Energy blog

 

Etanolintuotannon kestävyys

Kimmo Klemola
01.01.2007

Alkuosan lähde [1]:
Patzek Tad W., Thermodynamics of the corn-ethanol biofuel cycle, University of California Berkeley, August 14, 2005.

 

Berkeleyn yliopiston professori Tad Patzek on käsitellyt erinomaisessa teoksessaan "Thermodynamics of the corn-ethanol biofuel cycle" biopolttoaineiden tuotannon kestävyyttä, esimerkkitapauksena Yhdysvaltain maissietanolin tuotanto.

Maissietanolin tuotannossa tulee selvittää seuraavat asiat:

  • Onko etanolin tuotanto maissista kestävällä pohjalla?

  • Jos etanolin tuotanto maissista ei ole kestävää, onko se kuinka kestämätöntä?

  • Voidaanko maissietanolin tuotannosta tehdä kestävää prosessimuutoksilla?

Mikäli maissipellolta otetaan talteen vain maissin jyvät, humusta häviää pellolta vuodessa noin 500 kg/ha. Tämä voidaan korvata palauttamalla etanolitehtaan sivutuoterehusta 2000 kg/ha. Muuten maissietanolin tuotanto ehdyttää öljy-, maakaasu- ja kivihiilivarojen lisäksi maaperää.

Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan ajan kuluessa maailmankaikkeuden entropia lähestyy vääjäämättä maksimia. Tämä entropialaki määrää rajat sille mitä ei voi tapahtua, mutta ei määrää aukotta mitä voi tapahtua. Tämä porsaanreikä mahdollisti elämän synnyn. Elämän perusta on ympäristö, joka muuttuu alhaisen entropian tasolta vain hieman korkeammalle entropian tasolle. Elämä hiipuu ympäristössä, jossa entropia on liian suuri, kuten aavikolla tai saastuneessa vedessä. Kestävässä viljelyssä alhaista entropiaa tuhlataan vain vähän. Teollinen maatalous ei ole kestävää.

Yleinen kuvitelma on, että maapallon ekosysteemi ammentaa auringonvalosta energiaa ja voi tuottaa meille ikuisesti ruokaa, puuta ja muita luonnontuotteita. Ihmiskunnan olemassaolon aikana auringon antama energia on pysynyt hyvin vakiona. Se on elämämme ja maatalouden kannalta oleellisen tärkeää, mutta se ei poista sitä tosiasiaa, että teollinen maatalous saattaa aiheuttaa vakavaa maaperän eroosiota jo yhden ihmissukupolven aikana. Jo varhaisimmat maanviljelijät tiesivät, ettei lannan palauttaminen pelloille lannoitteeksi riitä estämään maaperän köyhtymistä. Puhdas vesi on maataloudelle elintärkeää ja maatalous ehdyttää myös puhtaita vesivaroja.

On väärin kuvitella, että lannoitus voi kumota termodynamiikan toisen pääsäännön ja tehdä ruoantuotannosta ikuisesti kestävää. Elämä ei perustu pelkästään aurinkoenergialle vaan myös ekosysteemin alhaiselle entropialle. Aikojen kuluessa vetojuhdat ja työhevoset ovat vaihtuneet koneisiin. Traktorit valmistetaan raudasta, muista metalleista, öljystä ja kivihiilestä, ja ne kulkevat öljyllä. Luonnonmukaisesti tuotettu karjanlanta on korvattu teollisilla lannoitteilla, jotka valmistetaan maakaasusta, öljystä, kivihiilestä ja mineraaleista. Maatalouden matalan entropian lähde ei enää olekaan vain auringonvalo, vaan kasvavassa määrin maankuoren fossiiliset raaka-aineet ja mineraalivarat. Niiden riittävyys määrää, kuinka kauan ja kuinka paljon ihmisiä maapallo voi elättää. Jos M on käytettävissä olevien mineraalien ja fossiilisten raaka-aineiden määrä ja r niiden hyödyntämisen keskimääräinen tahti, M = rt, jossa t on tehomaataloudesta elävän ihmiskunnan jäljellä oleva aika. Tämä aika saattaa olla vain kymmeniä vuosia. Tähän yhtälöön ei myöskään mahdu viljeltyjen biopolttoaineiden tuotanto, joka vain kiihdyttää mineraalien ja fossiilisten raaka-aineiden kulutusta. Nykyinen teollinen maatalous ja ruoantuotanto eivät voi olla kestävällä pohjalla, koska ne perustuvat ehtyvien lähinnä fossiilisten raaka-aineiden käyttöön.

