Table of Contents

Глобальный толчок к декарбонизации и энергетической безопасности поставил в центр внимания возобновляемые источники энергии, среди которых биоэнергия на основе сельскохозяйственных культур занимает уникальную и оспариваемую позицию. В отличие от солнечной или ветровой, биоэнергия из сельскохозяйственных культур хранит энергию в плотной, переносимой форме, которая может быть использована для жидкого топлива, тепла и электричества. Тем не менее, ее обещание смягчается законными опасениями по поводу землепользования, продовольственной безопасности и экологической целостности. Строгая, основанная на данных оценка глобального потенциала биоэнергии на основе сельскохозяйственных культур имеет важное значение для информирования политики, инвестиций и исследовательских программ. Эта статья синтезирует современную научную литературу и практические тематические исследования, чтобы обеспечить всеобъемлющий обзор того, что возможно, что ограничивает, и что должно измениться, чтобы биоэнергия на основе сельскохозяйственных культур внесла значимый вклад в устойчивое энергетическое будущее.

Фонд: Что такое биоэнергетика на основе сельскохозяйственных культур?

Биоэнергия на основе сельскохозяйственных культур относится к преобразованию сельскохозяйственной биомассы - зерна, стеблей, листьев и другого растительного вещества - в пригодные для использования носители энергии. Наиболее распространенные пути производят жидкое биотопливо, такое как этанол (из сахаров и крахмалов) и биодизель (из растительных масел и животных жиров), но твердая биомасса из сельскохозяйственных культур также может быть сожжена непосредственно для тепла или газифицирована для выработки электроэнергии. Углерод в этих видах топлива является биогенным, то есть он недавно был захвачен из атмосферы посредством фотосинтеза, давая биоэнергии потенциальный углерод-нейтральный или даже углерод-отрицательный жизненный цикл, если он производится и используется устойчиво.

Ключевые запасы и их характеристики

Разнообразие сырья для сельскохозяйственных культур огромно, начиная от традиционных продовольственных культур до специализированных энергетических культур. Каждый тип имеет свои преимущества и компромиссы с точки зрения урожайности, требований к вводу и экологического следа.

  • Сахарные культуры (например, сахарный тростник, сахарная свекла) — высокое содержание ферментируемого сахара; сахарный тростник из Бразилии достигает некоторых из самых высоких выходов этанола на гектар (7000-8000 литров / га) с низкими затратами энергии ископаемого топлива из-за когенерации буксаса.
  • Старчовые культуры (например, кукуруза, маниока, пшеница) — кукуруза (кукуруза) является доминирующим сырьем для производства этанола в США. Крахмал должен быть ферментативно гидролизован перед ферментацией, добавляя затраты на переработку. Урожайность широко варьируется: кукурузный этанол в США достигает примерно 3800-4200 л/га, в то время как маниока в Таиланде может достигать 3000-5000 л/га.
  • Нефтяные культуры (например, масличная пальма, соя, рапс, ятрофа) — Извлеченные масла трансэстерифицируются в биодизель. Масляная пальма дает самое высокое масло на гектар (3,5-5,0 т/га), но ее расширение связано с тропической вырубкой лесов. Соевый биодизель дает около 0,5-0,6 т/га, что делает его менее эффективным, но часто производится на существующих пахотных землях.
  • Лигноцеллюлозные культуры (например, муфта, мискантус, тополь, эвкалипт) — это следующее поколение: биомасса цельного растения преобразуется с помощью биохимических (ферментативный гидролиз) или термохимических (газификация, пиролиз) маршрутов. Они предлагают более высокие общие урожаи биомассы на гектар и могут быть выращены на маргинальных землях, но затраты на преобразование остаются высокими. Мискантус может производить 10-20 сухих тонн / га в умеренном климате, и муфта 8-15 т / га под управлением.
  • Остатки и побочные продукты — Остатки урожая (погреб кукурузы, соломы пшеницы, сахарного тростника) и побочные продукты переработки (моласса, глицерин) обеспечивают дополнительную биомассу без специального землепользования. Однако оставляя некоторые остатки на поле имеет важное значение для здоровья почвы и поглощения углерода, ограничивая устойчивую скорость удаления.

Технологии преобразования: от поля к топливу

Выбранный технологический путь существенно влияет на чистый энергетический баланс, экономическую жизнеспособность и экологический след биоэнергетики на основе сельскохозяйственных культур.

