rfr · GV0WRFR14 · 2008-04-25 00:00:00 — Förnybara drivmedels roll för att minska transportsektorns Riksdagstryckeriet, , 2008 Mot bakgrund av den snabba utvecklingen inom området för förnybara drivmedel och den betydelse sådana har för omställningen till ett hållbart transportsystem och planeringen av trafikens infrastruktur beslöt trafikutskottet , 2007 att låta genomföra en forskningsöversikt i ämnet. Det övergripande syftet med forskningsöversikten är att trafikutskottet ska få en sammanfattning av nuvarande kunskapsläge inför förestående riksdagsbehandling av riktlinjer för den långsiktiga planeringen av trafikens infrastruktur. I uppdraget har bl.a. ingått att presentera de förnybara drivmedel som uppfyller kraven på ett bärkraftigt drivmedel med avseende på: miljön (hållbara ur klimatsynpunkt), hälsan (ej hälsovådliga), resurserna (energieffektiva, yteffektiva), produktion och distribution (ekonomiskt rimligt pris), presentera framtidsscenarion där vägtrafikens drivmedel, såväl personsom godstransporter, relateras till övriga transportsystemet, klarlägga konsekvenserna i dessa framtidsscenarion för den fysiska planeringen och utvecklingen av trafikens infrastruktur, belysa vilken potential förnybara drivmedel har för utvecklingen av hållbar utveckling inom transportsektorn. Däremot behandlas inte energieffektivisering eller andra åtgärder som innebär omställning av hela energisystemet i översikten. Inte heller ingår frågor som rör sociala aspekter eller ekonomiska styrmedel. Uppdraget har utförts av forskningsledare , Kungl. Tekniska högskolan, KTH, och tekn.dr , /, . Författarna svarar själva för innehållet i rapporten. Vidare har två grupper knutits till arbetet, den parlamentariska gruppen och expertgruppen. Den parlamentariska gruppen har haft i uppgift att följa att arbetet bedrivits i enlighet med trafikutskottets uppdrag. Den har bestått av följande ledamöter eller suppleanter i trafikutskottet: (), (), (), (), (), () och (). 2007/08:RFR14 FÖRORD Expertgruppens uppgift har varit att granska forskningsöversikten med avseende på kvalitet och innehåll. Sammansättningen av denna grupp har varit: , (), , , , , , , , och samt , . Utvärderings- och forskningsfunktionen vid och trafikutskottets kansli har biträtt i arbetet. I denna rapport sammanställs den forskningsöversikt som utförts. Vidare redovisas uppteckningar från den offentliga utfrågning som trafikutskottet anordnade om forskningsöversikten . Klimatet i fokus.................................................................................... Förnybara drivmedel en översikt..................................................... 2 Förnybar energi för transportsektorn på lång sikt ....................................... Bioenergi potential till 2050............................................................ Ökad bioenergitillförsel ett globalt problem eller en global Var i energi- och transportsystemet kan biobränslen ge störst 3 Scenarier för energi- och transportsystem fram ......... Vilka utsläppsminskningar krävs till 2050 för att utvecklingen ska vara i linje med tvågradersmålet? Hur långt kan man nå med teknikeffektivisering och koldioxidneutral energi?..................................................................... Scenarier för energi- och transportsystemet som kan vara förenliga med tvågradersmålet............................................. Förutsättningar för biodrivmedel inom olika transportslag ................ 4 Biodrivmedel ur ett resurs- och miljöperspektiv................................................. Förnybara drivmedels energi- och yteffektivitet samt Hälsa och luftföroreningar ................................................................. 5 Ekonomi och introduktionsstrategier .......................................................... Möjligheter till gradvis introduktion och distribution ........................ Diskussion av utvecklingsvägar för drivmedelsproduktion och Diskussion om utvecklingslinjer för drivmedelsproduktion och Offentlig utfrågning om forskningsöversikten ............................................... Bilder från utfrågningen........................................................................... I denna rapport analyseras dels vilken roll förnybara drivmedel kan ha för att uppnå samhällets övergripande klimatmål, dels vilka kombinationer av drivmedel och typ av primär biomassa som har förutsättningar att bli miljömässigt, resursmässigt och ekonomiskt acceptabla. För att nå långsiktiga reduktioner av utsläpp av växthusgaser som är i linje med tvågradersmålet, dvs. , krävs en kombination av åtgärder på tre områden: kraftfull teknikeffektivisering i alla samhällssektorer, en betydande ökning av mängden koldioxidneutral energi och att den snabba volymtillväxten av flygresande, vägtransporter och övrig resursintensiv konsumtion bryts. Förnybara drivmedel utgör sannolikt en komponent i den arsenal av åtgärder som kommer att krävas, men biodrivmedel kommer även på lång sikt bara att räcka till en begränsad del av transportsektorns energibehov. I allmänhet är det effektivast att i första hand använda tillgänglig bioenergi för kombinerad el- och värmeproduktion i industriella processer och i kraftvärmeverk. En ökad andel eldrift för transporter både i form av plug-in-hybrider/batterifordon och spårtrafik utgör också en viktig komponent på vägen mot tvågradersmålet. Dagens produktion av biodiesel och etanol från vete/majs är inte långsiktigt hållbar, varken ekonomiskt eller miljömässigt. Biometan (biogas) från rötning av avfall, slam m.m. räcker endast till en mindre del av transportsektorns energibehov men har ofta mycket positiva miljöeffekter. Det kan spela en viktig roll som nischbränsle , speciellt för lokala fordonsflottor. Etanol från sockerrör har en potential att även spela en viss roll i den globala energiförsörjningen, eftersom den är förhållandevis yteffektiv. En förutsättning är att den produceras utan negativa konsekvenser för värdefulla ekosystem, inte minst regnskogsområden. Dagens biodrivmedel kan, även om de inte alla är effektiva, bidra positivt till omställningen på medellång sikt genom att man bygger aktörsnätverk, marknader och erfarenheter för utvecklingen av andra generationens drivmedel. Andra generationens drivmedel utgår i från vedråvara och har potentiellt mycket låga livscykelutsläpp av växthusgaser och högre yteffektivitet än dagens biodrivmedel. Processtekniker som kan användas är i första hand förgasning av biomassa och enzymatisk hydrolys för framställning av etanol. Bäst verkningsgrad vid förgasning av biomassa får man vid produktion av väte och metan tätt följt av metanol och DME. Syntetisk diesel/flygfotogen ger något sämre verkningsgrad. Användning av väte är förknippat med betydande teknisk-ekonomiska problem vad gäller distribution, lagring och fordon (bränsleceller). Metan är lättare att hantera men medför merkostnader jämfört med flytande drivmedel. Om förgasningstekniken blir etablerad så kan metanol, DME och biometan utgöra energieffektiva, yteffektiva och praktiskt hanterbara alternativ. Energiverkningsgrad från vedråvara till bränsle i tanken SAMMANFATTNING 2007/08:RFR14 kan i dessa fall komma att uppgå till . Om ett genombrott nås för enzymatisk hydrolys av vedråvara till etanol så kan man nå en verkningsgrad . Väte producerat från biomassa som används i framtida bränslecellsfordon har marginellt högre systemverkningsgrad än t.ex. biometan, metanol eller DME som används i en effektiv dieselhybrid. För att väte ska slå igenom krävs dels att de betydande teknisk-ekonomiska problemen kan lösas dels att man får en situation där mängden bioenergi är starkt begränsad som tillgången på förhållandevis billig el är stor. Detta skulle möjligen kunna bli fallet på , exempelvis om solcellsel får ett genombrott eller om koldioxidlagring blir billigt och säkert. En väl fungerande transportsektor är en av de viktigaste komponenterna i ett modernt samhälle. Baksidan