Seit dem 1973 ÖlembargoDie US-Energiepolitik hat versucht, Treibstoffe auf Erdölbasis durch Alternativen zu ersetzen. Eine prominente Option ist die Verwendung von Biokraftstoffen wie Ethanol anstelle von Benzin und Biodiesel anstelle von herkömmlichem Diesel.
Transport erzeugt ein Viertel der US-TreibhausgasemissionenDaher ist es für den Klimaschutz entscheidend, die Auswirkungen dieses Sektors zu adressieren.
Viele Wissenschaftler sehen Biokraftstoffe als von Natur aus CO2-neutral: Sie nehmen an, dass die Kohlendioxid (CO2) Pflanzen aus der Luft absorbieren, wenn sie vollständig ausgleichen, oder "neutralisieren", die CO2 emittiert, wenn Brennstoffe aus Pflanzen verbrannt werden. Viele Jahre der Computermodellierung basierend auf dieser Annahme, einschließlich Arbeiten vom US-Energieministerium unterstützt, kamen zu dem Schluss, dass die Verwendung von Biokraftstoffen als Ersatz für Benzin die CO2-Emissionen beim Transport signifikant reduziert.
Unsere neue Studie wirft einen neuen Blick auf diese Frage. Wir untersuchten Erntedaten, um zu bewerten, ob genug CO2 auf Ackerland absorbiert wurde, um das bei der Verbrennung von Biokraftstoffen emittierte CO2 auszugleichen. Es stellt sich heraus, dass Biokraftstoffe die CO2-Emissionen tatsächlich erhöhen, anstatt sie zu reduzieren, wenn alle Emissionen berücksichtigt werden, die mit dem Anbau von Rohstoffen und der Herstellung von Biokraftstoff verbunden sind.
Biokraftstoff-Boom, Klimafehler
Bundes- und Landespolitik haben seit den 1970s Mais-Ethanol subventioniert, aber Biokraftstoffe haben nach den 11- und 2001-Angriffen im September Unterstützung als Instrument zur Förderung der Energieunabhängigkeit und zur Verringerung der Ölimporte erhalten. In 2005 Kongress erlassen die Standard für erneuerbare Kraftstoffe, die Kraftstoffraffinerien benötigte, um 7.5 Milliarden Gallonen Ethanol durch 2012 in Benzin zu mischen. (Zum Vergleich, in diesem Jahr Amerikaner verwendet 133 Milliarden Gallonen Benzin.)
In 2007 Congress hat das RFS-Programm mit Unterstützung von einigen dramatisch erweitert große Umweltgruppen. Der neue Standard mehr als verdreifacht Der jährliche Verbrauch erneuerbarer Energien in den USA stieg von 4.1 Milliarden Gallonen in 2005 auf 15.4 Milliarden Gallonen in 2015.
Unsere Studie untersuchten Daten von 2005-2013 während dieses starken Anstiegs des Einsatzes erneuerbarer Kraftstoffe. Statt anzunehmen, dass die Produktion und Nutzung von Biokraftstoffen CO2-neutral ist, haben wir explizit die CO2-Menge, die auf Ackerland absorbiert wird, mit der Menge verglichen, die bei der Produktion und dem Verbrauch von Biokraftstoffen emittiert wird.
Vorhandenes Pflanzenwachstum nimmt bereits große Mengen CO2 aus der Atmosphäre. Die empirische Frage ist, ob die Produktion von Biokraftstoffen die Geschwindigkeit der CO2-Aufnahme so weit erhöht, dass CO2-Emissionen vollständig kompensiert werden wenn Mais zu Ethanol fermentiert wird und wenn Biokraftstoffe verbrannt werden.
Die meisten Pflanzen, die in diesem Zeitraum in Biokraftstoffe umgewandelt wurden, wurden bereits angebaut. Die wichtigste Änderung war, dass die Bauern mehr von ihrer Ernte an Hersteller von Biokraftstoffen verkauften und weniger für Nahrungs- und Futtermittel. Einige Landwirte weiteten Mais- und Sojaproduktion aus schaltet zu diesen Rohstoffen aus weniger rentablen Ernten.
Aber solange die Wachstumsbedingungen konstant bleiben, nehmen die Maispflanzen CO2 mit der gleichen Geschwindigkeit aus der Atmosphäre, unabhängig davon, wie der Mais verwendet wird. Um Biotreibstoffe richtig bewerten zu können, muss daher die CO2-Aufnahme auf allen Ackerflächen bewertet werden. Das Pflanzenwachstum ist schließlich der CO2- "Schwamm", der Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt.
Als wir eine solche Auswertung durchführten, stellten wir fest, dass von 2005 bis 2013 die kumulative Kohlenstoffaufnahme auf US-Ackerland um 49-Teragramme zunahm (ein Teragramm beträgt eine Million Tonnen). Bepflanzte Flächen der meisten anderen Feldfrüchte nahmen in diesem Zeitraum ab, so dass diese erhöhte CO2-Aufnahme größtenteils auf Pflanzen zurückgeführt werden kann, die für Biokraftstoffe angebaut werden.
