Since the 1980s the municipality of Växjö in Southern Sweden has been increasingly focusing on using wood to produce energy for the region. A permanent and sustainable supply of wood material is therefore indispensable. The main source for this wood fuel is harvested wood from forests which can be used as energy, so-called forest fuel. The objective of this research is to develop a model to estimate a sustainable potential of forest fuel supply until the year 2050 for the municipality using a geographic information system (GIS). The model overall follows a top-down approach that consists of three sequential modeling steps which are generally applicable for biomass potential estimations: a theoretical, technical and the reduced technical potential. For input data the model uses georeferenced forest data (called kNN-Sweden) and topographic data about the study area to describe and narrow down the forest fuel potential by setting numerical or topographic (spatial) parameters for each modeling step. In this report forest data from 2005 has been used, which was obtained shortly before the storm ‘Gudrun’ hit and damaged great parts of the Swedish forest landscape. This factor might have resulted in slightly misleading estimated numerical modeling results concerning the actual future forest fuel supplies, but is not related to the overall layout of the model. The results show that the municipality of Växjö should be able to satisfy its demand for energy wood from harvested forest wood alone until around the year 2035, but might have shortages after that year until 2050 (and possibly beyond that). This thesis concludes that for the next 40 years the municipality of Växjö should not only rely on its annually available forest fuel capacity, but instead, different wood resources, such as recycled wood from constructions or furniture, have to be utilized or forest wood from years with surplus supply have to be stored for future tighter years. For more accurate results the modeling steps should be repeated with more recent forest data. The report also concludes that the estimation of the forest fuel potential in this study still lacks accuracy and that it is advised to treat the estimated numerical modeling results with caution. There’s still room for further improvement, and therefore possible error sources and suggestions for future work are listed. / North Sea Sustainable Energy Planning

The main objective of this thesis was to determine how far a biomass quantity, equal to the potential produced within the Swedish borders, could cover the present energy needs inSwedenwith respect to economic and ecological circumstances. Three scenarios were studied where the available biomass was converted to heat, electricity and vehicle fuel. Three different amounts of biomass supply were studied for each scenario: 1) potential biomass amounts derived from forestry, non-forest land, forest industry and community; 2) the same amounts as in Case 1, plus the potential biomass amounts derived from agriculture; 3) the same amounts as in Case 1, plus 50% of the potential pulpwood quantity. For evaluating the economic and ecological circumstances of using biomass in the Swedish energy system, the scenarios were complemented with energy, cost and emergy analysis. The scenarios indicated that it may be possible to produce 170.2 PJ (47.3 TWh) per year of electricity from the biomass amounts in Case 2. From the same amount of biomass, the maximum annual production of hydrogen was 241.5 PJ (67.1 TWh) per year or 197.2 PJ (54.8 TWh) per year of methanol. The energy analysis showed that the ratio of energy output to energy input for large-scale applications ranged from 1.9 at electric power generation by gasification of straw to 40 at district heating generation by combustion of recovered wood. The cost of electricity at gasification ranged from 7.95 to 22.58 €/GJ. The cost of vehicle work generated by using hydrogen produced from forestry biomass in novel fuel cells was economically competitive compared to today’s propulsion systems. However, the cost of vehicle work generated by using methanol produced from