Energianalys av drivmedel från spannmål och vall

Transkript

1 Institutionen för teknik och samhälle Avdelningen för miljö- och energisystem Energianalys av drivmedel från spannmål och vall Pål Börjesson Rapport nr 54 Mars 2004 Adress Gerdagatan 13, Lund Telefon (vxl) Telefax Internet

2 ISRN LUTFD2/TFEM--04/3045--SE + (1-16) ISBN Pål Börjesson

3 Dokumentutgivare, Dokumentet kan erhållas från LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA vid Lunds universitet Institutionen för teknik och samhälle Avdelningen för miljö- och energisystem Gerdagatan Lund Telefon: Telefax: Dokumentnamn Rapport Utgivningsdatum Mars 2004 Författare Pål Börjesson Dokumenttitel och undertitel Energianalys av drivmedel från spannmål och vall Sammandrag Syftet med denna studie är att analysera vetebaserad etanol samt vete- och vallbaserad biogas ur energieffektivitetssynpunkt. Dessutom analyseras betydelsen av att utnyttja genererade biprodukter vid etanolframställning för drivmedelsproduktion, i det här fallet drank och halm för biogasproduktion. Resultaten presenteras dels som energibalans för olika drivmedelskedjor (drivmedelsutbyte dividerat med total energiinsats), dels som nettoutbyte av drivmedel per hektar åkermark (drivmedelsutbyte minus total energiinsats). Analyserna baseras på användningen av primärenergi där såväl direkta som indirekta energiinsatser inkluderas. Energibalansen för de analyserade drivmedelskedjorna varierar från 1,3 upp till 2,4, och nettodrivmedelsutbytet från cirka 20 upp till cirka 60 GJ drivmedel per hektar åkermark och år. Vetebaserad biogas har högst energibalans och nettodrivmedelsutbyte per hektar, framför allt när också halmen tas tillvara och utnyttjas för biogasproduktion (cirka 2,4 respektive 55 GJ/ha). Vallbaserad biogas och vetebaserad etanol har ungefär samma energibalans (cirka 2) och drivmedelsutbyte per hektar (cirka 40 GJ), när biprodukten drank vid etanolproduktion tas tillvara och utnyttjas för biogasproduktion. När dranken vid etanolproduktion utnyttjas som fodermedel blir vetebaserad etanol ett sämre alternativ (cirka 1,3 respektive 20 GJ per hektar). När både drank och halm utnyttjas för biogasproduktion vid vetebaserad etanolproduktion blir nettoutbytet av drivmedel per hektar större än för vallbaserad biogas (cirka 50 GJ). Beräkningarna bygger på genomsnittliga värden och sydsvenska förhållanden, d v s lokala och regionala förutsättningar kan påverka resultaten i olika riktningar. Nyckelord Energisystemanalys, etanol, biogas, spannmål, vall, drivmedel, energibalans Omfång 16 ISSN Intern institutionsbeteckning Rapport nr 54 Språk Svenska Sammandrag på engelska Organisation, The document can be obtained through LUND UNIVERSITY ISRN ISRN LUTFD2/TFEM--04/3045--SE + (1-16) ISBN ISBN Type of document Report

4 Department of Technology and Society Environmental and Energy Systems Studies Gerdagatan 13, SE Lund, Sweden Telephone: int Telefax: int Date of issue March 2004 Authors Pål Börjesson Title and subtitle Energy analysis of transportation fuels from grain and ley crops Abstract The purpose of this study was to analyse the resource and energy efficiency of producing transportation fuels from energy crops; ethanol from wheat, and biogas from wheat or ley crops. The consequence of utilising byproducts from ethanol production (straw and wheat pulp) for energy purposes (biogas) was also analysed. The results are presented as energy balances (transportation fuel output divided by total energy input) and net energy output per hectare and year (transportation fuel output minus total energy input). The calculations are based on the total primary energy input, including both direct and indirect energy inputs. The energy balance of the transportation fuel chains analysed varies from 1.3 up to 2.4, and the net energy output from about 20 up to about 60 GJ per hectare. Biogas from wheat has the highest energy balance and net energy output per hectare, particularly when also straw is collected and converted into transportation fuel (biogas) (2.4 and 55 GJ/hectare, respectively). Biogas from ley crops and ethanol from wheat have similar energy balances (about 2), and net energy output per hectare (about 40 GJ), when the wheat pulp from the ethanol production is utilised for energy purposes (biogas production). When the wheat pulp is utilised as fodder, and not for biogas production, this reduces the energy balance and net energy output per hectare for the wheat-ethanol alternative (corresponding to about 1.3 and 20 GJ per hectare, respectively). When both wheat pulp and straw are utilised for biogas production, the net energy output per hectare will be higher for the wheat-ethanol alternative than for the ley crop-biogas alternative (corresponding to about 50 GJ per hectare). All calculations are based on average data and southern Swedish conditions, indicating that local and regional conditions may affect the results in various directions. Keywords Energy systems analysis, ethanol, biogas, wheat, ley crops, transportation fuel, energy balance Number of pages 16 Language Swedish, English abstract ISRN ISRN LUTFD2/TFEM--04/3045--SE + (1-16) ISSN Department classification Report No. 54 ISBN ISBN

5 Förord Denna rapport har tagits fram med ekonomiskt stöd från Sydkraft AB. Jag vill tacka Maria Berglund som bidragit med värdefulla synpunkter på arbetet. Lund, mars 2004 Pål Börjesson

6 Innehållsförteckning 1. Bakgrund Syfte Metod och avgränsningar Energiflödesberäkningar Odling av råvara Transport av råvara och biprodukter Drift av produktionsanläggning Utbyte av drivmedel Energibalansberäkningar Känslighetsanalys Slutsatser och diskussion Referenser

7 1. Bakgrund Intresset för biobränslebaserade drivmedel ökar allt mer. EU:s drivmedelsdirektiv anger t ex att andelen förnybara drivmedel bör uppgå till 2 % år 2005 respektive 5,75 % år Idag utgör andelen förnybara drivmedel cirka 0,9 % av den totala drivmedelsförbrukningen i Sverige. Etanol och biogas är två förnybara drivmedel som är kommersiellt tillgängliga i Sverige idag, och produktionen/användningen av dessa förväntas öka. Etanol och biogas kan produceras från en mängd olika typer av biomassa, t ex biprodukter från jord- och skogsbruk, organiskt avfall och energigrödor. När energigrödor utnyttjas som råvara tas jordbruksmark i anspråk som potentiellt skulle kunna utnyttjas för andra ändamål, t ex produktion av livsmedel, fiberråvara eller andra biobränslen. Eftersom åkermark är en begränsad resurs bör därför denna utnyttjas på ett så optimalt sätt som möjligt för att maximera miljönyttan med t ex åkerbränslebaserade drivmedel. Ett sätt att mäta och jämföra resurseffektiviteten för olika bränslekedjor är att analysera deras energieffektivitet, d v s hur mycket energi som krävs för att producera en energienhet drivmedel. 2. Syfte Syftet med denna studie är att analysera åkerbränslebaserad etanol och biogas ur energieffektivitetssynpunkt. De åkerbränslen som inkluderas är vete respektive vall, där vall utnyttjas som råvara för biogas och vete som råvara för etanol eller biogas. Dessutom analyseras betydelsen av att utnyttja genererade biprodukter för drivmedelsproduktion, i det här fallet drank och halm från etanolproduktion, för biogasproduktion. Resultaten presenteras dels som energibalans för olika drivmedelskedjor (drivmedelsutbyte dividerat med total energiinsats), dels som nettoutbyte av drivmedel per hektar åkermark (drivmedelsutbyte minus total energiinsats). 3. Metod och avgränsningar Analyserna baseras på användningen av primärenergi. Detta innebär att såväl direkta som indirekta energiinsatser inkluderas. Exempel på direkta energiinsatser är dieselförbrukning, värmeförbrukning och elförbrukning. Indirekta energiinsatser inkluderar också energianvändning och energiförluster vid framställning av diesel, värme och el. En MJ diesel antas motsvara 1,1 MJ primärenergi. En MJ el antas motsvara 2,2 MJ primärenergi baserat på naturgasbaserad elproduktion via turbiner med en verkningsgrad om 50% och när hänsyn tagits till 2

8 distributionsförluster m m (Berglund och Börjesson, 2003). En MJ värme antas motsvara 1,15 MJ primärenergi, baserat på värmeproduktion från t ex bränsleflis. Värmebehovet i en biogasanläggning antas dock tillgodoses av biogas där 1 MJ värme motsvarar 1,3 MJ primärenergi (Berglund och Börjesson, 2003). Vid odling, skörd och transport av biomassaråvaror inkluderas dessutom primärenergiförbrukning vid framställning av utsäde, handelsgödsel, maskiner m m. Däremot ingår inte energiförbrukning för byggnationer (t ex byggandet av biogas- och etanolanläggningar). Datainsamlingen baseras på litteraturstudier och intervjuer med experter. Avkastningsnivåer för vall och spannmål avser sydsvenska förhållanden. Analyserna bygger på storskaliga anläggningar för etanol och biogas med dagens teknik, d v s anläggningar som idag byggs för kommersiella syften. Vid odling av vete fås halm som restprodukt vilken här antas kunna bärgas och utnyttjas för biogasproduktion eller lämnas kvar på fältet för att plöjas ned. Vid etanoltillverkning fås också drank som biprodukt vilken här antas kunna utnyttjas för biogasproduktion eller som djurfoder efter torkning (vilket är vanligast idag). Andelen drank som produceras per ton vete antas uppgå till 30 %, uttryckt per ton torrsubstans (TS). I studien analyseras följande alternativ av drivmedelskedjor och kombinationer av dessa: 1) Vall Rötning Biogas 2a) Vete Rötning Biogas Halm Plöjs ned 2b) Vete Rötning Biogas Halm Rötning Biogas 3a) Vete Jäsning Etanol Drank Foder Halm Plöjs ned 3b) Vete Jäsning Etanol Drank Rötning Biogas Halm Plöjs ned 3c) Vete Jäsning Etanol Drank Rötning Biogas Halm Rötning Biogas 3

9 4. Energiflödesberäkningar I följande avsnitt beskrivs energianvändningen vid odling av råvara, transport av råvara och biprodukter samt drift av produktionsanläggning för etanol och biogas. Dessutom beskrivs drivmedelsutbytet för de olika råvarorna och biprodukterna. 4.1 Odling av råvara I Tabell 1 ges en sammanställning av energianvändningen vid odling och skörd av vall respektive vete, samt insamling av halm. Skördenivåerna baseras på sydsvenska förhållanden och bra odlingsförhållanden. Hänsyn har tagits till skördeförluster och för vall också lagringsförluster. När vall lagras i plansilo bedöms lagringsförlusterna uppgå till cirka % (Berglund och Börjesson, 2003). Den biologiska halmskörden är hög, ofta i nivå med kärnskörden, men den bärgade genomsnittsskörden är betydligt lägre p g a skördespill i form av boss, agnar och stubb, samt klimatiska begränsningar som kort tid för bärgning i kombination med stor risk för nederbörd. Dessutom finns ekologiska begränsningar mot ett alltför högt uttag av halm från intensivt odlade spannmålsjordar, då en viss mängd halm bör lämnas för att säkerställa en tillräckligt hög mullhalt och därmed markbördighet. Här antas att halmskörden vid veteodling uppgår till i genomsnitt 2,5 ton per hektar och år när hänsyn tagits till de begränsningar som anges ovan (Börjesson, 1994). 4

