Samenvatting en conclusies

Biomassa wordt de laatste jaren steeds meer gezien als een hernieuwbare energiebron die binnen afzienbare tijd een belangrijke bijdrage aan de wereldenergievoorziening kan leveren. Diverse scenario's voor de toekomstige wereldenergievoorziening, zoals van de World Energy Council (WEC), het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Shell en het Stockholm Environmental Institute (SEI), projecteren voor het jaar 2050 een bijdrage van biomassa aan de mondiale energievoorziening die varieert tussen 14% en 46%; equivalent aan circa 100 tot meer dan 300 EJ per jaar. Momenteel bedraagt de bijdrage van biomassa aan de mondiale energievraag circa 10-15%, equivalent aan circa 40-55 EJ/jaar. Dit aandeel bestaat echter voor een substantieel deel uit niet commerciële en niet duurzame toepassing, met name brandhout in ontwikkelingslanden.

De belangstelling voor biomassa als een moderne, hernieuwbare, energiebron is toegenomen om drie belangrijke redenen:
1. Technologische ontwikkelingen, zowel ten aanzien van de conversie als de productie van energiegewassen, brengen efficiënte en goedkope energieproductie uit biomassa binnen handbereik en maken de winning van energie uit biomassa potentieel concurrerend met energiewinning uit fossiele brandstoffen.
2. De landbouw in de EU en de VS kampen met productieoverschotten en ontvolking van rurale gebieden. Verdere toename van de efficiency en productiviteit in de landbouw versterken deze trends en maken introductie van alternatieve non-food gewassen gewenst. Energiegewassen kunnen in principe worden afgezet op een nagenoeg oneindig grote markt.
3. De dreiging van wereldwijde klimaatverandering als gevolg van snelle toename van de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer, met name CO2, door menselijk handelen. Biomassa voegt, mits duurzaam geproduceerd, netto geen CO2 toe aan de atmosfeer.

Naast het gebruik van organisch afval en biomassa residuen - zoals dunningshout uit de bosbouw en stro uit de landbouw - zijn energiegewassen nodig om de enorme potentiële bijdrage van biomassa aan de mondiale energievoorziening waar te kunnen maken. Vooral meerjarige gewassen lijken veelbelovend. Deze gewassen, zoals korte omloop Wilgen- of Eucalyptusteelt of grassen als Miscanthus, bieden relatief hoge netto energie-opbrengsten per hectare, relatief lage kosten per eenheid geproduceerde energie en hebben naar verwachting een zeer beperkte impact op het milieu. Toepassing van dergelijke meerjarige gewassen als brandstof in geïntegreerde Biomassa Vergasser/STEG (BV-STEG) installaties voor de produktie van electriciteit (en warmte) of in installaties voor de produktie van methanol en waterstof lijken veelbelovende routes met naar verwachting hoge conversie-rendementen en relatief lage kosten.

Ondanks deze veelbelovende perpectieven zijn er diverse barrieres die grootschalige invoering van biomassa als energiebron in de weg staan. Het commercieel gebruik van biomassa voor energie is met name beperkt tot benutting van goedkoop beschikbare afvalstromen en residuen, met name uit de bosbouw. De kosten van geteelde biomassa vormen een belangrijke beperkende factor voor grootschalige toepassing. Efficiënte en goedkope conversietechnologieën in de vorm van onder meer geïntegreerde vergassings/-gasturbine (BV/STEG) installaties zijn nog niet commercieel beschikbaar. Alleen in situaties waar overheidsmaatregelen (zoals een CO2-heffing) zijn getroffen, kan biomassa op substantiële schaal concurreren met fossiele brandstoffen. Dit is bijvoorbeeld gerealiseerd in Zweden, Denemarken en Brazilië.
De complexiteit van grootschalige biomassa-energiesystemen speelt ook een belemmerende rol. Produktie van biomassa is seizoensgebonden en stelt hoge eisen aan organisatie en logistiek. Bij dergelijke systemen kunnen een groot aantal actoren betrokken zijn, wat nauwe samenwerking vraagt tussen de bijvoorbeeld landbouwwereld enerzijds en energiewereld anderzijds. Tevens dient er een maatschappelijk draagvlak voor dit energiesysteem aanwezig te zijn en kunnen onzekerheden rondom de ecologische consequenties van energieteelt een barrière vormen. Last but not least, kan de beschikbaarheid van land een cruciale beperkende factor vormen voor grootschalige introduktie van energieteelt. Indien produktiviteitsverhogingen in de landbouw van vooral ontwikkelingslanden uitblijven kan de grondbehoefte voor voedselproduktie zo hoog zijn dat energieteelt een concurrent kan worden van voedingsgewassen, hetgeen een zeer ongewenste situatie zou zijn.