Kestäväksi maissin tuotannoksi Berkeleyn professori Tad Patzek arvioi 1600 kg/ha, viidesosa nykyisestä, eli vuosien 1866–1939 keskimääräinen hehtaarisato. Mikäli nykyinen maissimäärä tuotettaisiin kestävästi eli sato olisi 1600 kg/ha, tarvittava peltoala olisi noin 140–180 miljoonaa hehtaaria eli suunnilleen koko USA:n peltoala. Kestävä viljely tarkoittaa, että maissi tulisi kasvattaa ns. luomuna eli mm. lannoitteena käytettäisiin luonnonmukaisesti tuotettua karjanlantaa. Karja ei siihen riittäisi ja peltojen kyky tuottaa maissia ehtyisi muutamassa kymmenessä vuodessa. Sama pätee myös muihin teollisesti viljeltyihin biopolttoainekasveihin. 

Meille ei riitä luonnollinen hiilikierto ja nykyinen auringon energia vaan sitä on nopeutettava fossiilisiin polttoaineisiin satoja miljoonia vuosia sitten kertyneellä auringon energialla. Maakaasusta, öljystä ja kivihiilestä tuotetaan lannoitteita, työkoneita, kasvi- ja hyönteismyrkkyjä, ja näin maissin ja etanolin tuotantomääriä saadaan kasvatettua. Samalla me kuitenkin köyhdytämme maata, saastutamme ympäristöä kemikaaleilla ja ehdytämme ja pilaamme puhtaita vesivaroja. Teollinen etanolin tuotanto ei voi olla kestävää.

Suurimman osan viljellystä biomassasta tulee jäädä tai se tulee palauttaa takaisin peltoon maaperän köyhtymisen ehkäisemiseksi. Maissin varsien ja lehtien ja viljan olkien hyväksikäyttö ns. selluetanoliprosessissa ja muissa ns. BTL-prosesseissa (biomass-to-liquids) tai vedyn tuotannossa biomassasta ovat ristiriidassa tämän vaatimuksen kanssa.

Teollinen peltoetanoli on valmistettu käytännössä fossiilisista raaka-aineista ja koko etanoliketjun fossiilisista raaka-aineista syntyneet hiilidioksidipäästöt ovat suuremmat kuin jos polttoaine olisi valmistettu suoraan fossiilisista raaka-aineista.    

Etanoli ymmärretään usein hiilidioksidipäästöjä arvioitaessa täysin vihreäksi eli sen ei lasketa aiheuttavan lainkaan hiilidioksidipäästöjä, koska etanolin hiili on peräisin ilmakehästä hiilensä saavista kasveista. Oikea tapa olisi lisätä etanolin tuotantoon käytettyjen fossiilisten raaka-aineiden aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ja tarkastella nettohiilidioksidipäästöjä. Vertailtaessa tällä tavalla syntyneitä hiilidioksidipäästöjä havaitaan, että maissietanoli aiheuttaa huomattavasti suuremmat hiilidioksidipäästöt kuin raakaöljystä jalostettu bensiini ja diesel tai maakaasu.

Biopolttoaineiden vaihtoehdoksi professori Patzek esittää yksinkertaista ja edullista mutta kivuliasta ratkaisua: energian säästämistä kaikilla talouden aloilla. Toinen ratkaisu on energiantuotannon turvaaminen entistä enemmän aurinkoon.

Patzek-osa loppu

 

Cornellin yliopiston professori: David Pimentel: ”Peltojen käyttö tuottamaan raaka-ainetta energiaintensiiviselle etanoliprosessille, josta saadaan huonolaatuista autojen polttoainetta, on yhteiskunnan tukemaa kestävän kehityksen vastaista ruoan polttamista. Etanolin tuotanto on ympäristön kannalta haitallista. Maissin tuottaminen aiheuttaa viljelysmaan eroosiota, joka on noin 12 kertaa voimakkaampaa kuin viljelysmaan palautuminen.”

Toisenkinsuuntaisia tutkimuksia on julkaistu. Sheehanin et al. [2] mukaan yksin Iowan osavaltio voi tuottaa E100-etanolia 8 miljardia litraa maissinviljelyn jätteestä ilman että maaperä köyhtyy pitkällä aikavälillä (90 vuoden ennuste). 

Saksalaisen tohtori Gerd Eisenbeißin mukaan rajalliset biomassavarat tulisi käyttää lämmön- ja sähköntuotantoon. Energiakasvien viljely on epäeettistä maailmassa, jossa suuri osa väestöstä kärsii aliravitsemuksesta. Viljelysmaan ja vesivarojen tuhoutuminen ja väheneminen ovat kestävän kehityksen avainongelmia. Puun käytön kiihtyvä lisääminen sotii ilmastotavoitteita vastaan. Metsät ovat hiilinieluja.

