Biobränsle i Energisystemet Dagens kunskapsläge och framtidens utmaningar 6:e maj 2015 Stockholm City Conference Centre

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)* EJ/yr 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

Virkesförråd på produktiv skogsmark historisk och framskriven utveckling Milj m 3 sk 5000 4000 3000 2000 1000 Miljö Produktion Referens Historiskt virkesförråd 0 1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090 2110 År 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

Hur kan skogen bidra till minskad klimatpåverkan? En holistisk förståelse behövs

Hur kan skogen bidra till minskad klimatpåverkan? Behåll (öka) kolförrådet i skogen

Hur kan skogen bidra till minskad klimatpåverkan? Exempel Öka byggandet med trä Använd trärester för energi

Limnologen

Stora mängder biprodukter Skogen Byggplats Träbearbetning 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 - Coal-based electricity for material production - Bioenergy replace coal - Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses Energy supply system - Resistance heating, or heat pump, or district heating - District heating produced with a biomassfired CHP plant - Electricity produced with a biomass-fired condensing plant - Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses Energy supply system - Bioenergy replace coal - Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses

Exempel på energikedja för rumsuppvärmning Primärenergianvändning Slutlig energianvändning

Energihushållning i befintliga byggnader Viktigt att beakta vid analys och utformning av energiförsörjningssystem Ett exempel: flerbostadshus från 1960s-talet 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 Exterior (below the walls of facades ground level) West facade 7.5 12 107 East facade 6.2 18 107 110 Basement and attic slab 400 North facade 55 22 220 South facade 127 38 160 Adapted from: Bonakdar, F., Dodoo, A., Gustavsson, L., Cost-optimum analysis of Sustainable Built Environment Research 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 60 57 % Värmehushållning (%) 50 40 30 20 10 9.6 % 31.7 % 0 BAU¹ Genomsnitt² Hållbart³ Scenario ¹ Tilläggsisolering av grund och vindsbjälklag ² 1 + byte av fönster ³ 2 + Tilläggsisolering av väggar Scenario Ränta Energiprisökning BAU 5% 1% Genomsnitt 3% 2% Hållbart 1% 3% 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)

Studerad byggnad i Växjö: q 4 våningar byggt 1994 q q 40 16 lägenheter 1190 m 2 uppvärmd yta 30 Energihushållning ett exempel 20 10 0 Building heat demand (kw) 15 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 45 Initial 40 + Improved taps 35 + Improved windows & doors 30 + Additional roof insulation + Additional external wall insulation 25 + Ventilation heat recovery 20 + Efficient electric appliances 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Day

Förnybar fjärrvärmeproduktion optimerat system Fjärrvärmelast (MW) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 45 MW Träpulver panna 66 MW Flispanna 69 MW heat Biokraftvärme 0 50 100 150 200 250 300 350 Dygn Produktionskostnad ( /MWh) - Träpulver panna: 219,5 - Flis panna: 39,4 - Biokraftvärme: 30,1 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.

Fjärrvärmelast (MW) Byggnadens värmebehov (kw) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Hur påverkar energihushållning i byggnader fjärrvärmeproduktion 45 MW Träpulver panna 66 MW Flispanna 69 MW heat Biokraftvärme 0 50 100 150 200 250 300 350 Dygn Minskad värmeproduktion träpulver panna Minskad värmeproduktion flispanna 0 50 100 150 200 250 300 350 Produktionskostnad ( /MWh) - Träpulver panna: 219,5 - Flis panna: 39,4 - Biokraftvärme: 30,1 Minskad värmeproduktion biokraftvärme Minskad värmeproduktion flispanna Före energihushållning i byggnad Efter energihushållning i byggnad Dygn 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.

Hur påverkar energihushållning i byggnader fjärrvärmeproduktion Primärenergibesparing (kw) 0-5 -10-15 -20-25 Dygn 0 50 100 150 200 250 300 350 Minskad värmeproduktion träpulver panna 17% Minskad värmeproduktion biokraftvärme 14% Minskad värmeproduktion flispanna - 69,0% Minskad värmeproduktion flispanna 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.

