Biomasa z energii słonecznej

George W. Bush, luty 2006 Wszystkie dostępne rozwiązania bioenergetyczne opierają się na koncepcji uprawiania roślin, a następnie robienia z nimi czegoś. Jak wiele energii można w ten sposób potencjalnie uzyskać?

Istnieją cztery główne sposoby pozyskiwania energii z zasilanych słońcem systemów biologicznych:

1. Możemy uprawiać wyselekcjonowane rośliny i spalać je w elektrowni, która produkuje prąd elektryczny lub ciepło, lub jedno i drugie. Można to określić jako substytucję węgla .
2. Możemy uprawiać specjalnie dobrane rośliny (na przykład rzepak, trzcinę do samochodów, pociągów, samolotów lub wszędzie tam, gdzie okażą się przydatne. Możemy również hodować genetycznie modyfikowane bakterie, cyjanobakterie lub algi, które w sposób bezpośredni produkują wodór, etanol, butanol czy nawet prąd elektryczny. Takie rozwiązania nazwalibyśmy substytucją ropy .
3. Możemy wykorzystać produkty uboczne pochodzące z innych rodzajów działalności rolnej i spalać je w elektrowni. Produktami ubocznymi mogą być zarówno słoma (odpad z produkcji chrupek kukurydzianych), jak i kurze odchody (odpad z produkcji McNuggets). Spalanie produktów ubocznych jest również substytucją węgla, jednak przy użyciu zwykłych roślin, a nie roślin wysokoenergetycznych. Elektrownia spalająca odpady z produkcji rolnej nie dostarczy tak dużej mocy na jednostkę powierzchni uprawnej, jak zoptymalizowana uprawa biomasy, ale jej zaletą będzie to, że nie wymusi przejmowania terenów uprawnych przez uprawy energetyczne .
   Spalanie metanu z wysypiska śmieci to podobny sposób pozyskiwania energii, jednak jest on zrównoważony jedynie wtedy, gdy mamy zrównoważone źródło odpadów dla wysypisk (większość metanu z tego źródła pochodzi z odpadów spożywczych; przeciętny Brytyjczyk wyrzuca ok. 300 g jedzenia dziennie). Spalanie odpadów z gospodarstw domowych jest kolejną, odrobinę mniej okrężną, drogą pozyskiwania energii z biomasy .
4. Możemy uprawiać rośliny i karmić nimi bezpośrednio ludzi i zwierzęta, także potrzebujących energii .

We wszystkich tych procesach pierwszym „krokiem energetycznym” jest cząsteczka chemiczna, czyli węglowodan w roślinie zielonej. Możemy więc oszacować moc możliwą do uzyskania w każdym z procesów lub we wszystkich razem poprzez oszacowanie, jak wiele mocy można pozyskać na tym etapie. Wszystkie następne kroki, obejmujące traktory, zwierzęta, środki chemiczne, składowiska odpadów czy też elektrownie, mogą powodować jedynie utratę energii. A zatem na pierwszym etapie moc jest większa od mocy pochodzącej ze wszystkich opartych na roślinach rozwiązań energetycznych .

Oszacujmy zatem wielkość mocy na tym pierwszym etapie (w Rozdziale D zagłębimy się w szczegóły, szacując maksymalny wynik każdego procesu) .

Średnia moc słońca dostępna w Wielkiej Brytanii wynosi 100 W/m2. Najbardziej wydajne rośliny w Europie mają zaledwie 2-procentową efektywność w procesie zamiany energii słonecznej w węglowodany, co wskazuje, że uprawy roślin mogą dostarczyć 2 W/m2. Jednak ich efektywność spada przy większym natężeniu światła i najlepsze rzeczywiste rezultaty z upraw energetycznych w Europie są raczej bliższe 0,5 W/m2. Pokryjmy teraz 75% kraju roślinami wysokiej jakości energetycznej. Oznacza to 3000 m2 na osobę przeznaczone na bioenergię. Tyle zajmują dzisiaj tereny rolnicze w Wielkiej Brytanii .

