Problematika posuzování životního cyklu biopaliv

Úvod

Nástrojem pro komplexní hodnocení možných environmentálních dopadů biopaliv s ohledem na celý jejich životní cyklus je metoda LCA (Life Cycle Assessment – Posuzování životního cyklu), která v současnosti patrně nabízí jako jediná komplexní přístup k hodnocení této problematiky (Dreier, Geiger et al. 1998; Kim and Dale 2005; Kalnes, Marker et al. 2007; Nelson and Robertson 2008; Hoekman 2009; Requena, Guimaraes et al. 2011). Metoda LCA je standardizována v normách ČSN EN ISO 14040 a ČSN EN ISO 14044 (ISO 2006; ISO 2006). Je to komparativní metoda vyjadřující environmentální dopady jednotlivých produktů s ohledem na jejich celý životní cyklus. Postiženy jsou tedy všechny emise mající i sekundárnější terciárně vztah k hodnocenému produktu. Produkt v jednotlivých stádiích svého životního cyklu vstupuje do rozdílných interakcí s životním prostředím. Každé stádium tudíž představuje jinou potenciální environmentální zátěž. Jestliže je naším cílem porovnat a zhodnotit environmentální dopady produktů, je třeba dělat to s ohledem na všechna stádia jejich životních cyklů a nezaměřovat se pouze na některá z nich (Kočí 2009).

Význam LCA pro hodnocení environmentálních dopadů biopaliv

Aby produkt lidské výroby, v našem případě energie (elektrická či obsažená v palivech) byl environmentálně šetrný, je třeba, aby všechny procesy a operace podílející se na jeho vzniku byly šetrné. Je zřejmé, že přínos pro prostředí bude malý, pakliže pouze problémy přesuneme z místa na místo – například, když optimalizujeme výrobu a snížíme její environmentální dopady, ale zároveň tím (třeba volbou materiálů) zhoršíme dopady užívání výrobku či jeho konečného odstranění. Nejinak je tomu u biopaliv. Ukazuje se, že ač samotná produkce energie z biopaliv může prostředí poškozovat méně, např. nižší produkcí skleníkových plynů (GHG), je v důsledku většího množství emisí GHG při pěstování energetických plodin (zemědělské stroje, výroba pesticidů a hnojiv, transport a zpracování biomasy) produkce GHG vyšší než úspory při výrobě energie. Tato nepříznivá bilance biopaliv na produkci GHG (a dalších environmentálních problémů) se rovněž dotýká energetické bilance. Ukazuje se, že energie vložená do výroby biopaliv může být vyšší než energie získaná. V takovém případě vede používání biopaliv k zvýšené spotřebě jiných (fosilních) paliv. Nástrojem jak tento nežádoucí jev hodnotit je metoda LCA.

Globální oteplování není pouze CO₂

Při hodnocení environmentálních dopadů biopaliv není dostatečné zaměřit se pouze na emise CO₂. Je třeba hodnotit emise všech skleníkových plynů, neboť se ukazuje, že ostatní skleníkové plyny se sumárně podílejí na celkovém skleníkovém jevu téměř stejným dílem jako CO₂. Vedle uhlíkového cyklu (CO₂, CH₄) se na problematice globálního cyklu podílí rovněž cyklus dusíku. N₂O je významný skleníkový plyn, jenž se do atmosféry dostává z obhospodařované půdy. Změny způsobu hospodaření s půdou (jež mohou být vyvolány masivní produkcí plodin za účelem výroby biopaliv) povedou k zvýšenému uvolňování N₂O. V tomto kontextu je nutno upozornit, že pod pojmem globální oteplování de-facto míníme skleníkový jev. Termín globální oteplování je poněkud zavádějící, ale často se používá.

