Mer klimatvennlig bygging

Transkript

1 Mer klimatvennlig bygging Leif Gustavsson Institutionen för teknik och hållbar utveckling, Mittuniversitetet Tre Miljø Innovasjon; TREFF Tre For Framtiden oktober 28 Radisson SAS Airport Hotel, Gardemoen Världens primärenergianvändning 26 ( 49 Exajoul) Olja 34% Kol 26% Gas 21% Totalt fossilt 81% Bioenergi 1% Kärnkraft 6% Övrigt 3% Exa = 1 18 Källa: International Energy Agency. Key World Energy Statistics 28.

2 Hur kan vi kraftigt minska utsläppen av koldioxid? Energi- och materialeffektiva system från naturresurs till levererad samhällsservice Ökad användning av förnybara resurser Skog viktig men begränsad resurs Hur bygger vi klimateffektiva byggnader i ett livscykelperspektiv? Finns det klimatfördelar med att bygga i trä? Hur stora kan klimatfördelarna vara? Vilken betydelse har produktionsfasen jämfört med brukarfasen?

3 Presentationen baseras i huvudsak på följande vetenskapliga artiklar Eriksson, E., Gillespie, A., Gustavsson, L., Langvall, O., Olsson, M., Sathre, R. and Stendahl, J. 27. Integrated carbon analysis of forest management practices and wood substitution. Canadian Journal of Forest Research, 37(3): Gustavsson, L., Pingoud, K. and Sathre, R. 26. Carbon dioxide balance of wood substitution: comparing concrete- and wood-framed buildings. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 11(3): Gustavsson, L. and Sathre, R. 26. Variability in energy and carbon dioxide balances of wood and concrete building materials. Building and Environment, 41(7): Gustavsson, L. and Joelsson, A. 28. Life cycle primary energy analysis of residential buildings. Manuscript. Sathre, R. and Gustavsson, L. 27. Effects of energy and carbon taxes on building material competitiveness. Energy and Buildings, 39(4): Sathre, R. and Gustavsson, L. 28. Process-based analysis of added value in forest product industries. In press. Vi har beaktat följande i analyserna Primärenergianvändning vid produktion av byggnader Primärenergianvändning för byggnadsuppvärmning Elproduktion i kondensanläggningar med fossila bränslen Fossila koldioxidutsläpp över bränslecykel Substitution av fossila bränslen med restprodukter i trä CO 2 balansen för cementreaktioner Kolcykeln för träprodukter

4 Elsystemet Elproduktion i ett Europaperspektiv har ofta kolkondens som marginalel Förändrad elanvändning leder då till kraftigt förändrade koldioxidutsläpp Stort överskott av spillvärme (i Sverige är överskottet ca 3 gånger större än leveranserna av fjärrvärme) Omfattande planerad utbyggnad av fossil kondenskraft i EU ( 15 MW) Koldioxidbalanser vid produktion av byggnader 1. Fossila koldioxidutsläpp från primärenergianvändning vid produktion och distribution av byggmaterial samt för uppförande och rivandet av byggnader 2. Substitution av fossilt bränsle med restprodukter från skogsavverkning, träbearbetning och rivning 3. Koldioxidbalanser för cementreaktioner (kalcinering och karbonatisering) 4. Kollagring i träprodukter

5 Materialflöden: från naturresurs till byggnad Malm Skog Energitillförsel Utvinning Bearbetning Byggande Trärester ersätter fossila bränslen Byggnad Material flöden Bränsle-/energiflöden Koldioxidbalanser vid produktion av ett fyravåningshus med 16 lägenheter och 119 m 2 boyta Uppförd byggnad med trästomme Referensbyggnad med betongstomme Byggkostnad 19.1 MSEK 24 Hypotetisk byggnad med identisk storlek och funktion. Uppskattad byggkostnad 19.9 MSEK 24

6 Många olika byggnadsmaterial att beakta 1,, Material mass (kg). 1,, 1, 1, 1, Wood frame Concrete frame Macadam Concrete Mortar Blocks Iron/steel Copper Zinc Lumber Particleboard Plywood Insulation Glass Plasterboard Paper Plastic Paint Putty (fillers) Appliances Porcelain Ceramic tiles Antaganden - energi Fossila koldioxidutsläpp (g C/MJ) Fossil gas 18 Fossil olja 22 Fossilt kol 3 Uttag av biomassa Avverkningsrester (grot) 7% Bark, sågspån, byggrester 1% Rivningsvirke 9% Energiåtgång för uttag av biomassa Avverkningsrester (grot) 4% Rivningsvirke 2% Energiåtgång för transport av av biomassa 1%

7 Antaganden - cementreaktioner Koldioxidutsläpp vid kalcineringen beaktas Vi antar att 8% av koldioxiden från kalcineringen absorberas genom karbonatisering under byggnadens livslängd Källa: Gajda, J.: 21. Absorption of atmospheric carbon dioxide by Portland cement concrete. R&D Serial No. 2255a, Portland Cement Association, Skokie IL, USA Primärenergianvändning vid produktion av byggnader med trä- och betongbyggnaden Energy use (GJ) Fuel cycle Conversion Distribution Final use Wood Concrete Wood Concrete Wood Concrete Electricity Fossil Biomass Källa: Gustavsson et al. 26

8 Källor för biomassa - restprodukter Slutavverkning Träbearbetarbetning Byggande Rivning Trärester vid produktion av byggnader med träoch betongstomme 35 Heat value (GJ) Demolition Construction Processing Forest 5 Residues for external use Internal use (energy) Internal use (materials) Residues for external use Internal use (energy) Internal use (materials) Wood-frame Källa: Gustavsson et al. 26 Concrete-frame

9 Kolbalans vid produktion av byggnader med trä- och betongstomme över en 1 års livscykel 8 6 Wood frame Concrete frame 4 Net CO 2 emission (t C) Fossil fuel for material production Cement reactions Biomass for fossil fuel replacement Forest stock change Building stock change Total Källa: Gustavsson et al. 26 Kol är referensbränsle Ökade nettoutsläpp av CO 2 om huset byggs med betongstommar i stället för trästommar Kol eller fossil gas är referensbränsle 9 Net CO 2 emission difference (tc) Carbon stock in building materials Cement process reaction emission Fossil fuel replaced by biofuels Fossil fuels used for material production Coal Natural gas Källa: Gustavsson et al. 26

10 Slutsatser Primärenergibehov och koldioxidutsläpp Lägre primärenergianvändning för att producera träbyggnaden Lägre koldioxidemissioner för att producera träbyggnaden Utnyttja trärestprodukter för att ersätta fossila bränslen Små nettoförändringar av kollager över livscykeln Koldioxidbalanser vid byggnation är ett komplext område att analysera - Hur stora är osäkerheterna? Referensbyggnad kan vara svår att välja och definiera Energitillförselsystemen kan variera Få uppskattningar baserat på få byggnader Behovet av byggnadsmaterial varierar med byggnadsutformning och valda konstruktionslösningar Transportavstånd varierar Produktionssystemen för byggmaterial varierar i tid och rum

11 Primärenergianvändning för byggandet av husen Indata från norska, holländska respektive svenska studier 35 Coal end-use Oil end-use NG end-use Electricity Biomass end-use 3 Primary energy (GJ) Fossdal Worrell Bjrklund Fossdal Worrell Bjrklund Wood frame Concrete frame Fossdal specificerar inte typ av fossilbränsle. Vi har disaggregerat fossilbränsle med medelvärde för Worrell och Björklund. Data för plywood saknas i studier. Vi har lagt in sådan data baserat FAO. Källa: Gustavsson et al. 26, Gustavsson and Sathre 26 Variation i koldioxidutsläpp för olika parametrar Parameter Base Variation. Base case 1. Cement clinker dry process wet process 1 2. Cement content Portland cement blended cement 2 3. Concrete aggregate crushed stone natural gravel 3 4. Concrete carbonation 8% 2% 4 5. Concrete carbonation 8% 32% 5 6. Steel material recycled ore-based steel 6 7. Wood drying batch kiln continuous kiln 7 8. Material transport short longer distance 8 9a. Best case for concrete-frame building 9b. Worst case for concrete-frame building 9a 9b Skillnad mellan betong- och trähus (t C) Kol är referensbränsle Källa: Gustavsson et al. 26, Gustavsson and Sathre 26

12 Slutsats - osäkerheter Känslighetsanalyser visar att trähuset har lägre primärenergianvändning och lägre koldioxidutsläpp än betonghuset över ett brett spektrum av parametervariationer Studerade byggnader produktion och brukarfas Typ av byggnad Byggnadsår Uppvärmningsbehov (kwh/m2 år) Växjö betong 16 lägenheter Växjö trä 16 lägenheter Växjö trä, förbättrat 16 lägenheter Karlstad 44 lägenheter Karlstad passiv 44 lägenheter 26 2

