Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Accounting greenhouse gas emissions in the lifecycle of Brazilian sugarcane bioethanol: Methodological references in European and American regulations
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Energy and Climate Studies, ECS. Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory, Brazil.
Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP, and Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE), Campinas, SP, Brazil.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Energy and Climate Studies, ECS.ORCID iD: 0000-0001-7123-1824
Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP, and Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE), Campinas, SP, Brazil.
2012 (English)In: Energy Policy, ISSN 0301-4215, Vol. 47, 384-397 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This study discusses four European and American regulatory schemes designed for accounting lifecycle GHG emissions in relation to the Brazilian sugarcane ethanol. The objective is to critically examine the methodologies and associated parameters used in existing regulatory schemes for calculating GHG emissions, and to explore methodological convergences. The issues related to direct lifecycle and indirect land use change emissions have been addressed. It is found that there are commonalities between the European Renewable Energy Directive (EU-RED) and the UK's Renewable Transport Fuels Obligation (UK-RTFO), but the US-EPA's Renewable Fuel Standard (US-EPA) and the Low Carbon Fuel Standard of the California Air Resources Board (CA-CARB) vary greatly not only among themselves, but also in relation to the European regulations. Agricultural practices (especially soil carbon and nitrogen dynamics), co-product credits from surplus electricity and uncertainties around economic modeling approaches for indirect land use change are the major areas where methodological divergences exist. Incorporation of domestic agricultural practices, sugarcane mills operations, and realistic modeling of indirect impacts of land use change using regional models could provide more coherence in estimations of GHG emissions. Furthermore, the Brazilian trend of novelty in all phases of sugarcane bioenergy systems should be considered when projecting GHG emissions.

Place, publisher, year, edition, pages
2012. Vol. 47, 384-397 p.
Keyword [en]
Biofuels, Sustainability assessment, Regulatory schemes
National Category
Energy Engineering
URN: urn:nbn:se:kth:diva-80208DOI: 10.1016/j.enpol.2012.05.005ISI: 000306200100038ScopusID: 2-s2.0-84862258179OAI: diva2:496137
Swedish Energy Agency

QC 20150625

Available from: 2012-02-09 Created: 2012-02-09 Last updated: 2015-06-25Bibliographically approved
In thesis
1. Assessing the sustainability of bioethanol production in different development contexts: A systems approach
Open this publication in new window or tab >>Assessing the sustainability of bioethanol production in different development contexts: A systems approach
2013 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The continuous depletion of fossil fuel reserves, the global agenda on climate change and threats to energy security have led to increased global interest in the exploration, production and utilisation of bioenergy and biofuels. Access to modern bioenergy carriers derived from the efficient conversion of locally available biomass resources is indispensable for economic growth, rural development and sustainable development in developing countries. Deployment of bioenergy/biofuels technologies has significantly varied across the globe. The least developed countries (LDCs) and developing countries are still highly dependent on traditional biomass technologies with low conversion efficiency, which are typically associated with significant environmental and health impacts. Meanwhile, emerging economies and developed countries are progressively promoting biofuel industries and international trade. They are also engaged in making biofuels a sustainable proposition by developing sustainability criteria. The goal of this thesis is to address the sustainability of bioethanol production derived from one of the key feedstocks/energy crops: sugarcane. This will be done by analysing different development contexts and environmental constraints in terms of geopolitical situation, economic development and state-of-the-art technologies in agro-industrial development. Life cycle assessment (LCA), system studies, and techno-economic optimisation are the main methodological approaches applied in the thesis. The thesis primarily addresses three key questions for analysing the sustainability of bioethanol production.

The first research question investigates the key parameters affecting the sustainability of bioethanol production and use in a low-income country using the case of Nepal. The net energy and greenhouse gas (GHG) balances are identified to be the main sustainability criteria of the sugarcane-molasses bioethanol (Paper I and II). Results of the lifecycle studies show that the production of bioethanol is energy-efficient in terms of the fossil fuel inputs required to produce the renewable fuel. Greenhouse gas (GHG) emissions from the production and combustion of ethanol are also lower than those from gasoline. The study also evaluates the socio-economic and environmental benefits of ethanol production and use in Nepal, concluding that the major sustainability indicators are in line with the goals of sustainable development (Paper III). Assessment of the biofuel (molasses-bioethanol) sustainability in Nepal is the first of its kind in low-income countries, and serves also the purpose of motivating the assessment of ethanol production potential in other LDCs, particularly in sub-Saharan Africa.

