050429 biomass maria - page closedfy.chalmers.se/~np97magr/undervisn/050429_biomass_maria.pdf ·...
TRANSCRIPT
KoldioxidneutralaKoldioxidneutrala tillförselsystemtillförselsystem II:II:
BiomassaBiomassa
FöreläsningFöreläsning 1313Maria GrahnMaria Grahn
CO2
Samma mängd COSamma mängd CO22 som binds in i biomassa som binds in i biomassa släpps sedan ut vid förbränning släpps sedan ut vid förbränning
Det naturliga kretsloppet
CO2
ÅrligÅrlig tillväxttillväxt ochoch avverkningavverkning avav svensksvensk skogskog
Endast under energikrisen på 70-talet har avverkningen överstigit tillväxten i Sverige
Sveriges bioenergianvändningSveriges bioenergianvändning
0102030405060708090
100110
1970 1976 1982 1988 1994 2000
TWh
Källa: Kent Nyström, SVEBIO
PrimaryPrimary EnergyEnergy useuse, 85, 85
WorldWorld
Total: 373 EJ
Population: 4.87 billion
77 GJ/capita Bio 11GJ/cap
NaturalGas 17.4%
Biomass14.7%
Oil 34.1%
Hydro 5.5%
Nuclear4.1%
Coal24.1%
Developing Developing countriescountries
Total: 126 EJ
Population: 3.65 billion
35 GJ/capita Bio 13 GJ/cap
NG 7.1%
Biomass38.1%
Oil 25.8%
Hydro 5.1%Nuclear 0.6%
Coal23.4%
IndustrializedIndustrializedcountriescountries
Total: 247 EJ
Population: 1.22 billion
202 GJ/capita Bio 5.6 GJ/cap
NaturalGas 22.7%
Biomass2.8%
Oil 38.3%
Hydro 5.7%
Nucl. 5.9%
Coal24.5%
Biomassaanvändning i Sverige idag: ~ 100 TWh/år
Befolkning: ~ 9 Miljoner
(100/9)*3.6 = 40 GJ/cap
Sverige mest bio/Sverige mest bio/capcap av alla av alla och mer bio/och mer bio/capcap ään un u--lläändernas ndernas hela energi/hela energi/capcap
460 Mha(Tot mark 0.8 Gha)
520 Mha(Tot mark 2 Gha)
730 Mha(Tot mark 1.6 Gha)
620 Mha(Tot mark 1 Gha)
730 Mha(Tot mark 2 Gha)
1290 1290 MhaMha(Tot mark 3.4 (Tot mark 3.4 GhaGha))
140 Mha(Tot mark 0.3 Gha)
Västeuropa
360 Mha(Tot mark 1.9 Gha)
Ryssland + Östeuropa
>500 Mha(200EJ) av global energiodling?(Total åker och betesmark ~4,85 Gha)(Total markareal ~13 Gha)
BiomassBiomass plantati onsplantati ons
ÅkerÅker-- och betesmarkoch betesmark
COCO22--neutralneutralLåg kostnadLåg kostnadInhemsk/utspridd resursInhemsk/utspridd resursStor potential även restflöden Stor potential även restflöden Kan möta fler syften än Kan möta fler syften än energiprodenergiprod..
Fördelar Fördelar BiomassaBiomassa
Begränsad resursBegränsad resursKonkurrerar med Konkurrerar med naturskydd, naturskydd, matprodmatprodRisk för förlust av Risk för förlust av biodiversitetbiodiversitetRisk för kväveutsläppRisk för kväveutsläppRisk för markförsurning vid Risk för markförsurning vid uttag av avverkningsresteruttag av avverkningsresterRisk för markdegradering Risk för markdegradering (kemiskt och (kemiskt och fysiskt)fysiskt)
Nackdelar BiomassaNackdelar Biomassa
Fotosyntesens effektivitetFotosyntesens effektivitetAvkastning svensk Energiskog: 10 ton TS/(ha,år). Energiinnehåll i energiskog: ca 20 GJ/ton TSSolinstrålning i södra Sverige: ca 1000 kWh/(m2,år)
Energi i energiskog och Energi i energiskog och solinstrålningsolinstrålning per mper m2 2 och år: och år:
),/(02,0/10000
/20*),/(10 22 årmGJ
hamtonTSGJårhatonTS =
),/(3600/6,3*),/(1000 22 årmMJkWhMJårmkWh ==
%5,00055,0),/(6,3),/(02,0
2
2
≈=årmGJårmGJ
OmvandlingseffOmvandlingseff. fr. fråån solenergi till energiskog n solenergi till energiskog äär ca 0,5%r ca 0,5%Ungefär samma siffra gäller för tropikerna eftersom de har högre solinstrålningoch högre avkastning. Viktigt. Kan räkna på många sätt. Teoretisk max-omv-eff är 6,7% sen begränsas den av solinstrålning, vattentillgång, temperatur, jordmån osv.