10 Tabell 1. Energiinsatser och skördenivåer vid odling av vall respektive vete. 1 Klövergräsvall Höstvete Kärna Halm Drivmedelsförbrukning (GJ/ha) 5,5 4,4 0,42 Utsäde och pesticider (GJ/ha) 0,8 1,4 Gödselmedel (GJ/ha) 3,8 6,5 Tillverkning och underhåll av maskiner 0,9 1,8 0,14 (GJ/ha) Totalt (GJ/ha) ,56 Skörd, efter skördeförluster 33 7,5 2,5 (ton /ha) Torrsubstanshalt, TS (%) Skörd, efter skördeförluster (ton TS/ha) 7,5 6,4 2,0 Energiåtgång (GJ per ton) 0,33 1,8 0,22 (inklusive lagringsförluster) (0,40) 3 Energiåtgång (GJ per ton ts) 1,5 2,2 0,28 (inklusive lagringsförluster) (1,8) 3 1 Baserat på data från Berglund och Börjesson (2003), Tidåker (2003), Agroetanol (2004), SCB (2003) och Börjesson (1994). 2 Inklusive torkning till 15 % vattenhalt. 3 Lagringsförlusterna antas uppgå till 16 % vid ensilering i plansilo (Berglund och Börjesson, 2003). 4.2 Transport av råvara och biprodukter Transport av spannmål, vall och halm från gård till en etanol- eller biogasanläggning antas ske med lastbil, liksom transport av torkad drank från en etanolanläggning till djurgård när dranken utnyttjas som djurfoder (Tabell 2). Rötrest transporteras från en biogasanläggning till mottagningsgårdar med tankbil. Energiåtgången för alla transporter inkluderar tom returtransport då lastbilen/tankbilen inte antas ha någon last i retur. Energibehovet för lastning och lossning antas vara försumbart. Tabell 2. Energiåtgång vid transport med lastbil. 1 Fordon Lastkapacitet Energianvändning 2 Biomassa (ton) (MJ/ton*km) Lastbil 30 1,1 Spannmål, vall, torkad drank Lastbil 16 2,9 Halm Tankbil 16 1,6 Rötrest 1 Baserat på data från Berglund & Börjesson (2003) 2 Inklusive tom returtransport. 5

11 I Tabell 3 beskrivs den totala energiåtgången för de transportmoment som inkluderas i denna analys. Det genomsnittliga transportavståndet till en etanolanläggning antas vara 50 km, liksom för torkad drank som transporters till djurgårdar. Det genomsnittliga transportavståndet till en biogasanläggning antas vara 15 km, liksom för rötrest som transporteras tillbaks till mottagningsgårdar. Dessa uppskattningar baseras på dagens praktiska erfarenheter (Berglund och Börjesson, 2003; Agroetanol, 2004). När drank utnyttjas för biogasproduktion inkluderas ingen transport då biogasanläggningen antas finnas i anslutning till etanolanläggningen. Däremot inkluderas transport av rötrest. Energiförbrukning vid spridning av rötrest inkluderas ej då denna energiinsats antas kompenseras av den indirekta energivinst som fås genom ett minskat behov av handelsgödsel när rötrest återförs. Tabell 3. Energiåtgång vid transport av aktuella råvaror och biprodukter. Råvara / restprodukt Transport-avstånd 1 Energiåtgång (km) (GJ/ton) (GJ/ton ts) Spannmål (etanol) 50 0,055 0,065 Torkad drank (foder) ,055 0,079 Spannmål (biogas) 15 0,017 0,020 Halm (biogas) 15 0,044 0,054 Vall (biogas) 15 0,017 0,074 Rötrest (gödselmedel) ,024 0,24 1 Baserat på data från Berglund & Börjesson (2003) och Agroetanol (2004) % TS-halt % TS-halt baserat på en mixad substratblandning där ett ton TS biomassa antas generera 10 ton rötrest (våtvikt) oberoende av biomassan initiala TS-halt (se Berglund och Börjesson, 2003). 4.3 Drift av produktionsanläggning Energianvändningen vid framställning av biogas respektive etanol utgörs av värme och el (Tabell 4). Vid biogasproduktion utnyttjas värme för hygienisering och uppvärmning av substratblandning (mesofil rötning) där värmen produceras via förbränning av biogas (Berglund och Börjesson, 2003). Värme för framställning av etanol inkluderar fermentering, destillering och eventuell torkning av dranken när denna utnyttjas som foder. Detta värmebehov kan t ex täckas av fasta biobränslen som bränsleflis (Agroetanol, 2004). Elanvändning inkluderar förbehandling av råvara, pumpning m m. För biogasproduktion används också el för omrörning. Elbehovet vid förbehandling (sönderdelning) av vall och halm beräknas vara högre än för vetekärna där endast en enkel krossning/malning behövs. När biogas ska användas som fordonsbränsle krävs uppgradering av gasen till naturgaskvalitet med en metanhalt om minst 97 %. Elförbrukningen vid denna uppgradering antas 6

12 motsvara 11 % av biogasens energiinnehåll och fördelar sig mellan rening (cirka 60% av elbehovet) och komprimering till 250 bars tryck (cirka 40% av elbehovet) (Berglund och Börjesson, 2003). Energianvändningen för drift av produktionsanläggningar har här beräknats per ton substrat. När energiåtgången för drift av en biogasanläggning uttrycks per ton substrat, i stället för per ton substratblandning, kommer automatiskt hänsyn tas till att torra substrat behöver spädas. Detta innebär att substrat med en torrsubstanshalt över 10 % (d v s över den genomsnittliga TS-halten i en substratblandning) kommer att belastas med en något högre energianvändning än substrat med en torrsubstanshalt under 10%. En utförlig beskrivning av vilken betydelse dessa olika beräkningsgrunder har på energibalansen ges i Berglund och Börjesson (2003). Tabell 4. Energianvändning vid drift av produktionsanläggning. 1 Vall Vete Drank Halm Biogas Etanol Biogas Biogas Biogas Värme 0,93 0,09 0,90 (GJ/ton biomassa) 2 (varav 2,0 avser torkning av drank) El (GJ/ton biomassa) 3 0,21 0,90 0,56 0,05 0,74 El - Uppgradering av biogas (GJ/ton biomassa) 3 0,28 1,2 0,10 0,64 S:A energianvändning (GJ/ton biomassa) 0,74 5,2 (3,2 exklusive torkning av drank)) 2,7 0,24 2,3 1 Baserat på data från Berglund & Börjesson (2003), Agroetanol (2004) och Sonesson (1993). 2 Värmebehovet vid framställning av biogas tillgodoses via förbränning av biogas där 1 MJ värme motsvarar 1,3 MJ primärenergi. Värmebehovet vid framställning av etanol tillgodoses av t ex bränsleflis där 1 MJ värme motsvarar 1,15 MJ primärenergi. 3 En MJ el motsvarar 2,2 MJ primärenergi (se avsnitt 3). 4.4 Utbyte av drivmedel I Tabell 5 beskrivs drivmedelsutbytet i form av biogas och etanol från de råvaror och biprodukter som inkluderas i denna studie. Uppskattningarna avser storskaliga anläggningar och dagens teknik men bygger på data från såväl försöks- och pilotanläggningar som fullskaleanläggningar, d v s värdena ska ses som genomsnittliga värden vilka kan variera utifrån lokal förutsättningar. När det gäller biogasutbytet från vete och drank är tillgången på data begränsad varför dessa baseras på teoretiska beräkningar i kombination med utrötningsförsök i lab-skala (Linné, 2004; Edström och Nordberg, 2001). 7

13 Tabell 5. Utbyte av biogas och etanol från analyserade råvaror och biprodukter. 1 Biomassa TS-halt Biogas Etanol (%) (GJ/ton TS) (GJ/ton substrat) (GJ/ton TS) (GJ/ton substrat) Vall 23 10,6 2,5 Vete 85 12,7 2 10,8 10,1 8,6 Halm 82 7,1 5,8 Drank 7 12,7 2 0,9 1 Baserat på data från Berglund & Börjesson (2003), Linné (2004), Agroetanol (2004), Baky m fl. (2002) samt Edström och Nordberg (2001). 2 Det praktiska biogasutbytet antas uppgå till cirka 80 % av det teoretiskt maximala. 5 Energibalansberäkningar I följande avsnitt sammanfattas resultaten från de två olika typer av beräkningar som inkluderats i denna studie, d v s energibalans för olika drivmedelskedjor (Tabell 6) och nettoutbyte av drivmedel per hektar åkermark (Tabell 7). Resultaten i Tabell 6 visar att energibalansen, d v s drivmedelsutbytet dividerat med den totala energiinsatsen, varierar från 1,3 upp till 2,4. Det lägre värdet avser etanol från vete där inga biprodukter utnyttjas för energiändamål och det högre värdet biogas från vete där halmen plöjs ner. Uttryckt i energiförlusttermer motsvarar en energibalans om 1,3 att motsvarande 76 % av drivmedlets energiinnehåll förbrukats under produktionskedjan. En energibalans om 2,4 motsvarar en energiförlust om 42 %. När också halm utnyttjas för biogas sjunker energibalansen för vetebaserad biogas något p g a av att energieffektiviteten för halmbaserad biogas är något lägre än för vetebaserad biogas. Däremot ökar nettodrivmedelsutbytet per hektar när också halm utnyttjas för biogasproduktion, d v s effektiviteten i åkermarksutnyttjandet ökar (Tabell 7). Efter vetebaserad biogas kommer vallbaserad biogas med den näst bästa energibalansen (cirka 2,1). Energibalansen för vetebaserad etanol kan förbättras väsentligt om också restprodukten drank utnyttjas för drivmedelsproduktion. När drank utnyttjas för biogasproduktion ökar energibalansen för vetebaserad etanol från 1,3 till knappt 2, d v s energiförlusterna minskar från 76 % till cirka 50 %. När också halm utnyttjas för biogasproduktion ökar energibalansen ytterligare, till cirka 2,1, d v s den blir i det närmste jämförbar med vallbaserad biogas. Nettodrivmedelsutbytet per hektar åkermark, d v s drivmedelsutbytet minus den totala energiinsatsen, är högst för vetebaserad biogas (Tabell 7). När också halm utnyttjas för biogasproduktion uppgår detta till cirka 55 GJ drivmedel per hektar och år. Därefter kommer vetebaserad etanol med drygt 50 GJ per hektar och år när såväl drank som halm utnyttjas för 8

14 biogasproduktion. Nettodrivmedelsutbytet för vallbaserad biogas uppgår till cirka 35 GJ drivmedel per hektar och år, medan det för vetebaserad etanol ligger kring 20 GJ per hektar och år när inga biprodukter utnyttjas för energiändamål. Som jämförelse förbrukar en personbil cirka 25 GJ drivmedel per 1000 mil, d v s 20 till 55 GJ drivmedel per hektar motsvarar cirka 800 till 2200 mils transporttjänst. Tabell 6. Energibalanser för analyserade bränslekedjor och olika kombinationer av dessa. Bränslekedja Energiinsats Energiutbyte Energibalans Energiinsats (GJ/ton) (GJ/ton) (drivm.utbyte / energiinsats) (% av energiinnehåll i drivmedel) 1. Vall biogas 1,18 2,5 2, a. Vete biogas Halm plöjs 4, ,8 2, b. Vete biogas Halm biogas 4,54 2,59 10,8 5,8 2, a. Vete etanol Drank foder Halm plöjs 7,06-0, ,6 1, b. Vete etanol Drank biogas 1 Halm plöjs 5,06 3 0,94 0 8,6 3,2 1, c. Vete etanol Drank biogas 1 Halm biogas 5,06 3 0,94 2,59 8,6 3,2 5,8 2, Omräknat till vete-ekvivalenter baserat på en massfördelning om 30 % drank och 70 % etanol från ett ton vete. 2 Energiinsatsen för odling av vete reduceras med 30 % då denna energiinsats allokeras till foderproduktion i form av drank. Energiinsats för transport av drank till avnämare inkluderas. 3 Exklusive insatsenergi för torkning av drank då detta inte behövs när dranken rötas i stället för att utnyttjas till foder. 9

15 Tabell 7. Effektivitet i åkermarksutnyttjande för analyserade drivmedelskedjor och kombinationer av dessa. Bränslekedja Energiinsats Energiutbyte (brutto) Nettodrivmedelsutbyte (GJ/hektar och år) (GJ drivmedel/ hektar och år) (GJ drivmedel/ hektar och år) 1. Vall biogas a. Vete biogas Halm plöjs b. Vete biogas Halm biogas a. Vete etanol Drank foder Halm plöjs (23) 1 3b. Vete etanol Drank biogas Halm plöjs c. Vete etanol Drank biogas Halm biogas Hänsyn har här tagits till att 30 % av hektarskörden omvandlas till foder (drank), d v s etanolproduktionen tar bara 0,7 hektar i anspråk om alternativanvändningen av åkermarken antas vara foderproduktion Känslighetsanalys I Tabell 8 beskrivs hur energibalans och nettodrivmedelsutbyte per hektar förändras när energiinsats respektive biomasseskörd ökar eller minskar 30 % jämfört med grundalternativet. Som framgår av denna känslighetsanalys medför 30 % lägre energiinsats för vallbaserad biogas att energibalansen blir bättre än för vetebaserad biogas. En minskad energiinsats om cirka 12 % för vallbaserad biogas medför att energibalansen blir ungefär samma som för vetebaserad biogas. För att nettodrivmedelsutbytet per hektar ska bli högre för vallbaserad biogas krävs en cirka 30 %-ig högre vallskörd, alternativt en 30 %-ig lägre veteskörd. Ungefär samma sak gäller vid jämförelsen med vetebaserad etanol när drank och halm utnyttjas för drivmedelsproduktion. En 30 %-ig lägre energiinsats vid etanolproduktion medför fortfarande att vetebaserad etanol har lägst energibalans när drank och halm ej utnyttjas för energiändamål. Trots en ökad veteskörd om 30 % är nettodrivmedelsproduktion per hektar fortfarande lägst för vetebaserad etanol när biprodukterna ej utnyttjas för drivmedelsproduktion. 10

16 Tabell 8. Förändrad energibalans och nettodrivmedelsutbyte per hektar när energibalans respektive skördenivå ökar eller minskar 30 %, jämfört med grundalternativet. 1 Bränslekedja Energibalans Nettodrivmedelsutbyte 30 % högre 30 % lägre 30 % lägre skörd 30 % högre skörd energiinsats energiinsats (drivm.utbyte / (drivm.utbyte / (GJ drivmedel/ energiinsats) energiinsats) hektar och år) 1. Vall biogas 1,5 2, (GJ drivmedel/ hektar och år) 2a. Vete biogas Halm plöjs 2b. Vete biogas Halm biogas 3a. Vete etanol Drank foder Halm plöjs 3b. Vete etanol Drank biogas Halm plöjs 3c. Vete etanol Drank biogas Halm biogas 1 Se Tabell 6 och 7. 1,7 3, ,6 3, ,9 1, ,4 2, ,4 2, Slutsatser och diskussion Ur resurs- och energieffektivitetssynpunkt framstår vetebaserad biogas för fordonsdrift som ett bra alternativ jämfört med vetebaserad etanol och vallbaserad biogas. Vetebaserad biogas har högst energibalans (drivmedelsutbyte dividerat med total energiinsats) och drivmedelsutbyte (netto) per hektar, när också halmen tas tillvara och utnyttjas för biogasproduktion. Vallbaserad biogas och vetebaserad etanol har ungefär samma energibalans och drivmedelsutbyte per hektar, när biprodukterna halm och drank vid etanolproduktion tas tillvara och utnyttjas för biogasproduktion. När dranken vid etanolproduktion utnyttjas som fodermedel blir vallbaserad biogas ett bättre alternativ. När drank och halm utnyttjas för biogasproduktion vid vetebaserad etanolproduktion blir nettoutbytet av drivmedel per hektar större än för vallbaserad biogas och nästan lika högt som för vetebaserad biogas. Ett alternativ till att utnyttja halmen för biogasproduktion är att förbränna denna för värmeproduktion som sedan används internt vid vetebaserad etanol- respektive biogasproduktion. Detta alternativ har inte analyserats i denna studie, men kommande analyser kan komma att visa att förbränning av halm för intern värmeproduktion/värmeanvändning möjligen ger en högre total energieffektivitet. 11

17 Det finns ett flertal olika studier där energieffektiviteten för olika typer av drivmedelskedjor analyserats. Ett exempel är en europeisk s k well-to-wheel -studie, där bl a biogas och etanol ingår (GM, 2002). Denna studie är dock inte helt jämförbar med föreliggande studie eftersom etanolproduktionen baseras på sockerbetor och biogasproduktionen på organiskt hushållsavfall. Resultatet från denna europeiska studie visar att energiinsatserna är betydligt lägre vid produktion av biogas än vid produktion av etanol, men då ingår ingen energiinsats för produktion av råvaran för biogasproduktionen eftersom denna utgörs av en restprodukt. Om energigrödor som vall utnyttjas i stället för biprodukter ökar energiinsatsen eftersom energi krävs för odling och skörd. Föreliggande studie visar att energiinsatsen vid odling och skörd utgör cirka 35% av den totala energiinsatsen för framställning av vallbaserad biogas. En tidigare energianalys av biogassystem visar att energibalansen för biogas baserad på organiskt hushållsavfall är cirka 50% högre än för vallbaserad biogas (Berglund och Börjesson, 2003). Denna studie fokuserar på energi- och resurseffektivitet för vete- och vallbaserade drivmedelskedjor. Andra viktiga aspekter att beakta vid jämförelser mellan olika drivmedelskedjor är miljöpåverkan och kostnadseffektivitet. Eftersom inga etanol/biogaskombinat finns byggda saknas t ex kostnadsuppskattningar för rötning av drank i samband med jäsning av vete. Detta koncept kan visa sig ekonomiskt fördelaktigt, eller kostsamt. Ett annat alternativ är att transportera dranken till en närliggande, fristående biogasanläggning. Faktorer som spelar in i för kostnaderna är transportavstånd, tillgång på andra råvaror etc. Kostnadsuppskattningar för olika alternativa lösningar kommer därför sannolikt att variera utifrån lokala förutsättningar. Ett sätt att värdera olika drivmedelskedjor ur miljösynpunkt är att jämföra deras s k bränslecykelemissioner. Dessa inkluderar alla direkta och indirekta emissioner som produktionen och användningen av respektive drivmedel ger upphov till. En tidigare analys visar att miljöpåverkan vid odlingsfasen kan ha stor påverkan på de totala bränslecykelemissionerna för åkerbränslebaserade drivmedel (Börjesson och Berglund, 2003). Ofta har fleråriga grödor en mer positiv miljöpåverkan än ettåriga grödor. Exempel är lägre kväveläckage och minskad användning av kemiska gödselmedel och bekämpningsmedel när t ex vall odlas i stället för vete (Börjesson, 1999). Detta innebär att vallbaserad biogas kan vara mer fördelaktigt ur miljösynpunkt än vetebaserad biogas trots att vetebaserad biogas har högre energibalans och nettodrivmedelsutbyte per hektar. För att kunna göra en fullständig miljöbedömning krävs därför en miljösystemstudie som i sin tur bygger på resultaten från denna energisystemanalys. 12

18 8 Referenser Agroetanol AB (2004). Norrköping. Bakay A., Hansson P-A., Norén O. och Nordberg Å. (2002). Grön traktor Alternativa drivmedel för det ekologiska lantbruket. JTI-rapport 302, Institutet för jordbruks- och miljöteknik, Uppsala. Berglund M. och Börjesson P. (2003). Energianalys av biogassystem. Rapport 44, Miljö- och energisystem, Lunds Tekniska Högskola, Lund. Börjesson P. och Berglund M. (2003). Miljöanalys av biogassystem. Rapport 45, Miljö- och energisystem, Lunds Tekniska Högskola, Lund. Börjesson P. (1999). Environmental effects of energy crop cultivation in Sweden Part I: identification and quantification. Biomass and Bioenergy, Vol. 16, pp Börjesson P. (1994). Energianalyser av biobränsleproduktion i svenskt jord- och skogsbruk. Rapport 17, Miljö- och energisystem, Lunds Tekniska Högskola, Lund. Edström M. och Nordberg Å. (2001). Bedömning av rötbarhet hos drank och vete Ett projekt utfört på uppdrag av Eskilstuna Energi- och Miljö. JTI-uppdragsrapport, Institutet för jordbruks- och miljöteknik, Uppsala. GM (General Motors) (2002). GM well-to-wheel analysis of energy use and greenhouse gas emissions of advanced fuel/vehicle systems A European study. L-B-Sytemtechnik Gmbh, Ottobrunn, Germany. Linné M. (2004). Personlig kommunikation. BioMil AB, Lund. SCB (2003). Jordbruksstatistisk årsbok Statistiska Centralbyrån, Örebro. Sonesson U. (1993). Energianalyser av biobränslen från höstvete, raps och salix. Rapport 174, Inst. För lantruksteknik, Sveriges lantbruksuniversitet, Uppsala. Tidåker P. (2003). Life cycle assessment of grain production using source-separated human urine and mineral fertiliser. Report 251, Dept. of Agricultural Engineering, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala. 13

19 Mars 2004 Reports from the Department of Environmental and Energy Systems Studies Lars Nilsson, Eric D. Larson, A System-Oriented Assessment of Electricity Use and Efficiency in Pumping and Air-Handling, IMES/EESS Report No. 1, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, September Tomas Ekwall, Energy Demand for Residential Air Conditioning in Developing Countries, IMES/EESS Report No. 2, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, February Tomas Ekwall, Elektrotermiska processer i svensk industri, IMES/EESS Report No. 3, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, April Per Svenningsson, Omvandling av energi - hur stort är primärenergibehovet för att leverera energi till slutlig användning?, IMES/EESS Report No. 4, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, September ISRN LUTFD2/TFEM--91/3001--SE + (1-121) ISBN Johan Callin, Björn Svennesson, Eric White, Energy and industrialization, The choise of technology in the paper and pulp industry in Tanzania, Master Thesis, IMES/EESS Report No. 5, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, February Mattias Lundberg, Samproduktion av el och värme med gasturbiner och gasmotorer, En analys av hur mycket el som kan produceras med kraftvärmeteknik som har högt el till värmeförhållande, IMES/EESS Report No. 6, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, September ISRN LUTFD2/TFEM--91/3002--SE + (1-140) ISBN Brita Olerup, Att genomföra förändringar - En effektivare energi-användning, IMES/EESS Report No. 7, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May Anders Mårtensson, Energy Efficiency Improvement by Measurement and Control. A case study of reheating furnaces in the steel industry, IMES/EESS Report No. 8, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, March ISRN LUTFD2/TFEM--92/3003--SE + (1-48) ISBN Deborah Wilson, Evaluating Alternatives: Aspects of an Integrated Approach Using Ethanol in Thailand's Transportation Sector, IMES/EESS Report No. 9, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--93/3004--SE + (1-42) ISBN

