Advancing sustainable land and water management strategies for deployment of bioenergy production systems

Abstract

Bioenergy is a necessity in most climate change mitigation scenario limiting global warming to below 2°C at the end of century relative to pre-industrial times. The large landrequirements associated with large-scale production of dedicated bioenergy crops has led to concerns of how sustainability trade-offs with food security and biodiversity can be avoided. Irrigated bioenergy production can ramp-up bioenergy crop yields relative to rain-fed conditions and contribute to alleviate pressure on land resources, but risks increased water stress. Promising opportunities include targeting abandoned cropland or degraded cropland where a switch to bioenergy crops can co-deliver environmental benefits. These areas are not yet sufficiently mapped, sustainable irrigation expansion opportunities are unclear, and bioenergy and climate change mitigation potentials are still poorly understood. In this thesis, I integrate multiple models and approaches to determine sustainable bioenergy potentials, including satellite-based land cover data, a crop yield model, and datasets of water scarcity and availability. The thesis provides a first-of-its-kind spatially explicit and highresolution global assessment of cropland abandonment and associated management dependent bioenergy potentials. It contributes to unravel the complex interactions between bioenergy production and land and water use, considering opportunities for nature conservation and irrigation constraints induced by water scarcity. The likelihood of abandoned cropland to be developed is assessed by integrating suitable land with development potential indices. I also produced refined estimates of suitable abandoned areas for bioenergy production in the former Soviet Union, which is a region with major historical abandonment and irrigation expansion opportunities. Beyond abandoned cropland, the opportunity to deploy perennial bioenergy crops on areas threatened from soil erosion by wind and water is explored in a Nordic case study. Finally, I investigate the climate change mitigation potential of liquid biofuel production with and without carbon capture and storage (CCS) in Nordic countries and compare with achievable carbon dioxide removal through natural regrowth. I find 83 million hectares of abandoned cropland globally between 1992 and 2015. Global bioenergy potentials from recultivating abandoned cropland are 6-39 exajoules per year, or 11-68% of today’s bioenergy demand, depending on agricultural management, water use for irrigation, and land sparing efforts for nature conservation. A total of 20 exajoules per year is achievable by increasing global cropland extent with 3% and global agricultural blue water withdrawals by 8%, whilst avoiding production in biodiversity hotspots and irrigation in water scarce areas. Regions with both high bioenergy potentials from abandoned cropland and high development potentials are mainly found in Central America, southeastern parts of South America, Southeast Asia and in the southern parts of North America. Furthermore, the former Soviet Union is highlighted as a region with high land availability, high marginal energy gains of irrigation, and with opportunities for irrigation expansion. Refined bioenergy potentials on abandoned land in the former Soviet Union are 3.5 to 23 exajoules per year, with high-end estimates requiring complete irrigation. An upper potential of 9 exajoules per year is achievable through sustainable irrigation expansion. This would require recultivating 35 million hectares of land combined with 67 billion cubic meters per year of blue water withdrawals. Bioenergy production deployed on abandoned cropland and cropland threatened by soil erosion in Nordic countries can provide -7.4 to -18 megatons of carbon dioxide equivalents per year of climate change mitigation, depending on biorefinery technology and CCS availability. Natural regrowth on the same areas can provide -10 megatons of carbon dioxide equivalents per year of negative emissions. High bioenergy yields are key to ensure larger climate benefits than natural regrowth without gains in biorefinery energy conversion efficiency or CCS. Biofuel production outperforms natural regrowth in 61% of abandoned croplands with a current biorefinery technology, and nearly everywhere with technological gain. For willow deployed as windbreaks, improved biorefinery technology or CCS is typically required to outperform natural regrowth. Biofuel production delivers larger climate benefits on 17% of cropland threatened by soil erosion with current technologies, and on 95% of the land with improved energy conversion efficiencies and CCS. This work shows that current opportunities to sustainably deploy bioenergy crops exists at a scale which is meaningful for future climate change mitigation pathways. It is vital to simultaneously consider land and water use sustainability when designing bioenergy deployment strategies. Lack of proper governance risks increased land-use competition with trade-offs on food security and biodiversity, and to increase water stress due to unsustainable blue water withdrawals. With sustainable governance, bioenergy and BECCS will contribute to decarbonize the energy sector and deliver climate change mitigation, whilst co-delivering other environmental benefits and enhancing ecosystem services. The findings presented here helps enlighten the importance of sustainable land and water management strategies in bioenergy production systems and can essentially contribute to achieve global sustainability targets.

