Green Cheese 

Energy Intensity and GHG Emissions  of Integrated Dairy&Bio‐fuels Systems 

 in Wisconsin 

Douglas Reinemann Horacio Aguirre‐Villegas 

Louis Armentano 

Victor Cabrera 

John Norman 

Simone Kraatz 

Franco Milani 

Josh Posner 

Thais Passos Fonseca    Oct 15th, 2010 

Bio‐fuels Industry Dairy Herd 

On‐Farm Processes 

Dairy Feed 

Milk 

Dairy Feed 

Manure 

Biomass 

Bio‐fuel 

Milk 

Milk 

Dairy Products 

Bio‐fuel 

Manure 

Bio‐fuel 

Crops 

BioGas, Electricity 

GHG 

GHG 

GHG 

GHG 

GHG 

GHG 

GHG 

FerSlizers 

1) InvesSgate synergies and opportuni(es to reduce energy intensity and environmental impact of dairy and bio‐fuels producSon.  

2) Provide guidance to:    a) Individual farms to 

   i) choose technologies and management pracSces to reduce energy intensity and environmental burden of milk producSon;    ii) prepare for carbon credits market  b) Policy makers regarding implicaSons of specific technologies on WI energy and GHG balance, aiming beZer resource allocaSon 

3) Compare efficiency and environmental impact of dairy producSon systems in WI vs. other regions  

4) Expand Life Cycle Assessment database of agricultural products 

Green Cheese Model ‐ Objec(ves 

The “Green Cheese” Model 

Informa(on Inputs 

Lacta(ng cows forage intake 

Desired milk produc(on 

Model Components 

1b.Diet composi(ons 

1a.Dairy herd 

Herd characteris(cs 

3.Crop produc(on 

Machinery 

Outputs GHG  Nutrient 

losses 

Inputs 

Chemicals 

Fuels and energy 

Fer(lizers 

2a.Manure handling 

Milk 

Meat  Bio‐fuels 

Process, embedded, 

and cumula(ve energy  and 

GHG emissions Biogas 

4.Bio‐fuels produc(on 

2b.Biogas genera(on 

System Boundary 

Green Cheese: Model Components and Boundaries  

Other characteris(cs of the system 

CO2 for feed Land area 

•  5 dairy diets –  3 forage bases  

•  3 levels of co‐products from bio‐fuels –  Dry disSllers grains and solubles (DDGS) –  Soybean meal (SBM) 

•  2 manure treatments –  without anaerobic digesters –  with anaerobic digesters (and biogas producSon) 

Scenarios 

Diet Corn silage DMI Alfalfa silage DMI Concentrates

CADS 29% 29% DDGS = Soybean meal

CSDG 36% 22% Max. DDGS

CSSB 36% 22% Max. Soybean meal

ASDG 22% 36% Max. DDGS

ASSB 22% 36% Max. Soybean meal

Results 

•  GHG emissions (kg CO2‐eq/kg ECM) 

•  Energy intensity (MJ/kg ECM) 

•  Net energy intensity = Energy inputs – Energy outputs 

ECM = energy corrected milk to 4% fat and 3.3% protein CO2‐eq = carbon dioxide equivalent 

0.0 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

CADS  CSDG  CSSB  ASDG  ASSB  Diets 

GHG emissions from Milk ProducSon  (kg CO2‐eq/kg ECM) 

AccounSng for bio‐fuels, displacement of fossil fuels; no biogas 

AccounSng for bio‐fuels and biogas, displacement of fossil fuels and natural gas 

‐2.5 

‐1.5 

‐0.5 

0.5 

1.5 

2.5 

CADS  CSDG  CSSB  ASDG  ASSB  Diets 

Net Energy Intensity of Milk ProducSon  (MJ/kg ECM) 

AccounSng for bio‐fuels energy and fossil fuels displacement; no biogas 

AccounSng for bio‐fuels and biogas energy, displacement of fossil fuels and natural gas 

Land use, GHG emissions, and energy intensity of milk production for selected diets. All values presented in relation to Diet CADS (100%).

0% 

20% 

40% 

60% 

80% 

100% 

120% 

140% 

CADS  CSDG  CSSB  ASDG  ASSB  Diets 

Land area use  GHG emissions  Energy intensity 

Environmental Impacts of Integrated Milk and Bio‐fuels ProducSon  (no biogas) 

Land use, GHG emissions, and energy intensity of milk production for selected diets. All values presented in relation to Diet CADS (100%).

‐140% ‐120% ‐100% ‐80% ‐60% ‐40% ‐20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 

CADS  CSDG  CSSB  ASDG  ASSB  Diets 

Land area use  GHG emissions  Energy intensity 

Environmental Impacts of Integrated Milk and Bio‐fuels ProducSon  (with biogas) 

•  Effects of anaerobic digesters for on‐farm biogas generaSon: –  ReducSons in GHG emissions by 0.25 kg CO2‐eq/kg ECM 

–  ReducSons in energy intensity by 2.57 MJ/kg ECM 

•  The minimum GHG emissions and energy intensity per kg of milk occurred in the system that: –  used anaerobic digesSon on the farm 

and –  maximized feeding of DDGS (and ethanol producSon)  

•  This scenario also resulted in the largest required land area;  •  Tradeoffs need to be considered. 

Main Conclusions 

PotenSal Impacts of Biogas 

•  Farms with more than 200 cows in Wisconsin: ~ 40% of WI milk producSon 

~ 4.5 billion kg of milk/year  

  potenSal on‐farm energy producSon (from biogas): ~ 11.5 billion MJ/year  

 almost 3% of Wisconsin’s Natural Gas consumpSon (~ 400 billion MJ/year) 

  correspondent potenSal of savings on GHG emissions: ~ 1 billion kg CO2‐eq/year  almost 10% of the 10.9 billion CO2‐eq from Wisconsin’s Agriculture sector (esSmated by the World Resources InsStute, 2007) 

Thank you! 

Thais Passos Fonseca: passosfonsec@wisc.edu Horacio Aguirre Villegas: aguirreville@wisc.edu 

Douglas Reinemann: djreinem@wisc.edu