Biopaliwo

Biopaliwo jest paliwem produkowanym z odnawialnego materiału biomasowego, powszechnie stosowanym jako alternatywne, czystsze źródło paliwa od spalania paliw kopalnych. Biopaliwa mają niską intensywność emisji dwutlenku węgla, więc w rzeczywistości nie wpływają bezpośrednio na globalne ocieplenie. Sugeruje się, że formuły biopaliw mogą usuwać ze strumienia odpadów takie materiały jak resztki z wyrębu i olej spożywczy.

W 2018 r. światowa produkcja biopaliw osiągnęła 200 mld litrów, co stanowi wzrost o 17% w stosunku do roku poprzedniego. Biodiesel przyczynił się do prawie 3,7% całkowitego zużycia paliw w transporcie drogowym, co wynika głównie z udziału biodiesla i etanolu.

Łączna ilość wyprodukowanego etanolu wyniosła w 2018 roku 166 mld litrów, przy czym największym producentem na świecie jest Brazylia i Stany Zjednoczone, które odpowiadają za 90% produkcji. Unia Europejska jest największym na świecie producentem biodiesla, na który przypada 53 % produkcji światowej.

Co to jest biopaliwo?

Biopaliwa to paliwa uzyskiwane z biomasy, czyli wszelkich substancji pochodzących z roślin lub zwierząt. Biomasa jest tradycyjnie stosowana jako paliwo do produkcji energii w postaci drewna, węgla drzewnego lub odpadów zwierzęcych. Zasadniczo rozróżnia się nieprzetworzone biopaliwa pierwotne, takie jak drewno opałowe, oraz przetworzone biopaliwa wtórne. Do tych ostatnich należą biopaliwa płynne, takie jak etanol i biodiesel, które w ostatnich latach coraz częściej stosuje się w transporcie.

Etanol i biodiesel są najczęściej stosowanymi biopaliwami ciekłymi. Etanol może być produkowany w drodze fermentacji i destylacji z dowolnego surowca zawierającego znaczne ilości cukru (np. trzciny cukrowej lub buraków cukrowych) lub skrobi (np. kukurydzy, pszenicy lub manioku).
Biodiesel jest produkowany poprzez chemiczne połączenie oleju roślinnego lub tłuszczu zwierzęcego z alkoholem. Może być on produkowany na przykład z oleju rzepakowego, sojowego, palmowego lub kokosowego.
Biobutanol – to kolejny rodzaj paliwa, który jest mniej znany, ale stanowi obiecującą alternatywę. Jest to izobutanol pozyskiwany z alg lub bakterii, podobnie jak biodiesel, albo poprzez fermentację biomasy, jak etanol. Paliwo to może być bezpośrednio stosowane w standardowych silnikach benzynowych bez żadnych modyfikacji. Ze względu na wysoki poziom oktanów, biobutanol zmniejsza straty w przebiegu paliwa.

Obecne biopaliwa płynne, określane jako “biopaliwa pierwszej generacji”, wykorzystują wyłącznie cukier, skrobię lub olej, a więc ułamek energii zawartej w materiale roślinnym. Jednak większość materiału roślinnego składa się z celulozy i ligniny. W celu zwiększenia efektywności opracowywane są technologie “biopaliw drugiej generacji” wykorzystujące te składniki.

Istnieją jeszcze znaczne przeszkody techniczne, które należy pokonać, aby uczynić produkcję etanolu lignocelulozowego konkurencyjną na rynku, ale gdy procesy te staną się opłacalne ekonomicznie, będą mogły wykorzystywać produkty odpadowe z rolnictwa i leśnictwa, odpady komunalne, a także nowe uprawy, takie jak szybko rosnące drzewa lub trawy.

Produkcja biopaliw na dużą skalę z upraw wymaga dużych areałów, dlatego też biopaliwa płynne mogą jedynie w bardzo ograniczonym stopniu zastąpić paliwa kopalne. Obecna produkcja odpowiada mniej niż jednemu procentowi światowego zapotrzebowania na paliwa transportowe.

Prognozy przewidują wzrost udziału żyznych gruntów na świecie wykorzystywanych do uprawy roślin do produkcji biopaliw płynnych z 1% w 2004 r. do około 4% w 2030 r. Dzięki temu obszarowi uprawnemu i technologiom biopaliw pierwszej generacji można by zaspokoić 5% zapotrzebowania na paliwa w transporcie drogowym Jeśli technologie biopaliw drugiej generacji staną się dostępne na rynku, może to nastąpić dwukrotnie.

Klasyfikacja biopaliw

Biopaliwa mogą być klasyfikowane według źródła i rodzaju. Mogą one pochodzić z produktów leśnych, rolniczych, rybnych lub odpadów komunalnych, jak również z przemysłu rolnego, spożywczego oraz produktów i odpadów ubocznych przemysłu spożywczego. Mogą one być stałe, takie jak drewno opałowe, węgiel drzewny i pelety drzewne; płynne, takie jak etanol, biodiesel i oleje do pirolizy; lub gazowe, takie jak biogaz. Zasadniczo rozróżnia się również biopaliwa pierwotne (nieprzetworzone) i wtórne (przetworzone):

Biopaliwa pierwotne, takie jak drewno liściaste, zrębki i pelety, to te, w których materiał organiczny jest wykorzystywany zasadniczo w postaci naturalnej (w postaci zebranej). Paliwa takie są bezpośrednio spalane, zazwyczaj w celu dostarczenia paliwa do gotowania, ogrzewania lub produkcji energii elektrycznej w zastosowaniach przemysłowych na małą i dużą skalę.
Biopaliwa wtórne w postaci stałej (np. węgiel drzewny), ciekłej (np. etanol, biodiesel i bioolej) lub gazowej (np. biogaz, gaz do syntezy i wodór) mogą być wykorzystywane w szerszym zakresie zastosowań, w tym w transporcie i wysokotemperaturowych procesach przemysłowych.
Biopaliwa trzeciej generacji są produkowane z wykorzystaniem produkcji lipidów z alg.

Ponadto, termin “zaawansowane biopaliwa” jest używany do opisu stosunkowo nowej dziedziny technologii produkcji biopaliw, która wykorzystuje odpady takie jak śmieci, tłuszcze zwierzęce i zużyty olej spożywczy do produkcji paliw płynnych. Biopaliwa nie są tak wydajne energetycznie jak konwencjonalne paliwa transportowe. 1 galon biodiesla ma 93% energii 1 galonu oleju napędowego i 1 galon etanolu (E85) ma 73% energii 1 galonu benzyny.

Korzyści z wynikające z użycia biopaliw

W przeciwieństwie do paliw kopalnych, biopaliwa są produkowane z zasobów odnawialnych.
Emisja zanieczyszczeń z biopaliw jest mniejsza. Etanol zmniejsza emisję tlenku węgla, ponieważ zapewnia całkowite spalanie.
Biopaliwa nie przyczyniają się do globalnego ocieplenia, ponieważ uwalniany dwutlenek węgla jest pochłaniany przez ich surowce.
Biopaliwa są opłacalne w porównaniu z paliwami kopalnymi.
W odróżnieniu od innych alternatywnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna, stosunkowo niewielka ilość biopaliw może wytwarzać znaczną ilość energii, która najlepiej nadaje się do zastosowań w transporcie.

Zastosowania biopaliw

Transport, w tym silniki w pilarkach łańcuchowych i kosiarkach do trawy, samochody osobowe i ciężarowe z silnikami wysokoprężnymi, urządzenia lotnicze i terenowe, takie jak te w produkcji ciepła, budownictwie, leśnictwie, górnictwie i rolnictwie.
Ogniwa biopaliwowe mają duży potencjał do zasilania wszczepialnych urządzeń medycznych, takich jak biosensory glukozy.
Mogą być one wykorzystywane do usuwania związków organicznych ze strumienia odpadów bez konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów.
Paliwo grzewcze powszechnie nazywane “bio-ogrzewaniem” do ogrzewania budynków.

Przyszłość biopaliwa

Biopaliwo jest bezpieczną alternatywą dla istniejących silników samochodowych. Technologia biopaliw jest zdolna do redukcji emisji gazów cieplarnianych oraz do mniejszego wykorzystania paliw kopalnych. Może tworzyć miejsca pracy, które mogą znacząco poprawić lokalną gospodarkę. Gwałtowny wzrost produkcji biopaliw w ciągu ostatnich kilku lat spowodował, że międzynarodowa polityka zachęca do prowadzenia polityki niskoemisyjnej.

Badania pokazują, że produkcja i zużycie biopaliw prawdopodobnie podwoi się wraz ze wzrostem zapotrzebowania na biopaliwa z 82,7 mld USD w 2011 r. do 185,3 mld USD do 2021 r. Naukowcy mają nadzieję, że ogromny wzrost produkcji biopaliw może zmienić krajobraz geopolityczny i przemysłowy poprzez zaspokojenie potrzeb konsumentów na rynkach paliw naziemnych, morskich i lotniczych. Ponadto rosnące zużycie surowców prawdopodobnie przyczyni się do wzrostu światowego handlu biopaliwami.

Czynniki ekonomiczne i polityczne wpływające na rozwój biopaliw

Ceny biopaliw płynnych i roślin potrzebnych do ich produkcji są częściowo uzależnione od cen paliw kopalnych. Kluczową rolę odgrywają również rządowe systemy wsparcia, ponieważ większość biopaliw nie jest na ogół konkurencyjna bez dotacji, nawet jeśli ceny ropy naftowej są wysokie.

Rynki roślin uprawnych i energii są ściśle powiązane, ponieważ rolnictwo zarówno dostarcza, jak i wykorzystuje energię. Uprawy rolne konkurują ze sobą o ziemię i wodę, a rolnicy będą sprzedawać swoje produkty na rynki niezależnie od ich przeznaczenia końcowego, czy to do produkcji biopaliw, czy też do celów spożywczych.

Gdy wartość rynkowa danej uprawy roślin do produkcji biopaliw jest wysoka, ceny innych upraw rolnych, które również potrzebują ziemi i wody, będą miały tendencję do wzrostu. Główną siłą napędową wsparcia rządowego dla biopaliw są obawy związane z bezpieczeństwem energetycznym i zmianami klimatu, a także polityczna wola wspierania sektora rolnego.

Instrumenty wspólnej polityki obejmują:

obowiązkowe mieszanie określonej zawartości procentowej biopaliw ze zwykłym olejem napędowym lub benzyną
dotacje na dystrybucję i wykorzystanie biopaliw
taryfy celne na importowane biopaliwa w celu ochrony krajowych producentów
zachęty podatkowe dotyczące sprzedaży biopaliw
zwiększone wsparcie dla badań i rozwoju.

Wiele z powyższych instrumentów zostało wprowadzonych w krajach OECD kosztem do jednego dolara na litr. Wprowadziły one zazwyczaj nowe zakłócenia na rynkach rolnych.

Polityka rolna i leśna wywarła silny wpływ na przemysł bioenergetyczny. Dotacje dla rolnictwa i wsparcie cenowe wpływają zarówno na poziom produkcji, jak i na ceny surowców do produkcji biopaliw pierwszej generacji. Polityka rolna wpłynęła również na kształtowanie się światowej struktury handlu produktami rolnymi, w tym surowcami bioenergetycznymi.

Surowce mają największy udział w całkowitych kosztach biopaliw. W ciągu ostatnich kilku lat ceny surowców do produkcji biopaliw były najwyższe, gdy ceny ropy naftowej były wysokie. Sama polityka w zakresie biopaliw przyczyniła się do zwiększenia popytu na produkty rolne, a tym samym do wzrostu cen. Wysokie ceny ropy naftowej i dotacje rządowe umożliwiają jednak producentom biopaliw płacenie wyższych cen przy jednoczesnym zachowaniu rentowności.

W jaki sposób powiązane są rynki rolne, energetyczne i biopaliw?

Biopaliwa płynne, takie jak bioetanol i biodiesel, konkurują bezpośrednio z benzyną i olejem napędowym na bazie ropy naftowej. Ponieważ rynki energii są duże w porównaniu z rynkami rolnymi, ceny energii będą miały tendencję do wpływania na ceny biopaliw i ich surowców rolnych.
Biopaliwa jako surowce konkurują również z innymi uprawami rolnymi o zasoby produkcyjne; dlatego też ceny energii będą miały tendencję do wpływania na ceny wszystkich towarów rolnych, które opierają się na tej samej bazie zasobów. Z tego samego powodu produkcja biopaliw z upraw niespożywczych niekoniecznie wyeliminuje konkurencję między żywnością a paliwem.
W przypadku danych technologii konkurencyjność biopaliw będzie zależała od względnych cen surowców rolnych i paliw kopalnych. Relacje te będą się różnić w zależności od upraw, krajów, lokalizacji i technologii wykorzystywanych w produkcji biopaliw.
Z istotnym wyjątkiem etanolu produkowanego z trzciny cukrowej w Brazylii, która ma najniższe koszty produkcji wśród krajów produkujących biopaliwa na dużą skalę, biopaliwa nie są generalnie konkurencyjne w stosunku do paliw kopalnych bez dotacji, nawet przy obecnych wysokich cenach ropy naftowej. Konkurencyjność może jednak zmieniać się wraz ze zmianami cen surowców i energii oraz rozwojem technologii. Konkurencyjność znajduje się również pod adresem inﬂuenced bezpośrednio w polityce.

Jak rozwijają się rynki i produkcja biopaliw?

Ceny żywności spadały w ciągu 40 lat do 2002, jeśli uwzględni się inflację. Od tego roku zmieniły się one gwałtownie, a ceny oleju roślinnego i zbóż znacznie wzrosły. Wysokie ceny są częściowo wynikiem rosnącego popytu ze strony krajów rozwijających się i produkcji biopaliw. W niektórych krajach odnotowano również słabe zbiory w czasie, gdy zapasy rezerwowe są na stosunkowo niskim poziomie.

Oczekuje się, że popyt na biopaliwa i ich podaż będą nadal szybko rosły. Chociaż udział biopaliw płynnych w ogólnej podaży paliw transportowych pozostanie bardzo ograniczony, przewidywany wzrost produkcji roślin przeznaczonych do produkcji biopaliw jest znaczny w porównaniu z przewidywanym wzrostem całkowitej produkcji rolnej.

Wzrost produkcji biopaliw może wynikać z wykorzystania większej ilości gruntów uprawnych do produkcji biopaliw oraz z lepszych plonów. Jeżeli jednak do produkcji rolnej zostaną w tym celu wprowadzone łąki lub lasy, będzie to miało konsekwencje dla środowiska naturalnego.

Polityka w zakresie biopaliw obowiązująca w UE i USA zakłóciła krajowe i międzynarodowe rynki rolne. Skutkuje to wysokimi kosztami dla podatników w krajach rozwiniętych i dyskryminacją producentów w krajach rozwijających się. W związku z tym produkcja niekoniecznie odbywa się w miejscach najbardziej odpowiednich pod względem ekonomicznym i środowiskowym lub przy zastosowaniu najbardziej efektywnych technologii. Koordynacja polityki w zakresie biopaliw na poziomie międzynarodowym jest konieczna w celu skorygowania niepowodzeń światowej polityki rolnej i poprawy alokacji zasobów.

Jaki jest wpływ produkcji biopaliw na środowisko naturalne?

Wyniki biopaliw w zakresie zmniejszania zużycia energii z paliw kopalnych i emisji gazów cieplarnianych znacznie się różnią, jeśli weźmiemy pod uwagę cały cykl życia, od produkcji przez transport po użytkowanie. Bilans netto zależy od rodzaju surowca, procesu produkcyjnego i ilości potrzebnej energii kopalnej.

Większa produkcja biopaliw zostanie osiągnięta dzięki większej produktywności gruntów oraz dzięki zwiększeniu powierzchni uprawnej, wykorzystaniu istniejących gruntów uprawnych, jak również mniej wydajnych. Jest jednak bardziej prawdopodobne, że biopaliwa zwiększą presję na żyzne grunty, na których można osiągnąć większe zyski.

Kiedy lasy lub użytki zielone są przekształcane w grunty rolne, czy to w celu produkcji surowców do produkcji biopaliw, czy też w celu produkcji innych upraw wypieranych przez produkcję surowców, węgiel zmagazynowany w glebie jest uwalniany do atmosfery. Skutki mogą być tak duże, że negują one korzyści płynące z biopaliw i prowadzą do wzrostu netto emisji gazów cieplarnianych przy zastępowaniu paliw kopalnych.

Gdy uprawy do produkcji biopaliw wymagają nawadniania, wywiera to presję na lokalne zasoby wodne. Ponadto na jakość wody może mieć wpływ erozja gleby i spływy zawierające nawozy i pestycydy.

Zmiany w użytkowaniu gruntów i intensyfikacja produkcji rolnej mogą zaszkodzić glebie. Skutki te zależą od sposobu uprawiania ziemi. Różne techniki i wykorzystanie niektórych gatunków roślin mogą zmniejszyć negatywne skutki, a nawet poprawić jakość gleby.

Produkcja biopaliw może mieć wpływ na różnorodność biologiczną. Na przykład siedliska są tracone, gdy naturalne krajobrazy są przekształcane w plantacje upraw energetycznych lub torfowiska są osuszane. W niektórych przypadkach jednak uprawy biopaliw mogą mieć pozytywny wpływ, na przykład gdy są wykorzystywane do rekultywacji zdegradowanych terenów.

Dla zapewnienia zrównoważonej ekologicznie produkcji biopaliw ważne jest przestrzeganie dobrych praktyk rolniczych oraz konsekwentne stosowanie środków na rzecz zrównoważonego rozwoju w odniesieniu do wszystkich upraw. Ponadto polityka krajowa będzie musiała uwzględniać międzynarodowe konsekwencje rozwoju biopaliw.

Jak produkcja biopaliw wpływa na bezpieczeństwo żywnościowe i ubóstwo?

Ceny żywności gwałtownie wzrosły w ostatnich latach, zwłaszcza w przypadku zbóż i olejów roślinnych, po części dlatego, że są one wykorzystywane zarówno do produkcji żywności, jak i biopaliw. Ponadto wyższe koszty transportu spowodowały wzrost kosztów importowanej żywności. Podczas gdy niektóre kraje skorzystają na wyższych cenach żywności, oczekuje się, że rachunek za żywność wzrośnie w przypadku krajów najsłabiej rozwiniętych, które są importerami netto żywności.

Wyższe ceny żywności będą miały wpływ na wszystkie gospodarstwa domowe, ale skutki będą największe dla rodzin ubogich, które mogą wydawać połowę swoich dochodów lub więcej na żywność. Skutki wzrostu cen będą znaczące dla szacowanych 850 milionów ludzi na całym świecie, którzy są niedożywieni, a większość z nich jest nabywcami netto żywności, zarówno na obszarach miejskich, jak i wiejskich.

W dłuższej perspektywie produkcja biopaliw mogłaby ożywić sektor rolnictwa i zmniejszyć ubóstwo poprzez zwiększenie dochodów na obszarach wiejskich. Jednak wsparcie rządowe dla poprawy infrastruktury, instytucji i usług ma nadal zasadnicze znaczenie, np. dla poprawy dostępu rolników do kredytów. Wsparcie rządowe jest również niezbędne do ochrony osób znajdujących się w najtrudniejszej sytuacji.

Chociaż produkcja roślin do produkcji biopaliw może stwarzać możliwości dla rolników w krajach rozwijających się, może ona również prowadzić do większej konkurencji o ziemię. Najbardziej zagrożeni są drobni rolnicy, a zwłaszcza kobiety, które zazwyczaj nie są właścicielami uprawianej przez siebie ziemi. Aby poprawić wydajność rolnictwa i zapewnić równe szanse i dostęp do ziemi i rynków, konieczne jest silne zaangażowanie rządu.

Jak można poprawić politykę w zakresie biopaliw?

Pozytywny wkład biopaliw w bezpieczeństwo energetyczne i ograniczenie emisji gazów cieplarnianych jest coraz bardziej kwestionowany. Ich niezamierzony wpływ na ceny rynkowe i bezpieczeństwo zaopatrzenia w żywność był często pomijany w dyskusjach politycznych. Nadal nie ma pewności co do opłacalności ekonomicznej biopaliw ze względu na wpływ wahań cen ropy naftowej i upraw, a także przyszłego rozwoju politycznego i technicznego. Na biopaliwa ma wpływ szeroki zakres polityk i potrzebne jest skoordynowane podejście, aby rozważyć ogólne korzyści i zagrożenia.

Polityka w zakresie biopaliw powinna:

chronić tych, którzy są ubodzy i mają niepewne dostawy żywności.
stworzyć warunki, w których biedniejsze kraje i drobni rolnicy będą mogli wykorzystać przyszłe możliwości rynkowe.
zapewnić skuteczność biopaliw w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych, przy jednoczesnej ochronie gruntów i zasobów wodnych.
ograniczyć i uniknąć zakłóceń na rynkach biopaliw i rynkach rolnych.
być rozwijane przy odpowiedniej koordynacji międzynarodowej.

Subsydia i obowiązkowe mieszanie doprowadziły do sztucznego, szybkiego wzrostu produkcji biopaliw, pogłębiając niektóre negatywne skutki. Istniejąca polityka w niewielkim stopniu przyczyniła się do osiągnięcia bezpieczeństwa energetycznego i złagodzenia zmian klimatu, dlatego też należy ją poddać przeglądowi.

Zachęty rządowe i wsparcie dla biopaliw wynikały w dużej mierze z interesów krajowych lub regionalnych, a nie z bardziej globalnej perspektywy. Istnieje potrzeba stworzenia odpowiedniego międzynarodowego forum w celu uzgodnienia kryteriów zrównoważonego rozwoju, aby osiągnąć cele środowiskowe bez tworzenia barier handlowych.

Źródła:
https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=329 [16/05/2020]
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705813004414 [16/05/2020]
https://www.greenfacts.org/en/biofuels/ [16/05/2020]