Вопросы, связанные с биотопливом

Существуют различные социальные, экономические, экологические и технические проблемы с производством и использованием биотоплива, которые обсуждались в популярных СМИ и научных журналах. К ним относятся: влияние умеренных цен на нефть, дебаты по «продовольствию и топливу», потенциал сокращения бедности, уровни выбросов углерода, устойчивое производство биотоплива, обезлесение и эрозия почв, утрата биоразнообразия, воздействие на водные ресурсы, возможные изменения, необходимые для запуска двигатель на биотопливе, а также энергетический баланс и эффективность. Международная группа экспертов, которая предоставляет независимые научные оценки и консультации экспертов по различным темам, связанным с ресурсами, оценила вопросы, связанные с использованием биотоплива, в своем первом докладе «На пути к устойчивому производству и использованию ресурсов: оценка биотоплива». В нем изложены более широкие и взаимосвязанные факторы, которые необходимо учитывать при принятии решения относительно относительных достоинств преследования одного биотоплива над другим. В нем сделан вывод о том, что не все виды биотоплива одинаково действуют с точки зрения их воздействия на климат, энергетическую безопасность и экосистемы и предлагают оценить экологические и социальные последствия на протяжении всего жизненного цикла.

Социально-экономические последствия

Снижение цен на нефть
В «Мировом энергетическом прогнозе» Международного энергетического агентства за 2006 год делается вывод о том, что рост спроса на нефть, если ее не остановить, будет подчеркивать уязвимость стран-потребителей в связи с серьезным срывом поставок и, как следствие, ценовым шоком. В докладе говорилось, что биотопливо может в один прекрасный день предложить жизнеспособную альтернативу, но также и то, что «необходимость использования биотоплива для глобальной безопасности, а также для экономического, экологического и общественного здравоохранения нуждается в дальнейшей оценке».

По словам Франсиско Бланча, товарного стратега для Merrill Lynch, сырая нефть будет торговаться на 15 процентов выше, а бензин будет на 25 процентов дороже, если бы не биотопливо. Гордон Куайаттини, президент Канадской ассоциации возобновляемых видов топлива, утверждал, что здоровый запас альтернативных источников энергии поможет бороться с пиками цен на бензин.

Обсуждение «Продовольствие против топлива»
Пища против топлива – это дискуссия относительно риска отвлечения сельскохозяйственных угодий или сельскохозяйственных культур для производства биотоплива в ущерб продовольствию в глобальном масштабе. По существу, дискуссия касается возможности того, что фермеры увеличивают производство этих культур, часто с помощью правительственных субсидий, их время и земля смещаются от других видов небиотопливных культур, повышая цены на небиотопливные культуры из-за снижение производства. Следовательно, это не только рост спроса на продовольственные товары, такие как кукуруза и маниока, которые поддерживают большинство бедных в мире, но это также может увеличить цену оставшихся культур, которые эти люди могли бы в противном случае необходимо использовать в дополнение к их диетам. Недавнее исследование для Международного центра по торговле и устойчивому развитию показывает, что рыночное расширение этанола в США в 2009 году увеличило цены на кукурузу на 21 процент, по сравнению с тем, какие цены были бы заморожены на уровне 2004 года. В исследовании, проведенном в ноябре 2011 года, говорится, что биотопливо, их производство и их субсидии являются ведущими причинами шоков цен на сельскохозяйственную продукцию. Контр-аргумент включает в себя соображения о типе кукурузы, который используется в биотопливе, часто поле кукурузы не подходит для потребления человеком; часть кукурузы, которая используется в этаноле, часть крахмала; и отрицательный эффект повышения цен на кукурузу и зерно на благосостояние правительства для этих продуктов. Дискуссия «еда против топлива» или «еда или топливо» спорна на международном уровне, с несогласием в том, насколько это важно, что вызывает ее, каков эффект и что можно или нужно сделать по этому поводу.

Сокращение бедности
Исследователи из Института развития за рубежом утверждают, что биотопливо может способствовать сокращению масштабов нищеты в развивающихся странах за счет увеличения занятости, расширения мультипликаторов экономического роста и стабилизации цен на нефть (многие развивающиеся страны являются нетто-импортерами нефти). Однако этот потенциал описывается как «хрупкий» и сокращается, когда производство сырья имеет тенденцию быть крупным, или вызывает давление на ограниченные сельскохозяйственные ресурсы: капитальные вложения, землю, воду и чистую стоимость продовольствия для бедных.

