Biobrændstoffer i transportsektoren samfundsøkonomisk vurdering Henrik Duer COWI # 1
Indhold Dansk analyse Globale perspektiver: Konkurrencen mellem fødevarer og bioenergi Biomasseressources # 2
Analyse af samfundsøkonomiske omkostninger Energistyrelsen Hele kæden Råstof produktion, indvinding Konvertering til brændstof Distribution Anvendelse i køretøj Mange muligheder og kombinationer # 3
Oversigt over energiteknologier til forsyning af transportsektoren som alternativ til olie 1. Råstoffer Bio I Olieholdig Bio II Stivelse mv. Bio III Restbio/lignin Affald Gylle/Slam mv. Affald husholdn. Kul Naturgas VE-tekn. (vind/vand/pv) 2. Konvertering af råstof RME raffinering Bio EtOHanlæg 1.gen Bio EtOHanlæg 2.gen Biogasanlæg Termisk Forgasning eller Pyrolyse KV-anlæg FM/CC/DT Katalysator NatG MeOH Katalyse SynG H2 Katalyse H2O H2 3. Mellemprodukt - transport og distribution BioGas SynGas (H2+CO) El (AC-net) Naturgas H2 4. Konvertering af mellemprodukt Rensn. Biogas Fiscer- Tropsch Katalysator SynGas MeOH Katalysator MeOH->DME Crackning NG Synt.Disel Crackning NG LNG Katalysator H2 NH3 LadeStation AC DC 5. Transportbrændstof - transport og distribution BioOlie RME EtOH Syntetisk Diesel Syntetisk Benzin MeOH DME LNG CNG NH3 El (batteri) 6. Motortype Forbr. motor (Diesel princip med BioOlie.) Forbr. motor (Diesel-princip) Forbr. motor (Otto-princip med benzin) Forbr. motor (Otto-princip med gas) Forbr. motor (Diesel-prinicp med DME) Katalysator NH3 H2 Fuel-cell El-motor DC Symbolik = Primær brændsel # = Teknologi 4 = Energibærer Mekanisk energi (slutforbrug i køretøj) = Mekanisk energi
10 alt. drivmidler (+ benzin og diesel) undersøgt - i alt 12 "spor": 1. Bioethanel 1. gen (hvede, E85, flexifuel-motor) 2. Bioethanel 2. gen (halm, E85, flexifuel-motor) 3. Bio-diesel (raps) 4. Bio-olie (raps, modificeret diesel motor) 5. Naturgas (CNG) 6. Methanol fra biomasse (træ, brændselscelle til elmotor) 7. Brint (gns. el, brændselscelle til elmotor) 8. Elbiler (gns. el, elmotor) 9. Diesel fra kul (kul) 10. Dieselbrændstof fra biomasse (træ, DME, modificeret diesel motor) 11. Diesel 12. Benzin Drivmidlerne (og de tilhørende spor) identificeret og fastlagt i samråd med Energistyrelsen # 5
Oversigt over energiteknologier til forsyning af transportsektoren som alternativ til olie Primær energikilde som udgør alternativ til olie i transportsektoren Bio I Olieholdig Bio II Stivelse mv. Bio III Restbio/lignin Affald Gylle/Slam mv. Affald husholdn. Kul Naturgas VE-tekn. (vind/vand/pv) Konvertering fra primær energikilde til energibærer RME raffinering Bio EtOHanlæg 1.gen Bio EtOHanlæg 2.gen Biogasanlæg Termisk Forgasning eller Pyrolyse KV-anlæg CC/DT Katalyse SynG H2 Katalysator NatG MeOH Katalyse H2O H2 Energibærer i stationære anlæg eller distributionsnet BioGas SynGas (H2+CO) El (AC-net) Naturgas H2 Konvertering fra energibærer stationær til energibærer mobil Rensn. Biogas Fiscer- Tropsch Katalysator SynGas MeOH Katalysator MeOH->DME Crackning NG LNG Katalysator H2 NH3 LadeStation AC DC Energibærer i transportmiddel BioOlie RME Syntetisk Diesel EtOH Syntetisk Benzin MeOH DME LNG CNG NH3 El (batteri) Konvertering fra energibærer i transportmiddel til mekanisk energi Forbr. motor (BioOlie spec.) Forbr. motor (Diesel) Forbr. motor (Otto benz) Forbr. motor (Otto gas) Forbr. motor (DME spec) Katalysator NH3 H2 Fuel-cell El-motor η=0,95 # 6 Mekanisk energi (slutforbrug i køretøj)
