Balancierte Bioökonomie: von der Flächenkonkurrenz zur nachhaltigen Zukunftsvision

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1 Balancierte Bioökonomie: von der Flächenkonkurrenz zur nachhaltigen Zukunftsvision Dr. Vortrag bei Veranstaltung Bioökonomie - Chancen und Begrenzungen 12. September 2011 veranstaltet von Ev. Akademie Villigst, VDW, NABU Berlin Leiter FG Stoffströme und Ressourcenmanagement Wuppertal Institut Mitglied des International Resource Panel

2 Der Vortrag Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen und Empfehlungen 2

3 Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen 3

4 Globale Landnutzung: Siedlungen und Landwirtschaft dehen sich aus, Wälder gehen zurück (10 9 Hektar) settlements, infrastructures + 72% to 118% 5.0 deserts, glaciers, others +? grasslands 1.5 crops 3.5 permanent pastures 1.5 arable land agriculture -? agric. land: + 7% to 31% cropland + 7% to 27% forests - 3% to -23% Sources: Benedikt-Kemp et al. 2002, MEA 2005, GEO 4, OECD (2008) 4

5 Conversion of terrestrial biomes Tropical forests, grasslands and savannahs are expected to decline Only temperate forests will expand Source: MEA (2005) 5

6 Global land use trend scenarios asd Source: Van Vuuren and Faber (2009) after FAO, IAASTD, Van Vuuren et al. 6

7 Land use in the EU (changes ) Total land cover in 2000 (24 countries) Drivers of urban land development asdf Source: EEA and-ecosystem-accounting-leac 7

8 Land use change trends in the EU Built-up land expands Forest area is growing -> Agricultural area tends to decrease Source: EEA and-ecosystem-accounting-leac 8

9 Getreideerträge wachsen langsamer als früher Gleitender 5-Jahresdurchschnitt (%) ** ** *** *** *** *** Signifance of t-statistics: ** p<0.05, *** p<0.01; Data source: based on FAOSTAT online data

10 Getreideerträge wachsen jetzt langsamer als die Weltbevölkerung Source: UN population statistics online; FAOSTAT online. 10

11 Globale Trends von Bevölkerung, Getreideerträgen und Ernährung Anbauland wird expandieren, nur um die Bevölkerung zu ernähren Zusätzliche Nachfrage nach Anbaubiomasse (Biokraftstoffe/- materialien) wird den Druck auf die Umwandlung von Grassländern, Savannen und Wäldern in den Tropen erhöhen I n d ex = Cereal yields Population Bevölkerung Cropland Anbauland Cropland per capita Anbauland pro Kopf Cereals yields yields in DC Getreideerträge Meat Fleischverbrauch consumption in DC Source: Bringezu/Schütz 2009 after UN population statistics ; FAO (2003, 2006); estimates based on Gallagher report

12 Growing competition for cropland - preliminary data Cropland expansion base year 2005, prospects to 2050 Compensation for built environment: Mha Food supply: Mha Biofuel supply: Mha Biomaterial supply: Mha Compensating degradation: Mha Cropland expansion required Mha 12

13 Zwischenfazit Flächenkonkurrenzen werden zunehmen Ackerland wird zur Ernährungssicherung global ausgedehnt werden Dies geht zu Lasten natürlicher Systeme 13

14 Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen 14

15 Global production of liquid biofuels Pet ta Joules/ Year Ethanol Biodiesel Source: SCOPE (2009). Year 2007: 1.8% of global fuel 2008: ca. 3% (ethanol 5.46%, biodiesel 1.5%) Source: SCOPE 2009 Source: OECD/FAO

16 Greenhouse gas savings of biofuels compared to fossil fuels Biofuels show wide variance of GHG balance depending in feed-stock and conversion technology Highest savings show ethanol from sugar cane and Fischer- Tropsch biodiesel from wood Sources: own compilation based on data from Menichetti/Otto 2008 for bioethanol and biodiesel, IFEU (2007) for sugar cane ethanol, and Liska et al. (2009) for corn ethanol; RFA 2008 for biomethane, bioethanol from residues and FT diesel. 16

