Nya drivmedel 23 november 2017 Maria Grahn Forskare Energisystemanalys och styrkeområdesledare tema Energi Institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap Fysisk resursteori
Olika drivmedelsalternativ från olika energikällor lämpar sig olika bra för olika transportslag Biodrivmedel och elektrobränslen fungerar i alla transportslag Fossila (olja, naturgas, kol) Flytande drivmedel (petro, metanol, etanol, biodiesel ) ICEV, HEV (internal combustion engine vehicles and hybrids) Flyg Sjöfart Biomassa Sol, vind etc Produktion av elektrobränslen CO 2 Elektricitet Metan (biogas, syntetisk metan, naturgas) Vätgas Elektrolys Vatten FCV (fuel cell vehicles) BEV, PHEV (battery electric vehicles) Induktiv och konduktiv elektricitet Väg (kort) (bilar, bussar, distributionslastbilar, arbetsmaskiner) Väg (lång) (långfärdsbussar och lastbilar) Spår (tåg, spårvagn) ENERGIKÄLLOR DRIVMEDEL FRAMDRIVNINGSTEKNIKER TRANSPORTSLAG
Cellulosa & Lignin Skog, skogsplantage, svartlut Stärkelse Spannmål, vete, korn, majs mm Socker Olja Raps, solrosfrön Alternativa drivmedel från biomassa Förbränning Förgasning Syntesgas bildas Rötning Biogas bildas Jäsning av socker Elektricitet Vätgas Fischer-Tropsch bränslen DME (Dimetyleter) Metanol Metan Restflöden från skogsbruk, jordbruk och övr. samhället Sågspån, halm, sopor, slam, slakteriavfall, gödsel BIOMASSA Pressning och esterisering Vätebehandling OMVANDLINGSPROCESSER Etanol FAME (Fatty acid methyl ester, eg RME) HVO Hydrerade vegetabiliska oljor ENERGIBÄRARE
Vilket drivmedel är bäst? Beror på Idag? I framtiden? I Sverige? Globalt? I städer? På landsbygd? När det gäller kostnader? Energieffektivitet? Klimatpåverkan? Hälsoeffekter? Arbetstillfällen? Energisäkerhet? Landsbyggdsutveckling? Markeffektivitet? Tillgång på råvaror? Behov av ny infrastruktur? Förändring av beteende?
Energy balance and climate impact Coal-based DME, diesel Conventional gasoline, diesel Ethanol (wheat, sugerbeet) Biodiesel (FAME, HVO) Wood-based DME, diesel Ethanol (cellolose, sugarcane) Biogas (manure) Well-to-wheel energy expended and greenhouse gas emissions for different fuel production pathways, assuming technology matureness by year 2020. All biofuel options are plotted as neat products. Pathways differ depending on different primary energy sources (e.g., farmed wood, waste wood, straw, corn, wheat, sugarbeet, sugarcane, municipal waste, manure), different types of added energy to the conversion process (e.g., renewable, natural gas, lignite coal), and different co-products (e.g., animal feed, biogas, electricity). Source: CONCAWE, Eucar, Joint Research Centre.
Land efficiency Bäst värde bruttoutbyte Cellulosa till metan. Bäst värde nettoutbyte. Average net (netto) and gross (brutto) biofuels produced per hectare and year, on average arable land, in southern Sweden (Götalands södra slättbyhgder). Translation of the analyzed biofuel option from the left: wheat-ethanol, wheat-biogas, sugarbeetethanol, sugarbeet-biogas, rapeseed methyl esther, pasture-biogas, corn-biogas, willow-ethanol, willow-fischer-tropsch-diesel, willow- DME/methanol, willow-biomethane, poplar-ethanol, poplar-fischer-tropsch-diesel, poplar-dme/methanol, poplar-biomethane. Börjesson P. 2007. Produktionsförutsättningar för biobränslen inom svenskt jordbruk [Production conditions of bioenergy in Swedish agriculture] and Förädling och avsättning av jordbruksbaserade biobränslen [Conversion and utilisation of biomass from Swedish agriculture]. Two reports (Lund reports No 61 and 62) included as Appendix to Bioenergi från jordbruket en växande resurs [Appendix to Bioenergy from Swedish agriculture a growing resource], Statens offentliga utredningar 2007:36. Jordbrukets roll som bioenergiproducent Jo 2005:05. Available at http://www.regeringen.se/content/1/c6/08/19/74/5c250bb0.pdf.