0
10
20
30
40
50
60
1970
1972
1974
1976
1978
1980
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
TWh/
year
Waste heatHeat pumpsElectric boilersCoalNatural gas, including LPGOilBiofuels, peat etc,
Ökad användning av biomassa i Ökad användning av biomassa i svenska fjärrvärmeverksvenska fjärrvärmeverk
””Bästa” användningen av biomassa?Bästa” användningen av biomassa?Antag en global biomassapotential pAntag en global biomassapotential påå 200 EJ (10200 EJ (101818 J) J) per per åår, ca r, ca åår 2050. (200EJ~500Mha)r 2050. (200EJ~500Mha)Antag 10*10Antag 10*1099 mmäänniskor pnniskor påå jorden. jorden. Antag en total energiefterfrAntag en total energiefterfråågan pgan påå 100 GJ/capita per 100 GJ/capita per åår (ett ambitir (ett ambitiööst lst låågt gt energiefterfrenergiefterfrååganscenarioganscenario))1) Hur m1) Hur måånga procent av den totala energiefterfrnga procent av den totala energiefterfråågan gan kan tillgodoses med biomassa, om vi antar 100% kan tillgodoses med biomassa, om vi antar 100% omvandlingseffektivitet?omvandlingseffektivitet?
Anta fAnta fööljande ljande omvandlingseffektiviteteromvandlingseffektiviteter::-- BioBio--vväärmerme ~90%~90%-- BioBio--elel ~50%~50%-- Biodrivmedel ~50%Biodrivmedel ~50%2) I vilken sektor kan biomassa ers2) I vilken sektor kan biomassa ersäätta mest fossil tta mest fossil primprimäärenergi? renergi?
Svar:Svar:Global energiefterfrGlobal energiefterfråågan: 1000 EJ/gan: 1000 EJ/åårrBiomassapotential: 200 EJ/Biomassapotential: 200 EJ/åårrVid 100% Vid 100% omvandlingseffomvandlingseff. kan biomassa ers. kan biomassa ersäätta tta 20% av den globala energiefterfr20% av den globala energiefterfråågan gan –– vi vi behbehööver prioriteraver prioriteraHHöögst gst omv.effomv.eff. i v. i väärmesektorn medfrmesektorn medföör att r att biomassa kan ersbiomassa kan ersäätta sttta stöörst mrst määngd fossil ngd fossil primprimäärenergi i vrenergi i väärmesektorn. rmesektorn.
””Bästa” användningen av biomassa?Bästa” användningen av biomassa?
Biomassa har stor potential men kan inte anvBiomassa har stor potential men kan inte anväändas ndas fföör att ersr att ersäätta fossila brtta fossila bräänslen i alla sektorernslen i alla sektorer
Energianvändning i Sveriges transportsektorEnergianvändning i Sveriges transportsektor
Källa: SCB, Energimyndighetens bearbetning, Energiläget 2004.
Användningen av bensin minskar, diesel ökar.