forestry biomass in combustion engines was rather higher compared to use of petrol in petrol engines. The emergy analysis indicated that the only biomass assortment studied with a larger emergy flow from the local environment, in relation to the emergy flow invested from society after conversion, was fuel wood from non-forest land. However, even use of this biomass assortment for production of heat, electricity or vehicle fuels had smaller yields of emergy output in relation to emergy invested from society compared to alternative conversion processes; thus, the net contribution of emergy generated to the economy was smaller compared to these alternative conversion processes. / <p>QC 20120217</p>

The reduction of greenhouse gases in the atmosphere and the transformation from a fossil-based to a bio-based economy are declared social, political and entrepreneurial goals. The efficient material and energetic use of biogenic residues, by-products and wastes offers numerous means of working towards these goals. However, it is still unclear what raw materials can be understood under these collective terms, what quantities exist across sectors and what additional contribution can be expected from their improved use. In the context of this thesis, an internationally applicable method has been developed which can be used to continuously balance and evaluate the technical biomass potential and current use. The basis for this is a modular monitoring system that is used to develop a multi-stage biomass categorisation, a regularly updatable network of biomass-specific calculation elements and a procedure for the continuous improvement of data quality. The monitoring system was tested for a consistent reference year using Germany as an example. In addition, the temporal and spatial dynamics of the biomass availability were analysed for the case study of cereal straw using a geoinformation system. With the help of 1,113 calculation elements, the supply and use of 77 biomasses from five sectors were balanced. On this basis, the technical biomass potential for the year 2015 amounts to 86–140 million tonnes of dry matter. Between 65 % and 84 % are already tied up in a material or energetic use. There is a clear focus on only a few raw materials; 20 % of the resources make up more than 80 % of the supply. By further tapping the mobilisable potential of 14–48 million tonnes of dry matter, an annual primary energy contribution of at least 6 % and up to 15 % could be achieved in future, for example. The detailed analysis for the case study also shows that, despite significant fluctuations over time, large parts of the potential are concentrated in only a few regions. The overall broad ranges of results indicate that the data quality is uncertain and, in particular in the areas of soil and water quality, biodiversity and eutrophication of ecosystems, there is a need for research on how the complex interactions can be integrated into future calculations of biomass potentials, using which data sets. The consequent provision of the monitoring results and calculation methodology in an online data repository (http://webapp.dbfz.de) provides the opportunity to reflect on the existing approaches in an open debate and to continue developing them in line with the respective needs. Using the findings generated by the monitoring system, the focus can be placed on the most important raw materials and regions for the implementation of political and entrepreneurial strategies and for filling gaps in the data. On this basis, the next steps for an optimal and sustainable contribution to a bio-based circular economy can be prioritised and discussed with regional stakeholders and shareholders. / Die Reduktion von Treibhausgasen in der Atmosphäre und die Transformation von einer fossilbasierten zu einer bio-basierten Wirtschaftsweise sind erklärte gesellschaftliche, politische und unternehmerische Ziele. Die effiziente stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Reststoffen, Nebenprodukten und Abfällen bietet zahlreiche Möglichkeiten, diesen Zielen näher zu kommen. Unklar ist bisher jedoch, welche