20 Mars 2004 P. Schlyter, G. Bengtsson, Bedömning av kronutglesning hos gran och tall i fält och i storskaliga flygbilder, IMES/EESS Report No. 10, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--93/3005--SE + (1-33) ISBN Anders Mårtensson, Supply Quality Control at Large Scale Integration of Renewable Energy Sources of Electricity in the Swedish National Grid, IMES/EESS Report No. 11, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--93/3006--SE + (1-29) ISBN Anders Mårtensson, Evaluating Energy Efficiency Improvements - A Case Study on Information Technology for Steel Heating Furnaces, IMES/EESS Report No. 12, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, July ISRN LUTFD2/TFEM--93/3007--SE + (1-41) ISBN Lars Lundahl, The Wind Water Tunnel at IMES- A Facility for Empirical Studies of Aerosol Deposition, IMES/EESS Report No. 13, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, March ISRN LUTFD2/TFEM--94/3008--SE + (1-36) ISBN Joel Swisher, Dynamics of Electric Energy Efficiency in Swedish Residential Buildings, IMES/EESS Report No. 14, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, March ISRN LUTFD2/TFEM--94/3009--SE + (1-25) ISBN Joel Swisher, Lena Christiansson, Dynamics of Energy Efficiency in Lighting and Other Commercial Uses in Sweden, IMES/EESS Report No. 15, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, April ISRN LUTFD2/TFEM--94/3010--SE + (1-33) ISBN Richard Weston, Aerosol Deposition: Process Modelling Experiments, IMES/EESS Report No. 16, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, April ISRN LUTFD2/TFEM--94/3011--SE + (1-50) ISBN Pål Börjesson, Energianalyser av biobränsleproduktion i svenskt jord- och skogsbruk - idag och kring 2015, IMES/EESS Report No. 17, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, July ISRN LUTFD2/TFEM--94/3012--SE + (1-63) ISBN

21 Mars 2004 Annika Carlsson, Developing a Methodology to Assess Environmental Effects of Consumption Patterns - A Case Study, IMES/EESS Report No. 18, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--94/3013--SE + (1-61) ISBN Annika Carlsson, Swedish Food Consumption and the Environment - a Trend Analysis During the Period of Consumerism, IMES/EESS Report No. 19, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, June ISRN LUTFD2/TFEM--95/3014--SE + (1-40) ISBN Britt-Marie Johnsson, Axis och miljö - en nulägesrapport, IMES/EESS Report No. 20, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, April ISRN LUTFD2/TFEM--96/3015--SE + (1-62) ISBN Lena Christiansson, Dynamics of Electricity Efficiency in Commercial Air-Distribution Systems in Sweden, IMES/EESS Report No. 21, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, April ISRN LUTFD2/TFEM--96/3016--SE + (1-24) ISBN Mindaugas Raulinaitis, Biomass for Heat and Electricity: a Sustainable Resource in the Lithuanian Energy System, IMES/EESS Report No. 22, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, August ISRN LUTFD2/TFEM--96/3017--SE + (1-48) ISBN Jürgen Salay, Electricity Production and SO2 Emissions in Poland's Power Industry, IMES/EESS Report No. 23, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, September ISRN LUTFD2/TFEM--96/3018--SE + (1-38) ISBN Annika Carlsson, Greenhouse Gas Emissions in the Life-Cycle of Carrots and Tomatoes, IMES/EESS Report No. 24, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, June ISRN LUTFD2/TFEM--97/3019--SE + (1-74) ISBN Sophia Chong, Institutions in an Era of Global Warming on Institutional Dynamics in the European Union, IMES/EESS Report No. 25, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--98/3020--SE + (1-22) ISBN

22 Mars 2004 Johannes Stripple, The Image of Climate Change: On Organisational Cognition and Responses, IMES/EESS Report No. 26, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, January ISRN LUTFD2/TFEM--98/3021--SE + (1-24) ISBN Jessica Johansson and Ingrid Wigstrand, Källsortering för ökad återvinning hos Skanska Prefab, (Increased recovery through source separation at Skanska Prefab), IMES/EESS Report No. 27, Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, June ISRN LUTFD2/TFEM--98/3022--SE + (1-168) ISBN Joakim Nordqvist, Rural Residential District Heating in North China, IMES/EESS Report No. 28, Department of Technology and Society, Envrionmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, June ISRN LUTFD2/TFEM--00/3023--SE + (1-75) ISBN Jannice Hansson, Miljöledningssystem i Skanska Väg, Region Syd, IMES/EESS Report No. 29, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, June ISRN LUTFD2/TFEM--00/3024--SE + (1-xx) ISBN Peter Helby, Voluntary agreements, implementation and efficiency. European relevance of case study results. Reflections on transferability to voluntary agreement schemes at the European level. IMES/EESS Report No. 30, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--00/3025--SE + (1-64) ISBN Jonas Kågström, Kerstin Åstrand and Peter Helby, Voluntary agreements, implementation and efficiency. Swedish country study report. Covering the EKO-Energi programme. With case studies in pulp and paper and heavy vehicle manufacturing. IMES/EESS Report No. 31, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--00/3026--SE + (1-105) ISBN Peter Helby, Renewable energy projects in Sweden: An overview of subsidies, taxation, ownership and finance. IMES/EESS Report No. 32, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--00/3027--SE + (1-36) ISBN

