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エネルギー生産の文脈では、バイオマスは最近まで生きていた（しかし今は死んでいる）生物由来の物質であり、バイオエネルギー生産に使用されます。例としては、木材、木材残渣、エネルギー作物、わらなどの農業残渣、産業および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、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、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。
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と栽培方法によって大きく異なります。[3]たとえば、エネルギーのために木材を燃やすと二酸化炭素が排出されます。伐採された木を、適切に管理された森林の新しい木に置き換えると、新しい木が成長するにつれて空気中の二酸化炭素を除去するため、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、食料生産に土地を利用できなくする可能性があります。[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]
用語
バイオマス（エネルギー生成の文脈において）は、最近まで生きていた（しかし現在は死んでいる）生物由来の物質であり、バイオエネルギー生産に使用されます。エネルギー用のバイオマスの定義には、植物のみからのもの、[8]、植物と藻類からのもの、[9]、植物と動物からのものなど、さまざまなものがあります。[10]バイオエネルギーに使用されるバイオマスの大部分は植物由来です。バイオエネルギーは、気候変動の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す。[11]
バイオマスとバイオ燃料という用語を同じ意味で使用する人もいますが、現在では、米国やEUの政府当局の定義に従い、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のが一般的です。 [a] [b]その観点から見ると、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、固形バイオ燃料を、薪、木質チップ、木質ペレットなど、エネルギーのために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ます。[12] : 20–21
種類と用途
さまざまなタイプのバイオマスがさまざまな目的で使用されます。
- 熱や電力の生成には適しているが輸送には適していない主要なバイオマス源には、木材、木材残渣、木質ペレット、農業残渣、有機廃棄物などがあります。
- 輸送燃料に加工されるバイオマスは、トウモロコシ、サトウキビ、大豆から得られます。
バイオマスは、エネルギーのために直接収穫されたバイオマス（一次バイオマス）と、残渣や廃棄物（二次バイオマス）に分類されます。[13] [14]
エネルギー用に直接収穫されたバイオマス
エネルギー用に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は木材生産やその他の商業目的に使用されており、[15]森林は世界のエネルギー用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。[16] :3 EUでは、森林はエネルギー用に使用されるすべてのバイオマスの60％を供給しており、[17]木材残渣と廃棄物が最大の供給源です。[18]
エネルギーとして利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の目的で伐採される樹木や灌木であることが多く、これらの目的で世界中で年間25 EJが利用されている。 [19]この慣行は汚染が非常に大きい。世界保健機関（WHO）は、調理に関連する汚染により年間380万人が死亡していると推定している。[20]国連の持続可能な開発目標7は、調理用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る。[21]短期伐採林[c]と短期伐採林[d]もエネルギー用に直接伐採され、4 EJのエネルギーを供給しており[19]、持続可能と考えられている。これらの作物と多年生エネルギー作物は、2050年までに少なくとも年間25 EJを供給する可能性があると推定されている。[19] [e]
エネルギー用に収穫される食用作物には、糖分を生産する作物（サトウキビなど）、デンプンを生産する作物（トウモロコシなど）、油分を生産する作物（菜種など）がある。[22]サトウキビは多年生作物であるのに対し、トウモロコシと菜種は一年生作物である。糖分とデンプンを生産する作物はバイオエタノールの製造に使用され、油分を生産する作物はバイオディーゼルの製造に使用される。米国はバイオエタノールの最大生産国であり、欧州連合はバイオディーゼルの最大生産国である。[23]バイオエタノールとバイオディーゼルの世界生産は、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る。[24]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「伝統的」バイオ燃料とも呼ばれ、排出量削減効果が比較的低い。
IPCCは、世界中で3億2千万〜14億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]
残渣や廃棄物の形態のバイオマス
残渣と廃棄物は、主にエネルギー以外の目的で採取された生物由来の副産物です。最も重要な副産物は、木材残渣、農業残渣、都市廃棄物/産業廃棄物です。
木材残渣は林業や木材加工産業 から出る副産物です。残渣が収集されバイオエネルギーに使用されていなかったら、林床や埋立地で腐敗し（したがって排出物が発生し） [g]、あるいは林内の道路脇や木材加工施設の外で焼却され（排出物が発生し）ていたでしょう。[25]
林業作業から生じる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、損傷または枯死した木、不規則または曲がった幹の部分、間伐材（大きな木が大きく成長できるように伐採された小さな木）、および山火事のリスクを減らすために伐採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]この原料を使用することへの関心が高まっています。[k]持続可能な可能性が大きいためです（年間15 EJ）。[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。[26]
木材加工産業から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、黒液で構成されています。[27]木材加工残渣の総エネルギー含有量は年間5.5 EJです。[28]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、[29]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、農業残渣には未開発の大きな可能性があります。農業残渣の世界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、その最大の割合はわら (51 EJ) です。[q]他の推定では 18～82 EJ です。[r]持続可能かつ経済的に実現可能な農業残渣と廃棄物の利用[13] : 9 は 、2030 年には 37～66 EJ に増加すると予想されています。[s]
都市ごみは1.4EJ、産業廃棄物は1.1EJを生み出した。[30]都市と産業から出る木材廃棄物も1.1EJを生み出した。[28]木材廃棄物の持続可能な潜在的可能性は2～10EJと推定されている。[31] IEAは、2050年までに廃棄物の利用を年間45EJに大幅に増やすことを推奨している。[32]
バイオマス変換
生のバイオマスは、圧縮するだけで（例えば木質ペレット）、より実用的な燃料にアップグレードできます。また、熱、化学、生化学に大別されるさまざまな変換によってもアップグレードできます。[33]バイオマス変換により、高密度の商品の輸送コストが削減されます。[13] : 53
熱変換
熱によるアップグレードでは、熱が主な変換ドライバーとなり、固体、液体、または気体の燃料が生成されます。基本的な選択肢は焙焼、熱分解、ガス化で、これらは主に、関与する化学反応をどの程度まで進行させることができるかによって区別されます。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、有機材料を無酸素または低酸素環境で400〜600°F（200〜300°C）に加熱する、熱分解の穏やかな形態です。[34] [35]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。つまり、約30％のバイオマスが焙焼プロセス中にガスに変換され、70％が通常圧縮された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、元のバイオマスエネルギーの約85％を含みます。[36]基本的に質量部分がエネルギー部分よりも収縮しており、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（蒸気炭/熱炭）と競合できるようになります。現在最も一般的な石炭のエネルギー密度は22～26 GJ/tです。[37]他にも、あまり一般的ではないが、より実験的または独自の熱処理プロセスがあり、水熱アップグレード（「ウェット」焙焼と呼ばれることもあります）などの利点がある可能性があります。[t] 水熱アップグレードパスは、水性スラリーなど、水分含有量の低いバイオマスと高いバイオマスの両方に使用できます。[38]
熱分解は、ほぼ酸素のない状態で有機物を800～900°F（400～500°C）に加熱する。バイオマス熱分解では、バイオオイル、木炭、メタン、水素などの燃料が生成される。水素化処理は、高温高圧下で触媒の存在下でバイオオイル（高速熱分解によって生成されたもの）を水素で処理し、再生可能ディーゼル、再生可能ガソリン、再生可能ジェット燃料を生成するために使用される。[39]
ガス化は、容器に制御された量の酸素や蒸気を注入しながら有機物を1,400～1700 °F (800～900 °C) に加熱し、合成ガスまたはシンガスと呼ばれる一酸化炭素と水素を豊富に含むガスを生成することを伴う。合成ガスは、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る。また、ガスから水素を分離する処理も可能で、水素は燃焼または燃料電池で使用できる。合成ガスは、フィッシャー・トロプシュ合成プロセスを使用してさらに処理され、液体燃料を生成することができる。[33] [40]
化学変換
バイオマスを他の形態に変換するには、さまざまな化学プロセスが使用される。例えば、貯蔵、輸送、使用に便利な燃料を生産したり、プロセス自体の特性を活用したりすることができる。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同様の石炭ベースのプロセスに大きく基づいている。[41]エステル交換と呼ば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、バイオディーゼルの生産に使用される。[33]
生化学的変換
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。[42]
発酵によりバイオマスはバイオエタノールに変換され、嫌気性消化によりバイオマスは再生可能天然ガス（バイオガス）に変換されます。バイオエタノールは自動車燃料として使用されます。再生可能天然ガス（バイオガスまたはバイオメタンとも呼ばれます）は、下水処理場や酪農・畜産施設の嫌気性消化装置で生産されます。また、固形廃棄物埋立地でも生成され、回収されることもあります。適切に処理された再生可能天然ガスは、化石燃料天然ガスと同じ用途があります。[33]
気候への影響
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。[43]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排出されますが、伐採された木を適切な管理の森林で新しい木に置き換えると、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、その排出量は大幅に相殺されます。[44]しかし、バイオエネルギー作物の栽培は、自然の生態系を破壊し、土壌を劣化させ、水資源と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収穫されています。[45]バイオエネルギーの原料は通常、収穫、乾燥、輸送に多大なエネルギーを必要とし、これらのプロセスでのエネルギー使用により温室効果ガスが排出され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、化石燃料を使用する場合と比較して、バイオエネルギーの全体的な炭素排出量が高くなる可能性があります。[7] [46]
バイオマス栽培のために農地を使用すると、食料栽培に利用できる土地が減る可能性がある。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を必要とする。[47] [48]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ことで、これらの森林が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、環境的影響が生じている。 [49] [50]光合成は太陽光のエネルギーのほんの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である。[51]短期的気候利益と長期的気候利益
現代のバイオエネルギーの気候への影響の問題について、IPCCは次のように述べています。「現代のバイオエネルギー代替品のライフサイクル温室効果ガス排出量は、通常、化石燃料よりも低い。」[52]その結果、IPCCの温室効果ガス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。[53]
一部の研究グループは、たとえヨーロッパと北米の森林の炭素貯蔵量が増加しているとしても、伐採された木が再び成長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タイムが長いエネルギー源からのバイオエネルギーは、気候変動の緩和に影響を与えるのに長い時間がかかる。そのため、EUは持続可能性の基準を調整し、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と定義すべきだと彼らは提案している。 [u]たとえば、風力、太陽光、通常は比較的早く燃やされるか分解される木材残渣や間伐材からのバイオマス、短期伐採（SRC）からのバイオマスなどである。[54]
IPCCは次のように述べている。「森林内の個々の林分は排出源にも吸収源にもなり得るが、森林の炭素収支はすべての林分の純収支の合計によって決定される。」[55]また、IPCCは、炭素会計に普遍的に適用可能な唯一のアプローチは、管理された土地（森林景観など）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も述べている。 [56] : 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、短期的なことだけに焦点を当てると、長期的に効率的な炭素緩和を達成することが難しくなると述べ、新しいバイオエネルギー技術への投資を、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（例えば、電池製造の拡大や鉄道インフラの開発）への投資と比較しています。[w]森林炭素排出回避戦略は短期的な緩和効果をもたらしますが、持続可能な林業活動からの長期的な利益は、継続的な森林製品とエネルギー資源をもたらします。[55]
IPCCの温室効果ガス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。[53]バイオエネルギー経路が限られているかまったくない場合、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移行します。[x]さらに、緩和コストが増加します。[y]
炭素会計システムの境界
カーボン・ポジティブ・シナリオはCO2の純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の純吸収者となり、カーボン・ニュートラル・プロジェクトは排出量と吸収量を均等にバランスさせます。[57]
比較のために代替シナリオ（「参照シナリオ」または「反事実シナリオ」とも呼ばれる） を含めることは一般的です。 [12] : 83 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のみのシナリオから、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」の反事実シナリオなど）まで多岐にわたります。一般的に、シナリオ間の違いは、シナリオの実際の炭素緩和の可能性として見られます。[12] : 100
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、実際の計算にどの炭素排出/吸収を含めるか、またどれを除外するかを決定します。システム境界には、時間的、空間的、効率性、経済的な境界が含まれます。[27]
たとえば、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異なります。
時間的システムの境界
時間的境界は、炭素計算の開始と終了のタイミングを定義します。計算には、最初の伐採前に森林で進行する炭素吸収などの「早期」イベントが含まれる場合があります。また、工場の解体など、関連するインフラストラクチャの寿命終了活動によって発生する排出などの「後期」イベントも含まれる場合があります。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、純炭素排出量は時間依存型(時間軸に沿って移動する曲線など) として、または静的値として提示できます。静的値は、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。
時間依存の純排出曲線は、通常、開始時に高い排出量を示します (バイオマスの収穫時にカウントを開始する場合)。あるいは、開始点を植林イベントに戻すこともできます。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なり、植林された木によって吸収される炭素が増えると、曲線はゼロ未満 (炭素マイナス領域) に移動す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、炭素がプールから出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。前述のように、炭素回収時間は収穫された炭素が森林に戻るのにかかる時間であり、炭素パリティ時間は 2 つの競合するシナリオに蓄積された炭素が同じレベルに達するのにかかる時間です。[z]
静的炭素排出量は、特定の期間の平均年間純排出量を計算することによって算出されます。特定の期間とは、関連するインフラの予想寿命（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関連の期間（たとえば、2030年、2050年、または2100年までの残り時間）、 [58]さまざまな地球温暖化係数（GWP、通常は20年または100年）に基づく期間、 [aa]またはその他の期間です。EUでは、土地利用変更の純炭素効果を定量化する際に20年の期間が使用されています。[ab]一般的に、立法では、動的な時間依存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。この数値は、いわゆる「排出係数」（生産エネルギー単位あたりの純排出量、たとえば、GJあたりのkg CO 2 e）として表されるか、またはより単純に、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）や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の公表された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]
空間システムの境界
空間境界は、炭素の放出/吸収を計算するための「地理的」境界を定義します。森林における CO2 の吸収と放出の最も一般的な 2 つの空間境界は、1 ) 特定の森林の端と 2) 森林全体の境界です。森林全体の境界には、年数が経過する多くの森林が含まれます (森林は、森林の数と同じ年数にわたって、次々に伐採され、植え替えられます)。3 番目のオプションは、いわゆる増加林分レベルの炭素会計方法です。研究者は、個々の林分、増加する林分、または森林全体のどの範囲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、たとえば、代わりに何らかの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引き起こされる排出量など、直接的な土地利用の変化によ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なため、より議論を呼んでいます。[af] [ag]他の選択肢には、将来の森林の可能性のある空間境界を定義することが含まれます。
効率性に関するシステムの境界
効率関連の境界は、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の炭素排出量が異なり、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さまざまな効率で熱または電気エネルギーに変換します。研究者はこれを認識し、検討中のさまざまなバイオマス燃焼経路の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、化石炭素が生物起源炭素によってどれだけ効率的に置換されるかを示す単一の数値です。[59] [27]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、実際に置換されたとカウントされる石炭は5トンだけです（置換係数0.5）。
一般的に、非効率な（古いまたは小さな）燃焼施設で燃やされる燃料には、効率的な（新しいまたは大きな）施設で燃や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産するために、より多くの燃料を燃やす必要がある（したがって、より多くのCO2が放出される）ためです。 [ 27]
置き換え係数は、バイオマス燃料と置き換えられた化石燃料の両方の炭素強度によって変わります。バイオエネルギーがマイナスの排出を達成できる場合（例えば、植林、エネルギー草のプランテーション、および/または炭素回収・貯留（BECCS）を備えたバイオエネルギーなど）[32]、またはサプライチェーンで排出量が多い化石燃料エネルギー源がオンラインになり始める場合（例えば、水圧破砕やシェールガスの使用増加のため）、置き換え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オンラインになり始めると、置き換え係数は低下し始めます。置き換え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起こると予想されるかどうかによって異なります。[ah]
経済システムの境界
経済境界は、もしあるなら、どの市場効果を計算に含めるかを定義します。市場条件の変化は、サプライチェーンと森林からの炭素排出量と吸収量の小さな変化または大きな変化につながる可能性があります。[27]たとえば、需要の変化に応じた森林面積の変化です。マクロ経済イベント/政策変更は、森林の炭素貯蔵量に影響を及ぼす可能性があります。[ai]ただし、間接的な土地利用の変化と同様に、経済的変化を定量化するのは難しいため、一部の研究者はそれを計算から除外することを望んでいます。[aj]
システム境界の影響
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。[27]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か、初期の森林炭素貯蔵量や収穫レベルが減少すると、より短い投資回収期間/パリティ時間が計算されます。 [60]研究者が林分レベルの炭素会計ではなく景観レベルの炭素会計を選択した場合にも、より短い投資回収期間/パリティ時間が計算されます（炭素会計が植林イベントではなく収穫時に開始される場合）。逆に、炭素強度、成長率、変換効率が減少するか、初期の炭素貯蔵量や収穫レベルが増加するか、研究者が景観レベルの炭素会計ではなく林分レベルの炭素会計を選択した場合は、より長い投資回収期間/パリティ時間が計算されます。[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、またはシステム境界が狭いと誤解を招く結論につながると主張している。[27]結果の幅が広いことは、利用可能な余裕が大きすぎることを示し、したがって計算は政策策定には役に立たないと主張する人もいる。[am] EUのJoin Research Center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]研究者が意識的または無意識的に、人間と自然の最適な関係に関する倫理的理想の結果として異なる代替シナリオ/方法論を選択するため、これは予想どおりであると主張している。持続可能性の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]
燃焼時点における温室効果ガス排出量の比較
燃焼時点での生産エネルギー単位あたりの温室効果ガス排出量は、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異なります。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、木材の固有のエネルギーの多くが水分の蒸発に費やされる必要があり、生産された熱の単位あたりに排出されるCO2の量が多くなります。[61]
バイオマスのみを燃焼する施設の多くは、通常はるかに大規模な石炭火力発電所に比べると、比較的小規模で非効率的です。さらに、生のバイオマス (たとえば木材チップ) は、石炭よりも水分含有量が高い場合があります (特に石炭が乾燥している場合)。この場合、乾燥した石炭と比較して、木材の固有エネルギーの多くが水分の蒸発のみに費やされる必要があり、これは単位生産熱量あたりの CO2 排出量が高くなることを意味します。この水分の問題は、最新の燃焼施設によって緩和できます。[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。[ 62] : 3 しかし、総排出量に焦点を当てると、本質を見失う。重要なのは、排出量と吸収量を合わせた正味の気候影響である。 [63] : 386 [62] : 3～4 IEAバイオエネルギーは、バイオマスが持続可能な方法で管理された森林から得られる場合、バイオマスからの追加CO2は「無関係である」と結論付けている。 [ 62] : 3
気候への影響は時間とともに変化すると表現される
バイオエネルギー専用に収穫された北方樹幹の使用は、長期的にのみ気候にプラスの影響を与えますが、木材残渣の使用は短期から中期的にも気候にプラスの影響を与えます。[aq]
最も現実的なバイオエネルギーなしのシナリオが、木材生産のために「良質」な木の幹を伐採し、残渣が森林または埋立地に焼却または残される伝統的な林業シナリオである場合、炭素回収/パリティの時間が短くなります。このような残渣の収集は、「[...] いずれにせよ (バイオームの分解速度によって定義される時間間隔で) 炭素を (分解または燃焼によって) 大気中に放出していたであろう物質を提供します [...]」[64]言い換えれば、回収時間とパリティの時間は分解速度に依存します。分解速度は、a) 場所 (分解速度は「[...] 気温と降雨量にほぼ比例するため [...]」[65] )、および b) 残渣の厚さに依存します。[ar]残渣は温暖で湿潤な地域でより速く分解し、薄い残渣は厚い残渣より速く分解します。したがって、温暖で湿潤な温帯林の薄い残渣は最も速く分解し、一方、冷涼で乾燥した北方林の厚い残渣は最も遅く分解します。代わりに、バイオエネルギーを使用しないシナリオで残留物を燃やす場合、例えば工場の外や森林の道端で、排出は瞬時に行われます。この場合、パリティ時間はゼロに近づきます。[as]
他の科学者と同様に、JRC のスタッフは炭素会計の結果に大きなばらつきがあることを指摘し、これは方法論の違いによるものだと考えています。[at]調査した研究で、JRC は、森林/バイオエネルギー システムと代替化石燃料システムの両方の異なる特性と仮定に応じて、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 タイムが 0 年から 400 年であることを発見しました。最も重要な要素は、置き換えられた化石燃料の排出強度、次に変換効率とバイオマス成長率/回転時間です。炭素パリティ タイムに関連するその他の要素は、初期の炭素貯蔵量と既存の収穫レベルです。初期の炭素貯蔵量が高く、収穫レベルが高いほど、パリティ タイムが長くなります。[66]液体バイオ燃料のパリティ タイムは長くなります。これは、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です。[au]