Centrale udfordringer Teknologiernes stade og udvikling Biprodukter medfører behov for allokering af omkostninger Eksempelvis bio-diesel, hvor der også produceres rapskage og glycerin Priser på restprodukter fra konverteringsomkostninger Behov for allokering af emissioner fra konvertering (og opstrøm) Allokering af CO2 på hovedprodukt og biprodukt ud fra værdi Kunne alternativt have været gjort ved fuld allokering af emissioner til drivmiddel med fratrak for antaget produkt der fortrænges med tilhørende emissioner El og CO2 kvoter CO2-udledningen fra elforbrug medregnet eksplicit i opgørelse af CO2 - og i øvrigt værdisat og medtaget i SØK beregning Funktionalitet i regneark for valg af elpris med og uden kvoter # 7
Resultater - samfundsøkonomi (DKK/GJ mek energi) 1200 1000 800 600 400 200 2006 2025 0 # 8
Resultater - energieffektivitet 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Conventional diesel conventional gasoline Bioethanol (1. gen.) Bioethanol (2. gen.) Bio diesel (RME) Bio-oil Natural gas Methanol from biomass Hydrogen Electric vehicle FT diesel coal FT diesel biomass # 9
Usikkerhed og forbehold Ej rapporteret systematiske følsomhedsanalyser pga. de mange forudsætninger og resultater (men belyst vha. regnearket) De centrale forudsætninger: Råoliepris Priser på andre råvarer Priser på alt. bil-teknologi Priser på konverteringer Kalkulationsrenten (6%) Analysen har søgt at afspejle de langsigtede omkostninger Der er ikke medregnet ekstra omkostninger til investeringer i evt. ny infrastruktur for de alternative teknologi-spor. Der er således ikke taget hensyn til forskellene i kravene til infrastrukturen Udviklingsomkostninger for de forskellige teknologier ikke medtaget Infrastrukturen har stor betydning for hvor hurtigt en teknologi rent praktisk kan indpasses i den danske energiforsyning # 10
Globale perspektiver: Påvirkning af 1. gen biobrændstoffer på fødevarepriserne a) I 2020 (% ændring) b) I 2030 (% ændring) Price changes compared to Referece (percent) 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 Cereals Other crops Livestock W EO-V1 W EO-V2 TAR-V1 TAR-V3 Price changes compared to Referece (percent) 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 Cereals Other crops Livestock W EO-V1 W EO-V2 TAR-V1 TAR-V3 Kilde: ELOBIO, IIASA 2009 # 11
Kornpriser ved forskellig andels af 1. gen biobrændstoffer i transportsektoren 2020 160 150 Cereal Price Index (REF-01=100) 140 130 120 110 100 REF WEO TAR SNS 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Share of first-gene ration biofuels in tra nsport fue ls (perce nt) Note: SNS = sensitivity scenarios; TAR = scenario simulations based on mandates and indicative voluntary targets; WEO = simulations based on WEO 2008 projections of biofuel demand; REF = reference projections with constant, decreasing or no biofuel demand beyond 2008). Kilde: ELOBIO, IIASA # 12
Hvor kommer korn til 1 gen. biobrændstof fra? 2/3 fra øget korn produktion, 1/3 fra reduceret forbrug til foder og føde Kilde: ELOBIO, IIASA 10% 24% Reduced Feed Use Reduced Food Use Increased Production 66% # 13