  • Первое поколение (брожение сахара/крахмала и переэтерификация масла) — хорошо зарекомендовавшая себя, капиталоэффективная, но ограниченная конкуренцией с пищевыми продуктами и относительно плохой экономией парниковых газов (ПГ) (40-60% сокращение по сравнению с бензином для кукурузного этанола, часто выше для этанола сахарного тростника).
  • Второе поколение (лигноцеллюлозная конверсия) — В рамках коммерческой демонстрации целлюлозный этанол из сельскохозяйственных остатков и энергетических трав может достичь 70-90% снижения ПГ. Ключевые барьеры включают высокие затраты на ферменты, потребности в энергии для предварительной обработки биомассы и низкоурожайную ферментацию смешанных сахаров.
  • Термохимические маршруты (газификация + синтез Фишера-Тропша, пиролиз + гидрообработка) — Преобразование всей биомассы в сингаз или бионефть, затем модернизация до падающих видов топлива (возобновляемого дизельного топлива, реактивного топлива) совместимых с существующей инфраструктурой. Капитальные затраты высоки, но продукты взаимозаменяемы с нефтяным топливом, что является основным преимуществом.
  • Анаэробное пищеварение — Влажные растительные остатки, специально выращенные энергетические травы или силосная кукуруза могут быть ферментированы для производства биогаза (богатого метаном) для комбинированного нагрева и питания или модернизированы до биометана для впрыска в сетку. Этот путь созрел в Европе, особенно в Германии и Дании.

Глобальный ресурсный потенциал: количественная оценка доступной базы сырья

Определение того, сколько биоэнергии на основе сельскохозяйственных культур может быть произведено во всем мире, требует пространственно явного анализа снизу вверх, который учитывает доступность земли, потенциал урожайности, конкурирующие виды использования и ограничения устойчивости. Опубликованные оценки широко варьируются - от 100 до 600 экзаджоулей (EJ) в год технического потенциала к 2050 году по сравнению с текущим глобальным использованием первичной энергии ~ 600 EJ. Большое распространение отражает различия в предположениях о доступности земли, технологических улучшениях и экологических гарантиях.

Доступность земли: основное ограничение

Сельскохозяйственные земли покрывают около 38% свободной ото льда поверхности земли (5 миллиардов гектаров), из которых примерно одна треть - пахотные земли, а две трети - пастбища и пастбища. Широко распространено мнение о расширении биоэнергии в природные экосистемы или основные пахотные земли, предназначенные для производства продуктов питания. Поэтому потенциал зависит от:

  • Заброшенные сельскохозяйственные угодья — По оценкам исследований, 400-800 миллионов гектаров бывших пахотных земель были заброшены во всем мире, особенно в бывшем Советском Союзе, Восточной Европе и некоторых частях Соединенных Штатов. Эти районы часто являются низкопроизводительными, но могут выращивать многолетние энергетические травы с минимальным управлением.
  • Маргинальные и деградированные земли — Почвы с низкой плодородностью, риском эрозии или ограничениями воды, которые не находятся в активном производстве продуктов питания. Устойчивое восстановление таких земель с глубоко укоренившимися многолетниками может производить биомассу при строительстве почвенного углерода и предотвращении эрозии. Глобальная площадь деградированных земель составляет примерно 2 миллиарда гектаров, хотя не все пригодны или доступны.
  • Интеграция с производством продуктов питания — Системы двойного выращивания, агролесоводство и межпосевы могут производить биоэнергетическое сырье без вытеснения продовольственных культур. Например, выращивание озимой ржи или тритикале для биомассы после летнего сбора кукурузы на Среднем Западе США может добавить 2-4 сухих тонны / га без дополнительной земли.
  • Конкуренция с другими видами землепользования — Облесение, реюилирование и солнечные/ветровые установки конкурируют за одну и ту же землю. Рациональное распределение требует комплексной оценки, которая взвешивает стоимость сокращения выбросов углерода на гектар для каждого варианта.

Прогнозы доходности и технологический подъем

Текущая урожайность для специализированных энергетических культур часто значительно ниже их генетического и управленческого потенциала. Например, муфтоз, управляемый с умеренным удобрением азота, может достигать 12-15 т/га на Среднем Западе США, тогда как обычные оценки урожайности в глобальных моделях часто используют 8-10 т/га. С улучшенными сортами, включая засухоустойчивые, холодоустойчивые и высокобиомассовые сорта, урожайность может увеличиться на 50-100% в течение следующих двух десятилетий. Программа сотрудничества в области биоэнергетических технологий МЭА IEA обеспечивает регулярно обновляемые данные урожайности для лигноцеллюлозных культур в различных климатических зонах.

