GCB Bioenergy

The stability and decomposition of biochar are fundamental to understand its persistence in soil, its contribution to carbon (C) sequestration, and thus its role in the global C cycle. Our current knowledge about the degradability of biochar, however, is limited. Using 128 observations of biochar‐derived CO₂ from 24 studies with stable (¹³C) and radioactive (¹⁴C) carbon isotopes, we meta‐analyzed the biochar decomposition in soil and estimated its mean residence time (MRT). The decomposed amount of biochar increased logarithmically with experimental duration, and the decomposition rate decreased with time. The biochar decomposition rate varied significantly with experimental duration, feedstock, pyrolysis temperature, and soil clay content. The MRTs of labile and recalcitrant biochar C pools were estimated to be about 108 days and 556 years with pool sizes of 3% and 97%, respectively. These results show that only a small part of biochar is bioavailable and that the remaining 97% contribute directly to long‐term C sequestration in soil. The second database (116 observations from 21 studies) was used to evaluate the priming effects after biochar addition. Biochar slightly retarded the mineralization of soil organic matter (SOM; overall mean: −3.8%, 95% CI = −8.1–0.8%) compared to the soil without biochar addition. Significant negative priming was common for studies with a duration shorter than half a year (−8.6%), crop‐derived biochar (−20.3%), fast pyrolysis (−18.9%), the lowest pyrolysis temperature (−18.5%), and small application amounts (−11.9%). In contrast, biochar addition to sandy soils strongly stimulated SOM mineralization by 20.8%. This indicates that biochar stimulates microbial activities especially in soils with low fertility. Furthermore, abiotic and biotic processes, as well as the characteristics of biochar and soils, affecting biochar decomposition are discussed. We conclude that biochar can persist in soils on a centennial scale and that it has a positive effect on SOM dynamics and thus on C sequestration.

Biochar is the porous, carbonaceous material produced by thermochemical treatment of organic materials in an oxygen‐limited environment. In general, most biochar can be considered resistant to chemical and biological decomposition, and therefore suitable for carbon (C) sequestration. However, to assess the C sequestration potential of different types of biochar, a reliable determination of their stability is needed. Several techniques for assessing biochar stability have been proposed, e.g. proximate analysis, oxygen (O): C ratio and hydrogen (H): C ratio; however, none of them are yet widely recognized nor validated for this purpose. Biochar produced from three feedstocks (Pine, Rice husk and Wheat straw) at four temperatures (350, 450, 550 and 650 °C) and two heating rates (5 and 100 °C min⁻¹) was analysed using three methods of stability determination: proximate analysis, ultimate analysis and a new analytical tool developed at the UK Biochar Research Centre known as the Edinburgh accelerated ageing tool (Edinburgh stability tool). As expected, increased pyrolysis temperatures resulted in higher fractions of stable C and total C due to an increased release of volatiles. Data from the Edinburgh stability tool were compared with those obtained by the other methods, i.e. fixed C, volatile matter, O : C and H : C ratios, to investigate potential relationships between them. Results of this comparison showed that there was a strong correlation (R > 0.79) between the stable C determined by the Edinburgh stability tool and fixed C, volatile matter and O : C, however, H : C showed a weaker correlation (R = 0.65). An understanding of the influence of feedstock and production conditions on the long‐term stability of biochar is pivotal for its function as a C mitigation measure, as production and use of unstable biochar would result in a relatively rapid return of C into the atmosphere, thus potentially intensifying climate change rather than alleviating it.

