An Analysis of the Economic and Environmental Aspect ...

Report 1 Downloads 63 Views
              An Analysis of the Economic and Environmental Aspect of Biofuel                  

     

Table of Contents  1. Abstract‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐2  2. A Brief Introduction to Biofuel and the Biofuel Industry ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐2  2.1 Introduction of Ethanol‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐3  2.2 Introduction of Biodiesel‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐5  3. The economic effect on various countries from developing biofuel‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐6  3.1 The situation in America‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐7  3.2 The situation in Brazil‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐9  3.3 The situation in Europe‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐9  3.4 The situation in Developing Countries‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐11  4. Does it work for ease the climate change by using biofuel‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐12  5. Conclusion and Summary‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐15   

                         

1

    

2. A Brief Introduction to Biofuel and the Biofuel Industry  According  to  the  definition,  we  can  find  that  there  are  different  kinds  of  biofuel,  which  include  ethanol,  biodiesel,  ethyl  tertiary  butyl  tether  (ETBT),  butanol,  and  others.  There  are  several  kinds  of  technologies  for  producing  biofuel  in  the  current  industry,  and  the  technologies  are  differentiated  from  the  different  raw  materials  which are in the following list.  ‐

Sugar crops, including sugar cane, sugar beets, and sweet sorghum; 



Starch  crops,  including  corn,  wheat,  barley,  rye,  cassava,  sorghum  grain,  and  other cereals; 



Oilseed  crops,  including  rapeseed/canola,  soybeans,  sunflower,  mustard,  and  others. 

Ethanol and biodiesel are the most common biofuels, with ethanol being compatible  with gasoline engines and biodiesel with petroleum‐based diesel engines.  Figure 1 shows the trend of ethanol and biodiesel production from 1980 to 2006. 

 

2

  Figure 1  We  can  get  the  general  information  that,  after  2000,  in  the  biofuel  industry,  the  production  output  increased  rapidly,  especially  the  ethanol.  Besides,  the  output  of  ethanol is about 6 or 7 times more than biodiesel in 2006.  In the following part, I will introduce the ethanol and biodiesel respectively. 

2.1   Introduction of Ethanol  What is Ethanol?  Ethanol is also called ethyl alcohol or grain alcohol. It is most often produced by the  fermentation of sugars derived from plant materials. In the United States, corn is the  most common crop. To be used as a motor fuel or fuel additive, ethanol must meet  ASTM  standard  D4806‐98  and  must  be  diluted  with  a  denaturant,  such  as  natural  gasoline, to make it unfit for human consumption. The energy content of ethanol is  83,333  British  thermal  units  (Btu)  per  gallon  versus  124,000  Btu  per  gallon  of  unleaded gasoline. 

The process of Ethanol  The  basic  steps  for  large  scale  production  of  ethanol  are:  microbial  (yeast)  fermentation of sugars, distillation, and dehydration (requirements vary, see Ethanol  fuel mixtures, below), and denaturing (optional). Prior to fermentation, some crops  require  saccharification  or  hydrolysis  of  carbohydrates  such  as  cellulose  and  starch   

3

into sugars. Saccharification of cellulose is called cellulolysis (see cellulosic ethanol).  Enzymes are used to convert starch into sugar.  Currently, the top‐five  ethanol production countries are US, Brazil, China, India and  France. Out of these five, three are developing countries‐ Brazil, China, and India. The  production  from  Brazil  is  almost  similar  to  the  U.S,  reaching  4.3  million  gallons  in  2005,  and  the  total  quality  is  about  4  times  more  than  that  of  China  which  is  the  third‐largest production country. Figure 2 shows the histogram of the comparison to  these 5 countries. 

  Figure 2  Although  the  ethanol  production  of  America  is  higher  than  Brazil,  however,  the  situations in these two countries are totally different; the most obvious difference is  the  source  of  the  feedstock.  Most  of  the  ethanol  from  U.S  depends  on  distillation  from corn; however, Brazil makes use of the large area of sugarcane to produce the  ethanol.  The  different  production  method  determines  the  different  scale  of  economics of these two countries, and we also find the way of ethanol production in  Brazil is better and more sustainable than that in America. Firstly, one liter of ethanol  costs  $0.28  to  produce  from  sugarcane  versus  about  $0.45  from  corn,  while  one  hectare  of  sugarcane  can  produce  almost  twice  as  much  ethanol  (7,080  liters)  as  a  hectare of corn (3,750 liters). Secondly, the energy consumed for producing the same  weight of ethanol is just 1/6 if we choose sugarcanes as raw material rather than corn.   

