Methodological approaches for assessing the environmental performance of perennial crop-based value chains

In a developing bioeconomy, the demand for biomass for industrial purposes is expected to increase significantly. This demand needs to be met in a sustainable way and without compromising food security. With this goal in mind, resource-efficient lignocellulosic crops, such as perennial energy grasses, are often cited as a biomass source with low negative impacts on the environment. Under European conditions, miscanthus is the leading perennial energy grass because of its high biomass and energy yield potential. It is a C4 plant, which achieves dry matter biomass yields of up to 20 Mg ha−1 yr−1 when harvested in later winter, and up to 30 Mg ha−1 yr−1 when harvested green in October. Currently the main utilization route of miscanthus is direct combustion for heat generation, but the biomass can also be used for various other applications, such as biofuels and insulation material. Several studies have analysed the environmental performance of perennial crop-based value chains, but most of these only assessed the Global Warming Potential (GWP). However, the GWP alone is not an adequate indicator for the holistic assessment of the environmental performance of such value chains. In addition, these studies often used generic data and applied varying assumptions, which makes a comparison of different value chains difficult. The main goal of this thesis is to draw up recommendations for future assessments of the environmental performance of perennial crop-based value chains. For this purpose, five research objectives were formulated: 1) to identify the key parameters influencing the environmental performance of perennial crop-based value chains; 2) to analyse which impact categories are most relevant when assessing the environmental performance; 3) to assess the differences between various perennial-crop based value chains; 4) to assess the environmental performance of the utilization of marginal land to grow perennial crops for industrial purposes; and 5) to analyse and compare the environmental performance of annual and perennial crops in the example value chain biogas production. To achieve these research objectives, the environmental performance of several perennial crop-based value chains was analysed in various impact categories applying the same underlying assumptions and using field data obtained under ceteris paribus conditions. The analysis was carried out using the globally recognised Life Cycle Assessment (LCA) methodology, which is standardized by two ISO norms (14040/44). The results revealed that biomass yield is one of the most important parameters influencing the environmental performance of perennial crop-based value chains. An increase in yield of 50%, for instance, leads to an increase in carbon mitigation potential in a comparable range (46%). Furthermore, the marked influence on the environmental impact mitigation potential of both fertilizer-induced emissions and selection of the reference system was demonstrated. For example, if the reference system is changed from light fuel oil to natural gas, the substituting by heat generated from the combustion of miscanthus biomass increases the net impact in the category particulate matter formation by 220%. The relevance of different impact categories was analysed for various perennial crop-based value chains using a normalisation approach. The results clearly indicated that a holistic assessment of the environmental performance of perennial crop-based value chains should at least include the impact categories marine ecotoxicity, human toxicity, agricultural land occupation, freshwater eutrophication and freshwater ecotoxicity. In future assessments, it is recommended to include the impacts of land-use on both biodiversity (using species richness as an indicator) and soil quality (using SOM as an indicator). The comparison of the environmental performance of different perennial crop-based value chains revealed clear environmental advantages of the cascade use of biomass. An example is the production of miscanthus-based insulation material, which is first used as