Open Collections

UBC Undergraduate Research

An investigation into growing biomass using UBC Farm’s marginal land Bergerud, Corey; Thibault, Eric; Nicol, Grant; Wang, Yang Nov 28, 2013

Your browser doesn't seem to have a PDF viewer, please download the PDF to view this item.

Item Metadata


18861-Bergerud_C_et_al_SEEDS_2013.pdf [ 745.01kB ]
JSON: 18861-1.0108763.json
JSON-LD: 18861-1.0108763-ld.json
RDF/XML (Pretty): 18861-1.0108763-rdf.xml
RDF/JSON: 18861-1.0108763-rdf.json
Turtle: 18861-1.0108763-turtle.txt
N-Triples: 18861-1.0108763-rdf-ntriples.txt
Original Record: 18861-1.0108763-source.json
Full Text

Full Text

 UBC Social Ecological Economic Development Studies (SEEDS) Student ReportCorey Bergerud, Eric Thibault, Grant Nicol, Yang WangAn Investigation Into Growing Biomass Using UBC Farm’sMarginal LandAPSC 261November 28, 20139911477University of British Columbia Disclaimer: “UBC SEEDS provides students with the opportunity to share the findings of their studies, as well as their opinions, conclusions and recommendations with the UBC community. The reader should bear in mind that this is a student project/report and is not an official document of UBC. Furthermore readers should bear in mind that these reports may not reflect the current status of activities at UBC. We urge you to contact the research persons mentioned in a report or the SEEDS Coordinator about the current status of the subject matter of a project/report”.  An Investigation Into Growing Biomass Using UBC Farm’sMarginal LandTeam Members:Corey Bergerud Eric Thibault ­ Grant Nicol ­ Yang Wang­ Date Submitted: November 28, 2013APSC 261: Technology and Society ITutorial Instructor: Dr. Paul WinkelmanAbstract:As part of its continuing mission to educate and operate sustainably, the UBC Farmwanted to see whether planting a fuel stock crop would be a beneficial investment towards thefarm. The farm enlisted the help of various engineering undergraduates to investigate therequirements and to determine whether pursuing this venture would prove to be a worthwhileinvestment.The team assessed the initial process and investment and submitted a triple bottomline assessment. The land of the farm was surveyed and ue to the vigorous growth rate and lackof maintenance, red alder was  chosen by the team as the crop of choice.Table of Contents1.0 Introduction2.0 Social Impact        2.1 The UBC Farm        2.2 The University of British Columbia        2.3 Various Educational Resources3.0 The Land and Yield        3.1 The Land        3.2 Crop Selection        3.3 Yield4.0 Harvesting, Processing, and Transporting        4.1 Harvesting        4.2 Processing        4.3 Transporting5.0 Environmental Impact6.0 ConclusionList of FiguresFigure­1: Aerial Photo of the UBC FarmFigure­2: Table of estimated yieldsFigure­3: Photograph of a typical chainsawFigure­4: Photograph of a typical brush cutter with saw blade attachmentFigure­5: Tabulated Labour and fuel cost depending on harvesting optionFigure­6: Photograph of a typical wood chipper.Figure­7: An example of UBC farm’s range of available tractors.Figure­8 : Photograph of the UBC Farm van.1.0 IntroductionThe dependence of natural gas and fossil fuel as our primary source of energy hasspurred the research and development for alternatives. One of which is the processing of woodybiomass at facilities like the Bioenergy Research and Demonstration Facility (BRDF) at UBCThe goal of this project is to determine the economic, social and environmental impactsof growing and supplying the BRDF with biomass grown from UBC Farm’s marginal lands. Themarginal lands are land that are not currently under use by the UBC Farm due to conditions orphysical constraints. However, due to the low maintenance required and high survivability ofsome fuel stock plants, the previously unused land can be utilized for the production of thesehearty fuel stock plants.This report will outline and discuss the economic, social, and environmental aspects ofthe growth of biomass using the marginal land at UBC Farm. The possible benefits anddisadvantages of the overall life cycle and process  will also be touched upon in thisassessment. From the possible yield of different crops, to the harvesting, processing, andtransporting of the fuel stock plants to the BRDF. Possible environmental impacts such as thecarbon neutrality of the process will be discussed. Lastly, the social influence of this project willbe discussed.Moreover, the environmental impacts of the project. The social impacts analysed overallshow that the project will be give a positive impact to the University, neighboring communitiesand visitors to the farm. As part of the Farm’s mission to educate on sustainable farming andpractices, the Farm will use this crop to garner further awareness on alternative fuels while alsomaking a contribution to educate that energy can be a community based affair.2.0 