Globální oteplování versus klimatické změny

Klimatické změny mohou být vyvolány několika příčinami, z nichž nárůst koncentrace skleníkových plynů v atmosféře je pravděpodobně jedna z klíčových příčin. Nezanedbatelným způsobem se na klimatických změnách podílejí i další antropogenní jevy, které je nutné v oblasti hodnocení biopaliv zohledňovat. Produkce látek podílejících se na rozkladu stratosférického ozónu vede k zvětšení rozlohy ozónové díry a tudíž k většímu pronikání sluneční energie do atmosféry (zadržená energie v atmosféře je příčinou globálního oteplování). Emise látek podílejících se na změně schopnosti rostlinstva využívat atmosférický CO₂, a tím snižovat jeho koncentraci se zprostředkovaně rovněž podílejí na rozvoji globálního oteplování. Do této skupin emisí můžeme řadit látky podílející se na acidifikaci a na vzniku troposférického ozónu a fotooxidantů. Rovněž veškeré zásahy do krajiny vedoucí k narušení vodního režimu v krajině mají za důsledek úbytek vegetace, a tudíž snížení její schopnosti vázat plynný CO₂. Kromě zmíněných skupin emisí je třeba hodnotit i možné další emise mající potenciál ovlivňovat biodiverzitu v krajině, tudíž i stabilitu růstu vegetace. Zde připadají do úvahy látky ekotoxické a eutrofizující. Rovněž je nutno zmínit, že složení vegetace značně ovlivňuje její schopnosti vázat atmosférický uhlík. Strohé informace o ploše zalesněné krajiny mohou být v tomto ohledu značně zavádějící, neboť například schopnost smrkových monokultur vázat uhlík je jiná než u smíšených lesů či jiných typů porostu.

Význam dalších kategorií dopadu

Z výše uvedeného vyplývá, že užívání biopaliv nemá vazbu pouze na kategorii dopadu globálního oteplování, ale rovněž na jiné kategorie dopadu. Ačkoli je globální oteplování primárním důvodem užívání biopaliv, je nutné zohledňovat i jiné možné environmentální dopady. Jedná se o následující kategorie dopadu (environmentální problémy vyvolávané určitými skupinami antropogenních látek):

• Globální oteplování – produkce skleníkových plynů vázajících v atmosféře energii
• Úbytek stratosférického ozónu – látky podílející se na rozkladu ozónu a tím usnadňující vstup sluneční energie do atmosféry
• Acidifikace – látky schopné v prostředí působit kysele a ovlivňovat tím mimo jiné vegetaci
• Vznik troposférického ozónu – látky podílející se na vzniku fotooxidantů a tím ovlivňující mimo jiné vegetaci
• Eutrofizace – nadbytek živin ve vodách a půdách vede k narušení rovnováhy ekosystémů a dlouhodobě i k jejich rozvratu. Tím dochází mimo jiné k ovlivnění vegetace (skladby a bioprodukce).
• Ekotoxicita – ekotoxické látky mohou narušovat ekosystémy a tudíž i schopnost vegetace vázat CO₂ a produkovat biomasu. Potřeba výzkumu v oblasti LCA biopaliv

Existuje několik alternativních typů biopaliv a technologických procesů jejich výroby. Pro účinné snížení environmentálních dopadů dopravy či vytápění je z pohledu LCA nutné zaměřit se nikoli na rozvoj jednoho či více paliv či technologií, ale zaměřit úsilí na vytvoření funkčních systémů, jež nabízejí splnění funkcí výrobků. Tedy o systémy níže energeticky náročné dopravy či vytápění. Pro biopaliva je nutné zajistit zvýšení jejich energetické výtěžnosti a snížení jejich uhlíkové bilance s ohledem na všechna stádia jejich životního cyklu – od pěstování až po jejich využívání. Za konečnou fázi životního cyklu biopaliv nelze považovat množství energie k dispozici, ale schopnost paliva dlouhodobě sloužit. Je nutné zde zahrnout i zvýšené opotřebování motorů či technologických zařízení během užívání biopaliv. Energetická výtěžnost paliva může být dobrým vodítkem pro hodnocení environmentálních dopadů, není však parametrem dostatečným z pohledu LCA. Vodítkem pro zjištění jaké maximální množství energie z biopaliv je k dispozici by mohl být výpočet vycházející ze solární konstanty a plochy krajiny využívané pro získávání biopaliv. A to i v případě využívání biopaliv druhé generace.

