Биоэнергия — это тип возобновляемой энергии , которая получается из растений и отходов животных. [1] Биомасса , которая используется в качестве исходных материалов, состоит из недавно живых (но теперь мертвых) организмов, в основном растений. [2] Таким образом, ископаемое топливо не считается биомассой в рамках этого определения. Типы биомассы, обычно используемые для биоэнергии, включают древесину, продовольственные культуры, такие как кукуруза, энергетические культуры и отходы из лесов, дворов или ферм. [3]
Биоэнергетика может помочь смягчить последствия изменения климата , но в некоторых случаях необходимое производство биомассы может увеличить выбросы парниковых газов или привести к потере местного биоразнообразия . Воздействие производства биомассы на окружающую среду может быть проблематичным, в зависимости от того, как биомасса производится и собирается.
Сценарий МЭА «Чистый ноль к 2050 году » предусматривает поэтапный отказ от традиционной биоэнергетики к 2030 году, при этом доля современной биоэнергетики увеличится с 6,6% в 2020 году до 13,1% в 2030 году и 18,7% в 2050 году. [4] Биоэнергетика имеет значительный потенциал смягчения последствий изменения климата, если она будет реализована правильно. [5] : 637 Большинство рекомендуемых путей ограничения глобального потепления включают существенный вклад биоэнергетики в 2050 году (в среднем 200 ЭДж). [6] : B 7.4
В Шестом оценочном докладе МГЭИК биоэнергия определяется как «энергия, полученная из любой формы биомассы или ее побочных продуктов метаболизма». [7] : 1795 Далее в этом контексте биомасса определяется как «органический материал, за исключением материала, который окаменел или залегает в геологических формациях». [7] : 1795 Это означает, что уголь или другие ископаемые виды топлива не являются формой биомассы в этом контексте.
Термин «традиционная биомасса» для биоэнергии означает «сжигание древесины, древесного угля, сельскохозяйственных отходов и/или навоза животных для приготовления пищи или отопления на открытом огне или в неэффективных печах , что распространено в странах с низким уровнем дохода ». [7] : 1796
Поскольку биомасса может также использоваться в качестве топлива напрямую (например, бревна), термины биомасса и биотопливо иногда используются как взаимозаменяемые. Однако термин биомасса обычно обозначает биологическое сырье, из которого сделано топливо. Термины биотопливо или биогаз обычно зарезервированы для жидкого или газообразного топлива соответственно. [8]
Древесина и древесные отходы являются крупнейшим источником энергии биомассы на сегодняшний день. Древесина может использоваться в качестве топлива напрямую или перерабатываться в топливные гранулы или другие виды топлива. Другие растения также могут использоваться в качестве топлива, например , кукуруза , просо , мискантус и бамбук . [9] Основными отходами являются древесные отходы, сельскохозяйственные отходы , твердые бытовые отходы и производственные отходы . Модернизация сырой биомассы до топлива более высокого качества может быть достигнута различными методами, которые в целом классифицируются как термические, химические или биохимические:
Процессы термического преобразования используют тепло в качестве доминирующего механизма для преобразования биомассы в лучшее и более практичное топливо. Основными альтернативами являются торрефикация , пиролиз и газификация , они различаются в основном по степени, в которой химические реакции могут протекать (в основном контролируемые доступностью кислорода и температурой преобразования). [10]
Многие химические преобразования основаны на устоявшихся процессах с использованием угля, таких как синтез Фишера-Тропша . [11] Как и уголь, биомасса может быть преобразована в многочисленные товарные химикаты. [12]
Биохимические процессы развились в природе, чтобы расщеплять молекулы, из которых состоит биомасса, и многие из них могут быть использованы. В большинстве случаев для выполнения преобразования используются микроорганизмы. Эти процессы называются анаэробным сбраживанием , ферментацией и компостированием . [13]
В зависимости от источника биомассы биотопливо можно разделить на две основные категории, в зависимости от того, используются ли продовольственные культуры или нет: [14]
