Advanced

Renewable Energy in Energy-Efficient, Low-Pollution Systems

Johansson, Bengt LU (1997)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Tillgången på energi har varit av stor betydelse för utvecklingen av det det moderna industrisamhället. Samtidigt skapar energianvändningen ett flertal miljöproblem med lokal, regional och global utbredning. Syftet med denna avhandling är att studera olika strategier för att minska miljöpåverkan från det svenska energisystemet och bedöma strategiernas tekniska och ekonomiska förutsättningar. Resultaten visar på möjligheter att kraftigt minska utsläppen av bl a koldioxid, kväveoxider och svaveldioxid från det svenska energisystemet. Dessa minskningar är möjliga genom effektivisering av energianvändningen, ökad användning av förnybara energikällor, utbyggnad av samproduktion av el och värme, samt... (More)
Popular Abstract in Swedish

Tillgången på energi har varit av stor betydelse för utvecklingen av det det moderna industrisamhället. Samtidigt skapar energianvändningen ett flertal miljöproblem med lokal, regional och global utbredning. Syftet med denna avhandling är att studera olika strategier för att minska miljöpåverkan från det svenska energisystemet och bedöma strategiernas tekniska och ekonomiska förutsättningar. Resultaten visar på möjligheter att kraftigt minska utsläppen av bl a koldioxid, kväveoxider och svaveldioxid från det svenska energisystemet. Dessa minskningar är möjliga genom effektivisering av energianvändningen, ökad användning av förnybara energikällor, utbyggnad av samproduktion av el och värme, samt fortsatt introduktion av lågemitterande förbrännings- och reningsteknik.



Energianvändningen svarar för den största delen av Sveriges utsläpp av flyktiga organiska ämnen (VOC), kväveoxider (NOx), svaveldioxid (SO2) och koldioxid (CO2). Höga koncentrationer av såväl VOC, NOX som SO2 kan orsaka negativa effekter på människors hälsa. VOC och NOx bidrar till bildningen av ozon som både påverkar människor och växtlighet negativt. Deposition av kväve och svavelföreningar leder till försurning av mark och vatten. Kvävedepositionen bidrar även till övergödning av mark och vatten. CO2 är den viktigaste växthusgasen. Den ökande halten av växthusgaser i atmosfären bedöms leda till förändringar av klimatet.



Naturvårdsverket har bedömt att de europeiska utsläppen av VOC och NOx behöver minskas med 75-80% jämfört med nivåerna i slutet av 1980-talet och utsläppen av SO2 med 80% jämfört med 1980, för att de storskaliga problemen med försurning, övergödning och skador av ozon skall lösas. Intergovernmental Panel on Climate Change bedömde 1990 att de globala emissionerna behövde minska med minst 60% för att stabilisera CO2 koncentrationen på 1990 års nivå. De svenska emissionerna av svaveldioxid har minskat med ca 80% mellan 1980 och 1993 medan emissionerna av kväveoxider och VOC har minskat med 15% respektive 4% sedan 1989. De svenska utsläppen av koldioxid har ökat sedan 1990.



Möjligheterna till energieffektiviseringar inom såväl användning som tillförsel av energi är stora. I en scenariostudie av energisystemet i västra Skåne (exklusive transportsektorn) visas att energianvändningen år 2010 kunde vara mer än 20% lägre om man använde sig av teknik med energieffektivitet motsvarande bästa tillgängliga teknik 1988, jämfört med om man år 2010 använde sig av teknik med energieffektivitet motsvarande genomsnittet hos använd teknik 1988. Användning av 1988 års bästa teknik skulle innebära att energianvändningen skulle kunna minska något jämfört med 1988 trots att bostads- och lokalytor, industriproduktion och apparattäthet antas öka betydligt under perioden. Om man 2010 utnyttjade teknik som befann sig nära kommersialisering 1988 skulle energianvändningen kunna minska med drygt 10% jämfört med 1988.



På likartat sätt visas i en studie av den svenska transportsektorn att energianvändningen år 2015 skulle vara endast 3% högre än 1991 trots en 30% ökning av persontrafiken och en 50% ökning av godstrafiken, under förutsättning att fordon med energieffektivitet motsvarande bästa tillgängliga fordonsteknik 1991 utnyttjades 2015. Ingen minskning av fordonsstorlek eller prestanda förutsattes i studien. Om teknik nära kommersialisering kom till användning skulle energianvändningen kunna minska med ungefär 20% jämfört med 1991.