Доступность воды не менее важна. Сахарный тростник и мискантус являются водоэффективными с точки зрения биомассы, производимой на единицу пройденной воды (высокая эффективность использования воды), но общий спрос на воду с гектара высок. В регионах с дефицитом воды потенциал подсолнечника ограничен, и орошение будет конкурировать с продовольственными культурами и природными потоками. Модели оценки глобальных изменений (GCAM) указывают, что наиболее благоприятные регионы для подсолнечных биоэнергетических культур находятся в тропических и умеренных зонах с годовым количеством осадков > 800 мм.

Региональные горячие точки и ограничения

Ни один регион не будет доминировать в глобальной биоэнергетической картине; скорее, ресурсная база широко распространена, и каждый регион сталкивается с различными возможностями и барьерами.

Южная Америка: Sugarcane Powerhouse

Бразилия уже производит более 30 миллиардов литров этанола ежегодно из сахарного тростника, удовлетворяя ~15% своего спроса на транспортное топливо. В стране есть дополнительные 100-200 миллионов гектаров пастбищ, которые могут быть интенсифицированы или преобразованы в сахарный тростник, одновременно увеличивая производство продуктов питания через интегрированные системы животноводства. Однако вырубка лесов Амазонки и Серрадо остается риском, если управление будет слабым. Политика RenovaBio обеспечивает нормативную базу, которая стимулирует биотопливо с высоким содержанием парниковых газов, поощряя инвестиции в этанол второго поколения из багассы и соломы.

Африка к югу от Сахары: высокий потенциал, высокие проблемы

В Африке имеются большие площади неиспользуемых пахотных земель, обильное солнечное излучение и низкая текущая урожайность, что означает, что есть значительные возможности для интенсификации сельского хозяйства. Подход «Биоэнергетика и продовольственная безопасность» (BEFS), разработанный Продовольственной и сельскохозяйственной организацией (ФАО), помогает странам оценить, можно ли развивать биоэнергию, не нанося ущерба продовольственной безопасности. В таких странах, как Замбия, Мозамбик и Гана, избыточные земли могут поддерживать операции по производству биодизельного топлива из маниоки или ятрофы, но инфраструктура для транспорта, переработки и финансирования часто отсутствует. Кроме того, системы землевладения должны быть уточнены, чтобы избежать вытеснения мелких фермеров.

Юго-Восточная Азия: доминирование пальмового масла и этические вопросы

Индонезия и Малайзия производят ~85% мирового пальмового масла, которое широко используется для биодизельного топлива. Директива ЕС по возобновляемым источникам энергии (RED II) ограничивает использование биодизельного масла из-за высоких косвенных изменений в землепользовании (ILUC) выбросов. Тем не менее, урожайность пальмового масла на гектар не имеет себе равных среди других масличных культур, а улучшенная сельскохозяйственная практика (например, замена старых плантаций, использование пустых фруктовых букетов для энергии) может уменьшить влияние. Расширение на торфяники и первичные леса, однако, остается серьезным риском. Схемы сертификации устойчивости, такие как Круглый стол по устойчивому пальмовому маслу (RSPO), улучшили практику, но не гарантируют полную прослеживаемость.

Северная Америка: плато кукурузного этанола и лигноцеллюлозное обещание

США производят около 60 миллиардов литров кукурузного этанола в год, потребляя примерно 40% отечественного урожая кукурузы. Стандарт на возобновляемое топливо (RFS) привел к этому расширению, но «стена из смешанных материалов» (E10 является стандартом; более высокие смеси, такие как E15 и E85, имеют ограниченную инфраструктуру) ограничивает дальнейший рост. Будущее заключается в целлюлозном этаноле из кукурузного погреба и выделенных многолетних трав, а также возобновляемом дизельном топливе из сои и используемого растительного масла. Канада имеет большой потенциал для биоэнергетики на основе лесов и сельскохозяйственных остатков, особенно в провинциях Прерий.

