КАРТА: Центр сельскохозяйственного и сельского развития
Сообщения об исчезновении ледников, уменьшении площади арктических льдов, повышении уровня моря, более сильных ураганах и беспрецедентных волнах тепла в Европе в сочетании с неумолимым повышением уровня углекислого газа в атмосфере усиливают давление на правительства, требуя отреагировать новыми инициативами по выбросам парниковых газов. Калифорния и другие штаты обеспечивают политическое лидерство в Соединенных Штатах.
Особый интерес для индустрии биотоплива представляет исполнительный указ губернатора Арнольда Шварценеггера от января 2007 года, который требует к 2020 году сократить содержание углерода в транспортном топливе в Калифорнии на 10%. Стандарт не указывает поставщикам топлива (нефтяным компаниям), как они должны соответствовать новым требованиям. Альтернативные виды топлива должны будут конкурировать с точки зрения стоимости и содержания углерода. Только те виды топлива, которые могут снизить содержание углерода при разумных затратах, будут включены в топливные смеси Калифорнии. Учитывая, что этанол из кукурузы составляет более 90 процентов альтернативных видов топлива в США, ключевым фактором, определяющим возможность достижения амбициозных целей Калифорнии, является степень, в которой этанол из кукурузы снижает выбросы парниковых газов.
Учет выбросов парниковых газов кукурузным этанолом
Снижает ли кукурузный этанол чистые выбросы парниковых газов, многие изучали, и было найдено много разных ответов. Иногда разница в ответах держится на предположениях. Например, профессор Дэвид Пименталь из Корнельского университета относит все выбросы парниковых газов от заводов по производству этанола к этанолу, а не приписывает часть к спиртовому зерну, которое вытесняет сырье (подробнее об этом позже). Но иногда различия в ответах вызваны тем, что исследователи отвечают на разные вопросы.Чтобы проиллюстрировать процесс, которому исследователи следуют для расчета выбросов парниковых газов, мы ответим на следующий вопрос: помогает ли расширение производства кукурузы в Айове для производства этанола уменьшить накопление парниковых газов? Если ответ «да», то этанол на основе кукурузы, произведенный из кукурузы Айовы, может считаться низкоуглеродным топливом. Если нет, то будущее нынешней индустрии этанола может оказаться под угрозой, потому что это может не помочь Калифорнии достичь цели по составу топлива.
Чтобы ответить на этот вопрос, требуется тщательный учет различий в производстве и потреблении, которые приводят к изменениям выбросов парниковых газов. Метод, обычно используемый для оценки выбросов парниковых газов, заключается в проведении анализа жизненного цикла сырья, используемого для производства биотоплива. Мы представляем результаты анализа жизненного цикла кукурузы Айовы от посева до переработки и сжигания в качестве топлива. Кроме того, мы также учитываем изменения выбросов, вызванные изменениями в землепользовании, которые связаны с расширением производства кукурузы. Эти изменения в землепользовании могут происходить как внутри страны, так и за рубежом.
Потребление топлива
Содержание энергии обычно измеряется в мегаджоулях (МДж). Бензин содержит примерно 121 МДж на галлон. Галлон этанола содержит 67,4% энергии бензина, поэтому для замены энергии галлона бензина требуется 1,48 галлона этанола. Выбросы парниковых газов, будь то метан, закись азота или двуокись углерода, измеряются в единицах эквивалента двуокиси углерода (CO2экв.). Анализ жизненного цикла бензина показывает, что при транспортировке нефти, переработке масел в бензин и сжигании бензина в автомобилях выделяется 94 грамма CO.2экв на мегаджоуль. Это содержание углерода в бензине.Если бы для выращивания кукурузы требовался только фотосинтез, если бы этанол производился с использованием солнечной энергии, если бы кукуруза немедленно транспортировалась на заводы по производству этанола и если бы для выращивания кукурузы не требовалось никаких изменений в землепользовании, то замена галлона бензина этанолом уменьшила бы выбросы парниковых газов. примерно на 11,2 кг (кг) CO2экв.
Однако ископаемое топливо используется для выращивания кукурузы и производства этанола. Кроме того, использование кукурузы для производства этанола означает, что меньше акров будет отведено под конкурирующие культуры, больше земли будет отдано под возделывание, а другие виды использования кукурузы сократятся. Прежде чем мы сможем определить, является ли кукурузный этанол низкоуглеродным топливом, необходимо рассмотреть последствия всех этих факторов для создания парниковых газов.
