Dlaczego biopaliwa okazują się błędem klimatycznym

Od czasu 1973 embargo na ropę naftową, polityka energetyczna Stanów Zjednoczonych dążyła do zastąpienia paliw transportowych na bazie ropy naftowej alternatywami. Jedną z wyróżniających się opcji jest stosowanie biopaliw, takich jak etanol zamiast benzyny i biodiesla zamiast zwykłego oleju napędowego.

Transport generuje jedną czwartą emisji gazów cieplarnianych w USA, więc zajęcie się wpływem tego sektora ma kluczowe znaczenie dla ochrony klimatu.

Wielu naukowców postrzega biopaliwa jako z natury neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla: zakładają, że dwutlenek węgla (CO2), który rośliny pochłaniają z powietrza podczas wzrostu, całkowicie kompensuje lub „neutralizuje” CO2 emitowany podczas spalania paliw wytwarzanych z roślin. Wieloletnie modelowanie komputerowe oparte na tym założeniu m.in prace wspierane przez Departament Energii USA, doszli do wniosku, że stosowanie biopaliw w celu zastąpienia benzyny znacznie zmniejszyło emisje CO2 z transportu.

Autonomiczne Nowe badania świeże spojrzenie na to pytanie. Zbadaliśmy dane dotyczące upraw, aby ocenić, czy pola uprawne pochłonęły wystarczającą ilość CO2, aby zrównoważyć CO2 emitowane podczas spalania biopaliw. Okazuje się, że po uwzględnieniu wszystkich emisji związanych z uprawą roślin surowcowych i produkcją biopaliw, biopaliwa faktycznie zwiększają emisje CO2, zamiast je redukować.

Boom na biopaliwa, błąd klimatyczny

Polityka federalna i stanowa subsydiuje etanol z kukurydzy od lat 1970. XX wieku, ale biopaliwa zyskały poparcie jako narzędzie promowania niezależności energetycznej i zmniejszania importu ropy po atakach z 11 września 2001 r. W 2005 roku Kongres uchwalił tzw Standard dotyczący paliwa odnawialnego, co wymagało od rafinerii paliwowych zmieszania 7.5 miliarda galonów etanolu z benzyną do 2012 roku. (Dla porównania, w tym roku Amerykanie używali 133 miliardów galonów benzyny.)


wewnętrzna grafika subskrypcji


W 2007 roku Kongres radykalnie rozszerzył program RFS przy wsparciu niektórych główne grupy ekologiczne. Nowy standard ponad trzykrotnie roczne zużycie paliw odnawialnych w USA, które wzrosło z 4.1 miliarda galonów w 2005 roku do 15.4 miliarda galonów w 2015 roku.

Nasze badanie zbadali dane z lat 2005-2013 podczas tego gwałtownego wzrostu wykorzystania paliw odnawialnych. Zamiast zakładać, że produkcja i stosowanie biopaliw było neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, wyraźnie porównaliśmy ilość CO2 pochłanianego na polach uprawnych z ilością emitowaną podczas produkcji i zużycia biopaliw.

Istniejące uprawy już teraz pochłaniają duże ilości CO2 z atmosfery. Pytanie empiryczne dotyczy tego, czy produkcja biopaliw zwiększa tempo pochłaniania CO2 na tyle, aby w pełni zrekompensować wytwarzane emisje CO2 kiedy kukurydza jest fermentowana do etanolu oraz kiedy spalane są biopaliwa.

Większość upraw, które w tym okresie trafiały na biopaliwa, była już uprawiana; główna zmiana polegała na tym, że rolnicy sprzedawali więcej swoich zbiorów producentom biopaliw, a mniej na żywność i paszę dla zwierząt. Niektórzy rolnicy rozszerzyli produkcję kukurydzy i soi lub przełączane do tych towarów z mniej dochodowych upraw.

Ale dopóki warunki wzrostu pozostają stałe, rośliny kukurydzy pobierają CO2 z atmosfery w takim samym tempie, niezależnie od sposobu wykorzystania kukurydzy. Dlatego, aby właściwie ocenić biopaliwa, należy ocenić pochłanianie CO2 na wszystkich polach uprawnych. W końcu wzrost roślin to „gąbka” CO2, która usuwa węgiel z atmosfery.

Kiedy przeprowadziliśmy taką ocenę, odkryliśmy, że od 2005 do 2013 r. skumulowana absorpcja dwutlenku węgla na gruntach rolnych w USA wzrosła o 49 teragramów (teragram to milion ton metrycznych). Powierzchnia obsadzona większością innych upraw polowych zmniejszyła się w tym okresie, więc to zwiększone pochłanianie CO2 można w dużej mierze przypisać uprawom uprawianym na biopaliwa.