Что касается возможности сокращения или обострения бедности, то биотопливо опирается на многие из тех же политических, регуляторных или инвестиционных недостатков, которые препятствуют сельскому хозяйству в качестве пути сокращения масштабов нищеты. Поскольку многие из этих недостатков требуют улучшения политики на страновом уровне, а не в глобальном, они утверждают, что поэтапный анализ потенциального воздействия биотоплива на бедность. Это будет учитывать, среди прочего, системы управления земельными ресурсами, координацию рынка и приоритезацию инвестиций в биодизель, поскольку это «создает больше рабочей силы, снижает транспортные расходы и использует более простые технологии». Также необходимо снизить тарифы на импорт биотоплива независимо от страны происхождения, особенно из-за повышения эффективности производства биотоплива в таких странах, как Бразилия.

Устойчивое производство биотоплива
Ответственная политика и экономические инструменты помогут обеспечить устойчивую коммерциализацию биотоплива, включая разработку новых целлюлозных технологий.Ответственная коммерциализация биотоплива представляет собой возможность укрепить устойчивые экономические перспективы в Африке, Латинской Америке и бедной Азии.

Воздействие на окружающую среду

Эрозия почвы и обезлесение
Крупномасштабное обезлесение зрелых деревьев (которые помогают удалять CO2 через фотосинтез – намного лучше, чем сахарный тростник или большинство других сельскохозяйственных культур на основе биотоплива) способствует эрозии почв, неустойчивому глобальному потеплению атмосферного уровня парниковых газов, потере среды обитания и сокращению ценного биоразнообразия (как на суше, так и в океанах). Спрос на биотопливо привел к очистке земель для плантаций пальмового масла. Только в Индонезии более 9 400 000 акров (38 000 км2) леса были преобразованы в плантации с 1996 года.

Часть биомассы должна быть сохранена на месте для поддержки почвенного ресурса. Обычно это будет в виде сырой биомассы, но переработанная биомасса также является опцией. Если экспортированная биомасса используется для производства синтез-газа, этот процесс можно использовать для совместного производства биочипа, низкотемпературного древесного угля, используемого в качестве почвенной поправки, для увеличения органического вещества почвы до степени, нецелесообразной с менее непоколебимыми формами органического углерода.Для того чтобы совместное производство биочара было широко принято, значение поправки на почву и стоимость связывания углерода сопутствующего древесного угля должны превышать его чистую стоимость в качестве источника энергии.

Некоторые комментаторы утверждают, что удаление дополнительной целлюлозной биомассы для производства биотоплива приведет к дальнейшему истощению почв.

Влияние на водные ресурсы
Более широкое использование биотоплива оказывает, по меньшей мере, два способа: увеличение использования воды для орошения сельскохозяйственных культур, используемых в качестве сырья для производства биодизеля; и использование воды в производстве биотоплива на нефтеперерабатывающих заводах, в основном для кипячения и охлаждения.

Во многих частях мира требуется дополнительное или полное орошение для выращивания сырья. Например, если в производстве кукурузы (кукурузы) половина потребностей в воде сельскохозяйственных культур удовлетворяется через орошение, а другая половина – количеством осадков, то для производства одного литра этанола требуется около 860 литров воды. Однако в Соединенных Штатах только 5-15% воды, требуемой для кукурузы, поступает из орошения, а другие 85-95% происходят от естественных осадков.

В Соединенных Штатах число заводов по производству этанола почти утроилось с 50 в 2000 году до примерно 140 в 2008 году. Еще около 60 лет находятся в стадии разработки, и еще много запланировано. Проекты оспариваются жителями в судах в Миссури (где вода вытаскивается из водоносного горизонта Озарк), Айова, Небраска, Канзас (все из которых вытягивают воду из невозобновляемого водоносного горизонта Огаллала), в центральной части штата Иллинойс (где вода берется из Mahomet Aquifer) и Миннесота.

Например, четыре этаноловые культуры: кукуруза, сахарный тростник, сладкий сорго и сосновые продукты дают чистую энергию. Однако увеличение производства в целях соблюдения Закона об энергетической независимости и безопасности США требует возобновляемых видов топлива к 2022 году, что приведет к тяжелым последствиям в штатах Флорида и Джорджия. Сладкий сорго, который сделал лучшее из четырех, увеличит количество изъятий пресной воды из двух государств почти на 25%.