Etanol och RME 1,1% av energianv. exkl. bunkeroljan
Alternativa transportbränslenAlternativa transportbränslen
Flytande bränsle Etanol, Metanol, FT-diesel, RME, DME
RÅVARA
Elbil (plugg-in)
El
ENERGIBÄRARE
FORDON
solenergi, vindkraft,
vattenkraft mm
Biomassa
Gasformigt bränsle
Metan, DME
Förbrännings-motor
Vätgas
Elbil (bränslecell)Naturgas
Alternativa transportbränslen från biomassaAlternativa transportbränslen från biomassa
Cellulosa & Lignin
Skog, skogsplantage, svartlut
Stärkelse
Spannmål, vete, korn, majs mm
Socker
Olja
Raps, solrosfrön
Restflödenfrån skogsbruk, jordbruk
och övr. samhället
Sågspån, halm, sopor, slam, slakteriavfall,
gödsel
Jäsning
av socker
Etanol
Pressning
och esterisering
RME (Rapsmetylester)Rötning
Metan bildas
Biogas
Elektricitet
Vätgas
Fischer-Tropsch Diesel
DME (Dimetyleter)
Metanol
Förgasning
Syntesgas bildas (CO och H2)
BIOMASSAOMVANDLINGSPROCESSER
ENERGIBÄRARE
Tre generella storleksordningar Tre generella storleksordningar på produktionskostnaderpå produktionskostnader
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Bensin/diesel
Socker-etanol
Cellulosa-etanol
DME FTD Metanol RME Spann-måls-etanol
SE
K/lit
er b
ensi
nekv
.
Ca 7 MhaJordbruksmark som behövs för 95 TWh etanol
Etanol för Sveriges transportsektor
95 TWh (16 G liter)
Jordbruksmark vid spannmålsetanolJordbruksmark vid spannmålsetanolVarje liter etanol kräver 2,65 kg vete
Avkastningen i Sverige liksom i Europa är ca 6 ton vete per ha
Ca 3 ggr större areal
Relation till total åkermark i Sverige (2,7 Mha)
Ca 7 MhaJordbruksmark som behövs för 95 TWh etanol
Etanol för Sveriges transportsektor
95 TWh (16 G liter)
Jordbruksmark vid spannmålsetanolJordbruksmark vid spannmålsetanolVarje liter etanol kräver 2,65 kg vete
Avkastningen i Sverige liksom i Europa är ca 6 ton vete per ha
Ca 6 ggr större areal
Relation till total spannmåls-mark i Sverige (1,2 Mha)
Ca 3 ggr större areal
Relation till total åkermark i Sverige (2,7 Mha)
Ca 7 MhaJordbruksmark som behövs för 95 TWh etanol
Etanol för Sveriges transportsektor
95 TWh (16 G liter)
Jordbruksmark vid spannmålsetanolJordbruksmark vid spannmålsetanolVarje liter etanol kräver 2,65 kg vete
Avkastningen i Sverige liksom i Europa är ca 6 ton vete per ha
Ca 8 ggr större areal
Ca 6 ggr större areal
Relation till total spannmåls-mark i Sverige (1,2 Mha) resp. EU-15 (38 Mha)
Ca 4 ggr större areal
Ca 3 ggr större areal
Relation till total åkermark i Sverige (2,7 Mha) resp. EU-15 (73 Mha)
Ca 289 MhaCa 7 MhaJordbruksmark som behövs för 95 resp. 3900 TWh etanol
Etanol för Europas transportsektor
3900 TWh (655 G liter)
Etanol för Sveriges transportsektor
95 TWh (16 G liter)
Jordbruksmark vid spannmålsetanolJordbruksmark vid spannmålsetanolVarje liter etanol kräver 2,65 kg vete
Avkastningen i Sverige liksom i Europa är ca 6 ton vete per ha
Spannmålsetanol kan inte ensamt ersätta olja i transportsektornSpannmålsetanol kan inte ensamt ersätta olja i transportsektornFör att kunna nå låga CO2-mål måste fler och effektivare alternativa drivmedel utvecklas
Etanol från skogsprodukter med Etanol från skogsprodukter med svagsyrametodsvagsyrametod
100 kg torr ved
20-30 kg etanol
20-30 kg CO2
30-45 kg ligninpellets
Förgasning av biomassa (fluidiserad bädd)Förgasning av biomassa (fluidiserad bädd)
Källa: http://future-energy.np.def6.com/Howitworks.asp
Syre eller luft med högt tryck blåses på uppvärmd sand som leder värmen in i förgasaren där biomassan omvandlas till syntesgas.