Social ImpactsThe social benefits of this initiative are best felt within the local community of theUniversity of British Columbia. Though the scope of this project may impact social groups andentities outside of the university, the impact for the purpose of the triple bottom line will focus onthe immediate impact that such an initiative can have on the surrounding community. Within thecommunity, we have identified specific stakeholders, The primary stakeholder being the UBCFarm itself, and the other significant stakeholders being the Bioenergy Research andDemonstration Facility and the university as a whole. The goals of the primary stakeholder are tostrengthen the relationships between the University’, its energy initiatives and the Public via theFarm.2.1 The UBC FarmThe UBC Farm, located on the south side of campus, is primarily a volunteer basedventure run by the Centre for Sustainable Food Systems and acts as a forum for variouscommunity­based educational awareness programs. Due the high demand on its volunteers,Kate Menzies, our primary contact, requested that the fuel stock abid to her recommendations.In order to become a functional part of the farm, the chosen crop is requested to not require a lotof maintenance on part of the volunteers.  Another point that Kate brought up was to take intoaccount the harvest schedule of the regular crops to ensure that maintenance wasn’t requiredduring peak labour periods throughout the year. To be expected significant effort will be requiredto prepare the land for plantation and it is understood that this not coincide with any other harvestor plantation schedule.The crop will serve the farm with several secondary agricultural benefits. Most of whichwill ultimately improve the functionality and effectiveness of the farm. Some of the onesmentioned are the crops ability to protect against soil erosion and protect against invasivespecies of plants such as blackberry bushes. The crop also has the ability, due to its highdensity, to be used a a windshield to protect more fragile crops from the frequent wide stormsthat are experienced in and around Vancouver.2.2 The University of British ColumbiaCurrently as part of the university’s initiative to become completely carbon neutral by theyear 2020, the university overhauled the previous steam heating system and replaced it with hotwater system. Also Included in this initiative, was the construction of the Bioenergy Researchand Demonstration Facility, a joint project sponsored by various governmental and industrysources. Currently, this facility combusts two semi­truck worth of wood chips and other biomassmaterials daily to produce heat and electricity for the campus . Using this biomass, the BRDF isable to run in thermal mode or thermal and electric mode. In thermal mode, the facility is able toprovide up to 25% of the campus’ needs. In thermal and electric mode, the facility is able toprovide up to 10% of the campus’ need in heat and supply the Marine Drive Student ResidenceBuilding with electricity. The purpose is to illustrate that energy solutions could be tailor to meetthe needs of a single community. As part of the community, the UBC Farm, wishes to partake inthis initiative and help raise awareness of alternative energy sources sources. Since a largemajority of the fuel stock burn at the BRDF is mostly imported from outside, The University isn’tconsidered self sustaining. By introducing locally grown fuel­stock a better understanding of acommunity wide energy solution can be realized.2.3 Various Educational ResourcesAs bi­product of this plantation, it is hoped that the university and adjoining communitieswill  focus on this alternative energy source for its practical applications. As requested by Kate,some research time was taken look into the development of wood biomass crops on thecommunity level. Could neighbourhood change local habits to plant fuel­stock crops in publicplaces or in place of hedgerows? Such an option would provide the same benefits as otherhedges such as breaking sightlines, acting as barriers but with the added benefit of lowermaintenance on the part of the owner or municipality. These plants could periodically beharvested or trimmed and the waste be used to return power to the community. Since suchtasks and community maintenance is undertaken by most municipalities, the cost to developsuch a project would only exist in the plantation and harvest of new plants.3.0 The Land and YieldThis section will provide a general estimate of the amount and type of land available tothe UBC Farm for growing woody biomass. Factors regarding land type and climate will be usedto determine the optimal woody plant species for biomass production. Using land area, climate,and plant type, an estimate for biomass yield will be created.3.1 LandThe land on which the UBC Farm wants to grow woody biomass is deemed marginalland. This is land that the UBC farm has available, but does not use for crop production or anyother operations. The primary farm areas, land that is optimal for other types of agriculturalcrops, will not be used for production of woody biomass.  