Klimatsmart och energieffektivt byggande Leif Gustavsson, Mittuniversitetet

1. Klimatsmart och energieffektivt byggandeLeif Gustavsson, Mittuniversitetet Norrlands Fastighetsdagar i Östersund 3-4 mars 2010 Clarion Hotel Grand, Östersund

2. Världens primärenergianvändning 2006 (≈ 490 Exajoul) • Olja 34% • Kol 26% • Gas 21% Totalt fossilt 81% • Bioenergi 10% • Kärnkraft 6% • Övrigt 3% Exa = 1018 Källa: International Energy Agency. Key World Energy Statistics 2008.

3. Hur bygger vi klimateffektiva byggnader i ett livscykelperspektiv?

4. Primärenergibalans - analyserna omfattar • Primärenergianvändning för att producera byggnader • Primärenergianvändning för att bruka byggnader • Primärenergianvändning för att riva byggnader • Nettoenergiinnehåll i trärester från produktion och rivning av byggnader

5. CO2-balans - analyserna omfattar • Fossila koldioxidutsläpp över bränslecykel • CO2 balansen för cementreaktioner • Kolcykeln för träprodukter inklusive skogsbruk • Substitution av fossila bränslen med restprodukter i trä från produktion och rivning av byggnader

6. Elsystemet • Elproduktion i ett Europaperspektiv har ofta kolkondens som ”marginalel” (fossil kondensproduktion ≈ 45%; kärnkraft ≈ 30%) • Förändrad elanvändning leder då till kraftigt förändrade koldioxidutsläpp • Omfattande planerad utbyggnad av fossil kondenskraft i EU • Stort överskott av spillvärme (i Sverige är överskottet ca 2 gånger större än leveranserna av fjärrvärme)

7. Malm Skog Utvinning Bearbetning Rest-produkter Energi-tillförsel Byggande Byggnad Material flöden Bränsle-/energiflöden Materialflöden exempel: från naturresurs till byggnad

8. Koldioxidbalanser vid produktion av byggnader • Fossila koldioxidutsläpp från primärenergianvändning vid produktion och transport av byggmaterial samt för att uppföra byggnader • Substitution av fossilt bränsle med restprodukter från skogsavverkning, träbearbetning och rivning • Koldioxidbalanser för cementreaktioner (kalcinering och karbonatisering) • Kollagring i träprodukter

9. Exempel: Koldioxidbalanser vid produktion av ett fyra-våningshus med 16 lägenheter och 1190 m2 boyta Referensbyggnad med betongstomme Uppförd byggnad med trästomme Hypotetisk byggnad med identisk storlek och funktion

10. Många olika byggnadsmaterialatt beakta

11. Primärenergianvändning i produktionsfas

12. Restprodukter i trä Slutavverkning Träbearbetarbetning Rivning Byggande

13. Primärenergianvändning i produktionsfas och energiinnehåll i trärester inklusive rivningsvirke

14. Kolbalans vid produktion av byggnader med betong- och trästomme över en 100 års livscykel Kol är referensbränsle Källa: Gustavsson et al. 2006

15. Minskade nettoutsläpp av CO2 om huset byggs med trästommar i stället för betongstommar Kol eller fossil gas är referensbränsle

16. Slutsatser – Primärenergianvändning och koldioxidbalans • Lägre primärenergianvändning för att producera träbyggnaden • Lägre koldioxidemissioner för att producera träbyggnaden • Utnyttja trärestprodukter för att ersätta fossila bränslen • Små nettoförändringar av kollager över livscykeln

17. Koldioxidbalanser vid byggnation är ett komplext område att analysera - Hur stora är osäkerheterna? • Referensbyggnad kan vara svår att välja och definiera • Energitillförselsystemen kan variera • Få uppskattningar baserat på få byggnader • Behovet av byggnadsmaterial varierar med byggnadsutformning och valda konstruktionslösningar • Produktionssystemen för byggmaterial varierar i tid och rum • Transportavstånd varierar

18. Skillnad mellan betong- och trähus (t C) Kol är referensbränsle Variation i koldioxidutsläpp för olika parametrar Parameter Base → Variation 0. Base case 1. Cement clinker dry process → wet process 2. Cement content Portland cement → blended cement 3. Concrete aggregate crushed stone → natural gravel 4. Concrete carbonation 8% → 2% 5. Concrete carbonation 8% → 32% 6. Steel material recycled → ore-based steel 7. Wood drying batch kiln → continuous kiln 8. Material transport short → longer distance 9a. Best case for concrete-frame building 9b. Worst case for concrete-frame building

19. Slutsats - osäkerheter • Känslighetsanalyser visar att trähuset har lägre primärenergianvändning och lägre koldioxidutsläpp än betonghuset över ett brett spektrum av parametervariationer

