Tổng quan về nhiên liệu sinh học từ rơm rạ pdf

TONG QUAN VE NHIEN LIEU SINH HOC TU RƠM RẠCác nhà nghiên cứu người Trung Quốc vừa mới phát minh ra kỹ thuật sơ chế rơm rạ cho phép biến phế phẩm của cây lúa thành một nguồn sản xuất nhiê

TONG QUAN VE NHIEN LIEU SINH HOC TU RƠM RẠ

Các nhà nghiên cứu người Trung Quốc vừa mới phát minh ra kỹ thuật sơ chế rơm rạ cho phép biến phế phẩm của cây lúa thành một nguồn sản xuất nhiên liệu sinh học có thể thay mới được.

Trên thực tế, hiện đang có 3 cơ sở sản xuất của Trung Quốc đã sử áp dụng phương pháp này.

Trung Quốc là nước sản xuất lúa lớn nhất thế giới Mỗi năm, sau các vụ thu hoạch, có khoảng 230 triệu tấn rơm rạ được thải ra Mặc dù người ta đã sử dụng rơm rạ vào một số mục đích như làm thức ăn cho gia súc hay làm giấy nhưng vẫn còn một số lượng đáng kể rơm rạ không dùng tới hoặc đem đốt ở ngoài đồng, làm tăng mức độ ô nhiễm không khí và mang nhiều hiểm họa gây ra cháy.

Trên lý thuyết, tất cả các loại vật chất sinh học có thể chuyển hóa được thành nhiên liệu sinh học nhờ có nhiều loại vi sinh vật phân hủy chúng thành các chất hóa học hữu ích Đã có hơn 30 nước trên thế giới áp dụng cách này để biến bắp, mía và nhiều loại cây hoa màu khác thành nhiên liệu sinh học Tuy nhiên, các nhà khoa học không chọn rơm để làm nhiên liệu sinh học vì các loại vi sinh không thể dễ dàng bẻ gẫy các liên kết cellulose

có trong rơm, vì cấu trúc hóa học và vật lý của những liên kết này quá phức tạp.

Không bó tay trước khó khăn, các nhà nghiên cứu của trường đại học Hóa công nghệ Bắc Kinh tại Trung Quốc đã phát triển một kỹ thuật sơ chế rơm

rạ làm tăng khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học từ rơm rạ Họ đã trộn rơm với dung dịch kiềm sodium hydroxide trước rồi mới cho ủ cho vi sinh vật gây men Dung dịch kiềm giúp cho rơm dễ bị vi sinh vật phân hủy hơn Tất cả quá trình trên đều được tiến hành ở nhiệt độ bình thường mà không cần phải tốn thêm một loại năng lượng nào Chỉ cần thêm một chút nước

để tiến trình phân hủy rơm diễn ra “đơn giản, nhanh chóng, ít tốn kém và thân thiện với môi trường”.

Kỹ thuật sơ chế bằng dung dịch kiềm cho phép các nhà nghiên cứu tăng tới 65% sản lượng khí sinh học (biogas) sản xuất được 3 nhà máy áp dụng công nghệ này hiện đang được xây dựng.

Dự án nhằm mục đích xây dựng các trạm biogas tập trung để cung cấp nhiên liệu sinh học cho từng hộ gia đình ở thành thị thông qua các đường ống dẫn khí ngầm dưới đất Bã rơm còn lại sau đó sẽ được chế thành phân hữu cơ bón cho các đồng ruộng Bằng cách này, rơm rạ sẽ được tái chế hoàn toàn.

Dự án này có một lợi điểm là không đe dọa đến an ninh lương thực thế giới Mặt khác, nó có thể được ứng dụng ở nhiều nước.

Các nhà nghiên cứu sẽ đăng chi tiết kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí Năng lượng và Nhiên liệu số ra ngày 16.7 sắp tới.

Dự án nghiên cứu của họ được tài trợ tài chính từ Chương trình Phát triển

và Nghiên cứu Công nghệ cao của Trung Quốc.

gần đây, tôi có đọc được bài báo viết về dự án sản xuất năng lượng sinh học từ chất thải nông nghiệp có nguồn gốc là xenlulo, làm giảm ô nhiễm môi trường xin được đưa ra để mọi người tham khảo:

Biến rơm rạ, trấu … thành năng lượng sinh học

Khoa học & Đời sống, 25-01-2011, Tác giả: Quỳnh Hương!PGS TS Phan Đình Tuấn cùng các cộng sự thuộc trung tâm nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu ( trường Đại học Bách khoa TPHCM ) đã thành công việc tinh chế chất thải từ nông nghiệp như rơm rạ, trấu … thành nguồn năng lượng sinh học.

