Assessments of the future role of bioenergy in the Nordic energy and forest sectors

Abstract

This thesis presents studies that describe different consequences of increased use of forest resources for energy purposes. Forest biomass is widely used in many different applications; in recent years, biofuel has been one of the products that has increasingly received attention. In order to produce forest-based biofuel, forest resources are needed. Either these resources have to be taken from sources that are currently not economical to harvest or biofuel producers have to compete with existing industries to get biomass. This thesis presents the positive and negative effects of increased production of forest-based biofuel within the Nordic countries for the heating, power, and forest sectors. Three different models are used to describe the effects of implementing biofuel production in the Nordic countries: two forest sector models, the Norwegian trade model (NTM) and the Nordic forest sector model (NFSM), and the energy sector model Balmorel. While in the last paper, an integrated model is developed to combine the strengths of NFSM and Balmorel.

In paper I, NTM was used to quantify major market uncertainties in the Norwegian forest sector and analyse their impacts on the results of a forest sector model study for Norway. The uncertainties were derived from historical time series of prices and exchange rates for international forest products, and their impacts were addressed using a Monte Carlo approach. The results show that the relative standard deviation for modelled harvest levels varies from 15% to 45%, while for forest products the standard deviations vary from 30% to 80%. The paper concludes that the most important factor for the Norwegian forest sector is the development of international forest product markets.

In paper II, NFSM was used to quantify how large-scale production of forest-based biofuel would affect forest owners and forest industries in the Nordic countries. The implications were studied using five scenarios covering a 0–40% biofuel share of fuel consumption. The results show that the sawmill industry increased their profit slightly due to increasing prices for their by-products, while pulp and paper producers saw their yearly profit reduced by up to 3.0 billion €, corresponding to 8% of their annual turnover, due to the increased pulpwood prices. Forest owners increased their revenue by up to 31% due to a 15% increase in harvest at the same time as pulpwood prices increased. The study concludes that the traditional forest sector will change substantially with huge production of forest biofuels.

In paper III, NFSM was used to quantify the effects on the forest sector of different policy schemes that promote Nordic forest-based biofuel. This study assessed six different support schemes that might increase the attractiveness of investing in forest-based liquid biofuel facilities. The results show that the necessary subsidy level is in the range of 0.60–0.85 €/L (82–116% of the fossil fuel cost in 2030) for realistic amounts of biofuel production. The feed-in premium is the subsidy scheme that gives the lowest needed subsidy cost for production levels below 6 billion litres (25% market share) of forest-based biofuel, while quota obligations are the cheapest option for production levels above 6 billion litres.

In paper IV, Balmorel was used to quantify the role of woody biomass in the production of heat and power in Northern Europe towards 2040. The study focuses on GHG emissions from fossil fuel in the heat and power sectors under different carbon price scenarios, comparing the results with biofuel production. The results show that the use of woody biomass can reduce the direct emissions from the power and heat sector with 4–27% in 2030 compared to a scenario where woody biomass is not available for power and heat generation. At a low carbon price, the use of natural gas, wind, and coal power increases when biomass is not available for power and heat generation, while at higher carbon prices, solar power, wind power, powerto-heat, and natural gas become increasingly competitive; consequently, the use of biomass has a lower impact on emissions reductions. If forest-based biofuel is produced from the same amount of biomass as is used for heat and electricity production, we will get reduced fossil carbon emissions, but the total system cost will increase.

NFSM and Balmorel were integrated in paper V in order to increase our understanding of the combined forest and energy sectors. The paper discusses the strengths and weaknesses of the integration procedure using a scenario that reduces the fossil emissions in the Nordic countries by 73% compared to 2017. The results show that it is likely that the integrated model presents the connection between heat and electricity production better than standalone models. One of the conclusions is that the Nordic countries have enough forest biomass to fulfil the demand within the industrial sector and for biofuel, heat, and power production.

The results from this thesis show that in the forest sector it is likely that forest owners will be the main winners if large amounts of forest-based biofuel are produced, while forest industry, especially pulp and paper producers, will face reduced market share and profitability. Simultaneously, woody biomass contribution to lower the fossil emissions from heat and power, and the transition to low carbon energy systems will likely be more costly if biomass is excluded from energy generation.

Denne avhandlingen inneholder flere studier som beskriver forskjellige konsekvenser av økt bruk av skogressurser til energiformål. Skogsbiomasse har mange forskjellige bruksområder, de siste årene har biodrivstoff vært et bruksområde som i økende grad har fått mye oppmerksomhet. For å kunne produsere skogsbasert biodrivstoff trengs store mengder tømmer, enten må tømmeret hentes fra kilder som ikke er økonomiske drivverdige i dag, eller så må produsentene konkurrere med eksisterende næringer for å få den nødvendige biomassen. Denne avhandlingen presenterer positive og negative effekter av økt biodrivstoff produksjon i Norden for varme-, kraft- og skogsektoren. Tre forskjellige modeller er brukt for å beskrive effekten av biodrivstoffproduksjon i Norden, skogsektormodellene som er brukt er Norwegian trade model (NTM) og Nordic forest sector model (NFSM), og energisektormodellen Balmorel. I arbeidet med artikkel V ble det utviklet en kombinert modell for å utnytte styrkene til både NFSM og Balmorel.