Monien uusiutuvien energianlähteiden, mukaan lukien biomassan, ongelma on, että niiden liikakäyttö saattaa aiheuttaa vakavia ympäristöhaittoja. Toisaalta fossiiliset polttoaineet ja esimerkiksi hiilidioksidin talteenotto hiilivoimaloista ja ydinvoiman fissiotuotteiden varastointi jättävät tuleville sukupolville ikävän perinnön.

Nykyisenlaista kulutusta ei voida todennäköisesti ylläpitää uusiutuvalla energialla ainakaan tällä vuosisadalla. Kestävän kehityksen mukainen tulevaisuus ei ole mahdollista ilman, että materialistisesta kulutuksesta tingitään. Fossiilienergia tulisi korvata lähes täysin uusiutuvalla energialla, ja mikäli siihen ei kyetä, kestävän yhteiskunnan tulee vähentää energian käyttöään dramaattisesti.

Ekosysteemin kasvit, eläimet ja mikrobit ovat miljoonia vuosia keränneet vain noin promillen auringon säteilyn energiasta. Kasviston keräämä auringon energia päätyy biomassaksi, joka puolestaan mahdollistaa elämän – myös ihmiselämän – maapallolla. Ihminen käyttää noin 50 % maailman biomassasta ruoan, sahatavaran, paperin, lääkkeiden, polttoaineiden jne tuottamiseen. Maailman noin 30 miljoonaa eliölajia käyttävät loput.

Biomassan hyödyt eivät jakaudu kaikille ihmisille tasaisesti – suuri osa maailman ihmisistä on aliravittuja. Lisäksi biomassan liika hyödyntäminen on uhka luonnon monimuotoisuudelle. Noin 50 vuodessa maailman väkiluvun arvioidaan lisäksi kasvavan noin 6,5 miljardista yli 9 miljardiin. Aliravittujen määrän arvioidaan nousevan miljardeihin muutamassa vuosikymmenessä. Väestönkasvu lisää monia ympäristöongelmia, kuten metsien tuhoutuminen, kaupungistuminen, saastuminen ja teollistuminen. Tulevina vuosikymmeninä tarve tuottaa biomassasta aina vain enemmän ruokaa, puu- ja paperituotteita sekä toisaalta energiaa, polttoaineita ja kemikaaleja aiheuttaa kilpailutilanteen eri tarpeiden välille. Ihmisen tarve saada tuotettua biomassaa mahdollisimman paljon ja tehokkaasti on suuri vaara luonnon monimuotoisuudelle. Joka päivä maapallolta katoaakin jopa 150 eliölajia. 

Luonnossa ja viljelysmailla voidaan tuottaa vuodessa noin 3 t/ha kuivaa biomassaa eli noin 50 GJ/ha. Luonnon tuottava ekosysteemi on noin 50 miljardia hehtaaria. Meriä on noin 36,5 miljardia hehtaaria ja maata noin 13,5 miljardia hehtaaria. Meret tuottavat biomassaa vuodessa noin 1 kuivatonnin/ha (36,5 miljardia tonnia eli 607 EJ) ja maa-alueet noin 3 kuivatonnia/ha (40,5 miljardia tonnia eli 678 EJ). Biomassaa syntyy siis vuodessa noin 77 miljardia tonnia (1285 EJ) eli 12,8 tonnia ihmistä kohti. Maa-alueet tuottavat biomassaa ihmistä kohti 6,8 tonnia vuodessa. Ihmiset käyttävät biomassasta noin puolet, joten yksi ihminen käyttää vuodessa noin 3,4 tonnia biomassaa. Loppu biomassasta kuluu maailman maa-alueiden ehkäpä noin 10 miljoonan eliölajin tarpeisiin. [3]

 

Lähteet:

1. Patzek Tad W., Thermodynamics of the corn-ethanol biofuel cycle, University of California Berkeley, August 14, 2005.

2. Sheehan John, Aden Andy, Paustian Keith, Killian Kendrick, Brenner John, Walsh Marie, Nelson Richard, Energy and environmental aspects of using corn stover for fuel ethanol, Journal of Industrial Ecology, Vol. 7, No. 3-4, 2004.

3. Pimentel David, Biomass utilization, limits of, Encyclopedia of Physical Science and Technology, 3rd ed., vol. 2. San Diego, Academic Press, 2002.

 

Energy blog
www.dontfly.org