静的な数値として表される気候への影響
EU の共同研究センターは、文献に記載されているバイオエネルギーの排出量推定値をいくつか調査し、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 LCA 会計原則に基づいています。これには、原材料の抽出から、エネルギーと材料の生産と製造、耐用年数終了時の処理と最終処分まで、サプライ チェーンのすべて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、生物地理物理学的 (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 排出量の規模は、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。[68]
バイオ燃料の経路によって気候緩和の可能性は異なるため、政府や組織はバイオマスの使用が持続可能であることを保証するために、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、さまざまな認証制度を設けています。[69]米国では、RFS（再生可能燃料規格）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最大20％のGHG排出量削減を達成する場合は従来型、少なくとも50％削減する場合は先進型、60％以上削減す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) では、熱生産のために化石燃料を森林残渣からの木質ペレットに置き換える場合の典型的な温室効果ガス排出削減は、輸送距離に応じて 69% から 77% の範囲で変動するとされています。距離が 0 ～ 2500 km の場合、排出削減率は 77% です。距離が 2500 ～ 10 000 km の場合、排出削減率は 75% に低下し、距離が 10 000 km を超えると 69% に低下します。幹材を使用する場合、排出削減率は輸送距離に応じて 70% ～ 77% の範囲で変動します。木材産業残渣を使用する場合、削減率は 79% ～ 87% の範囲で変動します。[aw]
一部の林業プロジェクトで算出された長期の投資回収期間とパリティタイムは、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（上記のケースを除く）、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気候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、その全寿命を通じて蓄積された CO 2相当の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見なされます。農業、加工、輸送、燃焼中の排出量が、プロジェクトの寿命中に地上と地下の両方で植物によって吸収（および貯蔵）される量よりも大きい場合、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大きい場合、プロジェクトはカーボンネガティブです。言い換えると、正味の炭素蓄積が正味のライフサイクル温室効果ガス排出量を 補う以上の場合に、カーボンネガティブが発生する可能性があります。
一般的に、多年生作物は、根の成長が何年にもわたって妨げられることなく継続されるため、一年生作物よりも多くの炭素を隔離します。また、多年生作物は、一年生作物の栽培に伴う毎年の耕作手順（耕起、掘削）を回避します。耕作は、土壌微生物集団が利用可能な炭素を分解し、CO 2を生成するのに役立ちます。[ax] [63] : 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GHG（温室効果ガス）バランスは、暗黙の直接的および間接的な土地利用の変化を考慮しても、多くの場合好ましいものになる」というコンセンサスが得られている。[70] ：150
アルベドと蒸発散
環境への影響
バイオマス生産の環境への影響を考慮する必要がある。例えば、2022年にIEAは「バイオエネルギーは、ほぼゼロ排出の燃料として、エネルギー転換における脱炭素化の重要な柱である」と述べ、「ネットゼロシナリオに沿うために、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社会的および環境的に悪影響を及ぼさないことを保証する必要がある」と述べた。[72]
持続可能な林業と森林保護
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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述べ、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。[63] : 367 IPCCは次のように書いている。「地上のバイオマス炭素貯蔵量は熱帯地方では減少していると推定されるが、温帯林と北方林での貯蔵量の増加により、世界的には増加している[...]。」[63] : 385
古い木は炭素吸収率が非常に高く、古い木を伐採することは将来の炭素吸収の大きな可能性を失うことを意味します。[61] : 3 また、伐採作業によって土壌炭素も失われます。 [61] : 3