4

Thirdly,  it  will  be  less  negative  effect  on  the  agricultural  economics  when  choosing  sugarcanes instead of corn. Lastly, absorption of CO2 by one sugarcane acre is much  more  than  the  corn.  Therefore,  the  method  of  ethanol  production  in  Brazil  will  be  towards a virtuous circle because of various advantages in sugarcane production. 

2.2   Introduction of Biodiesel  What is Biodiesel?  Biodiesel is a fuel produced by mixing vegetable oils, fats or greases with an alcohol  (usually  methanol  but  sometimes  ethanol)  and  a  catalyst.  The  production  process  removes free fatty acids and glycerin from the fuel thus allowing it to be used in any  diesel engine with little or no modification to the engine or the fuel system. Biodiesel  has improved lubrication characteristics when compared to petroleum derived diesel,  as well as an absence of sulfur. Biodiesel contains a bit more than 118,000 Btu per  gallon  compared  to  petroleum  diesel’s  129,000  Btu  per  gallon.  To  be  marketed,  biodiesel must conform to ASTM standard D6751. 

The process of biodiesel  There  are  four  major  steps  to  produce  the  biodiesel.  These  are  purification,  neutralization  of  free  fatty  acids,  transesterification  and  final  process.  Biodiesel  production has lagged behind ethanol, although the industry has expanded rapidly in  the  last  decade.  U.S.  biodiesel  is  produced  mainly  from  soy  or  waste  cooking  oil,  although  some  producers  are  using  canola  or  cottonseed  oil.  Figure  3  shows  the  basic industrial process of biodiesel production. 

 

5

  Figure 3  Let’s have a look at the biodiesel market share in the world. European countries like  Germany,  France  and  Italy  dominate  the  global  biodiesel  production,  although  the  amount  of  biodiesel  production  is  not  high  when  comparing  to  the  amount  of  ethanol. America is the second largest producer of biodiesel in the world, and similar  to ethanol production, America depends on the soybeans as the main raw materials.  However, European countries take rapeseed as main materials to produce biodiesel.  Due  to  the  production  amount  of  biodiesel  is  not  high,  therefore,  the  effect  on  American agricultural economics is limited comparing to that resulted from ethanol  production.  From the above discussion, we make sense that the various arguments sourced from  biofuel  are  not  just  energy  problems,  and  that  is  also  related  to  the  issues  like  national  economics,  climate  policy  and  even  political  policy.  In  the  next  part,  I  will  discuss  the  economic  aspect  of  biofuel  demonstrate  this  issue  in  some  developing  countries due to the complex issues related to biofuel policy.     

3. The economic effect on various countries from developing  biofuel  As  mentioned  above,  the  biofuel  development  will  have  different  effects  on  the  countries’ economics.     

6

3.1 The situation in America  Firstly,  I  want  to  explain  the  phenomenon  in  America,  because  the  ethanol  production  in  America  is  in  the  highest  level  within  these  five  countries  showed  in  Figure  2,  and  ethanol  occupies  the  biofuel  market  more  than  the  others.  Furthermore,  America has  developed  the  biofuel  for  a  long  time.  We  can  learn the  experiences from America. As talked in the last part, the way of ethanol production in  America is different from that in Brazil, and the later is depending on the sugarcanes.  In U.S, the factories use the corn as the main feedstock to produce the ethanol, and  then we can get the sense from the following figure (Figure 4). 

  Figure 4  If  the  government  starts  to  develop  the  biofuel,  it  will  increase  the  marketing  demand  for  the  biofuels.  For  example,  the  European  Union  Transport  Ministry  proposed a directive that would require each member country to supply 10 percent  of  its  transport  fuels  from  biofuels.  This  action  will  decrease  the  supply  of  conventional oil. Reversely, corn, as the main production material of ethanol, its price  will  increase  with  the  increase  of  demand.  Since  the  demand  of  corn  will  increase  due to development of biofuel, and then the land price will also increase a lot. See  figure 5. 

