050429 biomass maria - page closedfy.chalmers.se/~np97magr/undervisn/050429_biomass_maria.pdf ·...

KoldioxidneutralaKoldioxidneutrala tillförselsystemtillförselsystem II:II:

BiomassaBiomassa

FöreläsningFöreläsning 1313Maria GrahnMaria Grahn

CO2

Samma mängd COSamma mängd CO22 som binds in i biomassa som binds in i biomassa släpps sedan ut vid förbränning släpps sedan ut vid förbränning

Det naturliga kretsloppet

CO2

SkogssektornSkogssektorn Biodiversitet, jakt, fiske, rekreation, m.m.

Källa: Bengt Kriström

ÅrligÅrlig tillväxttillväxt ochoch avverkningavverkning avav svensksvensk skogskog

Endast under energikrisen på 70-talet har avverkningen överstigit tillväxten i Sverige

Sveriges bioenergianvändningSveriges bioenergianvändning

0102030405060708090

100110

1970 1976 1982 1988 1994 2000

TWh

Källa: Kent Nyström, SVEBIO

PrimaryPrimary EnergyEnergy useuse, 85, 85

WorldWorld

Total: 373 EJ

Population: 4.87 billion

77 GJ/capita Bio 11GJ/cap

NaturalGas 17.4%

Biomass14.7%

Oil 34.1%

Hydro 5.5%

Nuclear4.1%

Coal24.1%

Developing Developing countriescountries

Total: 126 EJ


35 GJ/capita Bio 13 GJ/cap

NG 7.1%

Biomass38.1%

Oil 25.8%

Hydro 5.1%Nuclear 0.6%

Coal23.4%

IndustrializedIndustrializedcountriescountries

Total: 247 EJ


202 GJ/capita Bio 5.6 GJ/cap

NaturalGas 22.7%

Biomass2.8%

Oil 38.3%

Hydro 5.7%

Nucl. 5.9%

Coal24.5%

Biomassaanvändning i Sverige idag: ~ 100 TWh/år

Befolkning: ~ 9 Miljoner

(100/9)*3.6 = 40 GJ/cap

Sverige mest bio/Sverige mest bio/capcap av alla av alla och mer bio/och mer bio/capcap ään un u--lläändernas ndernas hela energi/hela energi/capcap

460 Mha(Tot mark 0.8 Gha)

520 Mha(Tot mark 2 Gha)




1290 1290 MhaMha(Tot mark 3.4 (Tot mark 3.4 GhaGha))


Västeuropa


Ryssland + Östeuropa

>500 Mha(200EJ) av global energiodling?(Total åker och betesmark ~4,85 Gha)(Total markareal ~13 Gha)

BiomassBiomass plantati onsplantati ons

ÅkerÅker-- och betesmarkoch betesmark

COCO22--neutralneutralLåg kostnadLåg kostnadInhemsk/utspridd resursInhemsk/utspridd resursStor potential även restflöden Stor potential även restflöden Kan möta fler syften än Kan möta fler syften än energiprodenergiprod..

Fördelar Fördelar BiomassaBiomassa

Begränsad resursBegränsad resursKonkurrerar med Konkurrerar med naturskydd, naturskydd, matprodmatprodRisk för förlust av Risk för förlust av biodiversitetbiodiversitetRisk för kväveutsläppRisk för kväveutsläppRisk för markförsurning vid Risk för markförsurning vid uttag av avverkningsresteruttag av avverkningsresterRisk för markdegradering Risk för markdegradering (kemiskt och (kemiskt och fysiskt)fysiskt)

Nackdelar BiomassaNackdelar Biomassa

Fotosyntesens effektivitetFotosyntesens effektivitetAvkastning svensk Energiskog: 10 ton TS/(ha,år). Energiinnehåll i energiskog: ca 20 GJ/ton TSSolinstrålning i södra Sverige: ca 1000 kWh/(m2,år)