13 Studerade byggnader U-värden U-värden i konstruktionsdelarna i de studerade byggnaderna U-värde (W/m 2 K) Väggar Golv Fönster Vindsbjälklag Växjö betong,2,23 1,9,13 Växjö trä,2,23 1,9,13 Växjö trä, förbättrat,2,23 1,,13 Karlstad,11,13 1,,6 Karlstad passiv,11,13 1,,6 Primärenergianvändning för att producera olika hus och för byggnadsuppvärmning under 5 år Primary energy use (kwh/m2) space heat RH CST HP CST DH BIG/CC Production Växjö concrete Växjö wood Växjö retrofit Karlstad Karlstad passive RH =Resistance heating HP = Heat pump DH= District heating CST = Coal-fired steam turbine BIG/CC = Biomass-fired integrated gasification combined cycle Källa: Gustavsson and Joelsson 28

14 CO 2 nettoutsläpp vid produktion och uppvärmning av byggnaderna under 5 år med olika uppvärmningssystem Emission (kg C/m2) space heat RH CST HP CST DH BIG/CC Production -1 Växjö concrete Växjö wood Växjö retrofit Källa: Gustavsson and Joelsson 28 Energi- och klimateffektiva byggnader över dess livscykel - några reflektioner Energisnåla byggnader i brukarskedet (täta och mycket välisolerade) Energieffektiva energitillförselsystem (t.ex. fjärrvärme med kraftvärmeproduktion) och minimera elanvändandet Förnybar energi och förnybara material Använd restprodukter på ett bra sätt t. ex. trärester för att ersätta fossil energi

15 Materialproduktion Kostnad för energi och koldioxidemissioner 25 2 Trhus Betonghus 1 Ū Inga skatter Industriella skatter Källa: Sathre and Gustavsson 27 Byggkostnad ( 25 ) Trästomme: 1,283, Betongstomme: 1,338, Materialproduktion Kostnadsfördelar energi och CO 2 vid produktion av trähus jämfört med betonghus 25 2 Ersättning av fossila bränslen (kol) med bioenergi Energi och cementreaktioner för materialproduktion 15 1 Ū Inga skatter Industriella skatter Sociala kostnader för koldioxidutsläpp* (55 ppm) Sociala kostnader för koldioxidutsläpp* (BAU) * Stern Review on the Economics of Climate Change, 26 Källa: Sathre and Gustavsson 27

16 Slutsatser Kostnaden för energin för materialproduktion är 1-2% av byggkostnaden och lägre för trähuset Utan ekonomiska styrmedel är det inte lönsamt att ta tillvara biomasserester för att ersätta fossila bränslen Konkurrenskraften för träbyggande ökar vid ökade koldioxidavgifter Sociala kostnader för koldioxidutsläpp enligt Stern-rapporten är högre än dagens industriella avgifter (skatter) Träbyggande ger högt förädlingsvärde per hektar skogsmark Value added per hectare per year (Ū/ha-yr) Sawlogs Pulpwood 8 Forest residue Scenario Low Scenario Medium Scenario High Scenario Grot Massaved Timmer Low Pellets Avsalumassa Sågat virke * Medium Etanol Tidningspapper Hyvlat sågat virke * High Metanol Journalpapper (LWC) Limträbalk och hyvlat sågat virke * Grot är grenar och toppar Källa: Sathre and Gustavsson 28 * Biprodukter värderas som biobränsle (flis)

17 Skog är en begränsad resurs men träbyggande kväver förhållandevis lite virke 2 tusen lägenheter i trähus kräver,18 miljoner skogskubikmeter mer stamved än betonghus (,2% av svensk tillväxt*) 1 miljon lägenheter i trähus kräver 9,2 miljoner skogskubikmeter mer stamved än betonghus ( 1,3% av europeisk tillväxt*) * Net Annual Increment on forest available for wood supply UNECE/FAO Temperate and Boreal Forest Resources Assessment, 2 Reduktion av koldioxidutsläpp per ha skogsmark vid normal och hög skogsproduktion Kol är referensbränsle Källa: Eriksson et al 27

18 Slutsatser Trä istället för betong ger stor CO 2 -minskning per hektar skogsmark Uttag av grenar och toppar minskar kolinlagringen i marken, men substitutionseffekter är 1 gånger större då fossilt kol ersätts Förändringen av kolförråden i den levande biomassan är små över en rotationsperiod Ökad skogstillväxt ökar potentialen för biomasseuttag Ökad skogstillväxt ger ökad kolinlagring i marken