A világ élelmiszer-ellátása és a fosszilis erőforrások helyettesítése hatalmas kihívás, mivel a globális földterület és a biomassza kínálata korlátozott. A Föld felszínének csupán 22%-a (ebből 18%-ot a szárazföld és 4%-ot az óceán tesz ki) termékeny. 2050-ig a globális népesség 25-30%-kal bővül, a mai 7,9 milliárd főről mintegy 10 milliárd főre, miközben az élelmiszerek iránti igény 60%-kal nő. Ezen túlmenően a világ népességének 33%-a túlsúlyos, ebből 30% elhízott. Ezzel szemben 800 millió ember alultáplált a kalóriahiány és 2 milliárd ember a mikrotápanyag-hiány miatt (van den Born et al., 2014; Fróna et al., 2019a; Fróna et al., 2019b). Az étrendváltozás nagyobb hatással lesz a földhasználatra, mint a népesség növekedése. A jelenlegi étrend nem egyeztethető össze az erőforrások fenntartható használatával. Például a hústermelés hatszor annyi földterületet igényel ugyanannyi kalória (energia) előállításához, mint a gabonatermelés, mert az állattenyésztésben a takarmány transzformációs hatékonysága alacsony. Az élelmiszer, takarmány és ipari alapanyagok növekvő felhasználásával csökken a hústermelés földhasználata. A hústermelés ma a globális mezőgazdasági terület 70%-át hasznosítja (van Zanten et al., 2016).

A fosszilis erőforrások 19 milliárd tonna fosszilis eredetű szenet tartalmaznak, ezzel szemben a globális mezőgazdaság 7 milliárd tonna bioszenet termel (Kircher, 2012). Ez azt jelenti, hogy a bioszén előállítását 2,5-szeresére kell növelni, hogy fedezze a felhasznált 19 milliárd tonna fosszilis eredetű szenet (a biomassza alacsonyabb energiatartalmát nem veszik figyelembe) (Tvaronavičienė et al., 2018). Nem szabad elfelejtenünk, hogy a mezőgazdaság, az erdőgazdálkodás és a halászat nagymértékben függ az ökoszisztémától, a biodiverzitás pedig óriási gazdasági jelentőséggel bír. Például a rovarok központi szerepet játszanak a növények beporzásában és a természetes tápanyagok körforgásában. Ezért a biomassza ipari felhasználását olyan célokra indokolt korlátozni, ahol nincs alternatíva a bioszénnel szemben. Számos tanulmány becsülte meg a bioenergia termelésére felhasználható biomassza mennyiségét. A biomassza nagyrészt kihasználatlan marad, nemcsak az EU-ban, hanem világszerte is. A 2050-ig szóló becslések évi 100 EJ-től 1500 EJ-ig terjednek. Más modellekben az előrejelzések szerint a bioenergia előállítása 2100-ban 150–400 EJ nagyságrendű lesz (Popp–Oláh, 2018). A biomassza energia- és szénsűrűsége alacsonyabb a fosszilis erőforrásoknál, de a biomassza alkalmas hő- és villamos energia előállítására, de alkalmas bioüzemanyag és bioalapú kemikália gyártására is. Ma a biomassza a világ energiaellátásának 10%-át, a közúti közlekedésben felhasznált üzemanyag 3–4%-át és a vegyipari alapanyagok 10–13%-át adja (URL1).

