Jørgensen, Susanne Vedel

Mål og afgrænsningMålet med dette PhD-projekt er at bidrage til en mere konsistent metode til livscyklusvurdering (LCA) af biomaterialer og at adressere den miljømæssige præstation samt perspektiver af biomaterialer. I særdeleshed er det målet at udvikle en metode til at håndtere midlertidig kulstoflagring i biomaterialer, på en måde der kvantificerer mulige klimaforandrings-’gevinster’ i forhold til at undgå at overskride nært forestående klimatiske grænseniveauer.Den geografiske afgrænsning i dette PhD-projekt er global, da fokus er på metodeudvikling og vurdering af biomaterialer på globalt plan. Den tidsmæssige afgræsning er defineret af den miljøpåvirkningskategori som tages i betragtning. Den teknologiske afgrænsning omfatter både aktuelle miljømæssige præstationer af biomaterialer og en diskussion af fremtidige perspektiver, herunder potentialer for fremtidig ændring i deres miljøpåvirkninger i forhold til fossile materialer.BaggrundNutidens samfund er i høj grad afhængigt af fossil olie og gas til fremstilling af brændstof, kemikalier og materialer, men mange af disse kan alternativt produceres af biomasse. Biomaterialers potentiale i forhold til at erstatte fossile materialer får øget opmærksomhed og den globale produktion af biomaterialer er stigende. Med den stigende efterspørgsel efter biomaterialer følger et stigende behov for viden om deres miljømæssige præstationer – både absolutte og i forhold til de tilsvarende petrokemiske materialer de kan erstatte. LCA er et almindeligt anvendt værktøj til miljøvurdering af produkter og systemer, som tager højde for miljøpåvirkningerne gennem hele deres livsforløb. Der er dog stadig betydningsfulde huller i metodegrundlaget for LCA’er af biomaterialer.Et sådant hul er håndteringen af værdien af den potentielle afbødning af klimaforandringer fra den midlertidige kulstoflagring som finder sted i biomaterialer, hvor der på nuværende tidspunkt ikke er konsensus. Andre vigtige miljøaspekter i forbindelse med biomaterialer, som i øjeblikket generelt ikke medtages i LCA, er påvirkninger relateret til arealanvendelse og ændringer i arealanvendelse (LULUC), såsom ændringer i biogene kulstoflagre (især inkluderende organisk kulstof i jorden), overflade albedo og biodiversitet, samt potentielle indirekte ændringer i arealanvendelse (ILUC) som følge af produktion af biomaterialer.Potentiel værdi af (midlertidig) kulstoflagringSom følge af eksistensen af klimatiske ’tippe-punkter’ (’tipping points’), som forventes at forårsage farlige og potentielt irreversible ændringer i klimasystemet hvis de overskrides, kan midlertidig kulstoflagring have et potentiale i form af at bidrage til at afbøde klimaændringerne. Dette potentiale er i form af at enten at undgå overskridelse af sådanne forventede tippe-punkter (forudsat at der bliver tale om ’afbødningsscenariet’ RCP3PD, hvor den atmosfæriske CO2-koncentration topper indenfor de kommende årtier) eller væsentligt udskyde overskridelsen (forudsat at der bliver tale om ’medium-stabiliseringsniveau-scenariet’ RCP6, hvor den atmosfæriske CO2-koncentration fortsætter med at stige frem mod år 2100).Udover værdien af midlertidig kulstoflagring i enkeltprodukter forventes resulterende ændringer i kulstoflagre, hvis petrokemiske materialer bliver erstattet af biomaterialer. Disse ændringer i kulstoflagre er mere langsigtede eller endda permanente, hvilket leder til en reduktion i kulstofstrømme fra fossile ressourcer, mens kulstofstrømme fra atmosfæren til biosfæren, og via denne til antroposfæren, potentielt forøges. Dette leder til en reduktion af mængden af kulstof lagret i atmosfæren, samt en forøgelse af den biogene kulstoflagring i antroposfæren. Denne tendens vil være permanent så længe biomaterialeproduktionen ikke formindskes eller udfases igen.CTP-tilgangenDen generelt anvendte tilgang til vurdering af klimaændringer i LCA, GWP, tager ikke hensyn til behovet for at forblive under klimatiske grænseniveauer og den afspejler ikke den øgede betydning af kortlivede drivhusgasser i forhold til nært forestående grænseniveauer.En metode til inddragelse af haste-aspektet i forhold til at undgå overskridelse af farlige klimatiske tippe-punkter ved vurdering af drivhusgasemissioner, det ’klimatiske tippe-potentiale’ (CTP) er blevet udviklet i dette PhD-projekt. Denne metode vurderer påvirkningerne af drivhusgasemissionerne frem til den potentielle overskridelse af et foruddefineret klimatisk grænseniveau. Denne påvirkning udtrykkes som en brøkdel af den atmosfæriske kapacitet til at absorbere påvirkningen uden at overskride grænseniveauet. CTP skal ses som et supplement til GWP, som fortsat skal gøre rede for de langsigtede klimapåvirkninger.CTP-metoden er desuden blevet videreudviklet til at tage højde for aspektet omkring midlertidig kulstoflagring og illustrere den potentielle afbødningsværdi af denne i forhold til at undgå overskridelse af farlige klimatiske grænseniveauer. CTP-karakteringsfaktorer for flere drivhusgasudviklingsscenarier og en række andre vigtige modelparametre er fremført, hvilket gør metoden anvendelig til direkte inklusion i LCA.Indflydelse af udvalgte ikke-standard påvirkninger fra arealanvendelse og ændringer iarealanvendelse (LULUC)Nogle af de påvirkninger der er forbundet med arealanvendelse