Professor Brian Vad Mathiesen, Aalborg University, February 4, 2020, The City of Copenhagen

1. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
1
KBH, KLIMA, KONFERENCE:
Vejen til fremtiden, hvordan kommer vi derhen?
Fremtidens energisystem og vejen derhen: Hovedtendenser og byggeklodser
Brian Vad Mathiesen, Aalborg Universitet - 4. Februar 2020, Københavns Kommune
@BrianVad
Den langsigtede
målsætning mod
2050
Statsministeren den 16. nov. 2006:
”Vi skal gøre Danmark helt fri af fossile brændsler
som olie, kul og gas”

2. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
2
CO2-udslippet og
energiforbruget stiger
-
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
Primær energiforsyning, PJ
Olie Naturgas Kul og koks Affald, fossilt Biomasse Vindmøller Solenergi Varmepumper
-
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
Primær energiforsyning, PJ
Olie Naturgas Kul og koks Affald, fossilt Biomasse Vindmøller Solenergi Varmepumper
• Resultater:
• Omkostningseffektiv energiforsyning
• God effekt på betalingsbalancen
• Job og nye virksomheder
• Høj selvforsyningsgrad – ind til videre
4
Resultatet af 40 års energiplanlægning i Danmark
-50
0
50
100
150
1980
'81
'82
'83
'84
'85
'86
'87
'88
'89
'90
'91
'92
'93
'94
'95
'96
'97
'98
'99
'00
'01
'02
'03
'04
'05
'06
'07
'08
'09
'10
'11
'12
Energiimport/eksport og betalingsbalancen, Mia. DKK
Olie Naturgas
Kul El
Biomasse Eksport af energiteknologi og -udstyr
Balance of payment
Energi import
Energi eksport
En ny strategi for København skal bruge
kendt teknologi og være med til at udvikle
systemløsninger, der kan bruges globalt.

3. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
3
5
Biomasse
Solceller
Vindmøller
33 + 150 + 1040 PJ ~200 PJ 23 PJ >20 PJ >20 PJ
Geotermi
Udvalgte danske VE Potentialer
Nuværende Primærenergiforbrug
Solvarme
(sources: EnergyPLAN cost database)
Kul Gas Træpiller Landvind Offshore vind Husstands-
solceller
Markanlæg -
solceller
21 øre/kWh
Hvad koster el i fremtiden?

4. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
4
Hvordan kan en kommune være CO2-neutral?
Trans-
port
Varme
El
Fossilt
Vedvarende
energi
Kommunestrategi med eksport
Fossilt
Vedvarende
energi
Offset
CO2/fossilt
brændsel
I dag
Typisk Energiforbrug
Overgang til CO2-
neutralitet
El eksport
Problemer på nationalt plan med
vindintegration
=
Eksempel med 360 MW vind –
Københavns Kommune
+ CO2
udledninger
En ny strategi for København skal være en model i globalthvor
man medvirker til løsninger mht. 1) producere mere VE lokalt og 2)
kan integrere langt mere VE lokalt?
El
eksport
El
eksport
Der bruges
stadig olie mv.
Hvordan kan en kommune være CO2-neutral?

5. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
5
9
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1980 1990 2000 2005 2010 2015 2016 2017
Træpiller - Import Brænde - import Skovflis - Import
Affald, bionedbrydeligt - Import Bioethanol - Import Biodiesel - Import
Træpiller Brænde Skovflis
Affald, bionedbrydeligt Halm Træaffald
Biodiesel Bioolie Biogas
Sum - import
Biomasseforbrug i Danmark - Kraftvarme og kedler
B I O M A S S E P O T E N T I A L E T
O P T I M I S T E N : C A . 3 0 0 P J
P E S S I M I S T E N : 1 6 5 P J
R E A L I S T E N : 2 0 0 P J
3 0 G J B I O P R . C A P I T A E R
H Ø J T G L O B A L T
7 5 P J
I M P O R T
En ny strategi for
København skal være en
model i globalt hvor man
reducere biomasse i el og
varme og bruger grønne
gasser til at balancere
elsystemet hurtigt og
fleksibelt med.
• Biomasse udover de residuale ressourcer kan have en
klimaeffekt.
• Alle opgørelser viser Danmark har flere ressourcer en
gennemsnittet!
• Den danske energimodel vedr. biomasse som den ser
ud pt. skal forblive en dansk model.
10
Udfordringer ved biomasseforbrug i
Danmark og globalt
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
IDA's Energy
Vision 2050
CEESA 2050 Elbertsen et al.
(2012)
Gylling et al.
(2012)
L. Hamelin et al.
(2019)
BioBoost Smart Energy
Europe
PRIMES / -
1.5TECH
PRIMES - 1.5LIFE PRIMES -
1.5LIFE-LB
JRC-EU-TIMES
Model
Denmark EU27 (not including Croatia) and
Switzerland
EU28 EU28 + Iceland,
Norway,
Switzerland, and
Western Balkan
Countries
[GJ/cap]
Publication and geography
Bioenergy potentials per capita projected in different publications and
current bioenergy consumption
Bioenergy potential per capita (GJ/cap) Current consumption in Denmark (2018)
Biomasseforbrug
pr. person
I dag i DK (175 PJ) 30 GJ/capita
Seneste forskning for EU (8500 PJ) 17 GJ/capita
EU 2050 scenarioer (A Clean Planet for all) 15-21 GJ/capita
IDA 100% VE i 2050 (200 PJ – Dansk andel) 30 GJ/capita
Energistyrelsens scenarioer fra 2014 35-45 GJ/capita

6. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
6
Nøgle biomasseteknologier i vedvarende
energisystemer
• Knap ressource – skal anvendes effektivt
• Højeste værdiskabelse vinder: Produkter, kemi, lægemidler,
energiformål sidst i køen
• Biogas og forgasset biomasse bruges i industrien og fleksibelt
kraft/varme (hovedsageligt uopgraderet)
• Elbaserede transport biobrændsler (Electrofuels)
• Undgå ren varmeproduktion eller baseload – udnyt til
kraftvarme
• Tænk affald og biomasse sammen
• En del ud som gas
• Andet til materialer
• Andet til forbrænding.
• Tænk affaldsforbrænding sammen
med geotermi med varmepumper 11
Mathiesen, B. V., Lund, R. S., Connolly, D., Ridjan, I., & Nielsen,
S. (2015). Copenhagen Energy Vision: A sustainable vision for
bringing a Capital to 100% renewable energy. Department of
Development and Planning, Aalborg University.
Smart Energy Systems
Download rapport:
www.EnergyPLAN.eu/IDA

7. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
7
Energilagring
Pump Hydro Storage
175 €/kWh
(Source: Electricity Energy Storage
Technology Options: A White
Paper Primer on Applications,
Costs, and Benefits. Electric Power
Research Institute, 2010)
Natural Gas Underground Storage
0.05 €/kWh
(Source: Current State Of and Issues
Concerning Underground Natural
Gas Storage. Federal Energy
Regulatory Commission, 2004)
Oil Tank
0.02 €/kWh
(Source: Dahl KH, Oil
tanking Copenhagen A/S,
2013: Oil Storage Tank.
2013)
Thermal Storage
1-4 €/kWh
(Source: Danish Technology
Catalogue, 2012)
Varmelagre 6200 m3 Thermal
Storage
2500 €/MWh
(Skagen: 6200 m3
for 5.4 mio. DKK)
0.16 m3 Thermal
Storage
300.000 €/MWh
(Private house: 160 liter
for 15000 DKK)
200,000 m3 Thermal
Storage
500 €/MWh
(Vojens: 200,000 m3
for 30 mio. DKK)
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
160 liter 4 m3 6200 m3 200.000 m3
Price(€/MWh)
Thermal storage: Price and Size
4 m3 Thermal Storage
40,000 €/MWh
(Private outdoor: 4000 m3
for 50,000 DKK)
Hvilke strategier kan København bruge, så kollektive
lagringssystemer kan bruges i højere grad?

8. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
8
Tre fokusområder i bygninger
Nye energikilder
- nye lagrings
muligheder
Bygningers
energimæssige
ydeevne
Bygningsdrift
og brugeradfærd
Download rapport:
www.EnergyPLAN.eu/buildings
Hvad er en
”smart”
bygning?
• Byggeriets varmeforbrug skal reduceres med ~40%
• Kvantitativt: Hvis ikke, så øges presset på økonomi,
biomasse og vind (+ 58 PJ og 2 mia.kr./året)
• Kvalitativt: Hvis ikke, skabes der barrierer for lavtemperatur-
fjernvarme og varmepumper (samt integration med
fjernkøling)
• Der er brug for fokus på drifts-fasen og Smart Meters
kan hjælpe med at nedbringe el og varme forbruget +
med at fremme lav-temperatur opvarmning
• IKKE behov for hustandsbatterier. Det er ikke ”Smart” at
flytte forbruget i boligen. Det gøres billigere og bedre i
fællesskab.
Nye energikilder
- nye lagrings
muligheder
Bygningers
energimæssige
ydeevne
Bygningsdrift
og brugeradfærd

9. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
9
Hvordan skal
bygningerne
opvarmes i
2050?
• Mere fjernvarme og flere varmepumper!
– i kombination med besparelser
IDA 2050: F.eks Solvarme i fjernvarmen 2,3 TWh (6%) og
Geotermi 4,6 TWh (12%). VP, Biomasse og Solvarme i ind.
bygninger 2,2 TWh (15%)
Gassystemet
• Udfasning af Naturgas (fra nu 37 TWh/år)
• Varmebesparelser, konvertering til fjernvarme, grønne gasser
• Barrierer: Aktører, gæld og vedligehold, samfundsøkonomiske
beregningsforudsætninger – Aftalemodel?
• Vi har behov for gasnet i fremtiden, men udfordringen er
kompleks (mere kompleks end branchen hævder)
• biogas og forgasset biomasse bruges i industrien og fleksibelt
kraft/varme (hovedsageligt direkte)
• Brint, CO2, syntese gas til elektrofuels samt lagring
• Nye gassystemer og mere viden er nødvendig.

10. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
10
Vi skal bruge
langt mere
(vind)el i
fremtiden!
Download rapporter:
www.energyplan.eu/IDA
www.energyplan.eu/PV
El fra vindmøller skal
prioriteres og suppleres af
solceller og kraftværker
Transport, vedvarende energi og biomasse
Vækst i transporten i fremtiden (men lavere vækst end hidtil)
Omlægning til kollektiv transport og direkte el
Indirekte el i elbiler
Electrofuels (gas og flydende) til den tunge transport
Matematikken og fysikken giver at biodiesel, bioethanol og biogas kan kun
dække nichebehov i transporten
MET HANO L
DME
ELLER
MET HAN?

11. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
11
Vi skal bruge langt mere el
– nye forbrug er fleksible
Nye kapaciteter på forbrugssiden

12. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
12
Omkostninger for det
samlede system?
-5
0
5
10
15
20
25
30
Middel Lav Middel Høj Lav Middel Høj Lav Middel Høj
2015 ENS 2050 Fossil ENS 2050 Vind IDA 2050
Samfundsøkonomiskeomkostninger(Milliarder€/år)
Investeringer D&V Brændsler Eludveksling CO₂
…. det innovative systemdesign er
afgørende for de samlede
omkostninger…
… 100% VE kan lade sig gøre med
lave/samme omkostninger som nu
… det haster og finde balancen
mellem teknologiinvesteringerne i
det integrerede energisystem af
hensyn til de samlede
omkostninger
Elektrolyse Hydrogenering
Carbon or
N2 source
Kemisk
synthese
H 2H 2
Trin 1
Gas fra biogas,
punktki lde r,
gasificering af
biomasse, CO2–fangst,
kvælstof-fangst
H 2 OH 2 O
Methanol/DME/
Methan/Ammoni ak
Trin 2
Brint fra e lektrol yse
(al kalisk, PEM, SOEC)
Trin 3
Anvendel se
• Enkelte teknologier er helt
modne, andre er ikke
(TRL – levels)
• Sammensætning af komplekse
anlæg og opskalering er
nødvendig
• Alle muligheder skal testes

13. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
13
Teknologi Estimat på merinvesteringer frem
mod 2050 i et ud af mange 100% VE
scenarioer i milliarder kroner
1 Boligrenovering 220
2 Vindmøller 210
3 Individuelle varmepumper 110
4 Fjernvarmeudvidelse 41
5 Electrofuel produktion 33
6 Solceller 20
7 Individuel solvarme 20
8 Biogas anlæg 20
9 Ladestationer 16
10 Store varmepumper i fjernvarmen 15
Top 10 investeringer mod 100%
vedvarende energi i 2050
To typer af nye job
• Vækst og eksportjob
• Finansiering af udvikling ved forventning om eksport
• Traditionelt i fokus
• Job ved omstilling med kendt teknologi
• Finansieres ved omstilling til et mindre brændselsforbrug
• Burde være mere i fokus i 2025 planer

14. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
14
Beskæftigelseseffekter i
en vej mod 100% VE
• De ekstra job i forhold til referencen er i størrelsesordenen 50.000 stk. i
perioden frem til 2050 i IDA
• Der mistes job til håndtering af fossile brændsler
• Der skabes job ved investeringer i vedvarende energianlæg, i byggeri og i
håndteringen af biomasse
• Antallet af job på kort sigt afhænger af, hvornår omlægningen sættes i gang
• På lang sigt, når der er omlagt til et 100% vedvarende energisystem, falder
ekstrabeskæftigelsen marginalt.
• Beskæftigelse som følge af eksport kommer oveni:
- I alt ca. 200.000 job (ved 50% importandel i CEESA)
V Æ S E N T - L I G E
U S I K K E R -
H E D E R M E D
D E N N E T Y P E
O P G Ø R E L S E R
Teknologiudvikling og politikeksempler
Teknologi Samfundsøkonomi Privatøkonomi Udfordring
Landvindmøller God Usikkerhed for investor ”Energy only” elmarkedet undersøtter
ikke langsigtede investeringer. Måske
kan PPA – men vi ved det ikke.
Aktørerne i markedet er ”risk-adverce”
og opfører sig ikke økonomisk rationel.
Offshore vindmøller Godt potentiale Usikkerhed for investor
Solceller Godt potentiale på
industritage/marker
Usikkerhed for investorer. Store
tage udnyttes ikke.
Kraft-, kraftvarmeværker God Meget dårlig
Elbiler God God, men langsigtet Kørselsafgift ville fremme elbiler
Boligrenovering God God, men langsigtet Borgerne handler ikke som modellerne
siger og er ikke økonomisk rationelle
Electrofuels God (i forhold til andre VE
løsninger)
Usikker, meget usikker Brændsler til tung transport kommer
ikke selv, selv om nogle teknologierne er
modne.
….. og mange flere….. …. Med god samfundsøkonomi… Og dårlig privatøkonomi eller
tekniske forhindringer
Utalige – lige nu er der mange
teknologier under stop-go regimet

15. Brian Vad Mathiesen, Twitter @brianvad 04-02-2020
15
Hvordan teknisk kan vi komme ned på 21 mio ton CO2-eq?
Alle energi og miljøudledninger kan ikke fjernes – derfor må der være en
byrdefordeling på sektorer
- 25% i transporten
- 50% i landbruget
- Resten i energikonvertering
- 90% i energisektoren (el, fjv, varme)
- 30-40% i industrien
- 95% i husholdninger/service
- Rest i 2030: 2,5 mt – mere i landbrug, industri eller transport
- Teknisk har vi løsningerne, men der er tekniske faldgrupper
- Mangelende besparelser
- Biomasse
- Supply chain effects (fuld elektrificering er dyrt – uden besparelser og fjernvarme)
- VE-gas skal bruges de rigtige steder
- Størrelsen på solcelleanlæg betyder noget for prisen
- Placeringen af de mange nye VE-anlæg og elektrolyse, store varmepumper mv. betyder noget for
prisen (Energinets rolle skal gentænkes)
- Lagring er billigst stort og i varmt vand, gas eller flydende brændsler (undgå batterier – særligt i
hustande)
Hvor skal vi i gang nu mht. 2030 målet?
• Kortlægning:
• Undersøge alle udledninger – kortlæg alt
• Kortlæg mulige indsatsområder til overopfyldelse
• Lave handlingsplaner hvor meget er realiserbart på kort sigt:
• Besparelser, transport, Industri, landbrug, fjernvarme udbredelse, elektrificering (sørge for en koordineret indsats – eks.
Besperelser, overskudsvarme, fjernvarme ell. Transport i tog, cykler, biler)
• De langsigtede udfordringer kræver demo og særlige markeder: brændsler til lastbiler, skibe og fly samt lagring
• Plan for lokalt ejerskab og borgerinddragelser i VE anlæg, besparelser og nye konverteringsanlæg
• Plan for forsyningerne (hvile-i-sig selv forbliver, opstramning af indtægtsrammeregulering, så der er mere ”tillid”)
• Skattepolitisk idekatalog (internt) og plan for reduktioner i indtægter på afgiftssiden. Det med at beskatte det vi ikke vil
have går ikke på lang sigt. Det gør undtagelser heller ikke. Vi skal bruge markdet
• Plan for markedsredesign.
• Integreret tilgang til VE-planlægning fremover:
i. Landskabs- og arealhensyn…optimal arealudnyttelse
ii. Borgere og lokalsamfund…minimér gener, maksimér fordele
iii. Smart kobling mellem energisektorer...VE-el til varme og transport…gennem integreret ejerskab
iv. Ændret rolle for Energinet (formålsparagraf) En ny strategi for
København skal bidrage til
det nationale mål