Rapsista tuotetun biodieselin ja vehnästä tuotetun bioetanolin energiavirrat ja ympäristövaikutukset Euroopan unionissa

The aim of this thesis was to study the crops currently used for biofuel production from the following aspects: 1. what should be the average yield/ ha to reach an energy balance at least 0 or positive 2. what are the shares of the primary and secondary energy flows in agriculture, transport, processing and usage, and 3. overall effects of biofuel crop cultivation, transport, processing and usage. This thesis concentrated on oilseed rape biodiesel and wheat bioethanol in the European Union, comparing them with competing biofuels, such as corn and sugarcane-based ethanol, and the second generation biofuels. The study was executed by comparing Life Cycle Assessment-studies from the EU-region and by analyzing them thoroughly from the differences viewpoint. The variables were the following: energy ratio, hectare yield (l/ha), impact on greenhouse gas emissions (particularly CO2), energy consumption in crop growing and processing one hectare of a particular crop to biofuel, distribution of energy in processing and effects of the secondary energy flows, like e.g. wheat straw. Processing was found to be the most energy consuming part in the production of biofuels. So if the raw materials will remain the same, the development will happen in processing. First generation biodiesel requires esterification, which consumes approximately one third of the process energy. Around 75% of the energy consumed in manufacturing the first generation wheat-based ethanol is spent in steam and electricity generation. No breakthroughs are in sight in the agricultural sector to achieve significantly higher energy ratios. It was found out that even in ideal conditions the energy ratio of first generation wheat-based ethanol will remain slightly under 2. For oilseed rape-based biodiesel the energy ratios are better, and energy consumption per hectare is lower compared to wheat-based ethanol. But both of these are lower compared to e.g. sugarcane-based ethanol. Also the hectare yield of wheat-based ethanol is significantly lower. Biofuels are in a key position when considering the future of the world’s transport sector. Uncertainties concerning biofuels are, however, several, like the schedule of large scale introduction to consumer markets, technologies used, raw materials and their availability and - maybe the biggest - the real production capacity in relation to the fuel consumption. First generation biofuels have not been the expected answer to environmental problems. Comparisons made show that sugarcane-based ethanol is the most prominent first generation biofuel at the moment, both from energy and environment point of view. Also palmoil-based biodiesel looks promising, although it involves environmental concerns as well. From this point of view the biofuels in this study - wheat-based ethanol and oilseed rape-based biodiesel - are not very competitive options. On the other hand, crops currently used for fuel production in different countries are selected based on several factors, not only based on thier relative general superiority. It is challenging to make long-term forecasts for the biofuel sector, but it can be said that satisfying the world's current and near future traffic fuel consumption with biofuels can only be regarded impossible. This does not mean that biofuels shoud be rejected and their positive aspects ignored, but maybe this reality helps us to put them in perspective. To achieve true environmental benefits through the usage of biofuels there must first be a significant drop both in traffic volumes and overall fuel consumption. Second generation biofuels are coming, but serious questions about their availability and production capacities remain open. Therefore nothing can be taken for granted in this issue, expect the need for development.