Uzup. red.: W przypadku etanolu uzyskiwanego z kukurydzy (będącego np. głównym biopaliwem w USA) zysk energetyczny wynosi 0,2 W/m2. Niestety produkcja etanolu wymaga znaczącego wkładu energetycznego z paliw kopalnych, wynoszącego… również 0,2 W/m2, co czyni całe przedsięwzięcie energetycznie nieopłacalnym. Jedynym sposobem na wyciągnięcie korzyści energetycznych z takiego procesu jest wykorzystanie wszystkich produktów ubocznych. Shapouri et al. szacują, że produkcja etanolu z kukurydzy ma współczynnik energetyczny równy 1,24, co oznacza, że produkcja mocy netto wynosi 0,048 W/m2 .

Dlatego też maksymalna dostępna moc, z pominięciem wszystkich dodatkowych kosztów sadzenia, zbierania i przetwarzania roślin, wynosi:

0,5 W/m2 × 3000 m2 na osobę = 36 kWh/d na osobę .

To nie za wiele, jeśli weźmiemy pod uwagę niesłychanie szczodre założenia, które przyjęliśmy, by osiągnąć wysoki wynik. Jeśli chcielibyście otrzymać biopaliwa do samochodów lub samolotów z roślin, to pozostałe ogniwa łańcucha – od pola uprawnego przez stację paliwową do świecy zapłonowej – wiążą się ze stratą energii. Optymizmem byłoby zakładać, że całkowite straty związane z procesem przetwarzania mogłyby wynieść zaledwie 33%. Nawet w dobrym kotle podczas spalania suchego drewna przez komin ucieka 20% ciepła. Rzeczywisty potencjał biomasy i biopaliw z pewnością nie może być większy niż 24 kWh/d na osobę. I nie zapominajmy o tym, że część roślin chcemy przecież przeznaczyć na pożywienie dla nas i naszych zwierząt .

W Polsce użytki rolne zajmują blisko 60% powierzchni kraju, co daje 4 500 m2 na osobę. Z jednej strony nasz klimat jest trochę bardziej słoneczny, lecz z drugiej mamy ostrzejsze zimy, mniejsze opady i gleby słabszej jakości .
W naszych szacunkach założymy, że podobnie jak w Wielkiej Brytanii możemy uzyskać 0,5 W/m2. Otrzymujemy więc:

0,5 W/m2 × 4500 m2 na osobę = 54 kWh/d na osobę

Przyjmując za Davidem MacKayem straty energii równe 33%, otrzymujemy wynik 36 kWh/d na osobę, czyli trochę lepszy niż w Wielkiej Brytanii .

Czy inżynieria genetyczna mogłaby wyprodukować rośliny, które zamieniają energię słoneczną w chemiczną z większą wydajnością? Niewykluczone. Nie znalazłem jednak żadnej publikacji naukowej przewidującej, że rośliny w Europie mogłyby osiągnąć moc produkcyjną, która na czysto wyniosłaby więcej niż 1 W/m2 .

Dorzucę 24 kWh/d na osobę do zielonego słupka, z zastrzeżeniem, że według mnie liczba ta jest zawyżona. Wydaje mi się, że rzeczywista maksymalna moc, którą możemy uzyskać z biomasy, byłaby mniejsza ze względu na straty w procesie uprawiania i przetwarzania .

Według mnie wniosek jest prosty: biopaliwa nie mają sensu, a przynajmniej nie w krajach takich jak Wielka Brytania i nie jako zamiennik dla całości paliw używanych w transporcie. Nawet jeśli na chwilę zapomnimy o głównych wadach biopaliw – ich produkcja ogranicza produkcję żywności, zaś dodatkowy wkład energetyczny niezbędny do ich uprawy i przetwarzania często niweluje większość wyprodukowanej energii (Rys. 6.14.) – to biopaliwa produkowane z roślin w europejskim kraju, takim jak Wielka Brytania, mogą dostarczyć tak niewiele mocy, że według mnie właściwie nie warto o nich mówić .

Polska ma wysoki potencjał rozwoju energii z biomasy, chociaż pomysł, żeby pod uprawy energetyczne zająć całość dostępnych obszarów uprawnych, zapominając o produkcji żywności i eliminując istniejące ekosystemy pól, łąk i pastwisk, wydaje się mało realistyczny .

przypis. 6.7., przypis. 6.8.