20. Produktion av byggnader - Kostnad för energi och koldioxidutsläpp • Kostnaden för energin för materialproduktion är 1-2% av byggkostnaden • Utan ekonomiska styrmedel är det inte lönsamt att ta tillvara biomasserester för att ersätta fossila bränslen • Konkurrenskraften för träbyggande ökar vid ökade koldioxidavgifter • Sociala kostnader för koldioxidutsläpp enligt Stern-rapporten är högre än dagens industriella avgifter (skatter) • Sathre, R. and Gustavsson, L. 2007. Effects of energy and carbon taxes on building material competitiveness. Energy and Buildings, 39(4): 488-494. • Sathre, R. and Gustavsson, L. 2009. Process-based analysis of added value in forest product industries. Forest Policy and Economics 11(1): 65-75

21. Skog är en begränsad resurs men träbyggande kväver förhållandevis lite virke 20 tusen lägenheter i trähus kräver 0,18 miljoner skogskubikmeter mer stamved än betonghus (≈ 0,2% av svensk tillväxt*) 1 miljon lägenheter i trähus kräver 9,2 miljoner skogskubikmeter mer stamved än betonghus (≈ 1,3% av europeisk tillväxt*) * Net Annual Increment on forest available for wood supply UNECE/FAO Temperate and Boreal Forest Resources Assessment, 2000

22. Minskad oljeanvändning och minskade CO2-utsläpp med 1 GJ skogsbiomassa Bioel ersätter kolel Etanol ersätter diesel Metanol/DME ersätter diesel Syntetisk diesel ersätter diesel 1.2 Metanol via BLG ersätter diesel Biomass panna ersätter stor oljepanna 1.0 0.8 0.6 Minskad oljeanvändning, GJ 0.4 Trä- ersätter betongstomme 0.2 Biokraftvärme ersätter elvärme 0.0 El via BLG ersätter fossil el -0.2 0 50 100 150 200 250 Minskade CO2-utsläpp, kg Joelsson, J. M. and L. Gustavsson (2009). Reduction of CO2 emission and oil dependency with biomass-based polygeneration. Manuskript.

23. Minskad oljeanvändning och minskade CO2-utsläpp med 1 GJ skogsbiomassa - Laddhybridbilar med bioel Ethanol Methanol/DME Synthetic diesel Electricity only Plug-in hybrids 1.5 Plug-in hybrids with bioelectricity replace hybrid cars η=47% η=40% Biomass boiler replaces large oil boiler 1.0 Methanol through BLG replaces diesel Oil use avoided, GJ 0.5 Wood replaces concrete in constructions Biomass CHP replaces electric heating 0.0 Electricity through BLG replaces fossil electricity 0 50 100 150 200 250 CO2 avoided, kg Source: Joelsson and Gustavsson, 2009

24. Primärenergianvändning och koldioxidutsläpp över några byggnaders produktionsfas och brukarfas

25. Studerade byggnader – U-värden U-värden i konstruktionsdelarna i de studerade byggnaderna

26. Primärenergianvändning för att producera husen och för byggnadsuppvärmning under 50 år RH =Resistance heatingHP = Heat pumpDH= District heating CST = Coal-fired steam turbine BIG/CC = Biomass-fired integrated gasification combined cycle Källa: Gustavsson and Joelsson 2008

27. CO2-balans vid produktion och uppvärmning av husen under 50 år med olika uppvärmningssystem Källa: Gustavsson and Joelsson 2008

28. Primärenergi- och koldioxidbalans över livscykeln för ett flerbostadshus • Åttavånings flerbostadshus med trästomme • Byggt i Växjö 2009 • 3374 m2 uppvärmd golvyta • 33 lägenheter

29. Vår analys omfattar • Produktionsfasen • Utvinning, förädling och transport av material • Utvinning av energi från restprodukter av biomassa • Uppförande av byggnaden • Brukarfasen • Uppvärmning och ventilation • Hushållsel och driftel • Hushållens varmvatten • Rivningsfasen • Rivning • Utvinning av energi från trämaterial Vi tar hänsyn till hela energi- och materialkedjor; från naturresurs till levererad service

30. Energianvändning på byggarbetsplatsen Materialproduktion (biobränsleförbrukning) Materialproduktion (elanvändning) Materialproduktion (förbrukning av fossilt bränsle) Rester från skogsavverkning Rester från förädling av skogsråvara Rester från byggarbetsplatsen Produktionsfasen (energi) Använd primärenergi under produktionen (973 kWh/m2) Tillgänglig energi från rester av biomassa (netto) (1182 kWh/m2)

31. Produktionsfasen (koldioxid) Utsläpp vid produktion av byggnaden Utsläpp som undviks genom användning av biobränsle Utsläpp från cementreaktioner är inkluderade. Förändringar i byggnadens och skogens kollager är inte inkluderade.

