พลังงานชีวภาพ

พลังงานชีวภาพ () เป็นประเภทของพลังงานทดแทน ที่ได้จากพืชและของเสียจากสัตว์ ชีวมวล ที่ใช้เป็นวัสดุตั้งต้นประกอบด้วยสิ่งมีชีวิตที่เพิ่งมีชีวิตอยู่ (แต่ตอนนี้ตายแล้ว) ส่วนใหญ่เป็นพืช ดังนั้น เชื้อเพลิงฟอสซิล จึงไม่ถือว่าเป็นชีวมวลภายใต้คำจำกัดความนี้ ประเภทของชีวมวลที่นิยมใช้สำหรับพลังงานชีวภาพ ได้แก่ ไม้ พืชอาหาร เช่น ข้าวโพด พืชพลังงาน และของเสียจากป่า สนามหญ้า หรือฟาร์ม 

พลังงานชีวภาพสามารถช่วยในเรื่อง การบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ แต่ในบางกรณี การผลิตชีวมวลที่ต้องการอาจเพิ่ม การปล่อยก๊าซเรือนกระจก หรือ นำไปสู่ การสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ ในท้องถิ่น ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิตชีวมวลอาจเป็นปัญหาได้ ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตและเก็บเกี่ยวชีวมวล

สถานการณ์ Net Zero by 2050 ของ สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) เรียกร้องให้มีการเลิกใช้พลังงานชีวภาพแบบดั้งเดิมภายในปี 2030 โดยส่วนแบ่งของพลังงานชีวภาพสมัยใหม่จะเพิ่มขึ้นจาก 6.6% ในปี 2020 เป็น 13.1% ในปี 2030 และ 18.7% ในปี 2050 พลังงานชีวภาพมีศักยภาพในการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างมีนัยสำคัญ หากนำไปปฏิบัติอย่างถูกต้องSmith, P., J. Nkem, K. Calvin, D. Campbell, F. Cherubini, G. Grassi, V. Korotkov, A.L. Hoang, S. Lwasa, P. McElwee, E. Nkonya, N. Saigusa, J.-F. Soussana, M.A. Taboada, 2019: Chapter 6: Interlinkages Between Desertification, Land Degradation, Food Security and Greenhouse Gas Fluxes: Synergies, Trade-offs and Integrated Response Options. In: Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems [P.R. Shukla, J. Skea, E. Calvo Buendia, V. Masson-Delmotte, H.- O. Portner, D. C. Roberts, P. Zhai, R. Slade, S. Connors, R. van Diemen, M. Ferrat, E. Haughey, S. Luz, S. Neogi, M. Pathak, J. Petzold, J. Portugal Pereira, P. Vyas, E. Huntley, K. Kissick, M. Belkacemi, J. Malley, (eds.)]. In press. เส้นทาง ส่วนใหญ่ที่แนะนำเพื่อจำกัดภาวะโลกร้อน รวมถึงการมีส่วนร่วมอย่างมากจากพลังงานชีวภาพในปี 2050 (เฉลี่ยอยู่ที่ 200 เอ็กซะจูล)IPCC, 2019: Summary for Policymakers. In: Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems [P.R. Shukla, J. Skea, E. Calvo Buendia, V. Masson-Delmotte, H.- O. Pörtner, D. C. Roberts, P. Zhai, R. Slade, S. Connors, R. van Diemen, M. Ferrat, E. Haughey, S. Luz, S. Neogi, M. Pathak, J. Petzold, J. Portugal Pereira, P. Vyas, E. Huntley, K. Kissick, M. Belkacemi, J. Malley, (eds.)]. https://doi.org/10.1017/9781009157988.001 

 ความหมายและคำศัพท์ 
รายงานการประเมินครั้งที่ 6 ของ IPCC (IPCC Sixth Assessment Report) นิยาม พลังงานชีวภาพ (bioenergy) ว่า "พลังงานที่ได้จาก ชีวมวล ในรูปแบบใด ๆ หรือผลพลอยได้จากการเผาผลาญ"IPCC, 2022: Annex I: Glossary [van Diemen, R., J.B.R. Matthews, V. Möller, J.S. Fuglestvedt, V. Masson-Delmotte, C.  Méndez, A. Reisinger, S. Semenov (eds)]. In IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley, (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. doi: 10.1017/9781009157926.020 และยังให้นิยาม ชีวมวล (biomass) ในบริบทนี้ว่า "สารอินทรีย์ที่ไม่รวมวัสดุที่กลายเป็นฟอสซิลหรือฝังอยู่ในชั้นหิน" ซึ่งหมายความว่า ถ่านหิน หรือ เชื้อเพลิงฟอสซิล อื่น ๆ ไม่ใช่ชีวมวลในบริบทนี้

