Biopolttoaine on biomassasta eli eloperäisestä aineesta valmistettu polttoaine; Biopolttoaineesta saatavaa energiaa kutsutaan bioenergiaksi. Biomassaa voidaan kuivata ja polttaa sellaisenaan tai siitä voidaan jalostaa polttoainetta kuten sokeri- ja tärkkelyspitoisista lähteistä bioetanolia tai öljypitoisista kasveista ja bioraaka-aineista biodieseliä. Liikenteen biopolttoaineiden valmistukseen kasvatetaan erityisesti maissia, sokeriruokoa ja öljypalmua.
Biopolttoaineita luokitellaan yleensä sukupolvittain: ensimmäisen sukupolven biopolttoaineissa käytetään tavallisesti elintarviketuotantoon soveltuvia raaka-aineita, kuten maissia tai sokeriruokoa. Toisen sukupolven polttoaineiden raaka-aineena käytetään pääasiassa jätettä, jossa on korkea lignoselluloosapitoisuus. Tällaisia ovat muun muassa hakkuujätteet ja puupurkutavara. Myös elintarviketeollisuuden jätteitä voidaan hyödyntää toisen sukupolven biopolttoaineeksi. Kolmannen sukupolven biopolttoaineita on kehitteillä uusista raaka-aineista, kuten levistä.
Euroopan unioni sopi vuonna 2007 niin sanotut 20–20–20-tavoitteet, joiden yhtenä osana pyritään lisäämään biopolttoaineiden osuus 10 prosenttiin liikenteen polttoaineista vuoteen 2020 mennessä. EU-parlamentti käsitteli tammikuussa 2018 useita energia-alan lakipaketteja, joilla linjattiin EU:n toimet energia- ja ilmastopolitiikassa vuoteen 2030 saakka. Liikenteen biopolttoaineista parlamentti linjasi äänestyksessään sen puolesta, että vuonna 2030 vähintään 12 prosenttia liikenteen energiankulutuksesta kussakin jäsenmaassa täytyy kattaa uusiutuvilla energialähteillä kuten biopolttoaineilla. Palmuöljypohjaiset biopolttoaineet parlamentti näkee kuitenkin haitallisina ympäristölle.
Biopolttoaineiden jalostus thumb|350px|Metsästä ja maataloudesta saatavan raaka-aineen jalostus.
Biopolttoaineiden raaka-aineet voivat olla peräisin muun muassa metsästä, maataloudesta tai lannasta, tai ne voivat olla jätettä kuten yhdyskunta-, maatalous- tai prosessiteollisuuden jätettä. Suomessa merkittävin bioenergian muoto on sellun valmistuksen sivutuotteena syntyvä jäteliemi, mustalipeä, joka koostuu puusta sellunvalmistuksen yhteydessä irronneista aineista sekä keittokemikaaleista. https://www.smy.fi/forest-fi/sanasto/#word-bioenergia-bioenergy
Raaka-ainetta voidaan polttaa suoraan tai sitä voidaan käsitellä termisesti tai biokemiallisesti bakteerien avulla. Biomassan suora poltto on tavallista voimalaitoksissa ja polttopuuna.
Kaasuttamalla biomassaa saadaan synteesikaasua, jota voidaan puhdistamisen ja mukauttamisen jälkeen polttaa sinällään sähkön-/lämmöntuotantoa varten. Puukaasua voidaan myös jalostaa liikennepolttoaineeksi ja kemiallisiksi raaka-aineiksi. Terva on yksi suurimmista puukaasun ongelmista, sillä sen puhdistaminen puukaasusta on vaikeaa. Monet yritykset pyrkivätkin kehittämään prosesseja, joilla terva saataisiin pois kaasusta.
Biokemiallinen käsittely on tyypillinen bioetanolin ja biokaasun valmistuksessa: bioetanolin valmistuksessa hyödynnetään alkoholikäymistä, kun taas biokaasua tuotetaan anaerobisella hajoamisella.