32. Elvärme Värmepump Fjärrvärme Primärenergianvändning (kWh/m2) för att bruka byggnaden under 50 år CST = Kolbaserad energitillförsel (ångturbinteknik) BST = Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

33. Elvärme Värmepump Fjärrvärme CO2-emissioner (kg CO2/m2) när byggnaden brukas under 50 år CST = Kolbaserad energitillförsel (ångturbinteknik) BST = Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

34. Fossil bränsleåtgång för rivning samt utvinning av biobränsle Substitution av fossilt bränsle med rivningsvirke Rivningsfasen (energi och koldioxid) Primärenergianvändning (kWh/m2) Nettoutsläpp av CO2 (kg CO2/m2)

35. Primärenergibalans (kWh/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år (exklusive varmvatten, fastighetsel och hushållsel) Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

36. Primärenergibalans (kWh/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

37. CO2-balans (kg CO2/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år (exklusive varmvatten, fastighetsel och hushållsel) Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

38. CO2-balans (kg CO2/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

39. Hur kan vi bygga klimatsmart och energieffektivt? • Energi- och materialeffektiva system från naturresurs till levererad samhällsservice • Energisnåla byggnader i brukarskedet • Energieffektiva energitillförselsystem • Ökad användning av förnybara resurser • Skog viktig men begränsad resurs

40. Referenser Dodoo, A., Gustavsson, L. and Sathre, R. 2009 Carbon implications of end-of-life management of building materials. Resources, Conservation and Recycling 53(5):275-286. Eriksson, E., Gillespie, A., Gustavsson, L., Langvall, O., Olsson, M., Sathre, R. and Stendahl, J. 2007. Integrated carbon analysis of forest management practices and wood substitution. Canadian Journal of Forest Research, 37(3): 671-681. Gustavsson, L., Pingoud, K. and Sathre, R. 2006. Carbon dioxide balance of wood substitution: comparing concrete- and wood-framed buildings. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 11(3): 667-691. Gustavsson, L. and Sathre, R. 2006. Variability in energy and carbon dioxide balances of wood and concrete building materials. Building and Environment, 41(7): 940-951. Gustavsson, L. and Joelsson, A. 2009. Life cycle primary energy analysis of residential buildings. Energy and Buildings42:210-220 Gustavsson, L. Joelsson, A. and Sathre, R. 2009. Life cycle primary energy use and carbon emission of an eight-storey wood-framed apartment building. Energy and Buildings 42:230-242

41. Frågor?

42. 0 100 200 300 years Reduktion av koldioxidemissioner per ha skogsmark - lågt utfall • Traditionell skogsskötsel • Stamved ersätter fossil gas i stationära anläggningar Källa: Eriksson et al. 2007.

43. 0 100 200 300 years Reduktion av koldioxidemissioner per ha skogsmark - högt utfall • Trähus ersätter betonghus • Biobränsle ersätter fossilt kol i stationära anläggningar • Intensiv skogskötsel • Stam-, GROT- och stubbuttag Källa: Eriksson et al. 2007.

44. Årlig genomsnittlig reduktion av koldioxidutsläpp per ha skogsmark vid normal och hög skogsproduktion Kol är referensbränsle

45. Träbyggande ger högt förädlingsvärde per hektar skogsmark Scenario Grot§ Massaved Timmer Low Pellets Avsalumassa Sågat virke * Medium Etanol Tidningspapper Hyvlat sågat virke * High Metanol Journalpapper (LWC) Limträbalk och hyvlat sågat virke * * Biprodukter värderas som biobränsle (flis) § Grot är grenar och toppar

46. Slutsatser • Trä istället för betong ger stor CO2-minskning per hektar skogsmark • Uttag av grenar och toppar minskar kolinlagringen i marken, men substitutionseffekter är ≈ 10 gånger större då fossilt kol ersätts • Ökad skogstillväxt ökar potentialen för biomasseuttag • Ökad tillväxt ger ökad kolinlagring i marken • Träbyggande ger högt förädlingsvärdeper hektar skogsmark

47. District heating Heat pump Resistnce heating Primärenergibalans (kWh/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år (exklusive varmvatten, fastighetsel och hushållsel) CST = Kolbaserad energitillförsel (ångturbinteknik) BST = Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

48. Resistance heating District heating Heat pump Primärenergibalans (kWh/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år CST = Kolbaserad energitillförsel (ångturbinteknik) BST = Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

49. District heating Resistance heating Heat pump CO2-balans (kg CO2/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år (exklusive varmvatten, fastighetsel och hushållsel) CST = Kolbaserad energitillförsel (ångturbinteknik) BST = Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)

50. Resistance heating Heat pump District heating CO2-balans (kg CO2/m2) över byggnadens livscykel med en brukartid om 50 år CST = Kolbaserad energitillförsel (ångturbinteknik) BST = Biobaserad energitillförsel (ångturbinteknik)