โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนร่วม (CHP)ที่ใช้ไม้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อจ่ายพลังงานชีวภาพให้แก่ครัวเรือน 30,000 หลังในฝรั่งเศส โดยใช้เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน

ไร่อ้อย ในบราซิล เพื่อผลิตเอทานอลสำหรับผลิตพลังงานชีวภาพ

พลังงานชีวภาพ เป็น พลังงานหมุนเวียนประเภทหนึ่งที่ได้มาจากพืชและสัตว์^{[ 1 ]}ชีวมวลที่ใช้เป็นวัตถุดิบประกอบด้วยสิ่งมีชีวิตที่เพิ่งมีชีวิตอยู่ (แต่ตายแล้ว) ส่วนใหญ่เป็นพืช^{[ 2 ]}ดังนั้นเชื้อเพลิงฟอสซิลจึงไม่ถือเป็นชีวมวลภายใต้คำจำกัดความนี้ ประเภทของชีวมวลที่ใช้กันทั่วไปสำหรับพลังงานชีวภาพ ได้แก่ ไม้ พืชอาหาร เช่น ข้าวโพดพืชพลังงานและของเสียจากป่า ลานบ้าน หรือฟาร์ม^{[ 3 ]} พลังงานชีวภาพยังอาจหมายถึงไฟฟ้าที่ผลิตจากกระบวนการสังเคราะห์แสงของสิ่งมีชีวิต โดยทั่วไปจะใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์และ เซลล์ แสงอาทิตย์ ชีวภาพ

พลังงานชีวภาพสามารถช่วยบรรเทาผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ แต่ในบางกรณี การผลิตชีวมวลที่จำเป็นอาจเพิ่มการปล่อยก๊าซเรือนกระจกหรือนำไปสู่การสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ ในท้องถิ่น ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิตชีวมวลอาจเป็นปัญหาได้ ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตและเก็บเกี่ยวชีวมวล แต่ก็ยังคงผลิต CO2 ใดที่พลังงานได้มาจากการสลายพันธะเคมี^{[ 4 ]}

สถานการณ์ Net Zero ภายใน ปี 2050 ของ IEAเรียกร้องให้ยุติการใช้พลังงานชีวภาพแบบดั้งเดิมภายในปี 2030 โดยส่วนแบ่งของพลังงานชีวภาพสมัยใหม่จะเพิ่มขึ้นจาก 6.6% ในปี 2020 เป็น 13.1% ในปี 2030 และ 18.7% ในปี 2050 ^{[ 5 ]}พลังงานชีวภาพมีศักยภาพในการลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างมีนัยสำคัญหากนำไปใช้อย่างถูกต้อง^{[ 6 ] : 637} เส้นทาง ที่แนะนำส่วนใหญ่ในการจำกัดภาวะโลกร้อนรวมถึงการมีส่วนร่วมอย่างมากจากพลังงานชีวภาพในปี 2050 (เฉลี่ยที่ 200 EJ) ^{[ 7 ] : B 7.4}

รายงานการประเมินครั้งที่หกของ IPCCนิยามพลังงานชีวภาพว่า "พลังงานที่ได้จากชีวมวล ทุกรูปแบบ หรือผลพลอยได้จากการเผาผลาญ" ^{[ 8 ] : 1795} และนิยามชีวมวลในบริบทนี้ว่า "วัสดุอินทรีย์ที่ไม่รวมถึงวัสดุที่เป็นฟอสซิลหรือฝังอยู่ในโครงสร้างทางธรณีวิทยา" ^{[ 8 ] : 1795} ซึ่งหมายความว่าถ่านหินหรือเชื้อเพลิงฟอสซิล อื่นๆ ไม่ถือเป็นชีวมวลในบริบทนี้