Energi i energiskog och Energi i energiskog och solinstrålningsolinstrålning per mper m2 2 och år: och år:

),/(02,0/10000

/20*),/(10 22 årmGJ

hamtonTSGJårhatonTS =

),/(3600/6,3*),/(1000 22 årmMJkWhMJårmkWh ==

%5,00055,0),/(6,3),/(02,0

2

2

≈=årmGJårmGJ

OmvandlingseffOmvandlingseff. fr. fråån solenergi till energiskog n solenergi till energiskog äär ca 0,5%r ca 0,5%Ungefär samma siffra gäller för tropikerna eftersom de har högre solinstrålningoch högre avkastning. Viktigt. Kan räkna på många sätt. Teoretisk max-omv-eff är 6,7% sen begränsas den av solinstrålning, vattentillgång, temperatur, jordmån osv.

0

10

20

30

40

50

60

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

TWh/

year

Waste heatHeat pumpsElectric boilersCoalNatural gas, including LPGOilBiofuels, peat etc,

Ökad användning av biomassa i Ökad användning av biomassa i svenska fjärrvärmeverksvenska fjärrvärmeverk

RRääknekneöövning:vning:””BBäästasta”” anvanväändningen av ndningen av

biomassa?biomassa?

””Bästa” användningen av biomassa?Bästa” användningen av biomassa?Antag en global biomassapotential pAntag en global biomassapotential påå 200 EJ (10200 EJ (101818 J) J) per per åår, ca r, ca åår 2050. (200EJ~500Mha)r 2050. (200EJ~500Mha)Antag 10*10Antag 10*1099 mmäänniskor pnniskor påå jorden. jorden. Antag en total energiefterfrAntag en total energiefterfråågan pgan påå 100 GJ/capita per 100 GJ/capita per åår (ett ambitir (ett ambitiööst lst låågt gt energiefterfrenergiefterfrååganscenarioganscenario))1) Hur m1) Hur måånga procent av den totala energiefterfrnga procent av den totala energiefterfråågan gan kan tillgodoses med biomassa, om vi antar 100% kan tillgodoses med biomassa, om vi antar 100% omvandlingseffektivitet?omvandlingseffektivitet?

Anta fAnta fööljande ljande omvandlingseffektiviteteromvandlingseffektiviteter::-- BioBio--vväärmerme ~90%~90%-- BioBio--elel ~50%~50%-- Biodrivmedel ~50%Biodrivmedel ~50%2) I vilken sektor kan biomassa ers2) I vilken sektor kan biomassa ersäätta mest fossil tta mest fossil primprimäärenergi? renergi?

Svar:Svar:Global energiefterfrGlobal energiefterfråågan: 1000 EJ/gan: 1000 EJ/åårrBiomassapotential: 200 EJ/Biomassapotential: 200 EJ/åårrVid 100% Vid 100% omvandlingseffomvandlingseff. kan biomassa ers. kan biomassa ersäätta tta 20% av den globala energiefterfr20% av den globala energiefterfråågan gan –– vi vi behbehööver prioriteraver prioriteraHHöögst gst omv.effomv.eff. i v. i väärmesektorn medfrmesektorn medföör att r att biomassa kan ersbiomassa kan ersäätta sttta stöörst mrst määngd fossil ngd fossil primprimäärenergi i vrenergi i väärmesektorn. rmesektorn.

””Bästa” användningen av biomassa?Bästa” användningen av biomassa?

Biomassa har stor potential men kan inte anvBiomassa har stor potential men kan inte anväändas ndas fföör att ersr att ersäätta fossila brtta fossila bräänslen i alla sektorernslen i alla sektorer

HurHur kankan biomassabiomassa användasanvändas i i transportsektorntransportsektorn? ?

Energianvändning i Sveriges transportsektorEnergianvändning i Sveriges transportsektor

Källa: SCB, Energimyndighetens bearbetning, Energiläget 2004.

Användningen av bensin minskar, diesel ökar.

