Att biobränslen kan bidra till en renare global energimix är allmänt accepterat, men nettofördelarna med bioenergi när det gäller minskning av växthusgaser (GHG) är omtvistade. Vissa argumenterar, till exempel, att biobränslen inte är hållbara eftersom omvandlingen av icke-jordbruksmark för att odla energigrödor kan leda till en betydande initial minskning av kollagringen, skapa vad som kallas en "biobränsle koldioxidskuld".

En studie av en gränsöverskridande grupp forskare publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) kan hjälpa till att motbevisa detta argument.

Studien visade att växthusgasreduceringspotentialen för växelgräsodling för cellulosaetanolproduktion i USA var jämförbar per hektar med den för återplantering av skog och flera gånger större än den för restaurering av gräsmarker. Switchgrass (Panicum virgatum) är ett allmänt odlat nordamerikanskt inhemskt gräs som föreslås som biomassa för den biobaserade ekonomin.

Mer avancerad teknik och integrering av avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) kan ytterligare öka bioenergisystemens begränsningspotential per hektar med en faktor sex, enligt studien, som stöddes av São Paulo Research Foundation—FAPESP via ett projekt ledd av John J. Sheehan.

Sheehan är knuten till University of Minnesota i USA och är för närvarande gäststipendiat vid University of Campinas School of Agricultural Engineering (FEAGRI-UNICAMP) i delstaten São Paulo, Brasilien, under ledning av (São Paulo Excellence Chair (SPEC).

Medförfattare till studien, Lee R. Lynd, en professor vid Dartmouth College i Hannover, New Hampshire (USA), påbörjade ett projekt i februari vid UNICAMPs Center for Molecular Biology and Genetic Engineering (CBMEG), med finansiering från FAPESP under SPEC-programmet.

"Studien belyser i detalj de faktorer och strategier som är viktiga för genomförandet av biobränsleproduktion på ett sätt som hjälper till att stabilisera klimatet, " berättade Lynd.

Frågor besvarade

Enligt författarna, kritiker av bioenergi ifrågasätter om råvarugrödor kan erhållas på ett hållbart sätt utan att orsaka självförstörande minskningar av kollagringen i ekosystemet.

Förutom "kolskulden" som är ett resultat av omvandlingen av icke-jordbruksmark till energigrödor, Användningen av befintlig produktiv jordbruksmark med låga koldioxidlager kan också vara kontraproduktiv om livsmedelsproduktionen förskjuts och växthusgasutsläppen ökar på andra håll.

Denna effekt, känd som indirekt förändring av markanvändningen, kan minimeras eller undvikas genom att odla biobränsleråvaror på lågavkastande eller övergiven odlingsmark, eller mark som skonas från fortsatt jordbruksanvändning genom framtida intensifiering av jordbruket eller förändringar i kosten.

Återplantering av skog erbjuder en alternativ användning av sådan mark för att minska växthusgasutsläppen. Dock, det hävdas ofta att bedömning av bioenergiproduktion i dessa områden bör beakta deras "möjlighetskostnad", d.v.s. avsaknad av kolbindning när mark används för råvaruproduktion istället för återplantering av skog.

"De viktigaste studierna som hittills publicerats tyder på noll nettoförändring av markanvändning, men indirekt förändring av markanvändningen fortsätter att åberopas som en viktig kritik mot biobränslen, " sa Lynd.

Dessa argument riktade sig till en början mot första generationens biobränslen – erhållna från socker, stärkelse eller vegetabilisk olja i matgrödor som odlas på jordbruksmark – men frågor som fokuserar på koldioxidskuld, indirekt förändring av markanvändningen, och alternativkostnader har sedan dess höjts för produktion av cellulosabaserad biomassa för användning i avancerad biobränsleproduktion eller elproduktion.

Baserat på dessa och andra argument, färska studier tyder på att användning av mark för att producera bioenergiråvaror har en mindre än idealisk effekt när det gäller att mildra klimatkrisen, och rekommenderar att forskning och politik omfokuseras mot landbaserad biologisk kolhantering.

Dock, dessa studier är ofta baserade på sekundära uppskattningar av bioenergisystems prestanda och minskning av alternativkostnader. Vidare, de utesluter generellt övervägande av CCS eller framtida tekniska förbättringar, noterar författarna.

"Var och en av kritikerna vi diskuterar i studien har viss legitimitet när det gäller att peka på faktorer som kan upphäva biobränslenas positiva inverkan på klimatet, men de ska inte tas som bevis på att biobränslen inte kan eller inte har någon gynnsam effekt alls, " sa Lynd.

För att motbevisa argumenten från kritiker av biobränsle hållbarhet, forskarna använde ekosystemsimulering i kombination med modeller för produktion av cellulosabiobränsle och CCS, uppskattning av potentialen för biobränsle från energigräs för att ersätta fossila bränslen och binda kol direkt jämfört med andra landbaserade begränsningsprogram, såsom återplantering av skog och restaurering av gräsmarker.

De kalibrerade ekosystemmodellen för att utföra temporärt explicita simuleringar av atmosfär-biosfärens kolutbyte under olika markanvändningsval vid tre fallstudieplatser i USA.

Analysen visade att när jordbrukare gick över från växelgräs till cellulosaetanol var begränsningspotentialen per hektar jämförbar med den för återplantering av skog och flera gånger större än den för restaurering av gräsmarker.

Den visade också att begränsningspotentialen av rimliga framtida förbättringar av energigrödor och bioraffineringsteknik, tillsammans med CCS, kan vara fyra gånger större än den för återplantering av skog och 15 gånger större än den för gräsmarksrestaurering.

"Dessutom, vi fann att naturligt marktäcke och den tekniska mognad i försörjningskedjan gör en betydande skillnad när det gäller att uppskatta de relativa fördelarna med minskning av växthusgaser genom biobränslen och återställande av naturlig vegetation, " sa Lynd.

Switchgrass-odling kan vara särskilt användbar i delar av USA där det naturliga växttäcket består av gräs snarare än träd, enligt studien.

I framtiden, the researchers plan to use the same modeling approach to discuss these issues for the US on a nationwide scale. "An important direction in which the study points is an analysis of a broader range of sites, energy crops, and conversion processes, including those designed to include biofuel production in a manner consistent with the circular economy, " Lynd said.

The methodology could also be used to analyze the production of biofuel from sugarcane in Brazil, han lade till.