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Biofuels, Biomass, and Big Mistakes?

Biocarburants, biomasse et grosses erreurs ?

Carbon capture, carbon credits, and carbon sinks: all of these refer to processes or policies that aim to reduce atmospheric carbon dioxide concentration which have been rapidly rising since the industrial revolution. As plant biologists, we work with the best atmospheric carbon reduction tools available. Using our forests for firewood and releasing the carbon they have so recently captured is not a prudent solution to our climate crisis.

A warming arctic, increased atmospheric CO2, and increasing energy demands mean there is no shortage of people looking for ways to mitigate climate change. An oft touted “green energy” solution to reduce carbon emissions is through burning biomass to release the stored chemical energy as heat, and subsequently converting the heat to electrical energy. Bioenergy, as it may be called, is claimed as carbon neutral. Superficially this makes sense as plants capture CO2 from the atmosphere, store it as carbon containing compounds, and release stored CO2 when burned. Plants cannot release more carbon than they capture. However, the moment the curtain is slightly raise, it becomes clear bioenergy is not neutral at all.

Combustible carbohydrates make up the vast majority of woody biomass used for burning, but CO2 is not the only emitted compound. Bioenergy plants release the greenhouse gas methane, along with volatiles like benzene and nitric oxides. Bioenergy plants are also not necessarily present where wood is harvested. In British Columbia, where hydroelectric power reigns supreme, 99% of wood pellets created in the province are transported away. Transportation is a significant source of emissions. The United Kingdom and Europe import a large proportion of biomass for bioenergy from the United States and Canada, which results in huge carbon emissions from transatlantic shipping, as transport ships rely solely on fossil fuel consumption. Bioenergy is promoted as a sustainable and efficient way to utilize forestry waste products; however, with current energy demands, waste products are not sufficient fuel sources, therefore timber is converted into wood pellets. In 2020 over 1% of the total timber harvest in British Columbia was used for wood pellet generation. That corresponds to harvesting about 5,500 acres of forest for what is effectively firewood in a single year, it will take 50-70 years before that forest can be re-harvested and 150-250 years before the forest would be considered mature. From an ecological and conservation standpoint habitat loss and biodiversity reductions are a major issue in heavily harvested forests. When an area of trees is harvested the land becomes a source of CO2 emissions for many years, as aerobic respiration degrades leftover biomass.

Finally, burning biomass is not particularly efficient for energy generation when land use requirements are considered. In optimal biomass production scenarios using high intensity poplar plantations in the pacific northwest, harvestable yields of wood can be generated in 10 years, providing on average 0.58 tonnes of dry biomass per acre. In terms of energy, that is about the mass required to generate 0.64 Megawatts (MW), but it takes a decade to generate. Using rough comparisons, one acre of intense forest plantation provides enough power for 600 homes for a year, or 60 homes for the 10 years it takes to grow the trees. However, experiments show that with such rapid growth, the sustainability of intense cultivation in the absence of fertilization is not guaranteed as a single 10 year harvest showed reduced soil nitrogen concentrations. Comparatively, an acre of solar panels can provide about 0.4MW each year. Enough for 4,000 homes over 10 years. Power for 60 homes or power for 4,000; these are the differences we see in energy output per land area. Viable alternatives exist for energy production: solar, wind, geothermal, hydroelectric, and nuclear all produce less emissions per MW of power. We can capture carbon by either harvesting these forests for lumber or allowing them to grow into healthy mature ecosystems. A single acre of mature forest in the pacific northwest can store over 200 tonnes of carbon. Bioenergy plants result in emissions, they are lower than coal or natural gas, but they are still emissions. In a time of climate crisis, forests have more value in their capacity to sequester and store carbon than they do as a source of firewood.

Select references:

Lal, R. et al. (2018). The carbon sequestration potential of terrestrial ecosystems. J. Soil Water Conserv. 73: 145A-152A.

Schlesinger, W.H. (2018). Are wood pellets a green fuel? Science (1328-1329). 359: 1328–1329.

Kauter, D. et al. (2003). Quantity and quality of harvestable biomass from Populus short rotation coppice for solid fuel use - A review of the physiological basis and management influences. Biomass and Bioenergy 24: 411–427.

Stanton, B.J. et al. (2021). The practice and economics of hybrid poplar biomass production for biofuels and bioproducts in the Pacific Northwest. Bioenergy Res. 14: 543–560.

Langeveld, H. et al. (2012). Assessing Environmental Impacts of Short Rotation Coppice (SRC) Expansion: Model Definition and Preliminary Results. Bioenergy Res. 5: 621–635.

 

Capture du carbone, crédits carbone, puits de carbone : tous ces termes désignent des processus ou des politiques visant à réduire la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, qui augmente depuis la révolution industrielle. En tant que biologistes végétaux, nous travaillons avec les meilleurs outils pour accomplir cette réduction. Utiliser nos forêts pour le bois de chauffage et par conséquence libérer le carbone qu'elles stockent n'est pas une bonne solution à la crise climatique.

Le réchauffement de l'Arctique, l'augmentation du CO2 atmosphérique et la demande croissante en énergie sont des éléments qui poussent les sociétés à trouver des solutions « d'énergie verte » pour lutter contre le changement climatique. Une solution souvent citée consiste à brûler la biomasse pour libérer l'énergie stockée sous forme de chaleur et à la convertir en électricité. Cette « bioénergie » est présentée comme neutre en carbone. Superficiellement, cela a du sens car les plantes capturent le CO2 de l'atmosphère, le stockent sous forme de composants contenant du carbone et libèrent le CO2 stocké lorsqu'elles sont brûlées. Les plantes ne peuvent pas libérer plus de carbone qu'elles n'en capturent. Cependant, dès que le rideau est légèrement levé, il devient clair que la bioénergie n'est pas neutre.

