Biomassebaserade energibärare för transportsektorn

Abstract

There is a large potential for increasing the use of biomass for energy purposes in Sweden. Increasing the use of biomass can reduce emissions of carbon dioxide (CO2) from fossil-fuel combustion and dependence on imported fossil fuels. Furthermore, increased biomass use will affect emissions of other air pollutants than carbon dioxide as well as environmental impacts from land use.

The study deals mainly with the environmental impacts of an increase in the use of biomass-based energy carriers in the transportation sector. Comparisons of different alternatives for biomass use are made on a systems level, where the whole fuel cycle from land use to final use of biomass-based energy carriers is studied. The focus of the study is on using biomass-based energy carriers for reducing carbon dioxide emissions. The following indicators are used to evaluate how efficiently biomass can be used for reducing CO2 emissions:



* Yearly reduction of CO2 emissions per unit arable or forest land used for biomass production (kg CO2/ha, yr)

* Costs for CO2 emissions reduction (SEK/kg CO2)



All costs are expressed in SEK assuming 1993 price level, and an exchange rate of 1 USD = 7.4 SEK. All costs exclude domestic taxes, fees and subsidies. Investment costs are annualized using a real discount rate of 6%. All assumptions are based on large-scale production and use of the biomass-based energy carriers studied.



The following energy carriers and biomass resources are studied:

* rape methyl ester (RME) produced from rape seed oil and biomass-based methanol

* biogas from lucern

* ethanol from wheat

* ethanol from Salix (short rotation forest) and logging residues produced using acid

hydrolysis

* ethanol from Salix and logging residues produced using enzymatic hydrolysis

* methanol from Salix and logging residues

* hydrogen from Salix and logging residues

* electricity from Salix and logging residues



Of the biomass-based fuels studied, those based on Salix provide the largest CO2 emission reduction per hectare of arable land. Lowest costs for CO2 emission reduction are achieved for methanol from Salix or logging residues (0.5-1.1 SEK/kg CO2 at current biomass costs, 0.4-0.9 SEK/kg CO2 at estimated biomass costs around 2015).

The technologies studied for ethanol production from cellulosic feedstocks, which are assumed to be commercially available in 5 to 10 years time, have an ethanol yield of 30 to 40%. The use of ethanol produced with these technologies will have significantly higher costs for CO2 reduction than methanol. If the ongoing development of new technologies for ethanol production from cellulosic materials with higher ethanol yields and lower costs will be succesful, ethanol from cellulosic materials could be economically competitive to methanol in the long term when used in internal combustion engine vehicles.

The costs for CO2 reduction are slightly higher for biogas from lucern than for methanol from Salix. The CO2 emission reduction per hectare is, however, significantly lower for biogas than for the fuels which are based on Salix.

Hydrogen from biomass has a potential for large CO2 reduction per hectare, but the costs are high as a result of high costs for fuel storage in the vehicle. Neither RME nor ethanol from wheat are economically competitive compared to methanol, even if there is a market for produced fodder by-products. The market for fodder by-products will, however, be limited with large-scale use of RME or ethanol from wheat. If the fodder by-products cannot be sold, the costs for RME and ethanol from wheat exceed the costs for all other fuels studied. Furthermore, large-scale utilization of RME will be restricted by the risk for crop rotation diseases resulting from increased rape seed cultivation.

It is assumed in the study that higher energy efficiencies can be achieved when methanol, ethanol or biogas are used instead of petrol in otto engines. Such advantages are not expected for methanol, ethanol or biogas used in diesel engines. These assumptions lead to higher CO2 emission reduction per quantity of biomass, and lower costs for CO2 reduction, if petrol is replaced with alcohols or biogas in light-duty vehicles than if diesel is substituted with these fuels in heavy-duty vehicles.

Other environmental advantages resulting from the use of bioamss-based fuels in heavy-duty vehicles can, however, motivate an earlier introduction in these vehicles. Emissions of nitrogen oxides and particulates will be significantly lower if biogas, methanol or ethanol are used instead of diesel in heavy-duty vehicles. Nitrogen oxides emissions cannot be expected to be lower if biogas or alcohol fuels are used instead of petrol in vehicles equipped with catalytic converters.

There is a large potential to increase biomass yields and reduce biomass costs. Within a couple of decades the net production of transportation fuels based on Salix and lucern per hectare of arable land could increase by 80-90%. The costs of the transportations fuels could decrease by 10-20% resulting from to lower biomass production costs.

The cultivation of Salix and ley crops instead conventional annual crops is expected to improve soil structure, increase the content of organic materials in the soils, and reduce nutrient leakage. Increased content of organic materials in soils will lead to improved production conditions and a withdrawal of CO2 from the atmosphere. Harvest of logging residues can cause nutrient imbalances and increased acidification. Compensation for these nutrient losses will be required to maintain long-term productivity. A fraction of the logging residues should also be left at the site.

