Energetické, ekonomické a ekologické hodnoceni biopaliv

Komodity (biomasa) pro energetické využití se stávají významnou částí zemědělské produkce; jejich produkce a spotřeba je ovlivňována nejen ekonomickými a energetickými faktory, ale sami následně významně ovlivňují okolní životní prostředí a způsob využívání půdy. Cílem tohoto článku je ohodnotit, jak jsou biopaliva, používaná v ČR, vzhledem k těmto faktorům schopná konkurence.

Mezi hlavní argumenty pro pěstování energetických plodin patří zejména cíl postupně snižovat závislost na ubývajících konvenčních zdrojích, snížit přebytky vypouštěných skleníkových plynů do ovzduší, nalézt nové způsoby odbytu agrárních komodit a v neposlední řadě diversifikovat (a patrně i stabilizovat) zemědělské příjmy v celosvětové konkurenci charakterizované cenovými výkyvy. Pěstování biomasy pro energetické využití je ovšem nutné chápat také jako soutěž o zemědělské užití půdy a z toho vyplývající dopady na trh potravin. Odhaduje se, že pro výrobu 5% podílu ve spotřebě paliv v EU by bylo zapotřebí produkovat komodity na 15 % výměry zemědělské půdy celé EU.

Diskuze o potenciálu

Odborná veřejnost se v zásadě nemůže shodnout, jaký je skutečně dosažitelný potenciál (při současných technologiích) v obnovitelných zdrojích energie a to zejména u biomasy pěstované na zemědělské půdě. Ta totiž vyžaduje buď vysoce produkční rostliny (okolo 20 až 50 t/ha suché hmoty při spalování) nebo značné nároky na obdělávané plochy půdy. Ve skutečnosti totiž průměrný vznětový motor o objemu 1,6 litrů spotřebuje na ujetí jednoho kilometru 3,13 MJ (energie v bionaftě z řepky). Přitom roční (požadovaná) energetická potřeba člověka odpovídá nárokům na přibližně 0,15 až 0,2 ha zemědělské půdy, což ekvivalentně odpovídá ujetí méně než 2000 km. Jaké byly a jsou tedy podmínky a efekty pěstování vybraných plodin následně využívaných pro energetické účely?

Energetické bilance

Podívejme se blíže na energetické bilance bioetanolu a bionafty. Nejprve připomeňme energetické relace mezi slunečním zářením a přeměnou energie na biomasu (tabulka 1). Na 1 m² dopadne v ČR za rok v průměru okolo 1000 kWh sluneční energie, solární kolektor je schopný více jak polovinu této energie využít na ohřev vody, fotovoltaický panel dokáže přeměnit okolo 10–15 % energie slunce na elektřinu, rostliny do svých tkání uloží prostřednictvím fotosyntézy v průměru méně než 1 % dopadající sluneční energie. Ve výsledku energie slunce využitelná z rostlin (např. cukrové řepy) prostřednictvím biolihu tak tvoří okolo 0,3 % energie dopadající na pěstovanou plochu.

Tab. 1 – Energie slunce a její přeměna do energie biomasy

Zdroj/příjem energie	Energie (GJ) z 1 ha
Průměrný dopad energie ze slunce v ČR - více než 1000 kWh/rok/m2 *)	více než 36 000
Solární kolektor pro ohřev TUV (500 až 800 kWh/rok/m2)**)	21 000 až 28 000
Fotovoltaický článek pro výrobu elektřiny	3 600
Spálení obilného zrna (5,5 t) a slámy (5 t) z 1 ha	157
Výroba biolihu z cukrovky (4,5 tuny/ha)	109
Výroba řepkového oleje (FAME) – 1,15 t/ha	43 (pouze energie semen) 136 (včetně energie slámy)

*) Množství energie odpovídající 20 litrům ropy. **) Ideální pokrytí kalkulované plochy (ve skutečnosti by bylo menší). Zdroj: VÚZT, VÚRV, vlastní dopočty