Биотопливо первого поколения (или «обычное») производится из пищевых источников, выращенных на пахотных землях, таких как сахарный тростник и кукуруза . Сахара, присутствующие в этой биомассе, ферментируются для получения биоэтанола , спиртового топлива, которое служит добавкой к бензину, или в топливном элементе для производства электроэнергии. Биоэтанол производится путем ферментации , в основном из углеводов, полученных из сахарных или крахмалистых культур, таких как кукуруза , сахарный тростник или сладкое сорго . Биоэтанол широко используется в Соединенных Штатах и Бразилии . Биодизель производится из масел, например, рапса или сахарной свеклы, и является наиболее распространенным биотопливом в Европе. [ необходима цитата ]
Биотопливо второго поколения (также называемое «усовершенствованным биотопливом») использует непищевые источники биомассы, такие как многолетние энергетические культуры и сельскохозяйственные отходы/отходы. Сырье, используемое для производства топлива, либо растет на пахотных землях , но является побочными продуктами основной культуры, либо выращивается на маргинальных землях. Отходы промышленности, сельского хозяйства, лесного хозяйства и домохозяйств также могут использоваться для биотоплива второго поколения, используя, например, анаэробное сбраживание для производства биогаза , газификацию для производства синтетического газа или путем прямого сжигания. Целлюлозная биомасса , полученная из непищевых источников, таких как деревья и травы, разрабатывается в качестве сырья для производства этанола, а биодизель может быть произведен из остатков пищевых продуктов, таких как растительные масла и животные жиры. [ требуется ссылка ]
Плотность поверхностной мощности производства урожая определит, сколько земли потребуется для производства. Средние плотности поверхностной мощности жизненного цикла для производства биомассы, ветра, гидро- и солнечной энергии составляют 0,30 Вт/м 2 , 1 Вт/м 2 , 3 Вт/м 2 и 5 Вт/м 2 соответственно (энергия в форме тепла для биомассы и электричества для ветра, гидро- и солнечной энергии). [15] Плотность поверхностной мощности жизненного цикла включает землю, используемую всей поддерживающей инфраструктурой, производством, добычей/сбором урожая и выводом из эксплуатации.
По другой оценке, значения составляют 0,08 Вт/м 2 для биомассы, 0,14 Вт/м 2 для гидроэнергетики, 1,84 Вт/м 2 для ветра и 6,63 Вт/м 2 для солнца ( медианные значения, при этом ни один из возобновляемых источников не превышает 10 Вт/м 2 ). [16]
Технология улавливания и хранения углерода может использоваться для улавливания выбросов от биоэнергетических электростанций. Этот процесс известен как биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS) и может привести к чистому удалению углекислого газа из атмосферы. Однако BECCS может также привести к чистым положительным выбросам в зависимости от того, как выращивается, собирается и транспортируется материал биомассы. Развертывание BECCS в масштабах, описанных в некоторых путях смягчения последствий изменения климата, потребует преобразования больших объемов пахотных земель. [17]
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS) — это процесс извлечения биоэнергии из биомассы , а также улавливания и хранения образующегося при этом диоксида углерода (CO2 ) .
Выбросы парниковых газов от биоэнергетики могут быть низкими, потому что когда растительность собирается для биоэнергетики, может вырасти новая растительность, которая будет поглощать CO2 из воздуха посредством фотосинтеза . [19] После сбора биомассы энергия («биоэнергия») извлекается в полезных формах (электричество, тепло, биотопливо и т. д.), поскольку биомасса используется посредством сжигания, ферментации, пиролиза или других методов преобразования. Использование биоэнергии высвобождает CO2 . В BECCS часть CO2 улавливается до того, как он попадает в атмосферу, и хранится под землей с помощью технологии улавливания и хранения углерода . [20] При некоторых условиях BECCS может удалять углекислый газ из атмосферы. [20]
Потенциальный диапазон отрицательных выбросов от BECCS оценивается от нуля до 22 гигатонн в год. [21] По состоянию на 2019 год пять предприятий по всему миру активно использовали технологии BECCS и улавливали около 1,5 млн тонн CO2 в год . [ 22] Широкое внедрение BECCS ограничивается стоимостью и доступностью биомассы. [23] [24] : 10 Поскольку производство биомассы требует больших земельных ресурсов, внедрение BECCS может представлять серьезную угрозу для производства продовольствия, прав человека и биоразнообразия. [25][update]Влияние биоэнергетики на климат значительно варьируется в зависимости от того, откуда поступает сырье для биомассы и как оно выращивается. [27] Например, сжигание древесины для получения энергии выделяет углекислый газ; эти выбросы можно значительно компенсировать, если заменить вырубленные деревья новыми деревьями в хорошо управляемом лесу, поскольку новые деревья будут поглощать углекислый газ из воздуха по мере роста. [28] Однако создание и выращивание биоэнергетических культур может вытеснять естественные экосистемы , ухудшать почвы и потреблять водные ресурсы и синтетические удобрения. [29] [30]
Примерно треть всей древесины, используемой для традиционного отопления и приготовления пищи в тропических зонах, заготавливается неустойчивым образом. [31] Биоэнергетическое сырье обычно требует значительного количества энергии для сбора, сушки и транспортировки; использование энергии для этих процессов может привести к выбросам парниковых газов. В некоторых случаях последствия изменения землепользования , выращивания и переработки могут привести к более высоким общим выбросам углерода для биоэнергетики по сравнению с использованием ископаемого топлива. [30] [32]
Использование сельскохозяйственных угодий для выращивания биомассы может привести к сокращению земель, доступных для выращивания продуктов питания . В Соединенных Штатах около 10% автомобильного бензина было заменено этанолом на основе кукурузы , что требует значительной доли урожая. [33] [34] В Малайзии и Индонезии вырубка лесов для производства пальмового масла для биодизеля привела к серьезным социальным и экологическим последствиям , поскольку эти леса являются критически важными поглотителями углерода и местами обитания для различных видов. [35] [36] Поскольку фотосинтез поглощает лишь малую часть энергии солнечного света, производство определенного количества биоэнергии требует большого количества земли по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии. [37]Биоэнергетика может либо смягчать (т. е. сокращать), либо увеличивать выбросы парниковых газов . Также существует согласие, что локальное воздействие на окружающую среду может быть проблематичным. [ требуется ссылка ] Например, возросший спрос на биомассу может создать значительное социальное и экологическое давление в местах, где производится биомасса. [38] Воздействие в первую очередь связано с низкой поверхностной плотностью мощности биомассы. Низкая поверхностная плотность мощности приводит к тому, что для производства того же количества энергии требуются гораздо большие площади земли по сравнению, например, с ископаемым топливом .
Транспортировка биомассы на большие расстояния подвергалась критике как расточительная и неустойчивая [39] , а в Швеции [40] и Канаде прошли протесты против экспорта лесной биомассы . [41]
В 2020 году биоэнергетика произвела 58 ЭДж ( эксаджоулей ) энергии по сравнению с 172 ЭДж из сырой нефти , 157 ЭДж из угля, 138 ЭДж из природного газа , 29 ЭДж из ядерной энергии, 16 ЭДж из гидроэнергии и 15 ЭДж из ветровой , солнечной и геотермальной энергии вместе взятых. [42] Большая часть мировой биоэнергии производится из лесных ресурсов. [43] : 3 [44] : 1
В целом, расширение биоэнергетики сократилось на 50% в 2020 году. Китай и Европа — единственные два региона, которые сообщили о значительном расширении в 2020 году, добавив 2 ГВт и 1,2 ГВт биоэнергетических мощностей соответственно. [45]
Почти все имеющиеся отходы лесопиления уже используются для производства гранул, поэтому нет возможности для расширения. Для того чтобы сектор биоэнергетики значительно расширился в будущем, большая часть заготовленной балансовой древесины должна идти на гранульные заводы. Однако заготовка балансовой древесины (прореживание деревьев) исключает возможность того, что эти деревья состарятся и, следовательно, максимизируют свою способность удерживать углерод. [46] : 19 По сравнению с балансовой древесиной отходы лесопиления имеют более низкие чистые выбросы: «Некоторые типы сырья биомассы могут быть углеродно-нейтральными, по крайней мере, в течение нескольких лет, включая, в частности, отходы лесопиления. Это отходы от других лесозаготовительных операций, которые не подразумевают дополнительной заготовки, и если их в противном случае сжигать как отходы или оставлять гнить, то в любом случае будет происходить выброс углерода в атмосферу». [46] : 68
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)