Biomass in a Sustainable Energy System

Abstract

The increased use of biomass for energy is as a key strategy in reducing carbon dioxide (CO2) emission, which represents the largest anthropogenic contribution to the greenhouse effect. In this thesis, aspects of an increase in the utilisation of biomass in the Swedish energy system are treated.



Modern bioenergy systems should be based on high energy and land-use efficiency since biomass resources and productive land are limited. The energy input, including transportation, per unit biomass produced is about 4-5% for logging residues, straw and short-rotation forest (Salix). Salix has the highest net energy yield per hectare among the various energy crops cultivated in Sweden (Article I). The CO2 emissions from the production and transportation of logging residues, straw and Salix, are equivalent to 2-3% of those from a complete fuel-cycle for coal (Article II).



Substituting biomass for fossil fuels in electricity and heat production is, in general, less costly and leads to a greater CO2 reduction per unit biomass than substituting biomass-derived transportation fuels for petrol or diesel. Transportation fuels produced from cellulosic biomass provide larger and less expensive CO2-emission reductions than transportation fuels from annual crops (Article III).



Biomass has the potential to become the dominating energy source in Sweden. The current use of about 80 TWh/yr could increase to about 200 TWh/yr, taking into account estimated production conditions around 2015. Swedish CO2 emissions could be reduced by about 50% from the present level if fossil fuels are replaced and the energy demand is unchanged (Articles III and IV). There is a good balance between potential regional production and utilisation of biomass in Sweden. Future biomass transportation distances need not be longer than, on average, about 40 km. About 22 TWh electricity could be produced annually from biomass in large district heating systems by cogeneration (Article IV).



Cultivation of Salix and energy grass could be utilised to reduce the negative environmental impact of current agricultural practices, such as the emission of greenhouse gases, nutrient leaching, decreased soil fertility and erosion, and for the treatment of municipal waste water and sludge, leading to increased recirculation of nutrients (Article V). About 20 TWh biomass could theoretically be produced per year at an average cost of less than 50% of current production cost, if the economic value of these local environmental benefits is included (Article VI).

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Användningen av fossila bränslen såsom kol, olja och naturgas svarar för mer än 70% av dagens globala utsläpp av koldioxid vilket är det största antropogena bidraget till växthuseffekten. Energieffektivisering och en ökad användning av förnybara energislag, t ex bioenergi, är två nyckelstrategier för att minska utsläppen av växthusgaser. Ett ökat utnytttjande av bioenergi bör dock inte leda till att den lokala miljöbelastningen ökar. Snarare bör moderna bioenergisystem medföra att såväl den globala som den lokala miljöbelastningen minskar. I denna avhandling behandlas aspekter kring en ökad användning av bioenergi i det svenska energisystemet.



Moderna bioenergisystem bör vara baserade på ett effektivt energi- och markutnyttjande, eftersom tillgången på bioenergi och produktiv mark är begränsad. Energiinsatsen för produktion och transport av avverkningsrester från skogen (toppar och grenar) samt halm och energiskog (Salix) från jordbruket motsvarar cirka 4-5% av den skördade biomassans energiinnehåll. Motsvarande energiinsats vid produktion och transport av ettåriga energigrödor är högre, mellan 15-35%. Salix har också den högsta nettoenergiskörden (energiskörd minus energiinsats) per hektar och år bland de olika energigrödorna i Sverige. Nettoutsläppen av koldioxid från fossila bränslen som används vid dagens produktion och transport av avverkningsrester, halm och Salix motsvarar cirka 2-3% av de utsläpp som sker från en bränslecykel baserat på kol. Avverkningsrester och fleråriga energigrödor som Salix och energigräs kan produceras till låga kostnader jämfört med ettåriga energigrödor och fossila bränslen när dagens svenska miljöskatter inkluderas.



När bioenergi ersätter fossila bränslen för el- och värmeproduktion fås generellt en större och mer kostnadseffektiv koldioxidreduktion än när biomassebaserade drivmedel ersätter bensin och diesel. Den främsta anledningen till detta är lägre energiförluster vid omvandling av biomassa till el och värme än vid omvandling till drivmedel. Drivmedel från cellulosahaltiga råvaror, t ex avverkningsrester och Salix, medför en större och mer kostnadseffektiv koldioxidreduktion än drivmedel från ettåriga energigrödor som t ex raps och vete.



Det finns en stor potential att öka användningen av bioenergi i Sverige och biomassa kan bli den dominerande energikällan i framtiden. Dagens användning av bioenergi i Sverige om cirka 80 TWh per år, vilket motsvarar cirka 15% av den totala energitillförseln, bedöms kunna öka till omkring 200 TWh per år baserat på de odlingsförhållanden som antas gälla kring 2015. Den ökade mängden biomassa i dessa potentialberäkningar består till ungefär lika delar av avverkningsrester och fleråriga energigrödor, främst Salix. Om denna mängd biomassa används för att ersätta fossila bränslen kan dagens nettoutsläpp av koldioxid från Sverige halveras, förutsatt att energibehovet är oförändrat.



Ett ökat uttag av avverkningsrester från skogen bedöms endast i mindre omfattning påverka biodiversiteten, då uttaget antas huvudsakligen ske i barrskog efter slutavverkning. Andra generella åtgärder inom skogsbruket såsom ett ökat inslag av lövskog och gammal död ved samt skydd av artrika biotoper bedöms vara betydligt viktigare för att bevara den biologiska mångfalden. En förutsättning för ett ökat uttag av avverkningsrester är dock att vedaska efter förbränning återförs till skogen för att bibehålla skogsmarkens långsiktiga produktionsförmåga.



Odling av fleråriga energigrödor kan utnyttjas för att minska jordbrukets miljöbelastning i form av växthusgasemissioner, näringsläckage och erosion. Dessutom kan Salix och energigräs utnyttjas för rening av avloppsvatten, lakvatten och avloppsslam. Tungmetallhalten i åkermark kan reduceras genom Salixodling. Genom att ta hänsyn till dessa lokala miljövinster när fleråriga energigrödor ersätter ettåriga livsmedelsgrödor kan värdet av energigrödorna öka och därmed deras konkurrenskraft gentemot andra bränslen. Omkring 20 TWh biomassa skulle teoretiskt kunna produceras årligen till en genomsnittlig kostnad motsvarande mindre än halva dagens produktionskostnad när värdet av minskad lokal miljöbelastning inkluderas. Då förutsätts att odlingar som genererar högst värde prioriteras och att hänsyn tagits till att olika miljöförändringar kan fås på samma odlingsplats.



Det finns en god balans mellan potentiell regional produktion och användning av biomassa i Sverige när både uttag av avverkningsrester och odling av energigrödor beaktas. Detta medför att framtida transportavstånd för bioenergi inte behöver bli längre än i genomsnitt cirka 40 kilometer. Dagens genomsnittliga transportavstånd för bränsleflis ligger kring 80 kilometer. Ny elproduktionskapacitet kan komma att behövas i framtiden och samproduktion av el och värme är ett effektivt sätt att omvandla biomassa. Separat el- och värmeproduktion medför större energiförluster. Cirka 22 TWh el beräknas kunna produceras årligen från biomassa i Sverige genom samproduktion av el och värme i dagens befintliga fjärrvärmesystem. Denna potentiella elproduktion motsvarar cirka 30% av dagens kärnkraftsproduktion. En lämplig strategi för att utnyttja bioenergi i Sverige kan därför vara: (i) ersätta fossila bränslen i befintliga värme- och kombinerade el- och värmeanläggninger, (ii) öka samproduktionen av el och värme i fjärrvärmesystem i tätbefolkade områden och i massaindustrin i skogsregioner, samt (iii) producera drivmedel i glesbefolkade områden med överskott av biomassa.



Det finns ett flertal faktorer som påverkar implementeringen av moderna bioenergisystem och sannolikt krävs ett antal olika incitament för att åstakomma en storskalig implementering. Exempel är konsistenta ekonomiska styrmedel som beaktar miljövinsterna både vid produktion och användning av bioenergi, regler kring återföring av vedaska, samt förbättrad information kring moderna bioenergisystem till såväl biomasseproducenter som slutliga användare av värme, el och drivmedel.

• author: Börjesson, Pål
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Associate professor Verwijst, Theo, Department of Short Rotation Forestry, Swedish University of Agricultural Sciences
• organization: Environmental and Energy Systems Studies
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Systems
• keywords: kontroll av utsläpp, Miljöteknik, pollution control, Environmental technology, economic valuation, environmental impact, carbon dioxide, Biomass, energy efficiency, Energiforskning, Energy research
• pages: 164 pages
• defense location: Lecture room at the Department of Theoretical Physics
• defense date: 1998-06-05 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTFD2/TFEM--98/1018--SE+(1-164)
• ISBN: 91-88360-40-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 60b637e4-6a17-44bf-911a-557301324481 (old id 38797)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:01:26
• date last changed: 2018-11-21 21:02:10