a building material and then incinerated to generate heat and electricity. The results also demonstrate that, despite low biomass yield on marginal land, miscanthus-based value chains have a substantial environmental impact mitigation potential when substituting a fossil-based reference system. Furthermore, the comparison of annual and perennials crops as biogas substrates showed that perennial crops, and in particular miscanthus, have a considerably better environmental performance in the impact categories climate change (up to -73%), fossil fuel depletion (up to -79%), freshwater eutrophication (up to -69%), marine eutrophication (up to -67%), and terrestrial acidification (up to -26%). In all four studies included in this thesis, it was observed that the data used for the biomass cultivation in particular, such as yield and fertilizer-induced emissions, have a considerable influence on the environmental performance. This data is highly site- and crop-specific and is strongly dependent on the agricultural management system applied. Based on the results of this thesis, the common practice of using generic data in assessments of the environmental performance of perennial crop-based value chains should be rejected. In order to obtain realistic results, the use of site- and crop-specific data is highly recommended.In einer wachsenden Bioökonomie steigt die Nachfrage nach Biomasse für industrielle Zwecke deutlich an. Diese Biomasse sollte nachhaltig produziert werden und dabei die Ernährungssicherheit nicht gefährden. Ressourceneffiziente, lignocellulosehaltige Pflanzen, wie beispielsweise mehrjährige Energiegräser, werden oft als Biomassequelle mit geringen negativen Auswirkungen auf die Umwelt angesehen. Unter europäischen Bedingungen ist Miscanthus aufgrund seines hohen Biomasse- und Energieertragspotentials das am weitesten verbreitete mehrjährige Energiegras. Miscanthus ist eine C4-Pflanze, die Trockenmasseerträge von bis zu 30 t ha-1 a-1 erreicht wenn ein Grünschnitt im Oktober erfolgt, und bis zu 20 t ha-1 a-1, wenn Ende des Winters im März geerntet wird. Derzeit wird die Miscanthusbiomasse hauptsächlich zur Wärmeerzeugung genutzt, aber auch andere Verwertungsrichtungen sind möglich, wie zum Beispiel die Produktion von Biokraftstoffen oder die Herstellung von Dämmstoffen. In verschiedenen Studien wurde die Umweltwirkung von Wertschöpfungsketten, die auf mehrjährigen Pflanzen basieren, analysiert. Dabei wurde meist nur das Treibhauspotential betrachtet. Allerdings ist das Treibhauspotential allein kein hinreichender Indikator für eine ganzheitliche Bewertung der Umweltwirkung solcher Wertschöpfungsketten. Des Weiteren wurden in diesen Studien häufig Literaturdaten verwendet und sie stützen sich auf unterschiedliche Annahmen, beispielsweise in Bezug auf die Berechnung der Nitratauswaschung, was einen Vergleich verschiedener Wertschöpfungsketten erschwert. Ziel der vorliegenden Thesis war es, Empfehlungen für zukünftige Studien auszuarbeiten, die die Umweltwirkung von auf mehrjährigen Pflanzen basierenden Wertschöpfungsketten analysieren. Hierfür wurden fünf Forschungsziele formuliert: 1) Ermittlung der wichtigsten Parameter, die die Umweltwirkung von mehrjährigen Kulturpflanzen beeinflussen; 2) Analyse der Relevanz verschiedener Wirkungskategorien für die Bewertung dieser Umweltwirkung; 3) Erfassung und Bewertung der Unterschiede zwischen verschiedenen auf mehrjährigen Pflanzen basierenden Wertschöpfungsketten; 4) Abschätzung der Umweltwirkung der Nutzung von Grenzertragsstandorten zum Anbau von mehrjährigen Biomassepflanzen für industrielle Zwecke; und 5) Vergleich der Umweltwirkung von einjährigen und mehrjährigen Kulturen im Rahmen der Biogasproduktion. In dieser Thesis wurde die Umweltwirkung mehrerer auf mehrjährigen Pflanzen basierenden Wertschöpfungsketten in verschiedenen Wirkungskategorien analysiert. Die Abschätzung der Umweltwirkung erfolgte mit Hilfe der weltweit anerkannten und durch zwei ISO-Normen(14040/44) standardisierten Life-Cycle Assessment (LCA) Methodik. Dabei wurden dieselben zugrunde liegenden Annahmen angewandt und unter ceteris paribus Bedingungen ermittelte Felddaten verwendet. Die Ergebnisse