Sammendrag Bioenergi er en nøkkel i scenarioer som begrenser global oppvarming til under 2°C i 2100. De store arealkravene til dedikerte bioenergivekster i slike scenarioer har ledet til en debatt om hvordan utplassering av bioenergiproduksjon kan unngå å negativt påvirke matsikkerhet og biologisk manfold. Vanning kan bidra til økte avlinger og å lette trykket på landressurser, men risikerer også å skape økt vannmangel. Lovende muligheter for en bærekraftig ekspansjon av bioenergiproduksjon inkluderer å rekultivere tidligere dyrkamark, eller å konvertere forringet dyrkemark til bioenergiproduksjon hvor bioenergivekster kan bidra til å redusere degraderingsprosesser og gi miljøgevinster. Slike områder er til nå ikke tilstrekkelig kartlagt, ekspanderingspotensialet for bærekraftig vanning er uklart, og bioenergi- og klimavernpotensialer er ikke godt nok forstått. Her integrerer jeg flere modeller og datasett for å fastslå bærekraftige bioenergipotensialer, inkudert satellitbaserte landdata, vekstmodeller, og datasett på vanningsmuligheter. Avhandlingen presenterer den første høyoppløselige globale kartleggingen av tidligere dyrkamark og bioenergipotensialer på disse områdene. Den bidrar til å nøste opp de komplekse interaksjonene mellom bioenergipotensialer, arealbruk og vannbruk, tatt i betraktining muligheter for naturvern og tilgjengelige vannressurser. Gjennomførbarheten for å rekultiverere tidligere dyrkamark blir vurdert ved hjelp av indikatorer på lokalt utviklingspotensiale for bioenergiproduksjon. Forbedrede anslag av bioenergipotensialer blir produsert for den tidligere Sovietunionen, en region med mye historisk nedleggelse av dyrkamark over de siste tre tiårene og med store vanningsmulighter. Videre blir fokus også satt på mulgiheten for å introdusere bioenergivekster på dyrkamark som er truet av jorderosjon i et Nordisk case studie. Tilslutt kvantifiseres potensielle klimagevinster av å produsere biodrivstoff fra tidligere dyrkamark og på dyrkamark truet av jorderosjon, tatt i betraktning ulike bioraffineriteknologier og muligheten for karbonfangst og lagring (CCS). Jeg identifiserte 83 millioner hektar tidligere dyrkamark som ble nedlagt mellom 1992 og 2015. Bioenergipotensialer er 6-39 exajoule per år, eller 11-68% av dagens globale bioenergibruk, avhengig av landbruksdrift, naturvernstiltak og vanningsbruk. Det er et potensiale for å produsere 20 exajoule per år ved å øke globale landbruksarealer med 3% og globalt vannuttak for jordbruk med 8%, uten produksjon i hotspots for biologisk mangfold og uten vannuttak i områder med vannmangel. Regioner med både høye bioenergipotensialer og høy gjennomførbarhet for rekultivering inkluderer Mellom-Amerika, Sørøst-Asia, sørvestlige deler av Sør-Amerika, og sørøstlige deler av Nord-Amerika. Den tidligere Sovietunionen fremheves som en region med mye tidligere dyrkamark, høy marginal gevinst av vanning, og stort potensiale for vanningsekspansjon. Forbedrede estimater av bioenergipotensialer i den tidligere Sovietunionen er 3.5 til 23 exajoule per år, med høye potensialer avhengig av storstilt og ikke bærekraftig bruk av vanning. Et øvre potensial på 9 exajoule per år kan oppnås med bærekraftig vanning og innebærer å rekultivere 35 millioner hektar kombinert med 67 milliarder kubikkmeter blått vannuttak i den tidligere Sovietunionen. Produksjon av biodrivstoff på tidligere dyrkamark og på dyrkamark truet av jorderosjon i Norden kan oppnå en klimagevinst lik -7.4 til -18 megatonn karbondioksid-ekvivalenter per år, avhengig av bioraffineriteknologi og CCS bruk. Naturlig gjengroing kan gi negative utslipp lik -10 megatonn karbondioksid-ekvivalenter per år på de samme områdene. Høye avlinger er nøvendig for å sikre større klimagevinst ved produksjon av biodrivstoff enn naturlig gjengroing uten forbedringer i energikonverteringseffektivitet ved bioraffineriet eller CCS. Biodrivstoffproduksjon utkonkurrerer naturlig gjengroing på 61% av tidligere dyrkamark med dagens bioraffineriteknologi, og nesten overalt med CCS. For vindfang etablert med seljeproduksjon er forbedret energikonverteringseffektivitet eller CCS typisk nødvendig for å levere større klimagevinst enn naturlig gjengroing. Biodrivstoffsproduksjon er bedre enn naturlig gjengroing på 17% av jordbruksarealer truet av jorderosjon med dagens tilgjengelige bioraffineriteknologi, og på 95% av arealene med forbedret teknologi og CCS. Dette arbeidet viser at det finnes nåværende muligheter for en bærekraftig ekspansjon av bioenergiproduksjonssystemer på en stor nok skala til at det kan gi et meningsfult bidrag til globalt klimavern. Det må vurderes hvordan tilgjengelige land og vannressurser best kan forvaltes fra et bærekraftsperspektiv når gode strategier for bioenergiekspansjon skal designes. Uten tilstrekkelig forvaltning risikerer bioenergiproduksjon å negativt påvirke matsikkerhet og biologisk mangfold. Med god forvaltning vil bioenergiproduksjon bidra til å avkarbonisere energisystemet og levere ytterligere miljøgevinster gjennom reduserte degraderingsprosesser og forbedrede økosystemtjenester. Denne avhandlingen opplyser viktighten av bærekraftige arealbruksstrategier og vannforvaltning ved utplassering av storskala bioenergiproduksjon, og bidrar med nødvendig kunnskap i jakten på å nå globale bærekraftsmål.