Jednak w tym samym okresie emisje CO2 pochodzące z fermentacji i spalania biopaliw wzrosły o 132 teragramy. Dlatego większa absorpcja węgla związana ze wzrostem upraw zrekompensowała tylko 37 procent emisji CO2 związanych z biopaliwami w latach 2005-2013. Innymi słowy, biopaliwa są dalekie od z natury neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla.

Przepływy węgla i „wanna klimatyczna”

Wynik ten jest sprzeczny z większością ustalonych prac dotyczących biopaliw. Aby zrozumieć dlaczego, warto pomyśleć o atmosferze jako o wanna wypełniony CO2 zamiast wody.

Wiele czynności na Ziemi dodaje CO2 do atmosfery, na przykład woda płynąca z kranu do wanny. Największym źródłem jest oddychanie: węgiel jest paliwem życia, a wszystkie żywe istoty „spalają węglowodany”, aby napędzać swój metabolizm. Spalanie etanolu, benzyny lub innego paliwa opartego na węglu jeszcze bardziej otwiera „kurek” CO2 i dodaje węgiel do atmosfery szybciej niż naturalne procesy metaboliczne.

Inne czynności usuwają CO2 z atmosfery, jak woda wypływająca z wanny. Przed erą przemysłową wzrost roślin pochłaniał więcej niż wystarczającą ilość CO2, aby zrównoważyć CO2, który rośliny i zwierzęta wdychały do ​​atmosfery.

Dziś jednak, w dużej mierze dzięki wykorzystaniu paliw kopalnych, dodajemy CO2 do atmosfery znacznie szybciej, niż usuwa go natura. W efekcie „poziom wody” CO2 w wannie klimatycznej szybko się podnosi.

Podczas spalania biopaliw emitują one w przybliżeniu taką samą ilość CO2 na jednostkę energii jak paliwa ropopochodne. Dlatego stosowanie biopaliw zamiast paliw kopalnych nie zmienia tego, jak szybko CO2 wpływa do wanny klimatycznej. Aby zmniejszyć gromadzenie się CO2 w atmosferze, produkcja biopaliw musi otworzyć odpływ CO2 – to znaczy musi przyspieszyć tempo netto usuwania węgla z atmosfery.

Uprawa większej ilości kukurydzy i soi nieco bardziej otworzyła „odpływ” pochłaniania CO2, głównie poprzez wyparcie innych upraw. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku kukurydzy, której wysokie plony usuwają węgiel z atmosfery w tempie dwóch ton na akr, szybciej niż większość innych upraw.

Niemniej jednak rozszerzenie produkcji kukurydzy i soi na biopaliwa zwiększyło pochłanianie CO2 tylko na tyle, aby zrekompensować 37 procent CO2 bezpośrednio związanego ze stosowaniem biopaliw. Co więcej, było to zdecydowanie za mało, aby zrekompensować inne emisje gazów cieplarnianych podczas produkcji biopaliw ze źródeł obejmujących stosowanie nawozów, działalność rolniczą i rafinację paliwa. Ponadto, gdy rolnicy przekształcają użytki zielone, tereny podmokłe i inne siedliska, które magazynują duże ilości węgla, w pola uprawne, dochodzi do bardzo dużych emisji CO2.

Błędne modelowanie

Nasze nowe badanie ma wywołało kontrowersje ponieważ zaprzecza wielu wcześniejszym analizom. W badaniach tych zastosowano podejście tzw analiza cyklu życialub LCA, w której analitycy sumują wszystkie emisje gazów cieplarnianych związane z produkcją i użytkowaniem produktu. Wynik jest popularnie nazywany produktem „ślad węglowy".

Badania LCA wykorzystane do uzasadnienia i zarządzania polityką paliw odnawialnych oceniają tylko emisje – czyli CO2 przedostający się do powietrza – i nie oceniły, czy produkcja biopaliw zwiększyła tempo, w jakim pola uprawne usuwały CO2 z atmosfery. Zamiast tego LCA po prostu zakłada, że ​​ponieważ rośliny energetyczne, takie jak kukurydza i soja, mogą być odradzane z roku na rok, automatycznie usuwają one z atmosfery tyle węgla, ile uwalniają się podczas spalania biopaliw. To znaczące założenie jest na stałe zakodowane w modelach komputerowych LCA.

