Home About Browse Search
Svenska


Cost-effective cultivation of lodgepole pine for biorefinery applications

Backlund, Ingegerd (2013). Cost-effective cultivation of lodgepole pine for biorefinery applications. Diss. (sammanfattning/summary) Umeå : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2013:81
ISBN 978-91-576-7900-0
eISBN 978-91-576-7901-7
[Doctoral thesis]

[img]
Preview
PDF
1MB

Abstract

The overall objective was to evaluate the scope for the cost-effective cultivation of lodgepole pine (Pinus contorta, PC) stands in a way that would enable early biomass harvesting to supply raw material for biorefineries. Commercial direct seeded PC stands were shown to produce 200 m3/ha of stemwood or 100 tons of d.w. biomass within 30 years despite one or two pre-commercial thinnings. Higher stand stem densities (≥3000 st/ha) yielded even more biomass (ca. 300 m3/ha) with only slight reductions in DBH (Study I). The effects of different silvicultural regimes on 20-year-old direct seeded PC stands were analyzed in a field experiment. A high biomass regime (no PCT) produced 144% more biomass and 134% more stem volume than the conventional regime (2200 st/ha). The diameter of the 1000 largest trees/ha did not differ between regimes. A regime with 4500 st/ha gave promising results in terms of both biomass and timber production. Importantly, producing large amounts of biomass early in the rotation period is compatible with a subsequent change of focus to emphasize pulp and timber production (II). To investigate the potential for using PC biomass in biorefineries to produce e.g. liquid biofuels, the chemical contents of wood samples from Scots- and lodgepole pine trials were compared. Heartwood had up to five times greater extractive contents than sapwood. 21 fatty and 10 resin acids were detected. It was estimated that ca. 150 kg of fatty acids and 1 ton resins/ha could be harvested from a mature boreal PC stand (III). The chemical compounds in the aboveground fractions of PC trees grown under a direct seeding-based regime were identified. The bark provided the highest extractive yields (16%) and the stemwood the lowest (1%). The extractive profiles of the needles differed strongly from the other fractions, being particularly rich in wax esters and fatty alcohols. It should be possible to harvest 2-3 tons of crude extractives/ha from a dense 30-year-old PC stand (IV). To estimate the commercial potential of different biorefinery products, a survey was performed. 95% of the respondents believed that the value of tree biomass will increase over the next ten years, mainly due to the replacement of oil-based products. Key product categories were: transportation fuels, special celluloses, materials and plastics, solid fuels and specialty chemicals. A strong correlation between the prices of electricity and wood fuel was identified, and electricity prices may play a key role in determining the future use of biomass (V).

Overall, there is considerable but currently unrealized potential for the cost-effective cultivation of lodgepole pine in directly seeded dense stands using short rotation periods to produce substantial quantities of biomass for biorefineries within only a few decades.

Authors/Creators:Backlund, Ingegerd
Title:Cost-effective cultivation of lodgepole pine for biorefinery applications
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Det övergripande målet med arbetet har varit att utvärdera möjligheten till kostnadseffektiv odling av contortatall (Pinus contorta) på ett sätt som skulle möjliggöra ett tidigt biomassuttag till bioraffinaderier. Kommersiellt sådda contortabestånd visade sig producera 200 m3 stamved per hektar, eller ca 100 ton biomassa (torrsubstans) inom 30 år trots att en eller två röjningar genomförts. Högre stamantal (≥3000 st/ha) gav ännu mera biomassa (ca 300 m3/ha) med endast en smärre reduktion i stamdiameter (Studie I). Effekterna av olika skogsskötselregimer analyserades i ett fältexperiment i ett 20-årigt sått contortabestånd. En regim för hög biomassaproduktion (ingen röjning) producerade 144% mer biomassa och 134% mer stamvolym än en konventionell regim (2200 st/ha). Diametern för de 1000 största träden per hektar skiljde sig inte åt mellan skötselregimerna. En regim med 4500 st/ha visade lovande resultat vad gäller både biomassa- och timmerproduktion. Tidig hög produktion av biomassa verkar vara förenlig med en senare omställning till produktion av massaved och timmer (II). För att undersöka potentialen att använda biomassa från tall i bioraffinaderier för att t.ex. producera fordonsbränslen, analyserades det kemiska innehållet i vedprover från både tall och contorta. 21 fettsyror och 10 hartssyror detekterades. Kärnveden innehöll upp till fem gånger mer extraktivämnen än splintveden. Uppskattningsvis 150 kg fettsyror och 1 ton hartssyror kan utvinnas per hektar från ett äldre borealt contortabestånd (III). I den fjärde studien identifierades kemiska föreningar i alla trädfraktioner ovan jord (stamved, bark, grenar, barr och kottar) från direktsådd contortatall. Barken visade sig innehålla högst halter extraktivämnen (16% av torrvikten) medan stamveden gav de lägsta halterna (1%). Barrens kemiska innehåll skiljde sig starkt från de andra fraktionerna, då de var särskilt rika på vaxestrar och fettsyraalkoholer. Utifrån dessa data borde det vara möjligt att utvinna 2-3 ton extraktivämnen per hektar från täta 30-åriga contortabestånd (IV). Slutligen utfördes en enkät för att bedöma den kommersiella potentialen för olika skogsbaserade bioraffinaderiprodukter. 95% av de tillfrågade i undersökningen tror att värdet på skogsbiomassa kommer att öka de kommande 10 åren, mestadels som ersättare av oljebaserade produkter. Viktiga produktgrupper inkluderar fordonsbränslen, specialcellulosa, plaster och andra biomaterial, fasta biobränslen samt specialkemikalier. Elpriset kan komma att spela en viktig roll för den framtida användningen av biomassa.

