Trafikdage 2014 - special session Energianalyser 2050 med fokus på
transport
Mødeleder Michael Rask, Energistyrelsen
Chefkonsulent Sigurd Lauge Petersen, Energistyrelsen Professor Henrik Wenzel, Syddansk Universitet
Professor Brian Vad Mathiesen, Aalborg Universitet
Baggrund - målsætninger
• Fossil uafhængighed i 2050
• 100 pct. VE i el, gas og fjernvarme i 2035
• Kul udfaset fra elsystemet i 2030
• Vindkraft i el i 2020 50 pct, biomasse 20 pct.
+ en række andre mål for CO2, VE m.v.
• Q1 2014 var vindandelen i el i Danmark 53 pct.
Spørgsmål
Er det teknisk muligt at omstille transportsektoren til fossil uafhængighed?
Hvad koster det, er det billigt, dyrt eller meget dyrt?
Er der hensyn som er særligt vigtige, såsom energieffektivitet, ressorceeffektivitet mv?
Hvordan passer omstillingen af transportsektoren ind i omstillingen af energisektoren? Arbejder de mod eller med hinanden?
Hvornår skal vi senest starte, hvis vi skal være færdige i 2050?
Er der nogle "hovedveje", "smutveje", "genveje" eller "blinde vej" der tegner sig? Er der "skilleveje", hvor vi skal træffe vigtige valg. F.eks. mellem flydende drivmidler eller gasformige, som eksempelvis metan eller metanol?
Hvad er timingen i omstillingen af transportsektoren mod 2050? Skal vi vente til sidst med den og omstille energisystemet først eller er går det hånd i hånd?
Hvordan får vi producenterne af køretøjer og drivmidler med?
Tidsplan
13.20-14.50
13.25-13.50 SLP 13.50-14.15 HW 14.15-14.40 BVM
14.40-14.50 Spørgsmål og debat
Scenarier for energisystemet 2035-2050 med fokus på
transport
Sigurd Lauge Pedersen
Trafikdage 26-08-2014
Scenarier for hele systemet fordi:
• Er ”opgaven” overhovedet mulig?
• Konsistens mellem aftaleanalyser.
• ”Sammenfiltrede” sektorer (el, varme, transport, industri).
• Optimere dosering af besparelser i forhold til forsyning.
• Forsyningssikkerhed (2 vinkler).
• Hvad koster det?
• Oplæg til valg af ”hovedspor”.
Elnet
Gasnet
Fjernvarmenet KV
VP/EK Raff
Kedel Motor
Rumvarme Proces Bev.energi
El
Lager Lager
Udland
Besparelser!!
5 scenarier 2035/50
Observation: Det koster meget mere at lave en GJ bevægelsesenergi end en GJ varme eller el.
+Beslutning +Etablering
Konklusioner
• Fossilfrihed mulig med kendt teknologi.
• Kan betales.
• Afhængighed af brændselsimport eller elimport (backup).
• Transport vejer tungt (brændselsforbrug og omkostninger).
• Starte i god tid; transport evt. senere.
• Elektrificering og besparelser no-regrets.
• Transport-el bidrag til elfors.sikkerhed….?
Gas eller methanol til tung transport i 2050?
- et systemintegrationsperspektiv på forsyningssiden
Henrik Wenzel, Lorie Hamelin og Rune Grandal, Syddansk Universitet, Linda Høibye, Asger Olesen og Claus Frier, COWI
David Neil Bird, Johanneum Research, Østrig
Acknowledgement: Petr Havlik og Michael Obersteiner, IIASA, Østrig
Trafikdage Ålborg
26. august 2014
Hvordan designer vi fremtidens VE system?
Elektricitet
Varme
Transport
Biomasse Vindkraft
+ sol & bølge
System design
…og hvordan optimerer vi systemets brug af biomasse til bioenergi?
Vind energi?
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Elektricitet
Varme
Transport
Biomasse Vindkraft
+ sol & bølge
System design
Bio-energi?
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Elektricitet
Varme
Transport
Biomasse Vindkraft
+ sol & bølge
System design
Bio-energi?