古い木は若い木よりも多くの二酸化炭素を吸収します。これは、完全に成長した木は葉の面積が大きいためです。[74]しかし、古い森林（全体として）は、枯れた木からの二酸化炭素の排出が残りの生きている木の二酸化炭素の吸収を打ち消すため、最終的には二酸化炭素の吸収を停止します。[ay]古い森林（または林分）は、二酸化炭素を発生する自然撹乱に対しても脆弱です。IPCCは、「[...] 古い森林のある風景はより多くの炭素を蓄積していますが、その吸収力は低下しています。一方、若い森林のある風景は炭素含有量は少ないですが、大気から二酸化炭素を除去する速度がはるかに速いです [...]」と結論付けました。[63] : 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影響は、状況に応じてプラスにもマイナスにもなり得ると述べている。炭素貯蔵量は減少するが、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る。収穫されたバイオマスが効率的に使用されると、気候にプラスの効果がもたらされる。 [63] : 351 森林の炭素貯蔵量を最大化し、それ以上の炭素を吸収しないことの利点と、その炭素貯蔵量を「解放」し、代わりに、例えば脱炭素化が困難または費用のかかる部門で再生可能な化石燃料の代替ツールとして機能することの利点との間にはトレードオフがある。[32] [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品として使用すると、保全よりも大気中のCO2の永久的な削減効果が大きい。」[75] ：39
IEAバイオエネルギーは次のように書いている。「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た森林は、保全のみを目的として管理された森林よりも気候変動の緩和に大きく貢献できる。」3つの理由が挙げられている。[76]
- 森林が成熟すると炭素吸収源としての能力が低下します。
- 木材製品は、製造時により多くの温室効果ガスを排出する他の材料を置き換えることができます。
- 「森林の炭素は、昆虫の蔓延や山火事などの自然現象によって失われやすい」
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、持続可能な方法で管理された森林が主流の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貯蔵量は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、増加は鈍化しています。[77]
英国の排出量取引制度では、 CO2発生施設の運営者は非エネルギー目的で使用される部分に対してゼロ排出係数を適用することが認められているが、エネルギー目的（発電、暖房）では使用されるバイオマスに対して追加の持続可能性認証が必要となる。[78]
生物多様性
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バイオエネルギー用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ります。[5]油ヤシやサトウキビは、生物多様性の減少に関連する作物の例です。[80]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に影響を及ぼす一次生産にも影響を与えます。 [81]
ウィンウィンシナリオ（気候に良い、生物多様性に良い）には以下が含まれる：[12] : 8–149
- 雑木林からの丸太の使用の増加、腐敗速度が遅い北方林からの薄い森林残材の使用の増加、腐敗速度が速い温帯林からのあらゆる種類の森林残材の使用の増加。
- 単一栽培農園の拡大ではなく、多機能バイオエネルギーランドスケープ[82]
- かつて農地であった土地を、混交林または自然再生林で植林すること。
勝ち負けのシナリオ（気候には良いが、生物多様性には悪い）には、かつては森林ではなかった生物多様性に富んだ古代の草原生態系での植林や、単一栽培のプランテーションによるかつての農地での植林が含まれる。[12] : 125–147
気候には悪い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、かつて農地だった土地での自然林の拡大が含まれる。[12] : 125–147
両者にとって損失となるシナリオとしては、腐敗速度が遅い一部の北方林の切り株のような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。[12] : 8–147
汚染
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[83]、および主に野外での残留物の焼却による大気汚染物質の排出が挙げられる[84] 。
調理用ストーブや直火での木材の伝統的な使用は、深刻な健康および環境への影響につながる可能性のある汚染物質を生成します。しかし、現代のバイオエネルギーへの移行は、生活の向上に貢献し、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。[63] : 375 IPCCによると、現代のバイオエネルギーは空気の質に「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。[85]伝統的なバイオエネルギーは非効率であり、このエネルギー源の段階的廃止は、大きな健康上の利点と大きな経済的利点の両方をもたらします。[32]工業施設で燃焼すると、木質バイオマスに由来する汚染物質のほとんどが、野焼きと比較して97〜99％削減されます。[86]木質バイオマスの燃焼は、同じ量の電力を生成する石炭よりも粒子状物質の量が少なくなります。[87]
参照
- 生体エネルギー学
- バイオエネルギー行動計画
- 炭素回収・貯蔵によるバイオエネルギー
- バイオマス暖房システム
- バイオマスから液体へ
- バイオ製品
- バイオリファイナリー
- バイオチャー
- コージェネレーション
- カーボンフットプリント
- エネルギー林業
- ペレット燃料
- 固形燃料
- 再生可能エネルギーへの移行
- 世界バイオエネルギー協会
- タイトルにバイオマスを含むすべてのページ
- タイトルにバイオエネルギーを含むすべてのページ
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引用とコメント
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外部リンク
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