Multiple areas will be examined forgrowing conditions and determining the optimal crop.Prospective locations for the growth of woody biomass were mapped out using a GPSdevice and GIS software. Figure­1 is a map of the UBC farm with prospective woody biomassgrowing locations highlighted.Base map source: “UBC Farm.” 49°14 58.40” N and 123°14 15.91” W. Google Earth. April 3rd, 2009. October 15th, 2013.Figure ­ 1: Aerial View of the UBC Farm.Highlighted regions are areas being considered for the production  woody biomass. These areasare labeled with their respective surface areas as well as photographs.The forestry research plot (highlighted in pink on the map) is located at the center of thefarm. The estimated area available in this region is approximated to be 630m2. It is in directsunlight and, since it is within the prime agricultural area, has good soil.  On the land currently isa dense growth of coniferous trees. These trees must be removed prior to the growing of woodybiomass. The removal of these trees can provide a large initial harvest of woody biomass. (Whatare those trees and are the suitable for the BRDF)On the west side of the farm, (highlighted in purple,) there is a large section of landestimated at 14000m2. This area contains wild grass, blackberry bushes, and tall deciduoustrees. These pre­existing trees and shrubs can be harvested for biomass fuel.  The existence ofdeciduous trees suggests favorable growing conditions for tree crops.  The south side of thisarea borders the forest causing for a lack of southern exposure. This area is wet and receivespoor drainage.The south side of the farm houses two strips of land (one highlighted in orange and theother highlighted in yellow). The orange section is estimated at 1300 m2 and the yellow section isestimated at 1800m2. These sections lie on the southern edge of the UBC Farm, bordered byforest.  These areas contain some maintained grass as well as blackberry bushes and othergeneral brush. As the farm slopes southward, this area is wet.  At the edge of the forest there isa drainage ditch. These sections, being on the north edge of the forest, do not get southernexposure.Possible locations for hedgerows are highlighted in blue. Each hedgerow is estimated tohave 100m2 of area.  The number of hedgerows may vary depending on farm spacerequirements and needs. Being in the prime agricultural space, the soil is expected to be goodwith significant exposure to sunlight.3.2 Crop SelectionThe two woody biomass crop being considered for plantation are: black cottonwood (aspecies of willow) and red alder. These two trees, when dried, fit the requirements of the BRDFfacility. Crops that are less woody may not meet specifications, or, in the case of miscanthus,require extra treatment in order to be usable fuel. Both black alder and red alder occur naturallyalong the northern pacific coast (Niemiec & Laboratory, 1995). This means that they should growwell in the moist, temperate conditions of the UBC Farm. Both plants will regrow after harvest,not requiring replanting. Harvests of these plants can occur every 3 to 6 years. Growing periodsof longer than 6 years can also be used depending on needs and requirements of these treesWillow has an estimated yield of up to 10 dry tonnes per acre per year(Volk, Verwijst,Tharakan, Abrahamson, & White, 2004). This is in an agricultural setup with nitrogen fertilizers.Given the growing conditions and species of willow, black cottonwood, the yield would probablybe between 5 and 7 dry tonnes per acre.The majority of hardwood in the Pacific Northwest is red alder(Niemiec & Laboratory,1995).  In non­agricultural settings with good growing conditions, red alder has an estimated yieldof 7 dry tonnes per acre per year(Niemiec & Laboratory, 1995).   Red alder also fixes nitrogen(Niemiec & Laboratory, 1995). This means that it doesn’t require nitrogen fertilizers and it mayalso benefit surrounding farm plants.Being the dominant hardwood species in the Pacific Northwest, red alder is therecommended source of woody biomass given its success in this area and climate. The rapidgrowth rate of red alder combined with its ability to succeed in this region makes it the bestoption for ensuring a high yield.2.3 YieldThe estimated yield is calculated by multiplying the estimated growth rate by theestimated available giving the number of dry tonnes of woody biomass produced per year. Theestimated growth rate will be based on that of red alder, the recommended crop. Growingcondition factors will be considered when rounding. This calculation will be made for each of thehighlighted areas on Figure­1. Yields for each region are