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エネルギー生産の文脈では、バイオマスとは、バイオエネルギー生産に利用される、最近まで生きていた（しかし今は死んでいる）生物由来の物質のことです。例としては、木材、木材残渣、エネルギー作物、藁などの農業残渣、産業や家庭からの有機廃棄物などがあります。 [ 1 ]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、ペレット燃料やその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、ミスカンサス、竹などの他の植物も燃料として使用できます。[ 2 ]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、製造廃棄物です。生のバイオマスを高品位の燃料にアップグレードするには、さまざまな方法があり、熱、化学、生化学に大別されます。
バイオエネルギーの気候への影響は、バイオマス原料の産地や栽培方法によって大きく異なります。[ 3 ]例えば、エネルギーのために木材を燃やすと二酸化炭素が放出されます。伐採された木が適切に管理された森林で新しい木に置き換えられれば、新しい木が成長するにつれて空気中の二酸化炭素を吸収するため、これらの排出量を大幅に相殺できます。[ 4 ]しかし、バイオマス原料の栽培は、生物多様性を減少させ、土壌を劣化させ、食料生産から土地を奪う可能性があります。[ 5 ]また、灌漑や肥料のために水を消費する可能性もあります。[ 6 ] [ 7 ]
世界の耕作可能な土地と水資源は、食料に必要なバイオマスを生産し、再生可能電力を経済的に利用できない場合にカーボンニュートラルなエネルギー需要を補うのに十分である。[ 8 ]世界のピーク人口の総エネルギー需要に対して化石燃料の代わりにバイオマスと再生可能電力を使用しても、人為的な温室効果ガス排出量は増加しない。バイオマス経済は、再生可能エネルギー経済に次ぐ存在として台頭する可能性がある。[ 9 ]
バイオマス（エネルギー生成の文脈において）とは、バイオエネルギー生産に利用される、最近まで生きていた（しかし現在は死んでいる）生物由来の物質のことである。エネルギー用のバイオマスの定義には、例えば植物のみ[ 10 ] 、植物と藻類[ 11 ] 、あるいは植物と動物[ 12 ]など、様々なバリエーションがある。バイオエネルギーに利用されるバイオマスの大部分は植物由来である。バイオエネルギーは、気候変動緩和に役立つ可能性のある再生可能エネルギーの一種である[ 13 ]。
バイオマスとバイオ燃料という用語を同義語として使う人もいますが、現在では米国やEUの政府当局の定義によれば、バイオ燃料は輸送に使用される液体または気体の燃料であると考える方が一般的です。 [ a ] [ b ]その観点からすると、バイオ燃料はバイオマスのサブセットです。
欧州連合の共同研究センターは、固体バイオ燃料を、薪、木片、木質ペレットなど、エネルギーとして使用される生物由来の未加工または加工された有機物と定義している。[ 14 ]
上記の表からもわかるように、おがくずなどのバイオマスをエネルギー源として利用する際の主な問題点は、化石燃料に比べてエネルギー含有量がはるかに低いことである。
バイオマスには様々な種類があり、それぞれ異なる目的に利用されます。
バイオマスは、エネルギーのために直接収穫されるバイオマス（一次バイオマス）と、残渣や廃棄物（二次バイオマス）に分類される。[ 16 ] [ 17 ]
エネルギーとして直接収穫される主なバイオマスの種類は、木材、一部の食用作物、およびすべての多年生エネルギー作物です。世界の森林面積40億ヘクタールの3分の1は、木材生産またはその他の商業目的で使用されており、[ 18 ]森林は、世界中でエネルギーに使用されるすべてのバイオマスの85%を供給しています。[ 19 ] : 3 EUでは、森林はエネルギーに使用されるすべてのバイオマスの60%を供給しており、[ 20 ]木材残渣と廃棄物が最大の供給源となっています。[ 21 ]
エネルギーとして使用される木質バイオマスは、特に発展途上国において、伝統的な調理や暖房目的で収穫された樹木や低木で構成されることが多く、これらの目的で世界全体で年間 25 EJ が使用されています。 [ 22 ]この慣行は、非常に汚染を引き起こします。世界保健機関(WHO) は、調理関連の汚染が年間 380 万人の死亡を引き起こしていると推定しています。[ 23 ]国連の持続可能な開発目標 7は、調理のためのバイオマスの伝統的な使用を 2030 年までに段階的に廃止することを目指しています。 [ 24 ]短伐期萌芽林[ c ]および短伐期森林[ d ]もエネルギーとして直接収穫され、4 EJ のエネルギーを供給しており[ 22 ]、持続可能と考えられています。これらの作物および多年生エネルギー作物が、2050 年までに年間少なくとも 25 EJ のエネルギーを供給できる可能性が推定されています。[ 22 ] [ e ]
