От почвы до секвестрации, исследователи из Принстонского университета и Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер смоделировали, как может выглядеть цепочка поставок биотоплива второго поколения на Среднем Западе США.

Это биотопливо следующего поколения становится более устойчивой заменой бензина и дизельного топлива, получаемых из ископаемого топлива, которое, при тщательном управлении, может удалить из атмосферы больше парниковых газов, чем они выделяют в течение своего жизненного цикла.

И в отличие от обычного биотоплива или биотоплива первого поколения, которое производят из таких культур, как кукуруза и сахарный тростник, которые в противном случае можно было бы использовать в пищу, биотопливо второго поколения получают из сельскохозяйственных отходов или непродовольственных культур, выращиваемых на низкопродуктивных или недавно заброшенных землях.

Тем не менее, поскольку эти виды топлива следующего поколения все еще находятся в зачаточном состоянии, им приходится сталкиваться со значительной неопределенностью относительно своей роли в будущем низкоуглеродной энергетики.

Предыдущие исследования биотоплива имеют тенденцию к двум крайностям: либо сосредоточение внимания на «био» (включение данных о росте сельскохозяйственных культур, продуктивности и землепользовании без подробного рассмотрения проблем последующей цепочки поставок), либо на «топливе» (планирование цепочки поставок и проектирование биоперерабатывающего завода). использование слишком упрощенных данных о земле и урожаях.

Принстонское исследование объединяет две точки зрения, чтобы предоставить более полный прогноз цепочки поставок биотоплива в регионе из восьми штатов Среднего Запада, основанный на очень подробных данных. Их результаты были опубликованы 22 мая в журнале Nature Energy.

«В этом исследовании мы объединяем два разных подхода к изучению биотоплива», — сказал Христос Маравелиас, профессор энергетики и окружающей среды семьи Андерсон и профессор химической и биологической инженерии. «В наш анализ было включено много высококачественных данных в мелких пространственных масштабах, что дало нам гораздо более целостное представление об этих системах».

Оптимизация от роста урожая до места секвестрации

Цепочки поставок биотоплива сложны. Сырье для биотоплива необходимо выращивать и собирать на раздробленной сети земель. Затем это сырье необходимо транспортировать на расположенный в центре нефтеперерабатывающий завод. На нефтеперерабатывающем заводе с помощью нескольких различных технологий можно преобразовать растительное сырье в жидкое биотопливо, а любые выбросы углерода , образующиеся в процессе переработки, можно улавливать и впоследствии изолировать за пределами предприятия.

Следовательно, решения, принимаемые на каждом этапе цепочки поставок, могут привести к созданию систем с сильно различающимися затратами и воздействием на выбросы: от культуры, выбранной в качестве сырья, до расстояния между полем и нефтеперерабатывающим заводом и технологии, используемой для преобразования завода в биотопливо.

«Даже, казалось бы, изолированные или несвязанные решения, например, какой стимул вы планируете предоставить для улавливания углерода или какую технологию преобразования вы предпочитаете, могут оказать существенное влияние на ландшафтный дизайн биоэкономики», — сказал соавтор Калеб Гейсслер, аспирант химическая и биологическая инженерия.

Таким образом, сказал Гейсслер, оптимальный ландшафтный дизайн зависит от исходных целей: какое количество биотоплива следует производить, по какой цене и с какой интенсивностью выбросов углекислого газа?

Хотя исследователи предупредили, что их модель не была разработана специально как инструмент принятия решений, Маравелиас заявил, что она дает ценную информацию об экономике и экологических последствиях будущей биоэкономики. А поскольку биотопливо второго поколения еще не достигло широкой коммерциализации, активные исследования теперь могут стать основой для усилий по обеспечению значимого внедрения этого топлива в будущую энергетическую систему.

«Модель учитывает все компоненты системы, поэтому мы можем использовать ее для ответа на множество различных типов вопросов», — сказал Маравелиас. «Мы можем использовать его, чтобы определить оптимальный способ производства определенного количества биотоплива при минимизации экономических затрат. Мы можем использовать его, чтобы определить систему, которая производит такое же количество топлива, минимизируя воздействие на окружающую среду. Или мы могли бы поручить ему разработать систему это обеспечивает некоторый баланс между ними».

Подчеркивая влияние политики

Используя свою модель, исследовательская группа могла бы также изучить роль политических стимулов в формировании предпочтительных технологий и воздействия на выбросы в цепочке поставок биотоплива.

Например, команда обнаружила, что налоговая льгота на улавливание углерода в 45 квартале, которая обеспечивает 85 долларов за тонну улавливания углерода, в достаточной степени стимулирует улавливание углерода во всей системе. Однако суммы налоговых льгот ниже 60 долларов за тонну углерода (до принятия Закона о сокращении инфляции 2022 года налоговая льгота в 45 квартале составляла всего 50 долларов) были недостаточными для стимулирования инвестиций в улавливание и секвестрацию углерода.

В этом случае система создавала, а не удаляла выбросы углекислого газа, хотя она все равно производила гораздо меньше выбросов по сравнению с сегодняшними видами ископаемого топлива.

«Даже если ценность стимула изменится, мы все равно хотим, чтобы наши результаты были информативными», — сказал Гейсслер. «Это также способ проинформировать политиков о том, как различные стимулы поддерживают различные технологии и конфигурации системы».

И хотя нынешние схемы стимулирования определяют только денежную стоимость углерода, улавливаемого на самом нефтеперерабатывающем заводе, исследователи также смоделировали альтернативные сценарии, направленные на минимизацию выбросов по всей цепочке поставок , включая как прямые выбросы от транспорта, так и косвенные выбросы, воплощенные в используемой электроэнергии. для питания системы.

Эти альтернативные сценарии выявили еще больше компромиссов. Налоговая льгота должна составлять не менее 79 долларов за тонну, чтобы начать стимулировать улавливание углерода на нефтеперерабатывающем заводе, и около 100 долларов за тонну, чтобы система улавливания углерода была установлена ​​на каждом нефтеперерабатывающем заводе. Ниже этих значений часто бывает более рентабельно сократить транспортировку и компенсировать выбросы от покупной электроэнергии, прежде чем инвестировать в улавливание углерода.

Исследователи даже наметили пути сокращения выбросов углерода, помимо финансовых стимулов, используя потенциал связывания углерода в почве для конкретного участка и управленческие решения, такие как внесение удобрений, чтобы создать ландшафтный дизайн с наибольшими общими экологическими выгодами.

«Поскольку биотопливо следующего поколения все еще находится на стадии разработки, разработанная нами модель позволяет нам убедиться, что мы проектируем эти системы правильно», — сказал Маравелиас. «Важно иметь как можно больше информации сейчас, прежде чем мы зациклимся на далеко не идеальных технологиях и конфигурациях систем».