Rohstoffe unter diesen Sammelbegriffen verstanden werden können, welche Mengen sektorenübergreifend existieren und welcher zusätzlichentzliche Beitrag aus einer optimierten Nutzung erwartet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine international anwendbare Methode entwickelt, mit der das technische Biomassepotenzial und die aktuelle Nutzung fortlaufend bilanziert und bewertet werden kann. Die Grundlage bildet hierfür ein modulares Monitoringsystem, mit dem u. a. eine mehrstufige Biomassekategorisierung, ein regelmäßig aktualisierbares Netzwerk aus biomassespezifischen Berechnungselementen sowie ein Vorgehen zur kontinuierlichen Verbesserung der Datenqualität entwickelt wurde. Das Monitoringsystem wurde am Beispiel von Deutschland und für ein konsistentes Bezugsjahr erprobt. Für das Fallbeispiel Getreidestroh wurde darüber hinaus die zeitliche und räumliche Dynamik der Rohstoffverfügbarkeit mit einem Geo-Informationssystem analysiert. Mit Hilfe von 1.113 Berechnungselementen wurden das Aufkommen und die Nutzung für 77 Biomassen aus fünf Sektoren bilanziert. Auf dieser Grundlage ergibt sich für das Jahr 2015 ein technisches Biomassepotenzial in Höhe von 86–140 Millionen Tonnen Trockenmasse. Zwischen 65 % und 84 % waren bereits in einer stofflichen oder energetischen Nutzung gebunden. Ein deutlicher Schwerpunkt liegt auf nur wenigen Rohstoffen; 20 % der Rohstoffe repräsentieren über 80 % des Potenzials. Durch die weitere Erschließung der noch mobilisierbaren Potenziale in Höhe von 14–48 Millionen Tonnen Trockenmasse könnte zukünftig z. B. ein jährlicher Primärenergiebeitrag von mindestens 6 % und bis zu 15 % realisiert werden. Die Detailanalyse für das Fallbeispiel zeigt darüber hinaus, dass trotz erheblicher zeitlicher Schwankungen große Teile des Potenzials in nur wenigen Regionen konzentriert sind. Die insgesamt hohen Ergebnisbandbreiten deuten jedoch auf eine unsichere Datenqualität hin und insbesondere bei den Themen Boden- und Wasserqualität, Biodiversität und Eutrophierung von Ökosystemen besteht Forschungsbedarf, wie und mit welchen Datensätzen die komplexen Wirkungsgefüge zukünftig in die Potenzialberechnungen integriert werden können. Durch die konsequente Offenlegung der Monitoringergebnisse und der Berechnungsmethodik in einem Online-Datenrepositorium (http://webapp.dbfz.de) besteht die Möglichkeit, die bisherigen Ansätze in einem offenen Diskurs zu reflektieren und bedarfsgerecht weiterzuentwickeln. Mit Hilfe der Erkenntnisse aus dem Monitoringsystem kann der Fokus für die Umsetzung von Politik- und Unternehmensstrategien und das Schließen von Datenlücken auf die wichtigsten Rohstoffe und Regionen gelenkt werden. Zusammen mit den regionalen Stake- und Shareholdern können auf dieser Grundlage die nächsten Schritte für einen optimalen und nachhaltigen Beitrag zu einer bio-basierten Kreislaufwirtschaft priorisiert und weiterführend diskutiert werden.

Thesis (MScFor (Forest and Wood Science))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The purpose of the study was to investigate the potential tree taxa that could be grown as a source of biomass in the Cape Winelands region. The trials comprises of two different aspects. The first being the estimation of potential volume, density and biomass of a pair of six year-old stands of E. gomphocephala and E. cladocalyx families at two climatically different sites within the study region. The second part of the study was the early growth assessment of alternative taxa that could be planted in the region compared to the regional mainstay E. cladocalyx. The volume of families was estimated using appropriate volume equations and using the form height were none were available. The best volume yield varied from 4.6 to 11.2 m3 ha-1a-1, at the dry and sub-humid sites, respectively. Wood density, estimated from non-destructive samples at both sites, varied from 620 (sub-humid) to 588 kg m-3 (dry site). The estimated biomass production rate of the top producing families yielded 2.7 and 6.9 t ha -1a -1 at the dry and sub-humid sites, respectively. In terms of estimated biomass and survival, E. gomphocephala was more suited to the dry site, while E. cladocalyx displayed superior yield than E. gomphocephala on the sub-humid site, but not significantly so. Early growth assessment of the trial of alternative taxa found that the hybrid E. grandis × camldulensis and E. grandis × urophylla had superior biomass indices, but were more susceptible to infestation by Thaumastocoris peregrinus and Gonipterus scuttelatus. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie studie was om potensiële boom taksa vir gebruik as ’n bron van biomassa in die Kaapse Wynlandstreek te ondersoek. Die proewe behels twee aspekte: eerstens die beraming van die potensiële volume, digtheid en biomassa van sesjaaroue opstande met families van E. gomphocephala en E. cladocalyx by twee klimatologies verskillende groeiplekke in die studiegebied; tweedens die beoordeling van die vroeë groei van alternatiewe taksa wat in die streek geplant kan word in vergelyking met die streek se historiese staatmaker-spesie E. cladocalyx. Die volume van die families is beraam deur gebruik te maak van toepaslike volumevergelykings, en met behulp van ’n vormfaktor waar vergelykings nie beskikbaar was nie. Die volume aanwas by die droë en sub-humiede groeiplekke was onderskeidelik 4.6 en 11.2 m3 ha-1j-1. Houtdigtheid is beraam deur nie-destruktiewe monsters uit die opstand te neem. Gemiddelde digthede het variëer van 588 (sub-humied) tot 620 kg m-3 (droë groeiplek). Die beraamde biomassaproduksie van die top-families beloop onderskeidelik 2.7 en 6.9 t ha -1j -1 vir die droë en sub-humiede groeiplekke. In terme van beraamde biomassa en oorlewing, is E. gomphocephala meer geskik vir droër groeiplekke , terwyl E. cladocalyx by die sub-humiede groeiplek ’n hoër opbrengs as E. gomphocephala getoon het, hoewel nie betekenisvol nie. Beramings van die vroeë groei by die proef met alternatiewe taksa het getoon dat die basters E. grandis × camldulensis en E. grandis × urophylla hoër biomassa-indekse het, maar meer vatbaar is vir besmetting deur Thaumastocoris peregrinus en Gonipterus scuttelatus. / Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies

The interest in renewables for energy has increased in the last 2-3 decades because of the negative environmental impact caused by the burning of fossil fuels, the raising prices of traditional fuels, the dependence on foreign oil, and the decrease in fossil fuels resources. Biomass energy represents one of the most promising alternatives. Many studies worldwide were devoted to investigate growth and yield of short rotation forestry plantations for energetic use and several empirical and process-based models were developed to predict the potential production of biomass. The current work was concentrated on modelling site productivity (potential of biomass production) of specific poplar clones planted on arable Saxon land under different stocking densities. Empirical data collected from several experimental areas were used. Site productivity has been predicted depending on stand age and site variables using a two-step model. In step one age and site variables were used to model stand dominant height and in step two the constructed dominant height was involved with stocking density to predict stand oven dried biomass. Depending on data availability the model was parameterized for four different groups of poplar clones: Androscoggin (clone Androscoggin), Matrix (Matrix and hybrid 275), Max (Max 1 …Max 5) and Münden (clone Münden). Both stand dominant height and stand dry biomass were modelled for ages 2 – 9 years for clone groups: Matrix and Max and for ages 2 – 7 years for clone groups: Androscoggin and Münden. The model has been tested and validated using several statistical and graphical methods. The relative bias (ē %) in the dominant height estimates ranged between 0.5 % &amp;gt; ē % &amp;gt; - 0.5 % in all clone groups and had a maximum bias of 10.41 % in stand biomass estimates. Model accuracy (mx %) in the dominant height estimates ranged between 12.25 and 17.56 % and between 8.05 and 27.32 % in stand biomass estimates. Two different scenarios were presented to show the potential of biomass