Bioenergy feedstock production on abandonned agricultural land in Europe - A spatially explicit life cycle analysis

Abstract

Forlatte jordbruksareal har vist seg som de mest lovende områdene for produksjon av bioenergi som vil minimere konkurranse med arealbruk med mat og tilhørende negative sosiale og miljømessige konsekvenser. Her undersøker vi den romlige variasjonen i miljøytelsen fra storskala produksjonen av bioenergi råstoff fra tre lovende flerårige avlinger dyrket på forlatt avlingsland i Europa. Ulike vannforsyning og høstingstidspunkt er konsisert og sammenlignet for å identifisere praksis som kan minimere miljøbelastningen. Til slutt utforsker dette arbeidet potensialet og variasjonen i karbonbinding i jord fra biomasseproduksjon. Ved å bruke LCAmetodikken og romlig eksplisitte estimater for avkastning og vannkrav fra GAEZ, beregnes livssykluspåvirkningene for forlatt avlingsland i Europa med en romlig oppløsning på 5 buminutter. Resultatene viser at switchgrass generelt har det største biomasseproduksjonspotensialet i Europa sammen med den laveste miljøpåvirkningen per produsert tonn. Irrigasjon øker potensialet for biomasse med 131% i gjennomsnitt til en kostnad av 300% økning i klimaendringseffekten. Forsinkelse av høsting på den annen side forbedrer miljøytelsen per tonn produsert tørrstoff. Dette arbeidet identifiserte områder i Sentraleuropa som omgir fjell og områder nordøst i Europa for å vise den beste biomasse produksjonseffektiviteten (laveste påvirkning per produsert tonn). Områder i Nord-Øst-Europa faller også sammen med et høyt karbon-sekvestreringspotensial. Resultatene som er rapportert her, støtter funnene om at vanning generelt bør unngås for bioenergiproduksjon [1 23] og at forsinket høsting forbedrer miljøprestasjonen til en pris av stor nedgang i utbyttet (29% i gjennomsnitt). Fremtidig forskning bør konsentrere seg om å utvikle mer pålitelige estimater av jordiske organiske karbonforandringer under flerårige avlinger, slik at de systematisk kan inkluderes i livssyklusanalyse. Bedre redegjørelse for den romlige variasjonen i næringsstoffbehov, spesielt nitrogen virker også avgjørende for å identifisere områder med stort potensial og lite miljøbelastning.

Abandonned agricultural land have emerged as the most promising areas for the production of bioenergy that would minimize land use competition with food and associated negative social and environmental impacts. Here, we investigate the spatial variability of the environmental performance from the large scale production of bioenergy feedstock from three promising perennial crops grown on abandonned cropland in Europe. Different water supply and harvest timing are consisered and compared to identify practices that could minimize the environmental impact. Finally, this work explores the potential and variability of soil carbon sequestration from biomass production. Using the LCA methodology and spatially explicit yield and water requirements estimates from GAEZ, life cycle impacts are computed for abandonned cropland in Europe at a spatial resolution of 5 arcminutes. Results show that switchgrass generally hold the greatest biomass production potential for Europe alongside with the lowest environmental impact per ton produced. Irrigation increases biomass production potential by 131% on average at the cost of a 300% increase in climate change impact. Delaying harvest in the other hand improves environmental performance per ton of dry matter produced. This work identified areas of central Europe surrounding mountains and areas in the north-east of Europe to show the best biomass production efficiency (lowest impact per ton produced). Areas of north-east Europe also coincide with high soil carbon sequestration potential. Results reported here support the findings that irrigation should generally be avoided for bioenergy production [1] and that delayed harvest improves environmental performance at the cost of large decrease in yield (29% on average). Future research should concentrate on developing more reliable estimates of soil organic carbon changes under perennial crops so that they can systematically be included in life cycle analysis. Better accounting for the spatial variability of nutrient requirements, especially nitrogen also appears crucial in identifying areas with high potential and low environmental impacts.