загрязнение
Формальдегид, ацетальдегид и другие альдегиды образуются при окислении спиртов. Когда к бензину добавляется только 10% -ная смесь этанола (как это принято в американском газожидком E10 и в других местах), выбросы альдегидов увеличиваются на 40%. Однако некоторые результаты исследования противоречат этому факту, и снижение содержания серы в биотопливных смесях снижает уровень ацетальдегида. Сжигание биодизеля также выделяет альдегиды и другие потенциально опасные ароматические соединения, которые не регулируются законами о выбросах.

Многие альдегиды токсичны для живых клеток. Формальдегид необратимо перекрестно связывает белковые аминокислоты, которые вырабатывают твердую плоть бальзамированных тел. При высоких концентрациях в замкнутом пространстве формальдегид может быть значительным респираторным раздражителем, вызывая кровотечение из носа, респираторный дистресс, болезнь легких и постоянные головные боли. Ацетальдегид, который вырабатывается в организме алкогольными напитками и содержится во рту у курильщиков и у которых плохая гигиена полости рта, является канцерогенным и мутагенным.

Европейский союз запретил продукты, содержащие формальдегид, из-за его документированных канцерогенных характеристик. Агентство по охране окружающей среды США назвало Formaldehyde вероятной причиной рака у людей.

Бразилия сжигает значительное количество биотоплива этанола. В Сан-Паулу, Бразилия, были проведены исследования газового хроматографа в атмосферном воздухе, а по сравнению с Осакой, Япония, который не сжигает топливо этанола. Атмосферный формальдегид был на 160% выше в Бразилии, а ацетальдегид был на 260% выше.

Технические неисправности

Энергоэффективность и энергетический баланс
Несмотря на то, что его временное объявление как «зеленого» топлива, биотопливо первого поколения, в первую очередь этанол, не лишено собственных выбросов парниковых газов.Хотя этанол производит меньше общих выбросов парниковых газов, чем бензин, его производство по-прежнему является энергоемким процессом со вторичными эффектами.Бензин обычно производит 8,91 кг CO2 на галлон, по сравнению с 8,02 кг CO2 на галлон для этанола E10 и 1,34 кг CO2 на галлон для этанола E85. На основании исследования, проведенного Dias de Oliveira et al. (2005), этанол на основе кукурузы требует 65,02 гигаджоуля (ГДж) энергии на гектар (га) и производит приблизительно 1236,72 кг на га двуокиси углерода (CO2), в то время как этанол на основе сахарного тростника требует 42,43 ГДж / га и производит 2268,26 кг / га СО2 в предположении производства нейтральной энергии без углерода. Эти выбросы происходят от сельскохозяйственного производства, выращивания культур и переработки этанола. Когда этанол смешивается с бензином, это приводит к экономии углекислого газа приблизительно на 0,89 кг CO2 на галлон, потребляемый (USDOE, 2011a).

Экономическая жизнеспособность
С точки зрения производства, miscanthus может производить 742 галлонов этанола на акр земли, что почти в два раза больше, чем кукуруза (399 галлонов / акров, при условии, что средняя урожайность составляет 145 бушелей на акр при нормальном ротации кукурузы и сои) и почти в три раза так же, как кукуруза (165 галлонов / акров) и свинец (214 гал / акр).Производственные издержки являются большим препятствием для крупномасштабной реализации биотоплива второго поколения, и их рыночный спрос будет зависеть в первую очередь от их ценовой конкурентоспособности относительно этанола и бензина. В то же время затраты на конверсию целлюлозных топлив на уровне 1,46 долл. США за галлон были примерно в два раза выше, чем на этаноле на основе кукурузы – 0,78 долл. США за галлон.Целлюлозное биотопливо из кукурузного помета и miscanthus было на 24% и на 29% дороже, чем кукурузный этанол, соответственно, а биотопливо с отбросом более чем в два раза дороже, чем кукурузный этанол.

Описание (CASE) (‘000 US $) Развитая нация (2G) CASE A Развивающаяся нация (2G) CASE B Развитая нация (1G) CASE C Развивающая нация (1G) CASE D
Операционный доход 209313 -1176017 166952 -91300
Чистая приведенная стоимость 100690 -1011217 40982 39224
Прибыль на инвестиции 1,41 0,32 1,17 0,73

Выбросы углерода
Биотопливо и другие виды возобновляемой энергии направлены на нейтрализацию углерода или даже отрицательный углерод. Углеродная нейтраль означает, что углерод, выделяющийся во время использования топлива, например, путем сжигания до транспортировки энергии или генерирования электроэнергии, повторно поглощается и уравновешивается углеродом, поглощенным новым ростом растений. Затем эти заводы собирают, чтобы сделать следующую партию топлива. Углеродно-нейтральные виды топлива не приводят к чистому увеличению вклада человека в уровни атмосферного углекислого газа, что снижает вклад человека в глобальное потепление. Углеродная отрицательная цель достигается, когда часть биомассы используется для секвестрации углерода. Расчет того, сколько парниковых газов (ПГ) производится при сжигании биотоплива, представляет собой сложный и неточный процесс, который во многом зависит от способа производства топлива и других допущений, сделанных при расчете.

