biobränsle i energisystemet – dagens kunskapsläge och framtidens … · 2015-10-21 ·...

Biobränsle i Energisystemet –

Dagens kunskapsläge och framtidens utmaningar 6:e maj 2015

Stockholm City Conference Centre

Markanvändning, bioenergi, resurseffektivitet och klimatpåverkan

Leif Gustavsson

Linnéuniversitetet

Global primärenergianvändning 1980-2009 och trender i utveckling till 2035 enligt internationella

energimyndigheten (IEA)*

Source: International Energy Agency, 2011. World Energy Outlook 2011

*Den bedömda utvecklingen inbegriper nya policyscenarier i vilka länderna ökar sina åtaganden för att minska utsläppen av växthusgaser

EJ/yr

Virkesförråd på all produktiv skogsmark. Historisk utveckling enligt Riksskogstaxeringen fram till 2000 och framskriven utveckling i nationella scenarier 2010-2110.

Källa: Skogsstyrelsen, Skogliga konsekvensanalyser och virkesbalanser 2008

0

1000

2000

3000

4000

5000

1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090 2110

Milj m3sk

År

Miljö

Produktion

Referens

Historiskt virkesförråd

Virkesförråd på produktiv skogsmark – historisk och framskriven utveckling

Hur kan skogen bidra till minskad klimatpåverkan?

En holistisk förståelse behövs

•  Behåll (öka) kolförrådet i skogen



Exempel •  Öka byggandet med trä •  Använd trärester för energi

Limnologen

Stora mängder biprodukter

Skogen Träbearbetning

Byggplats Rivning

Byggnaders livscykel

Production / Retrofitting phases

-  Extraction, processing and transport of materials

-  Energy recovery from biomass residues

- On-site construction work

Operation phase

-  Space heating

-  Electricity for ventilation

-  Tap water heating

- Electricity for household and facility management

End-of-life phase

-  Demolition

-  Energy recovery from wood

-  Recycling of concrete and steel to replace virgin raw material

Energy supply system

-  Resistance heating, or heat pump, or district heating

-  District heating produced with a biomass-fired CHP plant

-  Electricity produced with a biomass-fired condensing plant

- Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses


-  Coal-based electricity for material production

-  Bioenergy replace coal

- Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses


-  Bioenergy replace coal

-  Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses

Exempel på energikedja för rumsuppvärmning

Primärenergianvändning

Slutlig energianvändning

Sustainable Built Environment Research

Total area (m2) of the elements of building envelope Building elements on each façade

Windows and the glass share of door

Basement walls (above the ground level)

Basement walls (below the ground level)

Exterior walls of facades

Basement and attic slab

West facade 7.5 12

110

107

400 East facade 6.2 18 107

North facade 55 22 220

South facade 127 38 160

Ett exempel: flerbostadshus från 1960s-talet

Energihushållning i befintliga byggnader Viktigt att beakta vid analys och utformning av energiförsörjningssystem

Adapted from: Bonakdar, F., Dodoo, A., Gustavsson, L., Cost-optimum analysis of building fabric renovation in a Swedish multi-story residential building, Energy and buildings 84 (2014)

Energihushållning - två optimeringar

1.  Enskild åtgärd

2.  Energirenoveringspaket

Kostnadseffektiv värmehushållning Ursprungligt uppvärmningsbehov 97.5 kWh/m² år

¹ Tilläggsisolering av grund och vindsbjälklag ² 1 + byte av fönster ³ 2 + Tilläggsisolering av väggar

9.6 %

31.7 %

57 %

0

10

20

30

40

50

60

BAU¹ Genomsnitt² Hållbart³

Vär

meh

ushå

llnin

g (%

)

Scenario

Adapted from: Bonakdar, F. Gustavsson, L., , Dodoo, A., Cost-effectiveness and energy saving analysis of energy renovation of a Swedish residential building envelope, manuscript (2015)

Scenario Ränta Energiprisökning BAU 5% 1% Genomsnitt 3% 2% Hållbart 1% 3%

Energihushållning ett exempel

Studerad byggnad i Växjö:

q  4 våningar byggt 1994 q  16 lägenheter q  1190 m2 uppvärmd yta

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350Bu

ildin

g he

at d

eman

d (k

W)