Bioenergy from crops is expected to make a considerable contribution to climate change mitigation. However, bioenergy is not necessarily carbon neutral because emissions of CO₂, N₂O and CH₄ during crop production may reduce or completely counterbalance CO₂ savings of the substituted fossil fuels. These greenhouse gases (GHGs) need to be included into the carbon footprint calculation of different bioenergy crops under a range of soil conditions and management practices. This review compiles existing knowledge on agronomic and environmental constraints and GHG balances of the major European bioenergy crops, although it focuses on dedicated perennial crops such as Miscanthus and short rotation coppice species. Such second‐generation crops account for only 3% of the current European bioenergy production, but field data suggest they emit 40% to >99% less N₂O than conventional annual crops. This is a result of lower fertilizer requirements as well as a higher N‐use efficiency, due to effective N‐recycling. Perennial energy crops have the potential to sequester additional carbon in soil biomass if established on former cropland (0.44 Mg soil C ha⁻¹ yr⁻¹ for poplar and willow and 0.66 Mg soil C ha⁻¹ yr⁻¹ for Miscanthus). However, there was no positive or even negative effects on the C balance if energy crops are established on former grassland. Increased bioenergy production may also result in direct and indirect land‐use changes with potential high C losses when native vegetation is converted to annual crops. Although dedicated perennial energy crops have a high potential to improve the GHG balance of bioenergy production, several agronomic and economic constraints still have to be overcome.

Lignocellulose là nguồn sinh khối phong phú nhất trên Trái Đất, với ước tính sản xuất hàng năm đạt 181,5 tỷ tấn. Trong số 8,2 tỷ tấn đang được sử dụng, khoảng 7 tỷ tấn được sản xuất từ các nguồn đất nông nghiệp, cỏ và rừng chuyên dụng, trong khi 1,2 tỷ tấn còn lại đến từ các chất thải nông nghiệp. Cần có các phương thức sản xuất và sử dụng lignocellulose hiệu quả về kinh tế và môi trường để mở rộng nền kinh tế sinh học. Bài viết ý kiến này xuất phát từ mạng lưới nghiên cứu "Lignocellulose như một nền tảng tài nguyên mới cho vật liệu và sản phẩm mới" được tài trợ bởi tiểu bang Baden-Württemberg của Đức và tóm tắt các nghiên cứu gốc được trình bày trong số đặc biệt này. Nó đầu tiên thảo luận về cách tổ chức bền vững việc cung cấp sinh khối lignocellulosic và gợi ý rằng cây trồng sinh khối lâu năm (PBC) có khả năng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp sinh khối khu vực cho các nhà máy sinh khối lignocellulosic ở Châu Âu trong tương lai. Sản xuất PBC chuyên dụng có lợi thế cung cấp sinh khối với số lượng và chất lượng đáng tin cậy. Việc điều chỉnh chất lượng PBC thông qua nhân giống và quản lý cây trồng có thể hỗ trợ việc tích hợp các chuỗi giá trị lignocellulosic. Sau đó, hai khái niệm nhà máy sinh khối sử dụng sinh khối lignocellulosic được so sánh và thảo luận: nhà máy sinh khói syngas và nhà máy sinh khối lignocellulosic. Nhà máy sinh khối syngas ít nhạy cảm hơn với chất lượng sinh khối và có kỹ thuật tương đối tiên tiến, nhưng yêu cầu đầu tư cao và cơ sở hạ tầng quy mô lớn để có tính khả thi về kinh tế. Các nhà máy sinh khối lignocellulosic yêu cầu nhiều bước xử lý để tách lignin cứng đầu khỏi cellulose và hemicellulose và chuyển đổi các sản phẩm trung gian thành các sản phẩm có giá trị. Quy trình tinh chế cho các phần lignin và hemicellulose chất lượng cao vẫn cần được phát triển thêm. Một khái niệm về nhà máy sinh khối lignocellulosic mô-đun được trình bày có thể linh hoạt được điều chỉnh cho nhiều loại nguyên liệu và sản phẩm bằng cách kết hợp các công nghệ thích hợp tại cùng một địa điểm hoặc dưới hình thức phân cấp.