The cost of using biomass-based methanol in a passenger car with an internal combustion engine will, at current biomass costs, be 0.1 to 0.2 SEK/km higher than the cost of using petrol at current fossil fuel prices. With biomass cost estimates for around the year 2015, total costs are estimated to be 0.08 to 0.15 SEK/km higher than for a petrol-fueled vehicle (1993 fossil-fuel prices). This corresponds to 3 to 6% increase in the total cost of using a passenger car. If carbon-dioxide emissions were valued to 0.32 SEK/kg CO2 (equal to the environmental fee 1993 in Sweden), the cost of using petrol would increase by some 0.07 SEK/km, thereby significantly decreasing the cost difference between using methanol and petrol.

Increased fossil-fuel prices would improve the competitiveness of biomass-based energy carriers. A 20% increase in the real price of petrol compared to 1993 would make methanol competitive with petrol in passenger cars with internal-combustion engines, assuming current biomass costs and that CO2 emissions are valued at 0.32 SEK/kg CO2.

The use of battery- or fuel-cell powered electric vehicles could result in efficient biomass use combined with very low air-pollutant emissions. Methanol and hydrogen are suitable energy carriers for fuel-cell electric vehicles, but using methanol reformed to hydrogen in such vehicles is expected to have lower costs. Building up a system for producing and using methanol from biomass in vehicles with internal-combustion engines could, due to the fuel's suitability for use in fuel-cell vehicles, be important in a strategy for creating a transportation system based on energy-efficient vehicles and energy carriers from renewable energy sources.

Abstract (Swedish)

Det finns en stor potential för ett ökat utnyttjande av biomassa för energiändamål i Sverige. En ökad användning av biomassa skulle kunna bidra till att minska utsläppen av koldioxid från förbränning av fossila bränslen, minska beroendet av importerade fossila energibärare samt påverka den regionala och lokala miljösituationen såväl positivt som negativt.

Föreliggande studie behandlar framför allt olika miljöeffekter av en ökad användning av biomassebaserade energibärare inom transportsektorn. En ökad användning av biomassa påverkar möjligheterna att uppnå många olika miljömål i flera olika samhällssektorer. I denna studie sker jämförelser av olika alternativ för biomasseutnyttjande på systemnivå där hela kedjan från markutnyttjande till slutlig användning studeras. Särskilt fokuseras på möjligheterna att använda biomassebaserade energibärare för att reducera utsläppen av koldioxid (CO2). För att bedöma hur effektivt biomassa kan utnyttjas för att reducera koldioxidutsläppen används följande jämförelsefaktorer:



* Årlig reduktion av koldioxidutsläpp per ytenhet jordbruks- eller skogsmark använd för biomasseproduktion (kg CO2/ha, år)

* Kostnad per reducerad mängd koldioxid (SEK/kg CO2)



Samtliga kostnader redovisas i 1993 års prisnivå exklusive inhemska skatter, avgifter och subventioner. Investeringskostnader annualiseras med en realränta om 6%. Beräkningarna baserar sig på antaganden om en storskalig användning av biomassebaserade energibärare.



Följande energibärare och biomasseråvaror studeras:

* rapsmetylester producerad från rapsolja vilken förestrats med biomassebaserad metanol

* biogas från lusern

* etanol från vete

* etanol producerad med sur hydrolys från Salix (energiskog) och avverkningsrester

* etanol producerad med enzymatisk hydrolys från Salix och avverkningsrester

* metanol från Salix och avverkningsrester

* vätgas från Salix och avverkningsrester

* elektricitet från Salix och avverkningsrester



Av studerade biomassebaserade drivmedel från jordbruksmark ger de som baseras på Salix störst koldioxidreduktion per hektar. Lägst kostnader för koldioxidreduktion erhålles på medellång sikt för metanol från Salix och avverkningsrester (0,5-1,1 SEK/kg CO2 vid dagens biomassekostnader, 0,4-0,9 SEK/kg CO2 vid uppskattade biomassekostnader för år 2015).

De etanolteknologier som studeras i detta arbete, vilka kan komma att bli kommersiellt tillgängliga inom 5-10 år, har ett energiutbyte i form av etanol på 30-40%. Dessa teknologier bedöms inte kunna konkurrera ekonomiskt med metanol. Om utvecklingen av teknik för etanolproduktion från cellulosa med högre drivmedelsutbyte och lägre kostnader blir framgångsrik, skulle etanol från cellulosarik råvara på lång sikt kunna bli ett kostnadsmässigt jämförbart alternativ till metanol för användning i förbränningsmotorer.

Kostnaderna för koldioxidreduktion vid användning av biogas från lusern är något högre än vid användning av metanol från Salix. Koldioxidreduktionen per hektar är betydligt lägre för biogas från lusern än för de drivmedel som utnyttjas Salix som råvara.

Vätgas från biomassa har en potential för stor koldioxidreduktion per hektar men kostnaderna blir höga på grund av höga kostnader för drivmedelslagring. Varken rapsmetylester (RME) eller etanol från vete är ekonomiskt konkurrenskraftiga jämfört med övriga studerade biomassebaserade drivmedel om man inte kan få avsättning för producerade foderbiprodukter. Avsättning av foderbiprodukter kan förväntas vara begränsad vid en storskalig användning av RME eller etanol från vete. Även med avsättning för foderbiprodukter överstiger kostnaderna för dessa drivmedel avsevärt kostnaderna för metanol. En storskalig användning av RME begränsas dessutom av restriktioner för ökad rapsodling på grund av växtföljdsskäl.

I studien förutsätts att högre verkningsgrad kan erhållas vid användning av fordonsalkoholer och biogas i ottomotorer än vid användning av bensin, medan motsvarande fördelar jämfört med diesel i dieselmotorer inte kan förväntas. Dessa antaganden medför att större koldioxidreduktion per utnyttjad mängd biomassa och lägre kostnader för koldioxidreduktion erhålles vid ersättning av bensin med fordonsalkoholer och biogas i lätta fordon än om diesel ersätts i tunga fordon.

De miljöfördelar som finns med att utnyttja biomassebaserade drivmedel i tunga fordon kan emellertid motivera en tidigare introduktion av biomassebaserade drivmedel i dessa fordon. Möjligheterna att reducera emissioner av kväveoxider och partiklar är goda vid en övergång från diesel till framför allt biogas men även fordonsalkoholer i tunga fordon. I lätta fordon kan inte en minskning av kväveoxidemissionerna påräknas vid ersättning av bensin i katalysatorförsedda fordon. Däremot kan en minskning av kolväteemissionerna erhållas.

Föreliggande studie visar att en utveckling av använda metoder för biomasseproduktion kan komma att få stor betydelse för att öka biomassepotentialen och reducera kostnaderna. För drivmedel baserade på Salix eller lusern uppskattas att nettoproduktionen av drivmedel per hektar kan öka med 80-90% och att drivmedelskostnaderna kan minska med 10-20% inom ett par decennier tack vare denna utveckling. Dagens uttag av avverkningsrester begränsas av ekologiska restriktioner, men genom ökad kompensation av näringsförluster vid biomasseuttag kan uttaget öka betydligt.

Odling av vallgrödor och Salix kan förväntas bidra till förbättrad markstruktur, ökad mullhalt och minskat näringsläckage jämfört med odling av konventionella ettåriga åkergrödor. Ökad mullhalt innebär förutom förbättrad produktionsförmåga att atmosfärisk koldioxid binds som organiskt kol i marken. Vallgrödor ger jämfört med Salix större flexibilitet i jordbruksmarkens användning och mindre inverkan på landskapsbilden. Uttag av biomassa från skogen kan leda till försämrad produktivitet om inte skogen kompenseras för näringsbortförseln genom t ex askåterföring.

Milkostnaderna för en personbil som använder biomassebaserad metanol i förbränningsmotor är med dagens produktionskostnader för biomassa och dagens bensinpriser 1-2 SEK/mil högre än för ett bensinfordon. Med uppskattade biomassekostnader för år 2015 kan milkostnaderna uppskattas vara 80 öre till 1,50 kronor högre än för ett bensinfordon (dagens bensinpris). Detta motsvarar en ökning av de totala milkostnaderna för personbilsanvändning på ungefär 3-6%. En värdering av emissioner av koldioxid med 32 öre/kg CO2 skulle öka kostnaderna för att använda ett bensinfordon med cirka 70 öre/mil. En ekonomisk värdering av koldioxidutsläpp skulle kunna minska kostnadsskillnaderna mellan att använda biomassebaserad metanol och bensin avsevärt.

Ökade fossilbränslepriser skulle förbättra de biomassebaserade drivmedlens konkurrenskraft. En ökning av det reala bensinpriset, exklusive skatter och avgifter, med 20% skulle kunna göra metanol konkurrenskraftigt för användning i personbilar med förbränningsmotorer redan med dagens biomassekostnader förutsatt en värdering av koldioxidutsläpp med 32 öre/kg CO2.

Användning av batteridrivna eller bränslecellsdrivna elfordon kan leda till ett mycket effektivt utnyttjande av biomassa samtidigt som emissionerna av luftföroreningar är mycket låga. Såväl metanol som vätgas är tekniskt lämpliga energibärare för bränslecellsfordon men användning av metanol som reformeras till vätgas i fordonet förväntas ge lägst kostnader. Ett uppbyggande av ett system för produktion och användning av metanol från biomassa i fordon med förbränningsmotorer skulle, på grund av bränslets lämplighet för framtida användning i bränslecellsfordon, vara ett viktigt strategiskt val för att skapa ett transportsystem baserat på en kombination av fordon med hög energieffektivitet och användning av förnybara energikällor.

• author: Johansson, Bengt
• organization: Environmental and Energy Systems Studies
• publishing date: 1995
• type: Book/Report
• publication status: published
• subject: Energy Systems
• keywords: biomass, carbon dioxide, biomassa, biofuel, kostnader, koldioxid, biodrivmedel, costs
• in: KFB-rapport
• pages: 81 pages
• publisher: Kommunikationsforskningsberedningen
• report number: 11
• ISSN: 1104-2621
• ISBN: 91-88370-94-1
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• id: c4b8e947-8150-41ab-9dd1-778d11af6ee3 (old id 604526)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:15:06
• date last changed: 2018-11-21 20:39:55