I artikkel I ble NTM brukt til å kvantifisere hvordan usikkerheten i markedspriser påvirker produksjonsnivåer i Norge, samt å analysere effektene usikkerhetene har på resultatene fra skogsektormodellen. De historiske usikkerhetene ble estimert fra historiske tidsserier for priser på internasjonale skogsprodukter og valutakurser, virkningene av disse ble funnet ved hjelp av Monte Carlo simuleringer. Resultatene viser at det relative standardavviket for hogstnivået varierer fra 15 % til 45 %, mens standardavvikene for sluttprodukter varierer fra 30 % til 80 %. Studien konkluderer med at den viktigste faktoren for norsk skogsektor er utviklingen av internasjonale markedspriser.

I artikkel II ble NFSM brukt til å beregne hvordan storstilt utbygging av skogbasert biodrivstoff vil påvirke skogeiere og skogsindustri i Norden. Implikasjonene ble studert ved bruk av fem scenarier for biodrivstoff produksjon tilsvarene 0–40 % av det nordiske drivstofforbruket i 2017. Resultatene viser en svak økning av overskuddet i sagbruksnæringen, dette skyldes økte priser på sagbrukenes biprodukter. Mens masse- og papirprodusenter fikk redusert sitt årlige overskudd med inntil 3,0 milliarder euro, tilsvarende 8 % av deres årlige omsetning, dette skyldes økte massevirkepriser. Samtidig økte skogeiere sine inntekter med opp mot 31 % på grunn av 15 % økning i avvirkningen samtidig som prisene på massevirke økte. Studien konkluderer med at konsekvensene av storstilt biodrivstoff produksjon i Norden vil endre den tradisjonelle skogsektoren betydelig.

I artikkel III ble NFSM brukt til å kvantifisere effektene for skogsektoren av forskjellige politiske støtteordninger som fremmer nordisk skogbasert biodrivstoff. Denne studien undersøkte seks forskjellige støtteordninger som kan øke investeringene i flytende skogsbaserte biodrivstoffanlegg. Resultatene viser at det nødvendige subsidienivået ligger i området 0,60–0,85 €/L (82–116 % av den antatte prisen på fossilt drivstoff i 2030) for realistiske produksjonsnivåer. Den støtteordningen som behøvede lavest støttenivå for å gi lønnsom biodrivstoffproduksjon var innmatingstariff for produksjonsnivåer under 6 milliarder liter (25 % markedsandel), mens et innblandingskrav trenger lavest støttenivå for produksjonsnivåer over 6 milliarder liter.

I artikkel IV ble Balmorel brukt til å estimere rollen skogsbiomasse har for produksjonen av varme og strøm i Nord-Europa fram mot 2040. Studien setter søkelys på klimagassutslipp fra fossilt brensel i varme- og kraftsektorene under forskjellige karbonprisscenarier, og sammenligner resultatene opp mot biodrivstoffproduksjon. Resultatene viser at bruk av biomasse kan redusere de direkte utslippene fra kraft- og varmesektoren med 4–27 % i 2030 sammenlignet med et scenario hvor biomasse er ekskludert fra kraft- og varmesektoren. Når biomasse ikke er tilgjengelig for kraft- og varmeproduksjon øker bruken av naturgass, vind og kullkraft hvis karbonprisen er lav, mens ved høyere karbonpriser øker bruken av solenergi, vindkraft, kraft-til-varme og naturgass, og følgelig har bruken av biomasse en lavere innvirkning på utslippsreduksjonene enn ved lav karbonpris. Hvis den samme mengden biomasse blir brukt til biodrivstoff vil vi få reduserte de fossile karbonutslipp, men systemkostnadene vil samtidig øke.

I artikkel V ble NFSM og Balmorel integrert, med mål å øke forståelsen for den kombinerte skog- og energisektoren i Norden. Ved bruk av et scenario som reduserer fossile utslipp i Norden med 73 % sammenlignet med 2017 diskuteres styrker og svakheter ved integrasjonsprosedyren. Resultatene synliggjør at den integrerte modellen beskriver samhandlingen mellom varme- og strømproduksjon bedre enn de frittstående modellene. En av konklusjonene er at de nordiske landene mest sannsynlig har nok skogsbiomasse til å oppfylle etterspørselen fra industrisektoren og fra biodrivstoff-, varme- og kraftproduksjon.

Resultatene fra denne avhandlingen viser at det er sannsynlig at skogeiere vil ha mest å tjene av at store mengder skogbasert biodrivstoff produseres i Norden, mens skogsindustrien og spesielt masse- og papirprodusenter vil få redusert lønnsomhet. Samtidig kan biomasse bidra til å senke de fossile utslipp fra varme- og kraftproduksjon, og overgangen til et energisystem med lave karbon utslipp vil trolig bli mer kostbart hvis biomasse blir ekskludert fra bruk til energiproduksjon.