Цей огляд підготовлено за матеріалами «Звіту про мільярд тонн у 2023 році: Оцінка відновлюваних вуглецевих ресурсів США» (2023 Billion-Ton Report: An Assessment of U.S. Renewable Carbon Resources), опублікованого Міністерством енергетики США у березні 2024 року. У цьому звіті оцінюється потенціал відновлюваних ресурсів біомаси для підтримки цілей Міністерства енергетики США із заміни викопних енергоносіїв відновлюваними біогенними ресурсами вуглецю, які за умови ефективного управління мають менший вплив на клімат.
У 2022 році біоенергетика стала найбільшим окремим джерелом відновлюваної енергії у Сполучених Штатах, охоплюючи приблизно 5% виробленої у країні енергії. Спостерігається зростання попиту на відновлювані види палива, особливо в авіаційному, морському та залізничному секторах транспорту. Розглянемо більш детально поточний стан енергетики США та напрями енергетичного використання біомаси.
Споживання первинної енергії
У США з 2014 р. споживання первинної енергії зменшилося на 0,5% (з 100,5 до 100,0 ЕДж[1]). У 2018 р. воно досягло піку 102,8 ЕДж, після чого у 2020 і 2021 рр. відбулося зниження загального споживання первинної енергії (ЗСПЕ), головним чином через скорочення використання викопного палива під час пандемії COVID-19 (рис. 1). З 2014 по 2022 рр. споживання вугілля скоротилося приблизно на 45% (з 19,0 до 10,3 ЕДж), а споживання природного газу зросло приблизно на 21,9% (з 28,9 до 35,2 ЕДж). Ці зміни відбулися оскільки виробництво електроенергії на вугіллі було припинено та замінено відновлюваними джерелами енергії та природним газом. У 2022 р. частка ВДЕ у ЗСПЕ склала понад 8%.
З 2014 р. загальне споживання енергії з відновлюваних джерел зросло на 19% (з 7,2 до 8,5 ЕДж) (рис. 2), тоді як споживання енергії з викопних видів палива зменшилося приблизно на 2% (з 84,4 до 82,8 ЕДж). У 2022 р. біопалива були найбільшою окремою категорією відновлюваних джерел енергії з 30% від загального споживання ВДЕ (2,5 ЕДж), за ним йшла енергія деревини – 24,5% (2,1 ЕДж), вітру – 18,3% (1,6 ЕДж), гідро – 11,1% (0,9 ЕДж), сонячна – 9,4% (0,8 ЕДж), відходів – 5,1% (0,4 ЕДж) і геотермальна – 1,5% (0,1 ЕДж). Зростання споживання відновлюваної енергії було зумовлене збільшенням споживання енергії вітру (140%, 0,9 ЕДж) та сонячної енергії (373%, 0,6 ЕДж). У 2022 р. ВДЕ на основі біомаси становили 60% (5,1 ЕДж) загального споживання ВДЕ.
У наступних розділах представлено огляд сектору біоенергетики у США за категоріями біопалива для транспорту, теплова та електрична енергія.
Біопалива для транспорту
У 2022 р. у США за оцінками Управління енергетичної інформації США (EIA) було вироблено 18,7 млрд галонів[2] біопалив, а спожито близько 17,6 млрд галонів. На відновлювані джерела енергії припадає 5,7% споживання енергії транспортним сектором США. Внутрішнє виробництво біопалив у США у 2022 р. за даними EIA зросло на 18,5% порівняно зі звітними значеннями за 2014 р., при цьому виробництво біоетанолу зросло на 7,4%, а біодизелю на 26,8 %. У передових видів біопалив спостерігається більш стрімке зростання виробництва, з огляду на впровадження і розвиток їх технологій. Так, за даними Агентства з охорони навколишнього середовища США (EPA) у 2022 р. порівняно із з 2014 р. зростання обсягів виробництва відновлюваного дизельного палива склало 813%, відновлюваного реактивного палива/сталого авіаційного палива (SAF) – 912%, сумішевого компоненту бензину/біонафти – 424% та біогазу й інших відновлюваних газів – 1100%. У табл. 1 представлені узагальнені дані внутрішнього виробництва різних видів біопалив у США у 2022 р.
За даними EIA виробництво паливного етанолу становило 15,4 млрд галонів, а його споживання у транспортному секторі склало 14,0 млрд галонів, де більша частина паливного етанолу змішується з готовим автомобільним бензином. Основна сировина для виробництва етанолу – кукурудза на зерно, що становила 98% загальної маси сировини. Крім цього, у 2022 р. для виробництва етанолу було використано 1,7 млн т зерна сорго. Згідно із звітністю EPA, обсяги виробництва целюлозного етанолу зросли з 0,0007 млрд галонів у 2014 р. до 0,0014 млрд галонів у 2022 р.
Біологічні дизельні палива – це біодизель та відновлюване дизельне паливо. Міжнародний стандарт ASTM D6751 визначає біодизель як метиловий ефір жирної кислоти. Відновлюване дизельне паливо виробляється із властивостями, хімічно еквівалентними дизельному паливу, отриманому з нафти, і відповідає стандарту ASTM D975. Біодизель є другим у США за обсягами видом біопалива після паливного етанолу, а відновлюване дизельне паливо займає третє місце. У 2022 р. за даними EIA внутрішнє виробництво біодизелю становило 1,62 млрд галонів, а споживання – 1,66 млрд галонів біодизелю, що становить 8,2% від споживання біопалива. На виробництво біодизелю було витрачено 3,6 млн т соєвої олії. Понад 50% усіх кредитів RIN для біодизелю припадає на соєву олію, за нею йдуть біогенні відходи FOG з 16% і ріпакова олія з 14%. У 2022 р. відновлюваного дизельного палива було вироблено 1,5 млрд галонів та спожито 1,7 млрд галонів. На заводах відновлюваного дизельного палива було використано 1,7 млн т соєвої олії.
У 2022 р. було вироблено 15,8 млн галонів відновлюваного реактивного палива, з яких 7,89 млн галонів внутрішнього виробництва і 7,93 млн галонів – закордонного. На момент написання цього звіту діяв лише один північноамериканський виробник комерційного відновлюваного реактивного палива із заводом у Каліфорнії, що базується на процесі HEFA (гідроочищені складні ефіри та жирні кислоти) з використанням сільськогосподарських жирів і відпрацьованих олій. У 2022 році Міністерство енергетики США, Міністерство транспорту США та Міністерство сільського господарства США запустили меморандум про взаєморозуміння та дорожню карту, встановивши цілі щодо виробництва SAF на рівні 3 млрд галонів на рік до 2030 р. та 35 млрд галонів на рік до 2050 р.
Відновлюваний біогаз – це відновлюваний СПГ (переважно метан), відновлюваний ЗПГ (метан) і відновлюваний ЗНГ. На початку 2023 р. 93 молочні ферми мали метантенки, що виробляли біогаз для кінцевого використання як СПГ, а також додаткові операції з виробництва газу з трубопроводів. У 2022 р. за даними EPA вироблено 546 млн RIN-еквівалентних галонів відновлюваного біогазу, з якого близько 74% отримано зі звалищ. Крім того, було вироблено 84,1 млн галонів відновлюваного ЗПГ, який майже повністю утворився на звалищах, та близько 4,4 млн RIN-еквівалентних галонів ЗНГ.
Оцінка використання сировини для виробництва біопалив за даними Міністерства сільського господарства США (USDA)та EPA наведена у табл. 2.
Теплова та електрична енергії з біомаси
Біомаса – важливий вид ВДЕ для виробництва теплової та електричної енергії у США, особливо у промисловості. Тверді побутові відходи (ТПВ), звалищний газ і деревна біомаса використовуються у електроенергетиці. Крім цього з деревної біомаси у невеликих установках громад виробляється теплова та електрична енергія.