คำว่าชีวมวลแบบดั้งเดิมสำหรับพลังงานชีวภาพหมายถึง "การเผาไหม้ไม้ ถ่าน เศษเหลือทางการเกษตร และ/หรือมูลสัตว์เพื่อการปรุงอาหารหรือให้ความร้อนในกองไฟแบบเปิดหรือในเตาที่ไม่มีประสิทธิภาพซึ่งเป็นเรื่องปกติในประเทศที่มีรายได้ต่ำ " ^{[ 8 ] : 1796}

เนื่องจากชีวมวลสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้โดยตรง (เช่น ท่อนไม้) บางครั้งคำว่าชีวมวลและเชื้อเพลิงชีวภาพจึงถูกใช้แทนกันได้ อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วคำว่าชีวมวลหมายถึงวัตถุดิบชีวภาพที่ใช้ทำเชื้อเพลิง ส่วนคำว่าเชื้อเพลิงชีวภาพหรือก๊าซชีวภาพนั้นโดยทั่วไปจะสงวนไว้สำหรับเชื้อเพลิงเหลวหรือก๊าซตามลำดับ^{[ 9 ]}

ไม้และเศษไม้เป็นแหล่งพลังงานชีวมวลที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน ไม้สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้โดยตรงหรือแปรรูปเป็นเชื้อเพลิงเม็ดหรือเชื้อเพลิงรูปแบบอื่น ๆ พืชชนิดอื่น ๆ ก็สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้เช่นกัน เช่นข้าวโพดหญ้าสวิตช์กราส มิสแคนทัสและไม้ไผ่^{[ 10 ]} วัตถุดิบ หลักจากของเสียได้แก่ เศษไม้ของเสียทางการเกษตรขยะมูลฝอยและของเสียจากการผลิตการยกระดับชีวมวลดิบให้เป็นเชื้อเพลิงคุณภาพสูงขึ้นสามารถทำได้หลายวิธี ซึ่งโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นวิธีทางความร้อน ทางเคมี หรือทางชีวเคมี:

กระบวนการ แปลงความร้อนใช้ความร้อนเป็นกลไกหลักในการยกระดับชีวมวลให้เป็นเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นและใช้งานได้จริงมากขึ้น ทางเลือกพื้นฐาน ได้แก่ การเผาไหม้ แบบไม่สมบูรณ์ (torrefaction ) การไพโรไลซิส ( pyrolysis)และการทำให้เป็นแก๊ส (gasification ) ซึ่งแยกออกจากกันโดยหลักๆ ตามขอบเขตที่ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องสามารถเกิดขึ้นได้ (ส่วนใหญ่ควบคุมโดยความพร้อมของออกซิเจนและอุณหภูมิการแปลง) ^{[ 11 ]}

การแปลงทางเคมีหลายอย่างขึ้นอยู่กับกระบวนการที่ใช้ถ่านหินเป็นหลัก เช่นการสังเคราะห์ฟิชเชอร์-โทรปช์ [ ^{12 ] เช่น}เดียวกับถ่านหิน ชีวมวลสามารถแปลงเป็นสารเคมีเชิงพาณิชย์ได้หลายชนิด^{[ 13 ]}

กระบวนการ ทางชีวเคมีได้พัฒนาขึ้นในธรรมชาติเพื่อสลายโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของชีวมวล และหลายกระบวนการเหล่านี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ในกรณีส่วนใหญ่ จุลินทรีย์จะถูกนำมาใช้ในการเปลี่ยนแปลง กระบวนการเหล่านี้เรียกว่าการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนการหมักและการทำปุ๋ยหมัก^{[ 14 ]}

ระบบทำความร้อนด้วยชีวมวลสร้างความร้อนจากชีวมวลระบบเหล่านี้อาจใช้การเผาไหม้โดยตรงการทำให้เป็นแก๊สการ ผลิต ความร้อนและไฟฟ้าแบบผสมผสาน (CHP) การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือการย่อยสลายแบบใช้ออกซิเจนเพื่อผลิตความร้อน ระบบทำความร้อนด้วยชีวมวลอาจทำงานแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบหรือกึ่งอัตโนมัติ อาจใช้เม็ดเชื้อเพลิง หรืออาจเป็นระบบผลิตความร้อนและไฟฟ้าแบบผสมผสาน

^{[ 15 ]}

โดยพิจารณาจากแหล่งที่มาของชีวมวลเชื้อเพลิงชีวภาพจะถูกจำแนกออกเป็นสองประเภทหลัก โดยขึ้นอยู่กับว่ามีการใช้พืชอาหารหรือไม่: ^{[ 16 ]}

เชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นแรก (หรือ "แบบดั้งเดิม") ผลิตจาก แหล่ง อาหารที่ปลูกในพื้นที่เพาะปลูก เช่นอ้อยและข้าวโพดน้ำตาลที่มีอยู่ในชีวมวลเหล่านี้จะถูกหมักเพื่อผลิตไบโอเอทานอลซึ่งเป็นเชื้อเพลิงแอลกอฮอล์ที่ใช้เป็นสารเติมแต่งในน้ำมันเบนซิน หรือในเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าไบโอเอทานอลผลิตโดยกระบวนการหมักโดยส่วนใหญ่มาจากคาร์โบไฮเดรตที่ผลิตใน พืช ที่มีน้ำตาลหรือแป้งเช่นข้าวโพดอ้อยหรือข้าวฟ่างหวานไบโอเอทานอลมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกาและบราซิลส่วน ไบ โอดีเซลผลิตจากน้ำมันในพืช เช่น เรพซีดหรือบีทน้ำตาล และเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพที่พบมากที่สุดในยุโรป

เชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นที่สอง (หรือเรียกว่า "เชื้อเพลิงชีวภาพขั้นสูง") ใช้ แหล่งชีวมวลที่ ไม่ใช่พืชอาหารเช่น พืชพลังงาน ยืนต้นและเศษเหลือทางการเกษตร วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงเหล่านี้อาจปลูกในพื้นที่เพาะปลูกแต่เป็นผลพลอยได้จากพืชผลหลัก หรือปลูกในพื้นที่ชายขอบ ของเสียจากอุตสาหกรรม การเกษตร ป่าไม้ และครัวเรือนก็สามารถนำมาใช้ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นที่สองได้เช่นกัน โดยใช้กระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพ การทำให้เป็นก๊าซเพื่อผลิตก๊าซสังเคราะห์หรือการเผาไหม้โดยตรงชีวมวลเซลลูโลสที่ได้จากแหล่งที่ไม่ใช่พืชอาหาร เช่น ต้นไม้และหญ้า กำลังได้รับการพัฒนาเป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตเอทานอล และไบโอดีเซลสามารถผลิตได้จากผลิตภัณฑ์อาหารที่เหลือ เช่น น้ำมันพืชและไขมันสัตว์

• ชีวมวลสู่ของเหลว

• การเปลี่ยนชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงแอลกอฮอล์ผสม

ความหนาแน่นของการผลิตพลังงานบนพื้นผิวของพืชผลจะเป็นตัวกำหนดว่าต้องใช้พื้นที่เท่าใดในการผลิตความหนาแน่นของพลังงานบนพื้นผิว ตลอดวงจรชีวิตโดยเฉลี่ย สำหรับการผลิตพลังงานชีวมวล พลังงานลม พลังงานน้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์ คือ 0.30 W/m² ^, 1 W/m² ^, 3 W/m² ^และ 5 W/m² ^ตามลำดับ (พลังงานในรูปของความร้อนสำหรับชีวมวล และไฟฟ้าสำหรับพลังงานลม พลังงานน้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์) ^{[ 17 ]}ความหนาแน่นของพลังงานบนพื้นผิวตลอดวงจรชีวิตรวมถึงพื้นที่ที่ใช้โดยโครงสร้างพื้นฐานสนับสนุนทั้งหมด การผลิต การทำเหมือง/การเก็บเกี่ยว และการรื้อถอน

