Livscyklusvurdering af økologiske og konventionelle planteavlssædskifter - fokus på drivhusgasemissioner Af Marie Trydeman Knudsen, Jørgen E. Olesen, John E. Hermansen (Institut for Agroøkologi, Århus Universitet) & Andreas Meyer-Aurich (Leibniz-Institute for Agricultural Engineering, Tyskland) Faglige følgegruppemøder med FVM, Århus 5.-6. sept. 2011
Økologisk planteproduktion Lille miljøbelastning Højt udbytte Udfordring: Udfasning af konventionel gylle! En del af CROPSYS-projektet
Emissioner til luften (N 2 O, NH 3, CO 2 etc.) Dogmesædskifte O2 Vårbyg Kløvergræs Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde ØKOLOGISK Biogassædskifte O2+ O4 O-inputsædskifte BIOGAS Vårbyg Kløvergræs Kartofler Vinterhvede Vårbyg Efterafgrøde Hestebønne Efterafgrøde Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde Efterafgrøde Gyllesædskifte O4+ Vårbyg Hestebønne Efterafgrøde Efterafgrøde Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde KONVENTIONEL Referencesædskifte C4+ Vårbyg Efterafgrødafgrøde Hestebønne Efter- Kartofler Vinterhvede Emissioner til jord og vand (NO - 3 etc.) Efterafgrøde
Miljøpåvirkningskategorier Global opvarming Eutrofiering Pesticidforurening Biodiversitet Arealforbrug Jordens frugtbarhed
OPGØRELSE Emissioner til luften (CO 2, N 2 O, CH 4, NH 3 ) INPUT Materialer Handelsgødning Husdyrgødning etc. Energi Diesel Electricitet etc. Kemikalier Pesticider etc. Andet Arealforbrug etc. LANDBRUGS- PRODUKTION Emissioner til jord og vand (NO 3-, PO 4 3- ) OUTPUT Afgrødeudbytte Biprodukter etc. transport transport transport transport Produktion af inputs Landbrugsproduktion Forarbejdning Pakning og distribution Forbruger
KONVENTIONELT INPUT Materialer Handelsgødning Husdyrgødning etc. Energi Diesel Electricitet etc. Kemikalier Pesticider etc. Andet Arealforbrug etc. Emissioner til luften (CO 2, N 2 O, CH 4, NH 3 ) AFGRØDE f.eks. kartofler Emissioner til jord og vand (NO 3-, PO 4 3- ) OUTPUT Afgrødeudbytte Biprodukter etc. transport transport transport transport Produktion af inputs Landbrugsproduktion Forarbejdning Pakning og distribution Forbruger
ØKOLOGISK Husdyrbrug Gødning SÆDSKIFTE Emissioner til luften (CO 2, N 2 O, CH 4, NH 3 ) INPUT OUTPUT Kløvergræs Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde Vårbyg Emissioner til jord og vand (NO 3-, PO 4 3- ) transport transport transport transport Produktion af inputs Landbrugsproduktion Forarbejdning Pakning og distribution Forbruger
Resultater på sædskifteniveau
Resultater på sædskifteniveau: PER HEKTAR 2700 2200 Drivhusgasemissioner per ha (g CO2 -ækv. per ha) 1700 1200 700 200 Jyndevad Foulum Flakkebjerg -300 Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -800
Resultater på sædskifteniveau: PER HEKTAR Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel Foulum 2006-2008 Produktion af gødning N2O, hovedafgrøde N2O, kløvergræs N2O, efterafgrøde Diesel og maskiner, hovedafgrøde Diesel og maskiner, kløvergræs Undgået CO2, biogas Jordpuljeændringer -1800-800 200 1200 2200 Drivhusgasemissioner per ha (CO 2 -ækv. per ha)
Resultater på sædskifteniveau: PER KG 800 Drivhusgasemissioner per kg afgrøde (g CO2 -ækv. per kg tørstof) 600 400 200 0 Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel Jyndevad Foulum Flakkebjerg -200
Resultater på sædskifteniveau: PER KG Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel Foulum 2006-2008 Produktion af gødning N2O, hovedafgrøde N2O, kløvergræs N2O, efterafgrøde Diesel og maskiner, hovedafgrøde Diesel og maskiner, kløvergræs Undgået CO2, biogas Jordpuljeændringer -400-200 0 200 400 Drivhusgasemissioner per kg afgrøde (CO 2 -ækv. per kg tørstof)