Европа: диверсифицированная, но ограниченная по суше

ЕС имеет амбициозные цели в области возобновляемых источников энергии на транспорте (14% к 2030 году с субцелью для передового биотоплива). Наземная база интенсивно используется для производства продуктов питания, оставляя ограниченное пространство для биоэнергетических культур. Доминирующим биотопливом на основе сельскохозяйственных культур являются рапсовое биодизельное топливо и пшеничный этанол, но они все чаще подвергаются критериям устойчивости и требованиям ILUC. Директива ЕС по возобновляемым источникам энергии II ограничивает долю биотоплива на основе пищевых продуктов и способствует производству исходного сырья на основе отходов и остатков. Многолетние травы, такие как мискантус и коротковращающийся коппис (топливо, ива) набирают интерес на маргинальных сельскохозяйственных угодьях.

Устойчивое развитие: за пределами углеродного учета

Достоверная оценка глобального потенциала должна включать в себя экологические и социальные ограничения устойчивости, а не только технические расчеты энергии.

Выбросы парниковых газов и ILUC

Прямые выбросы от производства биотоплива (например, от удобрений, транспорта, переработки) могут управляться, но косвенное изменение землепользования (ILUC) - где биоэнергетические культуры вытесняют производство продуктов питания, которое затем расширяется в леса или луга - может уничтожить преимущества ПГ в течение многих лет или десятилетий. ILUC очень неопределенный; эконометрические модели предполагают, что выбросы ILUC для кукурузного этанола варьируются от 10 до 50 гСО2экв / МДж, сдвигая анализ жизненного цикла от полезных к возможно худшим, чем ископаемое топливо. Использование отходов, остатков или культур, выращенных на заброшенных землях, полностью избегает ILUC, зарабатывая эти пути премию в нормативных рамках.

Водный след и управление питательными веществами

Биоэнергетические культуры, особенно азотные удобрения (кукуруза, рапс), могут способствовать выщелачиванию нитратов и эвтрофикации поверхностных вод. Многолетние травы и Miscanthus, с более глубокими корневыми системами и более низкими требованиями к удобрениям, как правило, оказывают меньшее воздействие на качество воды. Водный след на единицу произведенной энергии варьируется более чем в 10 раз: этанол сахарного тростника в Бразилии использует около 40-60 м3 воды на ГДж топлива, в то время как биодизель ятрофы в сухих регионах может превышать 500 м3 / ГДж. Любая устойчивая стратегия должна уделять приоритетное внимание системам дождевого вскармливания и ограничивать ирригацию в водонапряженных бассейнах.

Здравоохранение почв и биоразнообразие

Преобразование естественных или полуприродных земель в энергетические плантации монокультуры может уменьшить биоразнообразие и ухудшить почвенный органический углерод. И наоборот, хорошо управляемые многолетние биоэнергетические системы могут обеспечить среду обитания для опылителей, уменьшить эрозию почвы и улучшить запасы углерода в почве по сравнению с ежегодным обрезом. Ключ заключается в том, чтобы избежать изменений в землепользовании, которые разрушают районы с высокой природоохранной ценностью и поддерживать мозаику землепользования в ландшафте.

Политика и экономические реалии

Технически осуществимый потенциал мало что значит без проведения политики, стабильных рынков и конкурентной экономики. Биоэнергетика на основе сельскохозяйственных культур в настоящее время борется за конкуренцию с дешевым ископаемым топливом и более дешевыми возобновляемыми альтернативами, такими как солнечная энергия и ветер для электричества. Экономика наиболее благоприятна там, где ценятся сопутствующие продукты (например, корма для животных из зерна дистиллятора, глицерин, биоэнергия) и где существуют цены на углерод или мандаты.

  • Мандаты и цели по смешиванию — Американские RFS, EU RED II, бразильский RenovaBio и индийская национальная политика в отношении биотоплива создают уверенность в спросе. Однако одних только мандатов недостаточно; они должны быть сопряжены с сертификацией устойчивости и поддержкой передовых технологий.
  • Ценообразование на углерод и стандарты на низкоуглеродное топливо — Такие механизмы, как Калифорнийская система LCFS и Система торговли выбросами ЕС, вознаграждают топливо на основе его интенсивности углерода. При высокой цене на углерод ($50-100/tCO2) передовое биотопливо становится конкурентоспособным по стоимости с нефтью.
  • Исследования, разработки и демонстрация (RD&D) финансирования — пути второго и третьего поколения (водоросли, синтетическая биология) требуют постоянных государственных и частных инвестиций для снижения затрат на ферменты, улучшения предварительной обработки и расширения термохимических процессов.
  • Торговля и сертификация — Биоэнергетика торгуется на международном уровне (например, древесные гранулы, этанол). Надежные схемы сертификации устойчивости (например, ISCC, RSB) помогают обеспечить соответствие импортируемой биомассы экологическим и социальным критериям, но они требуют сильного правоприменения и аудиторского потенциала.