Produktionskostnad fjärrvärme Systemstorlek 610 GWh/år Produktionskostnad fjärrvärme ( /MWh heat ) Inga skatter Skadekostnad vid 550ppm Skadekostnad vid BAU Förnybart Skadekostnad vid 550 ppm 0,20 SEK per kgco 2 Skadekostnad vid BAU 0,55 SEK per kgco 2 Baserat på Sternrapporten 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

Produktionskostnad fjärrvärme Olika stora fjärrvärmesystem 40 District heat production cost ( /MWh) 35 30 25 20 15 10 5 0 Size (GWh heat ): 100 300 610 1200 1800 100 300 610 1200 1800 100 300 610 1200 1800 100 300 610 1200 1800 Scenario: No tax Swedish tax Social cost- 550ppm Social cost- BAU Skadekostnad vid 550 ppm 0,20 SEK per kgco 2 Skadekostnad vid BAU 0,55 SEK per kgco 2 Baserat på Sternrapporten 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

Produktionskostnad fjärrvärme Olika stora fjärrvärmesystem och olika omvandlingstekniker District heat production cost ( /MWh) 40 30 20 10 Heat-only boilers DME unit CHP unit 0 120 300 612 (Reference) 1200 1800 Scale of district heating system (GWh heat /year) Adapted from: Truong N.L. and Gustavsson L. 2013. Integrated biomassbased production of district heat, electricity, motor fuels and pellets of different scales. Applied Energy 104:623-632

Mercedes-Benz B-klass - användning av biomassa och utsläpp av CO 2 per km körsträcka 1.6 Användning biomassa Biomass use (kwh/km) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 MEOH DME BIGCC CHP-BIGCC CO 2 emission (g CO2 /km) 600 500 400 300 200 100 0 Biogenic CO 2 Fossil CO 2 Drivmedel El MEOH DME BIGCC CHP-BIGCC Gasoline Diesel Drivmedel El Drivmedel Adopted from Leif Gustavsson, Nguyen Le Truong (2015). Effects of different bioenergy pathways on primary energy efficiency, CO 2 emission and energy system integration. Manuscript.

Greenhouse gases cause an imbalance between incoming and outgoing radiation - radiative forcing heat is trapped Integrated over time, cumulative radiative forcing (CRF) is W-s/m 2, 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 Longwave radiation (e.g. heat) Greenhouse gases Shortwave radiation (e.g. light) Figure not to scale!

Atmospheric decay of unit pulses of GHGs (IPCC 1997, 2001, 2007, 2013)

Radiative forcing (W/m 2 ) due to GHG concentration change F CO 2 = 3.7 ln(2) ln 1 + ΔCO CO 2 2ref F CH ( ΔCH + CH CH ) f ( M, ) = 0.036 4 4 4 4 N ref ref where CO 2ref = 400 ppmv, CH 4ref = 1800 ppbv Assumes relatively minor marginal changes in GHG concentrations f(m,n) accounts for spectral overlap between N 2 O and CH 4 Radiative forcing not related to GHGs (e.g. albedo change) is not considered (IPCC 1997, 2001, 2007, 2013)

Livscykelperspektiv på CO 2 emissioner från bioenergi och fossila system Kolkälla Biogenic Bioenergi Skogsrester skördas och används för energi Energisystem Fossilt Skogsrester lämnas i skogen och bryts successivt ned Fossilt Fossila bränslen används för skörd och transport av biobränsle Fossila bränslen används för energi

Förändrad strålningsbalans (CRF) då ett ton torr träbiomassa ersätter fossil energi Biodrivmedel (DME) ersätter diesel Biokraftvärme ersätter naturgaskraftvärme Biokraftvärme ersätter kolkraftvärme Grenar och toppar, internationell transport, centralt i Sverige, Q-decay model 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

Förändrad strålningsbalans CRF (mw s m-2) då ett ton torr träbiomassa ersätter fossil energi Biodrivmedel (DME) ersätter diesel Biokraftvärme ersätter naturgaskraftvärme Biokraftvärme ersätter kolkraftvärme Grenar och toppar, internationell transport, centralt i Sverige, Q-decay model 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

Slutsatser/diskussion 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