Pro získávání surovin na výrobu biopaliv je nutné udržovat udržitelné strategie hospodaření v krajině s ohledem na jednotlivé regiony, jejich klimatické i socioekonomické podmínky. Bude nutné zohlednit možné dopady pěstování monokultur na krajinu, množství aplikovaných pesticidů či umělých hnojiv a podobně. Zemědělství v Evropě je založeno především na produkci potravin. Ve většině případů Evropské zemědělství není připraveno na produkci energetických či průmyslových surovin. Na základě poznatků hodnocení životních cyklů produktů pomocí metody LCA je možné specifikovat určité předpoklady, co by životní cyklus biopaliv neměl způsobovat. Tyto okruhy problémů shrnuje následující tabulka.

V tabulce zmíněné potenciální nedostatky biopaliv lze metodou LCA hodnotit. Aby to ovšem bylo možné, je třeba monitorovat data materiálových a energetických vstupů a výstupů všech procesů podílejících se na životním cyklu biopaliv. Bude nutno jasně a srozumitelně definovat požadavky na data ze zúčastněných procesů formou dotazníku či webové aplikace.

Výzkum biopaliv v oblasti LCA

Pro aplikaci LCA za účelem hodnocení biopaliv bude třeba pomocí zaměřeného výzkumu vyřešit následující okruhy problémů:

• Určení funkční jednotky studií LCA – biopaliva mohou být hodnocena ve vztahu k jejich hmotnosti, ale lépe k obsahu energie/kg nebo ve vztahu k množství funkce, kterou jejich užití splňuje (např. počet ujetých kilometrů). Poslední zmíněný přístup, označovaný pro oblast dopravy jako well-to wheels, umožňuje do studií LCA zahrnout i náklady a vstupy na provozování zařízení. Je třeba rozlišovat aplikaci biopaliv ve vznětových a zážehových motorech. Opotřebení různých typů motorů v případě spalování bude různé, různé budou tedy i provozní materiálové a energetické náklady. V oblasti energetiky by se jednalo například o opotřebení kotlů či jiné provozní operace. Význam biopaliv může být hodnocen například jako úspory GHG/km (ujetou vzdálenost), či úspory GHG/km*kg (transport hmotnosti nákladu na určitou vzdálenost).
• Hranice systému – bude nutné jasně specifikovat a vhodně zvolit hranice systému, v rámci kterých bude životní cyklus biopaliv hodnocen.
• Alokace – alokace je specifický úkol v rámci studií LCA. Alokace je postup rozdělení environmentálních dopadů jednoho procesu mezi dva a více produktů z tohoto procesu vystupující. Například při získání biopaliva vzniklého jako odpad z předchozího procesu, je nutné dopady předchozího procesu rozdělit mezi hlavní produkt a získaný odpad. Tato problematika se u biopaliv a LCA intenzivně řeší. Možná alokační pravidla jsou následující: hmotnost (v některých situacích velmi nevhodné); energetický obsah (nedostatečné); množství nahrazené energie z fosilního paliva (orientační); cena (diskutabilní).
• Nutno sjednotit metodiku sběru dat pro studie LCA – mezioborový přístup LCA bude vyžadovat jednotný formát dat.
• Metodika hodnocení kvality vstupních dat – vstupní data používaná pro studie LCA mohou být zatížena různě velkou chybou. Míra těchto odchylek může mít velký vliv na konečnou interpretaci zjištěných výsledků.
• Verifikace dat – z praxe zjišťovaná data bude nutno kriticky přezkoumávat a ověřovat. Za tímto účelem by bylo vhodné vytvořit jednotný systém (například webovou aplikaci).

