Nya studier från Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) kastar mer ljus över de ekonomiska och miljömässiga kostnaderna för uppdrag i Renewable Fuels Standard (RFS), ett federalt program för att expandera landets biobränslesektor.

Forskare sa att studierna indikerar behovet av att anta mer riktade strategier som värderar miljö- och ekosystemfördelarna med fleråriga bioenergigrödor framför billigare alternativ - och ger ekonomiska incitament för jordbrukare att odla dem.

RFS utfärdades 2005 och uppdaterades genom Energy Independence and Security Act från 2007 för att förbättra USA:s energisäkerhet, minska utsläppen av växthusgaser (GHG), och främja landsbygdsutveckling. 2007 års standarder föreskrev att blanda 36 miljarder liter första generationens biobränslen (tillverkade av livsmedelsgrödor som majs, som etanol) och andra generationens biobränslen (tillverkade av biomassan från miscanthus eller andra energiråvaror) med fossila bränslen senast 2022, att ersätta petroleumbaserad eldningsolja och bränsle. Majsens etanolmandat har uppfyllts, med 15 miljarder gallon som produceras årligen, men produktionen av cellulosabaserade biobränslen har varit försumbar. Mål efter 2022 är ännu inte fastställda.

Biobränslemandaten påverkar miljön på flera sätt - påverkar markanvändningen, växthusgasutsläpp, kväve (N) applicering, och läckage av skadliga kväveföreningar i marken, luft, och vatten. Dessa effekter varierar beroende på råvara, liksom de ekonomiska kostnaderna och fördelarna för konsumenter som köper mat och bränsle och för producenter, beroende på odlingskostnader och konkurrensen om åkermark för alternativa användningsområden.

Den första studien beräknade de ekonomiska och miljömässiga nettokostnaderna för RFS-mandaten och fann att ett bibehållande av majsetanolmandatet skulle leda till en kumulativ nettokostnad för samhället på nästan 200 miljarder dollar från 2016 till 2030 jämfört med att inte ha någon RFS. Den sociala kostnaden för kväveskador från produktion av majs etanol uppväger avsevärt de sociala fördelarna med besparingar av växthusgaser.

Å andra sidan, genomförandet av det extra cellulosamandatet skulle kunna ge betydande ekonomiska och miljömässiga fördelar med tekniska innovationer som sänker kostnaderna för att omvandla biomassa till cellulosaetanol och politik som sätter ett högt monetärt värde för minskning av växthusgasutsläppen. Den studien, publiceras i Miljöforskningsbrev , leddes av CABBI Sustainability Theme Leader Madhu Khanna och Ph.D. student Luoye Chen från University of Illinois Urbana-Champaign.

Den andra studien undersökte hur ett fullständigt genomförande av RFS-mandaten kommer att påverka vattenkvaliteten i Mississippi/Atchafalaya River Basin (MARB) och Mexikanska golfen, som plågas av kväveavrinning från majs- och sojafält. Stigande N-nivåer har tömt syre och skapat en hypoxisk död zon i viken. Specifikt, denna studie undersökte om diversifiering av odlingsmark med fleråriga energigrödor – såsom CABBI odlar – skulle kunna minska kväveförlusten i samband med majsproduktion och därmed förbättra vattenkvaliteten samtidigt som RFS-målen uppfylls.

Den fann att den mest ekonomiska platsen att odla fleråriga bioenergigrödor, som vanligtvis kräver mindre kvävegödsel och lägre kväveavrinning, var på tom odlingsmark. Detta begränsade deras potential att minska N-avrinning, vilket skulle vara högst om de ersatte N-intensiva radgrödor på åkermark. Kväveminskningsfördelarna med bioenergigrödor skulle också mer än kompenseras av den ökning av avrinning som genereras av skörden av lågkostnadsskörderester som majsstover – löv och majsstjälkar som finns kvar efter att spannmålen skördats – för cellulosabaserad biomassa. Resultaten tyder på att riktade incitament för att minska kväveförlusten behövs för att övertyga odlarna att ersätta kväveintensiva radgrödor samt biomassa från majsstover med bioenergigrödor. Publicerad i Miljövetenskap och teknik , studien leddes av docent i agronomi Andy VanLoocke och Ph.D. student Kelsie Ferin från Iowa State University.

Tillsammans, studierna visade att upprätthållandet av majsetanolmandatet driver mer mark till majsproduktion, vilket ökar marknadspriset på andra jordbruksråvaror. Även om producenter kan dra nytta av högre marknadspriser, konsumenter som köper bränsle eller jordbruksprodukter betalar kostnaden. Och även om majsetanolmandatet kan bidra till att minska växthusgaser genom att ersätta fossila bränslen med biobränslen, det ökar kväveläckaget på grund av ökad användning av gödningsmedel med utökad majsproduktion. Det försämrar vattenkvaliteten i MARB och Mexikanska golfen och leder till en enorm miljömässig och social kostnad.

I kontrast, Mandatet för cellulosaetanol skulle kunna ge en övergripande fördel med rätt politik. Att stödja forskning och utveckling för att sänka kostnaderna för att omvandla biomassa till cellulosaetanol skulle avsevärt minska produktionskostnaderna och öka de sociala fördelarna, och ett högt monetariserat värde för minskning av växthusgasutsläpp skulle kunna kompensera för alla andra kostnader.

Dessa resultat bör leda till att beslutsfattare ifrågasätter effektiviteten av teknikmandat som RFS som behandlar alla cellulosaråvaror som identiska. Det stimulerar till billigare alternativ som majsstover och begränsar incitamenten att odla högavkastande fleråriga energigrödor som har lägre kolintensitet och N-läckage men är dyrare med nuvarande teknik.

CABBI-forskare hoppas prestationsbaserade policyer – inklusive lågkoldioxidbränslestandarden, kol- och kväveläckageskatter, eller begränsningar för skörd av skörderester och kväveanvändning – kan implementeras för att komplettera RFS-mandaten efter 2022.

Komplexiteten i biobränslepolitik kräver expertis från både agronomer och ekonomer, som i dessa studier. Båda forskarlagen utvecklade integrerade ekonomiska och biofysiska modeller som inkorporerade ett brett spektrum av faktorer i sina analyser.

"CABBI ger en fantastisk möjlighet för den här typen av forskning, inspirerande samarbeten från olika discipliner, " sa Khanna.