Ensimmäisen ja toisen sukupolven biopolttoaineille ei sinällään ole tarkkaa vakiintunutta määrittelyä, mutta ne luokitellaan tavallisesti niin, että ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet tehdään elintarviketuotantoon kelpaavasta raaka-aineesta, kun taas toisen sukupolven biopolttoaineet tehdään tavallisesti lignoselluloosapitoisesta jätteestä. Tällöin polttoaineentuotanto ei kilpaile suoraan ruoantuotannon kanssa samasta raaka-aineesta.
Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineiden raaka-aineet ja valmistusprosessit Polttoaine Nimike Raaka-aine Valmistusprosessi Bioetanoli Tavanomainen bioetanoli Sokeriruoko, -juurikkaat,vehnä, maissi Hydrolyysi + fermentointi Kasviöljyt Puhtaat kasviöljyt Rapsi, rypsi KylmäpuristusUutto Biodiesel RME, FAME Rapsi, rypsi KylmäpuristusUuttoTransesteröinti Biodiesel Biodieseliä jätteistä Jäterasvoja jaöljyjä, eläinrasvaa Transesteröinti Biokaasu Puhdistettu biokaasu (Märkä) biomassa Metabolisointi Bio-ETBE Bioetanoli Kemiallinen synteesi
Toisen sukupolven biopolttoaineiden valmistus perustuu lähes kokonaan biomassan kaasutukseen. Raaka-aine on tavallisesti lignoselluloosaa.
Toisen sukupolven biopolttoaineiden raaka-aineet ja valmistusprosessit Polttoaine Nimike Raaka-aine Valmistusprosessi Bioetanoli Selluloosapohjainen bioetanoli Lignoselluloosa Vaativa hydrolyysi + fermentointi Synteettisetbiopolttoaineet Biomass to liquid (BTL),Fischer–Tropsch-diesel,Biometanoli,Seosalkoholit,Biodimetyylieetteri (Bio-DME) Lignoselluloosa Kaasutus + synteesi Biodiesel Vetykäsitelty biodiesel Kasviöljyt, eläinrasva Hydraus Biokaasu SNG(synteettinenluonnonkaasu) Lignoselluloosa Kaasutus + synteesi Biovety Lignoselluloosa Kaasutus + synteesi, vaihtoehtoisesti biologisia prosesseja
Tuotanto maailmassa Renewables Global Raport 2010 -raportin mukaan vuonna 2009 bioetanolia tuotettiin maailmassa 76 mrd. litraa. Tästä lähes 90 prosenttia tuotettiin Yhdysvalloissa ja Brasiliassa. Biodieseliä tuotettiin vastaavasti 16,6 mrd. litraa, josta EU:ssa tuotettiin puolet.
Biodieselin suurimmissa tuottajamaissa Saksassa ja Ranskassa tuotettiin vuonna 2009 30 prosenttia maailman biodieselistä. Maissista tuotettiin yli puolet maailman bioetanolista ja sokerijuurikkaasta yli kolmannes.
Polttoaineet sähkön- ja lämmöntuotannossa Peltobiomassat Peltobiomassat koostuvat pelloilla tai soilla kasvatetuista energiakasveista tai niiden osista. Peltobiomassaksi soveltuvat muun muassa ruokohelpi, öljykasvit ja viljakasvien osat kuten olki. Näitä voidaan käyttää polttoaineena sinällään tai niistä voidaan jalostaa kiinteitä tai nestemäisiä polttoaineita.
Puuperäiset polttoaineet
Puuperäisiä polttoaineita ovat muun muassa halot, hakkuujäte ja puupelletit sekä erilaiset purut ja lastut. Myös kemiallisessa metsäteollisuudessa sivutuotteena syntyvä mustalipeä luetaan puuperäiseksi polttoaineeksi.