Závěr

Metoda LCA umožňuje komparativní srovnání energetické výtěžnosti a environmentálních dopadů jednotlivých konceptů využívání biopaliv. Je to vhodný nástroj identifikace, zda zavedením biopaliv dojde k zlepšení environmentálních dopadů a ke zvýšení energetické nezávislosti na fosilních či jiných palivech. Ačkoli bylo zveřejněno již několik studií LCA biopaliv, byly většinou zaměřeny pouze na spotřebu a získání energie a na produkci skleníkových plynů. Různé studie LCA hodnotí biopaliva různým způsobem (ovlivněno nejen metodickými předpoklady, ale i geografickými specifiky), není proto možné pro hodnocení biopaliv v ČR přejímat výsledky zahraničních studií. Pro účely ČR bude nutné zvolit jednotnou metodiku a hledat její soulad s ostatními Evropskými zeměmi. Pro objektivní zhodnocení biopaliv a jejich environmentálních interakcí bude nutno provádět kompletní LCA studie zaměřené na všechny významné kategorie dopadu. LCA je mezioborový analytický nástroj umožňující identifikovat přenášení problému z místa na místo, respektive z jednoho environmentálního problému do jiného. LCA vyžaduje mezirezortní řešení problémů a meziresortní spolupráci. Jako zajímavý námět považuji rovněž zohlednění ekologické újmy (zákon o ekologické újmě) do problematiky biopaliv.

Článek byl publikován na Konferenci OZE 2011 - Výsledky výzkumu, vývoje a inovací pro obnovitelné zdroje energie (13.-15. dubna 2011, Kouty nad Desnou).

Literatura

• Anderson-Teixeira, K. J., S. C. Davis, et al. (2009). "Changes in soil organic carbon under biofuel crops." Global Change Biology Bioenergy 1(1): 75-96.
• Crutzen, P. J., A. R. Mosier, et al. (2008). "N2O release from agro-biofuel production negates global warming reduction by replacing fossil fuels." Atmospheric Chemistry and Physics 8(2): 389-395.
• Dreier, T., B. Geiger, et al. (1998). "Environmental impacts and system analysis of biofuels." Biomass for Energy and Industry: 544-548.
• Gopalakrishnan, G., M. C. Negri, et al. (2009). "Biofuels, Land, and Water: A Systems Approach to Sustainability." Environmental Science & Technology 43(15): 6094-6100.
• Hoekman, S. K. (2009). "Biofuels in the US -Challenges and Opportunities." Renewable Energy 34(1): 14-22.
• ISO (2006). 14040: Environmentální management -Posuzování životního cyklu -Zásady a osnova. Praha, ČNI. 14040.
• ISO (2006). 14044: Environmentální management -Posuzování životního cyklu -Požadavky a směrnice. Praha, ČNI. 14044.
• Kalnes, T., T. Marker, et al. (2007). "Green diesel: A second generation biofuel." International Journal of Chemical Reactor Engineering 5.
• Kim, S. and B. E. Dale (2005). "Life cycle assessment of various cropping systems utilized for producing biofuels: Bioethanol and biodiesel." Biomass & Bioenergy 29(6): 426-439.
• Kočí, V. (2009). Posuzování životního cyklu -Life Cycle Assessment -LCA. Chrudim, Ekomonitor.
• Nelson, G. C. and R. D. Robertson (2008). "Green gold or green wash: Environmental consequences of biofuels in the developing world." Review of Agricultural Economics 30(3): 517-529.
• Requena, J. F. S., A. C. Guimaraes, et al. (2011). "Life Cycle Assessment (LCA) of the biofuel production process from sunflower oil, rapeseed oil and soybean oil." Fuel Processing Technology 92(2): 190-199.
• Rodriguez, M. A. R., J. De Ruyck, et al. (2011). "An LCA based indicator for evaluation of alternative energy routes." Applied Energy 88(3): 630-635.
• Sander, K. and G. S. Murthy (2010). "Life cycle analysis of algae biodiesel." International Journal of Life Cycle Assessment 15(7): 704-714.
• Singh, J. and S. Cu (2010). "Commercialization potential of microalgae for biofuels production." Renewable & Sustainable Energy Reviews 14(9): 2596-2610.

Tweet

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?