Niestety, LCA jest podstawą zarówno dla RFS, jak i dla Kalifornii Standard niskowęglowego paliwa, kluczowym elementem ambitnego planu działania tego państwa w dziedzinie klimatu. Jest również używany przez inne agencje, instytucje badawcze i firmy zainteresowane paliwami transportowymi.

Kiedyś zaakceptowałem pogląd, że biopaliwa są z natury neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla. Dwadzieścia lat temu byłem głównym autorem pierwszy papier proponując wykorzystanie LCA w polityce paliwowej. Przeprowadzono wiele takich badań, a szeroko cytowana metaanaliza opublikowane w Science w 2006 r. wykazały, że stosowanie etanolu z kukurydzy znacznie zmniejszyło emisje gazów cieplarnianych w porównaniu z benzyną ropopochodną.

Jednak inni uczeni wyrazili obawy co do tego, w jaki sposób sadzenie rozległych obszarów uprawami energetycznymi może zmienić użytkowanie gruntów. Na początku 2008 roku magazyn Science opublikował dwa godne uwagi artykuły. W jednym opisano sposób uprawy biopaliw bezpośrednio przemieszczonych siedlisk bogatych w węgiel, takich jak użytki zielone. Drugi wykazał, że uprawa roślin na biopaliwo wywoływała szkody skutki pośrednie, takie jak wylesianie, ponieważ rolnicy rywalizowali o ziemię uprawną.

Zwolennicy LCA bardziej skomplikowali swoje modele, aby uwzględnić te konsekwencje produkcji paliwa. Jednak wynikająca z tego niepewność wzrosła tak bardzo, że ustalenie, czy biopaliwa pomagają klimatowi, stało się niemożliwe. W 2011 roku Krajowa Rada ds. Badań Naukowych raport o RFS doszedł do wniosku, że biopaliwa pozyskiwane z upraw, takie jak etanol z kukurydzy, „nie zostały ostatecznie wykazane, że zmniejszają emisje gazów cieplarnianych, a w rzeczywistości mogą je zwiększać”.

Te niepewności skłoniły mnie do rozpoczęcia dekonstrukcji LCA. W 2013 roku opublikowałem artykuł w Climatic Change pokazujący, że warunki, w których produkcja biopaliw mogłaby zrównoważyć emisję CO2 były znacznie bardziej ograniczone, niż się powszechnie uważa, W kolejny artykuł przeglądowy Wyszczególniłem błędy popełniane przy stosowaniu LCA do oceny biopaliw. Badania te utorowały drogę do naszego nowego odkrycia, że ​​w Stanach Zjednoczonych do tej pory paliwa odnawialne są bardziej szkodliwe dla klimatu niż benzyna.

Nadal pilną sprawą jest ograniczenie emisji CO2 z ropy naftowej, która jest największym źródłem antropogenicznych emisji CO2 w Stanach Zjednoczonych i drugi co do wielkości na świecie po węglu. Ale nasza analiza potwierdza, że ​​jako lekarstwo na zmiany klimatu, biopaliwa są „gorsze niż choroba”.

Zmniejsz i usuń

Nauka wskazuje drogę do mechanizmów ochrony klimatu, które są skuteczniejsze i mniej kosztowne niż biopaliwa. Tam są dwie szerokie strategie do ograniczania emisji CO2 z paliw transportowych. Po pierwsze, możemy zmniejszyć emisje, poprawiając wydajność pojazdów, ograniczając przejechane kilometry lub zastępując paliwa prawdziwie bezemisyjne, takie jak energia elektryczna lub wodór.

Po drugie, możemy usuwać CO2 z atmosfery szybciej niż pochłaniają go obecnie ekosystemy. Strategie dla „rekarbonizacja biosfery” zawierać ponowne zalesianie i zalesianie, odbudowę węgla w glebie i przywrócenie innych bogatych w węgiel ekosystemów, takich jak tereny podmokłe i użytki zielone.

Podejścia te pomogą chronić różnorodność biologiczną – kolejne globalne wyzwanie w zakresie zrównoważonego rozwoju – zamiast zagrażać jej, jak ma to miejsce w przypadku produkcji biopaliw. Nasza analiza oferuje również inny wgląd: po usunięciu węgla z powietrza rzadko ma sens wydatkowanie energii i emisji na przetwarzanie go w biopaliwa tylko po to, aby spalić węgiel i ponownie uwolnić go do atmosfery.

O autorze

John DeCicco, profesor naukowy, University of Michigan

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.\

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon