Bioenergy potential and technological development

Introduction 

Will there be sufficient space for biomass-for-energy production that doesn't compete with the world food supply nor with the conservation of nature and biodiversity? There is no consensus on this. Not surprisingly, stakeholders who mainly see advantages in bioenergy show much interest to improve efficiency in the use of current feedstocks and to broaden the possibilities for feedstock supply. Because of relatively high processing costs of current techniques and, especially, concerns about availability, the bioenergy applauders are on the outlook for new possibilities.  Here, we briefly introduce you to both issues but do not fully cover the debates and developments. The International Energy Agency provides an overview of considerations concerning both potential and technologies for what they see as 'good practice' in bioenergy production (IEA, 2007).

Biomass potential for bioenergy

There is much academic debate about the question how much space will be available in future (2050) for the production of biomass for energy. Since a major input for bioenergy production is land, competition with food production is an important aspect determining the global bioenergy potential. Much depends on models that try to calculate energy consumption, integrating estimates of world population, trends in energy use and developments in energy technologies. And also on models that try to calculate the land needed for agriculture, again integrating estimates for the world population and agricultural productivity. Assumptions have to be made for e.g. changing food consumption, efficiency of food production and therefore changes in the area of land needed for food production. Estimates greatly vary and so does the input for these models (Berndes et al, 2003 and OECD, 2007). Estimated potentials of bioenergy can be theoretical, technical, or economic. The theoretical potential refers to the amount of biomatter that could grow annually and is determined primarily by natural conditions. The technical potential depends on the available technologies and therefore changes as technology progresses. The economic potential is the most variable because economic conditions vary, sometimes drastically, over time. Furthermore, for the global energy supply scenario, outcomes depend for example on whether estimations include only land-related bioenergy or also the bioenergy potential of e.g the oceans (IIASA, 2001). With more reseach done and new insights and experience available, assumptions and estimates not only vary between models but also change over time: some show an optimistic upward update of estimates while others grow more pessimistic. In the bioenergy potential section you will find studies whose outcomes have been influential in the debates so far as well as forecasts for specific regions and purposes.

For a country and regional studies into potentials, among other  estimations on land availability, check out SNV's work in Peru SNV-IIAP 2008, the critical assessment of available land (compared to FAO estimates) in Tanzania by Haugen 2010.

Technological developments: 1st and 2nd/3rd generation

The processing technologies for bioenergy depend on the kind of feedstock and the type of bioenergy derived from it. Given the several types of bioenergy and the large array of potential feedstocks, there are many technological processes and pathways that are used for bioenergy production. The United Nations Foundation provides a clear and complete overview in chapter 5 of their report on sustainable bioenergy in West Africa (UNF, 2008). New technologies are continually being developed and novel processes are likely to emerge in the future.

A common distinction is that between first generation biofuels on the one hand and second and third generation biofuels on the other. First generation biofuels are those feedstocks, containing starch or oil, that can be used as energy source with relatively simple and well-known processing techniques. Their starch or oil characteristics as well as industrial processing are known since the crops are already being used for other purposes, mainly for food or other consumer products and feed. Examples of feedstock are rapeseed, oil palm, soy, corn, weat and sugercane. 

Second generation biofuels are produced with advanced techniques that can process the non-edible parts of biomass, such as the woody parts of plants, to extract oil or ethanol from them. Often, their yield in terms of reduced CO2 emission is higher than for first generation biofuels, or so it is claimed. Their feedstock may consist of waste from e.g. the food industry. But it may also consist of high energy yielding plants grown for that purpose such as switch grass or willow. Or of food crops such as weat, of which the whole plant is used for the production of ethanol instead of just the grain in the case of first generation ethanol. Through the land needed for biomass production and the use of foodcrops for feedstock, there is a potential compettion with food production, though in a more efficient manner. It is partly because of this potential competition with food production that sustainability and desirability of second generation biofuels is subject of much debate (like the first generation). Third generation biofuels are not only processed but also grown with advanced techniques. They may be promising but they, too, have their disadvantages or uncertainties yet to overcome. The International Assessment of Agricultural Knowledge, Science and Technology for Development nicely describe the differences, pro's and con's in their executive summary (IAASTD, 2008).  

All generations biofuels are so called 'modern biomass energy technologies', as opposed to traditional uses of biomass for energy such as fuelwood, crop residues and animal dung for cooking fires (Karekezi et al, 2004). Technological developments leading to higher efficiency in these traditional uses are called 'improved biomass energy technologies'. Though very relevant for the debate on improved energy supply for the poor, especially in rural areas, they, neither, are included under first, second or third generation biofuels and in debates concerning them. Some of the currently developed improved techniques would rather fit our category Sustainable energy alternatives.

The bioenergywiki related to the Roundtable for Sustainable Biofuels (see the Links below) is a good starting point for an overview of the technologies, and the feedstocks, used for first, second and third generation biofuels.

