Biofuels from agricultural biomass – land use change in Swedish perspective : report from a project within the collaborative research program Renewable transportation fuels and systems, October 2017

Riksdagen har röstat igenom ett nytt klimatpolitiskt ramverk, vilket innebär att Sverige senast 2045 inte ska ha några nettoutsläpp av växthusgaser. Transportsektorn domineras fortfarande av fossila bränslen, och det behövs kraftiga insatser för att sänka utsläppen. Sverige har en relativt hög andel biodrivmedel, cirka 20% av energianvändningen inom transportsektorn. Närmare 90% av dessa biodrivmedel importeras dock, eller produceras från importerad biomassa. I denna studie undersöktes om och hur det går att tillgodose transportsektorn år 2030 med den mängd biodrivmedel som behövs (20 TWh), baserad på inhemsk råvara. Omfånget på studien begränsas till biomassa som inte orsakar förändrad markanvändning. Detta eftersom EU har meddelat att biomassa som istället skulle kunna användas för mat eller foder inte kommer att stimuleras som råvara framöver. Anledningen till detta politiska beslut är en rädsla för att ökad produktion av biodrivmedel kan ge direkt eller indirekt förändrad markanvändning (förkortad iLUC, efter engelskans indirect land use change), vilket kan leda till utsläpp av kol och andra växthusgaser från mark. I denna studie visar vi att cirka 4-10 TWh biodrivmedel kan produceras från iLUC-fri jordbruksråvara, det stora spannet beror på antagen omvandlingseffektivitet till biodrivmedel. De studerade råvarorna var (1) restprodukter från jordbruket, (2) vall odlad på nerlagd åkermark, (3) grödor från existerande odling så som mellangrödor (4) vall från intensifiering av pågående odling. Genom litteraturstudier bedömdes den iLUC-fri råvara från andra sektorer (skogsrester, industriella biprodukter och avfall från andra delar av samhället, marina råvaror exkluderade) till 8-11 TWh biodrivmedel. Med andra ord har vi goda möjligheter att nå de 20 TWh biobränslen som krävs år 2030 baserat på inhemskt iLUC-fri råvara. Om vi minskar vår konsumtion av kött och alkohol, samt minskar markanvändning för hästar, kan vi producera ännu mer biodrivmedel. Styrning mot biomassa med lägre iLUC skulle dock kunna innebära högre produktionskostnader jämfört med dagens biodrivmedelsproduktion. Det är därför intressant att studera potentiella tradeoffs mellan växthusgaser och ekonomi. I det här projektet undersökte vi produktion av etanol och biogas baserat på vetekärna och vetehalm. Här representerar vetekärna det nuvarande produktionssystemet, och halm representerar ett iLUC-fritt produktionssystem. Resultaten visar att halmbaserade biodrivmedel visserligen inte konkurrerar med livsmedelsproduktionen och har lägre utsläpp av växthusgaser jämfört med vetekärna, men högre produktionskostnader. De högre produktionskostnaderna beror framförallt på lägre utbyte av drivmedel och dyrare förbehandling av råvaran. För att kunna dra generella slutsatser om trade-offs av iLUC-fri råvara behövs dock fler fallstudier där fler råvaror, biodrivmedel studeras, och andra miljöpåverkanskategorier inkluderas

Produktion av kvävegödsel baserad på förnybar energi

Mineralkvävegödsel är en av förutsättningarna för de höga skördenivåer som uppnåtts i det industrialiserade, moderna jordbruket. I Sverige finns idag ingen inhemsk produktion av mineralkvävegödsel, utan hela efterfrågan tillgodoses med import från utlandet. Produktionen är idag baserad på fossila resurser, vilka används både som råvara för produktionen och som energi för att driva processerna. Vi är alltså beroende av utländska fossila resurser – som bränsle och mineralgödsel – för vår livsmedelsproduktion. Möjligheter finns dock att producera kvävegödsel med på förnybara resurser, vilket banar väg för en mer hållbar produktion av livsmedel och bioenergi. Denna rapport syftar till att beskriva och jämföra olika tekniska alternativ för produktion av kvävegödsel baserad på förnybara energikällor. Rapporten presenterar produktionskostnader som beräknats utifrån tekno-ekonomiska modeller av produktionsprocesserna, miljöpåverkan av förnybara gödselmedel enligt ett flertal livscykelanalyser, samt en översikt av potentiella nyttor och risker. Rapporten kan läsas som en förstudie, vilken kan användas som informationsunderlag för aktörer och intressenter som har intresse av att stödja utvecklingen av förnybara gödselmedel. Resultaten visar att kostnaden för att producera förnybara kvävegödselmedel varierar beroende på vald teknik och tillverkningsskala. Bland de förnybara alternativen som studerades, gav förgasning av biomassa den lägsta produktionskostnaden. För detta alternativ beräknades produktionskostnaden till 11-14 kr/kg N, vilket kan jämföras med dagens pris på ca 10 kr/kg N. Förgasning av biomassa är dock ännu inte en fullt kommersiellt tillgänglig teknik, utan en framtida möjlighet. Studien visar också att det finns alternativ som kan förverkligas inom en snar framtid, där all teknik för kvävegödsel baserad på förnybar energi finns tillgänglig. Det är ”bara” att sätta ihop de olika delarna som behövs. Dessa alternativ uppskattas bli 2-3 gånger så dyra som dagens kvävegödselmedel. Ett av de mest lovande alternativen är att göra urea av biogas, vilket uppskattas kosta ungefär 20 kr/kg N. Ett annat alternativ är att producera ammoniumnitrat från vindkraft, vilket beräknas kosta runt 24 kr/kg N. De olika tekniska alternativen har sina för- och nackdelar. Vid en jämförelse mellan processer som bygger på vindkraftsbaserad elektrolys och reformering av biogas är produktionskostnaderna liknande. Biogasalternativet har dock en lägre investeringskostnad och lägre andel fasta kostnader. Biogas är också en mindre intermittent energikälla, vilket är en klar fördel jämfört med vindkraft som blir starkt beroende av ett vätgaslager eller det regionala energisystemet som utjämning för variationer i elproduktion. Att vara beroende av det regionala energisystemet innebär större kostnadsrisk och det blir även viktigt när klimatpåverkan beräknas hur övrig el produceras i systemet. Vad gäller val av slutprodukt kan vi konstatera att ammoniak är billigast att producera. Vi har dock ingen infrastruktur eller vana av att hantera vattenfri ammoniak i Sverige. Det betyder att distribution, lagring, hantering och användning skulle kräva många extra investeringar. Då koncentrerad ammoniak är miljö- och hälsofarligt är hantering av ammoniak också kopplat till stora risker vid läckage. I jämförelse mellan ammoniumnitrat och urea, uppskattas produktionskostnaderna bli relativt likvärdiga, med en liten fördel för urea. Urea kräver dock en koldioxidkälla för produktionen, vilket gör att det inte är ett lämpligt val att kombinera med vindkraftsbaserade processer. Ammoniumnitrat är också förknippat med stora risker vid lagring och distribution då det är mycket brandfarligt. Ett av syftena för att producera kvävegödsel baserad på förnybar energi är att minska utsläpp av växthusgaser från odling. Inom ramen för detta projekt gjordes en sammanställning av resultat från tidigare genomföra livscykelanalyser. Utsläpp av växthusgaser för produktion av kvävegödsel baserad på förnybar energi visade sig variera mellan 0,1 – 1,5 kg CO2-ekv/kg N, vilket kan jämföras med produktion baserad på fossil energi som varierar mellan 2,2 – 14,2 kg CO2-ekv/kg N. Alltså ger grönt kväve en avsevärd klimatnytta jämfört med fossila alternativ. Att använda förnybar energi till kvävegödselproduktion utgör alltså en möjlighet att utnyttja förnybara resurser på ett nytt, klimateffektivt sätt, samtidigt det minskar jordbruksproduktionen beroende av den fossila energimarknadens instabilitet. Vår samlade bedömning är att på kort sikt verkar biogas till urea som ett mycket lovande alternativ som bör studeras vidare. På längre sikt är förgasning av biomassa mer intressant, förutsatt att tekniken för förgasning lyckas slå igenom på kommersiell skala. Även om det finns aktörer som visar intresse för förnybara kvävegödselmedel finns ännu ingen marknad för dessa produkter. Att skapa efterfrågan hos konsumenter, samt att driva på utvecklingen hos producenter genom olika typer att styrmedel är viktiga aspekter som bör studeras vidare

Climate impact and energy efficiency from electricity generation through anaerobic digestion or direct combustion of short rotation coppice willow

Short rotation coppice willow is an energy crop used in Sweden to produce electricity and heat in combined heat and power plants. Recent laboratory-scale experiments have shown that SRC willow can also be used for biogas production in anaerobic digestion processes. Here, life cycle assessment is used to compare the climate impact and energy efficiency of electricity and heat generated by these measures. All energy inputs and greenhouse gas emissions, including soil organic carbon fluxes were included in the life cycle assessment. The climate impact was determined using time-dependent life cycle assessment methodology. Both systems showed a positive net energy balance, but the direct combustion system delivered ninefold more energy than the biogas system. Both systems had a cooling effect on the global mean surface temperature change. The cooling impact per hectare from the biogas system was ninefold higher due to the carbon returned to soil with the digestate. Compensating the lower energy production of the biogas system with external energy sources had a large impact on the result, effectively determining whether the biogas scenario had a net warming or cooling contribution to the global mean temperature change per kWh of electricity. In all cases, the contribution to global warming was lowered by the inclusion of willow in the energy system. The use of time-dependent climate impact methodology shows that extended use of short rotation coppice willow can contribute to counteract global warming

Greenhouse gas performance of biodiesel production from straw: Soil carbon changes and time-dependent climate impact

Background: Use of bio‑based diesel is increasing in Europe. It is currently produced from oilseed crops, but can also be generated from lignocellulosic biomass such as straw. However, removing straw affects soil organic carbon (SOC), with potential consequences for the climate impact of the biofuel. This study assessed the climate impacts and energy balance of biodiesel production from straw using oleaginous yeast, with subsequent biogas production from the residues, with particular emphasis on SOC changes over time. It also explored the impact of four different scenarios for returning the lignin fraction of the biomass to soil to mitigate SOC changes. Climate impact was assessed using two methods, global warming potential (GWP) and a time‑dependent temperature model (∆Ts) that describes changes in mean global surface temperature as a function of time or absolute temperature change potential (AGTP). Results: Straw‑derived biodiesel reduced GWP by 33–80% compared with fossil fuels and primary fossil energy use for biodiesel production was 0.33–0.80 MJprim/MJ, depending on the scenario studied. Simulations using the time‑dependent temperature model showed that a scenario where all straw fractions were converted to energy carriers and no lignin was returned to soil resulted in the highest avoided climate impact. The SOC changes due to straw removal had a large impact on the results, both when using GWP and the time‑dependent temperature model. Conclusions: In a climate perspective, it is preferable to combust straw lignin to produce electricity rather than returning it to the soil if the excess electricity replaces natural gas electricity, according to results from both GWP and time‑dependent temperature modelling. Using different methods to assess climate impact did not change the ranking between the scenarios, but the time‑dependent temperature model provided information about system behaviour over time that can be important for evaluation of biofuel systems, particularly in relation to climate target deadlines

Åkerböna som råvara för bioraffinaderier

Företaget Eco Etanol AB har utvecklat ett koncept där helgrödesensilerade ärt-eller åkerbönplantor processas i en stationär tröska för att separera bönan från grönmassan. Grönmassan valsas sedan för att utvinna en proteinrik pressvätska och en fiberrik halmrest, och bönorna mixas i vatten för att separera proteinet från stärkelsen. Denna process resulterar i tre fraktioner: protein, stärkelse och fiber. Dessa fraktioner kan förädlas till en mängd olika produkter. I denna studie antogs att halmen förädlas till bränslepellets medan proteinet i bönan och pressvätskan används som djurfoder och stärkelsen används för etanolproduktion. Konceptet som helhet kallas i denna studie för bioraffinaderiet. Klimatpåverkan av de tre produkterna studerades med hjälp av metoden livscykelanalys (LCA). Studien inkluderar odling, skörd och ensilering, transport från fält samt processande och förädling till färdiga försäljningsbara produkter, och slutar vid fabriksgrinden vilket innebär att distribution av varorna till slutanvändare eller användning av produkterna inte inkluderats. Studien inkluderar inte heller byggnader och övrig infrastruktur. Åkerbönans kvävelevererande och luckrande effekter i växtföljden har beaktats. De emissioner som uppkommer från odling och bioraffinaderi fördelas över de tre samprodukterna med hjälp av ekonomisk allokering. Det innebär att en produkt som har ett högt ekonomiskt värde får en högre miljöbelastning. Resultatet för respektive produkt jämfördes också med ett antal referensprodukter som har samma eller liknande funktion som de studerade produkterna. Referensprodukterna var för proteinfoder: värmebehandlat rapsmjöl ExPro ®, sojamjöl och drank, för etanol: etanol producerad från vete och sockerbetor samt bensin, för briketter: skogsflis, flis av gallringsvirke och pellets. Datainsamlingen bygger delvis på uppgifter från företaget Ecoetanol at Sweden AB bland annat vad det gäller skörd, tröskans kapacitet och energibehov samt näringsanalyser som beställts av Ecoetanol at Sweden AB och utförts av Eurofins Food & Agro Testing Sweden AB. Eftersom prototypen för bioraffinaderiet inte var färdigställd när denna studie genomfördes så baserades en stor del av beräkningen på data från litteraturen och delvis också på egna antaganden t.ex. vad gäller kapaciteten på bioraffinaderiet. Resultatet visade att dieselanvändning vid odling samt lustgasemissioner från åkermark har störst påverkan under livscykeln, båda respektive ca 30 % av den sammanlagda påverkan på klimatet. Energianvändning och insatsmedel i bioraffinaderiet hade relativt begränsad påverkan på klimatprofilen. Viktigt att notera är att egenproducerade briketter antogs användas för processens värmebehov, vilket täcker en betydande del av processens energibehov. Klimatpåverkan för proteinfodret, etanolen och briketterna samt referensprodukterna presenteras i tabell 1. Proteinfodrets klimatpåverkan uppskattades till ca 0,16 kg CO2ekv per kg torrsubstans (TS) proteinfoder, ca 50-68 % lägre än de undersökta referensprodukterna. Klimatpåverkan per liter etanol (21,2 MJ) uppskattades till ca 0,43 kg CO2ekv, ca 76 % lägre än bensin, men 2,5 % högre än veteetanol och ca 84 % högre än etanol gjord på sockerbetor. Klimatpåverkan per kWh briketter uppskattades till ca 16 g CO2ekv, vilket var nästan 1,4 gånger högre än flis från gallringsvirke och 19 % högre än pellets och 90 % högre än skogsflis.Årligen antogs ca 490 m3 etanol, ca 1000 ton proteinfoder och ca 5 600 MWh bränslebriketter produceras i bioraffinaderiet. Klimatpåverkan av den sammanlagda produktionen uppskattades till 462 ton CO2ekv per år. Detta kan jämföras mot referensprodukter med låg klimatpåverkan dvs. samma mängd produkter av sockerbetsetanol, flis från gallring och drank som ger upphov till ca 477 ton CO2ekv per år, eller referensprodukter med hög klimatpåverkan dvs. samma mängd produkter av bensin, sojamjöl och pellets vilket ger upphov till ca 1 440 ton CO2ekv per år. Ett antal känslighetsanalyser genomfördes. Störst påverkan på produkternas klimatpåverkan (+21%) gav en sänkning av skörden till normskörd samt förändrade antaganden vad gäller lustgasemissioner från kvävet i rot och skörderester (+27%). Jämförelsen mellan bioraffinaderiets årliga produktion och samma mängd referensprodukter påverkades mest om markkolsförändringar inkluderades i analysen av sojan. Det gav 73 % reduktion i klimatpåverkan för bioraffinaderiet jämfört med referensprodukter med hög klimatpåverkan. I grundanalysen var motsvarande reduktion 68 %. Sammanfattningsvis: att investera och driva det studerade bioraffinaderiet kan ge stora klimatvinster, men bara om det är miljöbelastande produkter som ersätts på marknaden. Om produkter med hög klimatpåverkan (fossila bränslen och sojamjöl) kan ersättas kan en minskning på ca 68 % uppnås. Om bioraffinaderiets produkter istället ersätter andra produkter som redan har en låg klimatpåverkan (bioetanol och drank) uteblir i princip vinsten (minskning med endast 3 %). Det är således viktigt att investeringen leder till en expansion av marknaden för produkter med låg klimatbelastning, och inte bara en inbördes omfördelning

Applicability of PEF methodologies in comparison of LCAs of different food products in Nordic countries

The European Commission has published Product Environmental Footprint (PEF) guidelines to promote a harmonised product group-specific environmental footprint assessment. The need for harmonised methods in environmental footprint assessment has arisen from increasing number of green claims used especially in marketing of products. There has been a growing desire to communicate the environmental footprints of food products, but in the absence of well-established, standardised assessment guidelines, green claims have been made on variable grounds. The PEF method developed by European Commission is based on Life Cycle Assessment (LCA) and the current 16 environmental impact categories included are relying on scientifically sound impact assessment methods that are agreed at international level. While the harmonised methods of Product Environmental Footprint Category Rules (PEFCRs) are suitable for assessment of environmental impacts of products and for comparison of performance of products from the same category, comparability across different categories has not been the objective. Based on previous results and ongoing work, the main objective for the work reported here, has been to investigate to what extent the LCAs conducted with the PEF methodologies provide comparability even between product categories and will provide insights from a Nordic perspective. The review was conducted by comparing the PEFCRs and the general PEF guidance in parallel, per life cycle stage, to find deviations especially between different PEFCRs. General PEF guideline consisted of the Commission recommendations and the guidance given in Annexes. Previous studies were utilised here as a basis together with the PEF method and guidance documentation, for summarising the relevant differences and coherence in collecting inventory data, requirements for modelling, utilised emission factors (EF), system boundaries, allocation approach and functional units (FU). The transition phase PEFCRs were reviewed in order to find coherence or discrepancies in strictness regarding data quality requirements. The revised Recommendation by European Commission was included to some extent, in a more general level. For the evaluation of the potential differences in LCA results of products assessed with the PEF method, the application of PEFCR of dairy products in the Nordic countries (Denmark, Finland, Norway, Sweden) was analysed in more detail, focusing on the largest contribution to global warming potential, i.e., methane from enteric fermentation. In overall, it was seen that PEF method is promoting comparability and the given guidance increases consistency, transparency, and reliability of the conducted studies. Yet, many aspects discussed in the report remain unsolved and need more careful considerations in forthcoming PEF studies and PEFCR guidance’s if comparisons across product categories are made. Raised issues were regarding functional unit, system boundaries, allocation, manure handling and use stage modelling. Prior to utilising PEF method in comparison of product LCAs, harmonisation of these issues should be conducted across PEFCRs. In the case of estimating the product footprint across countries, the use of different National Inventory Report (NIR) assessment models, here illustrated by enteric methane, was found problematic as the level of emission potentially change due to the model parameters and not because of the production data. The used NIR assessment models should be validated for fair comparison. This problem is already existing in PEF methods, when comparison is conducted within a product group and by following PEFCRs. The use of national assessment models is problematic, even in the case that they are approved by IPCC as they are not validated for comparison