 

7

 

Figure 5  We can use another supply‐demand curve to illustrate the relationship between land  price  and  demand  of  feedstock.  Because  of  the  limited  area  for  planting,  so  we  assume the supply curve is fixed, and the land price increase because of the up‐trend  of  the  feedstock  demand.  The  demand  curve  will  increase  and  to  reach  a  new  equilibrium  Another important reason why the land price increased a lot is that the farmer will to  replace  the  land  use,  from  planting  feedstock  to  crop,  because  they  can  get  more  extensive margin. The price of corn ups from $2.50 a bushel in September, 2006 to, a  10‐year high of more than $4.50 on Feb 26 2007. The definition of extensive margin  is that extended margin refers to the range to which a resource is utilized or applied.  In this case, if the farmer takes one hectare land to plant corn rather than wheat, and  the extensive margin he got is equal to the corn price multiple the number sold of  corn minus wheat price multiple the number sold, and because of the high demand  of  corn,  the  total  revenue  of  corn  is  higher  than  that  of  wheat  although  the  corn  price is lower than wheat price. Certainly, we also find the land use change can also  cause the greenhouse gas emission. The increases in greenhouse emissions from land  use change follow a chain influenced by a variety of economic and ecological factors.   

8

It  starts  with  the  increased  demand  for  a  feedstock,  such  as  corn  or  vegetable  oil,  increasing  the  price.  Those  price  increases  cause  farmers  to  switch  from  producing  some  crops  to  others,  which  reduces  those  other  crops  as  well  and  drives  up  their  prices. The price increases cause consumers to buy less food. And they cause farmers  all  around  the  world  to  produce  more  of  the  diverted  or  diminished  crops.  Where  farmers  plant  more  cropland,  and  which  kinds  of  additional  lands  they  plant,  will  determine the magnitude of greenhouse gas emissions from land use change.   

3.2 The situation in Brazil  Let’s  have  a  discussion  about  the  situation  in  Brazil.  I  have  mentioned  that  the  situation in Brazil is different from that in America. According to the statistics, in 2007,  Brazil  produced  about  50  billion  gallons  of  ethanol,  and  most  output  depended  on  sugarcanes.  Moreover,  Brazil  also  produced  about  64  million  gallons  of  biodiesel  mostly  from  castor  beans.  And  we  can  find  that  both  these  two  plants  are  not  the  crops. Therefore, there is almost little effect on the agricultural economics of Brazil.  Reversely, the export of soybeans in Brazil has also increased in 2007. However, we  should  not  ignore  the  indirect  negative  effect  on  the  agricultural  economics.  Although it looks like a sustainable way for producing ethanol by sugarcanes or other  non‐food‐supply, because more and more lands are converted to planting sugarcanes  or some raw plants for biofuel production.   

3.3 The situation in Europe  Let’s have a discussion of the economic aspect of biofuel in Europe. The situation in  Europe  is  a  little  different  from  America,  Brazil  or  China.  European  countries  dominate  the  biodiesel  markets,  and  the  ethanol  production  is  not  so  important  comparing  to  the  huge  advantage  in  biodiesel  market.  According  to  the  population  and  stability  level  of  biofuel  within  Europe,  we  can  divide  the  European  countries  into  three  classifications.  The  divisions  are  ‘successful  market  introduction’,  include  France,  Germany,  Spain,  and  Sweden,  and  ‘developing  a  stable  market’  consists  of   

9

Czech Republic, Poland, Slovakia and ‘starting with introduction of biofuels’ including  Malta, the Netherlands, United Kingdom. The following table (Figure 6) gives a brief  summary of the production and consumption in 25 countries in Europe. 

  Figure 6  The problems in Europe are similar to America: they don’t have enough non‐ crop to  produce biofuel. Therefore, they have to depend on the different corn for production.  Although  there  are  some  negative  effects  on  the  economics,  however,  we  find  the  governments  in  different  countries  are  trying  to  get  over  these  mistakes.  Furthermore,  we  can  also  find  some  attractive  advantages  for  developing  biofuel  both in the economic aspect and the environmental consideration as well as climate  policy. For example, the development of biofuel helps a lot of poor people get out of  the poverty. Brazil and China are the 2nd and 3rd largest ethanol production countries  in the world, and also two biggest developing countries in the world. In Brazil, there  are lots of slums in the cities, and the average wage of farmers is enough for them to  live  well.  However,  a  harvestman  of  sugarcanes  can  get  about  200‐250  dollars  per  month and the agricultural mechanization in both Brazil (and China) has a far way to   

10

reach.  With  the  increase  of  the  sugarcane  production,  more  and  more  people  can  find a job to earn them, which can also increase the GDP of the country.   

3.4 The situation in Developing Countries  Hereby, let’s talk about  the macroeconomic situation in developing countries when  the “over hot” development of biofuel. We can find that the crude oil price is always  at a high level these years, and this situation will be more and more common in the  future.  Therefore,  there  is  no  doubt  of  the  rapid  increase  of  biofuel  development.  However, with the fast development of biofuel, more and more developed countries  will benefit from this situation, especially the countries, which export huge amounts  of feedstock. However, the developing countries, especially the countries which are  lack of both oil and agricultural productivity, will be suffered from restrict of energy  and technology. According to the statistics, after 2000, the increase in the crude oil  price makes the space and motivation for the increase of the development of biofuel.  Currently, the global total output of biofuel is about 800 billion liters, and the main  producers  are  America,  Brazil,  European  countries  and  Canada  and  China  just  like  mentioned above. These countries occupy about 90% of the global total output, and  from  the  anticipation  from  the  United  Nations'  Food  Agriculture  Organization  FAO,  the output will reach about 1200 billion liter in the year of 2015. Furthermore, the  development  of  biofuel  will  affect  the  profit  of  the  countries  which  depend  on  exportation  of  oil.  From  the  OPEC  conference  of  2007,  the  member  country  first  realized  that  the  security  issue  of  the  energy  supplier.  In  the  other  words,  OPEC  countries  have  been  worrying  about  the  development  of  biofuel  which  will  affect  their  profit  in  energy  market.  Besides,  if  the  global  output  of  biofuel  reaches  some  ratio, it will also threaten the status of the monopoly of OPEC.  By  contrast,  some  developing  and  non‐energy‐exportation  countries  are  in  an  embarrassing  status.  One  side,  the  demand  of  energy  of  developing  countries  is  increased rapid for the process of industrialization, and the high price make them too  expensive.  On  another  way,  most  of  the  developing  countries  are  lack  of  the  basic   

11

conditions  for  developing  biofuel.  They  can  only  receive  the  results  which  are  unknown  from  the  game  between  OPEC  and  developed  countries.  Furthermore,  in  the beginning stage, most of the developed countries will support the development  of  biofuel  in  the  name  of  environment  protection,  and  when  biofuel  techniques  reach  a  mature  stage,  and  the  productivity  of  biofuel  reaches  a  stable  level,  developed countries may create the standard system for further developing biofuel  by  enhancing  the  global  greenhouse  gases  discharge  regulation  to  confirm  the  advantage  in  the  biofuel  field,  and  then  most  of  the  developing  countries  have  to  follow  the  routines  modified  by  the  developed  countries  because  of  the  restrict  of  innovation  technology  and  level  of  agriculture.  In  the  following  part,  I  will  demonstrate the climate or environmental policy by developing biofuel.   

4. Does it work for ease the climate change by using biofuel?  Currently,  some  policymaking  also  thinks  it  will  bring  positive  effect  to  the  climate  change by using biofuel as main energy supply rather than the ordinary oil, because  they think possibility of greenhouse resulted from the biofuel is less than that from  oil. Although it may work, however, we should realize that the different biofuel has  the  large  difference  in  contribution  to  control  balance  of  greenhouse  gas,  and  the  volume of greenhouse gas depends on the methods of production and the sources.  Sometimes,  some  crops  generate  more  greenhouse  gas  than  the  traditional  oil  industry.  For  example,  the  emission  potential  of  nitrous  oxide,  one  of  the  gases  making earth warm, from nitrogenous fertilizer maybe 300 times higher than carbon  dioxide. Furthermore, increase of development of biofuel will have direct or indirect  effect on the change of usage of lands, which will also generate the greenhouse gas.  We can use the life cycle analysis to analyze the balance of greenhouse gas. Here is  the work flow graphic (Figure 7). 

 

12

  Figure 7  The reason for assessing the general volume of greenhouse gas emission is to make a  detailed  analysis  system  for  the  biofuel,  and  then  to  compare  the  common  energy  such as gasoline. From the results shown below (Figure 8), we can find that carbon  emission  reduction  is  lower  20%‐60%  comparing  to  the  fossil  fuel  by  using  the  1st  generation biofuel such as corn or crops by U.S or Europe. However, the situation of  2nd  generation  biofuel  is  much  better  than  the  1st  one,  the  representative  is  the  biofuel  produced  in  Brazil  by  sugarcanes,  and  carbon  emission  reduction  reaches  70%‐90%. 