คำว่า ชีวมวลแบบดั้งเดิม (traditional biomass) สำหรับพลังงานชีวภาพ หมายถึง "การเผาไหม้ของไม้ ถ่าน ผลพลอยได้ทางการเกษตร และ/หรือมูลสัตว์ เพื่อการปรุงอาหารหรือให้ความร้อนในกองไฟ หรือใน เตาที่ไม่มีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นเรื่องปกติใน ประเทศที่มีรายได้ต่ำ" 

เนื่องจากชีวมวลสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้โดยตรง (เช่น ท่อนไม้) บางครั้งคำว่า ชีวมวล (biomass) และ เชื้อเพลิงชีวภาพ (biofuel) จึงถูกใช้แทนกันได้ อย่างไรก็ตาม คำว่า ชีวมวล มักจะหมายถึงวัตถุดิบทางชีวภาพที่ใช้ทำเชื้อเพลิง โดยทั่วไปแล้ว คำว่า เชื้อเพลิงชีวภาพ หรือ แก๊สชีวภาพ จะสงวนไว้สำหรับเชื้อเพลิงเหลวหรือเชื้อเพลิงแก๊สตามลำดับ 

 วัตถุดิบ 

กระบวนการแปลงความร้อน (Thermal conversion) ใช้ความร้อนเป็นกลไกหลักในการยกระดับชีวมวลให้เป็นเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นและใช้งานได้จริงมากขึ้น ทางเลือกพื้นฐานคือ การเผาศพ (torrefaction) ไพโรไลซิส (pyrolysis) และ การแปรสภาพเป็นแก๊ส (gasification) ซึ่งแยกออกจากกันโดยส่วนใหญ่ตามขอบเขตของปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้อง (ส่วนใหญ่ควบคุมโดยปริมาณออกซิเจนที่มีอยู่และอุณหภูมิการแปลง)  

การแปลงทางเคมี (chemical conversions) จำนวนมากมีพื้นฐานมาจากกระบวนการที่ใช้ถ่านหิน เช่น กระบวนการฟิชเชอร์-ทรอปช์ (Fischer-Tropsch synthesis)  เช่นเดียวกับถ่านหิน ชีวมวลสามารถเปลี่ยนเป็นสารเคมีโภคภัณฑ์ได้หลายชนิดConversion technologies . Biomassenergycentre.org.uk. Retrieved on 2012-02-28. 

กระบวนการทาง ชีวเคมี (Biochemical) ได้พัฒนาขึ้นในธรรมชาติเพื่อสลายโมเลกุลที่ประกอบเป็นชีวมวล และสามารถนำสิ่งเหล่านี้มาใช้ประโยชน์ได้มากมาย ในกรณีส่วนใหญ่ จุลินทรีย์ถูกนำมาใช้ในการแปลง กระบวนการเหล่านี้เรียกว่า การย่อยแบบไร้อากาศ (anaerobic digestion) การหมัก (fermentation) และ การทำปุ๋ยหมัก (composting) 

 การนำไปใช้ 
ชีวมวลเพื่อความร้อน
ระบบทำความร้อนชีวมวลผลิตความร้อนจากชีวมวล ระบบอาจใช้การเผาไหม้โดยตรง (combustion), การแปรสภาพเป็นแก๊ส (gasification), การรวมความร้อนและพลังงาน (combined heat and power: CHP), การย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic digestion), หรือการย่อยแบบใช้ออกซิเจน (aerobic digestion) เพื่อผลิตความร้อน ระบบทำความร้อนชีวมวลอาจเป็นแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบหรือกึ่งอัตโนมัติ ระบบอาจใช้เชื้อเพลิงแบบเม็ดไม้ หรืออาจเป็นระบบความร้อนและพลังงานรวม