Im gleichen Zeitraum stiegen jedoch die CO2-Emissionen aus fermentierenden und verbrennenden Biokraftstoffen um 132-Teragramme. Daher kompensierte die mit dem Pflanzenwachstum verbundene größere Kohlenstoffaufnahme nur 37 Prozent der CO2-Emissionen von Biokraftstoffen von 2005 bis 2013. Mit anderen Worten, Biokraftstoffe sind bei weitem nicht von Natur aus CO2-neutral.
Kohlenstoffströme und die "Klimabadewanne"
Dieses Ergebnis widerspricht den meisten etablierten Arbeiten zu Biokraftstoffen. Um zu verstehen, warum, ist es hilfreich, die Atmosphäre als eine zu betrachten Badewanne das ist mit CO2 anstelle von Wasser gefüllt.
Viele Aktivitäten auf der Erde fügen CO2 der Atmosphäre hinzu, wie Wasser, das aus einem Wasserhahn in die Wanne fließt. Die größte Quelle ist die Atmung: Kohlenstoff ist der Treibstoff des Lebens, und alle Lebewesen "verbrennen Kohlenhydrate", um ihren Stoffwechsel anzutreiben. Das Verbrennen von Ethanol, Benzin oder anderen kohlenstoffbasierten Brennstoffen öffnet den CO2 "Wasserhahn" weiter und verleiht der Atmosphäre schneller Kohlenstoff als natürliche Stoffwechselprozesse.
Andere Aktivitäten entfernen CO2 aus der Atmosphäre, wie Wasser, das aus einer Wanne fließt. Vor dem industriellen Zeitalter absorbierte das Pflanzenwachstum mehr als genug CO2, um die CO2 auszugleichen, die Pflanzen und Tiere in die Atmosphäre einatmeten.
Heute jedoch fügen wir CO2 weitgehend durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe viel schneller in die Atmosphäre ein als die Natur es entfernt. Dadurch steigt der CO2 "Wasserstand" in der Klimabadewanne schnell an.
Wenn Biokraftstoffe verbrannt werden, emittieren sie ungefähr die gleiche Menge CO2 pro Energieeinheit wie Erdölkraftstoffe. Der Einsatz von Biokraftstoffen anstelle von fossilen Brennstoffen ändert daher nicht, wie schnell CO2 in die Klimabadewanne fließt. Um den Aufbau atmosphärischer CO2-Konzentrationen zu reduzieren, muss die Biokraftstoffproduktion den CO2-Abfluss öffnen - das heißt, er muss die Nettorate beschleunigen, mit der Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt wird.
Der Anbau von mehr Mais und Sojabohnen hat die CO2-Aufnahme "drain" etwas mehr geöffnet, vor allem durch die Verdrängung anderer Pflanzen. Dies gilt insbesondere für Mais, dessen hohe Erträge Kohlenstoff aus der Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von zwei Tonnen pro Acre schneller als die meisten anderen Ernten entfernen.
Dennoch hat die Ausweitung der Produktion von Mais und Sojabohnen für Biokraftstoffe die CO2-Aufnahme nur so weit erhöht, dass 37-Prozent des CO2, das direkt mit Biokraftstoffeinsatz verbunden ist, kompensiert werden können. Darüber hinaus reichte es bei weitem nicht aus, um andere Treibhausgasemissionen während der Herstellung von Biokraftstoffen aus Quellen wie Düngemitteleinsatz, landwirtschaftlichen Betrieben und Kraftstoffraffination auszugleichen. Wenn Landwirte Weiden, Feuchtgebiete und andere Lebensräume, die große Mengen Kohlenstoff speichern, in Ackerland umwandeln, treten außerdem sehr große CO2-Freisetzungen auf.
Fehlerhafte Modellierung
Unsere neue Studie hat löste Kontroversen aus weil es vielen früheren Analysen widerspricht. Diese Studien verwendeten einen Ansatz namens Lebenszyklusanalyseoder LCA, in der Analysten alle Treibhausgasemissionen addieren, die mit der Herstellung und dem Gebrauch eines Produktes verbunden sind. Das Ergebnis wird im Volksmund als "Produkt" bezeichnet.Carbon Footprint"
Die LCA-Studien, die zur Begründung und Verwaltung von Richtlinien für erneuerbare Kraftstoffe verwendet wurden, bewerten nur Emissionen - das heißt, CO2 strömt in die Luft - und haben nicht bewertet, ob die Biokraftstoffproduktion die Geschwindigkeit, mit der CO2 aus der Atmosphäre entfernt wurde, erhöhte. Stattdessen geht LCA einfach davon aus, dass Energiepflanzen wie Mais und Sojabohnen von Jahr zu Jahr nachwachsen können und so automatisch so viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernen, wie sie bei der Verbrennung von Biokraftstoffen freigesetzt werden. Diese signifikante Annahme ist in LCA-Computermodellen fest codiert.
Leider ist LCA die Grundlage für die RFS sowie Kaliforniens Low-Carbon-Kraftstoff Standard, ein Schlüsselelement des ambitionierten Klimaschutzplans dieses Staates. Es wird auch von anderen Agenturen, Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit einem Interesse an Kraftstoffen für Verkehrsmittel verwendet.
Ich akzeptierte einmal die Ansicht, dass Biokraftstoffe von Natur aus CO2-neutral sind. Vor zwanzig Jahren war ich Hauptautor von das erste Papier Vorschlag für die Verwendung von LCA für die Kraftstoffpolitik. Viele solcher Studien wurden durchgeführt, und a weithin zitierte Meta-Analyse in Science in 2006 veröffentlicht, ergab, dass die Verwendung von Maisethanol die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu Petroleumbenzin deutlich reduzierte.
Andere Wissenschaftler äußerten jedoch Bedenken, wie die Anpflanzung ausgedehnter Gebiete mit Energiepflanzen die Landnutzung verändern könnte. Zu Beginn veröffentlichte 2008 Science zwei bemerkenswerte Artikel. Einer beschrieb, wie Biokraftstoff anbaut direkt verdrängte kohlenstoffreiche Lebensräumewie Grasland. Die andere zeigte, dass der Anbau von Biokraftstoff zu Schäden führte indirekte Auswirkungen wie Entwaldung, als Bauern um produktives Land konkurrierten.
LCA-Anhänger haben ihre Modelle komplexer gemacht, um diesen Folgen der Treibstoffproduktion Rechnung zu tragen. Die daraus resultierenden Unsicherheiten wurden jedoch so groß, dass es unmöglich wurde zu bestimmen, ob Biokraftstoffe dem Klima helfen oder nicht. In 2011 ein Nationaler Forschungsrat Bericht über das RFS kamen zu dem Schluss, dass Biokraftstoffe auf Pflanzenbasis wie Maisethanol "nicht eindeutig gezeigt haben, dass sie die Treibhausgasemissionen verringern und sie sogar erhöhen könnten".
Diese Unsicherheiten haben mich veranlasst, mit der Dekonstruktion der Ökobilanz zu beginnen. In 2013 habe ich in Climatic Change einen Artikel veröffentlicht, der zeigt, unter welchen Bedingungen die Produktion von Biokraftstoffen CO2 ausgleichen könnte waren viel begrenzter als allgemein angenommen. In einer nachfolgende Übersichtsarbeit Ich habe die Fehler erläutert, die bei der Bewertung von Biokraftstoffen mit LCA gemacht wurden. Diese Studien ebneten den Weg für unsere neue Erkenntnis, dass erneuerbare Kraftstoffe in den Vereinigten Staaten tatsächlich klimaschädlicher sind als Benzin.
Es ist immer noch dringend erforderlich, CO2 aus dem Öl abzumildern, das die größte Quelle anthropogener CO2-Emissionen in den USA und in den USA ist zweitgrößte weltweit nach Kohle. Aber unsere Analyse bestätigt, dass Biokraftstoffe als Heilmittel gegen den Klimawandel gelten "Schlimmer als die Krankheit."
Reduzieren und entfernen
Die Wissenschaft weist den Weg zu Klimaschutzmechanismen, die effektiver und kostengünstiger sind als Biokraftstoffe. Es gibt zwei breite Strategien zur Minderung der CO2-Emissionen aus Transportkraftstoffen. Erstens können wir die Emissionen reduzieren, indem wir die Effizienz der Fahrzeuge verbessern, die gefahrenen Kilometer begrenzen oder wirklich kohlenstofffreie Kraftstoffe wie Elektrizität oder Wasserstoff substituieren.
Zweitens können wir CO2 schneller aus der Atmosphäre entfernen als Ökosysteme es jetzt aufnehmen. Strategien für "Rekarbonisierung der Biosphäre" das Wiederaufforstung und Aufforstungden Wiederaufbau von Kohlenstoff im Boden und die Wiederherstellung anderer kohlenstoffreicher Ökosysteme wie Feuchtgebiete und Grasland.
Diese Ansätze werden dazu beitragen, die biologische Vielfalt - eine weitere globale Herausforderung für die Nachhaltigkeit - zu schützen, anstatt sie als Biokraftstoffproduktion zu gefährden. Unsere Analyse bietet noch eine weitere Erkenntnis: Sobald der Kohlenstoff aus der Luft entfernt wurde, ist es selten sinnvoll, Energie und Emissionen für die Verarbeitung zu Biokraftstoffen aufzuwenden, um den Kohlenstoff zu verbrennen und wieder in die Atmosphäre freizusetzen.
Über den Autor
John DeCicco, Forschungsprofessor, University of Michigan
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.\
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