Biochar application to soils may increase carbon (C) sequestration due to the inputs of recalcitrant organic C. However, the effects of biochar application on the soil greenhouse gas (GHG) fluxes appear variable among many case studies; therefore, the efficacy of biochar as a carbon sequestration agent for climate change mitigation remains uncertain. We performed a meta‐analysis of 91 published papers with 552 paired comparisons to obtain a central tendency of three main GHG fluxes (i.e., CO₂, CH₄, and N₂O) in response to biochar application. Our results showed that biochar application significantly increased soil CO₂ fluxes by 22.14%, but decreased N₂O fluxes by 30.92% and did not affect CH₄ fluxes. As a consequence, biochar application may significantly contribute to an increased global warming potential (GWP) of total soil GHG fluxes due to the large stimulation of CO₂ fluxes. However, soil CO₂ fluxes were suppressed when biochar was added to fertilized soils, indicating that biochar application is unlikely to stimulate CO₂ fluxes in the agriculture sector, in which N fertilizer inputs are common. Responses of soil GHG fluxes mainly varied with biochar feedstock source and soil texture and the pyrolysis temperature of biochar. Soil and biochar pH, biochar applied rate, and latitude also influence soil GHG fluxes, but to a more limited extent. Our findings provide a scientific basis for developing more rational strategies toward widespread adoption of biochar as a soil amendment for climate change mitigation.

Trung Quốc đang chịu áp lực thúc đẩy năng suất nông nghiệp để đáp ứng nhu cầu của một dân số đang gia tăng với chế độ ăn uống ngày càng tiêu tốn tài nguyên. Sự cải thiện năng suất này phải diễn ra trong bối cảnh các mục tiêu giảm cường độ carbon và một hệ thống nông nghiệp phân mảnh, kém hiệu quả về dinh dưỡng. Hơn nữa, chính phủ Trung Quốc ngày càng nhận thức được sự cần thiết phải hợp lý hóa quản lý 800 triệu tấn rơm cây trồng mà Trung Quốc sản xuất mỗi năm, trong đó lên tới 40% được đốt bỏ trên ruộng như một loại rác thải. Biochar được sản xuất từ các chất thải này và được áp dụng vào đất có thể góp phần vào năng suất nông nghiệp, hiệu quả sử dụng tài nguyên và các mục tiêu giảm carbon của Trung Quốc. Tuy nhiên, việc sử dụng rơm cây trồng của Trung Quốc cho sản xuất năng lượng sinh học đang phát sinh nhanh chóng. Do đó, việc hiểu rõ tính khả thi kinh tế tương đối và tiềm năng giảm carbon của việc định hướng các chất thải nông nghiệp vào biochar thay vì năng lượng sinh học là rất quan trọng. Sử dụng phân tích chi phí-lợi ích (CBA) và phân tích vòng đời (LCA), bài viết này so sánh tính khả thi kinh tế và tiềm năng giảm carbon của việc sản xuất biochar thông qua quá trình nhiệt phân với việc sản xuất năng lượng sinh học thông qua viên nén và khí hóa. Việc tái sử dụng rơm và đốt rơm trên ruộng được sử dụng làm kịch bản cơ sở. Chúng tôi phát hiện rằng việc viên nén rơm để sản xuất năng lượng nhiệt là công nghệ giảm carbon có hiệu quả chi phí nhất, yêu cầu một khoản trợ cấp $7 (MgCO₂e⁻¹) được giảm thiểu. Tuy nhiên, chế độ trợ cấp điện sinh học hiện tại của Trung Quốc khiến khí hóa (NPV $12,6 triệu) trở nên hấp dẫn hơn về mặt tài chính cho các nhà đầu tư so với cả việc viên nén (NPV $7,34 triệu) và nhiệt phân ($−1,84 triệu). Tiềm năng giảm carbon trực tiếp của quá trình nhiệt phân (1,06 MgCO₂e mỗi tấn rơm) cũng thấp hơn so với việc viên nén (1,35 MgCO₂e mỗi tấn rơm) và khí hóa (1,16 MgCO₂e mỗi tấn rơm). Tuy nhiên, các quá trình giảm carbon gián tiếp phát sinh từ việc áp dụng biochar có thể cải thiện đáng kể tiềm năng giảm carbon của kịch bản nhiệt phân. Tương tự, việc tăng giá trị nông học của biochar là điều thiết yếu để kịch bản nhiệt phân có thể cạnh tranh như một công nghệ giảm thiểu kinh tế khả thi và hiệu quả chi phí.

