Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5936
Main Title: Sustainable biomass potential for biofuels
Subtitle: a spatial assessment for Brazil and India
Translated Title: Nachhaltiges Biomassepotential für die Erzeugung von Biokraftstoffen
Translated Subtitle: eine geodatenbasierte Analyse für Brasilien und Indien
Author(s): Lossau, Selma
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Kleinschmit, Birgit
Referee(s): Schomäcker, Reinhard
Kleinschmit, Birgit
Fischer, Günther
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: There is a large interest in biofuels in Brazil and India as a substitute to fossil fuels, with a purpose of enhancing energy security and promoting rural development. The critical question is whether there is adequate spare land available in Brazil and India that is suited for biofuel feedstock production. For these reasons, Daimler AG launched a project in co-operation with the International Institute for Applied System Analysis (IIASA) and the Technical University of Berlin to assess the biomass potential for biofuels employing the following sustainability criteria: The production of biofuels i) must exclude competition with food and feed supply; ii) does nor directly nor indirectly result in deforestation; iii) does not encroach in protected areas; iv) does not cause in biodiversity loss; v) does not compete for scarce fresh water resources and vi) will not cause land degradation due to inappropriate management; vii) must not contribute to GHG emissions and climate change as result of increased fertilizer use for crop production intensification or of conversion from crop production to biofuel. Applying the sustainability criteria outlined above this thesis aims for a spatially detailed assessment of biomass and biofuel potentials in promising future vehicle markets Brazil and India. A new land resources database for Brazil has been created for a 30 arc-second (about 1 km2) grid cell resolution comprising of land intensities of seven major land cover categories. This study combines available recent geographic land use data derived from remote sensing analysis with statistical information from Brazil’s latest agricultural Census and with forest data from FAO’s Forest Resource Assessment. Spatial allocation algorithms were applied to obtain spatial distributions for i) cropland, ii) pasture, iii) forest, iv) built-up land required for urban, industrial and infrastructure, v) barren and sparsely vegetated land, and vi) water. The remaining unused share in each grid-cell was termed vii) residual land areas. Residual land was further categorized according to its legal protection status, biodiversity value, and whether it belongs to the territory of the Amazon biome. Some 44% of the latter or 37 Mha is not located in the Amazon or in protected areas or in areas of high biodiversity value and could be earmarked for biofuel production. About 62 billion litres of bioethanol from miscanthus, followed by 34 billion litres and 31 billion litres from sugarcane and cassava respectively could be produced from residual land. Potential biodiesel production amounts to about 18 billion litres when residual land is used for jatropha cultivation or 7 billion litres for soybeans. In contrast to Brazil where significant extents of residual land exist the spare land for biofuel production in India is very limited. India launched a large program to promote biofuel production, particularly on wastelands: its implications has been studied intensively considering the fact that India is a large developing country with high population density and large rural population depending upon land for their livelihood. The study for India presents an assessment of biofuel production potentials on Indian wasteland, which combines available statistical information from the agricultural survey and specific statistical data of wastelands from the Wasteland Atlas with geospatial information for wasteland suitability for biofuel feedstocks obtained from the Global Agro-ecological zones (GAEZ) assessment, which was carried out for the purpose of this study. An iterative sequential downscaling procedure has been implemented to estimate culturable wasteland shares and suitability for biofuel feedstocks. Of the total land area of India (327 Mha), about 14% is wasteland of this total approximately 13 Mha would be suitable for growing biofuels crops. The production potential of culturable wastelands amounts 12 billion litres in the case of miscanthus, followed by 4 billion litres bioethanol from sugarcane. Potential biodiesel production amounts about 7 billion litres biodiesel in the case of jatropha. Results for Brazil and India provide biophysical potentials of residual land or culturable wasteland expressed in biomass (t/ha) and biofuel equivalents (l/t). Biofuel feedstocks production potentials have been equated to energy output (GJ), GHG saving potential (ton CO2eq) and replacement potentials of fossil transport fuels and. In addition the maximum possible amount of biofuels produced from residual land or culturable wasteland was determined by selecting the highest yielding biofuel feedstocks in terms of biofuel energy output (GJ/ton biomass). Further, key factors, which determine potential future uses of residual land or wasteland and its impact on biofuel production has been analysed.