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Elektricitet
Varme
Transport
Biomasse Vindkraft
+ sol & bølge
System design
Global biomasse til bioenergi = 100 – 300 EJ/år i henhold til IPCC (2011)
≈ 10 – 30 GJ/person i 2050
Analyse af energisystemets afhængighed af biomasse
- i fire forskellige system konfigurationer
1. System 1: Standard bioenergi 2. System 2: Elektrificering
3. System 3: Elektrolyse
4. System 4: Mere elektrolyse (& bio-kulstof genvinding)
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
The 4 system design configurations
Scenarios Philosophy Biomass demand Wind- power
Hydrogen Total
PJ/y
Specific GJ/prs./y
Total PJ/y
Total PJ/y Standard
bioenergy
Biomass substitutes fossil fuels
630 120 50 0
Electrification ‘Full’ electrification of transport and heat
450 80 90 0
Electrolysis Much hydrogen through electrolysis
290 50 250 75
CO2 recovery Even more hydrogen through electrolysis
230 40 310 100
Available biomass for energy: 100 – 300 EJ/år ≈ 10 – 30 GJ/prs./y as global average (IPCC, 2011)
Energy system design overview
Scenarios Philosophy Biomass demand Wind- power
Hydrogen Total
PJ/y
Specific GJ/prs./y
Total PJ/y
Total PJ/y Standard
bioenergy Bio+
Biomass substitutes fossil fuels
630 120
130
50 75
0 0 Electrification
Bio
‘Full’ electrification of transport and heat
450 80
80
90 110
0 0 Electrolysis
Wind
Much hydrogen through electrolysis
290 50
50
250 250
75 63 CO2 recovery
Hydrogen
Even more hydrogen through electrolysis
230 40
40
310 300
100 81
Energy system design overview
Green data = scenarios from the Danish Energy Agency
Available biomass for energy: 100 – 300 EJ/år ≈ 10 – 30 GJ/prs./y as global average (IPCC, 2011)
Konklusion 1
• Fuld VE kræver et stort biomasse input. Selv det mest avancerede VE system kræver lige så meget biomasse input som vind eller sol (udtrykt i fx PJ/år)
• Selv det mest avancerede danske VE system kræver dobbelt så meget biomasse, som der som gennemsnit er til rådighed pr. person i verden globalt
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Konklusion 2
Når vi skal identificere den globale biomasse marginal, er størrelsen af den globale biomasse efterspørgsel
afgørende.
Definition:
Den globale biomasse marginal er den type biomasse
forsyning, der ender med at øges som resultat af øget
dansk efterspørgsel/import
0 5 10 15 20 25 30 35
-600 -400 -200 0 200 400 600
2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070
EJ/year
Mha
0 US$/ton CO2; 1.5 US$/GJ
0 5 10 15 20 25 30
-600 -400 -200 0 200 400 600
2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 EJ/year
Mha
50 US$/ton CO2; 1.5 US$/GJ
0 20 40 60 80 100 120
-600 -400 -200 0 200 400 600
2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 EJ/year
Mha
0 US$/ton CO2; 5 US$/GJ
0 20 40 60 80 100 120
-600 -400 -200 0 200 400 600
2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 earEJ/y
Mha
50 US$/ton CO2; 5 US$/GJ
Partial equilibrium model of land use change: GLOBIOM
Cropland area Plantation area Grassland area Old forest area
New forest area Other land area Solid paid, EJ primary
Carbon Footprint beregning
- stor afhængighed af biomassens oprindelse
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100
• 2013-2020:
• Udtyndingstræ (op til max 5-10 EJ/år) CO2 neutral
• Plantage på lav-C arealer (fx græsland m. lav ILUC faktor)
(op til max 40 EJ/år) Negativ CF (dvs. CO2 optag fra atmosf.)
• Plantage på landbrugsland inkl. ILUC Lavere CF end fossile brændsler
• Høst fra eksisterende skov CF som fossile brændsler eller højere
• 2020-2035:
• Plantage på græsland m. højere ILUC faktor Lavere eller samme CF som fossile br.
• Plantage på savanne el. lign. arealtype Lavere CF end fossile brændsler
• Plantage på skovareal eller høst fra eksist. skov CF som fossile brændsler eller højere
• 2035-2050:
• Plantage på savanne el. lign. arealtype Lavere CF end fossile brændsler
• Plantage på skovareal eller høst fra eksist. skov CF som fossile brændsler eller højere
• 2050+:
• Plantage på savanne el. lign. arealtype Lavere CF end fossile brændsler
• Plantage på skovareal eller høst fra eksist. skov CF som fossile brændsler eller højere
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Konklusion 3
De mest sandsynlige kandidater til den marginale biomasse forsyning
- i en IPCC 2
oC VE verden
Konklusion 4
1. Det afgørende for en bioenergi er ikke dens egne egenskaber set isoleret 2. Det afgørende for carbon footprint af en bioenergi er:
Biomassens oprindelse
Bioenergiens system integration
Hvilket system skal bioenergien virke i – og hvad fortrænger hovedproduktet og co-produkterne fra biomasse konverteringen?
Hvordan integrerer processen el, transportbrændsler og varme, herunder hvor fleksibelt den kan skifte mellem disse
Hvor godt tillader processen at optage brint i systemet
Hvor godt håndterer den landbrugets kulstofbalance, og resulterende
Hvordan den påvirker systemets samlede biomasse forbrug
3. Energieffektivitet som performance indikator kan derfor blive for enøjet.
Eksempel: Et træpillefyr til fjernvarme har høj energieffektivitet, men ringe integrationsegenskaber i fremtidens VE system på længere sigt.
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Konklusion 5
Termisk forgasning og forgæring har gode integrationsegenskaber i et VE system, fordi:
De omdanner biomasse til et brændsel, der kan lagres, fx gas på naturgasnettet
Gas-baseret el-produktion er attraktiv som stand-by og regulering af vindkraft fordi:
Et gas-baseret kraftværk kan indreguleres hurtigt (få minutter), og især
Gas-baseret el-produktion har lav investeringsomkostning pr. installeret effekt – hvilket er afgørende i et fremtidigt system, hvor den kun aktiveres i 5-10 % af tiden
Biogas og syntesegas er gode til at assimilere brint under hydrogenering af gasserne
De tilbyder høj fleksibilitet: kan skifte mellem opgradering (hydrogenering) til produktion af transportbrændsler (når el-prisen er lav) og direkte el-
produktion (uden hydrogenering) når el-prisen er høj.
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Konklusion 6
Biogas samforgæring af halm og gylle har gode integrationsegenskaber, fordi:
Det forbedrer C/N forholdet i forhold til rene gylle anlæg og øger C- indholdet og gasudbyttet pr. m3 gylle.
Det tillader, at næringssalte og svært nedbrydeligt kulstof returneres til jorden og øger dermed den energitilgængelige mængde halm, hvis jorden skal have sin del på langt sigt.
Vi har således et stort halmpotentiale (50 PJ/år?) til energiformål, hvis det bruges i biogas, men et væsentligt mindre potentiale (ca. 15 PJ/år?), hvis det bruges i forbrænding – hvis jorden skal have
samme mængde C på langt sigt.
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
Hypotese
Spørgsmålet om gas eller methanol til tung transport afgøres derfor i vid udstrækning af behovet for synergi og systemintegration på
forsyningssiden mellem el, varme, tranport og landbrugsjord
Behovet for at integrere brint er stort i et fuldt VE system, hvis vi skal reducere biomasse forbruget til et bæredygtigt niveau
På ressource og forsyningssiden virker det attraktivt i et fuldt VE system:
at sam-forgære gylle, dybstrøelse og halm til biogas og at hydrogenere biogassen til methan
at termisk forgasse træ-biomasse til syntesegas og hydrogenere denne til enten methan eller methanol eller andre flydende
brændsler (herunder flybrændsler)
Det Tekniske Fakultet, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi
