sou · GVB336 · 2008-01-01 00:00:00 — Samproduktion av el och värme vid stora för- bränningsanläggningar som t.ex. fjärrvärmeverk utnyttjar normalt ångturbiner för elproduktion. I dessa anläggningar kan upp till ungefär en tredjedel el och två tredjedelar värme fås. I praktiken är dock elproduktionen ofta lägre av driftstekniska orsaker. Sam- produktion av el och värme sker normalt inte i små förbrännings- anläggningar som utnyttjar fasta biobränslen eftersom den spe- cifika kostnaden (kr/kW) blir mycket högre. Samproduktion av el och värme kan också ske via gasturbiner från gasformiga biobränslen som t.ex. biogas och förgasad biomassa. Gaskombianläggningar (gasturbin i kombination med ångturbin) har en högre elverkningsgrad än konventionella anlägg- ningar med enbart ångturbiner. I gaskombianläggningar kan ungefär lika delar värme och el produceras. Småskalig sampro- duktion av el och värme från gasformiga biobränslen kan ske med tekniker som t.ex. ottomotorer eller dieselmotorer som utnyttjar både biogas och diesel (s.k. dual-fuel principen). Andra möjliga tekniker är sterlingmotorer och eventuellt mikroturbiner som dock är utvecklade för naturgas. Generellt sett är elverknings- graden lägre i små anläggningar som den specifika el- produktionskostnaden (kr/kW) är betydligt högre. Tekniken för småskalig kraftvärmeproduktion behöver därför utvecklas då den oftast är för dyr för att nå lönsamhet. Torra biobränslen rika på lignocellulosa såsom skogsbränsle, energiskog och stråbränslen kan förgasas genom termisk förgas- ning till en produktgasTPF1FPT som kan utnyttjas för olika energiändamål. Produktgasen, som består av en mix av olika gaser, kan t.ex. ut- nyttjas för samproduktion av el och värme i stora anläggningar genom bl.a. kombicykelteknologin. Denna teknik bygger på att både gasturbiner och ångturbiner utnyttjas för att maximera utbytet av el. I integrerade förgasnings- och kombicykelanlägg- ningar bedöms lika delar el och värme kunna produceras från biomassa. Dessa anläggningar är dock betydligt mer komplicerade än kraftvärmeanläggningar med förbränning och ångturbiner varför värderingen av el måste vara väsentligt högre än värderingen av värme för att motivera den merinvestering som krävs. Förgas- ningstekniken är inte heller tekniskt färdigutvecklad . Ett annat alternativ är att metanisera den produktgas, s.k. syntesgas som erhålls om rent syre används som oxidationsmedium, till metan som sedan används i alla applikationer utvecklade för naturgas, t.ex. konventionella gasturbiner. 1TP PT Syntesgas är en gas som erhålls om syrgas används som oxidationsmedium i förgasaren (alternativt indirekt förgasning), värmevärdet (20 MJ/Nm3P )P är ungefär hälften av värme- värdet för naturgas (40 MJ/Nm3P )P . För att dämpa värmeutvecklingen och tillföra mer väte till processen tillsätts ofta vattenånga. Om luft används som oxidationsmedium erhålls något som kallas för lågvärdesgas. Luftens kväve späder då ut gasen och värmevärdet (ca 5 MJ/Nm3P )P är drygt 1/10 av värmevärdet för naturgas. utnyttjas spannmål, raps och organiska restprodukter för produktion av biodrivmedel i . Spannmål, framför allt vete, omvandlas via jäsning till etanol, raps via pressning, extraktion och omförestring till rapsmetylester () och gödsel, livsmedels- avfall, hushållsavfall, avloppsslam m.m. via rötning till biogas. Dessa biodrivmedel benämns ofta som första generationens biodriv- medel. Andra generationens biodrivmedel som är under utveckling men som inte ännu är kommersiella baseras på lignocellulosa. Möjliga omvandlingstekniker är termisk förgasning och jäsning till etanol efter hydrolys (sönderdelning) av cellulosan. Processutveck- ling av etanolproduktion från träbiomassa sker i en pilotanläggning i . Framtida koncept bygger på bioenergikombinat med samproduktion av drivmedel, el och värme. Vid termisk förgasning med syre som oxidationsmedium kan syntesgasen refor- meras till olika drivmedel som t.ex. metanol (träsprit), dimetyleter (DME) som är ett gasformigt bränsle men som blir flytande vid relativt lågt tryck (likt gasol), metan eller FT-diesel (Fischer- Tropsch) som kan användas i befintliga dieselfordon. Framställning av metan är något enklare än framställning av flytande drivmedel då endast ett enkelt metaniseringssteg krävs jämfört med mer kom- plicerade reformeringssteg. Nackdelen är begränsningar i infra- strukturen för gasformiga bränslen. Fördelarna med andra generationens biodrivmedel jämfört med första generationens är att drivmedelsutbytet per mängd biomassa oftast är högre, att mer högavkastande lignocellulosabaserade växter kan utnyttjas samt att en större mängd råvara, både från skog och åker, potentiellt finns tillgänglig. Dessutom bedöms produktionskostnaderna för andra generationens drivmedel bli lägre än första generationens när produktionstekniken väl är ut- vecklad. Termisk förgasning kräver också större anläggningar, och därmed större råvaruförsörjningsområde, än etanolanläggningar för att bli kostnadseffektiva. När väl tekniken blivit kommersiell beräknas drivmedel baserade på lignocellulosa (etanol, metan, metanol, DME m.m.) bli mer kostnadseffektiva än första gene- rationens biodrivmedel. I ett längre perspektiv kan också vätgas produceras via förgasning av lignocellulosa. I Figur 11.2 beskrivs ett exempel på effektiviteten för olika produktionssystemen av biodrivmedel när dessa baseras på energi- grödor som odlas på bra i (med en genom- snittlig veteskörd om per hektar). Om odling sker i andra delar av landet kommer således resultatet att ändras utifrån lokala förutsättningar. kommer då drivmedelsutbytet per hektar att bli lägre. Den inbördes rangordningen mellan de olika produktionssystemen bedöms dock bli liknande. Figur 11.2 Utbyte av biodrivmedel per hektar för olika produktionssystem. Med nettoutbyte avses bruttoproduktion av drivmedel minus den hjälpenergi som krävs vid odling av råvara och omvandling till drivmedel olja ˜ 10 MWh) *(Nettoutbyte = Bruttoproduktion – total energiinsats; & bra ; eventuella biprodukter har allokerats utifrån energiinnehåll och dragits ifrån råvaruproduktion) Källa: P. , . Staplarna i figuren anger dels bruttoproduktionen av drivmedel per hektar , dels nettoproduktionen per hektar när all insats- energi från odling av gröda och omvandling till drivmedel räknats bort. I insatsenergi räknas såväl direkta energiinsatser som diesel, el osv. som indirekta i form av gödselmedel, tillverkning av maskiner osv. omräknat till primärenergi. Skillnaden mellan brutto- och nettoproduktion av drivmedel visar hur mycket insatsenergi som krävs för att producera ett drivmedel, dvs. denna skillnad ger ett indirekt mått på energieffektiviteten i produktionskedjan. begränsning med figuren är att den fokuserar på drivmedelsutbyte per hektar då drivmedelsproduktionen antas vara prioriterad i detta fall. Hänsyn till eventuella biprodukter som genereras vid biodriv- medelsframställning har dock tagits med i energiflödesberäk- ningarna. Detta har gjorts genom att energiåtgången vid odling av råvara har reducerats i motsvarande omfattning som denna råvara blir biprodukter i stället för drivmedel. I praktiken innebär detta att energiåtgången för odling av raps, vete och energiskog för RME respektive etanolproduktion har reducerats med . I dessa fall återfinns således av råvarans ursprungliga energiinnehåll i de biprodukter som genereras. För att detta för- farande skall ge en rättvisande bild, förutsätts dock att produkten har en marknad och ersätter en produktion av motsvarande mate- rial. För att ge en mer heltäckande bild krävs kompletterande studier baserade på andra odlingsområden där alternativa beräkningssätt för biprodukter presenteras osv. Detta är särskilt relevant när t.ex. olika energikombinatlösningar diskuteras och analyseras som opti- meras utifrån andra kriterier än enbart från att maximera driv- medelsproduktionen. sammanställningar av t.ex. olika energibalansberäkningar för biodrivmedel visar stora skillnader i resultat beroende på en mängd olika faktorer. Exempel är skillnader i lokala och geografiska förutsättningar men framför allt skillnader i beräkningsmetodik. Beroende av vad som inkluderas i produk- tionssystemet (systemgränser) samt hur energiåtgången fördelas mellan biodrivmedel och de biprodukter som uppstår (allokering), kan energibalansen variera stort. Detta innebär att rättvisande jämförelser är omöjliga att göra om inte de antaganden som gjorts redovisas tydligt. Resultat från andra typer av studier som exergi- och emergianalys visar ibland negativa resultat för biodrivmedel, men det är inte meningsfullt att jämföra dessa resultat med resultat från energianalyser då metoderna har olika utgångspunkt och svarar på olika frågor. är etanol det biodrivmedel som används i störst omfattning i . Fördelarna med etanol är att detta är ett flytande bränsle som kan användas som inblandning i bensin och därmed utnyttjas i den befintliga fordonsflottan och utnyttja befintliga distribu- tionssystem. Etanol kan också användas i etanolfordon som E85 innehållande bensin. Etanolfordon kan också köras på enbart bensin. Dessa distributionssystem är snarlika dagens distributionssystem för bensin och diesel. Vid jäsning av spannmål omvandlas av spannmålens energiinnehåll till etanol. Resterande del bildar en biprodukt kallad drank som används som djurfoder. Innan dranken kan distribueras över större avstånd behöver denna torkas vilket kräver en stor del av den processenergi som en etanolfabrik förbrukar. Dessa faktorer gör att nettoenergiutbytet av etanol per ton spannmål reduceras, liksom nettoutbytet av drivmedel per hektar . Ett sätt att effek- tivisera etanolprocessen är att röta dranken till biogas i stället för att torka den till djurfoder. Då ökar också nettoutbytet av bio- drivmedel per ton spannmål och per hektar . En storskalig expansion av spannmålsbaserad etanolproduktion förutsätter en kostnadseffektiv avsättning av drank. Om detta inte är möjligt kan biogasproduktion vara ett alternativ. Här krävs dock fördjupade analyser kring regionala avsättningsmöjligheter av drank. Etanol kan också produceras av sockerbetor men dessa produk- tionssystem är inte tekniskt utvecklade i . Exempel på utvecklade produktionssystem finns i andra länder. Etanolutbytet per ton biomassa beräknas bli högre för sockerbetor jämfört med spannmål. En annan fördel är att biomassaavkastningen per hektar är högre för sockerbetor jämfört med spannmål. Sockerbetor kräver dock god och bra klimat och odlas därför enbart i . En nackdel är dock höga produktionskostnader för sockerbetor vilka sannolikt måste reduceras för att nå kost- nadseffektivitet. Dessutom behöver en förenklad och effektiv pro- duktionsprocess utvecklas för att sockerbetsbaserad etanol skall bli kostnadseffektiv. Studier kring detta har påbörjats. Tillverkningen av rapsmetylester baseras på relativt enkla pro- duktionstekniker där rapsfrö pressas och extraheras till rapsolja som sedan tillsammans med metanol omförestras till RME. RME kan blandas in i diesel och därmed utnyttjas i befintliga diesel- fordon och utnyttja befintliga distributionssystem. RME kan också användas direkt i anpassade dieselfordon. Andra fördelar med RME är att tillverkningen är energieffektiv och kan ske både småskaligt (på gårdsnivå) och storskaligt. Utbytet av RME per ton rapsfrö är relativt lågt då huvuddelen av råvaran blir biprodukter i form av presskaka. Rapsmjöl utnyttjas liksom etanoldranken som protein- foder men här krävs inga energikrävande torkningsinsatser. Däremot värmebehandlas fodret för att säkerställa kvaliteten. Trots den relativt energieffektiva tillverkningsprocessen blir nettoutbytet av RME per hektar relativt lågt. Detta beror dels på att biomassaskörden i form av rapsfrö är relativt liten jämfört med biomassaskörden för andra energigrödor, dels att mängden rapsolja som kan utvinnas per ton rapsfrö är begränsad. En förutsättning för att en expansion av RME-tillverkning skall vara möjlig är att rapsmjölet kan avsättas som foder, eller eventuellt eldas för värme- produktion. Här krävs fördjupade analyser om eventuella begräns- ningar. Odling av oljeväxter begränsas också av risk för växtföljds- sjukdomar som hindrar en alltför frekvent odling. En bedömningTPF2FPT är att maximalt oljeväxter kan odlas i med befintlig struktur av växtodlingen vilket är knappt en för- dubbling jämfört med dagens odlingsareal. Avkastningen från denna ökade odling kan dock komma att öka genom förädling och nya sorter. Biogas som produceras i stora anläggningar används i allt större omfattning som fordonsbränsle i . En orsak till detta är att betalningsviljan för biogas som fordonsbränsle är betydligt högre än när biogas enbart används för värmeproduktion. För att biogas skall kunna användas som fordonsbränsle måste gasen uppgraderas till fordonsgaskvalitet med en metanhalt om . Uppgraderad biogas (och naturgas) kan användas i så kallade bi-fuel bilar som kan utnyttja både gas och bensin samt i ombyggda tunga fordon som enbart använder gas. En fördel med biogas som fordonsbränsle är att utsläppen av luftföroreningar oftast kan minska betydligt när traditionella bränslen ersätts. Genom att utnyttja biogas som fordonsbränsle blir effektiviteten i produktionskedjan oftast jämförbar med andra biodrivmedels- system där fast biomassa omvandlas till flytande drivmedel. Den nackdel som rötning har gentemot direkt förbränning vid värme- produktion kan således vändas till en fördel när biogas utnyttjas som drivmedel. Biogas kan produceras av odlade grödor som vall, spannmål och sockerbetor vilket ger ett högre nettodrivmedels- utbyte jämfört med t.ex. etanolproduktion. Biogas är dock speciellt fördelaktigt när blöta restprodukter som annars inte skulle ha utnyttjats för energiändamål används. I detta fall finns ingen kon- kurrerande markanvändning. En nackdel med biogas som fordons- bränsle är att nya distributionssystem behöver byggas, om inte det befintliga gasnätet kan utnyttjas. Merkostnaden för gasfordon är också högre jämfört med merkostnaden för t.ex. etanolfordon. Däremot är drivmedelskostnaden (kr/kWh) ofta lägre för fordons- gas jämfört med etanol. sker uppgradering av biogas i stora 2TP PT , . anläggningar men det pågår en viss utveckling av små, gårdsbase- rade uppgraderingssystem. Andra alternativ för att kunna upp- gradera biogas producerad på gårdsnivå är insamling och transport av trycksatt rågas till en central uppgraderingsanläggning eller pumpning via lokala gasnätsystem. Lokala utredningar om dessa alternativ pågår En fördel med de så kallade andra generationens drivmedel är att dessa kan utnyttja lignocellulosa som oftast kan produceras billi- gare och mer resurseffektivt än traditionella ettåriga grödor. Exempel är energiskog som ofta ger en högre biomassaskörd per hektar som energiinsatsen vid odling är betydligt lägre än för ettåriga grödor. Nettoutbytet av bioenergi per hektar blir därmed ofta högre. Tillgången på råvara ökar också väsentligt när lignocellulosa kan utnyttjas eftersom då också skogsråvara kan användas. Genom termisk förgasning fås en syntesgas som kan reformeras till olika drivmedel vilket medför en flexibilitet. Exem- pel är metanol för lätta fordon och DME för tunga. Verknings- graden vid tillverkning av metanol och DME beräknas variera för olika processlösningar men kan uppgå till . Verkningsgraden vid framställning av Fischer-Tropsch diesel är något lägre men FT-diesel kan å andra sidan användas som bränsle i befintliga dieselfordon. Framställning av metan via förgasning beräknas ge ett ännu högre nettoutbyte jämfört med metanol och DME. Metan från termisk förgasning kan sedan användas som drivmedel på samma sätt som metan från rötning. En annan möjlig- het är att reformera syntesgasen till vätgas vilket förväntas bli ett allt viktigt bränsle i ett längre tidsperspektiv. Etanolproduktion från cellulosa via jäsning kräver att cellulosan först hydrolyseras (sönderdelas) till