Dit proefschrift richt zich op een aantal aspecten van de winning en het gebruik van biomassa en afvalstromen voor energieproduktie. Het algemene doel is de mogelijkheden te analyseren van het gebruik van biomassa en afvalstromen voor energieproduktie voor de energievoorziening in Nederland.
Dit proefschrift heeft de volgende, meer specifieke, onderzoeksdoelen:
1. Analyse van de technische, milieuhygiënische en economische aspecten van BV/STEG technologie voor de conversie van biomassa en afvalstromen naar elektriciteit en warmte.
2. Analyse van het energetisch potentieel van energieteelt, biomassa reststromen, organisch afval en andere afvalstromen in Nederland.
3. Analyse van de kosten en de voor- en nadelen van biomassa-energiesystemen (inclusief afvalverwerking).

In het eerste deel, hoofdstuk II, worden de karakteristieken en de beschikbaarheid van biomassa-afval- en reststromen in Nederland bestudeerd, in het bijzonder in relatie tot de mogelijkheden voor elektriciteitsproductie middels atmosferisch wervelbed BV/STEG technologie. In totaal worden 18 stromen onderscheiden, verdeeld over vier hoofdcategoriëen. Deze hoofdcategorieën zijn: reststromen uit de landbouw, organisch afval, hout en slib. Het technisch potentieel en de netto beschikbaarheid van de 18 stromen zijn geïnventariseerd. Eigenschappen als chemische samenstelling, calorische waarde, en aanbodpatronen zijn geanalyseerd. De mogelijkheden deze stromen te vergassen in een BV/STEG systeem zijn verkend. Tevens is een overzicht gemaakt van de kosten waarvoor deze stromen beschikbaar kunnen komen.
Het totale energetisch potentieel van deze stromen bedraagt circa 190 PJ per jaar (bovenste verbrandswaarde). Door nuttige toepassing van een deel van de stromen, bijvoorbeeld als veevoer en als meststof, bedraagt het netto energetisch potentieel circa 90 PJ per jaar. Een aantal stromen hebben een negatieve waarde vanwege de huidige afvalverwerkingskosten die thans voor deze stromen moeten worden betaald (bijvoorbeeld voor storten of composteren). De kosten van het totale spectrum aan stromen loopt derhalve uiteen van -10 tot 5 ECU/GJ. Voor een klein deel van het potentieel zijn de kosten hoger dan de verwachte kosten van energieteelt in Nederland (circa 4.5 ECU/GJ). Omdat er grote variaties in samenstelling en verontreinigingsgraad bestaan, zal een conversie-eenheid flexibel moeten zijn om een diversiteit aan stromen te verwerken. Sommige stromen zouden moeten worden gemengd met schonere materialen om verwerking via vergassing mogelijk te maken. Belangrijke technische grenzen voor het gebruik van afvalstromen in het besproken BV/STEG systeem zijn het vochtgehalte (maximaal 70% van de ingaande natte brandstof) en het asgehalte (maximaal 20% van de droge brandstof).

Hoofdstuk III gaat in detail in op de performance van vergassingstechnologie, toegepast in een geïntegreerd systeem voor elektriciteitsopwekking met een gas- en stoomturbine (STEG). Ondermeer de technische en economische haalbaarheid en performance van deze technologie is geëvalueerd voor Nederlandse condities en bij benutting van zeer verschillende brandstoffen. Voor deze studie is atmosferische circulerend wervelbedvergassingstechnologie, geïntegreerd met een General Electric LM 2500 gasturbine, geselecteerd voor verdere evaluatie. De performance van dit systeem is geëvalueerd wanneer gebruik wordt gemaakt van schoon hout, bermgras, GFT-afval, sloophout of een slib/hout mengsel als brandstof.
Systeemberekeningen zijn uitgevoerd met behulp van het programma ASPEN-plus. De samenstelling van het stookgas is vastgesteld met behulp van laboratoriumexperimenten (uitgevoerd door TPS) en aparte modelberekeningen voor de vergasser. De berekende elektrische rendementen liggen tussen 35.4 - 40.3% (onderste verbrandingswaarde) voor de bestudeerde brandstoffen. Verdere optimalisatie van het systeem is mogelijk. De investeringskosten zijn ingeschat op basis van prijsopgaven van diverse componenten en bedragen voor een volledig commercieel werkend systeem 1500-2300 ECU/kWe.
De berekende elektriciteitsproduktiekosten variëren, inclusief kosten voor logistiek en brandstof, tussen minus 6.7 en plus 8.5 ECUct/kWh. De negatieve kosten worden behaald indien de huidige afvalverwerkingskosten gelden als inkomen voor de installatie. De emissieniveaus voldoen naar verwachting minstens aan de normen van het BLA (Besluit Luchtemissies Afvalverwerking). Het geselecteerde systeem is naar verwachting flexibel genoeg om brandstoffen met zeer verschillende eigenschappen te verwerken. De elektriciteitsproduktiekosten worden sterk beïnvloed door de elektrische efficiency, maar zeer beperkt voor de transportafstand waarover biomassastromen moeten worden vervoerd. Dit inzicht pleit voor installaties op een grotere schaal dan de hier bestudeerde 30 MWe. Als afvalverwerkingstechnologie is het BV/STEG concept veelbelovend. Realisatie op korte termijn lijkt mogelijk aangezien er geen fundamentele technische problemen te overwinnen zijn.

Hoofdstuk IV behandelt de potentiële verbeteringen t.a.v. de kosten en de energieproduktie van (finale) afvalverwerking die binnen een termijn van circa 15 jaar kunnen worden verkregen. Daartoe wordt een overzicht gemaakt van de verwachte performance van diverse afvalverwerkingstechnieken. Daarbij gaat het zowel om verbetering van bestaande opties (zoals afvalverbranding) als om relatief nieuwe processen zoals vergassing en pyrolyse. Middels eenvoudige scenario studies zijn de consequenties van deze potentiële verbeteringen voor de totale energieproductie en de kosten voor verwerking van het verwachte afvalaanbod berekend. Bij de bepaling van dit aanbod is rekening gehouden met een toename van recycling en hergebruik.

In een afvalverwerkingssysteem dat is gericht op minimale verwerkingskosten, bedragen over 15 jaar de totale afvalverwerkingskosten 300-600 MECU per jaar, vergeleken met 1000-1600 MECU per jaar voor een referentiesysteem waarin van conventionele, maar verbeterde, technologie is uitgegaan. Een systeem dat is gericht op maximale energieterugwinning kan 80-90 PJ primaire energie per jaar uitsparen, vergeleken met 39-47 PJ/jaar voor het referentiesysteem. Vergeleken met de besparingen van 17 PJ/jaar op dit moment geeft dat aan dat substantiële verbeteringen mogelijk zijn. Toepassing van integrale afvalscheiding kan tot verdere (indirecte) energiebesparing leiden. Composteren van biomassa-afval en gebruik van de compost leidt echter niet tot voordelen wat betreft energieproduktie en verwerkingskosten wanneer deze aanpak wordt vergeleken met mogelijke toekomstige alternatieven zoals vergassing. Gescheiden inzameling van GFT-afval wordt derhalve discutabel.
Uit ons onderzoek blijkt dat twee technieken mogelijk concurrerende opties zijn en een belangrijke rol kunnen gaan spelen: vergassing, zowel voor verwerking van organisch als integraal afval en wervelbedverbranden. Verdere ontwikkeling van deze technieken, gecombineerd met elektriciteitsproduktie, wordt daarom aanbevolen.

Hoofdstuk V verkent de mogelijkheden van energieteelt in Nederland gerelateerd aan het potentieel toekomstig beschikbaar land. Diverse nota's en studies over het toekomstig grondgebruik in Nederland zijn daartoe geëvalueerd. Het potentiële overschot van landbouwgrond wordt in onze analyse gebaseerd op verwachte produktiviteitsstijgingen in de landbouw en aannames over de vraag naar voedselprodukten. Diverse claims op landbouwgrond, zoals voor stadsuitbreiding, bosbouw en natuurontwikkeling zijn van dit aanbod afgetrokken. Het netto grondaanbod dat voor energieteelt gebruikt zou kunnen worden, bedraagt dan nul tot 52.000 ha in het jaar 2000, en 110.000 tot 250.000 ha in het jaar 2015. Het beschikbaar komen van landbouwgrond hangt echter ook af van supra-nationale ontwikkelingen zoals het Europees landbouw- en subsidiebeleid, liberalisering van de wereldmarkt voor voedselprodukten en ontwikkelingen in de landbouwproduktie in Oost-Europa. Het geprojecteerde potentieel is daarom niet meer dan een indicatie, gebaseerd op huidige trends. Het werkelijke aanbod kan zowel hoger als lager liggen. Indien het indicatieve areaal wordt benut voor de teelt van energiegewassen (zoals Miscanthus en Wilg) kan het rond het jaar 2000 jaarlijks netto 0-10 PJ opleveren en rond het jaar 2015 jaarlijk 27-59 PJ. De produktie van biomassa-reststromen uit bijvoorbeeld de bos- en landbouw die gekoppeld zijn aan landgebruik, kunnen circa 34 PJ bijdragen in 2000 en ongeveer 28 PJ in 2015. Het totale potentieel kan in circa 1-1.5% van de Nederlandse energiebehoefte voorzien. Voor realisatie van dit potentieel is het tenminste noodzakelijk dat energieteelt een economisch aantrekkelijke en maatschappelijk geaccepteerde activiteit wordt.

Biomassa die in Nederland middels energieteelt wordt geproduceerd, is thans duurder dan fossiele brandstoffen. Aan het gebruik van (fossiele) energiedragers zijn echter ook sociale of externe kosten verbonden (zoals emissies die schade veroorzaken aan gewassen en gezondheid) die niet in de kostprijs van die energiedragers tot uitdrukking komen. In deze context worden in hoofdstuk VI de totale kosten van elektriciteitproduktie uit in Nederland geteelde biomassa voor zover mogelijk in kaart gebracht en vergeleken met de totale kosten van elektriciteitsproduktie in Nederland uit kolen. In de analyses nemen we aan dat biomassa wordt geteeld op braakland. Kolenwinning is niet meegenomen, omdat in Nederland kolen worden geïmporteerd. Indirecte effecten van deze twee systemen op de Nederlandse economie ('multiplier effect') en werkgelegenheid zijn geanalyseerd met behulp van input/output tabellen. Economische waardering van schade door emissies naar de lucht is uitgevoerd middels het gebruik van generieke data uit andere studies. Verder zijn inschattingen gemaakt van de externe kosten door uitspoeling van nitraten en het gebruik van landbouwchemicaliën bij wilgenteelt.
Uitgaande van de verwachte stand der techniek in 2005 bedragen de gemiddelde elektriciteits-produktiekosten uit biomassa en kolen respectievelijk 68 en 38 mECU/kWh.
Indien de gekwantificeerde externe effecten bij de directe elektriciteitsproduktiekosten worden opgeteld bedragen de kosten voor elektriciteit uit biomassa 53-70 mECU/kWh en voor kolen 45-72 mECU/kWh.
Indirecte economische effecten en het verschil in CO2 emissies zijn vooralsnog de belangrijkste effecten die het prijsverschil tussen elektriciteitsproduktie uit biomassa en kolen kunnen compenseren. Kosten van andere emissies naar de lucht (NOx, SO2, stof en CO) zijn voor beide systemen vergelijkbaar. De milieu-effecten van energieteelt hangen sterk af van het soort landgebruik wat wordt vervangen. De externe kosten van uitspoeling van nitraat en verspreiding van landbouwchemicaliën van wilgenteelt zijn naar verwachting gering. Het gaat echter om een eerste indicatie en verder onderzoek naar deze milieu-effecten is gewenst. De uitkomsten van deze studie geven niet de totale externe kosten van de twee bestudeerde systemen. Veel mogelijke effecten zijn niet gewaardeerd. Ook zijn de onzekerheden in diverse effecten die wel zijn gewaardeerd aanzienlijk, onder meer vanwege de onzekerheden in kennis over specifieke dosis-respons relaties. Ook ten aanzien van de macro-economische effecten is verdere analyse gewenst. De resultaten geven met name een eerste indicatie. Echter, de aspecten die in deze studie zijn gewaardeerd pleiten voor verdere ondersteuning van de ontwikkeling energie opwekking uit biomassa.

Uit dit proefschrift kan worden geconcludeerd dat het totale energetisch potentieel van netto beschikbare biomassa-afval en reststromen in Nederland circa 70 PJ per jaar (LHV) bedraagt. Integraal afval, zoals huishoudelijk afval, voegt daar nog circa 90 PJ per jaar aan toe. Rond 2015 zouden energiegewassen nog circa 30-60 PJ aan bij kunnen dragen, afhankelijk van ontwikkelingen in de landbouw en mogelijkheden om biomassaproduktie te combineren met de realisatie van de ecologische hoofdstructuur. In totaal zouden biomassa en afval derhalve in de periode 2010-2015 jaarlijks circa 190 - 220 PJ bij kunnen dragen aan de Nederlandse energievoorziening. Dit is equivalent aan ongeveer 6 - 8% van de huidige primaire energievraag. De in 1996 gepubliceerde overheidsdoelstelling voor de bijdrage van biomassa en afval aan de primaire energievraag in het jaar 2020 is gesteld op 120 PJ. Daarbij is aangetekend dat voor het realiseren van deze doelstelling import van biomassa een belangrijke rol zou kunnen spelen. Resultaten uit dit proefschrift laten zien dat de overheidsdoelstelling bescheiden is vergeleken bij het potentieel. Daarnaast zou de geformuleerde doelstelling zeker gehaald kunnen worden zonder biomassa te importeren.
Uit het proefschrift blijkt ook dat de finale afvalverwerking aanzienlijk goedkoper kan en aanzienlijk meer energie kan opleveren dan nu het geval is, mits nieuwe technologiëen worden geïntroduceerd. Geïntegreerde vergassings/STEG technologie kan hierbij een sleutelrol rol spelen.

Het potentieel van energie-opwekking met behulp van in Nederland geteelde gewassen is gekoppeld aan de hoeveelheid landbouwgrond die hiervoor beschikbaar komt. Aangegeven is dat dit mede wordt bepaald door verdere realisatie van produktiviteitsstijgingen in de landbouw. Voor de benutting van het potentieel is van belang dat energieteelt een economisch aantrekkelijk alternatief wordt voor boeren. Een onzekere factor is de ontwikkeling van de vraag naar landbouwprodukten (inclusief export). Deze ontwikkeling hangt mede van diverse supranationale factoren af, zoals wereldmarktprijzen en het EU-landbouwbeleid. Dergelijke factoren zouden zowel voor een hoger als een lager aanbod van landbouwgrond voor energieteelt kunnen zorgen dan wat in dit proefschrift is aangegeven.

In Nederland geteelde biomassa is op dit moment aanmerkelijk duurder dan fossiele brandstof. Elektriciteitsproduktie uit geteelde biomassa is daarom ook duurder dan elektriciteitsproduktie uit kolen. Echter, indien externe kosten en indirecte economische effecten worden meegenomen, dan komen de totale kosten op vrijwel gelijk niveau uit. Deze uitkomst wijst erop dat, ondanks de onzekerheden in dergelijke evaluaties, verdere financiële ondersteuning van produktie van elektriciteit uit geteelde biomassa ten opzichte van gebruik van steenkool te rechtvaardigen valt.
Verder onderzoek naar de mogelijkheden om energieteelt in te passen in het landbouwsysteem en in het landschap is gewenst. Grootschalige demonstratieprojecten met energiegewassen zijn eveneens gewenst om ervaring op te doen met deze geavanceerde produktie- en logistieke systemen. Dergelijke activiteiten zijn noodzakelijk om verdere verhoging van de efficiency en verlaging van de produktiekosten te bereiken. Hiermee samenhangend is het gewenst BV/STEG technologieën op een redelijke schaal te demonstreren. Het zogenaamde Noord-Holland biomassa- vergassingsproject, met als doel de realisatie van een 30 MWe BV/STEG eenheid, is in deze context van cruciaal belang. Het onderzoek in dit proefschrift geeft aan dat atmosferisch wervelbed BV/STEG technologie een veelbelovende optiek is vanuit zowel efficiency-, milieu- als kostenoogpunt. De technologie lijkt voldoende flexibel om een diversiteit aan mogelijke biomassa- en afvalstromen te verwerken. Deze voordelen kunnen al bij een relatief bescheiden schaal van de installatie worden behaald.

Import van biomassa vanuit landen met een biomassa-overschot is in dit proefschrift niet bestudeerd. Omdat implementatie deze optie in Nederland serieus wordt overwogen zou aandacht moeten worden besteed aan ondermeer de milieu-aspecten en economische consequenties van deze optie voor zowel het importerende als het exporterende land. Ook de produktie van methanol en waterstof uit biomassa is niet bestudeerd. Het is wenselijk hiernaar verder onderzoek te verrichten.


NW&S Home Page

Last update: August 18, 1997
For any question or suggestion, please feel free to contact the Webmaster