バイオエネルギー

バイオエネルギーは、植物や動物の廃棄物から得られる再生可能エネルギーの一種です。 ^[1]入力材料として使用されるバイオマスは、最近まで生きていた（しかし現在は死んでいる）生物、主に植物で構成されています。[ 2 ^]したがって、この定義では化石燃料はバイオマスとは見なされません。バイオエネルギーに一般的に使用されるバイオマスの種類には、木材、トウモロコシなどの食用作物、エネルギー作物、森林、庭、農場からの廃棄物などがあります。^[3]

バイオエネルギーは気候変動の緩和に役立ちますが、場合によっては、必要なバイオマス生産によって温室効果ガスの排出量が増加したり、地域の生物多様性の損失につながったりする可能性があります。バイオマス生産の環境への影響は、バイオマスの生産方法と収穫方法によっては問題となる可能性があります。

IEAの2050年までにネットゼロを達成するシナリオでは、伝統的なバイオエネルギーを2030年までに段階的に廃止し、現代のバイオエネルギーの割合を2020年の6.6%から2030年には13.1%、2050年には18.7%に増加させることを求めています。 ^[4]バイオエネルギーは、適切に実施されれば、気候変動を大幅に緩和する可能性があります。^{[5] : 637}地球温暖化を制限するために推奨されている経路のほとんどには、2050年にバイオエネルギーからの大きな貢献が含まれています（平均200 EJ）。^{[6] : B 7.4}

IPCC第6次評価報告書では、バイオエネルギーを「あらゆる形態のバイオマスまたはその代謝副産物から得られるエネルギー」と定義しています。[ ^{7] : 1795}さらに、この文脈ではバイオマスを「化石化した物質や地層に埋め込まれた物質を除く有機物質」と定義しています。 ^{[7] : 1795}つまり、この文脈では、石炭やその他の化石燃料はバイオマスの一種ではない ということです。

バイオエネルギーのための伝統的なバイオマスという用語は、「低所得国で一般的な、直火または非効率なストーブでの調理または暖房のための木材、木炭、農業残渣および/または動物の糞の燃焼」を意味します。^{[7] : 1796}

バイオマスは直接燃料として使用することもできるため（例：丸太）、バイオマスとバイオ燃料という用語は互換的に使用されることがあります。ただし、バイオマスという用語は通常、燃料の原料となる生物学的原材料を指します。バイオ燃料またはバイオガスという用語は、通常、それぞれ液体燃料または気体燃料に使用されます。^[8]

木材と木材残渣は、今日最大のバイオマスエネルギー源です。木材は燃料として直接使用することも、ペレット燃料または他の形態の燃料に加工することもできます。トウモロコシ、スイッチグラス、ススキ、竹などの他の植物も燃料として使用できます。^[9]主な廃棄物原料は、木材廃棄物、農業廃棄物、都市固形廃棄物、および製造廃棄物です。生のバイオマスをより高品質の燃料にアップグレードするには、熱、化学、または生化学に大まかに分類されるさまざまな方法があります。

熱変換プロセスは、熱を主なメカニズムとして利用し、バイオマスをより優れた実用的な燃料にアップグレードします。基本的な代替手段は焙焼、熱分解、ガス化であり、これらは主に関連する化学反応がどの程度進行するかによって区別されます（主に酸素の利用可能性と変換温度によって制御されます）。^[10]

多くの化学変換は、フィッシャー・トロプシュ合成などの確立された石炭ベースのプロセスに基づいています。^[11]石炭と同様に、バイオマスは複数の汎用化学物質に変換できます。^[12]

自然界ではバイオマスを構成する分子を分解する生化学的プロセスが発達しており、その多くは利用することができます。ほとんどの場合、微生物が変換に使用されます。これらのプロセスは嫌気性消化、発酵、堆肥化と呼ばれます。^[13]

バイオマス暖房システムはバイオマスから熱を生成します。システムでは、直接燃焼、ガス化、熱電併給(CHP)、嫌気性消化、または好気性消化を使用して熱を生成します。バイオマス暖房は完全に自動化されている場合もあれば、半自動化されている場合もあります。ペレット燃焼の場合もあれば、熱電併給システムである場合もあります。

バイオマスの供給源に基づいて、バイオ燃料は食用作物が使用されるかどうかに応じて、大きく2つのカテゴリに分類されます。^[14]

第一世代（または「従来型」）バイオ燃料は、サトウキビやトウモロコシなどの耕作地で栽培される食料源から作られています。このバイオマスに含まれる糖は発酵されてバイオエタノールを生産します。バイオエタノールは、ガソリンの添加剤として、または燃料電池で電気を生成するために使用されるアルコール燃料です。バイオエタノールは発酵によって作られ、主にトウモロコシ、サトウキビ、サトウキビなどの砂糖またはデンプン作物から生成される炭水化物から作られます。バイオエタノールは米国とブラジルで広く使用されています。バイオディーゼルは、たとえば菜種やテンサイの油から生産され、ヨーロッパで最も一般的なバイオ燃料です。^[要出典]

第二世代バイオ燃料（「先進バイオ燃料」とも呼ばれる）は、多年生エネルギー作物や農業残渣/廃棄物などの非食用バイオマス源を利用する。燃料の製造に使用される原料は、耕作地で栽培されているが主作物の副産物であるか、限界地で栽培されている。産業、農業、林業、家庭からの廃棄物も、嫌気性消化によるバイオガスの生成、ガス化による合成ガスの生成、または直接燃焼によって、第二世代バイオ燃料に使用できる。樹木や草などの非食用源から得られるセルロース系バイオマスは、エタノール生産の原料として開発されており、バイオディーゼルは、植物油や動物性脂肪などの残り物の食品から生産できる。^[要出典]

• バイオマスから液体へ

• バイオマスから混合アルコール燃料へのバイオ変換

作物の表面発電密度によって、生産に必要な土地の面積が決まります。バイオマス、風力、水力、太陽光発電のライフサイクル平均表面発電密度は、それぞれ0.30 W/m ²、1 W/m ²、3 W/m ²、5 W/m ²です（バイオマスの場合は熱、風力、水力、太陽光の場合は電気の形での電力）。^[15]ライフサイクル表面発電密度には、すべての支援インフラ、製造、採掘/収穫、廃止に使用される土地が含​​まれます。

別の推定では、バイオマスでは0.08 W/m ²、水力では0.14 W/m ^{2 、風力では1.84 W/m 2}、太陽光では6.63 W/m ²（いずれも中央値、再生可能資源は10 W/m ²を超えない）となっている。^[16]

炭素回収・貯留技術は、バイオエネルギー発電所からの排出物を回収するために使用できます。このプロセスは、炭素回収・貯留を備えたバイオエネルギー（BECCS）として知られており、大気から正味の二酸化炭素を除去することができます。ただし、BECCSは、バイオマス材料の栽培、収穫、輸送方法に応じて、正味の排出量を増やすこともできます。一部の気候変動緩和経路で説明されている規模でBECCSを展開するには、大量の農地を転換する必要があります。^[17]

炭素回収・貯留バイオエネルギー（BECCS）は、バイオマスからバイオエネルギーを抽出し、生成された二酸化炭素（CO ₂ ）を回収して貯留するプロセスです。

バイオエネルギーからの温室効果ガス排出量は低く抑えられる可能性がある。なぜなら、バイオエネルギーのために植物を収穫すると、光合成によって空気中のCO ₂を吸収する新しい植物が育つ可能性があるからだ。^[19]バイオマスが収穫された後、バイオマスは燃焼、発酵、熱分解、またはその他の変換方法によって利用され、エネルギー（「バイオエネルギー」）は有用な形（電気、熱、バイオ燃料など）で抽出される。バイオエネルギーを使用するとCO _{2が排出される。BECCSでは、CO 2}の一部は大気中に放出される前に捕捉され、炭素回収・貯留技術を使用して地中に貯留される。^[20]ある条件下では、BECCSは大気から二酸化炭素を取り除くことができる。 ^[20]

BECCSによる負の排出の潜在的な範囲は、年間0～22ギガトンと推定されている。 [ 21 ^] 2024年現在、世界では3つの大規模なBECCSプロジェクトが稼働している。^[22] BECCSの広範な展開は、コストとバイオマスの入手可能性によって制約されている。^{[23] [24] ：10}バイオマス生産は土地集約型であるため、BECCSの展開は食料生産、人権、生物多様性に大きなリスクをもたらす可能性がある。^[25]

バイオエネルギーは、温室効果ガスの排出を軽減（つまり削減）することも、増加させることもできます。また、地域環境への影響が問題となる可能性があることについても合意が得られています。^[要出典]たとえば、バイオマス需要の増加は、バイオマスが生産される場所で大きな社会的および環境的圧力を生み出す可能性があります。 ^{[38]この影響は主に、バイオマスの}表面電力密度が低いことに関係しています。表面電力密度が低いと、たとえば化石燃料と比較して、同じ量のエネルギーを生産するためにはるかに広い土地面積が必要になります。

バイオマスの長距離輸送は無駄が多く持続不可能であると批判されており^{[39] 、スウェーデン[40]}やカナダ^[41]では森林バイオマスの輸出に反対する抗議活動が行われてきた。

2020年にバイオエネルギーは58 EJ（エクサジュール）のエネルギーを生産したが、原油からは172 EJ 、石炭からは157 EJ、天然ガスからは138 EJ 、原子力からは29 EJ、水力からは16 EJ、風力、太陽光、地熱を合わせたエネルギーからは15 EJであった。^[42]世界のバイオエネルギーのほとんどは森林資源から生産されている。^{[43] : 3  [44] : 1}

全体的に、バイオエネルギーの拡大は2020年に50％減少しました。2020年に大幅な拡大を報告した地域は中国とヨーロッパのみで、それぞれ2GWと1.2GWのバイオエネルギー容量が追加されました。^[45]

利用可能な製材所の残渣のほぼすべてがすでにペレット生産に利用されているため、拡大の余地はありません。バイオエネルギー部門が将来大幅に拡大するには、収穫されたパルプ材のより多くの部分をペレット工場に送る必要があります。しかし、パルプ材（間伐材）を収穫すると、これらの木が成長して炭素保持能力を最大化する可能性がなくなります。^{[46] : 19}パルプ材と比較すると、製材所の残渣は純排出量が少ないです。「バイオマス原料の種類によっては、少なくとも数年間はカーボンニュートラルになる可能性があり、特に製材所の残渣が含まれます。これらは他の森林事業からの廃棄物であり、追加の伐採は不要であり、廃棄物として焼却または腐敗したままにすると、いずれにしても大気中に炭素が放出されます。」^{[46] : 68}