Etenkin paperiyhtiöt ovat kiinnostuneita tekemään biopolttoainetta metsien hakkuujätteistä. Hakkuujätteen ongelma on kuitenkin heterogeenisuus: siinä on paljon ravinteita kuten typpeä ja fosforia, jotka aiheuttavat ongelmia jalostuksessa myöhemmin. Etenkin puun lehdet, neulaset ja kuori ovat ongelmallisia. Hakkuujätteestä voidaankin arvioiden mukaan tehdä biopolttoaineita laajassa mittakaavassa vasta 2010-luvun loppupuolella.
Turve
Turvetta käytetään polttoaineena voimalaitoksissa. Kasvihuonekaasulaskelmissa turve luetaan fossiiliseksi polttoaineeksi.
Kierrätyspolttoaineet Kierrätyspolttoaineet ovat jätettä, joka soveltuu energiantuotantoon. Kierrätyspolttoaineita poltetaan usein voimalaitoksissa yhdessä turpeen tai hiilen kanssa.
Biopolttoaineet liikenteessä
thumb|Biopolttoaineiden osuus EU-maiden liikennepolttoaineista vuonna 2007 verrattuna vuosien 2010 ja 2020 tavoitteisiin. Lähde: EEA
Bioetanoli
Bioetanolia voidaan käyttää bensiinin tavoin, ja sitä voidaan valmistaa esimerkiksi sokerijuurikkaasta, viljasta, selluloosasta tai jätteiden biologisesti hajoavista osista. Bioetanolin käyttö sellaisenaan moottoripolttoaineena on vähäistä teknisten ongelmien, kuten polttomoottorien kylmäkäynnistysongelmien vuoksi, mutta sitä käytetään paljon seosaineena esimerkiksi E85:ssä.
Biodiesel
Ensimmäisen sukupolven biodiesel on tyypiltään pääasiassa RME:tä tai FAME:a. Laadultaan dieselöljyä vastaavaa metyyliesteriä (RME) saadaan öljykasveista kuten rypsistä. Biodieseliä voidaan valmistaa myös käytetystä uppopaistorasvasta ja eläinöljystä (FAME). Biodieseliä voidaan käyttää sellaisenaan normaalin dieselin sijasta dieselautoissa, jos polttoainejärjestelmässä on käytetty biodieseliä kestäviä tiivisteitä. Yhdestä hehtaarista rypsiä saadaan 500–1 000 litraa biodieseliä vuodessa riippuen satomääristä. Rypsissä öljyä on noin kolmannes, rapsissa jonkun verran enemmän.
Biodieselin vaihtoesteröintiin tarvitaan metanolia tai etanolia, sekä hiukan lipeää. Tuotteeksi tulee biodieseliä ja glyserolia. Biodieseliä voidaan tuottaa hyvin yksinkertaisilla laitteilla suoraan maatiloilla tai kotitalouksissa. Suurempia, muun muassa FT-prosessiin perustuvia jalostusmenetelmiä on kehitteillä.
Aivan uusi aluevaltaus biodieselin valmistuksessa ovat suunnitelmat tehdä biodieseliä metsäteollisuuden puuperäisestä biomassasta. Eräs jo kaupallisen starttinsa nähnyt puubiomassan käyttötapa on hyödyntää sellunkeiton ohessa syntyvä mäntyöljy biodieselinä. Ruotsin Piitimessä käynnistyi vuonna 2010 maailman ensimmäinen mäntyöljyä biodieseliksi jalostava tuotantolaitos Sunpine Ab toimesta.http://www.sunpine.se Biodieselin kuluttajajakelijana toimii huoltoasemaketju Preem.
pienoiskuva|vasen|Biokaasulaitos Isosuon jäteasemalla Raisiossa. Biokaasua kerätään putkistojen avulla nykyään täytetyn ja käytöstä poistuneen kaatopaikan penkkojen sisältä.
