Tổng quan về nhiên liệu sinh học từ rơm rạ pdf

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 CO
2

trong môi trường và dự trữ nó thông qua quá trình quang hợp. Một lượng CO
2
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, y
t
biomass yield per acre (in period t), c
t
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
. Solving for p, p= . The
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
South Central Switchgrass
South East Switchgrass
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
2 SWITCHG RASS BUDGET
3 VARIABLE CASH COSTS
4 Seed
5 Fertilizer
6 Chemicals
7 Fuels/Lube
8 Repairs
9 Harvest
17 COST OF OWNED RESOURCES
18 Capital Replacement
19 Other Nonland Capital
21 Labor
24 Present Value (PV) Cos Calc. (1993 $/Acre)
25 Discount rate (%)
26 Annual land rental rate- CRP data:
27 A=R. 4-8, C. B,D,F
28 B=R, 4-8, C. C,E,G
29 C=R.18- 19,21; All
30 D=R.26, C.B,D,F

31 =A + B + C + D
32 Yield Assum. - ORNL:
33
34
35
36
37 Annualiz. Farm C./Ton (93 $/Ton)
38
39
40
Figure 2 shows the calculations for an observation with a CRP rent of 74 dollars per acre that is
expected to yield 3.7 tons per acre of switchgrass in 2000, 4.2 tons in 2005, and 5.3 tons in 2020.
When similar spreadsheet calculations were performed for all rental observations in the North
Central region, they were sorted by price (annualized farmgate cost). Then total acreage and
production was cumulated for all land units with equal or lower prices. This process yielded a
supply estimate with the lowest "break even" farmgate price per ton (left axis) verses the total
acreage of land used (bottom axis) shown in Figure 3. The left part of the supply response
scenario estimates shows the minimum price needed to bring switchgrass into production in
competition with existing land use while the
right part of the figure indicates the price that
would be needed to bring all of the land in the
North Central region into switchgrass
production. The point representing the results
of the spreadsheet calculation shown in
Figure 2 is marked with a vertical line.
When the supply estimate is presented in terms of total acreage in a region, the scenarios with
increased yields move the supply prices downward, i.e. they lower supply costs. Improved yields
in 2005 with a modest research program lower costs at the line shown Figure 3 from $47.60 per
ton to $42.48, a reduction of $5.12 per dry ton or 11 percent. By 2020 with a long term research
program, the costs are lowered to $35.74 per ton, down $11.86 or 25 percent from the costs

projected in 2000. This calculation shows that given production costs and a variety of land prices
and productivity; a) there is available that could produce switchgrass at a low price, e.g. $30 or
less per ton, b) if research programs could successfully increase yields, switchgrass at $30 per
ton would competitive on more acreage (or at any of the acreages shown in Figure 3, the
competitive price would be reduced). The calculation of a national biomass supply estimate
follows the same methodology, combining land data from the four regions shown in Figure 1.
There is an important caveat about this type of analysis. The land rent distribution comes from a
survey with existing crop production patterns in place. For example, the North Central region
shown in Figure 1 has over 60 million acres in corn production, accounting for almost 80 percent
of corn production land in the U.S. While Figure 3 suggests that all of this land could be
converted to switchgrass production if prices approached $60 per ton, the resulting removal of 80
percent of U.S. corn production would raise feed grain, livestock, and food prices dramatically.
In turn this would raise the prices required to maintain all of this land in switchgrass production.
Therefore the supply estimates using this methodology are appropriate for smaller acreages or
biomass on idle land that is not competing with mainstream crops (e.g. the 50 million acres in
conservation and crop set-aside programs in recent years). If biomass crops were to seriously
compete with traditional food and fiber crops, a full multi-commodity global market analysis
would be needed to analyze the interaction of biomass crops with the existing farm economy.
Biomass Supply Estimates for the United States
Figure 4 shows supply estimates for switchgrass on the lowest cost 50 million acres. The
downward shift of supply prices in each scenario results from the yield increases assumed to
follow from stepped-up research programs. The numbers in the table below the acreage show the
total switchgrass production expected with each scenario. For example, a price of 28 dollars per
dry ton would encourage production of 128 million tons on 20 million acres in the scenario for
2000. For 2005, 20 million acres could produce 146 million tons at a price of 26 dollars per ton.
The 2020 scenario suggests the same 20 moon acres could produce 159 million tons for less than
24 dollars per dry ton. The amounts that could be produced under 25 dollars per ton with
research progress, constitute a niche market that might develop.
The quantities supplied in these estimates are very sensitive to price. This is consistent with the
long run methodology used for the estimates and is appropriate for land currently idle.