og ændringer i arealanvendelse i forbindelse med produktion af biomasse, som generelt ikke medtages i LCA’er, er blevet adresseret via et teoretisk case study i dette PhD-projekt. Disse påvirkninger er ændringer i overflade albedo, biogene kulstofstrømme (inklusiv organisk kulstof i jorden) og biodiversitet. Alle tre typer påvirkning er her fundet at være potentielt vigtige for miljøpræstationen af den biobaserede produktion. Endvidere er der fundet potentielle kompromiser i mellem de forskellige typer miljøpåvirkninger. Dette understøtter behovet for at inkludere den bedst mulige vurdering af disse påvirkninger i LCA, for at få er realistisk billede af de samlede konsekvenser fra etablering af en biomasseråstof-afgrøde, og dermed af afledte produkter. Men der er en udfordring i form af eksempelvis metoder som er på et indledende niveau, samt kravene til tilgængelighed af lokale data.Tilgængeligt biomassepotentialeNår miljøfordelene ved biomaterialer relativt til fossilt-baserede materialer diskuteres er et vigtigt aspekt den bæredygtige tilgængelighed af biomasse til produktionen af biomaterialerne. Det anslås, at der vil være nok biomasseråstof til rådighed for fremtidig biomaterialeproduktion uden at konkurrere med fødevareproduktion om jorden, selv hvis hele det globale behov for organiske kemikalier (inklusive polymerer) baseres på biomasse i fremtiden. Men sandsynligvis vil der være en konkurrence med bioenergi, herunder biobrændstoffer, om biomassen.Miljøpræstationer af biomaterialerBiomaterialer klarer sig generelt bedre end tilsvarende petrokemiske materialer når det kommer til fossil brændstof besparelse og reduktioner i drivhusgasudledninger. Men i andre miljøpåvirkningskategorier klarer de sig ofte dårligere, f.eks. med hensyn til eutrofiering og forsuring, mens de også medfører arealanvendelse og hertil relaterede miljøpåvirkninger. Hvis der benyttes anden generations biomasse vil nogle af disse aspekter sandsynligvis forbedres. Det er vigtigt at forstå, at gruppen af biomaterialer er meget forskelligartet, både med hensyn til livscyklusveje og slutprodukter. Dette fører til forskellige miljøprofiler internt i gruppen af biomaterialer, og man skal derfor passe på med en ’én profil passer alle’-tankegang når det kommer til miljøvurdering af biomaterialer.Fremtidige perspektiverDa biomaterialer ofte er baseret på nye, og derfor ikke fuldt udviklede, teknologier forventes store forbedringspotentialer for disse teknologier i forhold til de konkurrerende petrokemiske teknologier, som er forholdsvis fuldt udviklede. Endvidere kan potentielle fremtidige ændringer i råmaterialer til både biomaterialer og fossile materialer ændre deres indbyrdes relative miljøpræstation.Goal and scopeThe goal of this PhD project is to contribute to a more consistent methodology for life cycle assessment (LCA) of biomaterials and to address the environmental performance and perspectives of biomaterials. In particular, it is the goal to develop an approach for dealing with temporary carbon storage in biomaterials, in a way that quantifies the potential climate change benefit in relation to avoiding crossing near-term climatic targets.The geographical scope in this PhD project is global, as the focus is on methodology development and assessment of biomaterials at a global level. The temporal scope is defined by the impact category considered. The technological scope includes both current environmental performance of biomaterials and a discussion of future perspectives, including potentials for future change in their environmental impacts compared to fossil based materials.BackgroundThe society today is highly dependent on fossil oil and gas for producing fuels, chemicals and materials, however many of those can alternatively be produced from biomass. The potential of biomaterials to substitute fossil based materials receives increased attention, and their global production is increasing. As the demand for biomaterials increases, so does the need for knowledge about their environmental performance – both in absolute terms and relative to the petrochemical counterparts that they may replace. LCA is a commonly used tool for assessing environmental sustainability of products and systems, accounting for the environmental impacts during their entire lifecycle. However, there are still important gaps in the methodology for LCAs of biomaterials.One such gap is the handling of the potential climate change mitigation value of the temporary storage of carbon that takes place in biomaterials, on which there is currently no consensus. Other important environmental aspects related to biomaterials that are currently not generally included in LCAs are land use and land use change (LULUC) related impacts, such as changes in biogenic carbon stocks (especially including soil organic carbon), surface albedo and biodiversity, as well as potential indirect land use changes (ILUC) of biomaterial production.Potential value of (temporary) carbon storageDue to the existence of climate tipping points, expected to induce dangerous and potentially irreversible changes in the climate system if crossed, temporary carbon storage may have a potential for contributing to mitigating climate change. This potential is in terms of either avoiding the crossing of