Upload
duongcong
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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?
Exempel • Öka byggandet med trä • Använd trärester för energi
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
Energy supply system
- Coal-based electricity for material production
- Bioenergy replace coal
- Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses
Energy supply system
- Bioenergy replace coal
- Full energy chain accounting, including conversion / fuel cycle losses
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)
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
Minskad värmeproduktion flispanna
Hur påverkar energihushållning i byggnader fjärrvärmeproduktion
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.
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
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.
-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%
Minskad värmeproduktion flispanna
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!
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