 เชื้อเพลิงชีวภาพเพื่อการขนส่ง 

Based on the source of biomass, biofuels are classified broadly into two major categories, depending if food crops are used or not:
เชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นแรก (หรือ "แบบดั้งเดิม") ผลิตจากแหล่ง อาหาร ที่ปลูกบนพื้นที่เพาะปลูก เช่น อ้อย และ ข้าวโพด น้ำตาลที่มีอยู่ในชีวมวลนี้ถูกนำไปหมักเพื่อผลิต ไบโอเอทานอล (bioethanol) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงแอลกอฮอล์ที่ใช้เป็นสารเติมแต่งในน้ำมันเบนซิน หรือใน เซลล์เชื้อเพลิง เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ไบโอเอทานอล ผลิตโดย การหมัก ซึ่งส่วนใหญ่มาจาก คาร์โบไฮเดรต ที่ผลิตในพืช น้ำตาล หรือ แป้ง เช่น ข้าวโพด อ้อย หรือ ข้าวฟ่างหวาน ไบโอเอทานอลถูกใช้อย่างแพร่หลายใน สหรัฐอเมริกา และใน บราซิล ไบโอดีเซล (Biodiesel) ผลิตจากน้ำมันในพืชเช่น ผักกาดก้านขาว หรือ หัวบีทน้ำตาล และเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพที่พบมากที่สุดในยุโรป

เชื้อเพลิงชีวมวลรุ่นที่สอง (หรือเรียกว่า "เชื้อเพลิงชีวมวลขั้นสูง") ใช้แหล่งชีวมวลที่ไม่ใช่เพื่อการอาหาร เช่น พืชพลังงานหลายปีและเศษวัสดุทางการเกษตรหรือขยะ วัตถุดิบที่ใช้ทำเชื้อเพลิงอาจปลูกบนที่ดินเพาะปลูกแต่เป็นผลพลอยได้จากพืชหลัก หรือปลูกบนที่ดินชายขอบ ขยะจากอุตสาหกรรม เกษตรกรรม ป่าไม้ และครัวเรือนก็สามารถใช้สำหรับเชื้อเพลิงชีวมวลรุ่นที่สอง ได้แก่ การใช้การย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน เพื่อผลิตแก๊สชีวภาพ การแปรสภาพเป็นแก๊ส เพื่อผลิตแก๊สสังเคราะห์ หรือการเผาไหม้โดยตรง ชีวมวลเซลลูโลส ซึ่งได้มาจากแหล่งที่ไม่ใช่เพื่อการอาหาร เช่น ต้นไม้และหญ้า กำลังพัฒนาเพื่อเป็นวัตถุดิบ สำหรับการผลิตเอทานอล และไบโอดีเซลสามารถผลิตได้จากผลิตภัณฑ์อาหารที่เหลือใช้ เช่น น้ำมันพืชและไขมันสัตว์

 การผลิตเชื้อเพลิงเหลว 
 ชีวมวลเหลว
 การแปลงชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงแอลกอฮอล์ผสม

 การเปรียบเทียบกับพลังงานหมุนเวียนประเภทอื่น ๆ 

 ความต้องการที่ดิน 
ความหนาแน่นของการผลิตพลังงานพื้นผิวของพืชผลจะกำหนดปริมาณที่ดินที่จำเป็นสำหรับการผลิต ค่าเฉลี่ยตลอดวงจรชีวิตของ ความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิว สำหรับการผลิตพลังงานชีวมวล พลังงานลม พลังงานน้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์คือ 0.30 วัตต์/ตารางเมตร 1 วัตต์/ตารางเมตร 3 วัตต์/ตารางเมตร และ 5 วัตต์/ตารางเมตร ตามลำดับ (พลังงานในรูปของความร้อนสำหรับชีวมวล และไฟฟ้าสำหรับพลังงานลม พลังงานน้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์) ความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิวตลอดวงจรชีวิต รวมถึงที่ดินที่ใช้โดยโครงสร้างพื้นฐานที่รองรับทั้งหมด การผลิต การขุด/การเก็บเกี่ยว และการรื้อถอน 

การประมาณการอีกแบบหนึ่งระบุค่าไว้ที่ 0.08 วัตต์/ตารางเมตร สำหรับชีวมวล 0.14 วัตต์/ตารางเมตร สำหรับพลังงานน้ำ 1.84 วัตต์/ตารางเมตร สำหรับพลังงานลม และ 6.63 วัตต์/ตารางเมตร สำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ (ค่ามัธยฐาน โดยที่ไม่มีแหล่งพลังงานหมุนเวียนใดเกิน 10 วัตต์/ตารางเมตร)