PGS TS Phan Đình Tuấn, chủ nhiệm đề tài cho biết, Biomass là các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật như phân súc vật, cây cỏ, rơm rạ … Biomass sau khi được phân hủy, tinh chế thành các chất hữu cơ cơ bản làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp, nhiên liệu khí biogas hoặc nhiên liệu lỏng là cồn nhiên liệu, dung để đốt trực tiếp hoặc làm nhiên liệu cho các loại động cơ.

Bằng việc sử dụng chế phẩm enzyme của nước ngoài và giống nấm men

xacaromycer cerevisea trong nước, nhóm nghiên cứu đã xử lý rơm rạ bằng hơi nước, thủy phân rơm rạ thành đường, lên men đường thành rượu ( cồn có nồng độ thấp khoảng 5 – 10% ), nồng độ thể tích sẽ được chuyển sang tháp chưng cất thô để nâng nồng độ cồn lên khoảng 50% thể tích, sau đó chuyển sang tháp chưng cất tinh chưng cất rượu thành cồn có nồng độ 95%.

Trong công nghệ Biomass, quá trình tinh chế biogas cũng thay đổi, khử mùi hôi, loại

bỏ những độc tố có hại cho con người và cho vật liệu Phân sau khi bị phân hủy thành biogas sẽ trở nên ít mùi, ít độc hại Qua tinh chế, biogas và cồn sinh học có thể được sử dụng trực tiếp để chạy động cơ hoặc làm nhiên liệu đốt và có thể vận

chuyển đi xa Bên cạnh đó khả năng tái tạo của biomass được đánh giá cao, có thể phân hủy theo một quy trình khép kín: biomass sau khi sử dụng sẽ thải khí CO2, cây trồng hút khí CO2 cùng với năng lượng mặt trời lại phát triển, sinh ra biomass

…

Sau gần 6 năm hợp tác nghiên cứu, vừa qua Cơ quan Hợp tác quốc tế Nhật Bản ( JICA ) và Bộ Khoa học & Công nghệ Nhật Bản ( JST ) đã chính thức tài trợ cho

dự án “ Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp Biomass”

Dự án triển khai tại trường Đại học Bách khoa TPHCM và xã Thái Mỹ, huyện Củ

Chi trong 5 năm Mục tiêu là nghiên cứu và phát triển các công nghệ chế biến

biomass ( phế phụ phẩm nông nghiệp ) thành năng lượng như biogas, biothenol phục vụ cho nông nghiệp, nhiên liệu động cơ, chất đốt gia đình, chất đốt công

nghiệp, làm dung môi… Xây dựng một hệ thống mô hình thiết bị thử nghiệm nghiên cứu, sản xuất ethanol từ nguyên liệu rơm rạ, trấu, các chất thải có nguồn gốc

xenlulo, đồng thời xây dựng một xưởng sản xuất thử nghiệm có quy mô lớn tinh chế biogas đến độ sạch cần thiết để làm chất đốt sinh hoạt, chạy máy phát điện, động cơ như xe tải, xe máy, xe buýt… Đặc biệt, kết hợp giải quyết các vấn đề về môi trường, xây dựng thành công mô hình “ thị trấn sinh khối “, trong đó chất thải sẽ được tái

sử dụng, thu năng lượng, đảm bảo vệ sinh môi trường, giảm thiểu khí nhà kính, tận dụng tối đa chất thải nông nghiệp.

Các chuyên gia ước tính, với công suất vận hành khoảng 400 kg rơm/ mẻ, sản phẩm

có thể thu được 80 kg cồn/ mẻ Để có thể vận hành một mẻ cần thời gian từ 1 -2 tuần Đây là xưởng thực nghiệm để các nhà khoa học ứng dụng các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm vào quy mô lớn hơn Những cải tiến và các thông số tối ưu quy trình tại xưởng thực nghiệm này sẽ được ứng dụng quy trình mới tại xã Thái Mỹ,

Củ Chi ( TPHCM ), tận dụng tối đa chất thải nông nghiệp.