การประมาณค่าอีกประการหนึ่งระบุค่าไว้ที่ 0.08 W/m² ^{สำหรับ}ชีวมวล 0.14 W/m² ^{สำหรับ}พลังน้ำ 1.84 W/m² ^{สำหรับ}พลังงานลม และ 6.63 W/m² ^{สำหรับ}พลังงานแสงอาทิตย์ ( ค่า มัธยฐานโดยไม่มีแหล่งพลังงานหมุนเวียนใดเกิน 10 W/ ^m² ) ^{[ 18 ]}

เทคโนโลยี การดักจับและกักเก็บคาร์บอนสามารถใช้ในการดักจับการปล่อยก๊าซจากโรงไฟฟ้าพลังงานชีวภาพ กระบวนการนี้เรียกว่าพลังงานชีวภาพที่มีการดักจับและกักเก็บคาร์บอน (BECCS) และสามารถส่งผลให้มีการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ สุทธิออก จากชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม BECCS อาจส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซสุทธิเป็นบวกได้เช่นกัน ขึ้นอยู่กับวิธีการปลูก เก็บเกี่ยว และขนส่งวัสดุชีวมวล การใช้งาน BECCS ในระดับที่อธิบายไว้ในแนวทางบรรเทาผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศบางประการ จะต้องเปลี่ยนพื้นที่เพาะปลูกจำนวนมาก^{[ 19 ]}

พลังงานชีวภาพพร้อมการดักจับและกักเก็บคาร์บอน (BECCS) คือกระบวนการสกัดพลังงานชีวภาพจากชีวมวลและดักจับและกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ที่เกิดขึ้น

การปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากพลังงานชีวภาพอาจต่ำ เนื่องจากเมื่อเก็บเกี่ยวพืชเพื่อใช้เป็นพลังงานชีวภาพ พืชใหม่สามารถเจริญเติบโตและดูดซับ CO2 อากาศผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงได้^{[ 21 ]}หลังจากเก็บเกี่ยวชีวมวลแล้ว พลังงาน ("พลังงานชีวภาพ") จะถูกสกัดออกมาในรูปแบบที่มีประโยชน์ (ไฟฟ้า ความร้อนเชื้อเพลิงชีวภาพฯลฯ) โดยการใช้ชีวมวลผ่านการเผาไหม้ การหมัก การไพโรไลซิส หรือวิธีการแปลงอื่นๆ^{[ 22 ]}การใช้พลังงานชีวภาพจะปล่อย CO2 ออกมาบางส่วนจะถูกดักจับก่อนที่จะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ และเก็บไว้ใต้ดินโดยใช้เทคโนโลยีการดักจับและกักเก็บคาร์บอน^{[ 23 ]}ภายใต้เงื่อนไขบางประการ BECCS สามารถกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศได้^{[ 23 ]}

ช่วงศักยภาพของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเชิงลบจาก BECCS คาดว่าจะอยู่ระหว่างศูนย์ถึง 22 กิกะตันต่อปี^{[ 24 ]}ณ ปี 2024 มีโครงการ BECCS ขนาดใหญ่ 3 โครงการที่ดำเนินการอยู่ในโลก^{[ 25 ]} การใช้งาน BECCS ในวงกว้างถูกจำกัดด้วยต้นทุนและความพร้อมของชีวมวล^{[ 26 ] [ 27 ]}เนื่องจากการผลิตชีวมวลต้องใช้พื้นที่จำนวนมาก การใช้งาน BECCS จึงอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างมากต่อการผลิตอาหาร สิทธิมนุษยชน และความหลากหลายทางชีวภาพ^{[ 28 ]}

