Biochar systems across scales in Sweden : An industrial ecology perspective

• Biochar – the carbon rich residue derived from biomass pyrolysis – is recognised as a potential solution to remove carbon dioxide from the atmosphere, while simultaneously delivering socio-environmental benefits through biochar use as a material. Perceived as a sustainable innovation, biochar has raised interest throughout the world. Sweden has witnessed a rising interest for biochar over the past decade, leading to investments in modern biochar production capacity and the development of various biochar-based products. However, as for any emerging technology, it is necessary to study its environmental performance in a systematic manner to guarantee that environmental expectations meet reality, and to enable science-based policy support.This thesis examined the energy, climate and environmental impacts of biochar production and use, supporting on-going and future projects in Sweden. Four case studies were designed, set respectively in Stockholm, Nyköping, Helsingborg and Uppsala areas. The case studies analysed biochar production at various scales, from different biomass feedstocks, and biochar use in urban and rural applications. The main method applied was life cycle assessment, complemented with material flow analysis and energy systems modelling. In addition, a framework was developed to conceptualise and classify environmental effects of biochar in a life cycle perspective. The results showed that biochar systems can deliver more climate change mitigation than conventional bioenergy when energy systems are already rather decarbonised and if biochar stability is high. Biochar carbon sequestration provided the main climate change benefit, but smaller additional benefits were obtained from some material uses of biochar. When compared with reference systems, biochar solutions lead to shifts of burdens between sectors and environmental impact categories. It is possible to integrate pyrolysis to both large district heating networks and decentralised heating systems, but it will lead to a net increase in biomass consumption and related environmental impacts, relative to direct combustion of biomass. In the second half of the century, the need for management of biochar-containing soil masses will arise from today’s emerging urban applications. The case studies illustrated new uses of biochar and quantified several environmental benefits from biochar use. However, gaps remain between biochar effects present in the public discourse and their quantification in life cycle assessment. These differences were attributed to variability in the biochar effects, lack of knowledge, or inappropriate accounting framework. Overall, the thesis stresses the importance of analysing the potential of innovations to contribute to environmental goals by using parametrized life cycle models, depicting multiple contexts, and striving to identify suitability conditions rather than providing a definitive static answer.

• Biokol – den kolrika produkten som återstår från pyrolys av biomassa– är en potentiell lösning för att fånga koldioxid från atmosfären, samtidigt som den har socio-miljömässiga fördelar genom användning av biokol som material. Biokol uppfattas som en hållbar innovation och har väckt intresse över hela världen. I Sverige har intresset för biokol ökat under de senaste åren, vilket har lett till investeringar i modern produktion av biokol och utveckling av olika biokolbaserade produkter. Liksom med all ny teknik är det nödvändigt att studera dess miljöprestanda på ett systematiskt sätt för att garantera att miljöförväntningarna är uppfyllda och för att möjliggöra vetenskapligt baserat politiskt stöd.Denna avhandling undersökte energi-, klimat- och miljöeffekterna av biokolproduktion och -användning, till stöd för pågående och framtida projekt i Sverige. Fyra fallstudier har utformats, i Stockholm, Nyköping, Helsingborg och Uppsala. Fallstudierna analyserade biokolproduktion i olika skalor, från olika slags biomassa och användning av biokol i stads- och landsbygdstillämpningar. Den huvudsakliga metoden som användes var livscykelanalys, kompletterad med materialflödesanalys och energisystemmodellering. Dessutom utvecklades ett ramverk för att konceptualisera och klassificera miljöeffekter av biokol i ett livscykelperspektiv.Resultaten visade att biokolsystem kan ha lägre klimatpåverkan än konventionell bioenergi när energisystem redan är i stort sett fossilfria och om biokolstabiliteten är hög. Kolinlagring i biokol gav det största bidraget till klimatprestandan, men mindre ytterligare fördelar erhölls från viss materialanvändning av biokol. Jämfört med referenssystemen leder biokolösningar till att miljöbelastning flyttas mellan sektorer och kategorier av miljöpåverkan. Det är möjligt att integrera pyrolys i både stora fjärrvärmenät och decentraliserade värmesystem, men det kommer att leda till en nettoökning av biomassaförbrukningen och relaterad miljöpåverkan, jämfört med direkt förbränning av biomassa. Under andra halvan av seklet kommer det att uppstå ett behov av hantering av biokolhaltiga jordmassor från dagens växande urbana biokolanvändning.Fallstudierna illustrerade nya användningsområden för biokol och kvantifierade flera miljöfördelar. Det kvarstår dock ett glapp mellan de biokoleffekter som diskuteras i samhället och deras kvantifiering i livscykelanalys. Dessa skillnader berodde på variationer i biokols effekter, bristande kunskap eller olämpliga systemgränser. Generellt så betonar avhandlingen vikten av att analysera potentialen för innovationer att bidra till miljömål genom att använda parametriserade livscykelmodeller, analysera flera sammanhang och sträva efter att identifiera lämpliga förhållanden snarare än att ge ett entydigt svar.