Etanol och RME 1,1% av energianv. exkl. bunkeroljan

Alternativa transportbränslenAlternativa transportbränslen

Flytande bränsle Etanol, Metanol, FT-diesel, RME, DME

RÅVARA

Elbil (plugg-in)

El

ENERGIBÄRARE

FORDON

solenergi, vindkraft,

vattenkraft mm

Biomassa

Gasformigt bränsle

Metan, DME

Förbrännings-motor

Vätgas

Elbil (bränslecell)Naturgas

Alternativa transportbränslen från biomassaAlternativa transportbränslen från biomassa

Cellulosa & Lignin

Skog, skogsplantage, svartlut

Stärkelse

Spannmål, vete, korn, majs mm

Socker

Olja

Raps, solrosfrön

Restflödenfrån skogsbruk, jordbruk

och övr. samhället

Sågspån, halm, sopor, slam, slakteriavfall,

gödsel

Jäsning

av socker

Etanol

Pressning

och esterisering

RME (Rapsmetylester)Rötning

Metan bildas

Biogas

Elektricitet

Vätgas

Fischer-Tropsch Diesel

DME (Dimetyleter)

Metanol

Förgasning

Syntesgas bildas (CO och H2)

BIOMASSAOMVANDLINGSPROCESSER

ENERGIBÄRARE

Tre generella storleksordningar Tre generella storleksordningar på produktionskostnaderpå produktionskostnader

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Bensin/diesel

Socker-etanol

Cellulosa-etanol

DME FTD Metanol RME Spann-måls-etanol

SE

K/lit

er b

ensi

nekv

.

Ca 7 MhaJordbruksmark som behövs för 95 TWh etanol

Etanol för Sveriges transportsektor

95 TWh (16 G liter)

Jordbruksmark vid spannmålsetanolJordbruksmark vid spannmålsetanolVarje liter etanol kräver 2,65 kg vete

Avkastningen i Sverige liksom i Europa är ca 6 ton vete per ha

Ca 3 ggr större areal

Relation till total åkermark i Sverige (2,7 Mha)



95 TWh (16 G liter)




Relation till total spannmåls-mark i Sverige (1,2 Mha)


Relation till total åkermark i Sverige (2,7 Mha)



95 TWh (16 G liter)





Relation till total spannmåls-mark i Sverige (1,2 Mha) resp. EU-15 (38 Mha)



Relation till total åkermark i Sverige (2,7 Mha) resp. EU-15 (73 Mha)

Ca 289 MhaCa 7 MhaJordbruksmark som behövs för 95 resp. 3900 TWh etanol

Etanol för Europas transportsektor

3900 TWh (655 G liter)


95 TWh (16 G liter)



Spannmålsetanol kan inte ensamt ersätta olja i transportsektornSpannmålsetanol kan inte ensamt ersätta olja i transportsektornFör att kunna nå låga CO2-mål måste fler och effektivare alternativa drivmedel utvecklas

NNåågra gra omvandlingsprocesseromvandlingsprocesser

www.agroetanol.se

Etanol Etanol från från spannmål spannmål (stärkelse)(stärkelse)

Etanol från skogsprodukter med Etanol från skogsprodukter med svagsyrametodsvagsyrametod

100 kg torr ved

20-30 kg etanol

20-30 kg CO2

30-45 kg ligninpellets

Förgasning av biomassa (fluidiserad bädd)Förgasning av biomassa (fluidiserad bädd)

Källa: http://future-energy.np.def6.com/Howitworks.asp

Syre eller luft med högt tryck blåses på uppvärmd sand som leder värmen in i förgasaren där biomassan omvandlas till syntesgas.