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää 1: mikä biopolttoaineen tuotantokasvin satotason on vähintään oltava, jotta kokonaisenergiatase on 0 tai positiivinen, 2: miten biopolttoaineen tuotantokasvin viljelyn, kuljetuksen, jalostuksen ja käytön pää- ja sivuenergiavirrat jakautuvat ja 3: biopolttoaineiden tuotantokasvien viljelyn, kuljetuksen, jalostuksen ja käytön kokonaisvaikutuksia. Tutkimuksessa keskityttiin pääasiallisesti biopolttoaineista rapsi/rypsibiodieseliin sekä vehnäbioetanoliin EU:n alueella. Niitä verrattiin kilpaileviin biopolttoaineisiin, kuten maissi- ja sokeriruokobioetanoliin, palmuöljybiodieseliin sekä toisen sukupolven biopolttoaineisiin eroavaisuuksien selvittämiseksi. Tutkimus toteutettiin vertaamalla LCAmetoditutkimuksia EU:n alueelta ja analysoimalla niitä ja niiden keskinäisiä eroavaisuuksia. LCAtutkimuksia vertailemalla haluttiin tuloksia muun muassa seuraavista muuttujista tutkimusten välillä: energiasuhdeluku, biopolttoaineen tuotto (l/ha), vaikutus kasvihuonekaasupäästöihin, vaadittu energiapanostus viljeltäessä 1 ha raaka-ainekasvia ja jalostettaessa se biopolttoaineeksi, energiapanosten jakautuminen koko tuotantoprosessin aikana ja sivuenergiavirtojen, kuten oljen vaikutus kokonaisuuteen. Jalostus on selvästi eniten energiaa kuluttava vaihe biopolttoaineiden tuotannossa. Kehitys energiatehokkuudessa tulee tapahtumaan tuotantoprosessin kehityksessä, olettaen että raaka-ainekasvipohja pysyy yhtenevänä. Ensimmäisen sukupolven biodieselin vaatima esteröinti vie noin kolmasosan kaikesta prosessiin käytettävästä energiasta ja vehnäbioetanolin tapauksessa höyryn- ja sähköntuotannot noin 75 prosentin osuudella merkittävimmät osatekijät. Merkittävät energiatehokkuuden parannukset viljelytekniikoiden osalta vaikuttavat epätodennäköisiltä. Energiavaatimuksia analysoidessa käsitykseksi jäi, että ensimmäisen sukupolven bioetanolin energiasuhdeluku on hyvissäkin olosuhteissa todennäköisesti hieman alle kaksi. Rapsibiodieselin osalta energiasuhdeluvut näyttävät vehnäbioetanolia paremmilta ja vaadittu energiapanostus on vehnäbioetanolia pienempi hehtaaria kohti. Luvut eivät kuitenkaan ole merkittävän kilpailukykyisiä verrattaessa esimerkiksi sokeriruokoetanoliin ja huomioitaessa vehnäbioetanolia huomattavasti pienemmän hehtaarituoton. Biopolttoaineet ovat merkittävässä asemassa maailman liikenteen tulevaisuudessa. Epävarmuustekijöitä on kuitenkin useita kuten todellinen aikataulu, käytettävät teknologiat, käytettävät raaka-aineet, raaka-aineiden saatavuus ja hankintatavat ja ehkä tärkeimpänä todellinen tuotantokapasiteetti verrattuna kulutukseen. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineteknologiat eivät ole olleet sellainen vastaus esitettyihin ympäristökysymyksiin mitä niiltä odotettiin. Biopolttoaineiden väliset vertailut osoittavat sokeriruokoetanolin olevan sekä energiatalouden että ympäristön kannalta tällä hetkellä merkittävin ensimmäisen sukupolven biopolttoaine yhdessä palmuöljybiodieselin kanssa, jonka ympäristökuormituksesta tosin on eriäviä mielipiteitä. Tästä näkökulmasta tutkielman pääkohteina olleet rapsibiodiesel ja vehnäbioetanoli eivät päädy kovin hyvään valoon. Eri maissa valittuihin tuotantokasveihin vaikuttavat myös muut tekijät kuin suhteellinen keskinäinen paremmuus. Kauaskantoiset ennustukset ovat luotettavuudeltaan haasteellisia laatia, mutta nykyisen kaltaisilla liikennemäärillä maailman liikenteen vaatiman polttoainemäärän tyydyttäminen lähitulevaisuudessa pelkästään biopolttoaineilla on todennäköisesti mahdotonta. Tämä ei poista biopolttoaineiden monia positiivisia puolia, mutta auttaa asettamaan niiden potentiaalin perspektiiviin. Todellisten positiivisten ympäristövaikutusten aikaansaamiseksi ennen kaikkea liikennemäärien ja tätä kautta polttoaineen kulutuksen on vähennyttävä.