 

13

  Figure 8  From  the  theoretical  results,  we  found  that  the  carbon  emission  is  reduced  by  20%‐60% by the using of 1st generation biofuel. However, from the realistic practice,  we  can  find  the  results  are  not  so  ideal.  According  to  the  report  from  the  OECD  (Organization  for  Economic  Cooperation  and  Development)  2008,  we  find  that  the  carbon emissions from the 2nd generation biofuel of sugarcane from Brazil is better  than  the  1st  generation  biofuel  produced  by  corn  in  America,  and  the  later  is  just  about  30%,  which  was  overvalued  for  the  contribution  to  the  environment.  Furthermore, the report was based on the assumption that it will not bring the new  greenhouse gas by planting these corns; however, disappointedly, the assumption is  not  true.  Amazon,  as  the  most  important  carbon  sink  in  this  world,  is  suffering  by  cutting  the  trees  for  planting  sugarcanes  or  soybeans  as  the  main  raw  materials  to  develop  the  bio‐energy,  which  makes  Amazon  shrink  a  lot.  The  rain  forest  in  Indonesia  is  replaced  by  palm  oil  trees.  One  of  the  research  groups  found  that  the  emission, resulting from changing forests to plant, is much more than the reduction  by  taking  biofuel  instead  of  oil  energy.  Moreover,  the  diversity  of  animal  types  is  shrinking rapidly because of the most of the animals take Amazon and Southeast Asia  rain forests as their habitat.    Furthermore, it will also bring the issue like water loss and soil erosion or pollution   

14

by  planting  biofuel  crops,  and  the  huge  usage  of  chemical  fertilizer  also  make  the  lands  deterioration  and  the  greenhouse  effect  by  nitrous  oxide  from  chemical  fertilizer is much stronger than carbon dioxide.    Therefore,  after  the  discussion,  I  reach  the  conclusion  that  the  biofuel  can’t  contribute a lot for improving current climate situations. The environmental effect of  1st  generation  biofuel  is  not  as  ideal  as  theory,  and  we  also  need  to  consider  and  shoulder some potential risks.    After  some  years’  argument,  E.U  started  to  make  some  changes  in  the  previous  biofuel  policies,  and  Euro‐parliament  is  trying  to  modify  the  objective  that  the  consumption percentage of biofuel in the total energy from 10% to 6%, and establish  the  biofuel  sustainable  certificated  standard  in  order  to  protect  the  environmental  problem.    With the election of Obama, U.S also started to concentrate on the development of  biofuel,  and  the  high‐level  biofuel  told  by  Obama  is  the  2nd  generation  biofuel,  however, it is not clear whether the 2nd generation biofuel works.    Therefore, we should increase the energy utilization ratio rather than totally depend  on the biofuel development to decrease the greenhouse gas emission, and it’s very  important  to  take  advantage  of  the  development  of  green  energy  such  as  solar  energy, wind.     

5. Conclusion and Summary  As  discussed  above,  we  have  a  brief  knowledge  about  the  manufacture  process  of  biofuel, and we also talked the topic of biofuel from economic aspect. Furthermore,  we discussed how the contribution of biofuel for the climate or environment. Biofuel  development is a mainstream in the energy industry and will replace the current oil  or  coal  energy  in  the  future;  however,  we  should  take  a  gradual  developing  way  rather  than  an  aggressive  way,  and  from  the  current  experiences,  we  can  find  the  way of production in Brazil is much better than that of U.S or Europe, therefore, we   

15

should take the experiences from Brazil, and then to spread this kind of technologies  or  experiences  to  more  countries  which  have  the  basic  conditions  such  as  natural  resources or stable economy of scale or politics to develop biofuel. Although, there  are also some negative effects on the climate or environment, however, if the total  benefit from Biofuel can reach an ideal level, we should spare no efforts to develop  it.    Reference:  

Smart Choices for Biofuels; Jane Earley and Alice McKeown; January 2009; 



Biofuel and Global Biodiversity; Dennis Keeney and Claudia Nanninga; April, 2008  ©2008 IATP; 



Biofuels for transportation: a climate perspective; Naomi Peña; June 2008; 



European biofuel policies in retrospect; E. van Thuijl, E.P. Deurwaarder; May 2006; 



The Future of Biofuels: A Global Perspective; William Coyle; NOVEMBER 2007; 



The false promise of biofuels; Jack Santa Barbara; September 2007; 



Pro‐Poor  Biofuels  Outlook  for  Asia  and  Africa:  ICRISAT’s  Perspective;  ICRISAT;  13  March 2007; 



Crop‐Based Biofuel Production under Acreage Constraints and Uncertainty; Mindy  L. Baker, Dermot J. Hayes, and Bruce A. Babcock; February 2008; 



The Impacts of Biofuels on Greenhouse Gases: How Land Use Change Alters the  Equation; Tim Searchinger, Transatlantic Fellow, the German Marshall Fund of the  United States 

 

16