Các cố vấn của chính phủ Anh thừa nhận nước này đang thờ ơ trước những lợi ích to lớn của nguồn năng lượng biomass (năng lượng sinh khối, hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ) Biomass có thể giải quyết tình trạng thay đổi khí hậu, biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng Cung cấp cả nhiệt lẫn điện

Kết luận trên do Uỷ ban Ô nhiễm Môi trường Hoàng gia (RCEP) công bố trong báo cáo chi tiết

mang tên Biomass Nguồn năng lượng tái sinh Giáo sư Tom Blundell, chủ tịch RCEP, đồng

thời là trưởng Khoa Hoá Sinh tại ĐH Cambridge, cho biết: \'\'Tôi rất thất vọng vì nước Anh chưa phát triển năng lượng biomass nhanh như các quốc gia châu Âu khác Biomass có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu của Anh Chính sách của chính phủ Anh

về biomass là đứt đoạn và sai hướng\'\'

Trước khi nghiên cứu bắt đầu vào tháng 8/2003, GS Blundell nói: \'\'Anh đang tụt lại đằng sau Nếu chính phủ muốn đạt được các mục tiêu giảm khí nhà kính như đã tuyên

bố, việc cấp bách là nghiên cứu và ủng hộ các nguồn năng lượng có thể tái sinh này\'\'

Sử dụng biomass cũng sẽ cung cấp cơ hội mới cho nông nghiệp và ngư nghiệp của nước Anh, đồng thời cải thiện an ninh năng lượng của quốc gia này Uỷ ban tin rằng tới năm 2050, biomass có thể cung cấp 10-15% tổng năng lượng của Anh

RCEP cho biết năng lượng biomass khác các dạng năng lượng tái sinh khác ở hai khía

cạnh Thứ nhất, không giống năng lượng gió và sóng, biomass có thể kiểm soát được

Thứ hai, cùng một lúc biomass vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng Biomass

có nhiều dạng: gỗ, sản phẩm phụ của ngành lâm nghiệp như mùn cưa, chất thải nông nghiệp chẳng hạn như rơm, phân chuồng, cây năng lượng (mía, liễu) Ngoài ra, còn có

chất thải thực vật từ công viên, vườn, lề đường Tất cả những nguồn năng lượng trên đều sẵn có ở Anh

Báo cáo của RCEP kêu gọi chính phủ Anh đưa ra quy định bắt buộc các nhà cung cấp nhiệt hiện nay (dầu, khí và điện) cung cấp một phần nhiệt từ các nguồn năng lượng tái sinh Quy định này sẽ có hiệu lực vào một thời điểm cụ thể Ngoài ra, cần thành lập diễn đàn biomass giữa chính phủ với ngành cung cấp nhiệt, điện Tất cả các dự án phát triển mới đều phải lập kế hoạch xây dựng nhà máy sản xuất nhiệt, điện kết hợp,

sử dụng nhiên liệu biomass

Khai thác biomass

Biomass là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hoá học Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóng dưới dạng nhiệt Cái mà chúng ta ngày nay gọi là biomass đã sưởi ấm cho các căn hộ và toà nhà trên toàn thế giới trong hàng nghìn năm Trên thực tế, biomass tiếp tục là nguồn năng lượng lớn tại các quốc gia đang phát triển Gỗ vẫn là nguồn năng lượng biomass lớn nhất trên thế giới

Lợi ích môi trường, an ninh năng lượng thực sự của biomass sẽ xuất hiện khi con người sử dụng một lượng lớn biomass để sản xuất điện năng, nhiệt và các loại nhiên liệu sinh học khác, do đó, giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch Chu kỳ carbon là nguyên tắc đứng đằng sau công nghệ biomass Khi thực vật sinh trưởng, chúng hấp thụ CO2

trong môi trường và dự trữ nó thông qua quá trình quang hợp Một lượng CO2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt cháy Điều đó có nghĩa là biomass không đóng góp vào quá trình phát thải khí nhà kính

Nhiên liệu sinh học Không giống như các nguồn năng lượng tái sinh khác, biomass

có thể được biến trực tiếp thành các loại nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học - cho các phương tiện vận tải (ô-tô con, xe tải, xe buýt, máy bay, tàu hoả) Có hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất là ethanol và diesel sinh học