that can be produced from poplar plantations on arable and former fallow Saxon lands at different stocking densities. ArcGIS has been used to visualize model application results. In order to produce a mean annual increment ≥ 8 [dry t/ha/a] from poplar plantations (Max group) for more than 50 % of arable or former fallow lands in the first rotation at least 9 years are required under stocking density of 4000 stems/ha and 7 years for both stocking densities 8333 and 10,000 stems/ha. / Die Nachfrage nach Holz für energetische Zwecke nimmt in Deutschland und ganz Europa zu. Um diesen Bedarf künftig besser befriedigen zu können, müssen verstärkt Ressourcen aus verschiedenen Quellen wie z. B. Holz aus Niederwäldern oder Durchforstungsreserven im Hochwald mobilisiert und ergänzend Holz in Kurzumtriebsflächen produziert werden (Guericke, M. 2006). Ziel dieser Arbeit war es, das Ertragspotential von Pappelklonen in Kurzumtriebsplantagen unterschiedlicher Baumdichte auf sächsischen Ackerflächen zu untersuchen. Hierzu wurden die potentiellen Erträge anhand empirischer, auf verschiedenen Versuchsflächen erhobener Daten modelliert. Zur Schätzung des Ertragspotentials wurde ein zweistufiges Modell entwickelt: Im ersten Schritt erfolgte die Modellierung der Oberhöhe eines Bestandes (ho, m) in Abhängigkeit von Bestandesalter und Standortfaktoren unter Verwendung einer multiplen linearen Regressionsanalyse, dabei wurden Bestimmtheitsmaße (R²) von 0,975 bis 0,989 erreicht. In einem zweiten Schritt lässt sich dann der Biomassevorrat [tatro/ha/a] mittels nichtlinearer Regressionsanalyse durch die Bestandesoberhöhe schätzen. Das Bestimmtheitsmaß von R² ≥ 0,933 weist auch hier auf eine hohe Anpassungsgüte hin. Die Modellparametrisierung erfolgte für folgende vier Gruppen von Pappelklonen: • Max-Gruppe: Klone Max 1, Max 2, Max 3, Max 4 und Max 5, Altersbereich 2 – 9 Jahre, Baumdichten von 1150 – 13000 Stämmen/ha; • Matrix-Gruppe: Klon Matrix und Hybride 275, Altersbereich 2 – 9 Jahre, Baumdichte 1550 Stämme/ha; • Androscoggin-Gruppe: Klon Androscoggin, Altersbereich 2 – 7 Jahre, Baumdichte 1550 Stämme/ha; und • Münden-Gruppe: Klon Münden, Altersbereich 2 – 7 Jahre, Baumdichte 1550 Stämme/ha. Die Güte des Modells wurde mit Hilfe verschiedener statistischer Verfahren überprüft. Bei der Validierung anhand des Datensatzes, welcher für die Modellkonstruktion Verwendung fand, zeigte das Modell eine Verzerrung bzw. einen Bias von 0,5 % &amp;gt; ē % &amp;gt; - 0,5 % bei der Bestandesoberhöhenschätzung und einen maximalen Bias von 10,41 % bei der Schätzung der Bestandesbiomasse. Die Treffgenauigkeit (mx %) des Modells hingegen variierte zwischen 12,25 % und 17,56 % bzw. 8,05 und 27,32 % (bei Schätzung der Bestandesoberhöhe bzw. der Bestandesbiomasse). Zudem wies das Modell keinen systematischen Fehler zwischen den geschätzten und den realen Werten auf. Bei der Validierung mit einem unabhängigen Datensatz betrug die Treffgenauigkeit (mx %) für die Schätzung der Bestandsoberhöhe und des Biomassevorrates 15,72 bzw. 26,68 %. Um das Ertragspotenzial von Pappelplantagen für die gesamte sächsische Ackerfläche bzw. die gesamte ehemalige Stilllegungsfläche zu bestimmen, wurden die zu Schätzung erforderlichen Standortvariablen auf Gemeindebasis kalkuliert, mittels ArcGIS dargestellt sowie Simulationsrechungen für verschiedene Bestandsdichten vorgenommen und ebenfalls visualisiert. Den Ergebnissen der Simulationsrechnungen zufolge wäre bei einer Stammzahl von 4000 N/ha eine Rotationslänge von 9 Jahren, bei 8333 bis 10.000 N/ha von 7 Jahren erforderlich, um einen durchschnittlichen Gesamtzuwachs (dGz) von ≥ 8 [tatro/ha/a] auf mehr als 50 % der sächsischen Ackerflächen bzw. ehemaligen Stilllegungsflächen in erster Rotation zu erreichen. Würde die gesamte ehemalige sächsische Stilllegungsfläche mit einer Baumdichte von 10.000 Stämmen/ha bepflanzt werden, könnten Pappelplantagen im Alter 9 einen dGz von 520.000 [tatro/a] (entsprechend 250.000 Kubikmeter Diesel) erreichen. Bei Bestockung aller sächsischen Ackerflächen würde sich der Ertrag auf bis zu 9.087.000 [tatro/a] (entsprechend 4.367.000 Kubikmeter Diesel) erhöhen.