Hvor skal halmen bruges? - hvad er kriterierne for optimal brug af halm til energiformål og hvordan performer halm til biogas?

Transkript

1 Hvor skal halmen bruges? - hvad er kriterierne for optimal brug af halm til energiformål og hvordan performer halm til biogas? Henrik Wenzel, Syddansk Universitet, SDU Life Cycle Engineering Hvor skal halmen bruges? Bioressourcernes rolle i transport og energi Seminar arrangeret af IDA Teknologivurdering og IDA Grøn Teknologi, 13. juni 2016, Ingeniørhuset, Kalvebod Brygge, København

2 Vi står ved en skillevej - hvilken vej skal vi følge mod det vedvarende energisystem? Mål

3 Vi står ved en skillevej - hvilken energikonvertering skal halmen indgå i? Mål Forbrænding Forgasning Forgæring

4 Vi står ved en skillevej - hvilke energiprodukter skal halmen konverteres til? Mål El Varme Transportbrændstof

5 Vi står ved en skillevej - dagens spørgsmål: ethanol, methanol eller biogas? Mål Ethanol Methanol Biogas

6 Vi står ved en skillevej - hvad er optimeringskriterierne? Langt sigt Mål Mellemlangt sigt Kort sigt X Y Z

7 Vi står ved en skillevej - hvad er optimeringskriterierne? Langt sigt Mål Mellemlangt sigt Kort sigt Dilemma: optimal brug af biomasse på kort og langt sigt er meget forskellig

8 Optimering på kort sigt - skal vi konvertere halm til brændstof eller veksle os til det? Halm Kedel Varme (& el) Naturgas Kedel Gasbil Transport Halm Brændstof produktion Transport

9 Optimering på kort sigt - skal vi konvertere halm til brændstof eller veksle os til det? Halm Kedel Varme (& el) Naturgas Kedel Gasbil Transport Halm Brændstof produktion Transport Så længe vi kan veksle os til gas eller olie i en kedel er dette en stor fordel, både miljømæssigt og økonomisk, frem for at konvertere halmen direkte til transportbrændstof

10 Optimering på kort sigt - skal vi konvertere halm til brændstof eller veksle os til det? Halm Kedel Varme (& el) Naturgas Kedel Gasbil Transport Halm Brændstof produktion Transport Så længe vi kan veksle os til gas eller olie i en kedel er dette en stor fordel, både miljømæssigt og økonomisk, frem for at konvertere halmen direkte til transportbrændstof Men hvor længe kan vi det? Og står en storskala udbredelse af halmkedler til varme nu i vejen for udvikling af en bedre brug af halmen og en bedre varmeforsyning på langt sigt?

11 Optimering på langt sigt - hvordan designer vi fremtidens VE system? Vindkraft + solkraft Biomasse System design Elektricitet Varme Transport og hvordan optimerer vi systemets brug af biomasse til bioenergi?

12 Optimering på langt sigt - hvordan designer vi fremtidens VE system? Vindkraft + solkraft Biomasse System design Elektricitet Varme Transport Føde, foder, natur og hvordan optimerer vi systemets brug af biomasse til bioenergi?

13 Optimering på langt sigt - biomasse begrænsning IPCC 2011 (Chum et al., 2011): Biomassepotentialet = EJ/år i 2050 svarende til GJ/person/år En tredjedel af verdens landareal er landbrug Vi spiser ca. 30 EJ/år for hele verdens befolkning samlet Verdens forbrug af fossile brændsler er ca. 550 EJ/år i dag Visse scenarier siger 900 EJ/år i 2050 Verdens befolkning op mod 9,5 mia. mennesker i 2050, og de fleste af disse vil have mere kød på menuen end i dag. Bæredygtighed i fremtidens VE system ligger ikke i at basere sig på biomasse, men i at spare mest muligt på biomasse

14 Langsigtede Vedvarende Energi scenarier Energistyrelsen 2014, energinet.dk 2010, energinet.dk 2015, Klimakommissionen 2010, IDA 2010, IDA 2015, Ålborg Universitet 2011, Syddansk Universitet 2014 Alm. el-forbrug Tre forskellige grundscenarier: Biobrændsler Elektrificering Brint Små FV-net Store FV-net Individuel varme Procesvarme Let/kort transport Tung/lang transport

