Climate impact of drained peat pyrolysis : a consequential LCA for usage of biochar in concrete

In Sweden there is approximately 6.4 million hectares of peatlands, which is about 15 % of the total land area. A significant proportion of peatlands, 2,4 million hectares, is affected by human drainage to promote agriculture and forest production. The drained peatlands in Sweden emits a total of 15-25 million tons of carbon dioxide equivalents (CO2eq), which is in line with emissions from all domestic traffic, 14.5 million tons of CO2eq, and one third of Sweden’s reported emissions in 2014, a total of 54.4 million tons CO2eq. The purpose of this study was calculating the climate impact of pyrolysis of drained peat with the use biochar in concrete. There the pyrolysis would start 2021 in Brista in a planned slow pyrolysis plant. The biochar was first used to adsorb CO2 flue gas from combustion plants and thereafter three different uses of biochar was studied. The first one biochar substitute sand and smaller quantities of cement in concrete, the second one to substitute aggregate and smaller quantities of cement, and the last is to substitute only cement in smaller quantities. Smaller quantities in cement means that biochar substitute 0.1 % of the weight of the concrete. Life cycle assessment were used as the method to calculate the climate impact. The result in this study is that drained peat can lead to a climate benefit and reduce global warming in a 100-year perspective. This happens when biochar adsorbs CO2 from combustion gas and substitutes cement in smaller quantities. Biochar that is used to substitute aggregate and cement can lead to climate reductions, only when the peat was pyrolyzed from nutritious peatlands without forest and after-treated with afforestation with growth measures. The climate benefit is -34.7-(-22,6) kg CO2eq/MWhheat. Treating drained peatlands without forests to wetlands provide a climate benefit with -111.8-(- 82.9) kg CO2eq/MWhheat and -137.6-(-125.5) kg CO2eq/MWhheat for nutrient-poor respectively nutritious peatlands. The total climate benefit biochar has is -661,9 kg CO2eq/tonne dry peat when biochar substitutes cement, -225,6 kg CO2eq/tonne dry peat when biochar substitutes aggregate and cement, and -203,7 kg CO2eq/tonne dry peat when biochar substitutes sand and cement. More studies need to be researched in the subject of peat biochar and its uses in concrete. To pyrolyze peat from peatland Vännmuren can provide climate benefits in a 100-year perspective only if the peatland is after-treated with afforestation with growth measures, and biochar is used to replace cement in smaller quantities. The climate benefit is -109.3-(-59.2) kg CO2eq/MWhheat.I Sverige finns ca 6,4 miljoner hektar av torvmark, vilket är ungefär 15 % av landytan. En betydande andel av denna mark, 2,4 miljoner hektar, är påverkad av mänsklig dränering för att främja jordbruk- och skogsproduktion. En vanlig orörd torvmark växer generellt årligen då tillväxten är större än nedbrytningen. När torvmarken dikas avrinner mer vatten och leder till att mer syre tillförs djupare ner i marken, vilket gynnar rotsystemet. Detta leder till lägre torvtillväxt då tillväxten gynnas av syrefattig och våt miljö samt att nedbrytningen av torv ökar då mer syre tillförs. Resultatet är att nedbrytningen är större än tillväxten och att den dränerade torvmarken släpper ut mer växthusgaser till atmosfären. Den dikade torvtäckta marken i Sverige avger totalt 15–25 miljoner ton koldioxidekvivalenter (CO2ekv), vilket är i nivå med utsläppen från all inrikestrafik, 17,4 miljoner ton CO2ekv, och en tredjedel av Sveriges rapporterade utsläpp 2014, totalt på 54,4 miljoner ton CO2ekv. Stockholm Exergi är ett företag som producerar fjärrvärme, fjärrkyla och el till Stockholm. Energin som används kommer från flera olika bränslen och Stockholm Exergi arbetar aktivt med att minska klimatpåverkan i Stockholm. Stockholm Exergi har börjat undersöka hur pyrolysering kan bidra till att minska klimatpåverkan med olika bränslen som avloppsslam, halm, stallgödsel och torv. Det överbegripande syfte med denna studie var att ta fram klimatpåverkan av pyrolysera dränerad torv med användning av biokol i betong. För att undersöka om bränslet torv kan minska klimatpåverkan vid pyrolysering. Användningen av torv skulle börja ske år 2021 i en planerad långsam pyrolysanläggning i Brista. Energiutvinning genom långsam pyrolys producerar värme och ett stabilt biokol. Det stabila biokolet undersöktes att användas i betong på tre olika sätt. Ena är att substituera sand och mindre mängd cement, andra är