Biogas in Sweden - Opportunities and challenges from a systems perspective

Abstract

Addressing today’s challenges of reducing our dependence on fossil fuels and related emissions of greenhouse gases requires measures such as increased energy efficiency and replacement of fossil energy carriers with renewable ones. Biogas is one of the fastest growing renewable energy sources in the world and the overarching purpose of the research presented in this doctoral thesis is to explore the prospects of an increased production and utilization of biogas in a Swedish context.

Biogas can be produced from various kinds of organic material such as municipal and industrial waste, which dominate the current production. This is driven by existing policy incentives, which also promote the use of biogas as vehicle fuel. However, the lion’s share of the Swedish biogas potential remains essentially untapped within the agricultural sector, including feedstock such as manure, crop residues and dedicated biogas crops. If fully utilized, biogas from wastes and residues only could replace 10% of the vehicle fuels or 50% of the natural gas used in Sweden today. This implies that existing incentives must be strengthened to overcome today’s barriers, especially regarding the limited profitability in biogas production based on agricultural feedstock as identified in this thesis. In addition, the techno-economic performance needs to be improved, for example by reduced feedstock costs and increased methane yields. For low-cost feedstock, such as manure, measures to reduce the cost of capital and the related cost of operation and maintenance are especially important.

In the environmental assessment presented in this thesis, it was found that biogas produced in an existing, representative co-digestion plant, reduced emissions of greenhouse gases by approximately 90% when replacing fossil vehicle fuels. Based on the current structure of the Swedish energy system, the replacement of fossil vehicle fuels with biogas would normally render the highest reduction of greenhouse gas emissions, followed by the replacement of natural gas and other fossil energy carriers, indicating that these utilization options should be prioritized. However, given the additional greenhouse gas benefits of biogas produced from manure, regardless of how the biogas is utilized, such production should also be promoted.

In conclusion, the overall findings in this thesis show that there are substantial opportunities to increase the production and utilization of biogas in Sweden, which would reduce greenhouse gas emissions significantly. However, current challenges, including the limited profitability in biogas production based on agricultural feedstock, should be met by further technology development combined with adequate and focused policy instruments.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Biogas, som i huvudsak består av metan och koldioxid produceras när mikroorganismer bryter ned organiskt material utan tillgång till syre, så kallad rötning. I princip kan alla typer av organiskt material användas för att producera biogas men vanligast är till exempel avloppsslam, olika typer av avfall från hushåll och industrier, gödsel, grödor och odlingsrester.

Biogas kan användas för att producera elektricitet och värme. Den kan också användas som fordonsbränsle eller för att ersätta naturgas i olika industriella processer.

Den svenska biogaspotentialen från restprodukter är drygt 8 TWh vilket motsvarar ungefär 10 % av den totala mängden bensin och diesel eller 50 % av den totala mängden naturgas som används i Sverige idag. I dagsläget produceras biogas huvudsakligen från avloppsslam och avfall men den stora potentialen finns inom lantbrukssektorn i form av gödsel och odlingsrester. Det är också möjligt att producera biogas från grödor. Om 5 % av den svenska åkermarken skulle avsättas för biogasgrödor skulle potentialen öka med cirka 50 %.

Ur miljösynpunkt kan produktion och användning av biogas leda till stora vinster. Biogas från avfall och restprodukter, i synnerhet gödsel, ger till exempel mycket låga utsläpp av växthusgaser. Den miljöanalys av en modern samrötningsanläggning som presenteras i den här avhandlingen visar till exempel att utsläppen av växthusgaser minskar med ungefär 90 % om biogasen används som drivmedel och ersätter bensin och diesel.

Det finns idag ett antal olika styrmedel som på olika sätt påverkar förutsättningarna för att producera biogas. Generellt är dessa styrmedel antingen inriktade på hur olika råmaterial ska hanteras eller på hur den producerade biogasen ska användas. Inom avfallsområdet har det till exempel införts ett förbud mot att deponera organiskt avfall och ett av våra nationella miljömål säger att 50 % av det organiska hushållsavfallet ska behandlas biologiskt år 2018. Produktionen av biogas från avfall ökar också kontinuerligt. Inom lantbrukssektorn, där den stora potentialen finns, är befintliga styrmedel (till exempel investeringsstöd) däremot för svaga för att stimulera en utbyggnad. De tekno-ekonomiska analyser som presenteras i den här avhandlingen visar också att produktion av biogas från grödor, odlingsrester och gödsel i de flesta fall inte är lönsam med de förutsättningar som råder i Sverige idag.

Det finns därför behov av ytterligare teknikutveckling för att effektivisera produktionen av biogas. Det kan till exempel röra sig om åtgärder för att minska kostnaderna eller öka gasutbytet för de substrat som biogasproduktionen baseras på. När biogas produceras från gödsel, som är ett relativt billigt substrat, skulle åtgärder som minskar kapitalkostnaderna också få stor betydelse. Om biogasen används som fordonsbränsle är det också viktigt att minska kostnaderna för transport av gas och tankstationer som idag kan stå för halva priset till slutkonsument. Det skulle till exempel räcka med en prisökning på 5 % hos biogasproducenten för att kunna producera biogas från grödor och gödsel med lönsamhet.

Det finns också förslag på styrmedel för att gynna en gödselbaserad produktion av biogas som skulle kunna få stor betydelse. Ett så kallat metanreduceringsstöd på 20 öre/kWh biogas skulle göra det lönsamt med gödselbaserad produktion av biogas oavsett om den används som fordonsgas eller för att göra el och värme. I många fall krävs det dock att gödsel från flera gårdar rötas i samma anläggning för att genom skalfördelar nå lönsamhet.

Sammantaget visar resultaten som presenteras i denna avhandling att det finns stora möjligheter till en ökad produktion och användning av biogas i Sverige vilket skulle kunna minska utsläppen av växthusgaser betydligt. För att möta de utmaningar som finns, till exempel dagens begränsade lönsamhet för biogasproduktion från lantbruksbaserade substrat, krävs dock en fortsatt teknikutveckling i kombination med anpassade och effektiva styrmedel.

• author: Lantz, Mikael
• supervisor: Pål Börjesson
• opponent: Professor Scholwin, Frank, Rostock University, Germany
• organization: Environmental and Energy Systems Studies; Environmental and Energy Systems Studies-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Engineering and Technology
• keywords: Biogas, Policy Instruments, Techno-economic assessments, Environmental assessments
• defense location: Room V:B, V-building, John Ericssons Väg 1, Lund
• defense date: 2013-03-15 09:15:00
• ISBN: 978-91-7473-469-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3b6818d0-60d7-4160-aac0-1a7e7eada1fc (old id 3512778)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:50:22
• date last changed: 2018-11-21 21:11:02