Les hydrates de carbone combustibles constituent la grande majorité de la biomasse ligneuse utilisée pour la combustion, mais le CO2 n’est pas le seul composé émis. Les centrales bioénergétiques libèrent du méthane, un gaz à effet de serre, ainsi que des substances volatiles comme le benzène et les oxydes nitriques. Les centrales bioénergétiques ne sont pas non plus nécessairement présentes là où le bois est récolté. En Colombie-Britannique, où l'énergie hydroélectrique domine, 99 % des granulés de bois produits sont transportés ailleurs, représentant une source importante d'émissions. Le Royaume-Uni et l'Europe importent une grande partie de la biomasse destinée à la bioénergie des États-Unis et du Canada, ce qui entraîne d'énormes émissions de carbone dues à la navigation transatlantique, sachant que les navires de transport dépendent exclusivement des carburants fossiles. La bioénergie est présentée comme un moyen durable d'utiliser les déchets forestiers ; toutefois, avec la demande énergétique actuelle, les déchets ne sont pas suffisants et le bois vierge est donc transformé en granulés de bois. En 2020, plus de 1 % de la récolte totale de bois en Colombie-Britannique a été utilisée à cette fin. Cela correspond à la récolte d'environ 5 500 acres de forêt en une seule année pour le bois de chauffage. Il faudra 50 à 70 ans avant que cette forêt puisse être récoltée à nouveau et 150 à 250 ans avant que la forêt soit considérée comme mature. D'un point de vue écologique et de conservation, la perte d'habitat et la réduction de la biodiversité constituent un problème majeur dans les forêts fortement exploitées. Lorsqu'une zone d'arbres est récoltée, le terrain devient une source d'émissions de CO2 pendant de nombreuses années, car la respiration aérobie dégrade la biomasse restante.

Enfin, la combustion de biomasse n'est pas efficace pour la production d'énergie dès que l'utilisation des terres sont considérées. Dans des scénarios optimaux de production de biomasse utilisant des plantations de peupliers à haute intensité dans le nord-ouest du Pacifique, des rendements exploitables de bois peuvent être générés en 10 ans, fournissant en moyenne 0,58 tonne de biomasse sèche par acre. Cela correspond à la masse nécessaire pour produire 0,64 mégawatts (MW) d’électricité par décennie. En faisant des calculs approximatifs, une acre de plantation forestière intensive fournit suffisamment d'énergie pour 600 foyers pendant un an, ou 60 foyers pendant les 10 années nécessaires à la croissance des arbres. Cependant, la littérature nous montre qu'une croissance aussi rapide réduit la durabilité de la culture, car une seule récolte sur 10 ans montre une réduction des concentrations d'azote dans le sol. Comparativement, une acre de panneaux solaires fournit environ 0,4 MW annuellement. Cela suffit pour alimenter 4 000 foyers par décennie. Comparé avec la biomasse qui produit de l'énergie pour 60 foyers, nous constatons une forte différence d’efficacité de production d'énergie par surface terrestre. Plusieurs alternatives viables existent pour la production d'énergie : solaire, éolienne, géothermique, hydroélectrique et nucléaire produisent moins d'émissions par MW. Nous pouvons capturer le carbone soit en exploitant ces forêts pour le bois d'œuvre, soit en leur permettant de se développer en écosystèmes matures et sains. Une acre de forêt mature dans le nord-ouest du Pacifique peut stocker plus de 200 tonnes de carbone. Certes, les centrales bioénergétiques émettent moins que celles du charbon ou du gaz naturel, mais ce sont quand même des émissions. Compte tenu de la crise climatique actuelle, les forêts ont plus de valeur en tant que puits de carbone qu'en tant que biocarburants.


Références :

Lal, R. et al. (2018). The carbon sequestration potential of terrestrial ecosystems. J. Soil Water Conserv. 73: 145A-152A.

Schlesinger, W.H. (2018). Are wood pellets a green fuel? Science (1328-1329). 359: 1328–1329.

Kauter, D. et al. (2003). Quantity and quality of harvestable biomass from Populus short rotation coppice for solid fuel use - A review of the physiological basis and management influences. Biomass and Bioenergy 24: 411–427.

Stanton, B.J. et al. (2021). The practice and economics of hybrid poplar biomass production for biofuels and bioproducts in the Pacific Northwest. Bioenergy Res. 14: 543–560.

Langeveld, H. et al. (2012). Assessing Environmental Impacts of Short Rotation Coppice (SRC) Expansion: Model Definition and Preliminary Results. Bioenergy Res. 5: 621–635.

 


Contributed by Harley Gordon

Centre for Forest Biology, University of Victoria, Victoria BC

Harley Gordon (he/him) is a PhD candidate in the poplar molecular biology lab of Peter Constabel at the University of Victoria. His doctoral work focuses on the biochemistry and metabolism of poplar defense metabolites known as salicinoids.



Contribué par Harley Gordon

Candidat au doctorat, Centre de biologie forestière, Université de Victoria, Victoria

Harley Gordon (il) est un candidat au doctorat dans le laboratoire de biologie moléculaire du peuplier de Peter Constabel à l'Université de Victoria. Son travail de doctorat porte sur la biochimie et le métabolisme des métabolites de défense du peuplier, appelés salicinoïdes.


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