• Le biochar –résidu solide riche en carbone issue de la pyrolyse de biomasse – est envisagé comme une potentielle façon de retirer du dioxyde de carbone de l’atmosphère, tout en apportant des bénéfices socio-environnementaux via son utilisation comme matériau. Perçu comme une innovation contribuant au développement durable, le biochar a connu un fort engouement à travers la planète. En Suède, cet intérêt pour le biochar s’est traduit au cours de la dernière décennie par des investissements dans des capacités modernes de production de biochar et par le développement de nouveaux produits à base de biochar. Cependant, comme pour toute technologie émergente, il est nécessaire d’étudier ses implications environnementales de manière systématique afin de pouvoir garantir que les performances environnementales sont à la hauteur des attentes, et pour guider la définition de politiques basées sur la science.Cette thèse s’est intéressée aux impacts énergétiques, climatiques et environnementaux de la production et de l’utilisation de biochar, supportant le développement de projets en cours et futurs, en Suède. Quatre études de cas ont été réalisées, situées à Stockholm, Nyköping, Helsingborg et Uppsala. Les études de cas ont analysé la production de biochar à différentes échelles et à partir de différents substrats, ainsi que l’utilisation de biochar en agriculture et en milieu urbain. La principale méthodologie appliquée fut l’analyse de cycle de vie, couplée à l’analyse de flux de matière et la modélisation énergétique. De plus, un cadre théorique a été conçu pour décrire et classifier les potentiels effets environnementaux du biochar dans une perspective de cycle de vie.Les résultats ont montré que les systèmes à base de biochar peuvent apporter davantage de bénéfices climatiques que la bioénergie conventionnelle si le système énergétique est déjà relativement décarbonné et si la stabilité du biochar produit est élevée. La séquestration de carbone dans le biochar représente la principale contribution au bénéfice climatique des systèmes étudiés. Des bénéfices climatiques additionnels, mais en général d’importance moindre, sont obtenus par certaines utilisations du biochar. En comparaison avec une situation de référence, les systèmes à base de biochar induisent une modification des conséquences environnementales, à la fois entre secteurs économiques et entre catégories d’impact environnemental. Il est possible d’intégrer la pyrolyse de biomasse à de grands réseaux de chaleur comme à des systèmes décentralisés de chauffage, mais cela induit une augmentation nette de la consommation de biomasse et de ses impacts, en comparaison avec la combustion directe. Par ailleurs, les utilisations du biochar en milieu urbain qui émergent aujourd’hui vont mener à un besoin futur de gestion appropriée de flux secondaires contenant du biochar.Les études de cas ont illustré de nouvelles applications du biochar et quantifié certains de leurs impacts et bénéfices environnementaux. Cela dit, des différences subsistent entre les bénéfices potentiels du biochar présentés dans la sphère publique et leur quantification en analyse de cycle de vie. Ces différences furent attribuées à la grande variabilité des effets du biochar, des manques de connaissances, ou un cadre de modélisation non adaptés à l’inclusion desdits effets. Dans l’ensemble, cette thèse souligne l’importance d’analyser le potentiel d’une innovation à contribuer aux objectifs environnementaux en utilisant des modèles paramétrés d’analyse de cycle de vie, capable de représenter différents contextes, et de s’efforcer d’identifier les conditions de réussite plutôt que de se limiter à une quantification statique des conséquences environnementales.