Ethanol là một loại cồn, tương tự như cồn trong bia và rượu Nó được sản xuất bằng cách lên men bất kỳ loại biomass nào có hàm lượng carbohydrate cao (tinh bột,

đường hoặc celluloses) thông qua một quá trình tương tự như lên men bia Ethanol chủ yếu được sử dụng làm phụ gia nhiên liệu để giảm lượng carbon monoxide và các loại khí thải gây sương khói khác từ xe cộ Hiện đã có các loại xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt gồm xăng và 85% ethanol

Diesel sinh học được sản xuất bằng cách kết hợp cồn (thường là methanol) với dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại mỡ nấu ăn được tái chế Nó có thể được sử dụng làm chất phụ gia nhiên liệu để giảm lượng khí thải cho xe cộ (20%) Ở dạng thuần khiết, diesel sinh học được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ diesel

Các loại nhiên liệu sinh học khác bao gồm methanol và các thành phần biến tính khác của xăng Methanol, thường được gọi là cồn gỗ, hiện được sản xuất từ khí tự nhiên

Tuy nhiên, cũng có thể sản xuất nó từ biomass Có một số cách

biến biomass thành methanol song biện pháp phổ thông nhất là

khí hoá Khí hoá liên quan tới việc làm bốc hơi biomass ở nhiệt

độ cao, rồi loại bỏ các tạp chất từ khí nóng và cho nó đi qua một

chất xung tác Chất xúc tác biến khí thành methanol Phần lớn

các thành phần biến tính của xăng được sản xuất từ biomass là

những phụ gia nhiên liệu giảm ô nhiễm, chẳng hạn như methyl

tertiary butyl ether (MTBE) và ethyl tertiary butyl ether (ETBE)

Điện sinh học Điện sinh học là việc sử dụng bimomass để sản

xuất điện năng Có sáu hệ thống điện sinh học lớn trên thế giới

bao gồm đốt biomass trực tiếp, đồng đốt cháy, khí hoá, tiêu hoá

kỵ khí, nhiệt phân và hệ thống điện sinh học nhỏ, module

Phần lớn các nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng hệ

thống đốt trực tiếp Họ đốt nguyên liệu sinh học trực tiếp để tạo

hơi nước Hơi nước đó bị tua-bin bắt giữ và máy phát điện sau

đó biến nó thành điện Trong một số ngành công nghiệp, hơi

nước từ nhà máy điện cũng được sử dụng cho sản xuất hoặc để

sưởi ấm cho các toà nhà Những nhà máy điện này được gọi là

nhà máy nhiệt - điện kết hợp Chẳng hạn như phụ phẩm của gỗ

(mùn cưa) thường được sử dụng để sản xuất cả điện và tạo

nhiệt ở các nhà máy giấy

Nhiều nhà máy điện đốt than có thể sử dụng các hệ thống đồng

đốt cháy để giảm đáng kế lượng khí thải đặc biệt là sulfur

dioxide Đồng đốt cháy liên quan tới việc sử dụng biomass như

một nguồn năng lượng bổ sung trong các nồi hơi hiệu quả cao

Chỉ cần vài thay đổi nhỏ là các nhà máy điện đốt than có thể sử

dụng hệ thống đồng đốt cháy Do vậy, tiềm năng phát triển của

nó trong tương lai là rất lớn

Hệ thống khí hoá sử dụng nhiệt độ cao và môi trường hiếm oxy để biến biomass thành một loại khí - khí biogas hay khí sinh học (hỗn hợp gồm hydrro, CO và methane) Loại khí này cung cấp nhiên liệu cho turbine khí để sản xuất điện năng Cũng có một số nhà máy điện sử dụng chu trình hơi khác một chút Nhiên liệu biomass được biến thành các loại khí đốt điều áp, nóng, trong buồng khí hoá Chúng được làm sạch (loại bỏ tạp chất)

để tránh làm bào mòn hệ thống sản xuất nhiệt, điện Tiếp đến, các loại khí sạch được đốt cùng với không khí trong buồng đốt trước khi đi vào một turbine để sản xuất điện Nhiệt đi ra từ tua-bin khí được dẫn vào buồng trao đổi nhiệt để làm nóng nước lạnh, cung cấp cho các hộ gia đình

Biomass phân huỷ tạo ra khí methane mà có thể được sử dụng làm năng lượng Tại các bãi chôn lấp (nơi ủ các vật liệu hữu cơ như phân, rau xanh, rơm ), các giếng được khoan để hút khí methane từ chất hữu cơ đang phân huỷ Sau đó, các ống từ mỗi giếng

sẽ vận chuyển khí tới một nơi trung tâm để lọc và làm sạch trước khi đốt

Ước tính tới năm 2020, sản lượng điện sinh học của thế giới là hơn 30.000 megawatt (MW).

