Life cycle assessment of carbon and energy balances in Jatropha production systems of Burkina Faso

Abstract

Modern bioenergy offers several advantages to Burkina Faso, a country that is heavily dependent on imported fossil fuel and greatly relying on traditional biomass use. In this context, Jatropha curcas has been recently introduced as a low-maintenance energy crop with the potential to increase energy security while contributing to land rehabilitation and climate change mitigation. This study identified <em>J. curcas</em> cultivation systems practiced in Burkina Faso and analyzed their biomass dynamics and carbon (C) accrual over time as well as soil-C stocks. These data, together with the information on <em>J. curcas </em>seed transformation processes, were integrated in a life cycle assessment (LCA) of the greenhouse gas (GHG) emission and energy-saving potential of the complete biofuel production pathways.<br /> The studied <em>J. curcas</em> systems include interplanting with annual crops, intensely managed plantations, afforestation of marginal land, plantings along contour stone walls, and traditional living fences. Destructive above- and below-ground biomass determination enabled the identification of growth stages and development of allometric equations relating total shoot and root biomass with the stem diameter that showed very good fits (R²>0.9). Empirical growth models related woody biomass and tree age by a three-parametric non-linear logistic function. According to the model results, the biomass production of <em>J. curcas</em> plants peaked between the 10^th and 15^th year after planting, with intercropping and intensely managed systems showing the highest stock (21 t ha^-1). Afforestation systems on marginal land had the lowest biomass stocks (<0.1 t ha^-1), and could not be modeled due to drastic mortality at an early age in the absence of maintenance. Soil analysis did not reveal a clear trend of soil organic carbon (SOC) dynamics over time when comparing the soil carbon status in 4-year-old <em>J. curcas</em> sites with that in the reference cropland. Only <em>J. curcas</em> living fences exhibited significantly higher SOC stocks in the top 20 cm soil based on a chronosequence study covering 20 years of <em>J. curcas</em> cultivation. <br /> All <em>J. curcas</em> production pathways showed GHG emission reductions and energy savings of up to 82% and 85%, respectively, as opposed to fossil fuel. Decentralized production of straight vegetable oil and its consumption in stationary diesel engines showed the best performance. However, <em>J. curcas</em> plantation systems had very low land-use efficiency (6.5-9.5 GJ ha^-1) and thus a high land-use replacement potential. Carbon-stock gains were attained when introducing <em>J. curcas</em> on croplands. However, the displacement of agricultural activities to other areas can indirectly result in C losses. Human energy accounted for 24% of the total energy balance, indicating high manual labor requirements in small-scale <em>J. curcas</em> systems. Monetary valuation of C offsets via carbon trading schemes showed returns below US$ 350 over 20 years. <br /> Overall, <em>J. curcas</em> biofuel production can contribute to climate change mitigation and national energy independency. However, due to low land-use efficiency, high labor requirements and the unsuccessful cultivation on marginal land, <em>J. curcas</em> becomes a direct competitor with food crops and is a not viable option for smallholder farmers. Whereas <em>J. curcas</em> cultivation is yet to be intensified through improved plant material and optimized agronomic management, the traditional hedge systems are a preferable option for seed production as they offer additional benefits of erosion control and field protection to farmers’ fields.