att substituera grus och mindre mängd cement, och det sista är att endast substituera cement i mindre mängder. I mindre mängder menas att biokolet ersätter cement i 0,1 % av betongens vikt. Innan användningen till betong kan biokolet ge adderad klimatnytta. Den klimatnyttan sker genom att biokol har en porös struktur och hög ytarea som kan användas för att adsorbera CO2 i rökgaser från förbränningsanläggningar. För att beräkna klimatpåverkan användes livscykelanalys som arbetsmetod med två olika tidsperspektiv, en på 20 år och en på 100 år. Livscykelanalysen (LCA) var en konsekvensanalys för att beräkna förändringen som blir med torvutvinning och pyrolysering år 2021. I LCA ingick även att undersöka konsekvensen att behandla dikade torvtäckta marker till våtmark eller beskogning. Konsekvenserna jämförs med ett referensscenario där den dikade marken skulle förbli orörd och fortsätta emittera växthusgaser, som kallas nettoeffekten. En negativ nettoeffekt ger en klimatnytta som minskar utsläppen till atmosfären och positiv nettoeffekt ökar utsläppen till atmosfären. Torvmarken som har undersökts är antingen en näringsrik eller näringsfattig torvmark samt har torvtäkten Vännmuren undersökts. Det är ifrån Vännmuren som styckestorven ska komma ifrån och pyrolyseras i Brista. Den producerade värmen från pyrolysen ersätter en marginalproduktionsmix med bioolja, pellets, skogsflis, avfall, värmepump och direktvärme. Utsläppen från marginalproduktionsmixen ingår i referensscenariot och behandling av torvmarker. I pyrolysering av torv leder utsläpp som ingår i torvutvinningsscenarierna. Torvutvinning av en torvtäckt sker ungefär i 20 år och efter det behandlas marken, antingen med återvätning till våtmark eller beskogning. Återvätning leder till att marken upptar CO2 men läcker ut metangas. Beskogning leder till skogen upptar koldioxid och skapar en lagereffekt. Skogen ger dessutom en substitutionseffekt när avverkad biomassa används till pappersindustri, konstruktion och bioenergi. I fallet av beskogning kommer torv finnas kvar på marken för att behålla näringsämnen till skogstillväxt, exempelvis kväve. Den kvarvarande torven kommer emittera växthusgaser tills all torv är nedbrutet. Resultatet av denna studie är att dränerad torv kan leda till en klimatnytta och minska den globala uppvärmningen i ett 100-årigt tidsperspektiv. Det sker när biokol adsorberar CO2 från förbränningsgas och ersätter cement i mindre mängder. Det fanns endast ett scenario där biokol substituerar grus och cement som ledde till en klimatnytta. Det var när torv pyrolyseras från näringsrik torvmark utan skog och efterbehandlas med beskogning med tillväxtåtgärder. Klimatnyttan är -34,7-(-22,6) kg CO2ekv/MWhvärme. Den största klimatnyttan vid efterbehandling sker när marken beskogas med tillväxtåtgärder, sen kommer beskogning och sist återvätning till våtmark. Dikade torvmarker behöver inte utvinnas av torv utan kan även behandlas. Att behandla dikade torvmarker utan skog med återvätning till våtmark ger en klimatnytta och gynnar samtidigt biodiversitet och bidrar till klimatmålet ”Myllrande våtmarker”. Klimatnyttan är -111,8-(-82,9) kg CO2ekv/MWhvärme och -137,6-(-125,5) kg CO2ekv/MWhvärme för näringsfattig respektive näringsrik torvmark. Det producerade biokolet ger adderad klimatnytta genom att tränga bort andra material i betong som har större miljöpåverkan samt att adsorbera CO2 från förbränningsgas. Totala klimatnyttan för biokolet är -661,9 kg CO2ekv/ton TS torv när biokol substituerar cement, -225,6 kg CO2ekv/ton TS torv när biokol substituerar grus och cement och -203,7 kg CO2ekv/ton TS torv när biokol substituerar sand och cement. Biokol i betong behöver forskas mer noggrant för att säkerställa klimatnyttan. Biokolet har större potential att göra klimatnytta i betong med mindre inbladning av fyllnadsmaterial som grus och sand, ner till 1 % av betongens vikt. Den större potentialen kommer ifrån att biokol förbättrar isoleringen och bidrar till energieffektivisering i byggnader. Detta är inte något som har undersöks i denna studie men skulle kunna leda till ytterligare klimatminskningar. Att pyrolysera styckestorv från Vännmuren kan ge klimatnytta i ett 100-årigt tidsperspektiv om torvtäkten beskogas med tillväxtåtgärder och biokol adsorberar koldioxid och sedan ersätter cement i mindre mängder. Klimatnyttan är -109,3-(-59,2) kg CO2ekv/MWhvärme. Att använda biokolet till att ersätta grus och cement eller sand och cement ger inte en tillräcklig stor klimatnytta för att få en negativ nettoeffekt på Vännmuren. Inte heller andra efterbehandlingsmetoder som beskogning eller återvätning