11/22/216 SCENARIER ET FOSSILFRIT ENERGISYSTEM - BIOMASSE, SMART ENERGY SYSTEMS OG OMKOSTNINGSEFFEKTIV OMSTILLING TIL 1% VEDVARENDE ENERGI BRIAN VAD MATHIESEN BIORESOURCE seminar - Bæredygtig intensivering af planteproduktionen til fødevarer og bioenergi Aarhus Universitet, November 216 SUSTAINABLE ENERGY PLANNING RESEARCH GROUP AALBORG UNIVERSITY 4 ÅR = STABIL ENERGI- FORSYNING MINDRE CO2 OMKOSTNINGSEFF. Indeks 19 18 17 16 15 14 13 12 11 1 9 198 '82 '84 '86 '88 '9 '92 '94 '96 '98 2 '2 '4 '6 '8 '1 Energiforbrug Danmark Danmark BNP 1 Primær energiforsyning, PJ 9 8 7 6 5 4 3 2 1 197 '75 198 1985 199 1995 2 25 21 215 Olie Naturgas Kul og koks Andet Biomasse Vindmøller Olie til transport 2 1
11/22/216 45 Biomasse ved konventionel landbrugsdrift OPTIMISTEN: CA. 3 PJ PESSIMISTEN: 165 PJ REALISTEN: 2 PJ PJ 4 35 3 25 2 15 1 5 (26) Danish Energy Agency (26) IDA Energy Plan 23 (29) IDA Climate Plan 25 (211) CEESA 25 (212) Danish Commission on Climate Change (212) Gylling et al. (212) Elbersen et al. (214) Wenzel et al. Excluding energy crops + algae Excluding algae Including all biomass resources 3 6 585 3% 5 25% 25 Bioenergy potential (PJ/year) 4 3 2 24 284 32 2% 15% 1% % of Reference (-) BIOMASSE- ANVENDELSEN AFHÆNGER AF TYPEN 1 42 12 5% 26 25 No Feed Import Feed Import No Animals Recommended Vegetarian % Reference Organic Farming New Diets Selfsufficiency 16 PJ, Biomassepotentialer 14 12 1 BIOMASSE- POTENTIALET AFHÆNGER AF LANDBRUGET 8 6 4 2 Wood Straw Biodegradable waste Biomass to biogas Energy crops Slurry fibre fraction Algae (blue biomass) Other bioenergy (26) Danish Energy Agency (26) IDA Energy Plan 23 (29) IDA Climate Plan 25 (212) Danish Commission on Climate Change (212) Gylling et al. (212) Elbersen et al. (214) Wenzel et al. (211) CEESA 25 4 2
11/22/216 Biomasseforbrug i Danmark 16 Biomasseforbrug i Danmark, PJ 14 12 1 8 6 4 2 198 199 2 25 21 212 213 214 Biomasseforbrug eget Biomasseforbrug import 5 Biomasseforbrug i Danmark Kraftvarme og kedler 16 Biomasseforbrug i Danmark, PJ 14 12 1 8 6 4 2 198 199 2 25 21 212 213 214 Halm Skovflis Brænde Træpiller Træaffald Affald, bionedbrydeligt Bioolie Biogas Brænde import Skovflis import Træpiller import Bio ethanol import Biodiesel nettoimport 5 PJ import Restpotentialer: ca. 1 PJ træ ca. 3 PJ halm ca. 25 PJ biogas + energiafgrøder 6 3
11/22/216 BIOMASSEUDFORDRINGEN, GLOBALT Global energy perspective Danish energy perspective 16 9 14 12 4 GJ BIO PR. CAPITA ER HØJT GLOBALT 8 7 1 6 EJ / year 8 6 PJ / year 5 4 3 4 2 2 1 Current Future Max Min Current Future Max Min Primary energy supply Biomass potentials Primary energy supply Biomass potentials 7 BIOMASSEUDFORDRINGEN, GLOBALT Global energy perspective Danish energy perspective 16 9 14 12 4 GJ BIO PR. CAPITA ER HØJT GLOBALT 8 7 1 6 EJ / year 8 PJ / year 5 4 6 3 Transportbehov nu 4 2 2 Transportbehov nu 1 Biomasseforbrug Current Future Max Min Current Future Max Min Primary energy supply Biomass potentials Primary energy supply Biomass potentials 8 4
11/22/216 4 ÅR = STABIL ENERGI- FORSYNING MINDRE CO2 OMKOSTNINGSEFF. Indeks 19 18 17 16 15 14 13 12 11 1 9 198 '82 '84 '86 '88 '9 '92 '94 '96 '98 2 '2 '4 '6 '8 '1 Energiforbrug Danmark Danmark BNP 1 Primær energiforsyning, PJ 9 8 7 6 5 Vindmøller 4 3 2 Biomasse Solceller 1 197 '75 198 1985 199 1995 2 25 21 215 Danske potentialer Olie Naturgas Kul og koks Andet Biomasse Vindmøller Olie til transport 9 Biomasse til transport næste udfordring 5% TRANPORT MED 2% AF BIOMASSEPOT ENTIALET VIA 2G ETHANOL 1 5