Mỹ là nước sản xuất điện biomass lớn nhất thế giới,

có hơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500MW điện mỗi năm,

đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, đồng thời tạo ra 66.000 việc làm Những nhà máy này

sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả.

Bộ Năng lượng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang được phát triển hiện nay sẽ giúp ngành điện biomass sản xuất trên 13.000MW vào năm 2010 và tạo thêm 100.000 việc làm.

Năng lượng biomass chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở Mỹ

và 45% năng lượng tái sinh.

Methane cũng có thể được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình được gọi là tiêu hoá kỵ khí Tiêu hoá kỵ khí liên quan tới việc sử dụng vi khuẩn để phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy Methane có thể được sử dụng làm nhiên liệu theo nhiều cách Phần lớn các cơ sở đốt nó trong một nồi hơi, tạo hơi nước sản xuất điện hoặc sử dụng cho mục đích công nghiệp Methane cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong tế bào nhiên liệu Tế bào nhiên liệu hoạt động giống như pin song không cần tái nạp Nó tạo điện chừng nào có nhiên liệu

Ngoài khí, nhiên liệu lỏng cũng được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình gọi

là nhiệt phân Nhiệt phân xảy ra khi biomass được nung nóng trong điều kiện thiếu oxy Sau đó, biomass biến thành một chất lỏng gọi là dầu nhiệt phân Có thể đốt dầu nhiệt phân giống như xăng để sản xuất điện năng Một hệ thống điện sinh học sử dụng nhiệt phân hiện đang được thương mại hoá tại Mỹ

Các chế phẩm sinh học Con người có thể sử dụng biomass để sản xuất mọi sản

phẩm như họ đã làm từ nhiên liệu hoá thạch Những sản phẩm sinh học đó không chỉ được làm từ các nguồn tái sinh mà còn cần ít năng lượng hơn trong quá trình sản xuất

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tiến trình sản xuất nhiên liệu sinh học cũng có thể được sử dụng để sản xuất chất chống đông, chất dẻo, keo, chất làm ngọt và gel cho thuốc đánh răng Khi biomass được nung nóng với một lượng oxy nhỏ, một lượng lớn carbon monoxide và hydro được tạo ra Các nhà khoa học gọi hỗn hợp này là khí sinh tổng hợp Khí sinh tổng hợp được sử dụng để tạo chất dẻo và a-xít

Khi biomass được nung nóng trong điều kiện không có oxy, nó hình thành dầu nhiệt phân Một hoá chất có tên là phenol có thể được chiết xuất từ dầu nhiệt phân Phenol được sử dụng để chế tạo chất dán gỗ, chất dẻo đổ khuôn và nhiều chất khác

Khái niệm mới: Nhà máy lọc sinh học

Nhà máy lọc sinh học là một cơ sở kết hợp thiết bị và các tiến trình chuyển biến biomass để sản xuất nhiên liệu, điện năng và các hoá chất từ biomass Khái niệm nhà máy lọc sinh học tương

tự như các nhà máy lọc dầu ngày nay mà sản xuất nhiều nhiên liệu cũng như sản phẩm từ dầu Các nhà máy lọc sinh học công nghiệp đã được coi là con đường hứa hẹn nhất dẫn tới việc tạo lập một ngành mới, dựa trên sinh học ở Mỹ

Bằng cách sản xuất nhiều sản phẩm, một nhà máy lọc sinh học

có thể tận dụng được các thành phần khác nhau của biomass, đồng thời tối đa hoá giá trị thu được từ biomass Một nhà máy như vậy có thể sản xuất một hoặc nhiều hoá chất giá trị cao, khối lượng ít và một loại nhiên liệu lỏng cho vận tải với giá trị thấp, khối lượng lớn Đồng thời, nhà máy cũng sản xuất điện, nhiệt để sử dụng trong nội bộ

và có lẽ là thừa điện để bán ra ngoài Sản phẩm giá trị cao tăng cường lợi nhuận, nhiên

