Learning Challenges in Biogas Production for Sustainability : An activity theoretical study of a network from a swine industry chain

This study is about the challenges of learning in the creation and implementation of new sustainable technologies. The system of biogas production in the Programme of Sustainable Swine Production (3S Programme) conducted by the Sadia food processing company in Santa Catarina State, Brazil, is used as a case example for exploring the challenges, possibilities and obstacles of learning in the use of biogas production as a way to increase the environmental sustainability of swine production. The aim is to contribute to the discussion about the possibilities of developing systems of biogas production for sustainability (BPfS). In the study I develop hypotheses concerning the central challenges and possibilities for developing systems of BPfS in three phases. First, I construct a model of the network of activities involved in the BP for sustainability in the case study. Next, I construct a) an idealised model of the historically evolved concepts of BPfS through an analysis of the development of forms of BP and b) a hypothesis of the current central contradictions within and between the activity systems involved in BP for sustainability in the case study. This hypothesis is further developed through two actual empirical analyses: an analysis of the actors senses in taking part in the system, and an analysis of the disturbance processes in the implementation and operation of the BP system in the 3S Programme. The historical analysis shows that BP for sustainability in the 3S Programme emerged as a feasible solution for the contradiction between environmental protection and concentration, intensification and specialisation in swine production. This contradiction created a threat to the supply of swine to the food processing company. In the food production activity, the contradiction was expressed as a contradiction between the desire of the company to become a sustainable company and the situation in the outsourced farms. For the swine producers the contradiction was expressed between the contradictory rules in which the market exerted pressure which pushed for continual increases in scale, specialisation and concentration to keep the production economically viable, while the environmental rules imposed a limit to this expansion. Although the observed disturbances in the biogas system seemed to be merely technical and localised within the farms, the analysis proposed that these disturbances were formed in and between the activity systems involved in the network of BPfS during the implementation. The disturbances observed could be explained by four contradictions: a) contradictions between the new, more expanded activity of sustainable swine production and the old activity, b) a contradiction between the concept of BP for carbon credits and BP for local use in the BPfS that was implemented, c) contradictions between the new UNFCCC1 methodology for applying for carbon credits and the small size of the farms, and d) between the technologies of biogas use and burning available in the market and the small size of the farms. The main finding of this study relates to the zone of proximal development (ZPD) of the BPfS in Sadia food production chain. The model is first developed as a general model of concepts of BPfS and further developed here to the specific case of the BPfS in the 3S Programme. The model is composed of two developmental dimensions: societal and functional integration. The dimension of societal integration refers to the level of integration with other activities outside the farm. At one extreme, biogas production is self-sufficient and highly independent and the products of BP are consumed within the farm, while at the other extreme BP is highly integrated in markets and networks of collaboration, and BP products are exchanged within the markets. The dimension of functional integration refers to the level of integration between products and production processes so that economies of scope can be achieved by combining several functions using the same utility. At one extreme, BP is specialised in only one product, which allows achieving economies of scale, while at the other extreme there is an integrated production in which several biogas products are produced in order to maximise the outcomes from the BP system. The analysis suggests that BP is moving towards a societal integration, towards the market and towards a functional integration in which several biogas products are combined. The model is a hypothesis to be further tested through interventions by collectively constructing the new proposed concept of BPfS. Another important contribution of this study refers to the concept of the learning challenge. Three central learning challenges for developing a sustainable system of BP in the 3S Programme were identified: 1) the development of cheaper and more practical technologies of burning and measuring the gas, as well as the reduction of costs of the process of certification, 2) the development of new ways of using biogas within farms, and 3) the creation of new local markets and networks for selling BP products. One general learning challenge is to find more varied and synergic ways of using BP products than solely for the production of carbon credits. Both the model of the ZPD of BPfS and the identified learning challenges could be used as learning tools to facilitate the development of biogas production systems. The proposed model of the ZPD could be used to analyse different types of agricultural activities that face a similar contradiction. The findings could be used in interventions to help actors to find their own expansive actions and developmental projects for change. Rather than proposing a standardised best concept of BPfS, the idea of these learning tools is to facilitate the analysis of local situations and to help actors to make their activities more sustainable.