Multi-criteria analysis Best value biomethane Source: Tsita K.G, Pilavachi P.A. (2013). Evaluation of next generation biomass derived fuels for the transport sector. Energy Policy 62: 443 455.
New types of fuels? Electrofuels Heavy alcohols and ethers Ammonia?
Example of blendable chemicals for diesel (fit into EN590) Analysed in the ongoing project Future Fuels
Mina reflektioner kring framtidens drivmedel Tre huvudgrupper alternativa drivmedel har potential att komma ner i nästan nollutsläpp: bränslen som innehåller kolatomer (biodrivmedel/ elektrobränslen), el, vätgas Drivmedel som har en fördel är de som kan blandas i konventionella bränslen (alkoholer, biodiesel, elektrobränslen) bidrar till mindre bullriga städer och renare luft (el och vätgas) satsas på inom EU (el, metan och vätgas). Det är högst sannolikt att det kommer att finnas flera parallella lösningar. Det finns många fördelar med elfordon i städer. Sannolikt el i städer. Det finns många utmaningar med el till långväga transporter (speciellt flyg och sjöfart). Elektrobränslen kan komplettera biodrivmedel för dessa transportslag. Vänta inte på den enda rätta lösningen.
Min forskning kopplas starkast till SDG nr 7 men även till
EXTRA
Production of electrofuels Water (H 2 O) Other hydrogen options (H 2 ) Carbon dioxide CO 2 El Electrolysis 400-3700 2015 /kw elec Hydrogen (H 2 ) CO 2 from air and seawater CO 2 from combustion Heat H 2 How to utilize or store possible future excess electricity How to substitute fossil based fuels in the transportation sector, especially aviation and shipping face challenges utlilzing batteries and fuel cells. Synthesis reactor (e.g. Sabatier, Fischer-Tropsch) 30-2100 2015 /kw fuel Electrofuels 5-10 /tco 2 CO 2 Methane (CH 4 ) Methanol (CH 3 OH) DME (CH 3 OCH 3 ) Biofuel production Biofuels Higher alcohols, e.g., Ethanol (C 2 H 5 OH) Higher hydrocarbons, e.g., Gasoline (C 8 H 18 ) Biomass (C 6 H 10 O 5 ) How to utilize the maximum of carbon in the globally limited amount of biomass
Results on available CO 2 sources in Sweden Tot 45 Mt CO 2 How much fuel can be produced? - 45 MtCO 2 /yr (fossil+renewable) - 30 MtCO 2 /yr is recoverable from biogenic sources =>110 TWh/yr electro-methanol Sweden Assuming replacing all bunker fuel (TWh) 22 Electricity demand (TWh) 42 Carbon dioxide (Mton) 6 Current electricity use in Sweden (TWh) 140 RE generation goal 2020 (TWh) 30 Ref: Hansson J, Hackl R, Taljegård M, Brynolf S and Grahn M (2017). The potential for electrofuels production in Sweden utilizing fossil and biogenic CO2 point sources. Frontiers in Energy Research 5:4. doi: 10.3389/fenrg.2017.00004 http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fenrg.2017.00004/full
Koldioxidutsläpp från transportsektorn kan minskas genom CO 2 utsläpp Energibehov CO 2 utsläpp per energienhet Energibehov per km Antal körda km 1. Energieffektivare fordon/fartyg (ex. el-hybrider, energisnålare motorer) 2. Val av energieffektivare trafikslag (ex. tåg vs flyg, cykel/kollektivtrafik vs bil) 3. Energisnålare körsätt (ex. ecodriving, platooning) 4. Öka antalet passagerare resp mängd gods per fordon/fartyg 5. Skapa transportsnål bebyggelsestruktur 6. Resfria dagar 7. Längre lastbilar och större fartyg. 8. Bryta sambandet mellan transportbehov och ekonomisk tillväxt 9. Fortsatt introduktion av drivmedel med låga CO 2 -utsläpp