Фаза биопереработки
Кукурузный этанол производится либо на заводе сухого помола, либо на заводе по производству мокрого помола. Большинство новых заводов по производству этанола представляют собой мельницы сухого помола, поэтому здесь мы сосредоточимся на них. Преобразование кукурузы в этанол на сухой мельнице требует энергии для транспортировки кукурузы на установку, подготовки кукурузы к ферментации, ферментации кукурузы и дистилляции этанола из ферментированного продукта. Двумя ключевыми факторами, определяющими выбросы парниковых газов на заводе по производству сухого помола, являются то, сушит ли завод дистилляционное зерно или продает его влажным, и является ли источником энергии для завода уголь или природный газ.
Предприятию сухого помола, на котором сушат бардовое зерно, требуется около 38 МДж для производства галлона этанола. Если дистилляторы не высушивают, энергия снижается примерно до 26 МДж на галлон. Электростанции, работающие на угле, выбрасывают на 62% больше CO2экв., чем заводы, использующие природный газ.
Вклад этанола в сокращение накопления парниковых газов снижается за счет выбросов биоперерабатывающих заводов. Не все выбросы парниковых газов завода сухого помола следует относить к этанолу, потому что завод также производит зерно для дистилляции, которое вытесняет другие источники кормов для животных, тем самым снижая выбросы парниковых газов, связанные с вытеснением кормов.В таблице 1 показано количество выбросов, которое происходит в зависимости от источника энергии (уголь или природный газ) и от того, сушится ли бардовая барда или нет.
Прямая сельскохозяйственная фаза
Учет ископаемого топлива, используемого для производства кукурузы, еще больше снижает чистое сокращение выбросов парниковых газов. Ископаемые виды топлива используются непосредственно в виде дизельного топлива или косвенно для производства удобрений, пестицидов и других сельскохозяйственных ресурсов. Двумя наиболее важными факторами, определяющими выбросы парниковых газов на галлон этанола на сельскохозяйственном этапе, являются урожайность с акра земли и количество используемых азотных удобрений. И то, и другое зависит от того, выращивается ли кукуруза после соевых бобов или после кукурузы.
Если бы не было спроса на этанол, вполне вероятно, что фермеры Айовы посадили бы большую часть своего урожая кукурузы после урожая сои. Урожайность выше, а затраты на азотные удобрения ниже. Более высокие урожаи и более низкие дозы азота оказывают прямое влияние на выбросы углерода. Если урожайность кукурузы, посаженной после кукурузы, на 10 процентов ниже, чем урожайность кукурузы, посаженной после сои, то CO2Выбросы экв на бушель для кукурузы, посаженной после кукурузы, будут на 10 процентов выше, чем для кукурузы, посаженной после сои. Но разница в выбросах составляет более 10 процентов, потому что нормы внесения азотных удобрений обычно на 50 фунтов на акр выше для кукурузы, посаженной после кукурузы. Каждый дополнительный фунт внесенного азота вносит дополнительные 5 кг CO в атмосферу.2экв. выбросов. Причина такого высокого уровня выбросов заключается в том, что закись азота имеет потенциал глобального потепления более чем в 300 раз больше, чем CO.2. Сочетание более низкой урожайности кукурузы и более высокой нормы азота (с учетом некоторых других небольших различий) увеличивает выбросы на этом этапе производства этанола с 3,5 кг до 4,8 кг CO.2экв на галлон вытесненного бензина.
Разумным предположением является то, что увеличение производства этанола в Айове связано в первую очередь с увеличением посевных площадей кукурузы после кукурузы.На рис. 1 показано результирующее чистое сокращение парниковых газов. Как показано, расширение производства кукурузы в Айове для производства этанола действительно снижает чистые выбросы парниковых газов, даже если этанол производится на угольных электростанциях. Однако, прежде чем мы сможем сделать окончательный вывод, нам необходимо рассмотреть возможные изменения выбросов, вызванные изменениями в землепользовании.
Вызванные изменения в землепользовании
Увеличение производства кукурузы для производства этанола повлияет на землепользование как внутри страны, так и за рубежом. Внутри страны большая часть увеличения производства кукурузы произойдет за счет того, что фермеры заменят на своих землях альтернативную культуру кукурузой. Большая часть перехода будет связана с посевами сои, поскольку большая часть кукурузы выращивается вместе с соей. Мы уже учитывали выбросы от выращивания кукурузы. Когда дополнительная кукуруза выращивается на том месте, где раньше был акр, занимаемый соей, возникает квота на выбросы, равная объему выбросов, связанных с производством сои. В условиях Айовы сумма кредита составляет около 1,5 кг CO.2экв на галлон вытесненного бензина.