av denna rörlighet är trafikolyckor, buller, luftföroreningar och en energianvändning som orsakar betydande utsläpp av koldioxid. I används för inrikes transporter ca energi vilket ska jämföras med den totala energianvändningen på 402 TWh2. Till skillnad från bostadssektorn och industrin är transporterna nästan helt beroende av fossila ändliga resurser i form av diesel, bensin, flygfotogen och bunkerolja. har produktionen av förnybara drivmedel ökat kraftigt, både i och globalt. Flera initiativ i bl.a. , , och har bidragit till en kraftigt ökad marknad för främst etanol och biodiesel. har gjort stora satsningar på att framställa etanol från sockerrör och vill nu exportera både etanol och teknologin till andra länder. Flera utvecklingsländer satsar på att producera etanol för att minska sitt importberoende av olja men även för att utveckla sin landsbygd och för att kunna exportera etanol till i-länder . I har användningen av etanol ökat kraftigt bl.a. på grund av statliga insatser som skattelättnader och den s.k. pumplagen . Dock svarar fortfarande de förnybara drivmedlen för en liten del av den totala energianvändningen i den svenska transportsektorn (i vägtransportsektorn). Globalt står de förnybara drivmedlen för av den totala energianvändningen inom transportsektorn. Krav på användning av förnybara bränslen i EU, och driver på produktionen globalt, vilket i vissa fall också givit påtagliga negativa bieffekter. Exempel på detta är regnskog som skövlats för att ge plats för palmoljeodlingar för biodieselproduktion i och , dåliga arbetsförhållanden på sockerrörsfälten i och kopplingen till de senaste årens höga spannmålspriser. Detta sker som den nu snabba introduktionen av biodrivmedel inom driver fram förnybara drivmedel som, av stora delar av forskarvärlden, inte anses ha en långsiktig potential att klara sig på marknadens villkor och än mindre lösa klimatproblemet. I denna rapport analyseras först vilken roll förnybara drivmedel sammantaget kan spela för att man ska uppnå samhällets övergripande klimatmål, inte minst tvågradersmålet. Detta görs med hjälp av fem olika scenarier som alla innebär en reduktion av utsläppen av växthusgaser . Sedan görs en genomgång av olika förnybara drivmedel och olika sätt att 1Energimyndigheten (2007 b). Denna statistik tar inte med del av utrikes flyg och utrikes sjöfart. Med dessa inräknade blir energianvändningen ca (m.fl. 2007). 2 (2007 b). En bedömning görs av vilka produktionskedjor som har förutsättningar att vara miljömässigt, resursmässigt och ekonomiskt acceptabla. I fortsättningen av detta kapitel gör vi en kort beskrivning av dagsläget vad gäller användningen av förnybara drivmedel i första hand etanol och biodiesel (RME) och framtida möjliga utvecklingsvägar. I kapitel 2 diskuteras framtida tillgång på förnybar energi med speciellt fokus på bioenergi. Vi konstaterar att osäkerheten är stor speciellt vad gäller global tillgång på biomassa för energiändamål. Därefter förs en principiell analys av var i energi- och transportsystemet som det ger störst energieffektivitet och därmed störst möjlighet att ersätta fossila bränslen att använda biobränslen. I kapitel 3 presenteras kortfattat fem scenarier för energi- och transportsystem som alla skulle medföra minskning av utsläppen av växthusgaser fram . Syftet med detta kapitel är dels att visa på vilka transportmängder som kan vara förenliga med ett sådant klimatmål, dels att diskutera orsaker till och konsekvenser av den skiftande mängd biodrivmedel som används i scenarierna. Det visar sig att i ett av scenarierna används inte biodrivmedel alls i transportsektorn trots att hela samhällets utsläpp av växthusgaser minskar . I de fyra övriga täcks av transportsektorns energianvändning av biodrivmedel medan resten täcks av olja och el. Hur olika biodrivmedel står sig ur ett resurs- och miljöperspektiv analyseras i kapitel 4. Vi konstaterar att den begränsande faktorn oftast är yta för produktion av biomassa, vilket innebär att hög produktion av färdigt biodrivmedel per markyta är nödvändig. Vi konstaterar att det finns flera produktionskedjor av drivmedel som är förhållandevis effektiva och det är svårt att utse en definitiv segrare. Gemensamt för de effektivare produktionskedjorna är att de utgår från träråvara i vårt klimat. För tropiska klimat har även etanol från sockerrör en potential till hög yteffektivitet. I kapitel 5 diskuteras praktiska och ekonomiska aspekter på introduktion av olika drivmedel. En diskussion förs om utvecklingen och om hur man skulle kunna uppfylla förslag på andel biodrivmedel . Utvecklingen skisseras också. I kapitel 6 presenteras slutsatserna. 1.3 Klimatet i fokus Klimatfrågan har lyfts fram som en av de viktigaste framtidsfrågorna över huvud taget. Framför allt efter publiceringen av IPCC:s3 fjärde rapport har frågan hamnat högt upp på den internationella dagord- 3 Intergovernmental Panel on Climate Change. ningen i paritet med säkerhet och ekonomi. Ett skäl till klimatfrågans höga status är sannolikt just den potentiellt stora påverkan en eskalerande klimatförändring skulle få på både säkerhet och ekonomi. har traditionellt hållit en hög profil i det internationella klimatsamarbetet och har bl.a. åtagit sig hårdare krav än vad som stipuleras inom EU:s bördefördelning under Kyotoprotokollet. Skälen som angivits för denna hållning är att vill vara ett föredöme internationellt i denna viktiga fråga. Som utgångspunkt i denna rapport har vi antagit att klimatet kommer att vara en central fråga och att vill medverka till att den globala uppvärmningen begränsas till två grader. Tvågradersmålet har antagits av EU som ett riktmärke och har även varit utgångspunkt för regeringens vetenskapliga råd om klimatfrågor.4 För att ha sannolikhet att begränsa uppvärmningen till ca krävs att halten växthusgaser (mätt som CO2 - ekvivalenter5) i atmosfären stabiliseras på 450 ppm. var koncentrationen 425 ppm med en tillväxt på 1,9 ppm/år6. För att begränsa koncentrationen till 450 ppm måste man globalt stabilisera (dvs. bryta ökningen) växt- husgasutsläppen för att sedan minska dem . Inrikes transporter stod för utsläpp av koldioxid vilket motsvarar av totala inrikes utsläpp av växthusgaser.8 Om även utrikes transporter med flyg och sjöfart inkluderas, så uppgick utsläppen till ca koldioxidekvivalenter, eller av de totala utsläppen.9 Speciellt utsläppen från utrikes transporter ökar snabbt, men dessa omfattas inte av Kyotoprotokollet. 1.4 Förnybara drivmedel en översikt Förnybara drivmedel kommer från antingen biomassa eller förnybar el i form av vattenkraft, solkraft, geotermi, vågkraft eller vindkraft. Givet den långsiktighet som krävs för att lösa klimatfrågan är det också relevant att inte bara titta på vilka drivmedel som finns tillgängliga utan även vilka drivmedel som anses kunna bli tillgängliga . Nedan följer en kort översikt av de förnybara bränslealternativ som finns och de som antas kunna finnas . Figur 1.1 nedan visar schematiskt förnybara drivmedel och från vilken råvara och med vilken produktionsprocess de tillverkas. Figur 1.1 är uppdelad på de drivmedel som finns tillgängliga och de som förhoppningsvis ska finnas tillgängliga . 4Miljövårdsberedningen (2007). 5För att få ett gemensamt mått så räknas alla olika växthusgaser om till ton CO2- ekvivalenter (CO2-ekv eller CO2-e), dvs. den mängd koldioxid som skulle ge samma strålningsdrivning (klimatpåverkan) , i detta fall . 6IPCC (2007). 7IPCC (2007). 8Energimyndigheten/(2007). 