biochar and GHG abatement costs, with crop rotation and yield variability playing crucial roles. Strategies to mitigate energy shortfalls due to low straw yields included purchasing straw, reducing manure processing, or utilizing electricity, with purchasing straw emerging as the most effective approach for maintaining energy balance and enhancing environmental benefits. Overall, the findings underscore the potential for biochar systems to deliver substantial environmental advantages while highlighting the need for cost optimization and technological advancements to improve economic feasibility.