エネルギー用に収穫される食用作物には、砂糖生産作物（サトウキビなど）、デンプン生産作物（トウモロコシなど）、油生産作物（菜種など）が含まれます。[ 25 ]サトウキビは多年生作物ですが、トウモロコシと菜種は一年生作物です。砂糖生産作物とデンプン生産作物はバイオエタノールの製造に使用され、油生産作物はバイオディーゼルの製造に使用されます。米国はバイオエタノールの最大の生産国であり、欧州連合はバイオディーゼルの最大の生産国です。[ 26 ]バイオエタノールとバイオディーゼルの世界的生産量は、それぞれ年間2.2 EJと1.5 EJのエネルギーを供給しています。[ 27 ]エネルギー用に収穫される食用作物から作られるバイオ燃料は、「第一世代」または「従来型」バイオ燃料としても知られており、排出量削減効果は比較的低いです。
IPCCは、世界中で0.32億ヘクタールから14億ヘクタールの限界地がバイオエネルギーに適していると推定している。[ f ]
残渣および廃棄物は、主にエネルギー以外の目的で採取された生物材料から生じる副産物である。最も重要な副産物は、木材残渣、農業残渣、および都市・産業廃棄物である。
木材残渣は、林業作業または木材加工産業 の副産物です。残渣が収集されバイオエネルギーに使用されなかった場合、森林の地面や埋立地で腐敗し（したがって排出物を発生させる） [ g ]、森林内の道路脇や木材加工施設の外で焼却され（そして排出物を発生させる）ことになります。[ 28 ]
林業作業の副産物は伐採残渣または森林残渣と呼ばれ、樹冠、枝、切り株、損傷または枯れかけまたは枯死した木、不規則または曲がった幹の部分、間伐（より大きな木が大きく育つようにするために取り除かれた小さな木）、および山火事のリスクを減らすために除去された木で構成されています。[ h ]伐採残渣の抽出レベルは地域によって異なりますが、[ i ] [ j ]この原料の使用に対する関心が高まっています。 [ k ]持続可能な潜在力は大きい（年間15 EJ）ためです。[ l ] EUの森林バイオマス全体の68%は木の幹で構成され、32%は切り株、枝、樹冠で構成されています。[ 29 ]
木材加工産業の副産物は木材加工残渣と呼ばれ、切りくず、削りくず、おがくず、樹皮、黒液から構成されます。[ 30 ]木材加工残渣の総エネルギー含有量は年間5.5 EJです。[ 31 ]木質ペレットは主に木材加工残渣から作られ、[ m ]総エネルギー含有量は0.7 EJです。[ n ]木材チップは原料の組み合わせから作られ、[ 32 ]総エネルギー含有量は0.8 EJです。[ o ]
エネルギーとして利用される農業残渣のエネルギー含有量は約 2 EJ です。[ p ]しかし、農業残渣には大きな未開発の可能性が秘められています。世界の農業残渣生産におけるエネルギー含有量は年間 78 EJ と推定されており、その大部分は藁 (51 EJ) によるものです。[ q ]他の研究では 18 ～ 82 EJ と推定されています。[ r ]持続可能かつ経済的に実現可能な農業残渣および廃棄物の利用[ 16 ] : 9 は、2030 年までに 37 ～ 66 EJ に増加すると予想されています。[ s ]
都市ごみは1.4 EJ、産業ごみは1.1 EJを生成した。[ 33 ]都市や産業からの木材廃棄物も1.1 EJを生成した。[ 31 ]木材廃棄物の持続可能な潜在能力は2～10 EJと推定されている。[ 34 ] IEAは、2050年までに廃棄物利用を年間45 EJに大幅に増加させることを推奨している。[ 35 ]
未加工のバイオマスは、圧縮（例えば木質ペレット）するだけで、より良質で実用的な燃料にアップグレードできる。また、熱的、化学的、生化学的に大別される様々な変換によってもアップグレードできる。[ 36 ]バイオマス変換は、高密度の商品を輸送する方が安価であるため、輸送コストを削減する。[ 37 ] [ 16 ] : 53
熱改質では、熱が主な変換駆動力となって固体、液体、または気体の燃料が生成されます。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、関与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。[ 9 ]化学反応の進行は、主に利用可能な酸素の量と変換温度によって制御されます。
焙焼は、有機物を無酸素または低酸素環境で400～600 °F (200～300 °C) に加熱する穏やかな熱分解の一種です。 [ 38 ] [ 39 ]加熱プロセスでは、エネルギー含有量が最も低いバイオマスの部分がガス化によって除去され、エネルギー含有量が最も高い部分が残ります。焙焼プロセス中にバイオマスの約 30% がガスに変換され、70% が通常圧縮ペレットまたはブリケットの形で残ります。この固体製品は耐水性があり、粉砕しやすく、非腐食性で、元のバイオマスのエネルギーの約 85% を含んでいます。[ 40 ]基本的に質量部分はエネルギー部分よりも大きく縮小しており、その結果、焙焼バイオマスの発熱量が大幅に増加し、発電に使用される石炭 (蒸気/熱炭) と競合できるほどになります。現在最も一般的な蒸気用石炭のエネルギー密度は 22～26 GJ/t です。[ 41 ]水熱アップグレード (「湿式」焙焼と呼ばれることもあります)など、あまり一般的ではない、より実験的または独自の熱処理プロセスも利点をもたらす可能性があります。 [ t ]水熱アップグレード経路は、低水分含有量と高水分含有量の両方のバイオマス、例えば水性スラリーに使用できます。[ 42 ]焙焼されたバイオマス、バイオ炭、バイオコークスは、高炉でグリーン鋼、グリーン尿素/アンモニア/水素、グリーンスラグセメントの製造に使用できます。[ 43 ]