Синергия и торговые связи с другими целями устойчивого развития

Биоэнергетика на основе сельскохозяйственных культур не существует изолированно. Она взаимодействует с продовольственными системами, смягчением последствий изменения климата, развитием сельских районов и биоразнообразием. Стратегия устойчивого развертывания должна соответствовать целям устойчивого развития Организации Объединенных Наций (ЦУР), особенно ЦУР 7 (доступная и чистая энергия), ЦУР 2 (нулевой голод), ЦУР 13 (климатические действия) и ЦУР 15 (жизнь на суше).

Например, производство биоэнергии может обеспечить дополнительный поток доходов для фермеров, потенциально повышая уровень жизни в сельских районах. Однако, если не будет тщательно управляться, это может усугубить концентрацию земель и повысить цены на продовольствие. Интегративные подходы, такие как структура «пищевая энергия-водная связь», помогают планировщикам систематически оценивать компромиссы. Международная программа по геосфере-биосфере ] разработала инструменты, которые отображают эти взаимосвязи, позволяя лицам, принимающим решения, выявлять беспроигрышные сценарии, когда биоэнергия способствует одновременно всем трем областям.

Тематическое исследование: интегрированные продовольственно-энергетические системы в Мали

Мелкие фермеры в Мали приняли систему, в которой продовольственные культуры (миллет, сорго) покрываются деревьями с коротким вращением (Faidherbia albida), чьи азотфиксирующие листья оплодотворяют почву. Деревья также обеспечивают дрова и ветви для производства биоуголь. Эта интегрированная система улучшает урожайность продуктов питания, снижает затраты на удобрения и генерирует биоэнергию - ощутимый пример жизнеспособной мелкомасштабной биоэнергетической модели, которая избегает конфликтов землепользования.

Перспективы на будущее: что нужно для реализации потенциала?

Если мир планирует к середине века развернуть 100-200 EJ/год биоэнергии (как это предусматривается многими сценариями стабилизации климата), то необходимы несколько преобразований:

  • Приоритет для отходов, остатков и многолетних культур на маргинальных землях — Это минимизирует конкуренцию землепользования и ILUC. Исследования в области высоких биомасс, низковходных многолетних культур (например, мискантус, энергетический тростник) должны быть ускорены, и фермерам нужны стимулы для их принятия.
  • Обеспечение точности сельского хозяйства и биотехнологий — Дистанционное зондирование, оплодотворение с переменной скоростью и засухоустойчивые сорта могут повысить урожайность при одновременном снижении воздействия на окружающую среду.
  • Масштабное масштабирование передовых технологий конверсии — целлюлозное биотопливо и термохимические биоперерабатывающие заводы должны перейти от пилотного к коммерческому масштабу. Целевой показатель — производственные затраты на уровне или ниже $1-1,50 за литр бензина-эквивалента.
  • Сильное управление и пространственное планирование — Зоонирование земель на национальном и субнациональном уровнях необходимо для обозначения «зон производства энергии», которые избегают районов с высоким уровнем выбросов углерода, высоким биоразнообразием и высоким уровнем продовольственной безопасности.
  • Глобальное ценообразование на углерод — Единообразное, растущее значение цены на углерод выровняет игровое поле для биоэнергетики по отношению к ископаемому топливу и ускорит инвестиции в технологии вторичного и третичного биотоплива.

Таким образом, биоэнергетика на основе сельскохозяйственных культур обладает биофизическим потенциалом, позволяющим внести значимый вклад в глобальный энергетический баланс — возможно, до четверти нынешнего спроса на первичную энергию — но только в том случае, если она будет развиваться таким образом, чтобы уважать планетарные границы и социальную справедливость. Низко висящие плоды заключаются в мобилизации сельскохозяйственных остатков и восстановлении деградированных земель с многолетними травами. Проблема заключается не в отсутствии потенциала, а в отсутствии скоординированных действий по согласованию политики, технологий и рынков с императивами устойчивости.

Если правительства, инвесторы и фермеры будут работать вместе, чтобы внедрить проверенные практики и политику, описанные выше, биоэнергия на основе сельскохозяйственных культур может стать краеугольным камнем перехода к чистой энергии. Если нет, ресурс останется в значительной степени неиспользованным или, что еще хуже, экологически вредным. Выбор за нами.