I flera av avhandlingens studier påvisas fördelarna med samproduktion av el och värme för att öka energieffektiviteten i tillförselsystemet. En konsekvent användning av samproduktion av el och värme i stället för separat el- och värmeproduktion i västra Skåne skulle innebära cirka 10% lägre koldioxidutsläpp i ett tänkt naturgasbaserat system. I avhandlingen påvisas också att samproduktion av el och värme är det effektivaste sättet för att producera en enhet el och en enhet värme från biomassa.



Traditionellt har strategier för att minska utsläppen från energianvändningen till stor del förlitat sig på förbättrad energiomvandlingsteknik, reningsutrustning och förbättrade bränslen. Exempel på dessa åtgärder är introduktionen av lågsvavliga oljor och trevägskatalysatorn för bensinfordon. Dessa strategier kan förväntas vara betydelsefulla komplement till energieffektiviseringar även i framtiden.



Skälen att använda förnybara energikällor kan vara flera t ex att minska oljeberoendet, minska utsläppen av lokala och regionala luftföroreningar samt att erhålla alternativ till framtida krympande tillgångar på fossila energi. I denna avhandling bedöms emellertid den drivande faktorn under de närmaste decennierna, för att avsevärt öka utnyttjandet av förnybara energikällor, vara önskan att minska utsläppen av koldioxid.



Biomassa svarar i dag för cirka 15% av energitillförseln i Sverige. Det finns en stor potential att öka användningen av biomassa i Sverige. I avhandlingen bedöms att om denna potential utnyttjas skulle den årliga biomasseanvändningen kunna öka från dagens ca 70 TWh till cirka 200 TWh. Den ökade mängden biomassa i dessa potentialberäkningar består till ungefär lika del av skogsavfall och energigrödor, främst energiskog (Salix). För att ett ökat uttag av energi från skogsavfall skall vara förenligt med andra miljömål är det viktigt att näring återförs till skogen, att döda träd och en viss mängd skogsavfall lämnas kvar i skogen och att särskilt viktiga områden för biodiversiteten undantas från skogsbruk. Fleråriga energigrödor bedöms kunna bidra till minskat näringsläckage, ökad mullhalt och minskat behov av bekämpningsmedel jämfört med odling av ettåriga växter.



Den största delen av dagens biomasseanvändning sker inom industrin. Under de senaste åren har användningen av biomassa ökat kraftigt inom fjärrvärmesystemen. Användning av biomassa i hetvattenpannor ger idag lägre värmekostnader än användning av naturgas, olja eller kol om man inkluderar gällande skatter i beräkningarna. Biomassa används i viss grad även för elproduktion med ångturbiner. Teknik för förgasning av biomassa är under utveckling. Sådan teknik ger en möjlighet att öka elutbytet i elproduktionen jämfört med ångturbintekniken.



Flera alternativ för att producera drivmedel från biomassa analyseras i avhandlingen. Slutsatsen är att drivmedel från cellulosahaltiga råvaror tycks fördelaktiga jämfört med drivmedel från t ex raps eller vete. En orsak är att kostnaderna för råvaran är betydligt lägre för energiskog eller skogsavfall jämfört med raps eller vete. Utnyttjandet av markresursen är dessutom betydligt mer effektiv om man odlar energiskog jämfört med ettåriga grödor då nettoproduktiviteten är betydligt högre för energiskogen. Slutligen erhålles, som tidigare nämnts, ett flertal miljöfördelar om odling av fleråriga grödor sker i stället för ettåriga. Metanol bedöms ha förutsättningar för lägst kostnader av de studerade drivmedlen men även etanol från cellulosa kan, om utvecklingen av teknik med högre etanolutbyte än idag blir framgångsrik, ge lika låga kostnader som för metanol. Kostnaderna för samtliga studerade biomassebaserade alternativ är, beräknat utan skatter, högre än för bensin och diesel. För de biomassebaserade drivmedel med lägst produktionskostnader motsvarar merkostnaden, skatter ej medräknade, en extra kostnad om 0,5 - 2 kr/mil.



Mest effektiv koldioxidreduktion vid ersättning av fossila bränslen med biomassa erhålles om biomassa ersätter fossila bränslen för värmeproduktion följt av ersättning av fossila bränslen för elproduktion. Lägst effektivitet erhålles om biomassan används för att ersätta fossila drivmedel. Stora osäkerheter råder om vad kostnaden för koldioxidreduktionen kommer att bli eftersom ett flertal av de studerade teknologierna ännu inte är kommersiellt tillgängliga. I avhandlingen uppskattas emellertid kostnaden för koldioxidreduktion till 10-30 öre/kg CO2 om fossila bränslen för värmeproduktion ersätts, 10-35 öre/kg CO2 om fossila bränslen för elproduktion ersätts, och 40-70 öre/kg CO2 om fossila drivmedel ersätts med biomassebaserade. Dagens koldioxidavgift för fossila bränslen som används för värmeproduktion eller som drivmedel är 36 öre/kg CO2.



I avhandlingen visas att de svenska biomasseresurserna skulle kunna räcka till att ersätta en betydande del av de fossila drivmedlen även om man prioriterar användningen av biomassa för el- och värmeproduktion. Detta skulle vara möjligt om man tar tillvara potentialen för energieffektiviseringar i samtliga sektorer, bygger ut samproduktion av el och värme i fjärrvärmesystemen samt bygger ut annan icke-fossil elproduktion såsom vindkraft. En sådan kombinerad strategi skulle kunna medföra en halvering av dagens koldioxidutsläpp trots en ökad energitjänstnivå och en avveckling av kärnkraften.



I den regionala studien över västra Skåne påvisades möjligheterna att minska utsläppen från energisystemet (exklusive transportsektorn) av försurande gaser med 50% och emissionerna av koldioxid med 25% trots en ökad energitjänstnivå och en avveckling av kärnkraften. Detta var möjligt genom att effektivisera energianvändningen, bygga ut samproduktionen av el och värme, använda sig av lågemissionsteknik vid energiomvandlingen samt utnyttja regionala tillgångar på förnybara energikällor.



Genom att utnyttja 1991 års bästa tillgängliga teknik i transportsektorn skulle NOx emissionerna år 2015 kunna vara 50% lägre än 1991 och koldioxidemissionerna stabiliseras på 1991 års nivå, även med 30% ökning av persontransportarbetet och 50% ökning av godstransportarbetet och en fortsatt användning av fossila bränslen. Genom att utnyttja teknik nära kommersialisering 1991 skulle NOx utsläppen kunna minska med 70% och CO2 utsläppen med 20% jämfört med 1991. Användning av biomassebaserade drivmedel skulle kunna möjliggöra ännu större minskningar av CO2 emissionerna.



De stora potentialerna för utsläppsminskningar som redovisats i avhandlingen kan inte förväntas komma till stånd utan politiska åtgärder. En värdering av miljöfördelarna är sannolikt nödvändig för att många av teknikerna för förnybara energikällor skall kunna konkurrera med fossilbaserad teknik under de närmaste decennierna. Ekonomiska styrmedel, som t ex koldioxidskatter, kan även bidra till förbättrade förutsättningar för energieffektiviseringar. Utsläppskrav och andra regleringar kan fortsatt ha stor betydelse för att minska utsläppen från såväl stationära anläggningar som från fordon. Ett flertal lovande tekniker för bland annat utnyttjande av förnybara energikällor erfordrar fortsatt forskning, utveckling och demonstration för att bli konkurrenskraftiga gentemot fossilbaserade tekniker. Det är också viktigt att skapa marknader för dessa tekniker för att med ökad användning erhålla kostnadsminskningar genom skaleffekter och läroprocesser. (Less)
Abstract
Energy use accounts for the dominating fraction of total sulphur dioxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), volatile organic compounds (VOCs) and carbon dioxide (CO2) emissions. In this thesis, different strategies for reducing these emissions are evaluated, using a bottom-up approach. The thesis is divided in two parts. Part I (two articles) deals with how energy efficiency improvements and the increased use of renewable energy sources together can contribute to the reduction of emissions from energy use. Part II (four articles) focuses on energy from biomass as a potential option to reduce net CO2 emissions from energy systems.



CO2 emissions from electricity and heat production in western Scania, Sweden, can be reduced by... (More)
Energy use accounts for the dominating fraction of total sulphur dioxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), volatile organic compounds (VOCs) and carbon dioxide (CO2) emissions. In this thesis, different strategies for reducing these emissions are evaluated, using a bottom-up approach. The thesis is divided in two parts. Part I (two articles) deals with how energy efficiency improvements and the increased use of renewable energy sources together can contribute to the reduction of emissions from energy use. Part II (four articles) focuses on energy from biomass as a potential option to reduce net CO2 emissions from energy systems.



CO2 emissions from electricity and heat production in western Scania, Sweden, can be reduced by 25% and the emissions of acidifying gases (SO2 and NOx) by 50% by the year 2010, compared with 1988 levels, using energy systems based on efficient end-use technologies, cogeneration of heat and electricity, renewable energy sources and low-pollution energy conversion technologies (Article I).



Exhaust-pipe NOx emissions from the Swedish transportation sector can be reduced by 50 percent by the year 2015, compared with 1991, by implementing the best available vehicle technologies (Article II). Exhaust-pipe emissions of CO2 can be stabilized at the 1991 level. With further technical development and the use of fuels from renewable sources of energy, NOx emissions can be reduced by 75 percent and CO2 emissions by 80 percent compared with 1991 levels.



Swedish biomass resources are large, and, assuming production conditions around 2015, about 200 TWh/yr could be utilised for energy (Articles III-VI). Major reductions in CO2 emissions could be achieved by substituting biomass for fossil fuels in heat, electricity and transportation fuel production (Articles IV and VI). The cost of CO2 reduction would be about US$50-150/tonne C when replacing fossil fuels used for heat production, US$50-175/tonne C when substituting fossil fuels used for electricity production, and US$180-340/tonne C when substituting fossil transportation fuels with biomass (Articles IV and V). Transportation fuels produced from cellulosic biomass are likely to be less expensive than transportation fuels from conventional biomass feedstocks such as oil plants, sugar-beet and cereals. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Steen, Peter, Stockholm University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
hydrogen, ethanol, methanol, rape methyl ester, biomass, renewable energy, cogeneration, energy efficiency, scenarios, air pollution, carbon dioxide, Environmental technology, pollution control, Miljöteknik, kontroll av utsläpp
pages
142 pages
publisher
Department of Environmental and Energy Systems Studies, Lund university
defense location
Föreläsningssalen vid institutionen för teoretisk fysik
defense date
1997-05-30 10:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUTFD2/TFEM--97/1015--SE + (1-142)
ISBN
91-88360 - 34 - 2
language
English
LU publication?
yes
id
cb6b706f-af40-4b2a-bf36-a811d122c6c5 (old id 29273)
date added to LUP
2007-06-14 11:14:47
date last changed
2016-09-19 08:45:07
@misc{cb6b706f-af40-4b2a-bf36-a811d122c6c5,
  abstract     = {Energy use accounts for the dominating fraction of total sulphur dioxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), volatile organic compounds (VOCs) and carbon dioxide (CO2) emissions. In this thesis, different strategies for reducing these emissions are evaluated, using a bottom-up approach. The thesis is divided in two parts. Part I (two articles) deals with how energy efficiency improvements and the increased use of renewable energy sources together can contribute to the reduction of emissions from energy use. Part II (four articles) focuses on energy from biomass as a potential option to reduce net CO2 emissions from energy systems.<br/><br>
<br/><br>
CO2 emissions from electricity and heat production in western Scania, Sweden, can be reduced by 25% and the emissions of acidifying gases (SO2 and NOx) by 50% by the year 2010, compared with 1988 levels, using energy systems based on efficient end-use technologies, cogeneration of heat and electricity, renewable energy sources and low-pollution energy conversion technologies (Article I).<br/><br>
<br/><br>
Exhaust-pipe NOx emissions from the Swedish transportation sector can be reduced by 50 percent by the year 2015, compared with 1991, by implementing the best available vehicle technologies (Article II). Exhaust-pipe emissions of CO2 can be stabilized at the 1991 level. With further technical development and the use of fuels from renewable sources of energy, NOx emissions can be reduced by 75 percent and CO2 emissions by 80 percent compared with 1991 levels.<br/><br>
<br/><br>
Swedish biomass resources are large, and, assuming production conditions around 2015, about 200 TWh/yr could be utilised for energy (Articles III-VI). Major reductions in CO2 emissions could be achieved by substituting biomass for fossil fuels in heat, electricity and transportation fuel production (Articles IV and VI). The cost of CO2 reduction would be about US$50-150/tonne C when replacing fossil fuels used for heat production, US$50-175/tonne C when substituting fossil fuels used for electricity production, and US$180-340/tonne C when substituting fossil transportation fuels with biomass (Articles IV and V). Transportation fuels produced from cellulosic biomass are likely to be less expensive than transportation fuels from conventional biomass feedstocks such as oil plants, sugar-beet and cereals.},
  author       = {Johansson, Bengt},
  isbn         = {91-88360 - 34 - 2},
  keyword      = {hydrogen,ethanol,methanol,rape methyl ester,biomass,renewable energy,cogeneration,energy efficiency,scenarios,air pollution,carbon dioxide,Environmental technology,pollution control,Miljöteknik,kontroll av utsläpp},
  language     = {eng},
  pages        = {142},
  publisher    = {ARRAY(0x83540a0)},
  title        = {Renewable Energy in Energy-Efficient, Low-Pollution Systems},
  year         = {1997},
}