Jedním z nejpoužívanějších ukazatelů v energetickém hodnocení je energetická efektivnost (neboli energetická návratnost - EROEI) což je podíl veškeré energie na výstupu k veškeré energii na vstupu) případně energetická náročnost (podíl energie na vstupu k energii na výstupu). Je žádoucí posuzovat tok energie v soustavě všech fází výroby (tzv. hodnocení „od kolébky do hrobu“, není ovšem reálné započítat vždy přesně všechny spotřebované energie ztělesněné např. v infrastrukturních stavbách). V případě biopaliv to zahrnuje vypěstování plodiny, její zpracování, dopravní náklady až k výsledné spotřebě v motoru. Existuje široká škála studií zabývající se tímto hodnocením. Bylo provedeno srovnání studií renomovaných ústavů a jejich výsledky „normalizovány“ pro jejich srovnatelnost. Kalkulovány jsou ve vstupech pouze neobnovitelné zdroje energie a údaje tak ukazují, jaké množství spotřebované energie je zapotřebí k výrobě jednotky energie daného paliva (tabulka 2).

Tab. 2 – Porovnání energetické účinnosti konvenčních paliv a paliv z obnovitelných zdrojů

Palivo	Celková neobnovitelná energie (vstupy MJ/výstupy MJ)
	ADEME/ DIREM	GM	CONCAWE	VÚZT
Benzín	-	-	0,14	-
Etanol (pšenice)	0,49	-	0,2–0,89	0,51
Etanol (cukrovka)	0,49	0,6	0,31–0,87	0,50
Nafta	-	-	0,16	-
Bionafta (řepka)	0,33	0,37	0,46–0,51	0,12
Bionafta (slunečnice)	0,32	-	0,35–0,40	-

Pozn.: ADEME/DIREM – Energy and GhG Balances of Biofuels and Conventional Fuels - Studie zpracovaná francouzským ústavem pro životní prostředí a energie; GM – GM Well-to-Wheel Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel, Studie zpracovaná vybranými subjekty z automobilového a ropného průmyslu; CONCAWE – Well-to-Wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powetrains in the European Context, Společná studie CONCAWE (Asociace olejářských firem pro životní prostředí, zdraví a bezpečnost v těžebním průmyslu), EUCAR (Evropská rada pro výzkum a vývoj v automobilovém průmyslu), a JRC (Společný výzkumný ústav Evropské komise, Ústav pro životní prostředí a udržitelnost); VÚZT – Studie o energetické efektivnosti běžných obnovitelných zdrojů energie Výzkumného ústavu zemědělské techniky

Z tabulky 2 kromě srovnatelných údajů vyplývá, že energetická efektivnost výroby biopaliv je – z pohledu náročnosti na neobnovitelné zdroje energie – méně příznivější ve srovnání s konvenčním benzínem či naftou (v průměru 3x nižší u biopaliv, literatura ovšem uvádí široké rozpětí energetické účinnosti výroby konvenčních paliv, která se navíc v čase mění). Z toho plyne, že pro náhradu konvenčních paliv jejich obnovitelnými alternativami je zapotřebí vyrobit absolutně výrazně větší množství biopaliv, aby došlo k náhradě čistého přebytku energie (energie, která zbude po odpočtu na její spotřebu). Rozpětí presentované u výsledků studie Concawe je v důsledku různě uplatňovaných postupů spotřeby vedlejších produktů. Ty nejsou nezanedbatelné; například při využití lihovarských výpalků na výrobu tepla stoupne podle studie energetická účinnost při výrobě bioetanolu téměř o 40 %. Pro srovnání je vhodné uvést energetickou náročnost vybraných energetických rostlin pěstovaných pro výrobu tepla. Plodiny jako je čirok, chrastice rákosovitá nebo ozdobnice čínská (podle výpočtů VÚRV) dosahují energetické náročnosti mezi 0,05 až 0,1 (MJ na vstupu/MJ na výstupu), přičemž důležitou roli sehrává způsob a rozsah započítávání dopravních nákladů a diskutabilní je také metodika jak zahrnovat energii lidské práce. V ČR pěstované energetické seno vykazuje tento poměr v průměru 0,03. Některé plodiny pěstované v zahraničí vykazují energetickou náročnost již na úrovni 0,01 (na jeden vyrobený MJ energie je zapotřebí pouze 0,01 MJ konvenční energie).

Zajímavé je srovnání, jak jednotlivé procesy výroby přispívají k energetické bilanci. Při znalostech těchto relací je možné zaměřit pozornost na nejnáročnější fáze výroby. Mezi jednotlivými studiemi není v tomto ohledu výrazný rozdíl, kromě menšího u konvenčních paliv.

Tab. 3 – Jak se jednotlivé fáze výroby paliva podílejí na energetických vstupech (v %)

Fáze výroby	Palivo
	Benzín	Etanol (pšenice)	Etanol (cukrovka)	Nafta	Bionafta (řepka)	Bionafta (slunečnice)
Pěstování/těžba	33	22	16	51	46	38
Přeprava	6	0	2	9	1	3
Zpracování	60	77	81	38	52	58
Distribuce	1	1	1	2	1	1
Celkem	100	100	100	100	100	100

Zdroj: Studie ADEME/DIREM

Ukazuje se, že podíl energie dodané na distribuci paliva v jeho celkové potřebě (a to včetně zámořské přepravy) tvoří v relativním vyjádření méně než 2 % (částečně toto vysvětluje, proč se do Evropy dováží bioetanol z Brazílie). S ohledem na množství přepravovaných paliv toto množství energie je v absolutním vyjádření významné.

Ekonomické hodnocení

Celkové kapacity výroby bioetanolu a bionafty nejsou v ČR plně využité (například kapacity pro výrobu bionafty dosahují více než 300 tis. tun, výroba v roce 2008 činila 76,7 tis. tun, situace u bioetanolu je obdobná). Jednou z hlavních příčin jsou stále vysoké náklady na její výrobu a tím nízká konkurenceschopnost. I přesto, že je odbyt biopaliv podporován formou povinného podílu v konvenčním palivu, nijak to nevylučuje konkurenci o nejlevnější biopalivo na trhu (resp. nejlepší podmínky).

Ve své podstatě je podnikání s biopalivy (a patrně v blízké budoucnosti i nadále bude) vysoce rizikový sektor: ceny vstupní komodity-biomasy jsou primárně ovlivňovány situací na agrárních trzích – poptávkou po potravinách a krmivech (a vice versa), vlivem počasí apod., což následně ovlivňuje cenu výsledného paliva (viz níže), které naopak vstupuje do „boje“ s konvenčními (ty jsou determinovány vývojem v cenách ropy, hospodářskými cykly, apod.), ale i alternativními (obnovitelnými) zdroji energie. Kromě těchto cenových faktorů vstupuje „do hry“ v současnosti i nevytvořená infrastruktura v zásobování a odbytu, která se teprve pomalu vytváří. Za absolutní garanci nelze považovat ani dočasné daňové úlevy (např. vratky spotřební daně); naopak zálohy na spotřební daň významně zvyšují náklady lihovarů. Nákladová cena methylesteru řepkového oleje se pohybuje podle kalkulací Vysoké školy chemicko-technologické (VŠCHT) mezi 17,50 až 19,30 Kč/litr při ceně vstupní suroviny 6 450 Kč/tunu řepky a výtěžnosti oleje 36 %. Ovšem při cenách řepky na úrovni 10 tis. Kč/tunu (např. cenová úroveň roku 2008) by se cena řepkového oleje dostala na 28,20 Kč/litr. Znamená to více než dvojnásobek ceny konvenční nafty (13,50 Kč/litr bez daní a marží čerpacím stanicím) při uvažovaném kurzu 23 Kč/USD a ceně ropy 70 USD za barel. Podle šetření Ústavu zemědělské ekonomiky a informací (ÚZEI) byly náklady na pěstování řepky v roce 2008/09 okolo 7,5 tis. Kč/tunu semene. Do rentability přirozeně zasahuje i cena vedlejšího produktu, tj. řepkových pokrutin. Z toho plyne, že i přes očekávané zlevňování produkce těchto biopaliv v důsledku nových technických poznatků může stále docházet k růstu cen konečné produkce. Teprve při ceně ropy nad 100 dolarů za barel a ceně řepky pod 7 tis. Kč mizí rozdíly v cenách konvenčního a biopaliva.