熱分解とは、有機物を酸素がほぼ完全に存在しない状態で800～900 °F（400～500 °C）まで加熱することです。バイオマスの熱分解では、バイオオイル、木炭、メタン、水素などの燃料が生成されます。水素化処理は、触媒の存在下で高温高圧下でバイオオイル（高速熱分解によって生成されたもの）を水素で処理し、再生可能なディーゼル、再生可能なガソリン、再生可能なジェット燃料を生成するために使用されます。[ 44 ]
ガス化とは、有機物を1,400～1,700 °F（800～900 °C）に加熱し、容器内に制御された量の酸素および/または水蒸気を注入して、一酸化炭素と水素を豊富に含む合成ガスまたはシンガスと呼ばれるガスを生成するプロセスです。シンガスは、ディーゼルエンジンの燃料、暖房、ガスタービンでの発電に使用できます。また、ガスから水素を分離する処理も可能で、水素は燃焼させたり、燃料電池で使用したりできます。シンガスは、フィッシャー・トロプシュ合成プロセスを使用して液体燃料を製造するためにさらに処理することもできます。[ 36 ] [ 45 ]
バイオマスは、貯蔵、輸送、使用が容易な燃料を生産するため、または変換プロセスに固有の特性を利用するために、さまざまな化学プロセスによって他の形態に変換されることがあります。これらのプロセスの多くは、フィッシャー・トロプシュ合成などの石炭ベースのプロセスに大きく基づいています。[ 46 ]トランスエステル化として知られる化学変換プロセスは、植物油、動物性脂肪、グリースを脂肪酸メチルエステル（FAME）に変換するために使用され、これはバイオディーゼルの生産に使用されます。[ 36 ]
生化学的プロセスは、バイオマスを構成する分子を分解するために自然界で発達しており、その多くは利用可能です。ほとんどの場合、微生物が変換を行うために使用されます。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。[ 47 ]
発酵はバイオマスをバイオエタノールに変換し、嫌気性消化はバイオマスを再生可能な天然ガス（バイオガス）に変換します。バイオエタノールは自動車燃料として使用されます。[ 48 ]再生可能な天然ガス（バイオガスまたはバイオメタンとも呼ばれる）は、下水処理場や酪農場、畜産施設の嫌気性消化槽で生産されます。また、固形廃棄物埋立地でも生成され、そこから回収されることもあります。適切に処理された再生可能な天然ガスは、化石燃料の天然ガスと同じ用途があります。[ 36 ]
バイオエネルギーの気候への影響は、バイオマス原料の産地や栽培方法によって大きく異なります。[ 49 ]例えば、エネルギーのために木材を燃やすと二酸化炭素が放出されますが、伐採された木が適切に管理された森林で新しい木に置き換えられれば、新しい木が成長するにつれて空気中の二酸化炭素を吸収するため、これらの排出量を大幅に相殺できます。[ 50 ]しかし、バイオエネルギー作物の定着と栽培は、自然生態系を破壊し、土壌を劣化させ、水資源や合成肥料を消費する可能性があります。[ 6 ] [ 7 ]
熱帯地域で伝統的な暖房や調理に使用される木材の約3分の1は、持続不可能な方法で伐採されています。[ 51 ]バイオエネルギーの原料は、通常、伐採、乾燥、輸送にかなりのエネルギーを必要とします。これらのプロセスで使用されるエネルギーは、温室効果ガスを排出する可能性があります。場合によっては、土地利用の変化、栽培、加工の影響により、化石燃料の使用と比較して、バイオエネルギーの全体的な炭素排出量が高くなることがあります。[ 7 ] [ 52 ]
バイオマス栽培に農地を使用すると、食料栽培に利用できる土地が少なくなる可能性がある。米国では、自動車用ガソリンの約10%がトウモロコシ由来のエタノールに置き換えられており、収穫量のかなりの部分が必要となる。[ 53 ] [ 54 ]マレーシアとインドネシアでは、バイオディーゼル用のパーム油を生産するために森林を伐採した結果、これらの森林は重要な炭素吸収源であり、多様な種の生息地であるため、深刻な社会的および環境的影響が生じている。 [ 55 ] [ 56 ]光合成は太陽光のエネルギーのごく一部しか取り込まないため、一定量のバイオエネルギーを生産するには、他の再生可能エネルギー源と比較して広大な土地が必要となる。[ 57 ]
現代のバイオエネルギーの気候変動への影響という問題に関して、IPCCは「現代のバイオエネルギー代替品のライフサイクルGHG排出量は、通常、化石燃料の排出量よりも低い」と述べている。[ 58 ]その結果、IPCCのGHG削減経路のほとんどには、バイオエネルギー技術の大幅な導入が含まれている。[ 59 ]
