Implications of Scale and Water-Energy-Food Nexus Interactions On Crop Residue Energy Potential in Pakistan

Abstract

Biomass-based energy production from crop residues is a proposed solution to Pakistan’s persistent energy crisis. However, current estimates of residue energy potential vary widely due to differences in scales and assumptions. Furthermore, despite significant interdependencies between residue-based energy and agriculture and water systems, quantitative analyses of the implications of the water-energy-food (WEF) nexus on residue energy potential are unexamined in the literature. A failure to consider the impacts of scale, assumptions and factors related to the WEF nexus, such as competitive uses, water availability and management, climate change, soil quality and farming practices, can lead to overestimations in residue energy potential, hindering implementation. This is important in Pakistan, as successfully implementing energy projects is vital to ameliorating the current energy crisis and supporting sustainable development.

This research applies two methodologies to address these overlooked aspects of crop residue energy potential estimation. Method one calculates residue energy potential for the province of Punjab under different data aggregation scales (district, administrative division, and province) and assumptions of residue availability and feedstock collection radius. Alternatively, method two applies a case study in an agricultural region of the Rechna Doab, Punjab, through the novel application of a coupled human-water model (the P-GBSDM) to examine the implications of the WEF nexus on crop residue-based. The P-GBSDM, which captures the spatially explicit socioeconomic and environmental feedbacks related to agricultural productivity and hydrological parameters in the study area, was modified to include crop residue energy and associated income and costs feedbacks. The impacts of the WEF nexus on the viability of residue-based energy were explored by simulating different stakeholder-suggested water and soil salinity management strategies, competitive residue uses, and climate change scenarios. The method one results demonstrate the importance of using high resolution (e.g., district level) crop yield and competitive residue use data when estimating bioenergy potential as low-resolution data can cause overestimations when competitive uses are not considered and underestimations when they are considered. Alternatively, the results of method two highlight the value of integrated analysis of the WEF nexus, suggesting that farm-level synergies exist between residue energy income and the implementation of water management practices, though trade-offs can exist in the presence of temporal delays. Both methods stress the importance of sub-national and local level analysis for strategic residue energy planning.

Alternate abstract:

La production d'énergie à partir de la biomasse et des résidus de culture est une solution proposée à la crise énergétique persistante du Pakistan. Cependant, les estimations actuelles du potentiel énergétique des résidus varient considérablement en raison des différences d'échelles et d'hypothèses. En outre, malgré les interdépendances significatives entre l'énergie basée sur les résidus et les systèmes agricoles et hydriques, les analyses quantitatives des implications du lien eau-énergie-alimentation (EEA) sur le potentiel énergétique des résidus sont inexistantes dans la littérature. L'absence de prise en compte des effets d'échelle, des hypothèses et des facteurs liés au lien EEA, tels que les utilisations concurrentielles, la disponibilité et la gestion de l'eau, le changement climatique, la qualité des sols et les pratiques agricoles, peuvent conduire à des surestimations du potentiel énergétique des résidus, ce qui entrave la mise en œuvre. Ceci est important au Pakistan, car la mise en œuvre réussie de projets énergétiques est vitale pour améliorer la crise énergétique actuelle et soutenir le développement durable.

Cette recherche applique deux méthodologies pour aborder ces aspects négligés de l'estimation du potentiel énergétique des résidus de culture. La première méthode consiste à calculer le potentiel énergétique des résidus pour la province du Punjab en fonction de différentes échelles d'agrégation des données (district, division administrative et province) et d'hypothèses sur la disponibilité des résidus et le rayon de collecte des matières premières. La deuxième méthode consiste en une étude de cas dans une région agricole du Rechna Doab, au Pendjab, par l'application novatrice d'un modèle couplé homme-eau (le P-GBSDM) pour examiner les implications du lien EEA sur les résidus de culture. Le P-GBSDM, qui saisit les rétroactions socio-économiques et environnementales spatialement explicites liées à la productivité agricole et aux paramètres hydrologiques dans la zone d'étude, a été modifié pour inclure l'énergie des résidus de culture et les rétroactions associées sur les revenus et les coûts. Les impacts du lien EEA sur la viabilité de l'énergie basée sur les résidus ont été explorés en simulant différentes stratégies de gestion de la salinité de l'eau et du sol suggérées par les parties prenantes, des utilisations compétitives des résidus et des scénarios de changement climatique. Les résultats de la première méthode démontrent l'importance d'utiliser des données à haute résolution (par exemple, au niveau du district) sur le rendement des cultures et l'utilisation concurrentielle des résidus lors de l'estimation du potentiel bioénergétique, car les données à faible résolution peuvent entraîner des surestimations lorsque les utilisations concurrentielles ne sont pas prises en compte et des sous-estimations lorsqu'elles le sont. Alternativement, les résultats de la deuxième méthode soulignent la valeur de l'analyse intégrée du lien EEA, suggérant que des synergies au niveau de l'exploitation existent entre le revenu énergétique des résidus et la mise en œuvre de pratiques de gestion de l'eau, bien que des compromis puissent exister en présence de délais temporels. Les deux méthodes soulignent l'importance de l'analyse au niveau sous-national et local pour la planification stratégique de l'énergie résiduelle.