Biokaasu
Biokaasulla voidaan korvata maakaasua lämmitys- ja liikennekäytössä. Sitä tuotetaan vesilaitosten kaatopaikkojen kaasuista, maatalouden biojätteistä ja vihreästä biomassasta. Tuotanto tapahtuu suurehkoissa lämpöeristetyissä reaktoreissa metaanibakteerien aiheuttaman mätänemisen avulla.
Puhdas kasviöljy Kasviöljy on öljykasveista puristamalla, uuttamalla tai vastaavalla tavalla tuotettu öljy, joka voi olla jalostamatonta tai jalostettua. Se ei kuitenkaan ole kemiallisesti muunneltua, sillä edellytyksellä, että se soveltuu moottorin tyyppiin ja täyttää päästöjä koskevat vaatimukset. Tätä polttoainetta voidaan käyttää pienellä osuudella dieselmoottoreissa, suurempi osuus vaatii polttoainejärjestelmään muunnossarjan asennuksen.
Muita liikenteen biopolttoaineita Puuta kaasuttamalla voidaan tuottaa puukaasua. Puukaasuttimissa pystytään hyödyntämään jätepuuta, joka ei kelpaa teollisuudelle, sekä muun muassa sahausjätteitä. On mahdollista käyttää myös palaturvetta polttoaineena. Puukaasua käyttävillä häkäpöntöillä on korkea energiahyötysuhde (65–80 prosenttia) verrattuna muihin biopolttoaineisiin.
Biomassasta tai jätteiden biologisesti hajoavista osista voidaan myös valmistaa: Vetyä Metanolia Dimetyylieetteriä
Biometanolin pohjalta voidaan edelleen valmistaa ETBE:tä ja MTBE:tä, joita käytetään parantamaan polttoaineiden eri ominaisuuksia.
Ympäristövaikutukset Biopolttoaineille on asetettu yhä kovempia paineita ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Arvioitaessa biopolttoaineiden ympäristövaikutuksia tulee kuitenkin arvioida niiden koko elinkaarta; esimerkiksi VTT:n mukaan monien ensimmäisen sukupolven biopolttoaineiden raaka-ainetuotanto viljelemällä kuluttaa enemmän energiaa kuin mitä polttoaineista saadaan.VTT Merkittävää ympäristöetua vasta uusista biopolttoaineratkaisuista. 25.10.2006
Jotta biopolttoaineiden tuotanto olisi kestävän kehityksen mukaista, niille ollaan kehittämässä EU:ssa ns. kestävyyskriteereitä, joissa tuotantoa arvioidaan ympäristöllisistä, taloudellisisista ja sosiaalisista näkökulmista. Nämä jakautuvat edelleen eri näkökulmiin. Kestävyyttä on kuitenkin vaikeaa mitata yksiselitteisesti ja sen arviointikin on vaikeaa, sillä tuotannon kestävyys riippuu voimakkaasti valitusta näkökannasta ja tehdyistä oletuksista. VTT:n mukaan onkin mahdollista, että biopolttoaineille ei voida luoda yksinkertaistettuja kriteerejä, joita seuraamalla niiden tuotanto olisi kestävää.
Sinänsä biopolttoaineiden raaka-ainetuotanto ei ole muuta maa- tai metsätaloutta haitallisempaa, mutta merkittävä tuotannon lisääminen vaikuttaa maaperän, vesistöjen ja ilman laatuun; samoin tietyillä alueilla lisääntyvä biopolttoaineiden tuotanto voi uhata alueen biodiversiteettiä ja veden riittävyyttä.
Mitattaessa biopolttoaineiden ilmastovaikutusta keskeinen tekijä on biomassan uusiutumisnopeuden ja ilmastonmuutoksen hillinnän tavoitteiden välinen suhde. Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuus pitäisi vakauttaa alhaiselle tasolle mahdollisimman pian. Kuitenkin mitä hitaampaa biomassa on uusiutumaan, sitä tehottomampaa on sen käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä.
Epäsuorat vaikutukset