In den Ländern Brasilen und Indien herrscht großes Interesse an Biokraftstoffen. Zum einen sieht man in Biokraftstoffen die Chance die zukünftige Energieversorgung sicherzustellen und zum anderen ländliche Regionen mit hohem Anteil an Landwirtschaft durch den Anbau von Pflanzen für die Biokraftstoffproduktion zu unterstützen. Entscheidend ist hierbei, ob in diesen Ländern bisher ungenutzte Flächen existieren und ob diese für den Anbau von Pflanzen für die Biokraftstoffproduktion geeignet sind. Aus diesem Grund hat die Daimler AG in Kooperation mit dem Internationalen Institut für angewandte Systemanalyse (IIASA) und der Technischen Universität Berlin ein Projekt initiiert, mit dem Ziel der geodatenbasierten Berechnung des nachhaltigen Biomassepotentials für die Erzeugung von Biokraftstoffen. Dabei wurden die folgenden Nachhaltigkeitskriterien berücksichtigt: Die Produktion der Biokraftstoffe darf i) nicht in Konkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelerzeugung stehen; ii) darf weder direkt, noch indirekt zu Entwaldung führen; iii) darf nicht auf geschützten Flächen erfolgen; iv) darf nicht auf Flächen mit hoher Biodiversität erfolgen; v) tritt nicht in Konkurrenz zu Frischwasserressourcen; vi) verursacht keine Landdegradierung aufgrund unangemessener Bewirtschaftung; vii) darf keine zusätzlichen Treibhausgas-Emissionen verursachen z.B. als Folge von vermehrtem Düngemitteleinsatz. Unter Berücksichtigung der o.g. Nachhaltigkeitskriterien zielt diese Arbeit auf eine räumlich detaillierte Bewertung von Biomasse – und Biokraftstoffpotentialen auf ungenutzten Landflächen in Brasilien und Indien. Für Brasilien wurde eine neue geodatenbasierte Landflächennutzungs-Datenbank mit einer Rasterauflösung von 30 Bogensekunden (ca. 1 km2) generiert. Dabei wurden verfügbare Statistiken zur Landnutzung und Waldflächen mit geodatenbasierten Landnutzungsinformationen kombiniert. Es wird zwischen sieben Landüberdeckungsarten unterschieden: i) Ackerland, ii) Weideland, iii) Waldflächen, iv) Nutz- und Reservefläche für städtische und industrielle Infrastruktur, v) Ödland und spärlich bewachsenes Land und vi) Wasserflächen. Die nicht i) bis vi) zuzuordnenden Anteile jedes Rasters wurden zusammengefasst als vii) restliche Landflächen sog. „residual land“. Die restlichen Landflächen wurden weiter kategorisiert gemäß ihres rechtlichen Schutzstatus, ihrer Biodiversität und ob sie dem Amazonas zugewiesen sind. 44% des „residual land“ etwa 37 Millionen Hectar sind weder dem Amazons-Gebiet noch Schutzgebieten bzw. Gebieten mit besonderer Biodiversität zuzuordnen. Diese Fläche steht für den potentiellen Anbau von Pflanzen für die Biokraftstoffproduktion zur Verfügung. Zirka 62 Milliarden Liter Bioethanol aus Miscanthus (auch als China-Schilf bekannt), gefolgt von 34 Milliarden Litern aus Zuckerrohr bzw. 31 Milliarden Litern aus Cassava könnte auf „ residual land“- Flächen erzeugt werden. Das Potential für die Biodieselerzeugung liegt bei 18 Milliarden Litern, wenn diese Flächen für den Jatrophaanbau verwendet würden bzw. 7 Milliarden Litern bei entsprechender Bewirtschaftung mit Soja. Im Unterschied zu Brasilien, wo ein signifikantes Flächenpotential besteht, sind diese zur Biokraftstoff-produktion geeigneten freien Landflächen in Indien stark limitiert. Indien hat ein ausgeweitetes Programm zur Unterstützung der Biokraftstoffproduktion ins Leben gerufen, hierbei steht die Nutzung von Ödlandflächen sog. „wasteland“- Flächen insbesondere im Fokus. Die geodatenbasierte Berechnung des nachhaltigen Biomasse-potentials für die Erzeugung von Biokraftstoffen für Indien kombiniert verfügbare Statistiken zur Landnutzung und „wasteland“-Flächen mit Geoinformationen über die Tauglichkeit zur landwirtschaftlichen Nutzung. Dabei wurde eine sequenzielle Downscalingprozedur angewendet, um das Potential von kultivierbaren „wasteland“-Flächen abzuschätzen und deren Tauglichkeit für den Pflanzenanbau für die Biokraftstoffproduktion zu prognostizieren. Ungefähr 14% der 327 Millionen Hectar Gesamtfläche Indiens sind „wasteland“, schätzungsweise 13 Millionen Hectar wären tauglich zum Anbau von Pflanzen für die Biokraftstoffproduktion. Das Produktionspotential der kultivierbaren „wasteland“- Flächen beträgt 12 Milliarden Liter Bioethanol beim Anbau von Miscanthus gefolgt von 4 Milliarden Liter bei Verwendung von Zuckerrohr. Das Potential für die Biodieselerzeugung liegt bei 7 Milliarden Litern, wenn diese Flächen für den Jatrophaanbau verwendet würden. Die Potentiale der Rohstofferzeugung für Biokraftstoffe wurden für Brasilien und Indien in Bezug auf die Energieausbeute (GJ) und das Einsparpotential von Treibhausgasen (Tonnen CO2 –Äquivalent) gegenübergestellt. Zusätzlich wurde der maximale Ertrag an Energie aus Biokraftstoff ermittelt, unter der Annahme des Anbaus desjenigen Rohstoffs mit der höchstmöglichen Energiedichte (GJ/Tonne Biomasse). Um die zukünftige Verfügbarkeit von „residual land“ oder „wasteland“-Flächen zu untersuchen wurden landwirtschaftliche Bedarfs- und detaillierte Weidelandproduktivitätsuntersuchungen hinzugezogen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6386
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5936
Exam Date: 3-Jun-2015
Issue Date: 2017
Date Available: 6-Jun-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::556 Geowissenschaften Afrikas
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::558 Geowissenschaften Südamerikas
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): wasteland
GAEZ methodology
biofuelpotential
GHG savings
Brazil
India
Ödlandflächen
geodatenbasierte Berechnung
Biokraftstoffpotential
CO2 Einsparung
Brasilien
Indien
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References: http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2015.07.024
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