Experience with long-run multi-crop estimates suggests that each quantity produced would
require higher prices if biomass production significantly displaced existing crops.
Estimates for U.S. wood crop production on 50 million acres are shown in Figure 5. The
interpretation is the same as for Figure 4. The left part of the estimates at lower prices represent
lower costs associated with willow production (relative to poplar). The supply estimates in these
two figures include much of the same land. Therefore an additional calculation is needed in
terms of a common energy metric, allowing either grass or wood production, to determine how
much of each particular biomass crop is produced. Since wood and grass crops have different
energy contents per ton, a combined estimate can be made by converting wood and grass tonnage
to common energy units and
prices.
Assuming wood and grass
crops contain 16.5 and 14.5
million Btu of energy per dry
ton, respectively, the tonnage
and prices shown above
(with transport costs added)
were converted to energy
units. Ranking the data for
about 50 million acres by energy prices and cumulating the energy content gives the national
biomass supply in Figure 6.
The steeper line in Figure 6 shows an alternative biomass supply estimate by McCarl using a
multi-crop model (Adams, et. al.) for 2020. At lower prices, the McCarl analysis includes waste
wood. As the biomass acreage climbs above 30 million acres and biomass crops compete with
existing ones, the multi-crop methodology suggests that higher prices would be needed to cause
biomass to displace existing
crop production.
Regardless of the estimated
biomass supply in energy terms,
additional assumptions about

technology are required if
biomass is to be evaluated
exclusively for use as a fuel for
electric power generation.
Figure 7 summarizes some
technical cost assumptions as
three components of electricity
prices. DOE and Electric Power
Research Institute (EPRI) electric power cost assumptions for the three scenarios are shown at
the right and are compared to other estimates using various energy sources, including biomass.
Lower cost estimates in 2005 and 2020 basically assume greater cost and production efficiency
using new generation gasification-gas turbine
systems to convert biomass to electricity.
Since capital and operation and maintenance costs
make up over half of the electricity price, their
reduction with new technology is crucial to the
attainment of a 4 cents per kWh biomass based
electricity price that is thought to be competitive
with power production from other fuels in 2020
such as coal and natural gas. The power cost
assumptions in Figure 7 are combined with the
biomass energy supply estimates in Figure 6 to
produce the potential biomass-based electricity
supply for the three scenarios in Figure 8. An
additional alternative scenario for 2020 assuming
yields from 2000 gives electricity price estimates
only 0.2 cents per kWh higher on average. Therefore the required cost reduction for competitive
electricity production in 2020 in Figure 8 comes almost entirely from the new lower-cost
electricity generation technology. If these cost assumptions hold true and if biomass production
does not crowd out existing crops, then up to 50 million acres of competitive biomass crops

might exist in the future.
These calculations and underlying assumptions lead to a distribution of biomass supply by region
and crop shown in Figure 9. Willows could become a major wood crop in the North East while
switchgrass could be a major biomass crop in the other regions. Low cost power technology and
improved feedstock production
systems are keys to this future.
To summarize, biomass crops could
become feedstocks for industrial
uses, given optimistic assumptions
about the success of research
programs for production and
utilization. The successful
development of a new generation of
efficient power generation
technology could make biomass
generated electricity a reality. Some
low cost biomass production and biomass wastes such as wood make a niche biomass power
market possible now. Successful biomass research programs, rising fossil fuel prices, and/or
biomass incentive policies could expand the biomass industry. However, the optimistic U.S.
biomass scenarios assume that improved production, harvesting, delivery, and utilization systems
implied by crop budgets and power/utilization cost estimates are in place. Much hard
engineering, organizational, and research work will be required to demonstrate the workability of
these systems. Future biomass farmers and processors need to see practical and successful
demonstration projects on the ground that before they begin to participate on a large scale.
References
Adams, Darius, Ralph Alig, J.M. Callaway, and Bruce A. McCarl. 1994. Forest and Agricultural
Sector Optimization Model: Model Description, a report prepared for the Environmental
Protection Agency. Boulder, CO. RCG/Hagier Bailly. Return to text
Energy Information Administration (EIA), U.S. Department of Energy (DOE). 1995. Annual
Energy Outlook 1995 With Projections to 2010. Washington, DC.

Energy Information Administration (EIA), U.S. Department of Energy (DOE). 1995. Supplement
to the Annual Energy Outlook 1995. Washington, DC.
Graham, Robin Lambert. 1994. "An Analysis of the Potential Land Base for Energy Crops in the
Conterminous United States". In Biomass and Bioenergy, Vol. 6., No. 3. Oxford UK. Elsevier
Science Ltd.
Osborn, C. Tim, Felix Liacuna, and Michael Linsenbigler. 1992. The Conservation Reserve
Program (CRP), Enrollment Statistics for Sign-up Periods 1-11 and Fiscal Years 1990-1992.
Economic Research Service (ERS) Statistical Bulletin Number 843. Washington, DC. Return to
text
Strauss, Charles H., and Lynn L. Wright. 1990. "Woody Biomass Production Costs in the United
States: An Economic Summary of Commercial Populus Plantation Systems". In Solar Energy,
Vol. 45. No. 2. Permagon Press Inc. Return to text
Union of Concerned Scientists. 1993. Powering the Midwest, Renewable Electricity for the
Economy and the Environment, A Report by the Union of Concerned Scientists. Cambridge, pp.
109-118.
Walsh, Marie E. and Robin L. Graham. 1995. "Biomass Feedstock Supply Analysis: Production
Costs, Land Availability, Yields", a working report from the BioFuels Feedstock Development
Program, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN. Return to text