A biomassza manapság elsősorban takarmány, élelmiszer, bioenergia (beleértve a bioüzemanyagot is) és vegyipari alapanyagok előállítását szolgálja. A biomassza a globális végső energiafogyasztás 13%-át teszi ki (az egyéb megújuló energia további 5%-ot ad hozzá a teljes végső energiafogyasztáshoz). Összességében a biomassza aránya az elmúlt két évtizedben stabil maradt globális szinten, ugyanakkor a modern, megújuló energia felhasználása alacsony szintről indulva gyorsan emelkedett az 1990-es évek második felétől kezdve. Ez azt jelenti, hogy a modern, megújuló energia termelése gyorsabb ütemben bővül, mint a biomasszára alapozott bioenergia előállítása. A megújuló energiaforrások, például a nap-, szél-, víz- és geotermikus energia az atomenergiához hasonlóan CO2-semleges. Nagyon fontos szerepet játszanak a gazdaság „szénmentesítési” folyamatában. A szerves kémiai vegyipar 550 millió tonna kemikáliát és 275 millió tonna nitrogén műtrágyát termel, habár az előállított vegyi anyagok csak 500 millió tonna szenet tartalmaznak, de a felhasznált biológiai eredetű alapanyagok széntartalma további 100 millió tonna (Levi–Cullen, 2018). Jelenleg a bioüzemanyag és bioalapú kemikália előállításában a cukor, a keményítő és a növényolaj dominál. Ezen alapanyagok termelése korlátozott; ezért a nyersanyag-portfólió bővítésére van szükség, beleértve az etanol bioalapú felületaktív anyagok és oldószerek, aromák, agrokemikáliák, biopolimerek és előállításához felhasznált biomassza melléktermékeit (például lignocellulóz, fűrészpor) (Kircher, 2012). Javítani kell a biomassza hatékonyságát is a kaszkád, többlépcsős hasznosítás és újrahasznosítás érdekében a biomassza-alapú gazdaság előrehaladásához. Hosszú távon a szénforrás ellátási lánc a fosszilis erőforrások csökkenéséhez és a biológiai eredetű erőforrások (kukorica, búza, szója, cukorrépa és cukornád, pálmaolaj) növekedéséhez vezetnek. A bioalapú termékek fejlesztését a fenntartható termékek iránt mutatkozó fogyasztói igények és a fosszilis energiahordozóktól való függőség csökkentése vezérli.

Számos biokémiai termék versenyképessé vált, így befektetési lehetőségeket kínál világszerte. Jelenleg az EU vegyiparának nem energetikai célú nyersanyag-felhasználása 90%-a fosszilis erőforrásokból származik, és csupán 10%-a megújuló szénforrásokból. Az európai vegyiparnak radikális átalakulásra van szüksége a megújuló szénforrásból származó nyersanyagok felhasználásában, hogy megőrizze vezető szerepét a globális vegyiparban. A biotechnológián és a bioalapú vegyiparon alapuló új bioalapú termékek fejlesztése az alacsony olajárak miatt lelassult. A versenyképességet a kőolaj és a biomassza árszintje befolyásolja. Az összes anyagáram felhasználása meghatározza a biomassza feldolgozásának gazdasági és ökológiai értékét. A bioalapú szén ára alacsonyabb, mint a fosszilis alapú széné, de a bioalapú anyagok feldolgozási költsége viszonylag magas. A fosszilis tüzelőanyagokat és az alapvető vegyi anyagokat a kőolaj finomításával állítják elő nagyon magas szén- és alacsony munkaerő-intenzitás mellett. Ezzel szemben a biomassza több feldolgozási lépést igényel magasabb költség és munkaerő-szükséglet kíséretében (lásd a bioetanol előállítása).

A biomassza hagyományos felhasználása (főzés és fűtés) az elmúlt két évtizedben stabil maradt globális szinten, de annak részaránya a globális végső energiaellátásban fokozatosan csökken, miközben a modern, megújuló (nem hagyományos) energia felhasználása alacsony szintről indulva gyorsan emelkedett az 1990-es évek második felétől kezdve, így részesedése azóta folyamatosan növekszik. Az energiaiparban a megújuló energiaforrások, például a nap-, szél-, víz- és a geotermikus energia szénmentesek, csakúgy, mint az atomenergia. Nagyon fontos szerepet játszanak a gazdaság „szénmentesítési” folyamatában.

A közlekedési ágazatra jut a teljes végső energiafogyasztás egyharmada és az energiához kapcsolódó globális CO2-kibocsátás 23%-a. A kőolaj több mint 50%-át a közlekedés használja fel, ahol a kőolajon alapuló üzemanyag-felhasználás aránya 96%, míg a zöld áram (nap- és szélenergia) és bioüzemanyag aránya csak lassan bővül, pedig a megújuló energiaforrások növekvő felhasználása kiemelt prioritást élvez a közlekedési ágazat szénmentesítésében (Simionescu et al., 2017; Németh–Kőmíves, 2020). A folyékony bioüzemanyagok kerültek a figyelem középpontjába, pedig a biomassza elenyésző hányadát használják fel bioüzemanyag előállítására. Ezenkívül az EU és az USA korlátozza az élelmiszernövényekből előállított biohajtóanyag bekeverését a fosszilis üzemanyagba. Noha a globális szántó- és ültetvényterület mintegy 2%-át használja a bioüzemanyag-ipar nyersanyagtermelésre, az „üzemanyag versus élelmiszer” vita mégis azt mutatja, hogy az ipari célokra felhasznált biomassza érzékeny kérdés a társadalomban. Ugyanakkor a bioüzemanyag-gyártáshoz szükséges néhány alapanyag (például kukorica, olajnövény és cukornád) a globális termelés jelentős részét teszi ki, mivel a takarmánygabona 10%-át, a cukornádtermelés 20%-át használja fel az etanolipar, valamint a növényolaj-termelés 12%-át a biodízelipar. Hozzá kell tenni, hogy a bioüzemanyag-gyártás nyersanyagának egy része melléktermékként, takarmányként (szója- és repcedara, DDGS [Distillers Dried Grains with Solubles, szárított gabonatörköly]) visszakerül az állattenyésztéshez, ezzel az energianövények globális nettó földhasználata mintegy 0,5%-ponttal csökken, így a globális nettó szántó- és ültetvényterület mindössze 1,5%-át köti le a bioüzemanyag-gyártás. A cellulózalapú folyékony biohajtóanyag piaci bevezetése még várat magára. A termőföldek bioüzemanyag-előállítás céljából történő használata a világ több helyén eredményezett vitát (Popp et al., 2014; Popp et al., 2016; Harangi-Rákos et al., 2017a; Oláh et al., 2017).

Hozzávetőleg ötven ország vezetett be CO₂-kibocsátás kereskedelmi rendszert, és az ÜHG-kibocsátás több mint 20%-át képviselik. Az európai CO₂-kibocsátás kereskedelmi rendszerében a CO₂-kibocsátás ára tonnánként 2017 és 2019 között 4 euróról 25 euróra nőtt (URL7). Németország 2019-ben klímavédelmi csomagot fogadott el, ennek értelmében 2021-től a nehézipar mellett a közlekedési ágazatra és az építőiparra is kiterjesztik a CO₂-kibocsátás kereskedelmi rendszerét.

A CO₂-kibocsátás problémáinak megoldásához globális CO₂-árakra van szükség. Az éghajlatváltozás negatív hatással lesz az élelmiszer-termelésre, és maga a mezőgazdaság is jelentősen hozzájárul az éghajlatváltozáshoz, ezért szükség van a környezetkímélő mezőgazdaság bevezetésére, ezzel együtt a mezőgazdaság magas ÜHG-kibocsátásához kapcsolódó fogyasztói magatartás befolyásolására (túltápláltság és túlzott húsfogyasztás). Az élelmezés- és táplálékbiztonság magában foglalja a kínálati és a keresleti oldalt egyaránt, az élelmiszer-pazarlás csökkentése és az egészségesebb étrendre való átállás csökkenti a földhasználatra és egyéb természeti erőforrásokra nehezedő nyomást.

Az energia- és vegyiparban a biotechnológiai innováció csökkentette a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget, pozitív hatással volt a környezetre. A növénynemesítés egyre nagyobb szerepet játszik a magasabb fajlagos terméshozam elérésében. Továbbá, a vetőmag-előállítás, a növényvédelem, a talajművelés, a betakarítás és a tárolás módszereinek fejlesztése jelentősen csökkentheti az élelmiszerlánc veszteségeit. A biomassza-alapú gazdaság és a körkörös gazdaság összefonódik a körkörös gazdaságökonómia és a biomassza-alapú gazdaság fenntarthatósági szempontjainak integrációjával. A különböző biomassza-alapú gazdaságok nemzetköziesítése kiemelt prioritást élvez a körkörös gazdaság kialakításában (Aguilar et al., 2018).