Некоторая часть кукурузы, выращенная для расширенного использования этанола, также может быть получена в результате преобразования земель, которые в противном случае не обрабатывались бы. Целинная земля со зрелым лесом или пастбищем содержит столько углерода, сколько когда-либо собиралось. Напротив, земля, которая ранее возделывалась, но в настоящее время не обрабатывается, накапливает углерод в почве или деревьях. Таким образом, при обработке целинных земель сразу же выделяется больше углерода, чем при обработке земель, которые накапливают углерод. Но выращивание сельскохозяйственных культур на ранее обработанных землях приводит к потере углерода, который мог бы накопиться на земле в последующие годы. Необходимо учитывать потерю ежегодного увеличения накопления углерода, если возделываются ранее возделываемые земли.
Примером ранее возделываемых земель являются площади, зарегистрированные в Программе заповедных заповедников (CRP).Чикагская климатическая биржа предполагает, что фермеры, которые превращают пахотные земли в пастбища, будут улавливать 750 кг CO.2экв на акр в год. Если мы используем это как количество потерянного связывания и если мы также предположим, что эквивалентное годовое количество запасов углерода в почве будет потеряно в результате переустройства земель, то дебет составит 5,3 кг CO.2экв на галлон вытесненного бензина необходимо вычесть из цифр, показанных на Рисунке 1. Этот дебет делает производство этанола из кукурузы чистым источником парниковых газов во всех случаях. Хотя фактический дебет на земле CRP может быть выше или ниже 5,3 кг, этот пример показывает, насколько чувствительной является мера чистого вклада этанола в парниковые газы.
На сегодняшний день расширение производства кукурузы в США для производства этанола в основном связано с заменой кукурузы на другую культуру, а не с преобразованием земель. Таким образом, мы делаем вывод, что этанол на основе кукурузы снижает выбросы парниковых газов. Однако этот вывод может оказаться неверным, если мы расширим наши границы учета, включив в них изменения в землепользовании в других странах.
Как объяснялось ранее, расширение производства кукурузы в США для производства этанола сократит производство сои в США. Но мировой спрос на сою не изменится. Результат — рост мировых цен на сою и сигнал для других стран о расширении производства. Если это производство происходит исключительно за счет переключения с менее ценных культур на соевые бобы, то только разница в уровне выбросов между двумя культурами может быть связана с производством этанола в США. Поскольку урожай сои является источником выбросов углерода с низким уровнем выбросов, такая разница, вероятно, приведет к тому, что кредит будет добавлен к этанолу в США. Однако, если расширение соевых бобов происходит за счет преобразования пастбищ или лесных угодий, то немедленная потеря углерода может быть связана с этанолом в США. Последний случай представляет собой потенциальное препятствие, которое необходимо преодолеть, прежде чем американский этанол можно будет считать низкоуглеродным топливом.
Выбор политики
Если, как это кажется вероятным, мы вступаем в будущее, в котором политические стимулы будут смещены в сторону поощрения производственной деятельности, сокращающей выбросы парниковых газов, тогда для биотопливной промышленности США важно предпринять шаги, чтобы обеспечить производство низкоуглеродного топлива. Ключевыми факторами, определяющими выбросы углерода при производстве этанола на основе кукурузы, являются: (1) используется ли уголь или природный газ для питания завода по производству этанола, (2) сушатся или продаются ли дистилляционные зерна в сыром виде и (3) происходит ли увеличение посевных площадей кукурузы. в основном за счет сокращения посевных площадей малоценных культур или за счет ввода в производство пустующей земли.
Первый из этих факторов в значительной степени находится под контролем владельцев заводов по производству этанола. Не сушить спиртовое зерно возможно только в том случае, если рядом с заводами по производству этанола расположены крупные мясные откормочные или молочные заводы. Государственная и местная политика, поощряющая размещение крупного рогатого скота в стратегически важных местах, может значительно повысить репутацию этанола с низким уровнем выбросов углерода. Последний фактор находится вне контроля промышленности. Коэффициенты преобразования простаивающих пахотных земель в США можно снизить за счет увеличения внутренних природоохранных стимулов, таких как арендные ставки CRP. Но это политическое решение создает дилемму: если земля в США будет простаивать из-за более высоких платежей за охрану окружающей среды, это окажет большее влияние на цены на урожай и у фермеров в других странах будет больше стимулов для расширения производства. Если бы это зарубежное производство было связано с преобразованием значительных участков незанятых земель, которые в противном случае никогда бы не были задействованы в производстве, то кукурузный этанол в США, вероятно, не смог бы претендовать на звание низкоуглеродного топлива. ♦
Copyright 2022. CARD — это центр, расположенный в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни Университета штата Айова.