Day

0

10

20

30

40

1 51 101 151 201 251 301 351

Initial

+ Improved taps

+ Improved windows & doors

+ Additional roof insulation

+ Additional external wall insulation

+ Ventilation heat recovery

+ Efficient electric appliances

Initial

+ Improved taps

+ Improved windows & doors

+ Additional roof insulation

+ Additional external wall insulation

+ Ventilation heat recovery

+ Efficient electric appliances

1

2

3 4

5

6 7

1

2

3

4

5

6

7

Förnybar fjärrvärmeproduktion – optimerat system

Adapted from: Truong, N. L, Dodoo, A. and Gustavsson, L. Effects of heat and electricity saving measures in district-heated multistory residential buildings. Applied Energy, 2014. 118(0): p. 57-67.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200 250 300 350

45 MW Träpulver panna

69 MWheat Biokraftvärme

66 MW Flispanna

Fjär

rvär

mel

ast (

MW

)

Dygn

Produktionskostnad (€/MWh) - Träpulver panna: 219,5 - Flis panna: 39,4 - Biokraftvärme: 30,1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200 250 300 350

45 MW Träpulver panna

69 MWheat Biokraftvärme

66 MW Flispanna

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350

Minskad värmeproduktion träpulver panna

Fjär

rvär

mel

ast (

MW

)

Dygn

Dygn

Byg

gnad

ens

värm

ebeh

ov (k

W)

Minskad värmeproduktion flispanna

Minskad värmeproduktion biokraftvärme


Hur påverkar energihushållning i byggnader fjärrvärmeproduktion


Före energihushållning i byggnad Efter energihushållning i byggnad

Produktionskostnad (€/MWh) - Träpulver panna: 219,5 - Flis panna: 39,4 - Biokraftvärme: 30,1

Hur påverkar energihushållning i byggnader fjärrvärmeproduktion


-25

-20

-15

-10

-5

00 50 100 150 200 250 300 350

Minskad värmeproduktion träpulver panna – 17%

Dygn

Prim

ären

ergi

besp

arin

g (k

W)

Minskad värmeproduktion flispanna - 69,0%

Minskad värmeproduktion biokraftvärme – 14%


Produktionskostnad fjärrvärme Systemstorlek 610 GWh/år

Skadekostnad vid 550ppm Inga skatter Pr

oduk

tions

kost

nad

fjärr

värm

e

(€/M

Wh h

eat)

Skadekostnad vid BAU Förnybart

Adapted from: Truong, N.L. and Gustavsson, L., Minimum-cost district heat production systems of different sizes under different environmental and social cost scenarios. Applied Energy, 2014. 136(0): p. 881-893

Skadekostnad vid 550 ppm 0,20 SEK per kgCO2 Skadekostnad vid BAU 0,55 SEK per kgCO2 Baserat på Sternrapporten

0

5

10

15

20

25

30

35

40Di

stric

t hea

t pro

duct

ion

cost

(€/MWh)

No tax Swedish tax Social cost-550ppm

Social cost-BAU

100

300

610

1200

1800 100

300

610

1200

1800 100

300

610

1200

1800 100

300

610

1200

1800

Scenario:

Size (GWhheat):

Produktionskostnad fjärrvärme Olika stora fjärrvärmesystem

Adapted from: Truong, N.L. and Gustavsson, L., Minimum-cost district heat production systems of different sizes under different environmental and social cost scenarios. Applied Energy, 2014. 136(0): p. 881-893

Skadekostnad vid 550 ppm 0,20 SEK per kgCO2 Skadekostnad vid BAU 0,55 SEK per kgCO2 Baserat på Sternrapporten

0

10

20

30

40

120 300 612(Reference)

1200 1800

Dis

tric

t hea

t pro

duct

ion

cost

(€/MWh)

Scale of district heating system (GWhheat/year)

Heat-only boilers

DME unit

CHP unit

Adapted from: Truong N.L. and Gustavsson L. 2013. Integrated biomass-based production of district heat, electricity, motor fuels and pellets of different scales. Applied Energy 104:623-632