Bioenergy technology and GMOs

Second and third generation bio-ethanol is produced with the help of enzymes that enable the woody parts of plants - difficult to convert with natural processes - to participate in the conversion process. Some projects now experiment on a small scale to grow plants that already carry such enzymes, with help of genetic engineering. Second and third generation bioenergy technology doesn't necessarily involve genetic modification, however. Among the many experiments and developments in technology for bioenergy it is often difficult to judge whether it involves genetic modification or not. Sometimes no explicit mention is made of the exact modification. See for example the article on an adapted corn variety for ethanol developed by Michigan State University (Biopact, 2007). The sustainability and desirability of genetic modification is subject of debate in itself for its potential effects on biosafety and livelihoods. Suspected (potential) harm to biodiversity as well as possible socio-economic draw-backs related to e.g. the use of patented plant varieties make GMOs controversial. See for example IUCN, 2004. This issue is therefore of high concern for the further development of criteria and standards for sustainable bioenergy. Under the section standard setting and its progress/global we included some more material. 

Potencial de Bionergías y Desarrollo Tecnológico

Introducción
Existirá espacio suficiente para la producción de biomasa con fines energéticos que no compita con el suministro de alimentos a nivel mundial ni con la conservación de la naturaleza y la biodiversidad? En esto no hay consenso. No es sorprendente que los interesados quienes principalmente ven ventajas en la bioenergía muestran mucho interés en mejorar la eficiencia en el uso de materias primas actuales y de ampliar las posibilidades de suministrar materias primas. Debido a los costos de procesamiento relativamente altos de técnicas actuales y especialmente, las preocupaciones acerca de disponibilidad, quienes aplauden la bioenergía se encuentran en busca de nuevas posibilidades. Aquí hacemos una breve introducción a ambos asuntos pero no cubrimos los debates y su desarrollo en su totalidad. La Agencia Internacional de Energía ofrece una visión general de aspectos relativos tanto al potencial como a las tecnologías de lo que ellos ven como ‘buenas practicas’ en la producción de bionergía (IEA, 2007).

Potencial de Biomasa para la bionergía
Existe gran cantidad de debate académico acerca de cuánto espacio estará disponible en el futuro (2050) para la producción de biomasa con fines energéticos. Dado que la mayoría de suministros para la producción de bioenergía es la tierra, la competencia con la producción de alimentos es un aspecto importante que determina el potencial global de bionergía. Mucho depende de modelos que intentan calcular el consumo de energía integrando estimativos de la población mundial, tendencias en el uso de la energía y desarrollo de tecnologías energéticas. También en modelos que intentan calcular la tierra necesaria para agricultura e integrándolo una vez mas a estimativos de población mundial y productividad agrícola. Se deben crear hipótesis para, por ejemplo, cambiar el consumo de alimentos, eficiencia en la producción de alimentos y así, cambios en el área requerida. Los estimativos varían enormemente y también los aportes para estos modelos (Berndes et al, 2003 y OECD, 2007). Los potenciales estimados de bioenergía pueden ser teóricos, técnicos o económicos. El potencial teórico se refiere a la cantidad de bio-materia que puede crecer anualmente y es determinada principalmente por las condiciones naturales. El potencial técnico depende de las tecnologías disponibles y por eso cambia a medida que la tecnología progresa. El potencial económico es el mas variable ya que las condiciones económicas varían a través del tiempo, algunas veces drásticamente. Además, para el escenario de suministro global de energía, los resultados dependen de, por ejemplo, si los estimativos incluyen solamente bioenergía relacionada a la tierra o también del potencial energético de los océanos, entre otros (IIASA, 2001). Con más investigación realizada y las nuevas ideas y experiencias disponibles, las hipótesis y los estimativos varían no sólo entre los modelos, sino también con el tiempo: algunos muestran una actualización optimista hacia el alza mientras que otros son mas pesimistas. En la sección de potencial bioenergético encontrará estudios cuyos resultados hasta ahora han sido influyentes en debates, así como pronósticos para regiones y objetivos específicos. Para estudios de potenciales de un país y de región revise el trabajo de SNV en Perú (SNV-IIAP 2008).

Desarrollos Tecnológicos: 1era y 2da/3ra generación
Las tecnologías de procesamiento para biotecnología dependen del tipo de materia prima y el tipo de bioenergía que de allí se deriva. Dados los diferentes tipos de bioenergía y la gran cantidad de materia primas potenciales, existen muchos procesos tecnologicos y caminos utilizados para la producción de bioenergías. La Fundación de la Naciones Unidas presenta en el capítulo 5 de su reporte en bioenergía sostenible en África Occidental, una visión general clara y completa (UNF, 2008). Nuevas tecnologías son desarrolladas continuamente y se espera que del mismo modo surjan procesos novedosos en el futuro.
 
Una distinción común es aquella existente entre los biocombustibles de primera generación por un lado, y los de segunda y tercera generación por el otro. Los biocombustibles de primera generación son aquellas materias primas que contienen almidón o aceite que pueden ser usados como fuentes de energía con técnicas de procesamiento relativamente sencillas y ampliamente conocidas. Sus características de almidón o aceite así como su procesamiento industrial son conocidos ya que los cultivos vienen siendo utilizados para otros fines, principalmente para alimento humano y/o animal, u otros productos de consumo. Ejemplos de materias primas son la canola, la palma aceitera, la soja, el maíz, el trigo y la caña de azúcar.
 
Los biocombustibles de segunda y tercera generación se producen con técnicas avanzadas que pueden procesar las partes no-comestibles de la biomasa (tales como las partes leñosas de las plantas) para extraer aceite o etanol. A menudo, su rendimiento en términos de disminución de emisiones de CO2 es mayor que los biocombustibles de primera generación, o al menos así se ha dicho. Su materia prima puede provenir de, por ejemplo, la industria de los alimentos. Pero también puede consistir de plantas de alto rendimiento energético cultivadas para este propósito, tal como lo son el mijo perenne y el sauce. O de cultivos de alimentos como el trigo del cual la planta completa se utiliza para la producción de etanol y no solamente el grano como es el caso del etanol de primera generación. Existe potencial competencia con la producción de alimentos por la tierra necesaria para la producción de biomasa y el uso de cultivos de alimentos como materias primas, aunque de manera mas eficiente. Es en parte debido a esta potencial competencia con la producción de alimentos que la sostenibilidad y conveniencia de los biocombustibles de segunda generación es objeto de constante debate (como en los de primera generación). Los biocombustibles de tercera generación no solo son procesados sino cultivados con técnicas avanzadas. Pueden resultar prometedores pero también tienen sus desventajas o incertidumbres aún por superar. La Evaluación Internacional de Conocimiento Agrícola, Ciencia y Tecnología para el Desarrollo describe muy bien las diferencias, los pros y los contras en su resumen ejecutivo (IAASTD, 2008). 

Todas las generaciones de biocombustibles son denominadas ‘tecnologías modernas de biomasa energética’ contrario a los usos tradicionales del uso de biomasa energética tales como la leña, residuos de cultivos y estiércol animal para cocinar (Karekezi et al, 2004). Los desarrollos tecnológicos que conllevan a mayor eficiencia en estos usos tradicionales son denominados ‘tecnologías mejoradas de biomasa energética’. Aunque muy relevantes para el debate en mejoramiento de suministro de energía para los pobres, especialmente en áreas rurales, ninguna de estas se contempla como biocombustible de primera, segunda o tercera generación, ni en los debates pertinentes. Algunas de las técnicas actuales de mejoramiento desarrolladas se acoplarían mejor a nuestra categoría de Alternativas de Energía Sostenible.
 
El wiki en bioenergias relacionado a la Mesa Redonda de Biocombustibles Sostenibles (ver links mas adelante) es un buen punto de partida para obtener una visión general de las tecnologías y las materias primas usadas para biocombustibles de primera, segunda y tercera generación.
 
Tecnología bioenergetica y OMGs
El bio-etanol de segunda y tercera generación se produce con la ayuda de encimas que permiten a las partes leñosas de las plantas participar en un proceso de conversión la cual es difícil por medio de procesos naturales. Algunos proyectos ahora experimentan cultivando a pequeña escala plantas que, ayudadas por la ingeniería genética, ya traen tales enzimas. Sin embargo, la tecnología bioenergética de segunda y tercera generación no necesariamente involucra modificación genética. Entre muchos de los experimentos y desarrollos en tecnología para bioenergía, es difícil juzgar si se está  involucrando modificación genética o no. Algunas veces no se menciona explícitamente cual ha sido la modificación. Ver por ejemplo el artículo sobre una variedad adaptada de etanol desarrollada por la Universidad del Estado de Michigan (Biopact, 2007). La sostenibilidad y conveniencia de la modificación genética es sujeto de debate debido a sus efectos potenciales sobre bioseguridad y sustentos. La sospecha de (posibles) daños a la biodiversidad, así como los posibles retrocesos socioeconómicos relacionados a, por ejemplo, el uso de variedades vegetales patentadas, hacen controversiales a los OGMs. Ver por ejemplo IUCN, 2004. Así pues, este asunto es de alta incumbencia para poder desarrollar criterios y estándares de bioenergía sostenible. Bajo la sección de normativas y su progreso/global incluimos algo mas de material.

Documents

• Bioenergy potential

• First generation biofuels

• Second and third generation biofuels

Links to other web-based info sources: 

Bioenergywiki/Technologies

Bioenergywiki/Feedstocks

Biotechnology in Food and Agriculture - FAO portal with documents and an electronic discussion forum

Biopact - website of a private group where articles on latest initiatives and developments in novel biofuels technologies are posted

EurActiv - the media portal on EU affairs, provides an overview of developments and policies

Greenpowerconferences/biofuelsmarkets - upcoming conferences on biofuels + documentation

http://www.biofuelreview.com/- latest news for biofuel industry

http://www.cober.org.pe/presentaciones.htm - extensive presentations and discussions potentials renewable energy Peru (see also SNV studies)