<strong>Ökobilanzierung der Kohlenstoff- und Energiebilanzen von Jatropha Produktionssystemen in Burkina Faso</strong><br /> Moderne Bioenergie stellt für Burkina Faso eine attraktive Alternative zu Erdölimporten und traditioneller Biomassenutzung dar. In diesem Kontext wurde Jatropha curcas bekannt als eine sehr anspruchslose Energiepflanze, dessen Anbau zur Rekultivierung von marginalen Standorten, zur nationalen Energieversorgung und zum Klimaschutz beitragen kann. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wurden existierende <em>J. curcas</em> Systeme in Burkina Faso identifiziert und auf ihre Biomasse- und Bodenkohlenstoff-Dynamik untersucht. Zusammen mit Informationen zur Weiterverarbeitung der Samen wurden alle Daten in einem Life Cycle Assessment (LCA) zur Berechnung der Treibhausgasemissionen und des Energieeinsparungspotenzials der <em>J. curcas</em> Bioenergie-Produktionssysteme zusammengeführt.<br /> Insgesamt konnten fünf <em>J. curcas</em> Systeme identifiziert werden: Mischanbau mit einjährigen Kulturen, intensiv bewirtschaftete Plantagen, Aufforstung von marginalen Flächen, traditionelle Lebendhecken und Hecken entlang von Kontursteinmauern. Durch direkte Messungen von ober-und unterirdischer Biomasse der <em>J. curcas</em> Bäume konnten unterschiedliche Wachstumsphasen definiert und allometrische Modelle zur indirekten Biomassebestimmung entwickelt werden. Es zeigte sich eine sehr starke (R²>0.9) allometrische Beziehung zwischen sowohl Holz- als auch Wurzelmasse und Stammdurchmesser. Des Weiteren konnten empirische Wachstumsmodelle zur Vorhersage der Holzbiomasse in Abhängigkeit des Alters erstellt werden. Entsprechend der Modelle erreicht die Biomasseproduktion ihren Höhepunkt zwischen dem zehnten und fünfzehnten Wachstumsjahr. Jatropha curcas im Mischanbau und in intensiv bewirtschafteten Plantagen erreichte die höchsten Biomassewerte (21 t ha^-1), während das Aufforstungssystem mit einer Biomasse von weniger als 0.1 t ha^-1 die geringsten Werte aufwies. Aufgrund der hohen Mortalität der jungen Bäume auf den marginalen Standorten konnte das Biomassewachstum dieses Systems nicht modelliert werden. Vergleichende Bodenanalysen von vier Jahre alten <em>J. curcas</em> Standorten mit Flächen unter einjährigen Kulturen ergaben keine eindeutige Tendenz von Veränderungen des Bodenkohlenstoffs. Nur in einer Chronosequenz von Böden unter Lebendhecken über 20 Jahre konnte ein signifikanter Anstieg des Kohlenstoffs in den ersten 20 cm des Bodens festgestellt werden. <br /> Für alle Produktionswege der <em>J. curcas</em> Bioenergie konnten eine bis zu 82% hohe Verringerung der Treibhausgasemissionen und bis zu 85% Energieeinsparungen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen festgestellt werden. Die dezentrale Produktion von Pflanzenöl und dessen Verbrauch in stationären Dieselmotoren zeigte die besten Ergebnisse. Eine sehr geringe Landnutzungseffizienz (6.5-9.5 GJ ha^-1) der <em>J. curcas</em> Plantagensysteme erhöhen jedoch den Druck auf andere Landnutzungsformen. Auch wenn die Integration von <em>J. curcas</em> in landwirtschaftliche Systeme zu einer größeren Kohlenstoffspeicherung führt, kann die Verdrängung der Nahrungsmittel von den Flächen zu indirekten Landnutzungsänderungen und dortigen Kohlenstoffverlusten führen. Zusätzlich bedarf die Kultivierung von <em>J. curcas</em> in kleinbäuerlichen Systemen einen sehr hohen körperlichen Arbeitsaufwand, der 24% der gesamten Energiebilanz konstituiert. Eine monetäre Bewertung der Kohlenstoffeinsparungen durch dessen Handel auf internationalen Märkten versprach nur geringfügige Erträge. <br /> Zusammenfassend kann gesagt werden, dass <em>J. curcas</em> Systeme in Burkina Faso sowohl zum Klimaschutz als auch zur Energiesicherung beitragen können. Durch die sehr geringe Landnutzungseffizienz, den hohen Arbeitsaufwand und die fehlende Ertragsleistung auf marginalen Standorten wird <em>J. curcas</em> jedoch zu einer direkten Konkurrenz zu Nahrungsmitteln und stellt keine praktikable Option für Kleinbauern dar. Solange der Anbau von <em>J. curcas</em> durch verbessertes Pflanzmaterial und optimiertes Management nicht intensiviert werden kann, sollte der Anbau von <em>J. curcas</em> in Heckensystemen vorgezogen werden. Diese bieten vielfältige Vorteile für die Bauern während die Samenproduktion zur Energieversorgung in ländlichen Gebieten beitragen kann.