一部の研究グループは、ヨーロッパと北米の森林炭素蓄積量が増加しているとしても、伐採された木が再生するには時間がかかりすぎると述べている。回収期間とパリティ期間が長いバイオエネルギー源からのバイオエネルギーは、気候変動緩和に影響を与えるまでに長い時間がかかる。そのため、EUは持続可能性基準を調整し、炭素回収期間が10年未満の再生可能エネルギーのみを持続可能なエネルギーとして定義すべきだと提案している。[ u ]例えば、風力、太陽光、そうでなければ焼却されるか比較的早く分解される木材残渣や間伐材からのバイオマス、短伐期萌芽更新（SRC）からのバイオマスなどである。[ 60 ]
IPCCは、「森林内の個々の林分は炭素源または炭素吸収源のいずれかである可能性があるが、森林の炭素収支はすべての林分の正味収支の合計によって決定される」と述べている。[ 61 ] IPCCはまた、炭素会計に普遍的に適用できる唯一のアプローチは、管理された土地（例えば森林景観）の炭素排出量と炭素除去（吸収）の両方を考慮するものであると述べている。[ 62 ] : 2.67合計を計算すると、火災や昆虫の蔓延などの自然撹乱が差し引かれ、残るのは人間の影響である。[ v ]
IEAバイオエネルギーは、短期的な視点にのみ焦点を当てると、長期的に効率的な炭素削減を達成することが難しくなると述べており、新しいバイオエネルギー技術への投資を、例えばバッテリー製造の規模拡大や鉄道インフラの開発など、2030年以降にのみ排出削減をもたらす他の再生可能エネルギー技術への投資と比較している。[ w ]森林炭素排出回避戦略は短期的な緩和効果をもたらすが、持続可能な林業活動による長期的な効果は、継続的な森林製品とエネルギー資源を提供する。[ 61 ]
IPCCのGHG緩和経路のほとんどには、バイオエネルギー技術の大幅な導入が含まれています。[ 59 ]バイオエネルギー経路が限定的またはまったくない場合、気候変動が悪化するか、バイオエネルギーの緩和負荷が他のセクターにシフトします。[ x ]さらに、緩和コストが増加します。[ y ]
カーボンポジティブシナリオはCO2の正味排出者となる可能性が高く、カーボンネガティブプロジェクトはCO2の正味吸収者となる一方、カーボンニュートラルプロジェクトは排出と吸収のバランスが取れている。[ 63 ]
比較のために代替シナリオ（「参照シナリオ」または「反事実」とも呼ばれる） を含めることは一般的である。 [ 64 ]代替シナリオは、既存のプロジェクトと比較してわずかな変更しかないシナリオから、根本的に異なるシナリオ（森林保護や「バイオエネルギーなし」の反事実など）まで多岐にわたる。一般的に、シナリオ間の違いは、シナリオの実際の炭素削減ポテンシャルと見なされる。 [ 65 ]
代替シナリオの選択に加えて、他の選択も行う必要があります。いわゆる「システム境界」は、実際の計算に含める炭素排出量/吸収量と除外する炭素排出量/吸収量を決定します。システム境界には、時間的、空間的、効率性に関連する境界と経済的な境界が含まれます。[ 30 ]
例えば、バイオエネルギーの実際の炭素強度は、バイオマス生産技術や輸送距離によって変化する。
時間的境界は、炭素の計算を開始および終了する時期を定義します。場合によっては、「初期」の事象が計算に含まれることがあります。たとえば、最初の伐採前に森林で行われている炭素吸収などです。また、「後期」の事象が含まれる場合もあります。たとえば、関連するインフラストラクチャのライフサイクル終了活動によって引き起こされる排出量、たとえば工場の解体などです。プロジェクトまたはシナリオに関連する炭素の排出と吸収は時間とともに変化するため、正味炭素排出量は、時間依存型（たとえば、時間軸に沿って移動する曲線）として、または静的な値として表示できます。静的な値とは、定義された期間にわたって計算された平均排出量を示します。
時間依存の正味排出曲線は、通常、開始時（バイオマスの収穫時にカウントを開始する場合）に高い排出量を示します。あるいは、開始点を植栽イベントに遡らせることもできます。この場合、土地利用の変化による炭素負債を返済する必要がなく、さらに植栽された樹木によってますます多くの炭素が吸収される場合、曲線はゼロを下回る（炭素マイナス領域に入る）可能性があります。その後、排出曲線は収穫時に急上昇します。収穫された炭素は他の炭素プールに分配され、曲線はこれらの新しいプールに移動される炭素の量（Y軸）と、炭素がプールから移動して大気を介して森林に戻るのにかかる時間（X軸）と連動して動きます。上記のように、炭素返済時間とは、収穫された炭素が森林に戻るのにかかる時間であり、炭素パリティ時間とは、2つの競合するシナリオで貯蔵されている炭素が同じレベルに達するのにかかる時間です。[ z ]
静的炭素排出量値は、特定の期間の年間平均正味排出量を計算することによって生成されます。特定の期間は、関係するインフラストラクチャの予想寿命（ライフサイクルアセスメント（LCA）で一般的）、パリ協定に触発された政策に関連する時間軸（たとえば、2030年、2050年、または2100年までの残りの時間）[ 66 ]、異なる地球温暖化係数（GWP、通常は20年または100年）に基づく時間スパン[ aa ]、またはその他の時間スパンである可能性があります。EUでは、土地利用の変化による正味炭素影響を定量化する際に20年の時間スパンが使用されます。[ ab ]一般的に、法律では、動的で時間依存の曲線アプローチよりも静的数値アプローチが好まれます。数値は、いわゆる「排出係数」（生産エネルギー単位あたりの正味排出量、たとえば、1 GJあたりのkg CO 2 e）として、またはさらに単純に、特定のバイオエネルギー経路の平均温室効果ガス削減率として表されます。[ ac ]再生可能エネルギー指令（RED）およびその他の法的文書で使用されている特定のバイオエネルギー経路に関するEUの公表温室効果ガス削減率は、ライフサイクルアセスメント（LCA）に基づいています。[ ad ] [ ae ]