Близько 1,2% щорічного споживання енергії в США припадає на деревину та деревні відходи (кора, тирса, деревна стружка, деревний брухт і відходи паперової фабрики). Порівнюючи останні дані, виробництво електроенергії з деревини/відходів деревини зменшилося з 0,4 ЕДж у 2014 р. до 0,3 ЕДж у 2022 р., а виробництво теплової енергії з деревини/відходів деревини зменшилося з 1,6 ЕДж у 2014 р. до 1,3 ЕДж у 2022 р. Зменшення виробництва тепла та електроенергії з деревини/відходів деревини спричинене закриттям целюлозно-паперових комбінатів.
Гній збирають та переробляють шляхом анаеробної ферментації у біогаз. Дані з бази даних AgSTAR за 2023 р. зазначають роботу 250 установко анаеробної ферментації у США, які виробляють тепло та електроенергію, споживаючи 2,7 млн т с.р. гною, що на 42% більше порівняно із звітом про мільярд тон 2016 р. (BT16). Загальне виробництво енергії в анаеробних реакторах (біопаливо та виробництво теплової і електричної енергії) зросло на 230% (з 1,9 до 3,5 млн. т с.р.).
У табл. 3 [3] представлені дані власної енергії біомаси, спожитої для виробництва теплової та електричної енергії у США, для електроенергетики, промислового, комерційного та житлового секторів у 2022 р. Результати перерахунку цієї енергії біомаси у тонни сировини, спожитої для виробництва тепла та електроенергії за секторами наведено у табл. 4.
Загальні обсяги споживання біомаси для енергетики
Загальне споживання ресурсів біомаси для отримання енергії, зокрема транспорт, електроенергію та тепло, наведено у табл. 5. Порівняно зі звітом BT16 загальні річні обсяги біомаси, які зараз споживаються для виробництва біопалив для транспорту та теплової і електричної енергії, зменшилися на 18 млн т (6%). При цьому виробництво біопалив зросло на 19%, споживаючи додатково близько 16 млн т сировини щорічно (11%), тоді як біомаса, яка використовується для виробництва тепла та електроенергії, скоротилася на 35 млн т на рік (19%), а використання звалищного газу зросло на 36%. Основними джерелами біомаси в поточній біоекономіці США залишаються зерно кукурудзи для виробництва біопалив для транспорту та лісове господарство/деревина і деревні відходи для виробництва теплової і електричної енергії. Загалом у 2022 р. для енергетичних потреб було використано 342 т с.р. біомаси.
У найближчій перспективі ресурси можуть забезпечити збільшення актуального використання біомаси до близько 627 млн т с.р. на рік, що приблизно подвоїть наявну економіку сектору біоенергетики США. Ресурси зрілого ринку можуть забезпечити приблизно 1026–1361 млн т с.р. біомаси на рік, зокрема за рахунок залучення енергетичних культур та проміжних олійних культур. Також автори звіту вбачають перспективним культивування водоростей для енергетики. У табл. 6 [4] представлено результати оцінки потенціалу біомаси в США за різними сценаріями.
[1] Квад – одиниця вимірювання споживання первинної енергії у тексті оригіналу звіту. 1 квад = квадрильйон (1015) британських теплових одиниць (BTU) = 1,055×1018 Дж = 1,055 ЕДж 1 BTU = 1,055 кДж
[2] 1 галлон = 3,785 л
[3] У оригіналі звіту дані таблиці наведені у TBTU. Для перерахунку використано cспіввідношення: 1 TBTU = 1,055 ∙ 1015 Дж = 1,055 ПДж
[4] У оригіналі звіту дані наведені у млн коротких тон с.р. Для перерахунку у метричні тони с.р. використано співвідношення 1 коротка тонна США = 0,9071847 метричних тон
Із повним текстом «Звіту про мільярд тон 2023 р.»: Оцінка відновлюваних вуглецевих ресурсів США» можна ознайомитися за посиланням: https://www.energy.gov/eere/bioenergy/2023-billion-ton-report-assessment-us-renewable-carbon-resources.
Цей аналіз для SAF Україна підготував Семен Драгнєв, експерт Біоенергетичної асоціації України.