Resultater på sædskifteniveau 2700 2200 Drivhusgasemissioner per ha Drivhusgasemissioner per kg Drivhusgasemissioner per ha (g CO2 -ækv. per ha) 1700 1200 700 200-300 Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -800
Resultater på afgrødeniveau
Resultater på afgrødeniveau Drivhusgasemissioner per kg vårbyg (g CO2 -ækv. per kg vårbyg) 950 750 550 350 150-50 -250 VÅRBYG Jyndevad Foulum Flakkebjerg Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel Drivhusgasemissioner per kg hestebønne (g CO2 -ækv. per kg hestebønne) 950 750 550 350 150-50 -250 HESTEBØNNER Jyndevad Foulum Flakkebjerg Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -450-450 Drivhusgasemissioner per kg vinterhvede (g CO2 -ækv. per kg vinterhvede) 950 750 550 350 150-50 -250 VINTERHVEDE Jyndevad Foulum Flakkebjerg Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel Drivhusgasemissioner per kg kartofler (g CO2 -ækv. per kg kartofler) 950 750 550 350 150-50 -250 KARTOFLER Jyndevad Foulum Flakkebjerg Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -450-450
Resultater på afgrødeniveau: VÅRBYG Drivhusgasemissioner per kg vårbyg (g CO2 -ækv. per kg vårbyg) 950 750 550 350 150-50 -250 VÅRBYG Jyndevad Foulum Flakkebjerg Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -450
Resultater på afgrødeniveau: VÅRBYG Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel Vårbyg Foulum 2006-2008 Produktion af gødning N2O, hovedafgrøde N2O, kløvergræs N2O, efterafgrøde Diesel og maskiner, hovedafgrøde Diesel og maskiner, kløvergræs Undgået CO2, biogas Jordpuljeændringer -500-300 -100 100 300 500 Drivhusgasemissioner per kg vårbyg (CO 2 -ækv. per kg vårbyg)
Resultater på afgrødeniveau: KARTOFLER Drivhusgasemissioner per kg kartofler (g CO2 -ækv. per kg kartofler) 950 750 550 350 150-50 -250 KARTOFLER Jyndevad Foulum Flakkebjerg Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -450
Resultater på afgrødeniveau: KARTOFLER Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel KARTOFLER Foulum 2006-2008 Produktion af gødning N2O, hovedafgrøde N2O, kløvergræs N2O, efterafgrøde Diesel og maskiner, hovedafgrøde Diesel og maskiner, kløvergræs Undgået CO2, biogas Jordpuljeændringer -500-300 -100 100 300 500 Drivhusgasemissioner per kg kartofler (CO 2 -ækv. per kg kartofler
Resultater på afgrødeniveau Drivhusgasemissioner per kg afgrøde (g CO2 -ækv. per kg tørstof) 700 500 300 100-100 Vårbyg Kartofler Hestebønner Alle tre lokaliteter 2006-2008 Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -300
Konklusion Afgrøder fra sædskiftet med kløvergræs hvert 4. år til biogas havde den laveste klimabelastning Afgrøder fra O-input-sædskiftet og gylle-sædskiftet samt det konventionelle sædskifte havde sammenlignelig klimabelastning Jordpuljeændringer har stor reducerende effekt på klimabelastning fra afgrøder på dogme -sædskiftet med kløvergræs Vinterhvede fra Jyndevad havde en meget høj klimabelastning
TAK for opmærksomheden!
Afgrænsning Spring barley Green manure/ Faba bean Cash crop yield Input production Potatoes Winter wheat Soil C change Biogas production Avoided natural gas production Figure 1. Illustration of the involved processes and systems boundaries in the present study of crop rotations. The carbon footprints are calculated both based on the full crop rotation and separately on the specific crops.