23 Mars 2004 Peter Helby, Renewable energy projects in Denmark: An overview of subsidies, taxation, ownership and finance. IMES/EESS Report No. 33, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--00/3028--SE + (1-52) ISBN Pål Börjesson, Framtida tillförsel och avsättning av biobränslen i Sverige - Regionala analyser. IMES/EESS Report No. 34, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, June ISRN LUTFD2/TFEM--01/3029--SE + (1-49) ISBN Bengt Johansson, Pål Börjesson, Karin Ericsson, Lars J Nilsson and Per Svenningsson, The Use of Biomass for Energy in Sweden Critical Factors and Lessons Learned. IMES/EESS Report No. 35, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, August ISRN LUTFD2/TFEM--02/3030--SE + (1-46) ISBN Birgitta Henecke and Jamil Khan, Medborgardeltagande i den fysiska planeringen en demokratiteoretisk analys av lagstiftning, retorik och praktik. IMES/EESS Report No. 36, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, November ISSN ISRN LUTFD2/TFEM--02/3031--SE + (1-44) ISBN Pål Börjesson, Göran Berndes, Fredrik Fredriksson and Tomas Kåberger, Multifunktionella bioenergiodlingar. IMES/EESS Report No. 37, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, November ISRN LUTFD2/TFEM--02/3032--SE + (1-112) ISBN Pål Börjesson, Anders Christian Hansen, Peter Helby, Anders Roos, Håkan Rosenqvist and Linn Takeuchi, Market development for sustainable bioenergy systems in Sweden. (The BIOMARK project). IMES/EESS Report No. 38, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, January ISRN LUTFD2/TFEM--03/3033--SE + (1-193) ISBN Nilla Emanuelsson, Lotta Strömberg, Förslag på energisystemlösningar för bostäder tillhörande Högestads och Christinehofs Fideikommiss AB. IMES/EESS Report No. 39, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, January ISRN LUTFD2/TFEM--03/5001--SE + (1-105)

24 Mars 2004 Lena Neij, Per Dannemand Andersen, Michael Durstewitz, Peter Helby, Martin Hoppe-Kilpper, Poul Erik Morthorst, Experience curves: a tool for energy policy programmes assessment. IMES/EESS Report No. 40, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, January ISRN LUTFD2/TFEM--03/3034--SE + (1-146) ISBN Peter Joelson, Environment and Economy in Symbiosis? Experiences of Environment Management with Environmental Management System from Small Swedish Energy Enterprises. IMES/EESS Report No. 41, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--03/5002--SE + (1-94) Linn Takeuchi, Subcontractors and Component Suppliers in the Swedish Wind Power Industry. IMES/EESS Report No. 42, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--03/3035--SE + (1-95) ISBN Petter Rönnborg, Borta med vinden: En analys av konkurrensen mellan leverantörer av vindkraftverk i Sverige. IMES/EESS Report No. 43, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--03/3036--SE + (1-76) ISBN Maria Berglund and Pål Börjesson, Energianalys av biogassystem. IMES/EESS Report No. 44, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--03/3037--SE + (1-90) ISBN Pål Börjesson and Maria Berglund, Miljöanalys av biogassystem. IMES/EESS Report No. 45, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, May ISRN LUTFD2/TFEM--03/3038--SE + (1-80) ISBN Kerstin Åstrand och Lena Neij, Styrmedel för vindkraftens utveckling i Sverige. IMES/EESS Report No. 46, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, November ISRN LUTFD2/TFEM--03/3039--SE + (1-102) ISBN

25 Mars 2004 Jamil Khan, Planering av biogasanläggningar. IMES/EESS Report No. 47, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, July ISRN LUTFD2/TFEM--03/3040--SE + (1-54) ISBN Bengt Johansson, Nationella mål och flexible mekanismer. IMES/EESS Rapport Nr. 48, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, November ISRN LUTFD2/TFEM--03/3041--SE + (1-28) ISBN Ole Langni, Governance Structures for Promoting Renewable Energy Sources. IMES/EESS Report No. 49, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, December ISRN LUTFD2/TFEM--03/3042--SE + (1-280) ISBN Anna Evander, Framtida utformning av CDM. IMES/EESS Rapport Nr. 50, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, januari ISRN LUTFD2/TFEM--04/5003--SE + (1-67) Maria Andersson, Utvärdering av miljöarbetet på Forsmark relaterat till införande av ett miljöledningssystem - med inriktning mot avfallshantering och upphandling. IMES/EESS Report No. 51, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, januari 2004 ISRN LUTFD2/TFEM--04/5004--SE + (1-74) Linda Gustavsson, Utvärdering av miljöarbetet på Ringhals kärnkraftverk efter införandet av ett certifierat miljöledningssystem. IMES/EESS Report No. 52, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, januari ISRN LUTFD2/TFEM--04/3043--SE + (1-90) ISBN Max Åhman, Government policy and environmental innovation in the automobile sector in Japan. IMES/EESS Report No. 53, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, January 2004 ISRN LUTFD2/TFEM--04/3044--SE + (1-31) ISBN Pål Börjesson, Energianalys av drivmedel från spannmål och vall. IMES/EESS Report No. 54, Department of Technology and Society, Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Sweden, March ISRN LUTFD2/TFEM--04/3045--SE + (1-16) ISBN

26 ISRN LUTFD2/TFEM--04/3045--SE + (1-16) ISBN