Innovation af affaldssektoren under fremtidens rammebetingelser. Henrik Wenzel Syddansk Universitet

Transkript

1 Innovation af affaldssektoren under fremtidens rammebetingelser Henrik Wenzel Syddansk Universitet Fælles netværksmøde for Ressourcenetværket og Netværket for Affald, energi og klima Onsdag den 8. maj 2013 Ingeniørforeningen, København CEESA Energipolitiske mål År Regeringens energipolitiske mål Vindkraft udgør halvdelen af elforbruget 50 pct. gylle biogas 2030 Kul helt udfaset Oliefyr helt udfaset pct. vedvarende energi i el og varme pct. vedvarende energi også i sektoren 1

2 Konsensus blandt energiforskere og politikere - vind og bio er grundlaget for det danske VE system Prioritets-kunder til kulstof/biomasse/areal - i det fossil frie samfund Fødevarer og foder kød på menuen Balancering af el udbud og efterspørgsel, lagringsegnede brændsler Energitætte brændsler til visse formål: fly, skibe og langturs på vej Kulstof råvarer til kemikalier og materialer => Vores kunder til kulstof/biomasse/areal i det fossil frie samfund er så store, at vi bliver nødt til at prioritere dem hårdt 2

3 Det danske VE system Der er hul i VE konstruktionen - hvor stort er det? Kemikalier & materialer Transport: - Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer hullet - i det danske VE system 2050 Klimakommissionen Energinet.dk CEESA forskningsprogrammet, PJ ud af PJ Kemikalier & materialer Transport: - Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer 3

4 Det danske VE system hvor får vi slutstenen fra? Hvor får vi slutstenen fra? Kemikalier & materialer Transport: -Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer Det danske VE system hvor får vi slutstenen fra? Import? Kemikalier & materialer Transport: -Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer 4

5 Det danske VE system hvor får vi slutstenen fra? Dansk landbrug? Kemikalier & materialer Transport: -Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer Det danske VE system hvor får vi slutstenen fra? Dansk natur? Kemikalier & materialer Transport: -Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer 5

6 Det danske VE system hvor får vi slutstenen fra? Brint Kemikalier & materialer Transport: -Lang distance vej - Luft - Vand Industri El-buffer Closing the carbon gap - the CCR vision, carbon capture and recycling Wind or solar power Biomass or CH 4 from biomass hydrogenation O 2 El Electrolysis Power plant CO 2 + H 2 Chemical synthesis El Ashes El Upgrading Fertilizer Fuels: methanol, methane, etc., Chemicals 6

7 Closing the carbon gap - upgrading biomass and recycling carbon Hydrogenation to methane: biomass hydrogen methane water C 6 (H 2 O) H 2 6 CH H 2 O 2,8 MJ 2,9 MJ 4,8 MJ CCR to methane: carbon dioxide hydrogen methane water 6 CO H 2 6 CH H 2 O 0 MJ 5,8 MJ 4,8 MJ Closing the carbon gap - enhancing the benefit of biomass by upgrading and recycling bio-c Conversion process Inputs (PJ) Outputs (PJ) biomass hydrogen solid fuel liquid fuel road liquid fuel road and air methane Fermentation Inbicon 2G ethanol Gasification and hydrogenation to methane CCR to methane Hydrogenation & CCR to methane

8 Closing the carbon gap - letting wind power replace land use by upgrading and recycling bio-c One 6 MW off-shore wind turbine can through electrolysis and upgrading and recycling of biomass carbon by hydrogen save 5 km 2 of nature or agricultural land with a crop production equivalent to the yearly calorific intake of people Off-shore wind turbines with a yearly production of 100 PJ can save 5000 km 2 agricultural land with a crop production equivalent to the yearly calorific intake of 10 million world average citizens Closing the carbon gap - the agricultural vision, the Baltic Manure EU research project Electricity grid O 2 Storage Storage CO 2 O 2 El Electrolysis H 2 Storage CO 2 Fuel cell Manure (make it thick) H 2 Biogas production Organic residues CH 4 (+CO 2 ) CH 4 Gas grid CH 4 Transport 8

9 Synergien i biogas på bio-affald og gylle - sammenligning mellem biogas og forbrænding I energisystem 2013 er forbrænding af bio-affald og biogas på bioaffald alene miljømæssigt ca. lige. Fordi: Forbrænding omsætter al energi i bioaffaldet, mens biogas kun omsætter det bionedbrydelige, men Biogas giver langt større el-nyttevirkning og vandet skal ikke fordampes De to fordele/ulemper afvejer hinanden i et historisk energisystem. Biogas har dog en fordel mht. genvinding af næringssalte, især fosfor Synergien i biogas på affald og gylle - sammenligning mellem biogas og forbrænding Men i fremtidens VE system er der en del synergier, der medfører meget stor fordel for biogas, især: 1. Synergi med gylle-biogas a) Nødvendigt co-substrat til den tynde gylle b) Bedre C/N forhold for fermenteringsprocessen c) Bedre nyttiggørelse af N og P d) Elegant kulstofbalance nedbrydeligt C => methan, mens unedbrydeligt C går tilbage til markjorden 2. Synergi med vindkraft methanen kan anvendes til balancerkraft 3. Integration af elektrolyse og brint biogas er velegnet til at optage brint 9