such expected tipping points (assuming the mitigation scenario RCP3PD, where the atmospheric CO2 concentration peaks within the coming decades) or substantially postpone the crossing (assuming the medium stabilization level scenario RCP6 with a continuous growth in the atmospheric CO2 concentration towards year 2100).Besides the value of the temporary carbon storage in single products, resulting stock changes are expected if petrochemical materials are substituted with biomaterials. These stock changes are more long-term or even permanent, leading to a reduction of carbon fluxes from fossil resources, while potentially increasing fluxes from the atmosphere to the biosphere and via this to the anthroposphere. This leads to a decrease in atmospheric carbon stock and increase in biosphere carbon stock, as well as an increase of biogenic carbon storage in the anthroposphere. This is a trend that will be permanent as long as the biomaterial production is not decreased or phased out again.The CTP approachThe general used metric in LCA for assessing climate change, the GWP, does not take into account the need for staying below climatic target levels, and it does not reflect the increased importance of short-lived GHGs in terms of near-term target levels.An approach has been developed in this PhD project for inclusion of the urgency of avoiding crossing dangerous climatic tipping points in the assessment of GHG emissions – the Climatic Tipping Potential (CTP). This approach assesses impacts of GHG emissions up until the potential crossing of a predefined climatic target level. This impact is expressed as a fraction of the atmospheric ‘capacity’ for absorbing the impact without exceeding the target level. The CTP should be seen as complementary to GWP, which should still account for long-term climate change impacts.The CTP method has been further developed to consider the aspect of temporary carbon storage, and illustrate the potential mitigation value of this in relation to avoid crossing dangerous climatic target levels. CTP characterization factors for several GHG development scenarios and a number of other important model parameters are given, making the approach operational for direct inclusion in LCA.Influence of selected non-standard impacts from land use and land use change (LULUC)Some of the impacts associated with LULUC for biomass production, which are often not addressed in LCAs have been addressed through a theoretic case study in this PhD project. These impacts are changes in surface albedo, biogenic carbon fluxes (including SOC) and biodiversity. All three impacts are here found to be potentially important for the environmental performance of the biobased production. Further, potential tradeoffs are found between these impacts. This supports the need for including the best possible assessment of these impacts in LCA, in order to get a realistic picture of the overall impacts from a biomass feedstock crop establishment, and thus downstream products. However, there is a challenge in terms of e.g. the preliminary state of methods, and the requirements to availability of local data.Available biomass potentialWhen discussing the environmental preference of biomaterials relative to fossil-based materials, an important aspect is the sustainable availability of biomass for the production of the biomaterials. It is estimated that there will be enough biomass feedstock available for future biomaterial production without competing with food for the land, even if the entire global need for organic chemicals (including polymers) is based on biomass in the future. However, there is likely to be a competition with bioenergy, including biofuels, for the biomass.Environmental performance of biomaterials Biomaterials generally perform better than equivalent petrochemical materials in terms of fossil fuel savings and reductions in GHG emissions. However in other impact categories they often perform worse, e.g. in terms of eutrophication and acidification, while also entailing land use and related environmental impacts. If using second generation biomass, some of those aspects are likely to improve. It is important to understand that the group of biomaterials is very diverse, both in terms of life cycle pathways and end-products. This gives different environmental profiles within the group, and one should thus be careful with a ‘one profile fits all’ mindset when it comes to environmental assessment of biomaterials.Future perspectivesAs biomaterials are often based on new, and hence immature, technologies, large improvement potentials are expected for those technologies relative to the competing petrochemical technologies, which are rather mature. Further, potential future shifts in feedstock for both biomaterials and fossil based materials may change their relative environmental performance

Online Research Database In Technology

Environmental assessment of biomass based materials:With special focus on the climate effect of temporary carbon storage

http://orbit.dtu.dk/ws/files/118949694/PhD_dissertation_Susanne_Vedel_J_rgensen_Electronic_Version.pdf

Environmental assessment of biomass based materials:With special focus on the climate effect of temporary carbon storage

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology