Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Träkol är ett av de viktigaste bränslena för Kenya och Etiopien då det möjliggör matlagning för en majoritet av befolkningen i båda länderna. Förbränning av träkol leder till mindre rök och partiklar, vilket gör det mer lämpligt än ved för användning inomhus och i tätbebyggda områden. Dessutom har träkol högre energidensitet än ved och kan vara en koldioxidneutral produkt om tillverkning sker på rätt sätt. Dock kan olaglig avverkning av naturskog leda till problem för träkolet ur ett hållbarhetsperspektiv. Därför har en livscykelanalys (LCA) och en energi- och massflödesanalys gjorts för att undersöka och förstå träkolets energi- och miljörelaterade problem och möjligheter.

Rapporten undersöker klimatpåverkan, markanvändning och utsläpp av försurande ämnen för att laga en måltid för fem personer, med träkol från olika system. Träkol produceras genom pyrolys av biomassa. Massan avverkas antingen från naturskog utan återplantering eller från plantage med återplantering. LCA:n undersöker miljöpåverkan från fyra olika pyrolysugnar; traditionell kolmila, Casamancemila, Green Mad Retort (GMDR) tegelugn och en Monitoring, Reporting and Verification (MRV) stålugn. Respektive pyrolysmetod analyseras både med och utan brikettproduktion, som utnyttjar träkolsdamm tillsammans med jord för att skapa briketter.

Resultatet visar att den viktigaste klimatmässiga faktorn för träkol är skogsbruk med återplantering. Resultaten tyder på att miljöpåverkan per måltid minskar proportionellt mot en ökad skörd på plantagen och att utsläppen av koldioxidekvivalenter (CO2ekv) per måltid minskar proportionellt med andel återväxt av naturskog. Utnyttjandet av träkolsdammet för att producera briketter resulterade i en sänkning inom alla miljöpåverkanskategorier hos respektive pyrolysmetod som korrelerar med andelen träkolsdamm som bildas. Ytterligare syns en trend att bättre utvecklade pyrolystekniker ger både lägre utsläpp och kan producera mer träkol per mängd biomassa. MRV-stålugnar resulterade i lägst miljöpåverkan inom alla kategorier och kan därför anses vara det bästa alternativet för träkolsproduktion ur ett miljöperspektiv. En känslighetsanalys tyder på att antalet gånger som pyrolysugnarna och matlagningsutrustningen används har en minimal påverkan för miljöpåverkan per måltid på grund av den relativt lilla mängden träkol som används per måltid jämfört med träkolet som utrustningen hanterar under sin livstid. Vidare enligt resultaten påverkar transportsträckan både utsläppen av försurande ämnen och växthusgaser proportionellt mot sträckan men har inte märkbar påverkan på markanvändningen per måltid.

Energi- och massflödesanalysen redogör energiåtgången och energiinnehållet för träkolet vilket visar att verkningsgraden för överföringen av energi i biomassa till energin som används under matlagning för en kolmila, Casamancemila, GMDR-tegelugn respektive MRV-stålugn är 32%, 44%, 46% respektive 53%. Vid dessa verkningsgrader producerar respektive ugn tillräckligt mycket träkol för 71, 98, 101 respektive 118 måltider per 100 kg biomassa. MRV-stålugnar kan anses därför vara det bästa alternativet för träkolsproduktion ur ett energiperspektiv. MRV-stålugnen visar störst potential för produktion och vidareanvändning av tjära och rökgaser.

Charcoal is one of Kenya and Ethiopia’s most important fuels, as it enables cooking for a majority of their populations. Burning charcoal produces less smoke and particulate matter than wood, making it more suitable for use indoors and densely populated areas. Charcoal also has a higher energy density than wood and can be a carbon-neutral product if manufactured properly. However, illegal logging of natural forests can lead to sustainability problems for charcoal. A life cycle assessment (LCA) and an energy and mass flow analysis has therefore been carried out to investigate and understand the energy and environmental problems and opportunities that charcoal presents.

This report examines the climate impact, land use and acidification of producing a meal for five people cooked with charcoal from different systems. Charcoal is produced via pyrolysis of biomass which can be harvested either from natural forest where there is no replanting, or from plantations where replanting takes place after each harvest. The LCA examines the environmental impact from four different pyrolysis kilns; a traditional Earth mound kiln, a Casamance, a Green Mad Retort (GMDR) and a Monitoring, Reporting and Verification (MRV) steel kiln. Each method is analyzed; with and without briquette production, where charcoal dust is utilized together with soil.

The results show that the most important climate related factor for charcoal is sustainable forest management. The results indicate that the environmental impact per meal is inversely proportional to the yield from the plantation, and that the emissions of carbon dioxide equivalents (CO2eq) per meal decreases linearly as larger parts of natural forests regrow. The utilization of charcoal dust to produce briquettes resulted in a reduction in all environmental impact categories. This reduction is correlated with the proportion of charcoal dust produced in each pyrolysis method. Additionally, the results show trends that better developed pyrolysis techniques do not only produce less emissions but are also more efficient. MRV-steel kilns resulted in the lowest environmental impact in all categories and can therefore be considered the best alternative for charcoal production from an environmental perspective. A sensitivity analysis suggests that the number of times the pyrolysis kilns and cooking equipment are used has a minimal impact on the environmental impact per meal due to the relatively small amount of charcoal used per meal compared to the amount of charcoal that the equipment handles during its lifetime. Furthermore, the results suggest that the transport distance affects both the emissions of acidifying substances and greenhouse gases proportionally to how much the distance changes but has no considerable impact on land use per meal.

An energy and mass flow analysis, accounting for the energy input and energy content of the charcoal, shows that the efficiency of the transfer of energy in biomass to the energy used when cooking is 32%, 44%, 46% and 53% with charcoal produced using an Earth mound kiln, Casamance, GMDR and MRV-steel kiln respectively. At these efficiencies, each kiln produces enough charcoal for 71, 98, 101 and 118 meals per 100 kg of biomass, respectively. MRV-steel kiln can therefore be considered the best option for charcoal production from an energy perspective. The MRV-steel kiln shows the greatest potential for the production and use of tar and flue gases.