displayed on Figure­2.Region Estimated Yield (dry tonnes per year)Pink (Forestry Plot) 1Purple (West side) 24Orange (South side) 2Yellow (South side) 3Blue (One hedgerow) 0.2Figure­2: Yield for various regions based on estimated size and estimated growthrate of red alder.The total yield depends on which combination of these lands the UBC Farm wishes touse and how many hedgerows it wishes to implement. The large purple area on the west side ofthe farm would provide the largest yield at 24 dry tonnes per year, a yield much greater than anyof the other areas. If all of the land is used to grow Red Alder, the yield is estimated to be 30.2tonnes per year. As the BRDF currently pays 60$ per tonne of dry, chipped wood fuel, the projectcould provide a gross income of $1812 per year.4.0 Harvesting, Processing, and TransportingThe harvesting, processing, and transporting of the biomass will be discussed here. Theapplicability of these three processes play an important role in the possible success of thisproject. Since the stakeholder have requested that the project be done with as little financialrequirements as possible. Possible solutions must  use what is currently available to the UBCFarm and utilize them in the best way to streamline the processes of harvesting, processing,and transporting of the biomass.4.1 HarvestingBecause of the nature of the operations of the UBC Farm, the lower the time and capitalinvestment this project requires, the more likely the project will be adopted by the  Farm. As aresult of this constraint, no automated processes were considered; neither were the options ofpurchasing mobile harvesting equipment that would aid in the harvesting of the cropsThe main concepts for the harvesting the biomass are the use of chainsaws and thebrush cutter with saw blade attachments as shown in Figure­ below. There are however furtherconstraints on the use of equipment currently available .Retrieved From on November 22, 2013:­image.jpgFigure­3: :Photograph of a typical chainsaw.Retrieved from on November 22, 2013:­font­b­brush­b­font­font­b­cutter­b­font­font­b­Craftsman­b­font.jpgFigure­4: Photograph of a typical brush cutter with saw blade attachmentThe chainsaw would be a very quick way of cutting down the ready­for­harvest plants.However, due to safety and liability issues, the chainsaws can and will only be operated by paidUBC Farm workers. This is not an ideal solution because the UBC Farm works are understaffedand may not be able to spare the time to harvest the biomass. Costs would also increase tooffset the income from the yield.The brush cutter with the saw blade attachment would provide a less expensive solutionsince they could be operated by UBC Farm volunteers. These will not be able to cut down thebiomass at the same speed as the chainsaw. Due to its ease of use and the possibility oftraining volunteers, the brush cutter shows to be the more promising alternative to the chainsaw.In conclusion, the brush cutter should be used by the volunteers after adequate training toharvest the biomass. However, if an accelerated harvest schedule is desired, the UBC Farmworkers always have the options to operate the chainsaw to cut down the biomass. Crops wouldhave to be cut more frequently with the brush cutter as tree size must remain very small. Belowis an estimate of the cost required to harvest the full crop yield:Chainsaw 75 man hours (15sec/m^2) 2.5L/ man hr of gasolineBrush Cutter w Saw Blade 150 man hours(30sec/m^2) 1.5L/man hr of gasolineFigure­5: Tabulated Labour and fuel cost depending on harvesting optionWith a wage of 25$/hr and a fuel cost of $1.50/L, harvesting the years yield with achainsaw would cost $2156. With volunteer labour and weed eaters, the cost to harvest wouldbe $338.4.2 ProcessingThe processing of the biomass after would include the felling, collection and drying of thewoody biomass. Due to Vancouver’s climate with generally rainy winters, maintaining  and dryingthe material will be an issue. Drying can be done in a covered and raised area located at theUBC Farm. With enough time, the woody biomass will be able to dry to the specificationsnecessary for the BRDF. Keeping the biomass in its post harvesting state should prove to havea benefit to the drying process as opposed to chipping the biomass and then storing it. Bykeeping the biomass in its intact state, air is allowed to circulate between the cracks, whereaswhen chipped, the air will have a significantly tougher time penetrating the pile. Furthermore, theexact duration of the drying process cannot be predicted, and must be experimented if theproject was to proceed.After the drying of the biomass, the wood chipper from UBC plant ops, similar to the onefound in Figure ­ 4 below, can be borrowed and used to further process the dry biomass beforebeing transported to the BRDF. Fuel cost to chip the entire years yield is estimated to be $120.This figure is based on the use of a 35HP wood chipper which can process 4 tonnes per hour.Retrieved on November 22, 2013 from: http://images costco ca/image/media/500­263899­894 1.jpgFigure­6: Photograph of a typical wood chipper.4.3 TransportingThe transportation of the processed biomass must be done quickly after the originalbiomass has gone through the chipper due to the moisture content restrictions of the BRDF. Bystoring the biomass in wood chip from, unwanted moisture is allowed to penetrate the pile andadd moisture back into the biomass.The UBC Farm tractor, as shown below in Figure­7, and 12’X4.5’ trailer can be utilized totransport the processed biomass to the BRDF. The options of obtaining another transportationdevice was out of the question because of the scope of this project due to the substantial cost ofsuch a purchase. Furthermore, the UBC Farm van, as shown below in Figure ­ 8, can also beutilized for the transportation of the processed biomass.  Fuel Cost to transport the full yield isestimated to be $30 if a Diesel powered tractor makes trips with a payload of one tonne. DieselTractors are fuel efficient and the distance is only about 3km. If the trailer cannot support thisweight, more trips and fuel would be required. The van would likely require more trips and fuel. Figure­7: An example of UBC farm’s range of available tractors.Figure­8 : Photograph of the UBC Farm van.The method of transportation can be chosen by the workers as it makes little differenceto the material. The tractor and trailer may prove to be less bothersome as it allows a larger loadto be transported at once. The van’s advantage would be its ease of use, a volunteer couldpotentially be able to drive the van full of biomass to the BRDF, whereas a UBC Farm workerwould need to drive the tractor to the BRDF.The BRDF pays a rate of $60/ton of dry, chipped wood fuel. Based on this rate the expectedincome is $1324 for the entire years yield if volunteer workers are used. If chainsaws and farmworkers are used instead, the project would cost $494.5.0 Environmental impactsThe primary advantage of burning woody biomass fuel over fossil fuels is the carbonneutrality of the process. Fossil fuels are created from biomass through chemical and geologicalprocesses acting over millions of years. Deposits act as massive carbon sinks, keeping carbonin solid, liquid, or gaseous form under the surface of the earth. Burning these depositsre­releases the carbon into the atmosphere at a rate far greater than it was stored. Thus, in thetime scale of our species and the processes on the surface of the earth, fossil fuels are anon­renewable source which presents a clear danger to the prospect of maintaining a habitableplanet. In contrast, biofuels grow by absorbing carbon from the atmosphere. When burned, thiscarbon is released, but unlike fossil fuels, this cycle can occur with a period of just a few years.For this reason the cycle can be considered to have a neutral impact on atmospheric CO2(Northrop, 2013). It should be noted that a cycle period of hundreds of years, though still carbonneutral, may still have a negative impact on the planet, as climate change is predicted to haveserious negative effects within the century. An example of such a process is the destruction andburning of established forests.For a simple carbon accounting of the process, one can approximate that the drybiomass is composed completely of hydrocarbons which are completely burned, releasing all ofthe carbon in the form of CO2 and all the hydrogen in H2O. Unlike a typical wood stove, theBRDF combusts the material at an extremely high temperature leading to inconsequential levelsof CO or NOx gasses. Heavy metals or radioisotopes present in the biofuel, absorbed from theground, may be released to the atmosphere, but these effects are extremely small, far less thanthose involved in burning of coal, for example.However, the carbon cost of land clearing, growth, harvesting, transport and storage ofbiofuel subtracts from this neutrality. For example, clearing a forest or marsh to grow a crop willdestroy a form of carbon storage that is higher in density than the crop that is replacing it(Northrop, 2013). Furthermore, land clearing, tending of crops, harvesting, and transportationtends to use energy from fossil fuels as vehicles and equipment are typically powered bygasoline or diesel.Our estimates of yield are 30.2 tonnes per year (maximum), resulting in an energyproduction of 161570 kWh per year.The carbon content of the land to be cleared is difficult toestimate as it is composed of a range of environment types, some of which are left untouched,whereas some are maintained through grass cutting or trimming. For this analysis the carbonimpact of land clearing will be ignored. Irrigation and fertilization is deemed unnecessary for theimmediate future as the crop (Red Alder) is