socker. Detta kan ske på kemisk väg med hjälp av syror, på enzymatisk väg med hjälp av enzymer eller genom en kombination av dessa tekniker. Forskning och utveckling kring enzymatisk hydrolys sker och en fördel med denna teknik är att etanolutbytet kan bli högre jämfört med när enbart kemisk hydrolys utnyttjas. Etanolutbytet vid dagens produktion baserat på starksyrahydrolys är som högst , men ofta lägre. bedöms utbytet kunna öka upp mot när enzymatisk hydrolys utnyttjas i kombination med inledande svagsyrahydrolys. Vid etanolproduktion från cellulosa fås lignin som biprodukt som kan användas för olika energiändamål. Av råvarans ursprungliga energiinnehåll återfinns i ligninresten. Denna biprodukt kan t.ex. utnyttjas för kraftvärme- produktion där en del av el- och värmeproduktionen utnyttjas internt för att driva etanolprocessen men där huvuddelen kan levereras till extern förbrukning. Ligninresten kan också förädlas till pellets. Totalverkningsgraden för cellulosabaserade etanol- fabriker kan således bli hög när dessa byggs som energikombinat som genererar flera olika energibärare och inte bara biodrivmedel i form av etanol. 11.4Olika kriterier för val av omvandlingstekniker Nedan redovisas exempel på kriterier som kan innefattas i en bedömning av olika omvandlingstekniker och produktsystem: behovsbild av olika produktslag i samhället (t.ex. behov av värme, el, drivmedel och de inbördes proportionerna) utifrån alternativa scenarier. resurseffektivitet (t.ex. hög biomassaskörd per hektar med låg energiinsats och utnyttjande av befintliga restprodukter). energieffektivitet (minimera energiförlusterna genom hela energikedjan, från biomassaproduktion till slutlig energitjänst). miljöeffektivitet (maximera miljövinsterna genom hela energi- kedjan, från biomassaproduktion till slutlig energitjänst). ekonomisk lönsamhet (för alla aktörer i kedjan). bred acceptans (bland såväl producenter som konsumenter). Om resurs- och energieffektivitet eftersträvas bör biomassa i första hand användas för el- och värmeproduktion då omvandlingsförlusterna här är små och jämförbara med fossilbase- rade system. Störst klimatnytta fås också när fossila bränslen för el- och värmeproduktion ersätts. När bensin och diesel från råolja ersätts minskar klimatnyttan på grund av att omvandlings- förlusterna blir större när biomassa omvandlas till flytande och gasformiga drivmedel. För att väsentligt minska utsläppen av växthusgaser på nationell nivå måste dock också fossila drivmedel börja ersättas. kan fossila drivmedel också komma att baseras på förgasning av t.ex. stenkol, oljeskiffer och oljesand vilket innebär betydligt högre utsläpp av växthusgaser per energienhet drivmedel jämfört med dagens oljebaserade diesel och bensin. Andra drivkrafter för ökad användning av biodrivmedel är minskat oljeberoende och ökad försörjningstrygghet. En utveckling mot olika slags energikombinatlösningar med hög totalverkningsgrad och där förädlingen av olika biomassaråvaror optimeras på olika sätt medför också att polariseringen på antingen el- och värme- produktion eller drivmedelsproduktion alltmer försvinner. Effek- tiva bioenergikombinat bygger ofta på en samproduktion av driv- medel, el, värme och kanske förädlade fastbränslen. Användning av fleråriga högavkastande energigrödor som t.ex. energiskog är normalt mer energi- och resurseffektivt än använd- ning av ettåriga traditionella grödor. Fleråriga grödor som energi- skog och energigräs ger också en lägre miljöpåverkan vid odling. Energiskog kan också utnyttjas för andra miljötjänster, t.ex. rening av avloppsvatten, kadmiumrening av m.m. Nackdelar med fleråriga energigrödor som energiskog är minskad flexibilitet för jordbrukaren. I ett kortare perspektiv kan eventuellt också investeringar i markanläggningar (täckdikesdränering), lagerbygg- nader, spannmålstorkar m.m. anpassade för andra grödor utgöra en nackdel. Vissa energigrödor som t.ex. vall är positivt ur växt- följdsynpunkt. Utnyttjandet av befintliga restprodukter inom jord- bruket, livsmedelsindustrin m.m. för energiproduktion är också oftast mycket resurs- och energieffektivt och kan leda till stora miljövinster. Exempel är utnyttjandet av halm för el- och värme- produktion och blöta restprodukter som gödsel, blast m.m. för biogasproduktion, som sedan utnyttjas som drivmedel. Dessutom effektiviseras utnyttjandet av växtnäring när restprodukter rötas och rötresten återförs som gödselmedel förutsatt att hanteringen sker effektivt så att kväveförluster minimeras. Om utgångspunkten i stället är lönsamhet för jordbrukaren för att producera bioenergi blir bilden delvis en annan (se Figur 11.3). är ofta rapsodling för RME-produktion och vete för etanol- produktion lönsamt för odlare som befinner sig i odlingsområden där avsättning för dessa produkter finns (2006TPF3FPT; 2006TPF4FPT). Samma sak gäller för odling av havre som bränsle- kärna. Däremot kan det vara svårt att få lönsamhet i odling av fleråriga grödor som t.ex. rörflen för förbränning och vall till biogasproduktion. Utnyttjandet av restprodukter som halm för förbränning är relativt begränsat vilket kan tyda på begränsad lönsamhet. 3TP PT (2006). Bioenergi – ny energi för jordbruket. (2006). Drivmedelsproducenters betalningsförmåga för energigrödor. Miljö- och energisystem, . Här kan lönsamheten förbättras om också restprodukter från livsmedelsindustri m.m. utnyttjas som medför att mottagnings- avgifter kan tas ut. Betalningsförmåga för energigrödor i förhållande till respektive Raps till RME och Vete till etanol Vete till etanol + Källa: , 2006. Vid en lönsamhetsjämförelse mellan en ettårig gröda, t.ex. vete och en flerårig gröda som Salix är det viktigt att beakta att osäkerheten ökar över tiden. Det kan ske genom att Salixkalkylen belastas med en högre riskpremie, dvs. ett högre avkastningskrav på insatt kapital. Odling av energiskog visar vid en sådan förutsättning inte tillräckligt god lönsamhet för att en ökande andel jordbrukare skall vilja satsa på denna produktionsgren. Trots att energiskog har fördelar ur energi- och miljösynpunkt kan kalkylen dessutom belastas med ett negativt värde motsvarande de negativa föränd- ringar av landskapets utseende som många uppfattar att en stor- skalig expansion resulterar i. Kostnadskalkyler av (2006)TPF5FPT visar följande produk- tionskostnader för några olika energigrödor (kr per MWh): Salix 165 180, 180 200, rörflen 210 230, rågvete (hel- (2006). säd) 220 230, hampa 280 300 samt halm cirka 125. I produk- tionskostnaderna ingår förutom själva odlingskostnaderna också markkostnader samt riskkompensation vilka beräknas vara högre för nya energigrödor som t.ex. Salix jämfört med t.ex. spannmål. Riskkostnaden för Salix bedöms av (2006) till per MWh medan den för spannmål bedöms vara i det närmaste noll. Odlingskostnaden för Salix exklusive mark- och riskkostnader beräknas till per MWh. Som jämförelse bedöms odlingskostnaden (exklusive mark- och risk- kostnader) för höstvete, höstraps och sockerbetor vara omkring 260, 310 respektive per MWh (, 2006). När det gäller priset på förädlade biobränslen förändras detta över tiden utifrån tillgång och efterfrågan. Flispriset har t.ex. under en lång rad av år legat oförändrat kring per MWh. har priset ökat per MWh. Priset på halm till förbränning ligger normalt något under flispriset. Priset för träpellets till storkund (bulkleverans) ligger ofta i intervallet per MWh. För villakunder som köper pellets i säck är priset betydligt högre, ofta kring per MWh. Priset på bränslekärna är normalt något lägre än för trä- pellets då bränslekärna kräver en något mer anpassad förbrännings- utrustning och är något mer komplicerat att elda. Priset på oförädlad biogas från gödsel till el- och värmeproduktion beräknas till per MWh (m.fl., 2006)TPF6FPT. Priset för vetebaserad etanol producerat i Lantmännens fabrik i ligger kring per liter vilket motsvarar cirka 850 till per MWh. Priset på RME från Lant- männens fabrik i är per MWh .