Spatially-explicit environmental assessment of bioethanol from miscanthus and switchgrass in France - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Access content directly
Journal Articles Cleaner and Circular Bioeconomy Year : 2023

Spatially-explicit environmental assessment of bioethanol from miscanthus and switchgrass in France

Évaluation environnementale spatialement explicite du bioéthanol produit à partir de miscanthus et du switchgrass en France

Abstract

Bioethanol is promoted as a means of tackling climate change, diversifying energy sources and securing energy supply. However, there also concerns that their wider deployment could lead to unintended environmental consequences. Life cycle assessment (LCA) is a widely used methodology to assess the environmental performance of biofuels. However, its outcomes strongly depend on the inventory data and modeling assumptions. Agronomic variables such as crop yields, nitrogen fertilizer rates or field emissions of nitrous oxide are very sensitive inputs, as are soil carbon dynamics in response to land use changes (LUC) entailed by the deployment of energy crops. Models simulating agroecosystem processes and the economics of agricultural farms are promising tools to predict such variables and improve the reliability of LCA. Here, we combined the agro-ecosystem model CERES-EGC, the farm economic model AROPAj and the LCA approach to investigate the effect of local drivers on the environmental impacts of bioethanol from miscanthus and switchgrass over France. Overall, lignocellulosic bioethanol achieved GHG abatement targets in the 74 %–94 % range compared to gasoline, and complied with the 50 % minimum imposed by European regulations. Miscanthus-based ethanol achieved up to twice lower environmental impacts than switchgrass due to 50 % higher biomass yields overall. Low fertilizer N input rates (in the 0-30 kg N ha-1 yr-1 range) proved the most efficient strategy to optimize energy return. Significant inter-regional variability occurred, especially in terms of soil C sequestration rates, which weighed in substantially on GHG budgets. Some regions were more efficient than others as a result, which advocates a site-specific approach and a potential prioritization when planning biorefineries, taking into account local production and environmental performance potentials. Compared to previous studies, ours provided high-resolution data in terms of crop yields, nitrous oxide emissions and soil C dynamics, factoring in LUC effects at local to regional scales.
Le bioéthanol est présenté comme un moyen de lutter contre le changement climatique, de diversifier les sources d'énergie et de garantir l'approvisionnement énergétique. Toutefois, on craint que son déploiement à plus grande échelle n'entraîne des conséquences environnementales imprévues. L'analyse du cycle de vie (ACV) est une méthodologie largement utilisée pour évaluer les performances environnementales des biocarburants. Toutefois, ses résultats dépendent fortement des données d'inventaire et des hypothèses de modélisation. Les variables agronomiques telles que le rendement des cultures, les taux d'engrais azotés ou les émissions d'oxyde nitreux dans les champs sont des données très sensibles, tout comme la dynamique du carbone du sol en réponse aux changements d'utilisation des sols entraînés par le déploiement des cultures énergétiques. Les modèles simulant les processus agroécosystémiques et l'économie des exploitations agricoles sont des outils prometteurs pour prédire ces variables et améliorer la fiabilité de l'ACV. Ici, nous avons combiné le modèle agro-écosystémique CERES-EGC, le modèle économique agricole AROPAj et l'approche ACV pour étudier l'effet des facteurs locaux sur les impacts environnementaux du bioéthanol produit à partir de miscanthus et de switchgrass en France. Dans l'ensemble, le bioéthanol lignocellulosique a atteint des objectifs de réduction des GES de l'ordre de 74 à 94 % par rapport à l'essence, et a respecté le minimum de 50 % imposé par les réglementations européennes. L'éthanol à base de miscanthus a eu jusqu'à deux fois moins d'impact sur l'environnement que le panic érigé, grâce à des rendements en biomasse globalement supérieurs de 50 %. Les faibles taux d'apport d'engrais N (de l'ordre de 0 à 30 kg N ha-1 an-1) se sont révélés être la stratégie la plus efficace pour optimiser le rendement énergétique. Une importante variabilité interrégionale a été observée, notamment en ce qui concerne les taux de piégeage du carbone dans le sol, ce qui a eu un impact considérable sur les bilans de GES. Certaines régions étaient donc plus efficaces que d'autres, ce qui plaide en faveur d'une approche spécifique au site et d'une priorisation potentielle lors de la planification des bioraffineries, en tenant compte des potentiels locaux de production et de performance environnementale. Par rapport aux études précédentes, la nôtre a fourni des données à haute résolution en termes de rendement des cultures, d'émissions d'oxyde nitreux et de dynamique du carbone dans le sol, en tenant compte des effets de l'utilisation durable de l'espace à l'échelle locale et régionale.
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hal-04369771 , version 1 (02-01-2024)

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Cite

Monia El Akkari, Nosra Ben Fradj, Benoît Gabrielle, Sylvestre Njakou Djomo. Spatially-explicit environmental assessment of bioethanol from miscanthus and switchgrass in France. Cleaner and Circular Bioeconomy, 2023, 6, pp.100059. ⟨10.1016/j.clcb.2023.100059⟩. ⟨hal-04369771⟩
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