9Åkerman m.fl. (2007). Speciellt utsläppen från utrikes sjöfart är osäkra. Figur 1.1 Huvudsakliga omvandlingsvägar från råvara till fordonsbränsle för de mest aktuella drivmedlen Marknaden för förnybara drivmedel domineras av etanol, biodiesel samt biometan. Som råvaror används olika traditionella jordbruksprodukter som innehåller antingen mycket socker och stärkelse (för etanol), oljefrön (för biodiesel) eller som kan rötas (biogas). I figurerna 1.2 och 1.3 nedan visas den globala produktionen av etanol respektive biodiesel. Figur 1.2 Produktion av etanol för användning i transportsektorn Källa: F. O. Lichts, 2005. etanol motsvarar bensin i energivärde. Etanol är det vanligaste förnybara fordonsbränslet och produceras från sockerrör i , från majs i och från vete i (framför allt i ), se figur 1.2. Produktionen går ut på att jäsa socker till etanol. ret finns antingen direkt i växten eller extraheras från stärkelserika växter10. Råvaran avgör i stor utsträckning vad etanolen kostar och vilka miljöfördelar den har. Etanol från vete och majs kräver mer insatser i form av energi och odlingsyta per producerad liter bränsle och blir därför både dyrare att tillverka än etanol från sockerrör och har sämre miljöprestanda. Biodiesel produceras framför allt i och i , och produktionen har växt kraftigt , se figur 1.3, men är i totalvolym fortfarande liten jämfört med etanol. Biodiesel framställs från vegetabiliska oljor eller fett som transesterfieras till fatty acid methyl (FAME). Vegetabiliska oljor fås ifrån oljerika fröväxter, t.ex. rapsfrön som pressas och renas. Inom EU används raps som råvara, men biodiesel kan även framställas ur soja, solfrö, vissa palmväxter m.m. Även använd frityrolja eller djurfett kan används som råvara. Figur 1.3 Produktion av biodiesel för användning i transportsektorn globalt Källa: F.O. En liter biodiesel motsvarar vanlig diesel i energivärde. Biogas som uppgraderats till biometan kan används fordonsbränsle framför allt i och i . Produktionen av biogas består av rötning av olika avfallsprodukter från jordbruket och övriga samhället såsom avloppsslam, gödsel, vallgrödor, slakteriavfall, hushållsavfall och drank11. I användes ca 1,89 TWh12 etanol, biodiesel och biometan vilket ska jämföras med de totalt 101 TWh13 som totalt användes för inrikes transporter. Den största delen etanol importeras från och låginblandas i bensin. Biodieseln låginblandas i fossil diesel, och biometan används i lokala bussflottor och i personfordon som både kan köras på bensin och gas (bifuelfordon). vete, majs, potatis, hirs, råris eller på södra jordklotet. 11Restprodukt från etanoltillverkning. 13Energimyndigheten (2007 b). finns det förhoppningar om att kunna framställa biodrivmedel från vedråvara i stället för av dagens socker, stärkelse och oljefrö från jordbruksprodukter. Att kunna använda vedråvara skulle potentiellt ge en större råvarubas i form av skogen och restprodukter från jordbruket14. Snabbväxande träsorter15 kan odlas på jordbruksmark och ger en hög energiavkastning per hektar samt kräver betydligt mindre behov av konstgödsel än konventionella jordbruksgrödor. Det som brukar kallas andra generationens bränsle och som förväntas bli kommersiellt gångbart inom alltifrån 5 till baserar sig på vedråvara. Tekniskt finns det två vägar att gå om man vill framställa biodrivmedel ur vedråvara, nämligen hydrolysspåret eller förgasningsspåret. Vedråvara består av cellulosa, hemicellulosa och lignin. Cellulosan och delar av hemicellulosan kan brytas ned till glukos som går att jäsa till etanol. Lignin (normalt 2530 viktprocent av skogsråvara) kan inte brytas ned till glukos men kan användas till värme och elproduktion som delvis används i interna processer när etanolen produceras och går på så vis inte förlorad. finns tillgänglig teknik, s.k. sur hydrolys, och hoppas man på enzymatisk hydrolys. Dagens tillgängliga teknik med sur hydrolys är för dyr för att anses kommersiellt gångbar. Enzymatisk hydrolys är potentiellt effektivare och även billigare än sur hydrolys men är fortfarande på forsknings- och demonstrationsstadiet. satsar mycket på denna teknik men även ligger långt framme med forskning och har bl.a. en försöks- och demonstrationsanläggning i . Med framtida enzymatisk hydrolys finns potential att nå en verkningsgrad från vedråvara till etanol på och därutöver erhålls till el som samproduceras i processen från den restprodukt (ligninet) som inte kan brytas ner till etanol16. All vedråvara, och även alla fossila råvaror, går i princip att förgasa17 till en syntesgas bestående av kolmonoxid och väte. Denna syntesgas kan sedan användas för att producera ett antal biodrivmedel som väte, biometan, metanol, etanol samt syntetisk diesel och flygfotogen. Enklast är det att tillverka biometan då slutprodukten från förgasningssteget inte behöver bestå av ren syntesgas utan man kan förgasa vid en något lägre temperatur och får då en slutprodukt av ca: syntesgas och metan, d.v.s endast hälften av 14Vid t.ex. etanolframställning används bara stärkelsedelen av växten. Resten blir restprodukter. salix, hybridasp, elefantgräs, switchgrass eller eukalyptus i tropiska länder. 16Procentsatser räknade på energiinnehåll oavsett energikvalitet. Siffror baserade på Faaij (2006). 17Förgasning innebär att man delvis förbränner kol/biomassa med för lite syre, vilket resulterar i en energirik syntesgas. gasen behöver processas vidare till biometan. Den lägre förgasningstemperaturen ger också en något högre verkningsgrad För att framställa de andra bränslen behöver man utgå från ren syntesgas och förgasningen måste då ske vid en högre temperatur. Från ren syntesgas är det enklast att tillverka väte, därefter följer metanol/DME. Syntetisk diesel ger ytterligare något lägre verkningsgrad. Syntetisk diesel tillverkas med den s.k. Fisher-Tropsch- metoden och kallas därför ofta också för F-T-diesel. Etanol går teoretiskt att tillverka från syntesgas men anses inte speciellt lovande om man jämför med syntetisk diesel eller metanol/DME. Inom EU pågår flera forsknings- och demonstrationsprojekt för att utveckla förgasningstekniken och den efterföljande Fisher-Tropsch-processen. satsar även mycket på att bygga ut förgasningstekniken, men dess fokus är att förgasa kol och tillverka syntetisk diesel eller metanol, vilket innebär höga utsläpp av koldioxid, se figur 4.2 i kapitel 4. Med framtida förgasningsteknik finns en potential att producera biometan från vedråvara med en verkningsgrad mellan och väte verkningsgrad. Dessa bränslen är dock gasformiga och ca: av energiinnehållet försvinner vid kompression för att lagra gasen i fordonet18. Vid produktion av metanol/DME fås en verkningsgrad på och ytterligare något lägre verkningsgrad, , fås för syntetisk diesel19. Även här finns möjlighet att samproducera el i s.k. energikombinat för att nå en högre totalverkningsgrad (el + bränsle) men då sänker man det absoluta utbytet av bränsle. En intressant möjlighet är att vid förgasningen utgå från svartlut i pappersmassaindustrin.20 Detta skulle sannolikt ge en bättre verkningsgrad och möjligen vara mer ekonomiskt. Det bör dock noteras att svartluten inte spills bort, vilket innebär att den i massaproduktionen behöver ersättas med en lika stor mängd, men mindre förädlad, energi i form av t.ex. skogsrester. Inom transportsektorn är det endast järnvägen som använder elektricitet i en större skala. Hybridfordon med elmotorer, s.k. plug-in-hybrider, kan komma att använda elektricitet direkt från elnätet och göra elektricitet till ett konkurrenskraftigt alternativ även för en del av vägtransporterna. Batteriernas prestanda behöver förbättras för att göra plug-in-hybrider konkurrenskraftiga. Med en fortsatt positiv utveckling av bl.a. litiumbatterier, bör de på kunna ta en signifikant marknadsandel trots ett även då sannolikt högt inköpspris. På lång sikt, framemot 2050, skulle av personbilsresorna kunna täckas av el från nätet (se även avsnitt om plug- in-hybrider i avsnitt 3.3: Diskussion av scenarierna). Med en fortsatt utveckling av batteriteknik bör även mindre elbilar kunna få ett visst genomslag på för kompression till 200 bar för metan och för kompression av väte till 350 bar, Ahlvik (2001) (2001). Räknat på primärenergiinnehåll. 19Siffror baserade på Faaij (2006). 20Utveckling av denna teknik görs av Chemrec i . Dessa skulle framför allt passa för kortare sträckor, t.ex. pendling i glesbygd och mindre orter.