• Pflanzenkohle – der kohlenstoffreiche Rückstand, der aus der Pyrolyse von Biomasse gewonnen wird – wird als mögliche Technik in Betracht gezogen, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entziehen. Gleichzeitig verspricht die Verwendung von Pflanzenkohle als Material auch sozio-ökologische Vorteile. Als nachhaltige Innovation wahrgenommen, hat Pflanzenkohle weltweit Interesse geweckt. Schweden hat im letzten Jahrzehnt ein wachsendes Interesse für Pflanzenkohle erlebt, sodass die Investitionen in moderne Produktionskapazitäten von Pflanzenkohle und die Entwicklung verschiedener Produkte auf Pflanzenkohlebasis gestiegen sind. Wie bei jeder neuen Technologie ist es jedoch erforderlich, ihre Umweltleistung systematisch zu untersuchen, um sicherzustellen, dass die ökologischen Erwartungen der Realität entsprechen, und eine wissenschaftlich fundierte politische Unterstützung gegeben ist.Diese Arbeit untersuchte die Energie-, Klima- und Umweltauswirkungen der Pflanzenkohleproduktion und -nutzung und unterstützte laufende und zukünftige Projekte in Schweden. Vier Fallstudien sind in Stockholm, Nyköping, Helsingborg und Uppsala durchgeführt worden. Diese Fallstudien haben die Produktion von Pflanzenkohle in verschiedenen Größenordnungen und aus verschiedenen Biomasse-Rohstoffen, sowie die Nutzung von Pflanzenkohle im landwirtschaftlichen und im städtischen Bereich analysiert. Die Hauptmethodik war die Lebenszyklusanalyse, welche mit Stoffstromanalysen und Energiesystemmodellierungen ergänzt worden ist. Darüber hinaus wurde ein Konzept entwickelt, um Umweltwirkungen von Pflanzenkohle aus einer Lebenszyklusperspektive heraus zu erfassen und zu klassifizieren.Die Ergebnisse zeigten, dass pflanzenkohlebasierte Systeme mehr Klimaschutz leisten können als konventionelle Bioenergie, wenn die Energiesysteme bereits weitgehend dekarbonisiert sind und die Stabilität der Pflanzenkohle hoch ist. Die Kohlenstoffspeicherung durch Pflanzenkohle erbrachte hierbei den größten Nutzen für den Klimaschutz, aber auch kleinere zusätzliche Vorteile wurden durch einige Verwendungen von Pflanzenkohle als Werkstoff erzielt. Im Vergleich mit Referenzsystemen führen Pflanzenkohlelösungen zu einer Verschiebung der Belastung sowohl zwischen Wirtschaftssektoren als auch zwischen ökologischen Wirkungskategorien. Pyrolyse lässt sich sowohl in große Fernwärmenetze als auch in dezentrale Wärmesysteme integrieren. Dies aber führt im Vergleich zur direkten Verbrennung von Biomasse zu einem Nettoanstieg des Biomasseverbrauchs und der damit verbundenen Umweltauswirkungen. Außerdem wird die heutige Nutzung von Pflanzenkohle im städtischen Bereich in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts zum Bedarf einer angemessenen Verwaltung von pflanzenkohlehaltigen Bodenmassen führen.Die Fallstudien veranschaulichten neue Verwendungen von Pflanzenkohle und quantifizierten mehrere ökologische Vorteile dieser Verwendung. Allerdings bleiben Lücken zwischen den im öffentlichen Diskurs präsenten Pflanzenkohle-Effekten und deren Quantifizierung durch die Lebenszyklusanalyse bestehen. Diese Unterschiede wurden auf die große Veränderlichkeit der Auswirkungen von Pflanzenkohle, fehlendes Wissen oder einen unangemessenen Berechnungsrahmen zurückgeführt. Insgesamt betont diese Dissertation, wie wichtig es ist, den möglichen Beitrag einer Innovation zu den Umweltzielen zu analysieren, indem parametrisierte Lebenszyklusmodelle verwendet und mehrere Kontexte abgebildet werden sowie versucht wird, Eignungsbedingungen zu identifizieren, anstatt eine endgültige statische Antwort zu geben.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

biochar

bioenergy

agriculture

climate change

carbon dioxide removal

negative emission technology

industrial ecology

life cycle assessment

material flow analysis

environmental systems analysis

biochar

bioénergie

agriculture

changement climatique

capture de dioxyde de carbone

technologie à émissions négatives

écologie industrielle

analyse de cycle de vie

analyse de flux de matière

analyse de systèmes environnementaux

Pflanzenkohle

Bioenergie

Landwirtschaft

Klimawandel

Kohlendioxid-Entfernung

Negative-Emissions-Technologie

Industrieökologie

Lebenszyklusanalyse

Stoffstromanalyse

Umweltsystemanalyse

الفحم الحيوي، الطاقة الحيوية، الزراعة، تغيّر المناخ، إزالة ثاني اوكسيد الكربون، التكنولوجيا السلبية الانبعاثات، الايكولوجيا الصناعية، تقييم دورة الحياة، تحليل تدفق المواد، تحليل الأنظمة البيئية

biokol

bioenergi

jordbruk

klimatförändring

koldioxidlagring

negativa utsläpp

industriell ekologi

livscykelanalys

materialflödesanalys

miljösystemanalys

Industrial Ecology

Industriell ekologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)