The second question critically evaluates methodologies for accounting the lifecycle GHG emissions of Brazilian sugarcane ethanol in European and American regulations, depicting commonalities and differences among them (Paper IV). GHG emissions are becoming increasingly important as part of sustainability criteria in the context of the expansion of biofuel production and international trade. However, different methodologies still lead to quite different results and interpretation. To make this an operational criterion for international comparisons, it is necessary to establish unified methodological procedures for accounting GHG emissions. The thesis identifies the major issues as  N2O emissions from agricultural practices, bioelectricity credits in fuel production, and modelling approaches in estimating emissions related to direct and indirect land use change (LUC & iLUC), that need to be addressed for establishing methodological coherences.

The third research question investigates how the sugarcane bioethanol industry can be developed in terms of energy security and the diversification of energy sources. The case of complementarity between bioelectricity and hydropower is evaluated in the cases of Nepal and Brazil and presented in Paper V. Bioelectricity could offer a significant share of electricity supply in both countries provided that favourable political and institutional conditions are applied. Finally, in order to find the choice of technological options for the production of second generation (2G) bioethanol and/or of bioelectricity, a techno-economic optimisation study on the bulk of sugarcane bio-refineries in Brazil is carried out in Paper VI, taking into account the entire lifecycle costs, emissions, and international trade. The study shows that it is worthwhile to upgrade sugarcane bio-refineries. Energy prices, type of power generation systems, biofuel support and carbon tax, and conversion efficiencies are the major factors influencing the technological choice and potential bioethanol trade.

In short, this dissertation provides insights on the sustainability of the bioethanol production/industry and its potential role in the mitigation of climate change, improved energy security and sustainable development in different country contexts, as well as methodological contributions for assessing the sustainability of biofuels production in connection with energy and climate policies.

Abstract [sv]

Intresset för ökad exploatering, produktion och användning av bioenergi och biobränslen har föranletts av den kontinuerliga utmattningen av fossila bränslen, den globala agendan för att motverka klimatförändringar samt hoten mot energisäkerheten. Tillgången till moderna bioenergibärare, effektivt framställda från lokal råvara, är grundläggande för ekonomisk tillväxt, landsbygdsutveckling samt för hållbar utveckling i utvecklingsländer. Användandet av bioenergi- och biobränsleteknologi har varierat markant världen över. De minst utvecklade länderna (LDCs) samt övriga utvecklingsländer är fortfarande beroende av traditionella biomassabaserade tekniker till stor utsträckning. Dessa tekniker har låg effektivitet och är ofta sammankopplade med stora miljö- och hälsoskador. Samtidigt främjar tillväxtekonomier och utvecklingsländer biobränsleindustrin och internationell handel progressivt. Länderna arbetar även för att biobränslen ska bli ett hållbart alternativ genom att utveckla hållbarhetskriterier. Den här avhandlingens mål är att adressera hållbarheten hos bioetanolproduktion från sockerrör, en av bioetanolens nyckelråvaror. Målet kommer att nås genom analyser av industrins nationella utvecklingsmiljö samt miljö- och klimatmässiga begränsningar som härstammar från den geopolitiska situationen och den ekonomiska tillväxten i landet, samt analyser av teknologier i den agro-industriella utvecklingen. De huvudsakliga metoder som använts är livscykelanalys (LCA), systemstudier och tekno-ekonomisk optimering. Avhandlingen adresserar primärt tre nyckelfrågor för att analysera hållbarheten hos bioetanolproduktion.

Den första forskningsfrågan belyser hur nyckelparametrar påverkar hållbarheten hos produktion och användning av bioetanol i låginkomstländer, med fallstudien Nepal som utgångspunkt. Nettoenergi- och växthusgasbalanser identifieras som de huvudsakliga hållbarhetskriterierna för sockerrör-melass-baserad bioetanol (Artikel I och II). Livscykelstudiernas resultat visar att produktionen av bioetanol är energieffektiv sett från den mängd fossila bränslen som produktionen av förnybart bränsle krävt. Växthusgasutsläppen från produktion och förbränning av etanol är dessutom lägre än utsläppen från bensin. Studien utvärderar de socio-ekonomiska och miljö- och klimatmässiga fördelarna med produktion och användning av etanol i Nepal. Slutsatsen är att indikatorerna för hållbarhet ligger i linje med målen för hållbar utveckling (Artikel III). Bedömningen av biobränslens (melass-baserad etanol) hållbarhet i Nepal är den första studien i sitt slag för låginkomstländer. Studien motiverar dessutom en bedömning av potentialen för etanolproduktion i andra LDCs, speciellt i de afrikanska länderna söder om Sahara.

Den andra forskningsfrågan kräver en kritisk utvärdering av metoderna för hur livscykelutsläpp från brasiliansk sockerrörsetanol redovisas i europeiska och amerikanska regleringar (Artikel IV). Artikeln, som påvisar likheter och skillnader mellan regionerna, visar att växthusgasutsläpp blir en mer och mer viktig del i hur hållbarhetskriterier definieras när expansionen av biobränsleproduktion och internationell handel diskuteras. Olika metoder för redovisningen av växthusgasutsläpp leder dock till mycket olika resultat och tolkningar. Det är nödvändigt att etablera en enhetlig metod för redovisning av växthusgasutsläpp för att skapa ett kriterium som möjliggör internationella jämförelser. Avhandlingen identifierar de mest beaktansvärda problemen för att etablera en enhetlig metod: N2O-utsläpp från jordbruksprocesser, tillgodoräknande av bioelektricitet inom bränsleproduktion, samt modelleringsmetoder för att uppskatta utsläpp relaterade till direkt och indirekt landanvändning (LUC och iLUC).

Den tredje forskningsfrågan utreder hur industrin för sockerrörsbioetanol kan utvecklas från ett energisäkerhetsperspektiv, med speciell hänsyn till diversifieringen av energikällor. I Artikel V presenteras hur bioelektricitetsproduktion och vattenkraft kan komplettera varandra i fallen Nepal och Brasilien. Bioelektricitet skulle kunna bidra markant till tillförseln av elektricitet i båda länderna under förutsättning att de politiska och institutionella förutsättningarna är fördelaktiga. Slutligen utförs en tekno-ekonomisk studie för att identifiera den optimala teknologin för produktion av andra generationens (2G) bioetanol och/eller bioelektricitet. Studien görs för merparten av sockerrörsbioraffinaderierna i Brasilien och utgör Artikel VI. Studien tar fullskaliga livscykelkostnader i beaktande samt utsläpp och internationell handel. Studien visar att det är värt mödan att uppgradera befintliga sockerrörsbioraffinaderier. De dominerande påverkansfaktorerna för valet av teknologi och potentialen för bioetanolhandel är energipriser, typ av kraftproduktionssystem, biobränslestöd och koldioxidskatt, samt processernas effektivitet.

Kortfattat behandlar den här avhandlingen bioetanolproduktionens och bioetanolindustrins hållbarhet. Avhandlingen ger insikt i dess potentiella roll för att motverka klimatförändringar, förbättra energisäkerhet samt främja hållbar utveckling i olika nationella sammanhang. Avhandlingen bidrar dessutom med metodutveckling i hur hållbarheten av biobränsleproduktion bedöms inom ramen för energi- och klimatpolicy.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2013. xx, 124 p.
, TRITA-ECS, 2013:01
bioenergy and biofuel, bioethanol industry, development trend, sustainability assessment, climate change mitigation, energy security, life cycle assessment, systems optimisation, bioenergi och biobränsle, bioetanolindustri, utvecklingstrender, hållbarhetsbedömning, motverka klimatförändringar, energisäkerhet, livscykelanalys, systemoptimering
National Category
Energy Engineering
Research subject
SRA - Energy
urn:nbn:se:kth:diva-125618 (URN)978-91-7501-823-2 (ISBN)
Public defence
2013-09-12, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 13:00 (English)

QC 20130813

Available from: 2013-08-13 Created: 2013-08-13 Last updated: 2013-08-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Khatiwada, DilipSilveira, Semida
By organisation
Energy and Climate Studies, ECS
In the same journal
Energy Policy
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 150 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link