Figure 1. Illustration of the involved processes and resources for the modelling of the biogas production and the related avoided production of natural gas. Biogas modellering Emissions to air CH 4 loss: 7.8 g CH 4 /kg DM grass (from Sommer et al., 2004: 0.177 kg CO2 eq/kg VS) Emissions to air SO 2 loss: 19.2 g SO 2 /GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) NO x loss: 540 g NO x /GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) NMVOC loss: 14 g NMVOC/GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) CH 4 loss: 323 g CH 4 /GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) CO loss: 273 g CO/GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) N 2 O loss: 0.5 g N 2 O /GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) PM2.5 loss: 0.206 g PM2.5/GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) PM10 loss: 0.451 g PM10/GJ x 0.023 GJ/m 3 biogas (Nielsen, 2002) INPUT OUTPUT Materials 1 kg DM grass-clover 0.25 m 3 CH 4 /kg DM grass-clover (Lehtomäki, 2006) Energy 0.09 kwh electricity (gas)/m 3 biogas 0.6 kwh heat (gas)/m 3 biogas (Nielsen, 2002) + TRANSPORT (farm to biogas plant) 10 km in 3.5-20t lorry (as suggested by Ecoinvent, 2008) BIOGAS PLANT INPUT 0.25 m 3 CH 4 /kg DM grass-clover (Lehtomäki, 2006) / 0.65 m 3 CH 4 / m 3 biogas (Nielsen, 2002) = 0.3846 m 3 biogas/kg DM grass POWER PLANT OUTPUT 2.4 kwh electricity (gas)/m 3 biogas (avoided production and emissions from Ecoinvent) 3.1 kwh heat (gas)/m 3 biogas (avoided production and emissions from Ecoinvent) (Nielsen, 2002)
MANURE Emissions to air (NH 3, N 2 O, CO 2 etc.) INPUTS Livestock systems OUTPUTS Milk Meat Manure Stable ARABLE CROPS Storage LIVESTOCK Green manure crop Potatoes Wheat Transport Application in the field Emissioner fra importeret gødning
MANURE Emissions to air (NH 3, N 2 O, CO 2 etc.) INPUTS Livestock systems OUTPUTS Milk Meat Manure Stable Mineral fertilizer factory Application in the field AVOIDED Production and application of mineral fertilizer Storage Green manure crop Potatoes Wheat Transport Application in the field LIVESTOCK Emissioner fra importeret gødning
Resultater på sædskifteniveau 2700 2200 Drivhusgasemissioner per ha Drivhusgasemissioner per kg Drivhusgasemissioner per ha (g CO2 -ækv. per ha) 1700 1200 700 200-300 Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -800
Resultater på afgrødeniveau Drivhusgasemissioner per kg afgrøde (g CO2 -ækv. per kg tørstof) 700 500 300 100-100 Vårbyg Kartofler Hestebønner Alle tre lokaliteter 2006-2008 Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel -300
Resultater på afgrødeniveau: VÅRBYG Dogme Biogas O-input Gylle Konventionel VÅRBYG Flakkebjerg 2006-2008 Produktion af gødning N2O, hovedafgrøde N2O, kløvergræs N2O, efterafgrøde Diesel og maskiner, hovedafgrøde Diesel og maskiner, kløvergræs Undgået CO2, biogas Jordpuljeændringer -700-500 -300-100 100 300 500 700 Drivhusgasemissioner per kg vårbyg (CO 2 -ækv. per kg vårbyg
Resultater på afgrødeniveau: HESTEBØNNER
Resultater på afgrødeniveau: VINTERHVEDE
3.1 How allocate environmental impacts from imported manure? Options and our recommendation Regard manure as waste from livestock system Plant production will pay for environmental emissions related to transport and application in the field Regard manure as a valuable source of N, that otherwise needs to be produced (what is the consequence of using it?) => thus find shadow price of alternative source As mineral fertilizer => environmental costs of production and use of mineral fertilizer = shadow price As green manure => environmental costs of production of green manure = shadow price Other? (recycled waste)
3.1 How to allocate and account for manure? GWP of organic wheat as dependent on how the importeret ressource manure has been accounted for, g CO2e/kg 500 400 g CO2e/kg wheat 300 200 100 0 Fert.-N subs. ratio 0.75 Fert.-N subs. ratio 0.6 Fert. N subs. ratio 0.5 Fert.-N subs. ratio 0.4 Fert.-N subs. Ratio 0
How to analyse these rotations? System delimitation at: Crop level (kg CO 2 eq per t potato, wheat etc.): Allocate environmental impacts (or benefits) from green manure, crop residues etc.) according to Area (equally on the crops) N residual/utilization effects of following crops Crop rotation level: Allocate environmental impacts according to Land management function, per ha (kg CO 2 eq per ha) Productive function I, per kg DM (kg CO 2 eq per kg DM) Productive function II, per kg protein (kg CO 2 eq per kg protein) Financial function, per economic unit (kg CO 2 eq per DKK)
Emissioner til luften (N 2 O, NH 3, CO 2 etc.) Dogmesædskifte O2 Vårbyg Kløvergræs Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde ØKOLOGISK Biogassædskifte O2+ O4 O-inputsædskifte BIOGAS Vårbyg Kløvergræs Kartofler Vinterhvede Vårbyg Efterafgrøde Faba bean Efterafgrøde Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde Efterafgrøde Gyllesædskifte O4+ Vårbyg Faba bean Efterafgrøde Efterafgrøde Kartofler Vinterhvede Efterafgrøde KONVENTIONEL Referencesædskifte C4+ Vårbyg Efterafgrødafgrøde Faba bean Efter- Kartofler Vinterhvede Emissioner til jord og vand (NO - 3 etc.) Efterafgrøde