空間境界は、炭素排出/吸収計算のための「地理的」境界を定義します。森林における CO 2 の吸収と排出の最も一般的な 2 つの空間境界は、1) 特定の森林区画の縁に沿ったものと、2) 樹齢の異なる多数の森林区画を含む森林景観全体の縁に沿ったものです (森林区画は、区画の数と同じ年数にわたって、1 つずつ伐採され、植え替えられます)。3 つ目の選択肢は、いわゆる増加する区画レベルの炭素会計方法です。研究者は、個々の区画、増加する区画数、または森林景観全体のいずれに焦点を当てるかを決定する必要があります。IPCC は、景観レベルの炭素会計を推奨しています。
さらに、研究者は、直接的または間接的な土地利用の変化による排出量を計算に含めるかどうかを決定する必要があります。ほとんどの研究者は、直接的な土地利用の変化による排出量、例えば、代わりに農業プロジェクトを開始するために森林を伐採することによって発生する排出量を含めます。間接的な土地利用の変化の影響を含めることは、正確に定量化するのが困難であるため、より議論の余地があります。[ af ] [ ag ]他の選択肢としては、将来の森林の可能性のある空間的境界を定義することが挙げられます。
効率に関連する境界は、さまざまなバイオマス燃焼経路の燃料代替効率の範囲を定義します。さまざまなサプライチェーンは、供給されたエネルギー単位あたりに排出される炭素の量が異なり、さまざまな燃焼施設は、さまざまな燃料に蓄えられた化学エネルギーを、異なる効率で熱または電気エネルギーに変換します。研究者はこれを理解し、検討中のさまざまなバイオマス燃焼経路に対して現実的な効率範囲を選択する必要があります。選択された効率は、いわゆる「置換係数」を計算するために使用されます。これは、化石炭素が生物由来の炭素によってどれだけ効率的に置き換えられるかを示す単一の数値です。[ 67 ] [ 30 ]たとえば、10トンの炭素が現代の石炭火力発電所の半分の効率で燃焼された場合、実際に置き換えられたとカウントされる石炭はわずか5トンです（置換係数0.5）。
一般的に、非効率な（古いまたは小型の）燃焼設備で燃焼される燃料は、効率の良い（新しいまたは大型の）設備で燃焼される燃料よりも低い置換係数が割り当てられます。これは、同じ量のエネルギーを生成するために、より多くの燃料を燃焼させる必要がある（したがって、より多くの CO 2が放出される）ためです。 [ 30 ]
置換係数は、バイオマス燃料と置換される化石燃料の両方の炭素強度によって変化します。バイオエネルギーが負の排出量を達成できる場合（植林、エネルギー用草のプランテーション、および/または炭素回収・貯留付きバイオエネルギー（BECCS ）など）、[ 35 ]、またはサプライチェーンで排出量の多い化石燃料エネルギー源が稼働し始める場合（フラッキングやシェールガスの使用増加など）、置換係数は上昇し始めます。一方、化石燃料よりも排出量の少ない新しいベースロードエネルギー源が稼働し始める場合、置換係数は低下し始めます。置換係数の変化が計算に含まれるかどうかは、関連するシナリオの時間的システム境界でカバーされる期間内に発生すると予想されるかどうかに依存します。[ ah ]
経済的な境界は、計算に含める市場効果（もしあれば）を定義します。市場状況の変化は、サプライチェーンや森林からの炭素排出量と吸収量に大小さまざまな変化をもたらす可能性があります[ 30 ]。例えば、需要の変化に対応して森林面積が変化するなどです。マクロ経済イベントや政策変更は、森林の炭素蓄積量に影響を与える可能性があります。[ ai ]間接的な土地利用の変化と同様に、経済の変化は定量化が難しい場合があるため、一部の研究者は計算から除外することを好みます。[ aj ]
選択されたシステム境界は、計算結果にとって非常に重要です。[ 30 ]化石炭素強度、森林成長率、バイオマス変換効率が増加する場合、または初期森林炭素蓄積量および/または収穫量が減少する場合、回収/パリティ時間は短く計算されます。[ 68 ]研究者が林分レベルの炭素会計よりも景観レベルの炭素会計を選択した場合（炭素会計が植栽イベントではなく収穫イベントから始まる場合）、回収/パリティ時間は短く計算されます。逆に、炭素強度、成長率、変換効率が減少する場合、または初期炭素蓄積量および/または収穫量が増加する場合、または研究者が景観レベルの炭素会計よりも林分レベルの炭素会計を選択した場合、回収/パリティ時間は長くなります。[ ak ]