15 Langsigtede VE scenarier 2050 biomasse begrænsning PJ/år Biobrændsels scenarier VE scenarier energistyrelsen og SDU El scenarier Brint scenarier 120 GJ pr. prs./år Globalt gennemsnit iflg. IPCC Brint Vind Biomasse 40 GJ pr. prs./år 0 ENS SDU ENS SDU ENS SDU ENS SDU Selv det mest avancerede VE scenario anvender dobbelt så meget biomasse, som de GJ/prs./år, der er til rådighed som globalt gennemsnit i henhold til IPCC (2011)

16 Kriterier for optimal brug af halm til energiformål på langt sigt Overordnet erkendelse om klima-performance af bioenergi i et VE system i en global VE strategi: Bæredygtigheden af en bioenergi ligger ikke i dens egen energieffektivitet isoleret set, men i dens systemintegration og dens indflydelse på det samlede systems afhængighed af biomasse Wenzel et al., 2014

17 Kriterier for optimal brug af halm til energiformål på langt sigt - systemintegration Generelt: 1. Respekter overodnet prioritering af biomassen: 1) Føde/foder, 2) Materialer/kemikalier, 3) Transportbrændstoffer, 4) Stand-by el ved underskud af vind/sol, 5) Spidslast varme (?) 2. Tag udgangspunkt i biomasse ressourcegrundlagets karakter: 1) våd og let nedbrydelig biomasse, forgæringsegnet, 2) tør og svært nedbrydelig biomasse, forbrændings/forgasnings egnet 3. Skab plads til vindkraft og solkraft: op til PJ/år 4. Integrer brint, hold biomasse forbruget under 45 GJ/person/år Systemintegration af co-produkter fra konverteringsprocessen 5. Udnyt procesvarme fra: 1) biomasse konvertering, 2) brintproduktion, 3) brændstof produktion 6. Skab fleksibilitet fx mellem brændstofproduktion og stand-by el produktion 7. Skab synergi med landbruget: 1. Afgrøde optimering og sam-produktion af foder/energi (græs/kløver raffinering) 2. Co-substrat til gyllebiogas undgå at miste gyllebiogas potentiale 3. Returner næringssalte (N, P, K) 4. Returner svært nedbrydeligt kulstof (C) til markjorden Logistik og incitamentstruktur 8. Centrale versus decentrale anlæg

18 Integration af vind og brint Kun via biogas og/eller methanol kan integreres op til de PJ vindkraft/år Methan CH 4, optager 4 brint pr. kulstof, ethanol og methanol, C 2 H 5 OH og CH 3 OH, optager 2 brint pr. kulstof (resten er H 2 O) CO 2 er let tilgængelig i biogas til optag af brint

19 Integration af procesvarme - eksempel for Fyn

20 Integration af procesvarme - eksempel for Fyn Naturgas forbrug på Fyn 2014

21 Integration af procesvarme - eksempel for Fyn

22 Synergi med landbruget Hvad er konsekvensen for jordens langsigtede kulstofindhold og hvor meget halm er til rådighed for energi, hvis samme kulstofindhold skal sikres på langt sigt?

23 Synergi med landbruget

24 Synergi med landbruget All straw plowed down year 1 Remaining in soil after 100 years

25 Synergi med landbruget All straw to biogas & digestate plowed down year 1 Remaining in soil after 100 years

26 Synergi med landbruget Raw straw to be plowed down to render same soil C level as when plowing digestate down

27 Synergi med landbruget Raw straw to be plowed down = 77 % of all straw to render same soil C level as when plowing digestate down

28 Hvad Synergi visionen med gylle-biogas & logistik - og de fynske fyrtårne? Halm til biogas 20 km radius Halm til biogas - Halmen kan blive på traktoren - Max støtte til gyllebiogas - Overskudsvarme passer til fjernvarme - N, P, K tilbage til jord - Kulstof tilbage til jord - Max brint optag

29 Kriterier for et bæredygtigt VE system - sammenligning af ethanol og biogas Systemintegration success criteria Biogas Ethanol Pris + - Vindkraft indpasning + - Prioriter biomassen + (+) Integrer brint + - Udnyt procesvarme + - Skab fleksibilitet transportbrændstof el industri + - Skab synergi med landbruget Afgrøde optimering (græs/kløver raffinering) N, P, K og C Co-substrat til gyllebiogas + - GHG proces emissioner - +

30 Diskussion Hvor stort et problem er Lock-in? 1. Mht brug af biomasse til fjernvarme? 2. Mht brug af biomasse til ethanol?