Ændring i produktionsværdi ift. basisfremskrivning a) Procent ændring i 2020 b) Procent ændring i 2030 9% 9% Change in agricultural value added (percent) 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% W EO-V1 W EO-V2 TAR-V1 TAR-V3 Developed Developing Change in agricultural value added (percent) 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% W EO-V1 W EO-V2 TAR-V1 TAR-V3 Developed Developing Kilde: ELOBIO, IIASA # 14
Brug af landbrugsjord ift. anvendelse af 1. gen biobrændstof 1730 Cultivated land (m illion hectares) 1710 1690 1670 1650 Results for 2030 Results for 2020 REF WEO TAR SNS 1630 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Share of first-generation biofuels in transport fuels (percent) # 15
Netto GHG besparelse ved forskellige biobrændstof scenarier 2050:TAR-V3 2050:TAR-V1 2050:WEO-V1 2030:TAR-V3 2030:TAR-V1 2030: WEO-V1 2020: TAR-V3 2020: TAR-V1 2020: WEO-V1 Net GHG balance Land use change Biofuel use -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 GHG gains and losses (Gt CO2 e) Note: For 1.gen biobrændstoffer er brugt GHG reduktionsprocenter baseret på EU Kommissionen 2008 samt IPCC Tier 1 approach for kultoftab på grund af Land Use Change (IPCC, 2006). For 2. gen biobrændstoffer er brugt en GHG reduktion på 85%. Kilde ELOBIO, IIASA # 16
Energisektorens biomasseforbrug CCS EU-27 (plus Norge) 30% CO 2 emission reduktion i 2020 and 85% i 2050 5000 4500 4000 Electricity generation [TWh] 3500 3000 2500 2000 1500 Wind Gas Hard coal Lignite New Gas biomass & w aste New Hard coal Hard coal CCS Lignite CCS New Nuclear New Biomass & waste New Wind 1000 Nuclear 500 Hydro replacements 0 Hydro 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Year # Kilde: Alternative ELOBIO, drivmidler Chalmers
Energisektorens biomasseforbrug Ej CCS, EU-27 (plus Norge) 30% CO 2 emission reduktion i 2020 and 85% i 2050 5000 4500 New Nuclear 4000 Elec tric ity generation [TW h] 3500 3000 2500 2000 1500 Wind Gas Hard coal Lignite New Hard coal biomass & w aste New Gas New Wind New Biomass & waste 1000 Nuclear 500 Hydro replacements # 18 0 Hydro 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Year Kilde: ELOBIO, Chalmers
Størrelsesordner 5000 4500 4000 New Nuclear 1000 TWh requires about 9 EJ of biomass at 40% conversion efficiency Comparison: Electricity generation [TW h] 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Wind Gas Hard coal Lignite Nuclear New Hard coal biomass & waste New Gas New Wind New Biomass & waste - EU25 ind. roundwood: ca. 6 EJ - EU 25 cereals: 4-5 EJ - Agri residue pot: 3-4 EJ 500 Hydro replacements # Hydro 0 2005 2010 2015 2020 2025 Year 2030 2035 2040 2045 2050 Kilde: ELOBIO, Chalmers
Betalingsvilje for biomasse CO 2 charge rising to 150 Euro/ton 20 18 16 14 Sellers price (Euro/GJ of biomass) Dashed lines: soaring fossil fuel prices Solid lines: Baseline E&T Trend to 2030 update 2007 (DG-TREN (2004) scenarios on key drivers) 12 Wheat (Euro/ton) 160 100 10 8 6 4 2 Low ambitions: CO 2 charge stay roughly at present level (20 Euro/ton) 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 Kilde: ELOBIO, Chalmers #
Konklusioner, overvejelser Stor forskel på: -Samfundsøkonomiske omkostninger -Energieffektivitet -GHG reduktion -Passe på med firkantede holdninger Effekt på tilgrænsende markeder: -behov for politikker der samtænker landbrug og biomasse Konkurrence om biomassen -Energisektoren har en høj betalingsevne -Store mængder må forventes at blive efterspurgt Mængden af biomasse kan påvirkes # 21