Slutsatsen av avhandlingsarbetet är att det finns en stor outnyttjad potential att odla contortatall i täta sådda bestånd i kortare rotationsperioder, för att kostnadseffektivt producera stora mängder biomassa med lämpliga kemiska egenskaper till bioraffinaderier.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :2013
Volume:2013:81
Number of Pages:74
Papers/manuscripts:
NumberReferences
I.Backlund, I. and Bergsten, U. (2012). Biomass production of dense direct-seeded lodgepole pine (Pinus contorta) at short rotation periods. Silva Fennica 46(4), 609–623.
II.Ulvcrona, K.A., Karlsson, L., Backlund, I. and Bergsten, U. (2013). Comparison of silvicultural regimes of lodgepole pine (Pinus contorta) in Sweden 5 years after precommercial thinning. Silva Fennica 47(3), id 974.
III.Arshadi, M., Backlund, I., Geladi, P. and Bergsten, U. (2013). Comparison of fatty and resin acid composition in boreal lodgepole pine and Scots pine for biorefinery applications. Industrial Crops and Products 49, 535–541.
IV.Backlund, I., Arshadi, M., Hunt, A.J., McElroy, C.R., Attard, T.M. and Bergsten, U. Extractive profiles of different lodgepole pine (Pinus contorta) fractions grown under a direct seeding-based silvicultural regime. (Manuscript).
V.Backlund, I., Karlsson, L., Mattsson, L. and Bergsten, U. Biorefinery product potentials using tree biomass - Effects of tree assortments and electricity prices. (Submitted manuscript).
Place of Publication:Umeå
Publisher:Institutionen för skogliga biomaterial och teknologi, Sveriges lantbruksuniversitet
ISBN for printed version:978-91-576-7900-0
ISBN for electronic version:978-91-576-7901-7
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:K Forestry > K10 Forestry production
K Forestry > K50 Processing of forest products
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 104 Chemical Sciences > Organic Chemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Forest Science
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 405 Other Agricultural Sciences > Renewable Bioenergy Research
Agrovoc terms:pinus contorta, forest trees, cultivation, felling cycle, yields, biomass, wood extracts, plant products, raw materials, processing, chemicophysical properties, field experimentation, sweden
Keywords:biomass production, goal-oriented forestry, biobased products, Fennoscandia, chemical extraction, direct seeding, short rotation
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-1674
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-1674
ID Code:10871
Department:(S) > Department of Forest Biomaterials and Technology (until 131204)
External funders:Kempe Foundations
Deposited By: Ingegerd Backlund
Deposited On:29 Oct 2013 08:01
Metadata Last Modified:13 Dec 2014 18:15

Repository Staff Only: item control page

Based on web server activity logs, updated nightly.

Number of visitshttp://pub.epsilon.slu.se/10871/1474
Number of downloadshttp://pub.epsilon.slu.se/10871/1/backlund_i_131028.pdf1819