Tämä tutkimus koskee oppimisen haasteita, joita kohdataan uusia kestävän tuotannon teknologioita luotaessa ja toteutettaessa. Tutkimuksen tapausesimerkkinä on Sadia elintarvikeyhtymän Santa Catarinan osavaltiossa Brasiliassa toteuttamaan kestävän siantuotannon ohjelmaan (3S-ohjelmaan) sisältyvä biokaasun tuotantojärjestelmä, jota käytetään siantuotannon ympäristökuormituksen vähentämisen keinona. Tapauksen avulla tutkitaan biokaasutuotannon oppimishaasteita, mahdollisuuksia ja esteitä. Tavoitteena on edistää tietämystä kestävää maataloutta palvelevan biokaasutuotannon (eli kestävän biokaasutuotannon, Biogas Production for Sustainability, BPfS) mahdollisuuksista. Tutkimuksessani kehitän kolmessa vaiheessa hypoteeseja kestävän biokaasutuotannon kehittämisen keskeisistä haasteista ja mahdollisuuksista. Ensin muodostan tutkittavan tapauksen pohjalta mallin kestävän biokaasutuotannon toimintojen verkostosta. Sen jälkeen rakennan a) pelkistetyn mallin historian kuluessa kehittyneistä kestävän biokaasutuotannon konsepteista erittelemällä biokaasutuotannon muotojen kehitystä ja b) hypoteesin tämän hetken keskeisistä biokaasutuotantoon osallistuvien toimintajärjestelmien sisäisistä ja välisistä ristiriidoista tapausesimerkissä. Seuraavaksi koettelen ja rikastan hypoteesia kahden erilaisen nykykäytäntöä koskevan analyysin avulla: analyysillä toimijoiden henkilökohtaisista syistä olla mukana biokaasutuotannossa sekä analyysillä 3S-ohjelman biokaasutuotantojärjestelmän käyttöönotosta sekä käytössä esiintyvistä häiriöprosesseista. Historiallinen analyysi osoittaa, että kestävän biokaasutuotannon järjestelmä syntyi 3S-ohjelmassa ratkaisuna ristiriitaan, joka vallitsi ympäristönsuojelun ja siantuotannon keskittymisen, voimaperäistymisen ja erikoistumisen välillä. Tämä ristiriita uhkasi elintarviketeollisuuden sikatoimituksia. Elintarviketuotannossa tämä ristiriita ilmeni ristiriitana yhtäältä yhtymän halun kehittyä kestävän tuotannon yhtiöksi ja alihankintatilojen tilanteen välillä. Siantuottajille ristiriita näkyi eri sääntöjen välisenä: yhtäältä markkinat painostivat tuotannon jatkuvaan laajentamiseen, erikoistumiseen ja keskittämiseen, toisaalta ympäristönsuojelun säännöt asettivat laajenemiselle rajan. Vaikka biokaasutuotantojärjestelmässä havaitut häiriöt näyttivät pelkästään teknisiltä ja sijoittuvan maatiloille. Analyysi osoitti kuitenkin, että häiriöt muodostuivat verkoston eri toimintajärjestelmissä ja näiden välisissä yhteyksissä. Havaitut häiriöt voitiin selittää kolmella sisäisellä ristiriidalla: a) ristiriidalla, joka vallitsi uuden, kestävän siantuotannon ja vanhan toiminnan välillä; b) ristiriidalla päästöoikeuksien kauppaan perustuvan biokaasutuotantokonseptin ja biokaasun paikalliseen käyttöön perustuvan tuotannon välillä; c) ristiriidalla UNFCCC:n uuden päästöoikeusvaatimuksena olevan metodologian ja tilojen pienen koon välillä; sekä d) ristiriidalla, joka vallitsi biokaasun käyttöön ja polttamiseen markkinoilla tarjolla olevien teknologioiden ja tilojen pienen koon välillä. Tämän tutkimuksen tärkeimmät löydökset liittyvät Sadia-yhtymän elintarviketuotantoketjun kestävän biokaasutuotannon lähikehityksen vyöhykkeeseen (LKV). Sitä koskeva malli on tuotettu luomalla ensin yleinen kestävää tuotantoa palvelevien biokaasun tuotantokonseptien malli ja kehittämällä sitä edelleen niin, että se sopii 3S-ohjelman erityiseen biokaasutuotannon järjestelmään. Malli muodostuu yhteiskunnallisen integraation ja toiminnallisen integraation kehitysulottuvuuksista. Yhteiskunnallisen integraation ulottuvuus tarkoittaa, missä määrin kaasuntuotanto on yhdistyneenä muihin toimintoihin tilan ulkopuolella. Ulottuvuuden toisessa päässä biokaasutuotannon tuotokset käytetään tilalla ja biokaasutuotanto on omavaraista ja hyvin riippumatonta, kun taas ulottuvuuden toisessa päässä biokaasutuotannon tuloksia vaihdetaan markkinoilla ja se on kytketty tiiviisti markkinoihin ja yhteistoimintaverkkoihin. Toiminnallisen integraation ulottuvuus viittaa yhdistelmäetujen saavuttamiseen: missä määrin tuotteet ja tuotantoprosessit liittyvät toisiinsa käyttämällä samaa välineistöä monen toiminnan toteuttamiseksi. Ulottuvuuden toisessa ääripäässä on yhteen tuotteeseen erikoistunut biokaasutuotanto, mikä mahdollistaa mittakaavaetujen saavuttamisen. Toisessa ääripäässä on monien biokaasutuotannon tuotteiden yhdistetty tuotanto, jossa tuotetaan monia tuotteita biokaasujärjestelmän tuotosten maksimoimiseksi. Analyysin perusteella näyttää siltä, että biokaasutuotanto on kehittymässä markkinoiden välityksellä tapahtuvan yhteiskunnallisten integraation suuntaan ja toiminnallisen integraation suuntaan yhdistämällä useiden biokaasutuotteiden tuotanto. Malli on hypoteesi jota on tarpeen testata rakentamalla kollektiivisesti kehitysinterventioiden avulla uusi, ehdotettu kestävän biokaasutuotannon konsepti. Tämän tutkimuksen toinen tärkeä anti liittyy oppimishaasteen käsitteeseen. Tutkimus toi esiin kolme pysyvän biokaasutuotannon järjestelmän kehittämiseen 3S- ohjelmassa liittyvää oppimishaastetta: 1) halvempien ja käytännöllisempien biokaasun polttamisen ja mittaamisen teknologioiden kehittäminen sekä sertifiointiprosessin kustannusten vähentäminen, 2) uusien maatiloilla tapahtuvan biokaasun käyttötapojen kehittäminen, 3) paikallisten markkinoiden kehittäminen biokaasutuotteiden myymiseksi. Yleinen oppimishaaste on löytää erilaisia, toisiaan tukevia tapoja käyttää biokaasua muutoinkin kuin vain päästöoikeuksien tuottamiseen. Sekä kestävää tuotantoa palvelevan biokaasutuotantojärjestelmän lähikehityksen vyöhykkeen mallia että tunnistettuja oppimishaasteita voidaan käyttää oppimisen välineinä helpottamaan biokaasutuotantojärjestelmien kehittämistä. Ehdotettua kestävän biokaasutuotannon lähikehityksen vyöhykkeen mallia voidaan käyttää erilaisten, samanlaisen ristiriidan kohdanneiden maatalouden alan toimintojen analyysiin. Löydöksiä voidaan käyttää kehitysinterventioissa auttamaan toimijoita löytämään omia ekspansiivisia tekoja ja kehityshankkeitaan. Tutkimus ei ehdota parasta kestävän biokaasutuotannon konseptia, vaan kehitettyjen oppimisvälineiden avulla auttaa toimijoita kehittämään toiminnoistaan entistä kestävämpiä. Vakioidun, parhaan biokaasutuotannon konseptin suosittelemisen sijasta pyrkimyksenä on auttaa toimijoita kehittämään näiden oppimisvälineiden avulla toiminnoistaan entistä kestävämpiä.