1. Träflis matas ner i förgasaren

2. I förgasarenblandas träflisoch varm sand (~1000º C). Ånga förbättrarprocessen. Syngas och träkolbildas.

3. Träkolen och sanden separeras från syngasen

4. Sanden värms igen i förbrännings-kammaren genom att träkolen brinner i den inblåsta luften

5. Syngasen tvättas och kan sen omvandlas till t.ex. drivmedel

6. De varma rökgaserna kan användas till produktion av ånga.

Biomassa Biomassa Ett viktigt verktyg fEtt viktigt verktyg föör att r att minska COminska CO22--utslutslääppen ppen frfråån energisystemetn energisystemet

0

100

200

300

400

500

600

700

800

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

Global energy supplyGlobal energy supply –– COCO22--target 450 ppm, target 450 ppm, no COno CO22 capturecapture and and storagestorage techntechn..

EJ/år

KOL

OLJA

NATURGAS

KÄRNKRAFT

SOL_ELVIND VATTEN

BIO

SOL_H2

Transportation fuels (EJ/yr)

020406080

100120140160180

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

BENSIN/DIESEL

TÅG

SYNT. FLYGBRÄNSLE

NG

H2_FC

Fuel Fuel choiceschoices in the in the global global transportationtransportation sectorsector at 450 ppmat 450 ppm

BiofuelsBiofuels becomesbecomes an an importantimportant tooltool to to meetmeet stringent stringent COCO22--concentration concentration goalsgoals ifif hydrogen is hydrogen is excludedexcluded from from

the the transportationtransportation sectorsector. .

Transportation fuels when addingan assumption that hydrogen will

not be available for the transportation sector (EJ/år)

0

50

100

150

200

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

BENSIN/DIESEL

TÅG

SYNT. FLYGBRÄNSLE

MEOH/DME/FTD FOSSIL_FC

MEOH/DME/FTD BIO_FC

GETGET--modellenmodellen visar att visar att biomassan effektivast anvbiomassan effektivast anväänds nds

i vi väärmesektornrmesektornmen men

om vom väätgas inte kan anvtgas inte kan anväändas i ndas i transportsektorn blir transportsektorn blir

biodrivmedel ett viktigt verktyg biodrivmedel ett viktigt verktyg fföör COr CO22--minskning. minskning.

Uppgift:Uppgift:Skriv ner några argumentSkriv ner några argument

FörFör-- och nackdelar med biomassa för och nackdelar med biomassa för värmeproduktion värmeproduktion FörFör-- och nackdelar med biomassa för och nackdelar med biomassa för drivmedelproduktiondrivmedelproduktion

(tänk också utanför kostnadseffektivitet)(tänk också utanför kostnadseffektivitet)

Dyrt sätt att minska Dyrt sätt att minska fossilt COfossilt CO22

inte alltid säkert att inte alltid säkert att fossilt COfossilt CO2 2 minskasminskas

Potentialen starkt Potentialen starkt begränsad vid begränsad vid anvanv av av dagens teknikerdagens tekniker

Energisäkerhet (mindre Energisäkerhet (mindre beroende av olja)beroende av olja)

Sysselsättning i Sysselsättning i jordbruketjordbruket

Skapar ny sv. industri Skapar ny sv. industri Politiskt genomförbartPolitiskt genomförbartTillgänglig teknik Tillgänglig teknik

BiodrivBiodriv--medelmedel

Obekvämt Obekvämt -- Fast Fast bränsle alltid jobbigare bränsle alltid jobbigare än flytande och gasformän flytande och gasform

InfrastrukturenInfrastrukturen kan kan vara ett hinder för vara ett hinder för storskalig användningstorskalig användning

Hög Hög omv.effomv.eff. . Effektiv användningEffektiv användningLåg kostnadLåg kostnadTillgänglig teknikTillgänglig teknik

BioBio--värmevärme

NackdelarNackdelarFördelarFördelarNågra Några argumentargument

Diskussion:Diskussion:Ska biomassan användas för Ska biomassan användas för

värme eller biodrivmedelvärme eller biodrivmedel

Vad tycker du?Vad tycker du?

050429 biomass maria - page closedfy.chalmers.se/~np97magr/undervisn/050429_biomass_maria.pdf ·...

Documents