Importance of LUC and ILUC on the carbon footprint of bioproduct: case of bio-HDPE^⋆

Importance du changement direct et indirect d’affectation des sols sur l’empreinte carbone d’un bio-produit : étude du bio-PEHD

Chemical Engineering – Processes and Sustainable Development, University of Liège, Allée de la chimie 3, B6a, 4000 Liège, Belgium
sbelboom@ulg.ac.be

Received: 19 February 2014
Accepted: 3 March 2014

Abstract

Due to the depletion of fossil fuels and the increase of greenhouse gas emissions, solutions are needed to replace petrol based products. As a consequence, the number of biobased products developed using agricultural feedstock is continuously increasing. This study focuses on the carbon footprint of bio-HDPE produced either from Brazilian sugar cane or Belgian sugar beet. The goal of this study is to compare the carbon footprint of bio-HDPE with the fossil one, taking into account the effect of land use change. Common boundaries of the agricultural systems comprise the cultivation step for both crops, i.e. sugar cane and sugar beet, with all associated energy and fertilizer consumptions, the transportation step from field to the industrial plant, the sugar crops transformation into hydrous bioethanol, the by-products valorisation, polymerization step and the HDPE incineration as end of life issue. Fossil scenario includes the production of ethylene, its polymerization and its incineration. When comparing the entire life cycle of bio and fossil HDPE, the GHG emissions are lower for the biobased product which is the willing effect. This result is only valid if no Land Use Change (LUC) or Indirect Land Use Change (ILUC) effect appears. To assess the environmental impact of the deforestation or of the transformation of a pasture into a field, the EC-Guidelines from the European Union were used in order to calculate the CO₂ emissions depending on several parameters. For sugar cane, LUC consists in the transformation of pastures into fields in the region of Sao Paulo in Brazil. Three scenarios can be developed based on different agricultural practices for pasture and field (tillage and fertilizers inputs): the best, the worst and the average. The best case leads to a supplementary environmental gain. The worst and average achieve additional emissions. A payback time, considering the time needed to find again an environmental gain compared to the fossil counterpart, was calculated for the average scenario which is equal to 12 years. The ILUC effect for sugar cane is assumed to be deforestation due to the transformation of forest into pasture induced by the previous LUC effect. The rate of deforestation can vary between 16% or 100% depending on used statistics and leads to a payback time of respectively 26 and 101 years. For sugar beet, no LUC is considered. Indeed, no land expansion is available in Belgium due to small available areas. In the case of an increase of bioplastics production, Belgium should import sugar beet from neighboring countries which can induce ILUC. In this study, sugar beet is assumed to be provided by the Netherlands on pastures previously transformed into fields. The average scenario implies a payback time of 8 years. This study permits to highlight the importance of LUC and ILUC especially for energetic crops dedicated to replace fossil products. This effect can reverse expected results and induce long payback times.

Résumé

Suite à la diminution des ressources fossiles et à l’augmentation des émissions des gaz à effet de serre, des solutions sont nécessaires pour remplacer les produits issus du pétrole. Cela a pour conséquence une constante augmentation du nombre de produits biobasés développés à partir de ressources agricoles. Cette étude évalue l’empreinte carbone du polyéthylène haute densité (PEHD) produit à partir de canne à sucre brésilienne ou de betterave belge. Le but de cette étude est de comparer l’empreinte carbone du bio-PEHD avec le PEHD fossile en considérant l’effet du changement d’affectation des sols. Les frontières communes des systèmes agricoles regroupent l’étape de culture de la canne à sucre et de la betterave, avec toutes les consommations associées d’énergie et d’engrais, le transport depuis le champ jusqu’à l’unité industrielle, la transformation des plantes sucrières en bioéthanol hydraté, la valorisation des sous-produits, la polymérisation et l’incinération du PEHD. Le scénario fossile comprend la production d’éthylène, sa polymérisation et l’incinération du PEHD. La comparaison du cycle de vie entier des PEHD biobasé et fossile montre des émissions de GES plus faibles avec le produit biobasé, ce qui est l’effet voulu. Ce résultat est uniquement valide s’il n’y pas de changement direct ou indirect d’affectation des sols. Pour évaluer l’impact environnemental de la déforestation ou de la transformation d’un pâturage en champ, les lignes directrices de l’Union Européenne ont été suivies afin de calculer les émissions de CO₂ en fonction de divers paramètres. Pour la canne à sucre, le changement direct d’affectation des sols (LUC) est défini par la transformation de pâturages en champs dans la région de Sao Paulo au Brésil. Trois scénarios ont été développés, basés sur différentes pratiques agricoles pour les pâturages et les champs (labour et engrais) : le meilleur, le pire et le moyen. Le meilleur cas engendre un gain environnemental supplémentaire pour le produit biobasé. Le pire et le moyen amènent des émissions complémentaires. Un temps de retour, considérant le temps nécessaire pour récupérer à nouveau un gain environnemental comparativement au produit fossile, a été calculé pour le scenario moyen et s’élève à 12 ans. Le changement indirect d’affectation des sols pour la canne à sucre est modélisé comme étant la transformation d’une forêt en champ induite par les effets du changement direct décrit ci-avant. Le taux de déforestation peut varier entre 16 et 100%, dépendant des statistiques utilisées et entrainant un temps de retour de respectivement 26 et 101 ans. Pour la betterave, aucun changement direct n’est considéré. En effet, aucune expansion des terres agricoles ne peut être envisagée en Belgique au vu des faibles surfaces disponibles. Si une augmentation en termes de production de bioplastiques a lieu, la Belgique devra importer de la betterave provenant des pays voisins, ce qui peut induire un changement indirect d’affectation des sols. Dans cette étude, la betterave est supposée provenir des Pays-Bas. Celle-ci est cultivée sur des pâturages préalablement transformés en champs. Ce scénario moyen induit un temps de retour de 8 ans. Cette étude a mis en évidence l’importance du changement direct et indirect d’affectation des sols, spécialement pour les cultures énergétiques dédiées au remplacement des produits fossiles. Cet effet peut renverser les résultats attendus et engendrer de longs temps de retour.