 ด้านภูมิอากาศและความยั่งยืน 

 ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม 
พลังงานชีวภาพสามารถ บรรเทา (เช่น ลด) หรือเพิ่ม การปล่อยก๊าซเรือนกระจก ได้ นอกจากนี้ยังมีความเห็นพ้องต้องกันว่าผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในท้องถิ่นอาจเป็นปัญหาได้ ตัวอย่างเช่น ความต้องการชีวมวลที่เพิ่มขึ้นสามารถสร้างแรงกดดันทางสังคมและสิ่งแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญในสถานที่ที่ผลิตชีวมวล  ผลกระทบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับ ความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิว ของชีวมวลที่ต่ำ ความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิวที่ต่ำส่งผลให้ต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่กว่ามากในการผลิตพลังงานในปริมาณเท่ากัน เมื่อเทียบกับ เชื้อเพลิงฟอสซิล 

การขนส่งชีวมวลทางไกลถูกวิพากษ์วิจารณ์ว่าสิ้นเปลืองและไม่ยั่งยืน  และมีการประท้วงต่อต้านการส่งออกชีวมวลป่าไม้ในสวีเดน  และแคนาดา  

 ขนาดและแนวโน้มในอนาคต 
ในปี 2020 พลังงานชีวภาพผลิตพลังงานได้ 58 เอ็กซะจูล (exajoules) เทียบกับ 172 เอ็กซะจูลจาก น้ำมันดิบ 157 เอ็กซะจูลจากถ่านหิน 138 เอ็กซะจูลจาก แก๊สธรรมชาติ 29 เอ็กซะจูลจากนิวเคลียร์ 16 เอ็กซะจูลจาก พลังงานน้ำ และ 15 เอ็กซะจูลจาก พลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ และ พลังงานความร้อนใต้พิภพ รวมกัน พลังงานชีวภาพส่วนใหญ่ของโลกผลิตจากทรัพยากรป่าไม้WBA (2019) GLOBAL BIOENERGY STATISTICS 2019 World Bioenergy AssociationEuropean Commission, Joint Research Centre (JRC), Brief on biomass for energy in the European Union, Publications Office, 2019 

โดยทั่วไป การขยายตัวของพลังงานชีวภาพลดลง 50% ในปี 2020 จีนและยุโรปเป็นเพียงสองภูมิภาคที่รายงานการขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญในปี 2020 โดยเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานชีวภาพ 2 กิกะวัตต์ และ 1.2 กิกะวัตต์ ตามลำดับ 

เศษไม้จากโรงเลื่อยเกือบทั้งหมดถูกนำไปใช้ในการผลิตเม็ดเชื้อเพลิงแล้ว ดังนั้นจึงไม่มีพื้นที่สำหรับการขยายตัว สำหรับภาคพลังงานชีวภาพที่จะขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญในอนาคต เยื่อไม้ที่เก็บเกี่ยวได้มากขึ้นจะต้องถูกส่งไปยังโรงงานผลิตเม็ดเชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม การเก็บเกี่ยวเยื่อไม้ (การตัดแต่งต้นไม้) เป็นการขจัดความเป็นไปได้ที่ต้นไม้เหล่านี้จะเติบโตเป็นไม้ใหญ่ และเพิ่มความสามารถในการกักเก็บคาร์บอนให้สูงสุดBrack, D. (2017) Woody Biomass for Power and Heat Impacts on the Global Climate. Research Paper - Environment, Energy and Resources Department. เมื่อเปรียบเทียบกับเยื่อไม้แล้ว เศษไม้จากโรงเลื่อยมีการปล่อยมลพิษสุทธิที่ต่ำกว่า: "วัตถุดิบชีวมวลบางประเภทสามารถปล่อยคาร์บอนเป็นกลางได้ อย่างน้อยก็ในช่วงเวลาสองสามปี รวมถึงเศษไม้จากโรงเลื่อยโดยเฉพาะ สิ่งเหล่านี้เป็นของเสียจากการดำเนินงานด้านป่าไม้อื่น ๆ ที่ไม่ได้หมายความถึงการเก็บเกี่ยวเพิ่มเติม และหากถูกเผาเป็นขยะหรือปล่อยให้เน่าเปื่อยก็จะปล่อยคาร์บอนสู่ชั้นบรรยากาศอยู่ดี"

ดูเพิ่ม

 ไบโอชาร์
 ชีวมวลเหลว
 ไบโอรีไฟเนอรี
 สมาคมชีวมวลแห่งยุโรป
 ผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินทางอ้อมของพลังงานชีวภาพ

อ้างอิง

แหล่งที่มา















หมวดหมู่:เชื้อเพลิงชีวภาพ