Выбросы углерода (углеродный след), производимые биотопливом, рассчитываются с использованием метода «Анализ жизненного цикла» (LCA). Это использует подход «колыбель к могиле» или «хорошо к колесам» для расчета общего количества двуокиси углерода и других парниковых газов, выделяемых при производстве биотоплива, от помещения семян в землю до использования топлива в автомобилях и грузовиках. Для различных видов биотоплива было сделано много разных ДМС, причем с различными результатами. Ряд исследований, проведенных на основе анализа качества биотоплива, показали, что биотопливо первого поколения может снизить выбросы углекислого газа, сбережения в зависимости от используемого сырья, а биотопливо второго поколения может обеспечить еще большую экономию по сравнению с использованием ископаемого топлива. Однако в этих исследованиях не учитывались выбросы от фиксации азота или дополнительные выбросы углерода из-за косвенных изменений в землепользовании. Кроме того, во многих исследованиях LCA не удается проанализировать влияние заменителей, которые могут появиться на рынке, чтобы заменить текущие продукты на основе биомассы. В случае Crude Tall Oil, сырья, используемого при производстве сосновых химикатов, и в настоящее время отводящегося для использования в биотопливе, исследование LCA показало, что глобальный углеродный след сосновых химикатов, производимых CTO, на 50 процентов ниже, чем используемые заменители в той же ситуации компенсирует любые выгоды от использования биотоплива для замены ископаемого топлива. Кроме того, исследование показало, что ископаемое топливо не уменьшается, когда КТО отвлекается на использование биотоплива, а продукты-заменители потребляют непропорционально больше энергии. Эта утечка негативно скажется на отрасли, которая вносит значительный вклад в мировую экономику, глобально производя более 3 миллиардов фунтов сосновых химикатов ежегодно на сложных высокотехнологичных нефтеперерабатывающих заводах и обеспечивая рабочие места прямо и косвенно для десятков тысяч рабочих.

В документе, опубликованном в феврале 2008 года в Sciencexpress группой во главе с Searchinger из Университета Принстона, было сделано заключение о том, что когда-то рассматриваемые косвенные изменения в землепользовании влияли на оценку жизненного цикла биотоплива, используемого для замены бензина, вместо экономии как кукурузы, так и целлюлозного этанола увеличивались выбросы углерода как по сравнению с бензином на 93 и 50 процентов соответственно. Второй документ, опубликованный в том же выпуске Sciencexpress, возглавляемый Fargione из The Nature Conservancy, обнаружил, что углеродная задолженность создается, когда природные земли очищаются и превращаются в производство биотоплива и выращивают сельскохозяйственные земли, когда сельскохозяйственные угодья отвлекаются на производство биотоплива, поэтому этот углеродный долг применяется как к прямым, так и косвенным изменениям в землепользовании.

Исследования Searchinger и Fargione приобрели заметное внимание как в популярных СМИ, так и в научных журналах. Методология, однако, вызвала некоторую критику, поскольку Ванг и Хак из Аргоннской национальной лаборатории опубликовали публичное письмо и отправили свою критику в отношении бумаги Винингера «Письма к науке». Еще одна критика Клайн и Дейл из Национальной лаборатории Ок-Ридж была опубликована в «Письмах к науке». Они утверждали, что Searchinger et al. и Fargione et al. «… не обеспечивают адекватную поддержку своих заявлений о том, что биотопливо вызывают высокие выбросы из-за изменений в землепользовании. Американская биотопливная промышленность также отреагировала, заявив в открытом письме, что исследование« Searchinger »явно является« наихудшим сценарием » «анализ …» и что это исследование «опирается на длинную серию весьма субъективных предположений …».