similar in type to that which currently grows naturallyin the area, and it is nitrogen fixing and thus does not require nitrogen replenishment. Usingestimates of fuel consumption for harvesting, processing, and transporting, the project will offset159000 kWh of energy from natural gas, which is UBC’s primary source of heat energy. This isenough energy to supply approximately 10 residential homes with heat for the year. This amountof energy should completely offset the heating energy required by UBC Farm.There are other local benefits to growing Red Alder at the UBC Farm. These trees,planted in marginal areas, provide a buffer to adverse weather. Red Alder is nitrogen fixing,which means that if the farm reclaims the land for growing food, the Red Alder will haveincreased the nitrogen content of the soil. The lack of fertilizer or pesticide requirementseliminates the associated problems of runoff into the environment.The choice of crop, use of marginal lands, and combustion at the BRDF facility mitigatesall of the major environmental concerns of the process. Any amount of Red Alder that can begrown and combusted at the BRDF to offset the use of fossil fuels will provide a net benefit tothe environment.6.0 ConclusionEconomically, this project has the potential to provide a small income to the UBC Farm ofup to $1324 per year if the harvesting, processing, and transporting is accomplished byvolunteers. If the fuel is harvested by paid farm workers, the project becomes unprofitable, at$­494 per year or more. This income or cost could be incurred yearly or after several yearsdepending on the harvesting scheme used. To provide some feeling of scale to these numbers,the cost of the natural gas that could be replaced by the project is about $1903. This shows thateven at the small scale, this fuel source is not extremely costly compared to natural gas.However, the real impact of the project will be small, as the yearly yield would only offset 0.27%of UBC’s natural gas heating cost. It would however, easily offset the energy requirements ofUBC Farm.Environmentally, woody biomass harvested and burned in a clean burning power plant isa clear winner over natural gas due to its carbon neutrality. The cost of growing, harvesting, andtransporting does offset the carbon neutrality, but the specifics of this project show those coststo be extremely small compared to the amount of carbon neutral energy being created. Forexample, the distance the fuel is transported is miniscule compared to the distance that most ofthe current fuel travels to reach the BRDF. Additionally, the use of marginal lands for growthdoes not compete with food production, and trees planted for biomass can provide anenvironmental buffer for nearby food crops. Red Alder is not an alien species to the area and isnitrogen fixing, meaning that it has the potential to improve the soil it is planted in rather thandeplete it. In the future, methods could be devised to completely eliminate fossil fuels from theharvesting and transport activities.Socially, this project would have many benefits. Many students are unaware of the BRDFand UBCs efforts to offset its natural gas carbon emissions. This project could be used toencourage more research and interest in the process. Even though the project is on a smallscale, participants will learn about and be able improve upon the process of growing, harvesting,and combusting woody biomass.The teams recommendation is to move ahead with a plan to grow Red Alder at UBCFarm. It may be wise to start with a smaller pilot project rather than beginning with the entire areaavailable at the farm. This way risk is minimized while a specific procedure can be developedand harmonized with the other participants such as the BRDF or Faculty of Forestry.ReferencesNiemiec, S. S., & Laboratory, O. S. U. F. R. (1995). Hardwoods of the Pacific Northwest(Technical Report). Corvallis, Or. : College of Forestry, Forest Research Laboratory, OregonState University. Retrieved from, R. B., & Connor, A. N. (2013). Ecological sustainability : Understandingcomplex issues. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group.Volk, T. A., Verwijst, T., Tharakan, P. J., Abrahamson, L. P., & White, E. H. (2004). Growing Fuel:A Sustainability Assessment of Willow Biomass Crops. Frontiers in Ecology and theEnvironment, 2(8), 411–418. doi:10.2307/3868429


Citation Scheme:


Citations by CSL (citeproc-js)

Usage Statistics



Customize your widget with the following options, then copy and paste the code below into the HTML of your page to embed this item in your website.
                            <div id="ubcOpenCollectionsWidgetDisplay">
                            <script id="ubcOpenCollectionsWidget"
                            async >
IIIF logo Our image viewer uses the IIIF 2.0 standard. To load this item in other compatible viewers, use this url:


Related Items