Nhiên liệu biomass được

sử dụng ở Ấn Độ chiếm

khoảng 30% tổng nhiên

liệu được sử dụng tại

quốc gia này, là nguồn

nhiên liệu quan trọng nhất

được sử dụng ở trên 90%

hộ gia đình nông thôn và

chừng 15% hộ gia đình

đô thị, đặc biệt hữu ích

đối với các gia đình có

nuôi gia súc Hiện nhiều

nhà máy biogas đã được

xây dựng ở Ấn Độ.

liệu khối lượng nhiều đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia và sản xuất điện tránh phát thải khí nhà kính cũng như giảm chi phí

Phòng Thí nghiệm Năng lượng tái sinh quốc gia của Mỹ đang thực hiện Chương trình Biomass, liên quan tới sáu dự án nhà máy lọc sinh học lớn Những dự án này tập trung vào các công nghệ mới nhằm kết hợp việc sản xuất nhiên liệu từ biomass và các sản phẩm khác trong cùng một cơ sở

The Economics of Biomass Production in the

United States

Robin L Graham, Ph.D., Economist, ORNL, Oak Ridge, TN, USA Erik Lichtenberg, Ph.D., University of Maryland, College Park, MD, USA

Vernon O Roningen, Ph.D., Economist, ERS-USDA, Washington, DC, USA

Hossein Shapouri, Ph.D., Economist, OENU-ERS-USDA, Washington, DC, USA

Marie E Walsh, Ph.D., Economist, ORNL, Oak Ridge, TN, USA

Abstract

Biomass crops (e.g poplar, willow, switchgrass) could become important feedstocks for power, liquid fuel and chemical production With successful research programs that boost crop yields and develop appropriate power and chemical conversion technologies, biomass might compete with fossil fuels for a broad range of uses Compared to fossil fuels, biomass feedstocks can offer significant environmental benefits For example, biomass crops do not add greenhouse gases to the atmosphere during their life cycle

This paper presents estimates of the potential production of biomass in the United States under a range of assumptions Estimates of potential biomass crop yields and production costs from the Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratories (ORNL), are combined with measures of land rents from USDA's Conservation Reserve Program (CRP), to estimate a

competitive supply of biomass wood and grass crops Estimates are made for one potential biomass use electric power production where future costs of electricity production from competing fossil fuels set the demand price The paper outlines the methodology used and limitations of the analysis

Currently, biomass-based electricity generation is a niche market where electricity is expensive and fuel is cheap or incurs a disposal cost, e.g waste wood, sawdust, etc However, if biomass production and usage systems demonstrate themselves to be workable at DOE's projected costs, biomass crops might become competitive for electricity production and other uses Increases in fossil fuel prices, more rapid advances in gassification-gas turbine power generation technology,

or rapid market development for biomass-based co-products such as pulp wood or chemicals could accelerate the production of biomass for electricity generation Policies that discourage greenhouse gas emissions or encourage biomass production on idle land could also make

biomass feedstocks more competitive with fossil fuels for a range of uses

Biomass crops could be produced on some of the land idled by farm programs in recent years However, if biomass crop production should expand beyond 30 million acres, then the

interaction of biomass with traditional agricultural crops, markets, and programs becomes important While the outlook for biomass feedstocks for energy and other uses offers promise, the practical viability of biomass production and usage systems needs to be demonstrated Given the uncertainty about the competitiveness of the biomass industry, projects that successfully demonstrate biomass production and utilization systems hold the key to the future of biomass production in the United States

Background

This paper discusses the economic potential of biomass production and utilization Biomass crops are being promoted as feedstocks for the production of electric power, liquid fuels, and chemicals Biomass feedstocks have environmental advantages compared to fossil fuels For example, they would not add greenhouse gasses to the atmosphere during their life cycle These crops might be grown on fragile lands and could perform other environmental tasks such as the filtration of fertilizer and pesticide runoff DOE research suggests that yields of biomass crops such as poplar, willow, and switchgrass could be increased significantly If new generation efficient gassification systems and turbines were developed for power production, biomass might become competitive with fossil fuels as an energy source Such a development would benefit farmers by adding energy crops to traditional food and fiber production Rural communities would benefit from jobs created by biomass production and utilization