Analogická situace je v případě bioetanolu (produkovaného z pšenice, cukrovky či brambor). Výsledná cena lihu (podle VŠCHT) vyráběného z pšenice se pohybuje okolo 17 Kč za litr (při ceně pšenice 3000 Kč/t), u cukrové řepy 23 Kč/litr (při ceně 1350 Kč/t) a z brambor 20 Kč/litr (při ceně 1250 Kč/t). Cena benzinu Natural je při výše uváděných parametrech (kurz a cena ropy) okolo 12 Kč/litr. Vzhledem k významnému podílu nákladů na vstupní komoditu je fluktuace jejích cen v konečných nákladech klíčová; zatímco v polovině roku 2008 se prodávala pšenice za více než 5800 Kč/tunu, na konci roku 2009 v průměru za 2612 Kč/t. Při současných cenových úrovní konvenčních paliv je bez uvažování podpor nákladově konkurenceschopný (mezi kapalnými biopalivy) v zásadě jenom bioetanol z cukrové třtiny (hlavní producent je Brazílie).

Pro srovnání je vhodné uvést, že bez veřejné podpory se nejeví ani pěstování energetických plodin pro spalování příliš rentabilní. Například VÚRV provedl srovnání vybraných energetických plodin, přičemž pouze rychle rostoucí dřeviny (vrby a topoly) vykazovaly kladný zisk bez započítání dotace. Na rozdíl od biopaliv je v případě energetických plodin náklad na přepravu velmi významný a rozhoduje o jeho schopnosti konkurovat uhlí či palivovému dřevu.

Klíčovým faktorem v rozvoji (zlevnění) produkce obnovitelných zdrojů energie jsou změny v technologiích – ty mohou stlačit náklady a ceny výsledné energie výrazně dolů (v důsledku dosahování výhod z objemu a zefektivnění provozu). Jako příklad lze uvést investiční náklady fotovoltaických instalací, které podle ČSÚ poklesly mezi roky 2000 a 2008 o 2/3.

Biopaliva a životní prostředí

Součástí hodnocení energetických plodin jsou jejich různé dopady do životního prostředí. Zejména zde je klíčové posuzovat všechny fáze výroby (pěstování – zpracování na biopalivo – přeprava biopaliva – spálení v motoru – přizpůsobení motoru vozidla). Podle švýcarské studie (zpracované institutem EMPA) jsou biopaliva v řadě ukazatelů škodlivější než konvenční. Studie (aplikující ucelený pohled na všechny fáze výroby) hodnotila i takové efekty jako je kácení a vypalování pralesů a z toho vyplývající drastický vliv na biodiversitu. Při holistickém přístupu hodnocení vlivů dochází u některých plodin k významné produkci negativních externalit, které mohou dokonce převážit externality z konvenčních zdrojů. Velmi často zejména v důsledku intenzivního – energeticky náročného – pěstování plodin. Ve výsledku je poté nejčastěji hodnoceným faktorem jejich schopnost snižovat bilanci skleníkových plynů z produkce biopaliva (klíčový argument pro získání daňových úlev). Následující tabulka uvádí celkovou produkci CO₂ vyjádřeného na MJ vyrobené energie.