1. Träflis matas ner i förgasaren
2. I förgasarenblandas träflisoch varm sand (~1000º C). Ånga förbättrarprocessen. Syngas och träkolbildas.
3. Träkolen och sanden separeras från syngasen
4. Sanden värms igen i förbrännings-kammaren genom att träkolen brinner i den inblåsta luften
5. Syngasen tvättas och kan sen omvandlas till t.ex. drivmedel
6. De varma rökgaserna kan användas till produktion av ånga.
Biomassa Biomassa Ett viktigt verktyg fEtt viktigt verktyg föör att r att minska COminska CO22--utslutslääppen ppen frfråån energisystemetn energisystemet
0
100
200
300
400
500
600
700
800
2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
Global energy supplyGlobal energy supply –– COCO22--target 450 ppm, target 450 ppm, no COno CO22 capturecapture and and storagestorage techntechn..
EJ/år
KOL
OLJA
NATURGAS
KÄRNKRAFT
SOL_ELVIND VATTEN
BIO
SOL_H2
Transportation fuels (EJ/yr)
020406080
100120140160180
2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
BENSIN/DIESEL
TÅG
SYNT. FLYGBRÄNSLE
NG
H2_FC
Fuel Fuel choiceschoices in the in the global global transportationtransportation sectorsector at 450 ppmat 450 ppm
BiofuelsBiofuels becomesbecomes an an importantimportant tooltool to to meetmeet stringent stringent COCO22--concentration concentration goalsgoals ifif hydrogen is hydrogen is excludedexcluded from from
the the transportationtransportation sectorsector. .
Transportation fuels when addingan assumption that hydrogen will
not be available for the transportation sector (EJ/år)
0
50
100
150
200
2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
BENSIN/DIESEL
TÅG
SYNT. FLYGBRÄNSLE
MEOH/DME/FTD FOSSIL_FC
MEOH/DME/FTD BIO_FC
GETGET--modellenmodellen visar att visar att biomassan effektivast anvbiomassan effektivast anväänds nds
i vi väärmesektornrmesektornmen men
om vom väätgas inte kan anvtgas inte kan anväändas i ndas i transportsektorn blir transportsektorn blir
biodrivmedel ett viktigt verktyg biodrivmedel ett viktigt verktyg fföör COr CO22--minskning. minskning.
Uppgift:Uppgift:Skriv ner några argumentSkriv ner några argument
FörFör-- och nackdelar med biomassa för och nackdelar med biomassa för värmeproduktion värmeproduktion FörFör-- och nackdelar med biomassa för och nackdelar med biomassa för drivmedelproduktiondrivmedelproduktion
(tänk också utanför kostnadseffektivitet)(tänk också utanför kostnadseffektivitet)
Dyrt sätt att minska Dyrt sätt att minska fossilt COfossilt CO22
inte alltid säkert att inte alltid säkert att fossilt COfossilt CO2 2 minskasminskas
Potentialen starkt Potentialen starkt begränsad vid begränsad vid anvanv av av dagens teknikerdagens tekniker
Energisäkerhet (mindre Energisäkerhet (mindre beroende av olja)beroende av olja)
Sysselsättning i Sysselsättning i jordbruketjordbruket
Skapar ny sv. industri Skapar ny sv. industri Politiskt genomförbartPolitiskt genomförbartTillgänglig teknik Tillgänglig teknik
BiodrivBiodriv--medelmedel
Obekvämt Obekvämt -- Fast Fast bränsle alltid jobbigare bränsle alltid jobbigare än flytande och gasformän flytande och gasform
InfrastrukturenInfrastrukturen kan kan vara ett hinder för vara ett hinder för storskalig användningstorskalig användning
Hög Hög omv.effomv.eff. . Effektiv användningEffektiv användningLåg kostnadLåg kostnadTillgänglig teknikTillgänglig teknik
BioBio--värmevärme
NackdelarNackdelarFördelarFördelarNågra Några argumentargument