Конструкция двигателя
Модификации, необходимые для работы двигателей внутреннего сгорания на биотопливе, зависят от типа используемого биотоплива, а также от типа используемого двигателя.Например, бензиновые двигатели могут работать без каких-либо модификаций на биобутаноле. Однако необходимы небольшие модификации для биоэтанола или биометанола.Дизельные двигатели могут работать на последних видах топлива, а также на растительных маслах (которые дешевле). Однако последнее возможно только в том случае, если двигатель был предусмотрен с непрямым впрыском. Если косвенная инъекция отсутствует, значит, двигатель должен быть оснащен этим двигателем.

Кампании
Ряд природоохранных НПО проводят кампанию против производства биотоплива в качестве крупномасштабной альтернативы ископаемым видам топлива. Например, «Друзья Земли» заявляют, что «нынешний спешка развивать агротопливо (или биотопливо) в больших масштабах плохо продуман и будет способствовать уже неустойчивой торговле, не решая проблемы изменения климата или энергетической безопасности». Некоторые основные экологические группы поддерживают биотопливо как важный шаг к замедлению или прекращению глобального изменения климата. Тем не менее, поддерживающие экологические группы обычно придерживаются мнения, что производство биотоплива может угрожать окружающей среде, если оно не будет выполнено устойчиво. Этот вывод был подкреплен сообщениями ООН, МГЭИК и некоторых других меньших экологических и социальных групп, таких как ЕЭБ и Банк Сарасин, которые в целом остаются отрицательными в отношении биотоплива.

В результате правительственные и природоохранные организации обращаются против биотоплива, сделанного не устойчивым образом (тем самым предпочитая определенные источники нефти как ятрофа и лигноцеллюлозу над пальмовым маслом) и просят об этом глобальную поддержку. Кроме того, помимо поддержки этих более устойчивых видов биотоплива, экологические организации перенаправляются на новые технологии, которые не используют двигатели внутреннего сгорания, такие как водород и сжатый воздух.

Было создано несколько инициатив по установлению стандартов и сертификации по теме биотоплива. «Круглый стол по устойчивому биотопливу» – это международная инициатива, объединяющая фермеров, компании, правительства, неправительственные организации и ученых, которые заинтересованы в устойчивости производства и распределения биотоплива.В течение 2008 года Круглый стол разрабатывает ряд принципов и критериев для устойчивого производства биотоплива посредством совещаний, телеконференций и онлайн-дискуссий.Аналогичным образом стандарт Bonsucro был разработан в качестве метрического сертификата для продуктов и цепочек поставок в результате продолжающейся инициативы с участием многих заинтересованных сторон, ориентированной на продукты сахарного тростника, включая топливо для этанола.

Увеличение производства биотоплива потребует увеличения площади суши, которая будет использоваться для сельского хозяйства. Процессы биотоплива второго и третьего поколений могут облегчить давление на землю, поскольку они могут использовать биомассу отходов и существующие (неиспользованные) источники биомассы, такие как растительные остатки и потенциально даже морские водоросли.

В некоторых регионах мира сочетание растущего спроса на продовольствие и растущий спрос на биотопливо вызывает обезлесение и угрозы биоразнообразию. Лучшим сообщенным примером этого является расширение плантаций масличных пальм в Малайзии и Индонезии, где тропический лес разрушается для создания новых плантаций с масличными пальмами.Важным фактом является то, что 90% пальмового масла, произведенного в Малайзии, используется пищевой промышленностью; поэтому биотопливо не может нести исключительную ответственность за это обезлесение. Существует настоятельная необходимость в устойчивом производстве пальмового масла для пищевой и топливной промышленности; пальмовое масло используется в самых разных продуктах питания. Круглый стол по устойчивому биотопливу работает над определением критериев, стандартов и процессов для стимулирования производства биотоплива с устойчивым производством.Пальмовое масло также используется в производстве моющих средств, а также в производстве электроэнергии и тепла как в Азии, так и во всем мире (Великобритания сжигает пальмовое масло на угольных электростанциях для выработки электроэнергии).

Значительная область, вероятно, будет посвящена сахарному тростнику в будущем, поскольку спрос на этанол возрастает во всем мире. Расширение плантаций сахарного тростника будет оказывать давление на экологически чувствительные природные экосистемы, включая тропические леса в Южной Америке. В лесных экосистемах эти последствия сами по себе будут подрывать климатические преимущества альтернативных видов топлива, а также представляют собой серьезную угрозу глобальному биоразнообразию.

Хотя, как правило, считается, что биотопливо улучшает чистый выброс углерода, биодизельное топливо и другие виды топлива производят локальное загрязнение воздуха, включая оксиды азота, главную причину смога.