Các chất ô nhiễm tồn dư bao gồm hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), và các hạt nano carbon (nhựa) không thể tránh khỏi được hình thành trong quá trình nhiệt phân chất thải sinh khối và vẫn tồn tại trên sản phẩm phụ rắn gọi là biochar. Những chất ô nhiễm này có thể gây tác động xấu đến sự phát triển của thực vật cũng như cộng đồng vi sinh vật trong đất. Mặc dù biochar đã được đề xuất như một 'chiến lược âm carbon' để giảm thiểu khí thải nhà kính, nhưng tác động của việc áp dụng nó đối với sự tồn tại lâu dài và khả năng sinh khả dụng của các thành phần nguy hiểm vẫn chưa rõ ràng. Hơn nữa, sự xuất hiện đồng thời của các VOCs có trọng lượng phân tử thấp cùng với PAHs trong biochar có thể gây ra các tác động phytotoxic thêm. Tổng quan này mô tả nhu cầu cơ bản để làm sáng tỏ các cơ chế chính điều khiển sự lưu trữ so với phát thải của các chất hữu cơ này và động lực giữa sorbent (biochar) và vi sinh vật trong đất. Hơn nữa, có một nhu cầu cấp bách về các phương pháp tiêu chuẩn hóa để phân tích định lượng các PAHs và VOCs trong biochar dưới các điều kiện môi trường liên quan. Tổng quan này cũng được mở rộng để bao gồm các khoảng trống trong nghiên cứu hiện tại, bao gồm ảnh hưởng của việc áp dụng biochar lên số phận ngắn hạn và dài hạn của PAH và VOC và các chiến thuật kiểm soát thích hợp cho chất lượng biochar và rủi ro liên quan.

Bioenergy is expected to play an important role in the future energy mix as it can substitute fossil fuels and contribute to climate change mitigation. However, large‐scale bioenergy cultivation may put substantial pressure on land and water resources. While irrigated bioenergy production can reduce the pressure on land due to higher yields, associated irrigation water requirements may lead to degradation of freshwater ecosystems and to conflicts with other potential users. In this article, we investigate the trade‐offs between land and water requirements of large‐scale bioenergy production. To this end, we adopt an exogenous demand trajectory for bioenergy from dedicated energy crops, targeted at limiting greenhouse gas emissions in the energy sector to 1100 Gt carbon dioxide equivalent until 2095. We then use the spatially explicit global land‐ and water‐use allocation model MAgPIE to project the implications of this bioenergy target for global land and water resources. We find that producing 300 EJ yr⁻¹ of bioenergy in 2095 from dedicated bioenergy crops is likely to double agricultural water withdrawals if no explicit water protection policies are implemented. Since current human water withdrawals are dominated by agriculture and already lead to ecosystem degradation and biodiversity loss, such a doubling will pose a severe threat to freshwater ecosystems. If irrigated bioenergy production is prohibited to prevent negative impacts of bioenergy cultivation on water resources, bioenergy land requirements for meeting a 300 EJ yr⁻¹ bioenergy target increase substantially (+ 41%) – mainly at the expense of pasture areas and tropical forests. Thus, avoiding negative environmental impacts of large‐scale bioenergy production will require policies that balance associated water and land requirements.