Methodology

The supply of a product is the quantity that will be produced with a unit of resources at a price that is competitive with other uses for the same resources Given a fixed amount of biomass production, the competitive price is set by the last unit of resources coming into production which just meets production expenses The potential supply of biomass can be estimated given data on land productivity, biomass production costs, and the cost of land for alternative uses Since biomass crops have a life cycle of several years, the stream of biomass revenues and costs has to be discounted in order to compare returns from biomass production with alternative investments (Strauss and Wright)

The supply price estimates for biomass on an acre of land can be done by calculating the present value of estimated revenue and costs over a production cycle (n years) Let p=average annual biomass crop price per ton harvested, yt biomass yield per acre (in period t), ct total

production cost per acre (including a competitive return to the land), and r the discount rate

over the crop cycle period For each acre of biomass, the discounted revenue

, since p is defined as an average price over the crop cycle This discounted revenue from biomass production must equal the discounted cost

average biomass supply price depends on the ratio of discounted production costs to discounted yields (resource productivity) This calculation was repeated for land units with differing

productivity (yields) and value (rental rates)

The quantity of biomass produced on a unit of land is simply the area times the average annual yield The total quantity q supplied to the market at a price p is the sum of production on all land where the equivalent discounted price <=p (p is the marginal price for the last unit of land to go into production at that price) Land units were ranked by their estimated "break even" price p, and production was summed over all units of land with an equal or lower price This calculation gives the total quantity of biomass produced at each price level (current prices), i.e the potential biomasssupply

Data for the Estimation of the Potential Biomass Supply in the United States

A data set for four potential biomass production regions in the United States was created

Acreagewas broken down into land units by land capability class (Walsh and Graham, 1995) and average land rental values from the 12th sign-up of USDA's Conservation Reserve Program (Osborn,Liacuna, and Linsenbigier, 1992 ) Data on potential biomass yields and production costs by land class was assembled by ORNL for land suitable for biomass (crop, CRP, and pasture land with medium to high conversion potential) in the four regions shown in Figure 1 Calculations assume that biomass yields, production budgets, and CRP land rents applied to all land in a unit Switchgrass was the representative grass crop while poplar was the wood crop for all regions except for willows in the North East The yield scenarios (labeled by year)

represented judgments about the potential success of biomass research programs: 2000 - yields attainable with current technology, 2005 - yields with improved management and clonal and varietal selection, and 2020 - yields that could be achieved with a sustained multi-regional genetic improvement program Table 1 summarizes the data set used for estimation of the potential biomass supply in the U.S

Table 1: Potential Biomass Crops, Suitable Acreages,

and Average Yields 1

Grass Crops Wood Crops

Yield Scenarios (Dry Tons/Acr e)

Yield Scenarios (Dry Tons/Acr e) Regio

n Crop

Millio n Acres

20 00

20 05

20 20

Cro p

Millio n Acres

20 00

20 05

20 20

North

Central

Switch

grass 200

4

2

4

8

6

0

Pop lar 177

3

1

5

1 7.1 North Switch 36 3 4 5 Will 36 4 6 8.1

East grass

1 Production cycles assumed in ORNL biomass crop budgets were: switchgrass - 10 years, poplar

- 7 years, and willow - 22 years Regions included suitable acreage with adequate rainfall

Acreages shown overlap for grass and wood crops The number of land class/rental observations

were: North Central - 182, North East - 91, South Central - 61, and South East - 60 Land data

'included 12 land capability classes/subclasses with different potential yields assigned to each

Crop budgets were assigned to land classes by ORNL (5 switchgrass budgets, 3 poplar budgets,

and 1 willow budget) Average CRP 12th sign-up rents (and standard deviations) in dollars/acre

for the regions are: North Central -74 (41), North East - 78 (24), South Central - 49 (19), and

South East - 42 (19)

Figure 2 shows a sample ORNL switchgrass crop budget and associated average yield scenarios

for 2000, 2005, and 2020 for the North Central region Budgets included variable cash, labor,

and operating capital costs of production This data was combined with a 6.5 percent discount

rate and a CRP rental rate for the land unit (representing the required return from the land to

cover ownership costs, profits, and taxes) to calculate an annualized farmgate price (cost, per ton

that would allow normal returns for the land owner, given estimated revenues and costs Budgets

did include some variation in production costs associated with different yields (e.g harvesting,

transportation)

Figure 2: Switchgrass Production Budget Spreadsheet for a North Central Region Unit of Land with ORNL Yields and CRP Land Rent

A