批評家は、非現実的なシステム境界の選択が行われている[ al ]、あるいは狭いシステム境界が誤解を招く結論につながると主張している[ 30 ] 。また、結果の範囲が広いことから、許容範囲が広すぎるため、計算は政策策定には役に立たないと主張する者もいる[ am ] 。EUの共同研究センターは、異なる方法論が異なる結果を生み出すことに同意しているが[ an ]、これは当然のことだと主張している。なぜなら、異なる研究者は、人間と自然との最適な関係に関する倫理的理想に基づいて、意識的または無意識的に異なる代替シナリオ/方法論を選択するからである。持続可能性に関する議論の倫理的核心は、研究者によって隠されるのではなく、明確にされるべきである[ ao ] 。
燃焼時のエネルギー単位当たりのGHG排出量は、燃料の水分含有量、燃料間の化学的差異、および変換効率によって決まります。たとえば、生のバイオマスは、一般的な石炭の種類に比べて水分含有量が高い場合があります。この場合、乾燥した石炭と比較して、木材本来のエネルギーの多くを水分の蒸発だけに費やさなければならないため、生成される熱量単位当たりのCO2排出量が多くなります。[ 69 ]
バイオマスのみを燃料とする燃焼施設の多くは、一般的に規模の大きい石炭火力発電所に比べて規模が小さく、効率も低い。さらに、原料バイオマス（例えば木材チップ）は、石炭（特に乾燥石炭）よりも水分含有量が高い場合がある。このような場合、乾燥した石炭に比べて、木材本来のエネルギーの多くが水分の蒸発に費やされるため、単位熱量あたりのCO₂排出量が多くなる。この水分問題は、最新の燃焼施設で軽減できる。[ ap ]
森林バイオマスは平均して石炭よりも10～16%多くのCO₂を排出する。 [ 70 ] ： 3しかし、総排出量に焦点を当てるのは的を外しており、重要なのは排出と吸収を合わせた正味の気候効果である。 [ 71 ]： 386 [ 70 ]： 3～4 IEAバイオエネルギーは、バイオマスからの追加的なCO₂排出量は「持続可能な森林管理から得られたバイオマスであれば無関係である」と結論付けている。[ 70 ]： 3
The use of boreal stemwood harvested exclusively for bioenergy have a positive climate impact only in the long term, while the use of wood residues have a positive climate impact also in the short to medium term.[aq]
Short carbon payback/parity times are produced when the most realistic no-bioenergy scenario is a traditional forestry scenario where "good" wood stems are harvested for lumber production, and residues are burned or left behind in the forest or in landfills. The collection of such residues provides material which "[...] would have released its carbon (via decay or burning) back to the atmosphere anyway (over time spans defined by the biome's decay rate) [...]."[72] In other words, payback and parity times depend on the decay speed. The decay speed depends on a.) location (because decay speed is "[...] roughly proportional to temperature and rainfall [...]"[73]), and b.) the thickness of the residues.[ar] Residues decay faster in warm and wet areas, and thin residues decay faster than thick residues. Thin residues in warm and wet temperate forests therefore have the fastest decay, while thick residues in cold and dry boreal forests have the slowest decay. If the residues instead are burned in the no-bioenergy scenario, e.g. outside the factories or at roadside in the forests, emissions are instant. In this case, parity times approach zero.[as]
他の科学者と同様に、JRCのスタッフも炭素会計の結果に大きなばらつきがあることを指摘し、これを異なる方法論に起因するものとしている。[ at ] JRCが調査した研究では、森林/バイオエネルギーシステムと代替化石システムの両方の特性と仮定によって、バイオエネルギー専用に収穫された幹材の炭素パリティ時間は0～400年であることがわかった。最も重要な要因は、代替された化石燃料の排出強度であり、次いで変換効率とバイオマス成長率/回転時間である。炭素パリティ時間に関連するその他の要因は、初期炭素蓄積量と既存の収穫レベルである。初期炭素蓄積量と収穫レベルが高いほど、パリティ時間は長くなる。[ 74 ]液体バイオ燃料は、バイオマスのエネルギー含有量の約半分が処理中に失われるため、パリティ時間が長い。[ au ]
EUの共同研究センターは、文献で見つかったバイオエネルギー排出量の推定値を多数調査し、それらの研究に基づいて、熱生産、輸送燃料生産、電力生産におけるバイオエネルギー経路の温室効果ガス削減率を計算しました。計算は帰属型LCA会計原則に基づいています。原材料の抽出から、エネルギーと材料の生産と製造、使用済み処理と最終処分に至るまで、サプライチェーン全体の排出量が含まれます。また、サプライチェーンで使用される化石燃料の生産に関連する排出量も含まれます。システム境界外で発生する排出/吸収効果、たとえば市場関連、生物地球物理学的（例：アルベド）、および時間依存効果は除外されます。著者らは、「ほとんどのバイオベースの商品は、サプライチェーン全体で化石製品よりもGHGの排出量が少ないが、GHG排出量の大きさは、物流、原料の種類、土地と生態系の管理、資源効率、および技術によって大きく異なる」と結論付けています。[ 76 ]
バイオ燃料の経路によって気候変動緩和の可能性が異なるため、政府や組織はバイオマスの利用が持続可能であることを保証するためにさまざまな認証制度を設けています。たとえば、EU の RED (再生可能エネルギー指令) や国際標準化機構の ISO 規格 13065 などです。[ 77 ]米国では、RFS (再生可能燃料基準) が従来のバイオ燃料の使用を制限し、許容されるライフサイクル GHG 排出量の最小値を定義しています。バイオ燃料は、石油化学製品と比較して GHG 排出量を 20% まで削減できる場合は従来型、50% 以上削減できる場合は先進型、60% 以上削減できる場合はセルロース系とみなされます。[ av ]
EUの再生可能エネルギー指令（RED）によると、熱生産のために化石燃料を森林残渣由来の木質ペレットに置き換えた場合の温室効果ガス排出量削減率は、輸送距離によって69%から77%の間で変動します。輸送距離が0～2500kmの場合 、排出量削減率は77%です。2500～10000kmの場合、排出量削減率は75%に低下し 、10000kmを超える場合は69%に低下します 。幹材を使用する場合、排出量削減率は輸送距離によって70%から77%の間で変動します。木材産業残渣を使用する場合、削減率は79%から87%の間で変動します。[ aw ]
一部の林業プロジェクトで計算された長い回収期間と収支均衡期間は、エネルギー作物では問題にならないと考えられているため（上記で述べたケースを除く）、研究者は代わりに、 LCAベースの炭素会計方法を使用して、これらの作物の静的な気候変動緩和ポテンシャルを計算します。特定のエネルギー作物ベースのバイオエネルギープロジェクトは、その全ライフサイクルを通じて蓄積されたCO2換算排出量と吸収量の合計に基づいて、カーボンポジティブ、カーボンニュートラル、またはカーボンネガティブとみなされます。農業、加工、輸送、燃焼中の排出量が、プロジェクトのライフサイクル中に地上と地下の両方で植物によって吸収（および貯蔵）される量よりも多い場合、そのプロジェクトはカーボンポジティブです。同様に、総吸収量が総排出量よりも多い場合、そのプロジェクトはカーボンネガティブです。言い換えれば、正味の炭素蓄積量が正味のライフサイクル温室効果ガス排出量を上回る場合、カーボンネガティブが可能になります。
一般的に、多年生作物は一年生作物よりも多くの炭素を隔離します。これは、根の成長が長年にわたって妨げられることなく継続されるためです。また、多年生作物は、一年生作物の栽培に伴う毎年の耕起作業（耕うん、掘り起こし）を回避します。耕起は土壌微生物群が利用可能な炭素を分解し、 CO₂を生成するのに役立ちます。[ ax ] [ 71 ] : 393
現在（2018年）、科学界では「多年生バイオエネルギー作物の栽培による温室効果ガス収支は、暗黙の直接的および間接的な土地利用の変化を考慮した場合でも、多くの場合好ましいものとなる」というコンセンサスが得られている。[ 78 ]： 150
バイオマス生産の環境への影響を考慮に入れる必要がある。例えば、2022年にIEAは「バイオエネルギーは、ほぼゼロエミッションの燃料として、エネルギー転換における脱炭素化の重要な柱である」とし、「ネットゼロシナリオに沿うためには、現代のバイオエネルギーの導入を加速するためのさらなる努力が必要である。同時に、バイオエネルギー生産が負の社会的および環境的影響をもたらさないようにする必要がある」と述べている。[ 80 ]
IPCCは、世界の森林が縮小しているかどうかについては意見が分かれているとし、1982年から2016年の間に樹木被覆が7.1%増加したことを示す研究を引用している。[ 71 ]： 367 IPCCは次のように述べている。「熱帯地域では地上バイオマス炭素蓄積量が減少していると推定される一方で、温帯林と北方林の蓄積量の増加により、世界的には増加している[...]」[ 71 ]： 385
老木は炭素吸収率が非常に高く、老木を伐採すると、将来の炭素吸収の大きな可能性が失われることになる。[ 69 ]： 3また、伐採作業によって土壌中の炭素も失われる。 [ 69 ]： 3
老木は、成木の方が葉面積が大きいため、若木よりも多くのCO₂を吸収します。[ 82 ]しかし、枯れた木からのCO₂排出が残りの生きている木のCO₂吸収を相殺するため、老木林（全体として）は最終的にCO₂の吸収を停止します。 [ ay ]老木林（または森林群落）は、CO₂を発生させる自然撹乱に対しても脆弱です。IPCCは、「…老木林のある景観はより多くの炭素を蓄積しているが、その吸収力は低下している一方、若木林のある景観は炭素含有量は少ないが、大気からCO₂をはるかに高い速度で除去している…」と結論付けています。[ 71 ]： 386
IPCCは、管理されていない森林を管理された森林に転換することによる正味の気候効果は、状況によってプラスにもマイナスにもなり得ると述べています。炭素蓄積量は減少しますが、管理された森林は管理されていない森林よりも成長が速いため、より多くの炭素が吸収されます。収穫されたバイオマスが効率的に利用されれば、プラスの気候効果が得られます。 [ 71 ]： 351炭素をこれ以上吸収しない、森林の炭素蓄積量を最大化することの利点と、その炭素蓄積量の一部を「解放」し、例えば脱炭素化が困難または高コストなセクターにおいて、再生可能な化石燃料代替ツールとして機能させることの利点の間にはトレードオフがあります。[ 35 ] [ az ]
閉じ込められた森林炭素と解放された森林炭素の「競争」は、解放された炭素が勝つかもしれない。「長期的には、持続可能な方法で生産された森林バイオマスを炭素集約型製品や化石燃料の代替として使用することは、森林保全よりも大気中のCO2をより大きく永続的に削減する。」[ 83 ]： 39
IEAバイオエネルギーは、「製材、バイオエネルギー、その他の木材製品の生産のために管理されている森林は、保全のみのために管理されている森林よりも気候変動緩和に大きく貢献できる」と述べている。その理由は3つある。[ 84 ]
FAOのデータによると、木質ペレットのほとんどは、ヨーロッパや北米など、持続可能な森林管理が行われている地域で生産されています。ヨーロッパ（ロシアを含む）は2019年に世界の木質ペレットの54%を生産し、この地域の森林炭素蓄積量は1990年から2020年の間に158.7 Gtから172.4 Gtに増加しました。EUでは、地上の森林バイオマスは平均して年間1.3%増加していますが、森林が成熟しているため増加率は鈍化しています。[ 85 ]
英国排出量取引制度では、 CO2発生設備の事業者は非エネルギー目的で使用される分についてはゼロ排出係数を適用できるが、エネルギー目的（発電、暖房）では、使用されるバイオマスについて追加の持続可能性認証が必要となる。[ 86 ]
バイオエネルギーのためのバイオマス生産は、生物多様性に悪影響を及ぼす可能性がある。[ 5 ]アブラヤシやサトウキビは、生物多様性の減少と関連付けられている作物の例である。[ 90 ]さらに、生物多様性の変化は、分解や土壌従属栄養生物に自然と影響を与える一次生産にも影響を与える。[ 91 ]
ウィンウィンのシナリオ（気候にも良い、生物多様性にも良い）には以下が含まれます：[ 92 ]
気候には良いが生物多様性には悪いウィン・ルーズシナリオとしては、かつて森林ではなかった古代の生物多様性に富んだ草原生態系への植林や、かつての農地への単一栽培プランテーションによる植林などが挙げられる。[ 94 ]
気候には悪影響だが生物多様性には良いという、双方にとってメリットのあるシナリオには、かつての農地における自然林の拡大が含まれる。[ 94 ]
損失のシナリオとしては、腐朽速度の遅い一部の北方林の切り株などの厚い森林残渣の利用増加や、天然林の植林地への転換などが挙げられる。[ 95 ]
その他の問題としては、肥料や農薬の使用による土壌や水の汚染[ 96 ]、主に野外での残渣焼却による大気汚染物質の排出[ 97 ]などがある。
調理用ストーブや焚き火での伝統的な木材の使用は汚染物質を生成し、深刻な健康被害や環境被害につながる可能性があります。しかし、現代のバイオエネルギーへの移行は生活水準の向上に貢献し、土地の劣化や生態系サービスへの影響を軽減することができます。[ 71 ] : 375 IPCCによると、現代のバイオエネルギーが大気質に「大きなプラスの影響」を与えるという強力な証拠があります。[ 98 ]従来のバイオエネルギーは非効率的であり、このエネルギー源の段階的廃止は、健康面でも経済面でも大きな利益をもたらします。[ 35 ]工業施設で燃焼させた場合、木質バイオマス由来の汚染物質のほとんどは、野焼きと比較して97～99%減少します。[ 99 ]木質バイオマスの燃焼は、同じ量の電力を生成する場合、石炭よりも粒子状物質の排出量が少なくなります。[ 100 ]
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