17 Environmental impacts of rape seed biodiesel compared to petroleum based diesel Source: Reinhardt et a

18 Biofuels may reduce GHG emission but increase other impacts in particular eutrophication Source: Zah et al fossil fuel reference 18

19 Constraints and uncertainties of LCA on biofuels N2O emissions: 3-5% (Crutzen et al. 2008) vs. 1% (IPCC) other GHG emissions: NOx, CH4 Co-product allocation and allocation method Depreciation of shock impacts over longer periods Main shortcoming: product based approach cannot account for effects at regional scales: - water - land use changes 19

20 Water is a limiting factor for fuel crop development Water quality: For instance in the Mississippi drainage basin increased corn acreage and fertilizer application for biofuel production, increase nitrogen and phosphorus losses to water bodies, particularly in the Northern Gulf of Mexico and Atlantic coastal waters, leading to serious hypoxia problems (shortage of oxygen). Water consumption: feed-stock production for biofuels in water scarce regions requires irrigation. This may compete with food production. Extreme weather events (inundation, droughts) due to climate change might increase uncertainty. 20

21 Land use for fuel crops 2007: 27 Mha; 2008: 36 Mha for biofuels (2% gobal cropland) Trends for expansion particular in tropical countries (high yields) Brasil: - Sugare cane 9 mill ha in 2008 (up 27% since 2007) - Potential area for soybeans: 100 mill ha (23 Mha in 2005) - expansion at the expense of grasslands, savannahs (Cerrado) and tropical forests Indonesia: - oil palm plantations often on cleared forest land (2/3) - applications for expansion: 6 mio ha -> 25 mio ha - forest clearing 1/4 on peat soils 21

22 Estimates of future global biofuels use and crop land requirement - 1/2 - Notes: *) lower value from linear interpolation of estimates for 7% biofuels to 14% biofuels (the latter as average of more domestic supply and more imports), upper value for 14% and more domestic supply. **) The lower figure takes into account the avoided land use benefits of co-products, 2nd generation technologies from wastes and residues and assumes significant improvements in yield. The higher estimate is a gross figure, for the low yield scenario, not taking into account the anticipated benefits of co-products and without a positive contribution from 2nd generation technologies. 22

23 Estimates of future global biofuels use and crop land requirement - 2/2 - Notes: ***) The lower figures refer to the OLSR version, higher figures for the PCCR version of the EPPA model (MIT Emissions Predictions and Policy Analysis Model). OLSR stands for Observed Land Supply Response and considers the response in land conversion in recent years representative of the long-term response. PCCR means Pure Conversion Cost Response and simulates unrestricted conversion of natural forest and grassland as long as costs are covered by returns. ****) The least amount of land is required when palm oil and sugarcane is considered (142 Mha), whereas soybean and maize crops at indicative yields require 600 Mha. Source: Bringezu et al

24 Implications of land use change GHG emissions - mitigation by 1st generation biofuels questionable GHG balance estimate*, in % biofuels could substitute fossil fuels emitting 0.84 Gt CO 2 substitution potential 20-90%: Gt CO 2 LUC induced additional emissions: 0.75 to 1.83 Gt CO 2 *Ravindranath, N.H. et al. (2009) GHG Implications of Land Use and Land Conversion to Biofuel Crops. In: R. W. Howarth and S. Bringezu (editors), Biofuels: Environmental Consequences and Interactions with Changing Land Use. Report of the Internatinal SCOPE Biofuels Project. ( 24

25 Implications of land use change Expansion of sugar cane at the expense of high biodiversity about 20% of Cerrado and Pantanal is rated as high priority for conservation expansion of sugar cane continues also in these (nonprotected) areas despite of other land available already converted expansion of soya may pose even larger problems priority conservation areas of high relevance (green) potential area for sugar cane plantation (purple) Source: Machado et al. (2006) 25

26 Implications of land use change Biodiversity loss due to biofuel feed-stock production losses due to habitat change, invasive species, pollution benefits from mitigated climate change can not compensate losses by habitat conversion for decades Source: Eickhout et al

27 Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen 27

28 Global Land Use for the consumption of Agriculture goods GLUA provisional data 250 mill ha The EU is a net importer of agricultural land Net imports Domestic agricultural area ha/cap The EU uses global cropland above average 28 Source: Wuppertal Institute/ H. Schütz

29 Globale Landnutzung Deutschlands für Verbrauch von LW-Produkten (Netto-Konsumfläche) pro Kopf m Fläche für stoffliche Naw aro D Fläche für energetische Naw aro D Fläche für die pflanzliche Ernährung in D Fläche für tierisch basierte Ernährung in D LW-Nutzfläche Welt Inländische LW- Nutzfläche Deutschland Vergleich: Siedlungs- und Verkehrsfläche in D Politisch bestimmte Nachfrage nach Biokraftstoffen wird zur globalen Ausdehnung von Ackerland beitragen Quelle: Bringezu et al

30 Global land use for domestic consumption in EU-27 sdf Source: Bringezu, O Brien, Schütz

31 Zwischenfazit Die Ausdehnung von Ackerland für Energiepflanzen führt weltweit tendenziell zu steigenden THG Emissionen und Verlusten an Biodiversität in den nächsten 30 Jahren Produktbezogene Zertifizierung kann das bei steigender Nachfrage nach Biomasse nicht verhindern (indirekte Landnutzungsänderungen) Deutschland und die EU sind bereits Netto-Land- Importeure 31

32 Nicht nur Biokraftstoffe, auch Holzpellets werden verstärkt global gehandelt IEA Energy Task 40: Annual international traded volumes of ethanol, biodiesel and wood pellets > 4 million tonnes in 2009 and increasing rapidly Source: Schouwenberg et al. 2009, Vancouver 32

33 Pellet production in British Columbia for export to Europe Photos: S. Bringezu 33

34 Bioenergy imports and exports Share of trade in domestic primary biomass supply in 2004 Swedish policy target: to become 50% bioenergy based up to 2020 Source: Junginger et al. 2008; UK and Belgium data refer to

35 Outlook: Rising concern on 2nd generation biofuels and advanced traditional bioenergy (e.g. pellets) Policy targets rely on uncertain env. + econ. performance Hydrocarbon/cellulosic BF need lignocellulosis Source: IEA 2008 Pressure on forests (deforestation, conversion to plantations) Growing competition between material and energy use and between power/heat vs. transport fuel use Increasing net imports of wooden biomass (e.g. Scandinavia being supplied from Canada and Russia) 35

36 National consumption of global forest resources for material and energy Consumption = Domestic production + imports exports Roundwood equivalents National Economy National Forest 36

37 TA-Swiss study: Global Land Use Forestry (GLU F ) Seems to pose no problems at first look Source: Calculations by H. Schütz in Zah et al

38 TA-Swiss study: Global Land Use Forestry (GLU F ) Needs to be complemented by a closer look on NAI Provisional data on Net Annual Increment indicate that Switzerland consumes forest growth capacity beyond global average Source: Calculations by H. Schütz in Zah et al

39 Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen 39

40 Balancierte Bio-Ökonomie Charakteristika Mittelfristige Vision: Bio-ökonomie basiert zu großen Teilen auf Biomasse und ist eingebettet in natürliche Ökosysteme Balanciert bezogen auf - Priorität für Nahrungsmittel (food first) - nachhaltige Produktion (Minimierung von Erosion u. Düngerverlusten, hohe Biodiversität etc.) - nachhaltigen Verbrauch (inländische und importbasierte Versorgung; global ausgewogenes Verbrauchsniveau im safe operating space ) Langfristige Vision: Bion-ökonomie - Verwendung bionischer Prinzipien - Carbon Recycling und Industrielle Photosynthese (eher mineralisch basierte Systeme) 40

41 Verbesserung der Produktion: In manchen Weltregionen besteht erheblicher Bedarf an gesteigerten Erträgen Source: Hazel and Wood (2008) 41

42 Es gibt ausgedehnte Flächen, die von Farmern verlassen wurden: wieviel ist wofür nutzbar und zu welchen Preisen? Campbell et al. estimate Mha abandoned land which could produce EJ/a Source: Campbell et al However, new cultivation may competes with nature restoration requires higher inputs (if land is degraded) may save less GHG (if forests regrow on productive land) 42

43 Energy yields for different use paths of biomass: Higher potential of stationary use Biomass for heat/power is usually more efficient than converting it to transport fuel. Particularly, in developing countries, decentralized use of biofuels in stationary applications can supply local communities with basic energy to enhance living and working conditions Energy yield in [GJ/ha] Source: SRU 2007 (adapted from LFU 2004: Arnold et al. 2006; DENA 2006; FNR 2005b: 2005a; 2006a; Keymer & Reinhold 2006; Schindler & Weindorf 2006) Note: SRP = short-rotation plantation, BtL = biomass-to-liquid, PP = power plant, CHP = combined heat and power, EtOH = ethanol, SB = sugar beet 43

44 GHG savings differ widely between different types of biomass use material use may provide double dividend Source: Nova Institute

45 Verbesserung der Nutzung: Biomasse sollte in einer Nutzungskaskade eingesetzt werden Using biomass to produce a material first, then recover its energy content from the waste can provide multiple benefits and ensures more efficient use of biomass Reutilization of biomass may reduce demand for land and maximize GHG mitigation potential. Land use - Production of Biomass Wood (short/long term rotation) Perennial herbaceous crops (e.g. miscanthus) Other crops (oilseed, sugar, starch) Material use Food/fodder Construction Chemicals Pulp and Paper Other Multiple utility Waste-to-energy + Recycling: cascading Energy use Electricity Heat Fuels Source: after Dornburg (2004). 45

46 Biomasse eignet sich nicht sonderlich zur Nutzung solarer Energie Biomass: captures 1-6% of solar radiation Solar systems: 10-20% (currently, >40% reached, 60% under development) Tanzania. Source: German Federal Ministry of Economics and Technology Kigali, Rwanda. 46

47 Relevante Ressourceneinsparungen sind nur bei verändertem Verbrauch möglich (3%) Pkw (15-18%) (12-15%) (7%) (6%) a: Biogas auf ehemaligen Biokraftstoffflächen im Inland b: Biogas ersetzt Energie von Biokraftstoffen aus Anbau im Inland 47

48 Nahrungsmittelabfall eine unerschlossene Ressource Jährliche Verluste pro Einwohner Source: Gustavsson et al. for FAO (2011) 48

49 Nahrungsmittelabfall eine unerschlossene Ressource Verluste bei Getreide Source: Gustavsson et al. for FAO (2011) 49

50 Nahrungsmittelabfall eine unerschlossene Ressource Verluste bei Gemüse und Früchten Source: Gustavsson et al. for FAO (2011) 50

51 Nahrungsmittelabfall eine unerschlossene Ressource Verluste bei Fleisch Source: Gustavsson et al. for FAO (2011) 51

52 Nahrungsmittelabfall eine unerschlossene Ressource Verluste bei Milchprodukten Source: Gustavsson et al. for FAO (2011) 52

53 Nahrungsmittelabfall eine unerschlossene Ressource Deutschland: 10 Mio Tonnen jährlich Source: Monier et al

54 Zwischenfazit: Übersicht der Optionen einer effizienteren und nachhaltigeren Ressourcennutzung Landwirtschaftliche Produktion optimieren Degradiertes Land wieder produktiv gestalten Stationäre Nutzung von Bioenergie Einsatz von Produktionsreststoffen und Abfällen Kaskadenförmige Nutzung von Biomasse Mineralisch basierte Systeme zur Nutzung von Solarenergie Erhöhte Ressouceneffizienz in Industrie, Transport und Haushalten (Treibstoffverbrauch, Abfälle) 54

55 Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen und Empfehlungen 55

56 Historische und aktuelle sozio-metabolische Entwicklung 56

57 Künftige Optionen metabolischer Entwicklung Ressourceneffizienz und Carbon Recycling 57

58 Balanced Bio-Economy and Bioniconomy Key challenges for technology development Extension of the biorefinery principle to the whole economy: cascading use of materials and energy from biomass (first as material, second for energy) Recycling and re-use of carbon from end-of-life products (in particular organic waste) Carbon capture from exhaust gases and ambient air -> carbon capture and reuse (CCR) instead of CCS 58

59 Biochemical and Thermochemical Conversion of organic waste Source: compiled by P. Nuss after Hayes (2009) 59

60 Biorefineries react to competing uses of biomass Source: 60

61 Carbon Recycling der Zukunft Eine potenzielle Schlüsseltechnologie Maschine zur Bindung von CO 2 aus der Luft Mittels EE könnte der Klimawandel gestoppt werden Kohlenstoff-Input ohne Biomasseernte Herausforderung: 3 t H 2 O / t CO 2 TMR unbekannt K. Lackner, Scientific American June Mai 2011 Stefan Forschungsschwerpunkte Bringezu 61

62 Pflanzenproduktion in Großstädten der Zukunft Ressourceneffiziente Solarenergie, Nährstoff- und Wasserkreisläufe 13 Mai 2011 Forschungsschwerpunkte 62

63 Globale Trends Problemverlagerung durch Biokraftstoffe Globale Flächennutzung durch Konsum von Biomasse Balancierte Bioökonomie Langfriststrategien Schlussfolgerungen und Empfehlungen 63

64 Schlussfolgerungen Das Biomasseangebot ist durch die globale Landfläche begrenzt Produktion allein kann mit steigender Nachfrage nicht mithalten Selektive Produktionsstandards und Zertifizierung können indirekte Landnutzungsänderungen nicht verhindern Produktion und Verwendung von Biomasse müssen effizienter werden 64

65 Empfehlungen: Politik I - Regelungsschwerpunkte EU-weit, national und regional gilt es Ressourcenmanagement Programme zu entwickeln - Integration von Klima- u. Biodiversitätsschutz, Versorgungssicherheit (Nahrung, Materialien, Energie) - Berücksichtigung globaler Landnutzung für Biomasse/Mineralien für inländischen Verbrauch (Minimierung Problemverlagerungen) Biomasse vollumfänglich in ProgRess einbeziehen! Schwerpunkte: - Biokraftstoffe: Maximalquoten anstelle von Mindestquoten - Programm zur Verminderung von Nahrungsmittelabfall - Qualifizierung der Subventionen für Tierproduktion und Programm zur Förderung gesunder Ernährung - Entwicklung von politischen Zielwerten für globale Flächennutzung und Verbrauch von Holzzuwachs 65

66 Empfehlungen: Politik II - Forschungsschwerpunkte Produktionsorientiert: Langfristige Schlüsseltechnologien - Carbon Recycling - Vertical Farming Verstärkung der konsumorientierten Perspektive - Referenzwerte für Safe operating space auf globaler, EU, nationaler und regionale Ebene (globale Flächennutzung, Nährstoffflüsse) - Alternative Verbrauchsszenarien im Weltkontext zur Minderung des realen Flächen-Footprint Deutschlands - Hemmnisse u. Potenziale zur Verminderung von Nahrungsmittelabfällen - Potenziale zur Beeinflussung des Verbraucherverhaltens (z.b. Kantinen und Großküchen 1-2 Tage fleischfrei) 66

67 Vielen Dank! ISBN: ISBN: