Valutazione del ciclo di vita per la bioenergia

La bioenergy è spesso presentata come alternativa al carbonio-neutrale o a basso tenore di carbonio ai combustibili fossili, ma la realtà è più sfumata. L'impatto netto del gas serra di un sistema di bioenergia dipende da una valutazione completa di tutte le emissioni rilasciate dalla produzione di mangimi attraverso il consumo finale di energia.

Un LCA completo per la bioenergy rappresenta le emissioni dirette come l'anidride carbonica dalla combustione, il metano dalla decomposizione anaerobica e l'ossido nitroso dall'applicazione dei fertilizzanti, nonché gli effetti indiretti come il cambiamento dell'uso del suolo e i cambiamenti mediati dal mercato nella produzione agricola.

Tastiere in Bioenergy LCA

Il ciclo di vita di un sistema di bioenergia può essere suddiviso in quattro fasi primarie, ognuna contribuendo ad un profilo di emissioni distinta:

  • La coltivazione e la raccolta di bestiame:[ Le emissioni derivano dalla produzione e dall'applicazione di fertilizzanti, dalla gestione del suolo, dall'uso di pesticidi e dal funzionamento di macchinari agricoli.Per colture energetiche dedicate, la preparazione del terreno e l'irrigazione possono anche aggiungere costi significativi di carbonio.
  • Trasporto di materie prime:[] Trasferire il materiale da mangime da campo o foresta ad un impianto di lavorazione consuma il combustibile e genera le emissioni. La distanza viaggiata, il modo di trasporto (truck, rail, ship) e il contenuto di umidità della biomassa influenzano tutti questa fase.
  • Procedimento e conversione all'energia:[ Questa fase include pretrattamento (asciugatura, cippatura, pellettizzazione) e la tecnologia di conversione effettiva — combustione, gassificazione, digestione anaerobica, o fermentazione.
  • Distribuzione e uso finale:[] Trasferire il biocarburante finito o la bioelettrica agli utenti finali, insieme a qualsiasi combustione o conversione al punto di utilizzo, aggiunge la gamba finale delle emissioni.Per i biocarburanti liquidi, la distribuzione spesso rispecchia l'infrastruttura dei combustibili fossili, mentre la bioelettrica utilizza le reti di rete di rete esistenti.

Anche una singola sovrasemplificazione, come l'ignoranza delle emissioni di ossido nitroso da parte dei fertilizzanti azotati, può alterare notevolmente il vantaggio apparente del carbonio di una data via di bioenergia.

Emissioni da produzione di mangimi

Per le mangimi agricoli, le emissioni di ossido nitroso legate ai fertilizzanti possono essere rappresentate da sole per il 40-60% delle emissioni totali di gas serra del ciclo di vita in alcuni percorsi. Inoltre, le dinamiche del carbonio del suolo cambiano quando la terra viene convertita da vegetazione nativa o da erbe perenni a sistemi di cropping annuali, spesso rilasciando il carbonio immagazzinato in materia organica del suolo.

Le scorte di cibo a base di residui (ad esempio, il mais, la paglia di grano) evitano molte di queste emissioni a monte perché sono sottoprodotti dei sistemi di produzione alimentare esistenti. Tuttavia, rimuovere troppo residui può degradare la qualità del suolo e aumentare i requisiti futuri dei fertilizzanti, che devono essere considerati nel limite del sistema della LCA. Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ciclo dati di vita] fornisce i dati di alimentazione.

Paragonare le vie della bioenergia

Vari percorsi di bioenergia sono spesso confrontati sulla base dell'intensità del gas serra del ciclo di vita — generalmente espressa in grammi di CO2-equivalente per megajoule di energia consegnata.

Biocarburanti di prima generazione

I biocarburanti di prima generazione sono prodotti da colture alimentari. L'etanolo di mais negli Stati Uniti e l'etanolo di canna da zucchero in Brasile sono gli esempi più importanti. Entrambi sono stati oggetto di intenso controllo LCA.

  • [[LT:0]]L'etanolo di grano Gli studi più recenti hanno spesso riferito che l'etanolo di mais offre solo riduzioni di emissioni modeste rispetto alla benzina (10-30%).
  • L'etanolo di Sugarcane:[] Vantaggi di un processo di conversione più efficiente e l'uso di bagasse (il residuo fibroso) per la generazione di energia, che dispiega l'elettricità fossile. L'etanolo di Sugarcane raggiunge in genere le riduzioni delle emissioni del 70-90% rispetto alla benzina.

Nel complesso, le vie di prima generazione sono costrette dalla concorrenza con la produzione alimentare, dai limiti alla terra coltivabile, e dalla potenzialmente grande pena di ILUC. Il loro ruolo in un sistema energetico a basso tenore di carbonio è sempre più messo in discussione se non accoppiato con forti salvaguardie di uso del suolo.

Biocarburanti di seconda generazione

I biocarburanti di seconda generazione, o avanzati, sono derivati da mangimi non alimentari come residui agricoli, rifiuti forestali, erbe perenni dedicate (ad esempio, interruttore, miscanthus), e colture legnose. Poiché questi mangimi non competono direttamente con la produzione alimentare e possono essere coltivati su terreni marginali, le loro emissioni di ciclo vitale sono generalmente inferiori.

  • L'etanolo caulosico dai residui agricoli:[] Utilizzando lo stover di mais o la paglia di grano evita le emissioni associate alle colture dedicate in crescita, mentre la raccolta dei residui può anche aiutare a gestire i parassiti e ridurre la tornellata.
  • Risultati forestali e rifiuti:[ Si applicano benefici simili, anche se l'energia necessaria per raccogliere, chip e trasportare biomassa a bassa densità può diminuire il risparmio netto. Le tecnologie di conversione come l'idrolisi enzimatica o la gassificazione con la sintesi Fischer-Tropsch rimangono più costose e meno commercialmente mature rispetto ai processi di prima generazione.

Importante, le vie di seconda generazione spesso comportano catene di approvvigionamento più lunghe e richiedono un'energia di pretrattamento sostanziale. Le interruzioni nell'efficienza e nell'integrazione degli enzimi continuano a migliorare le loro prestazioni ambientali. Il IEA Bioenergy Technology Collaboration Programme[]]] pubblica roadmap tecnologiche complete che tracciano i dati LCA in evoluzione per questi sistemi.

Bioelettrico

La combustione di biomassa per la produzione di energia elettrica è una tecnologia matura, ampiamente utilizzata negli impianti di calore e di potenza combinati (CHP), che dipendono fortemente dal materiale di alimentazione e dall'efficienza di conversione.

  • Colture energetiche dedicate contro residui:[ Bruciare interi alberi o colture boschive dedicate può portare a un “debito di carbonio” che richiede decenni per ripagare attraverso la ricrescita, soprattutto se la biomassa è da foreste in crescita lenta.
  • Co-firing with carbon:[] Le centrali a carbone retrò per la biomassa co-fuoco riducono le emissioni in proporzione alla quota di biomassa, ma l'impatto del ciclo di vita dipende dal fatto che il materiale di alimentazione della biomassa sarebbe altrimenti decomposto (rilanciando CO2) o bruciato per lo smaltimento dei rifiuti.
  • Biomass con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS): Questa combinazione offre il potenziale per le emissioni negative nette, come CO2 assorbito durante la crescita delle piante viene catturato al fumatore e immagazzinato sottoterra. La modellazione LCA delle vie BECCS è ancora in evoluzione, ma i primi risultati suggeriscono riduzioni del ciclo di vita del 100–150% rispetto all'elettricità fossile.

La bioelettricità da residui e rifiuti rappresenta un'opzione a breve termine, a bassa risoluzione, mentre l'espansione su larga scala con colture dedicate richiede un'attenta gestione delle variazioni delle scorte di carbonio.

Biogas e Biometano

Il biogas viene prodotto tramite digestione anaerobica di materia organica come il letame animale, i rifiuti alimentari, i fanghi di depurazione e i residui di colture. Il biogas grezzo (principalmente metano e CO2) può essere bruciato direttamente per il calore e la potenza, o aggiornato al biometano per l'iniezione in griglie di gas naturale o l'uso come combustibile del veicolo.

  • Digestione anaerobica basata sulla cura:[ Cattura il metano che altrimenti sarebbe emesso da lagune aperte o da pozzi di stoccaggio, producendo una riduzione dell'emissione netta anche prima di sloggiare i combustibili fossili.
  • Digestori di rifiuti di legno:[ Allo stesso modo evitare le emissioni di metano di discarica. Le emissioni di raccolta e di elaborazione sono relativamente basse, rendendo questo percorso uno dei più favorevoli tra le opzioni di bioenergia.
  • Apgrading al biometano:[] L'utilizzo supplementare di energia per l'aggiornamento e la compressione (di solito il 3–6% del contenuto energetico) aumenta modestamente le emissioni di ciclo di vita, ma il biometano offre ancora una riduzione del 60–80% rispetto al gas naturale.

Le vie di biogas beneficiano del duplice vantaggio della gestione dei rifiuti e della produzione di energia, e sono relativamente inalterate dai dibattiti sui cambiamenti di utilizzo del suolo perché le scorte di mangimi sono generalmente sottoprodotti dei sistemi esistenti.

Il ruolo del cambiamento di uso della terra indiretta

ILUC si verifica quando la coltivazione di bioenergie si sposta cibo o mangimi in altre aree, portando alla deforestazione o alla conversione delle praterie, che rilascia il carbonio immagazzinato. L'entità delle emissioni ILUC dipende dalle dinamiche di mercato, dai guadagni di produttività agricola e dalle politiche di uso del suolo — fattori che sono intrinsecamente e in particolare regione.

La direttiva sull'energia rinnovabile dell'Unione europea (RED II) include i fattori ILUC nei suoi criteri di sostenibilità, assegnando valori di emissione di default più elevati ai biocarburanti a base alimentare (ad esempio, olio di palma, soia) che ai combustibili a base di residui. Il consenso scientifico è che ILUC è reale ma difficile da quantificare con precisione.

Gli sforzi per minimizzare l'ILUC includono l'utilizzo di terreni degradati e abbandonati per la produzione di mangimi, il miglioramento dei rendimenti sulle terre agricole esistenti e lo sviluppo di nuovi mangimi come le alghe che non competono per terreni coltivabili.

Strategie per la riduzione delle emissioni di ciclo di vita

In generale, quattro categorie di strategie possono contribuire a ridurre le emissioni di ciclo di vita della bioenergia:

  • Selezione e approvvigionamento di bestiame:[[] Priorizzare residui, rifiuti e colture dedicate coltivate su terreni a basso tenore di carbonio o marginali.
  • Miglioramenti agronomici e gestionali:[ Riduzione del trattamento, copertura di ritaglio, fertilizzazione di precisione e gestione integrata dei parassiti può ridurre le emissioni di ossido nitroso e costruire il carbonio del suolo.
  • Ottimizzazione della tecnologia di conversione:[[] combustione ad alta efficienza, idrolisi enzimatica avanzata per etanolo cellulosico, e configurazioni combinate di calore e di potenza riducono l'ingresso di energia per unità di utile output.
  • Integrazione dell'uso:[] Utilizzando la bioenergia nelle applicazioni in cui può meglio sostituire i combustibili fossili ad alto tenore di carbonio — ad esempio, trasporto pesante, calore industriale e elettricità di picco — massimizza i benefici climatici.

Queste strategie non sono reciprocamente esclusive; approcci integrati che combinano diverse leve tipicamente raggiungono le maggiori riduzioni delle emissioni.

Politica e Quadri di Certificazione

Per garantire che la bioenergia offra benefici a un clima reale, i governi e gli organismi internazionali hanno sviluppato sistemi di certificazione e criteri di sostenibilità. La Direttiva Energetica Rinnovabile dell'Unione Europea[ richiede che i biocarburanti e i bioliquidi raggiungano almeno il 50-65% di risparmio di gas serra rispetto ai combustibili fossili, con soglie più severe per le nuove installazioni.

Criticamente, questi quadri si basano sui valori di emissione del ciclo di vita che vengono aggiornati periodicamente come migliora la comprensione scientifica, incorporando anche i fattori ILUC e richiedono che la biomassa sia fonte di terre gestite in modo sostenibile.

Conclusioni

L'analisi delle emissioni di ciclo di vita di vari percorsi bioenergici rivela una vasta gamma di risultati — da una netta sequestrazione (net sequestration) a, in alcuni casi, peggio dei combustibili fossili. Le variabili chiave sono tipo di alimentazione, dinamica di uso del suolo, tecnologia di conversione e i confini del sistema utilizzati nell'analisi.

Per la bioenergia contribuire in modo significativo alla mitigazione del clima, il pensiero robusto del ciclo di vita deve essere incorporato nelle decisioni politiche, di sviluppo del progetto e di approvvigionamento.Evitare la sovrasemplificazione - come ad esempio l'assunzione di tutta la biomassa è neutrale dal carbonio per impostazione predefinita - è essenziale.