For the C4 perennial grasses, Miscanthus × giganteus and Panicum virgatum (switchgrass) to be successful for bioenergy production they must maintain high yields over the long term. Previous studies under the less conducive climate for productivity in N.W. Europe found little or no yield decline in M. × giganteus in the long term. This study provides the first analysis of whether yield decline occurs in M. × giganteus under United States. Midwest conditions in side‐by‐side trials with P. virgatum over 8–10 years at seven locations across Illinois. The effect of stand age was determined by using a linear regression model that included effects of weather. Miscanthus × giganteus produced yields more than twice that of P. virgatum averaging 23.4 ± 1.2 Mg ha⁻¹ yr⁻¹ and 10.0 ± 0.9 Mg ha⁻¹ yr⁻¹, respectively, averaged over 8–10 years. Relationships of yield with precipitation and growing degree days were established and used to estimate yields corrected for the stochastic effects of weather. Across all locations and in both species, yield initially increased until it reached a maximum during the fifth growing season and then declined to a stable, but lower level in the eighth. This pattern was more pronounced in M. × giganteus. The mean yields observed over this longer term period of 8–10 years were lower than the yields of the first 5 years. However, this decline was proportionately greater in M. × giganteus than in P. virgatum, suggesting a stronger effect of stand age on M. × giganteus. Based on the average yield over the period of this study, meeting the United States Renewable Fuel Standard mandate of 60 billion liters of cellulosic ethanol by 2022, would require 6.8 Mha of M. × giganteus or 15.8 Mha of P. virgatum. These appear manageable numbers for the United States, given the 16.0 Mha in the farmland Conservation Reserve Program in addition to another 13.0 Mha abandoned from agriculture in the last decade.

Biochar đã được khuyến nghị như một phương pháp lưu trữ carbon đồng thời cải thiện năng suất cây trồng và tính bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp. Nó có thể được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối khác nhau bằng các công nghệ chuyển đổi nhiệt hóa khác nhau, có hoặc không thu hồi sản phẩm năng lượng phụ, dẫn đến các loại than (chars) có chất lượng khác nhau và một loạt các kết quả giảm thiểu khí nhà kính (GHG) của hệ thống. Phân tích này mở rộng các nghiên cứu trước đây về tính bền vững bằng cách đề xuất một mô hình đánh giá chi phí hoạt động vòng đời cơ chế GHG và kinh tế cho việc đồng sản xuất biochar và bioenergy từ nguyên liệu thải sinh khối, với một nghiên cứu trường hợp cho khu vực trung bắc Colorado. Quá trình sản xuất được mô tả như một hàm liên tục của nhiệt độ cho các hệ thống nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh và khí hóa. Lợi ích môi trường của biochar (C lưu trữ, N₂O kiềm chế, cải thiện năng suất cây trồng) được dự đoán dựa trên giá trị kiềm hóa kỳ vọng và độ bền. Giảm thiểu GHG của hệ thống được tính toán, và lợi nhuận ròng được ước tính phản ánh các chi phí sản xuất kinh tế thay đổi, giá trị nông học của biochar dựa trên giá trị thay thế vôi nông nghiệp hoặc phân bón, và giá trị giảm thiểu GHG, với các kết quả so với việc sử dụng char cho sản xuất năng lượng. Kết quả từ nghiên cứu trường hợp cho thấy các hệ thống nhiệt phân chậm có thể giảm thiểu tới 1.4 Mg CO₂eq/Mg nguyên liệu tiêu thụ, nếu sử dụng nguyên liệu phù hợp, giảm thiểu khí thải ô nhiễm từ sản xuất, và thu hồi các sản phẩm năng lượng phụ. Mô hình cho thấy rằng trong khi lợi nhuận tài chính thường cao hơn khi char được sử dụng cho năng lượng (biocoal) so với khi được sử dụng như một chất cải tạo đất (biochar), các char sản xuất qua các quá trình chuyển đổi nhiệt độ cao sẽ có giá trị giảm thiểu GHG cao hơn. Kịch bản biochar đạt được sự bình đẳng kinh tế với mức giá carbon chỉ từ $50/Mg CO₂eq cho các kịch bản tối ưu, bất chấp các giả định mô hình bảo thủ. Mô hình này là một bước tiến hướng tới đánh giá và tối ưu hóa thiết kế hệ thống biochar theo không gian trên các nguyên liệu khác nhau, công nghệ chuyển đổi và đất nông nghiệp.