10 1. Synergi med gyllebiogas - vi har lavet en miljøvurdering ton manure exhousing + Energy crops (maize silage) Straw Household biowaste Commercial biowaste Garden waste Sourcesegregated solid manure None (Monodigestion) => 6 co-substrat scenarier plus en mono-digestion Hamelin, Naroznova and Wenzel, 2013 Gylle + bioaffald fra husholdninger Hamelin, Naroznova and Wenzel,

11 kg CO 2 eq. per FU LCA results - Global Warming Foreløbige resultater Bio-affald til gylle-biogas i stedet for majs til gyllebiogas Co-substrate lost alternative Avoided fertilizers Avoided electricity (from biogas) Digestate handling dluc net -32 Bio-affald til gylle-biogas i stedet for forbrænding og så får vi også fosforen retur Savings Impacts Reference manure handling avoided Avoided heat (from biogas) Biogas process Segregated liquid fraction handling others Greener agriculture Hamelin, Naroznova and Wenzel, 2013 for a Bluer Baltic Sea 2. Synergi med vindkraft MW Hov, hvem vil nu købe det her? Vindkraft 2008 energinet.dk 11

12 2. Synergi med vindkraft MW Hov, hvem vil nu købe det her? og er der flere, der vil sælge her? Vindkraft 2020 hmm, måske vil jeg hellere sælge her? Hvad kræver det af mit anlæg? energinet.dk 2. Synergi med vindkraft Hvad er miljøgevinsten i perioder med fortrængning af vindkraft? MW Vindkraft 2020 Hvad er miljøgevinsten i perioder med fortrængning af fossil regulerkraft og/eller biomasse regulerkraft fra energiafgrøder? 12

13 3. Integration af brint - det danske VE system 2050 ( Electrolysis H 2 Chemical synthesis CH 3 OH or CH 4 or DME Gasification H 2 +CO CO 2 +H 2 O CH 3 OH or CH 4 or DME Co-electrolysis Wind power & biomass = Key supplies & key constraints Fremtidens affaldssystem? Household waste Industrial waste Electricity Mass burn & kompost Steam Heat Biowaste - compost waste management Transport fuels RDF, SRF Biowaste - biogas Virgin materials-chemicals-fertilizers Kildesortering og/eller automatiseret, central sortering Miljøgevinsten ved materialegenvinding, brændsler og/eller regulerkraft er mange gange større end ved kontinuert el- og varmeproduktion i et VE system 13

14 Afgørende spørgsmål 1. Hvilken grad af kildesortering og/eller central sortering af bio-affald er mest attraktiv? 2. Hvilken skæbne af bio-affaldet er bedst mono-biogas, gylle biogas co-substrat, eller forbrænding? 3. Hvilken grad af kildesortering versus central sortering af den tørre genanvendelige fraktion er bedst 4. Hvor meget betyder fremtidens rammebetingelser for, hvad affaldssektoren bør gøre? A new Design for the Waste Management sector? Institute of Chemical Engineering, Biotechnology and Environmental Technology 14

15 Konklusion Synergierne ved biogas på bio-affaldet er meget store i et VE system: 1. Synergi med gylle-biogas ved at undgå emissioner fra uforgæret gylle og ved at fortrænge energiafgrøder + bedre N og P udnyttelse 2. Synergi med vindkraft ved at levere el, når vinden ikke blæser 3. Integration af brint I VE systemet bliver der penge i at kunne holde på strømmen og sælge den, når vinden ikke blæser. Der bliver ikke penge i at sælge strøm, når vinden blæser. Der bliver færre penge i at sælge varme, fordi varme bliver aftager af billig overskuds-el Det er bedre at optimere i forhold til fremtiden end i forhold til fortiden I VE systemet får affaldssektoren ansvar for en stor del af samfundets uundværlige kulstofkredsløb. Central, automatisk sortering vil vinde indpas. 1. Giver meget større capture rate på bio-affald 2. Letter materialegenvinding og giver samme eller bedre (?) capture rate for dry recyclables 3. En SRF fraktion fra central sortering vil muligvis kunne forgasses og anvendes til brændsler eller balancerkraft 15