พลังงานชีวภาพสามารถบรรเทา (เช่น ลด) หรือเพิ่มการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในท้องถิ่นอาจเป็นปัญหา ตัวอย่างเช่น บางครั้งมีการตัดไม้ทำลายป่าเพื่อผลิตไบโอเอทานอล ที่ได้จาก อ้อย เช่นในกรณีของโครงการขนาดใหญ่ในอินโดนีเซียในปี 2025 ^{[ 41 ]}

การผลิตชีวมวลอาจก่อให้เกิดแรงกดดันทางสังคมและสิ่งแวดล้อมอย่างมากในพื้นที่ที่มีการผลิตชีวมวล^{[ 42 ]}ผลกระทบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิว ที่ต่ำ ของชีวมวล ความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิวที่ต่ำส่งผลให้ต้องใช้พื้นที่ดินขนาดใหญ่กว่ามากในการผลิตพลังงานในปริมาณเท่ากัน เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล เป็นต้น ^{[ 43 ]}

การขนส่งชีวมวลระยะไกลถูกวิพากษ์วิจารณ์ว่าสิ้นเปลืองและไม่ยั่งยืน^{[ 44 ]}และมีการประท้วงต่อต้านการส่งออกชีวมวลจากป่าในสวีเดน^{[ 45 ]}และแคนาดา^{[ 46 ]}

ในปี 2020 พลังงานชีวภาพผลิตพลังงาน ได้ 58 EJ ( เอ็กซาจูล ) เมื่อเทียบกับ 172 EJ จาก น้ำมันดิบ 157 EJ จากถ่านหิน 138 EJ จากก๊าซธรรมชาติ 29 EJ จากนิวเคลียร์ 16 EJ จากพลังงานน้ำและ 15 EJ จากพลังงานลมพลังงานแสงอาทิตย์และ พลังงาน ความร้อนใต้พิภพรวมกัน^{[ 47 ]}พลังงานชีวภาพส่วนใหญ่ทั่วโลกผลิตจากทรัพยากรป่าไม้^{[ 48 ] : 3 [ 49 ] : 1}

โดยทั่วไป การขยายตัวของพลังงานชีวภาพลดลง 50% ในปี 2020 จีนและยุโรปเป็นเพียงสองภูมิภาคที่รายงานการขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญในปี 2020 โดยเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานชีวภาพ 2 GW และ 1.2 GW ตามลำดับ^{[ 50 ]}

เศษเหลือจากการเลื่อยไม้เกือบทั้งหมดถูกนำไปใช้ในการผลิตเม็ดเชื้อเพลิงแล้ว ดังนั้นจึงไม่มีพื้นที่สำหรับการขยายตัว เพื่อให้ภาคพลังงานชีวภาพขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญในอนาคต จำเป็นต้องนำไม้เยื่อกระดาษที่เก็บเกี่ยวได้ไปใช้ในโรงงานผลิตเม็ดเชื้อเพลิงมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การเก็บเกี่ยวไม้เยื่อกระดาษ (การตัดแต่งต้นไม้) จะทำให้ต้นไม้เหล่านี้หมดโอกาสที่จะเติบโตจนมีอายุมากขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถกักเก็บคาร์บอนได้สูงสุด^{[ 51 ] : 19} เมื่อเทียบกับไม้เยื่อกระดาษ เศษเหลือจากการเลื่อยไม้มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิที่ต่ำกว่า: "วัตถุดิบชีวมวลบางประเภทสามารถเป็นกลางทางคาร์บอนได้ อย่างน้อยก็ในช่วงเวลาไม่กี่ปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเศษเหลือจากการเลื่อยไม้ สิ่งเหล่านี้เป็นของเสียจากการดำเนินงานป่าไม้ประเภทอื่นที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการเก็บเกี่ยวเพิ่มเติม และหากนำไปเผาเป็นขยะหรือปล่อยให้เน่าเปื่อยก็จะปล่อยคาร์บอนสู่ชั้นบรรยากาศอยู่ดี" ^{[ 51 ] : 68}