Produktionskostnad fjärrvärme Olika stora fjärrvärmesystem och olika omvandlingstekniker

Mercedes-Benz B-klass - användning av biomassa och utsläpp av CO2 per km körsträcka

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Bio

mas

s us

e (kWh/km)

El

BIG

CC

CHP-

BIGC

C

Drivmedel

DM

E

ME

OH

0

100

200

300

400

500

600

CO2

emis

sion

(gCO2/km)

El

BIG

CC

CHP-

BIGC

C

DM

E Drivmedel Drivmedel

ME

OH

Biogenic CO2 Fossil CO2

Gas

olin

e

Die

sel

Användning biomassa

Adopted from Leif Gustavsson, Nguyen Le Truong (2015). Effects of different bioenergy pathways on primary energy efficiency, CO2 emission and energy system integration. Manuscript.

Greenhouse gases Longwave radiation

(e.g. heat)

Shortwave radiation (e.g. light)

• Integrated over time, cumulative radiative forcing (CRF) is W-s/m2, i.e. trapped energy per area – a proxy for temperature increase

• The longer a GHG is in the atmosphere the more energy is trapped and the more climate change occurs

Greenhouse gases cause an imbalance between incoming and outgoing radiation - “radiative forcing” heat is trapped

Figure not to scale!

Atmospheric decay of unit pulses of GHGs

(IPCC 1997, 2001, 2007, 2013)

Radiative forcing (W/m2) due to GHG concentration change

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧ Δ+×=

refCO CO

COF2

21ln)2ln(7.3

2

where CO2ref = 400 ppmv, CH4ref = 1800 ppbv

• Assumes relatively minor marginal changes in GHG concentrations •  f(M,N) accounts for spectral overlap between N2O and CH4 • Radiative forcing not related to GHGs (e.g. albedo change) is not considered

(IPCC 1997, 2001, 2007, 2013)

( ) ),(036.0 4444NMfCHCHCHF refrefCH −−+Δ×=

Livscykelperspektiv på CO2 emissioner från bioenergi och fossila system

Kolkälla Energisystem

Bioenergi Fossilt

Biogenic Skogsrester skördas och används för energi

Skogsrester lämnas i skogen och bryts successivt ned

Fossilt Fossila bränslen används för skörd och transport av biobränsle

Fossila bränslen används för energi

Grenar och toppar, internationell transport, centralt i Sverige, Q-decay model

Förändrad strålningsbalans (CRF) då ett ton torr träbiomassa ersätter fossil energi

Adapted from Gustavsson, Leif, et al (2015) Climate effects of bioenergy from forest residues in comparison to fossil energy. Applied Energy 138,pp. 36-50

Biokraftvärme ersätter kolkraftvärme

Biokraftvärme ersätter naturgaskraftvärme

Biodrivmedel (DME) ersätter diesel

Grenar och toppar, internationell transport, centralt i Sverige, Q-decay model

Förändrad strålningsbalans CRF (mW s m-2) då ett ton torr träbiomassa ersätter fossil energi

Adapted from Gustavsson, Leif, et al (2015) Climate effects of bioenergy from forest residues in comparison to fossil energy. Applied Energy 138,pp. 36-50

Biokraftvärme ersätter kolkraftvärme

Biokraftvärme ersätter naturgaskraftvärme

Biodrivmedel (DME) ersätter diesel

1.  Förstå klimateffekter av bioenergi i ett holistiskt perspektiv över systems livscykel

2.  Framåtsyftande analyser (inte historiska medelvärden) 3.  Ökat träbyggande ger stora mängder biprodukter – råvara för bioenergi 4.  Beakta energianvändning och energitillförsel i ett helhetsperspektiv 5.  Fjärrvärme och kraftfull värmehushållning i byggnader går nog att förena 6.  Effektivt att samproducera el och fjärrvärme 7.  Biodrivmedel mindre klimateffektiva – elfordon, laddhybridfordon,

bränslecellsfordon 8.  Intermittent elproduktion – ökad integration av el-, värme- och

transportsektorer 9.  Systemkunskap behövs

Slutsatser/diskussion

biobränsle i energisystemet – dagens kunskapsläge och framtidens … · 2015-10-21 ·...

Documents