11/22/216 Hvorfor det integrerede energisystem? fordi det er billigst Electricity Generation Costs in 215: Fossil Fuels vs. Wind Investment Fuel O&M Capacity Electricity Generation Costs in 22: Fossil Fuels vs. Wind Investment Fuel O&M Capacity Annual Costs to Produce 1 TWh (M /year) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 14 12 1 8 6 4 2 Capacity Required to Produce 1 TWh (MW) Annual Costs to Produce 1 TWh (M /year) 12 1 8 6 4 2 14 12 1 8 6 4 2 Capacity Required to Produce 1 TWh (MW) Coal Fired Steam Combined Cycle Onshore Wind Offshore Wind Photo Voltaic (6 Coal Fired Steam Combined Cycle Onshore Wind Offshore Wind Photo Voltaic (6 Plant Gas Turbine Farms Farms kwp) Plant Gas Turbine Farms Farms kwp) 12 1 Levelised Cost (DKK/MWh) 8 6 4 2 Oil burner Natural gas Biomass boiler Heat pump Heat pump Electric heating District Heating (mineral oil fired, boiler (automatic air to water brine to water <1 % FAME) stoking) 211 (Low) 22 (Medium) 23 24 25 (High) 11 IDAs Energivision 25 Et Intelligent 1% Vedvarende Energisystem for Danmark 6
11/22/216 IDAs Energivision 25 HOVEDPRINCIP Energibesparelser www.energyplan.eu Mere effektiv energikonvertering Vedvarende energi FLEKSIBLE TEKNOLOGIER INTEGREREDE ENERGI- SYSTEMER 7
11/22/216 Hvordan skal bygningerne opvarmes i et 1% VE system? Vi skal spare: Ambitiøst langsigtet mål at spare 42% på varmebehovet Year (primo) 197 198 199 2 21 Total heated area (Million m 2 ) 185.1 246.7 278. 298.3 331.7 Total heat demand (TWh/year) 27163 34155 36793 38466 4327 Specific demand (kwh/m 2 ) 147 138 132 129 122 1 year growth factor 1.33 1.13 1.7 1.11 Vi skal tænke langsigtet: Nybygninger og bygninger, der renoveres, er de billigste! Table 3: Historical development in the main parts of the Danish building stock. Vi skal tænke system: Bygningernes egenproduktions skal integreres i energisystemet ikke i den enkelte bygning. 1. Fra nu 132 kwh/m2 til 8 i 25. 2. Nye bygninger 55 kwh/m2 (eksklusiv evt. produktionsanlæg) Bygningerne skal opvarmes med fjernvarme i byerne og små varmepumper uden for byerne. IDAs Energi Vision 25 indeholder: Opvarmning En gradvis udbygning med fjernvarme til at dække 66% af varmebehovet. Individuelle varmepumper i de øvrige bygninger (75%) Supplerende varme fra Solvarme og biomasse Fokus på skift til fremtidens lavetemperatur fjernvarmeteknologi 8
11/22/216 Industri Samme vækst (ca. 4%) og besparelser som i Energistyrelsen Mere fjernvarme og fjernkøling Større anvendelse af industriel lavtemperatur overskudsvarme Fossilt brændsels erstattes af el, tung biomasse og grøn gas. 9
11/22/216 Vækst i transporten Transport Omlægning til kollektiv transport og direkte el Indirekte el i elbiler Electrofuels (gas og flydende) Electrofuels: Hydrogenation af gasifiseret biomasse (Til tung transport) METHANOL, DME ELLER METHAN? 1
11/22/216 Vind, sol og bølgekraft 5. MW Onshore Vind 14. MW Offshore Vind 5. MW Solceller 3 MW bølgekraft (Plan B: Mere vindkraft) 2,3 TWh kollektiv solvarme (,3 TWh i dag) 2,2 TWh i individuelle anlæg (,1 TWh i dag) 4,6 TWh Geothermi Pump Hydro Storage 175 /kwh (Source: Electricity Energy Storage Technology Options: A White Paper Primer on Applications, Costs, and Benefits. Electric Power Research Institute, 21) Energilagring Thermal Storage 1-4 /kwh (Source: Danish Technology Catalogue, 212) Oil Tank.2 /kwh (Source: Dahl KH, Oil tanking Copenhagen A/S, 213: Oil Storage Tank. 213) Natural Gas Underground Storage.5 /kwh (Source: Current State Of and Issues Concerning Underground Natural Gas Storage. Federal Energy Regulatory Commission, 24) 11
11/22/216 Det intelligente energisystem Nøglen til omkostningseffektive vedvarende energisystemer Varmelagre, fjernvarme, kraftvarme og store varmepumper Nye elbehov fra store/små varmepumper og elbiler (med ellager) Mere El = Bæredygtig Biomasse-forbrug Elektrolyse og flydende brændsler til transportsektoren med lagre Integration af gas-systemet og gaslagre Power-to-Heat Power-to-Transport Power-to-Gas Power-to-liquids 25 Primær Energiforbrug Primary Energy Supply (TWh/year) 2 15 1 5 215 ENS Vind 25 IDA 25 215 25 Coal Oil Gas Biomass/waste Onshore Offshore PV Wave/tidal Geothermal Solar thermal = 2 PJ i DK = 1 PJ i DK 12
11/22/216 Historisk oliepris i Danmark Historiske oliepris Fremskrivninger i Danmark 13
11/22/216 Historiske elpris Fremskrivninger i Danmark Robust økonomi og effektiv biomasseudnyttelse 3 PRISNIVEAUER PÅ BRÆNDSLER 1 ELPRISERNIVEAUER (15-15 /MWH) 6 CENTRALE FØLSOMHEDSANALYSER OVER 4 SIMULERINGER AF HELE SYSTEMET TIME-FOR-TIME BEREGNINGER 876 TIMER 3 Socio economic costs (billion /year) 25 2 15 1 5 5 DEA Wind IDA 25 DEA Wind IDA 25 DEA Wind IDA 25 DEA Wind IDA 25 25 25 25 25 Central scenarios cost structure + 4% interest rate Verying fuel & electricity prices Vehicle costs + 2% Electricity exchange Investments Fuels O&M Minimum cost Cost range according to fuel and electricity prices 14
11/22/216. det samlede systemdesign er mere afgørende for økonomien. Samfundsøkonomiske omkostninger (Milliarder /år) 3 25 2 15 1 5 5 Middel Lav Middel Høj Lav Middel Høj Lav Middel Høj 215 ENS 25 Fossil ENS 25 Vind IDA 25 Investeringer D&V Brændsler Eludveksling CO₂. Elhandel og priser på biomasse har stor betydning for biomasseforbrug. 6 5 4 IDA 13-34 PJ/år Energistyrelsen 23 48 PJ/år 3 2 1 DEA Wind 25 IDA 25 Minimum demand Danish biomass potentials range Central scenarios Biomass demand according to fuel and electricity prices Danish share of world biomass potentials 15
11/22/216 Anvendelsen af biomasse i vedvarende energisystemer Knap ressource skal anvendes effektivt Højeste værdiskabelse vinder Produkter, kemi, lægemidler Energiformål vil være sidst i køen el og varme vil tabe til transport Anvendelse er forbundet med typen af biomasse 31 Nøgle biomasseteknologier i vedvarende energisystemer Gasificeret biomasse og biogas Elbaserede transport biobrændsler (Electrofuels) Fleksible kraftværker (på gas) Undgå ren varmeproduktion eller baseload udnyt til kraftvarme Tænk affald og biomasse sammen En del ud som gas andet til materialer andet til forbrænding. Tænk affaldsforbrænding sammen med geotermi 32 16
11/22/216 Biomasse i IDA 25 35 3 Affaldsforbrænding 25 Biogas, gylle 2 PJ 15 Halm, træ og energiafgrøder (fast til kedler, industri, etc.) 1 Træ, energiafgrøder (gasificeret til transport) 5 Reference 215 ENS Vind 25 IDA 25 Træ, energiafgrøder (gasificeret til kraftvarme, etc.) 33 Mere vind i Danmark og hos vores naboer 17
11/22/216 Hovedkonklusioner 1 % Vedvarende energi er teknisk muligt og økonomisk realiserbart Et fleksibelt Smart Energisystem gør Økonomien og Biomasseudnyttelsen effektiv Der er 5. Flere job i vedvarende energisystemer end i fossile systemer og færre helbredsomkostninger. WWW.SMARTENERGYSYSTEMS.EU 18