dieser Studien zeigten, dass der Biomasseertrag einer der wichtigsten Parameter ist, der die Umweltwirkung von auf mehrjährigen Pflanzen basierenden Wertschöpfungsketten beeinflusst. Wenn der Ertrag beispielweise bei gleichbleibendem Ressourcenaufwand um 50 % gesteigert werden kann, dann steigt das CO2-Minderungspotential um 46 % an. Darüber hinaus haben düngerbedingte Flächenemissionen und die Auswahl des fossilen Referenzsystems (d.h. das Produkt, welches in der Praxis durch die Miscanthus-basierte Wertschöpfungskette ersetzt wird) einen großen Einfluss auf die Umweltwirkung der jeweiligen Wertschöpfungskette. Dies wird im Folgenden am Beispiel von Wärme dargestellt, die durch die Verbrennung von Miscanthusbiomasse erzeugt wurde. Wird Erdgas anstelle von leichtem Heizöl als Referenzprodukt verwendet, erhöht dies die Umweltwirkung in der Wirkungskategorie Bildung von Feinstaubpartikeln um 220 %. Dies liegt in der unterschiedlichen Menge an Feinstaubpartikeln begründet, die bei der Verbrennung dieser Energieträger gebildet werden. Die Relevanz verschiedener Wirkungskategorien wurde anhand eines Normalisierungsansatzes für verschiedene auf mehrjährigen Pflanzen basierende Wertschöpfungsketten bestimmt. Die Ergebnisse zeigten eindeutig, dass für eine ganzheitliche Bewertung der Umweltwirkung dieser Wertschöpfungsketten zumindest die Wirkungskategorien aquatische Ökotoxizität (bezogen sowohl auf Salzwasser als auch Binnengewässer), Humantoxizität, Okkupierung landwirtschaftlicher Flächen und Eutrophierung von Binnengewässern analysiert werden müssen. Darüber hinaus sollten in künftigen Untersuchungen die Auswirkungen der Landnutzung auf die Biodiversität und die Bodenqualität miteinbezogen werden. Im Fall der Biodiversität empfiehlt sich dabei die Nutzung des Artenreichtums als Indikator. Um den Einfluss der Landnutzung auf die Bodenqualität abzuschätzen, stellt der Gehalt an organischer Substanz im Boden einen geeigneten Indikator dar. Der Vergleich der Umweltwirkung verschiedener auf mehrjährigen Pflanzen basierenden Wertschöpfungsketten zeigte deutlich die Vorteile der Kaskadennutzung von Biomasse. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Dämmmaterial aus Miscanthusbiomasse. Dieses wird zuerst als Baustoff verwendet und kann nach seiner Nutzenphase zur Erzeugung von Wärme und Strom verbrannt werden. Im Rahmen der hier vorliegenden Thesis wurde auch die Umweltwirkung von Wertschöpfungsketten untersucht, die Miscanthusbiomasse, welche auf marginalem Land angebaut wurde, nutzen. Auf diesen renzertragsstandorten sind oft wesentlich niedrigere Biomasseerträge zu erreichen, im Vergleich zu fruchtbarem landwirtschaftlich genutztem Land. Trotzdem zeigten die Analysen dieser Wertschöpfungsketten ein erhebliches Potential Umweltwirkungen zu mitigieren, durch die Substitution eines auf fossilen Rohstoffen basierenden Referenzsystems. Im Vergleich zu einjährigen Pflanzen wiesen die mehrjährigen Kulturen als Substrat für die Biogasproduktion deutlich niedrigere Umweltwirkungen auf. Wenn Biogasmais durch Miscanthus ersetzt wurde, konnten das Treibhauspotential um bis zu 73 %, der Verbrauch fossiler Brennstoffe um bis zu 79 %, die Eutrophierung von Binnengewässern um bis 69 %, die Eutrophierung der Meere um bis zu 67 % und die terrestrische Versauerung um bis zu 26 % reduziert werden. Alle in dieser Thesis enthaltenen Studien zeigten deutlich, dass insbesondere die für den Biomasseanbau benötigten Daten einen erheblichen Einfluss auf die Umweltwirkung von auf mehrjährigen Pflanzen basierenden Wertschöpfungsketten haben. Beispiele hierfür sind der Biomasseertrag und die Flächenemissionen, welche durch den Einsatz von Phosphor- und Stickstoffdüngern entstehen. Diese Daten sind sowohl pflanzen- als auch standortspezifisch und hängen stark von der jeweiligen landwirtschaftlichen Bewirtschaftung ab. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Studien ist von der derzeit gängigen Praxis abzuraten, generische Daten für die Bewertung der Umweltwirkungen von solchen Wertschöpfungsketten zu verwenden. Um realistischere Ergebnisse zu erzielen wird ausdrücklich empfohlen auf standort- und pflanzenartspezifische Daten zurück zugreifen