Tab. 4 – Množství emisí CO₂ při produkci konvenčních paliv a biopaliv (porovnání tří studií)

Biopalivo	Emise CO2 v g/1 MJ energie
	ADEME/DIREM	GM	CONCAWE
Benzín	86	87	86
Etanol (pšenice)	34	-	30 – 58
Etanol (cukrovka)	34	55	38 – 60
Nafta	81	83	88
Bionafta (řepka)	24	12 – 61	41 – 45
Bionafta (slunečnice)	20	-	34 - 38

Zdroj: studie ADEME/DIREM, GM, CONCAWE

Současně vyráběná biopaliva vykazují oproti konvenčním nižší hodnoty emisí oxidu uhličitého (u etanolu méně než polovina, u bionafty čtvrtina). Při jejich spalování se ovšem uvolňuje až dvojnásobné množství oxidů dusíku, o kterém se uvádí, že je podstatně účinnějším skleníkovým plynem než oxid uhličitý. Celkové množství sice není velké, ale přesto snižuje očekávané emisní výhody biopaliv. Při hodnocení vlivu na životní prostředí (jehož kvantifikace je vždy složitější) je situace již méně příznivá. Podle zmiňované studie většina biopaliv vyráběných ze zemědělský plodin (měřeno prostřednictvím vybraného ukazatele charakterizující environmentální dopad a vyjádřený relativně ke konvenčnímu palivu-benzínu) vykazovala často i několikánosobně vyšší (negativní) účinky na okolní prostředí. Naopak povětšinou paliva vyráběná z odpadů vykazují celkově nižší zátěž vůči prostředí, tak jak vyplývá z následujícího obrázku (relativní porovnání paliv v emisích a dopadech na životní prostředí).

Pozn.: Dopady na životní prostředí jsou měřeny prostřednictvím integrálního ukazatele UBP 06, který měří a syntetizuje několik faktorů (intenzita pěstování, ekotoxicita, podpora smogu v letním období, atd.). Zdroj: Studie EMPA: Hodnocení vlivů biopaliv na životní prostředí (2007)

Závěr

Hodnocení produkce a využívání biopaliv musí zohledňovat několik aspektů – zajištění potravin a zdrojů pro jejich výrobu, ekonomiku výroby biosložek, energetickou bilanci celého procesu a také ekologické hodnocení. Za předpokladu progresivně ubývajících zásob ropy a plynu se jeví produkce biopaliv jako nevyhnutelná; nyní ale stále s několika velkými „ALE“:

• životní prostředí (prozatím) výhody z produkce biopaliv nemá (zejména ve fázi produkce suroviny); v souvislostí s degradací přirozené úrodnosti půd se navíc předpokládá, že intenzivní a energeticky náročná zemědělská produkce bude i nadále využívat vysoké dávky anorganických vstupů
• žádoucí závislost na centralizovaných dodávkách energií to příliš nesnižuje (Evropa a stejně tak ČR dováží významné množství biopaliv opět koncentrovaných do relativně malého regionu)
• ekonomicky biopalivo (prozatím) nekonkuruje konvenčnímu (tento argument ovšem nemůže znamenat odklon od vývoje a zlepšování výroby, který má schopnost dlouhodobě snížit výrobní náklady)
• nároky na zemědělské suroviny (při ambiciózních cílech) budou významně konkurovat potravinářskému užití a zvyšovat ceny suroviny, která se tak zpětně projeví v nákladech biopaliva
• z energetického pohledu jsou sledovaná biopaliva stále málo efektivní – v průměru polovina výroby je spotřebovaná ve vstupech
• existují energeticky účinnější zdroje surovin využitelné jako náhrada za paliva (zejména z odpadní hmoty)

Praxe ukázala, že témata týkající se výroby a použití biopaliv jsou velmi citlivá. Biopaliva jsou a patrně i do budoucna budou konkureceschopná pouze ve vhodně zvoleném mixu obnovitelných (a dočasně i neobnovitelných) energií. Bez veřejné podpory není většina biopaliv vyráběná v ČR uplatnitelná na trhu – jejich dočasné podporování je ovšem nutné chápat jako mezičlánek na cestě k trvale udržitelné obnovitelné energetické výrobě. Relativně krátké zkušenosti s masivnějším využíváním biopaliv opět dokazují, že úsporná opatření v oblasti spotřeby energií by měly být minimálně stejně důležité jako v oblasti hledání alternativních zdrojů energií.

Literatura

Seznam použité literatury je k dispozici v redakci.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

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