Det Globala Energisystemet

Transkript

1 Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 5: Energiproduktion I Ångströmlaboratoriet, Uppsala, Dr Mikael Höök, universitetslektor Globala Energisystem, Uppsala Universitet

2 Energiproduktion? Själva ordet är egentligen felaktigt Enligt Termodynamikens Första Lag så kan ju inte energi produceras, bara omvandlas Energiomvandling vore mer korrekt Dock producerar man nyttig energi genom att omvandla en oönskad energiform till en efterfrågad energiform

3 Förbränning dominerar Det mesta av världens energi kommer från förbränning i olika former Alla typer av fossil energi förbränns, liksom biomassa Totalt är nära 90% av världens primärenergi baserad på förbränningsteknik Viktigt att förstå hur förbränning fungerar för att förstå energiproduktionen

4 Lite förbränningslära

5 Vad är förbränning? En sorts oxidationsreaktion, vanligtvis med syre De molekylära bindningarna struktureras om och energi frigörs i processen Naturen strävar efter att molekyler ska befinna sig i tillstånd med så låg bindningsenergi som möjligt Material med hög bindningsenergi kan därför reagera med varandra i en förbränning för att frigöra bindningsenergi som värme

6 Förbränningsprocessen Metan och syrgas har hög molekylär bindningsenergi Genom att bli koldioxid och vatten minskas bindningsenergin och överskottet frigörs som oordnad rörelseenergi hos produkterna (dvs. värme)

7 Varför brinner inte vatten? Vatten, H2O, har redan oxiderats och är redan förbränd vätgas När någon Uppfinnar-Jocke pratar om att använda vatten som energikälla kan man direkt utesluta det eftersom vattnet redan har brunnit och inte kan be mer energi i en förbränning Dessa floppade inte helt oväntat...

8 Förbränning Den förenklade förbränningsreaktionen: Eller beskriven i ord Koldioxid är en oundviklig produkt från förbränning

9 Förbränning i luft Normalt sker förbärnning i luft istället för ren syrgas Luft består av 78% kvävgas, 21% syrgas små andelar av andra gaser Kvävgasen har redan låg bindningsenergi och reagerar sällan i normala förbränningsprocesser, men späder däremot ut allting Cirka 80% av rökgaserna efter en förbränning är harmlöst och ointressant kvävgas

10 Mer om förbränning Flera föroreningar kan vara närvarande i bränslet och rökgaserna som svaveloxider (SOx) eller kväveoxider (NOx) beroende på temperaturen Sot och aska skapas beroende på brist på syre Att välja rätt förbränningsområde är väldigt viktigt för att minska föroreningarna när man designar förbränningsanläggningar

11 Rökgaser Förbränning i luft ger i storleksordning 1. Kvävgas 2. Koldioxid 3. Vattenånga 4. Oförbrända föreningar (sot, flygaska) 5. Kolföreningar (kolmonoxid, PAHs, etc.) 6. SOx, NOx och andra smärre biprodukter

12 Sammanfattning: förbränning Dominerande process i mänsklighetens energiförsörjning Omvandlar kemisk bindningsenergi i molekyler till värme Bränslen med o-oxiderad (reducerad), det vill säga brännbar, kemisk struktur En rad biprodukter bildas beroende på förbränningstekniken man använder

13 Att hitta brännbara bränslen Innan man kan elda något så måste det hittas Fossil energi måste först hittas Därefter måste den utvinnas innan den når konsumenter för förbränning

14 Olja och gas-letning Petroleumgeologer letar efter olja i Afrika

15 Lite repetition

16 Vad letar man efter? I början hittades oljefält genom att själva fällan läckte, vilket nästan alla oljefält gör naturligt i någon utsträckning Små oljeläckage skvallrade om att det fanns en större mängd olja under marken så att det fanns något att borra efter Metoden används fortfarande ibland

17 Naturliga läckage Kan ses med blotta ögat ibland Spåras lätt av geologer Kräver dock att inte väder och vind suddar ut dem

18 Med satellit över Mexikanska Golfen Högupplösta satellitbilder kan se oljeläckage från reservoarer under havsytan och sedan spåra dem tillbaka till källan

19 Tillkortakommanden Många reservoarer läcker så pass lite att det knappt märks av Djurliv, väder och vind sveper bort det lilla som läcker ut naturligt Dessa reservoarer måste hittas med andra metoder Då används seismik istället framgångsrikt!

20 Seismikens grunder Genom att använda seismiska vågor kan man hitta de där skålliknande strukturerna som reservoarerna ligger under Seismiska vågor är egentligen bara ljudvågor som skickas ned i marken Ekot studeras och analyseras av geofysiker som tolkar det och listar ut hur strukturen under marken ser ut

21 Seismisk undersökning

22 Seismiska undersökningar Kan även göras från land via olika bilar Thumper-trucks och sprängladdningar används för att generera ljudvågorna

23 Seismik Olika lyssningsapparater placeras ut och mäter när ekot når dem så att vad de studsade på kan återskapas Fungerar precis som ett ekolod eller en sonar

24 Seismisk data Seismisk profil

25 Seismogram

26 Datatolkning Komplex hantering nödvändig för att pussla ihop ekona till bilder av strukturerna Precis samma typ av hantering som i ultraljud av foster eller 3D-röntgen av människokroppen

27 Att borra efter olja

28 Borrning När en intressant struktur har hittats via seismologi gäller det att provborra Först då vet man om strukturen innehåller olja eller om den var fylld med något annat Seismik kan inte se vad det är för vätskor som finns i reservoaren, bara själva strukturen som kan tänkas innehålla olja

29 Till sjö och till land Borrning kan göras både till land och till havs Borriggar är enormt viktiga för oljeprospektering

30 Borriggens delar Normalt sätter man stålrör och cementerar man insidan på borrhålen för att hindra dem från att gå sönder En blow-out vill man undvika

31 Vad är en blow-out? Oljan/gasen har ofta högt tryck Påminner mycket om en skakad läskflaska När man borrar hål på strukturen gäller det att undvika okontrollerade utflöden blow-outs Deepwater Horizon i Mexikanska Golfen råkade ut för en blow-out

32 Roughnecks Det tunga arbetet på borriggen utförs av arbetare som kallas roughnecks De hanterar borrandet i praktiken

33 Ny teknologi Directional Drilling styrbar borrning Motorer på borrhuvudet kan ändra riktning långt nere under marken

34 Djuphavsolja Oljefältet Jack 2 vs Kebnekaise och Mount Everest meter meter meter Jack 2

35 Produktion När borrhålet är färdigt installeras pumpar och annan utrustning för att få upp vätskan/gasen Nickande åsnan -pump Rotaflex pump

36 Produktion Syftet med produktionen är att få upp den utvinningsbara oljan från reservoaren till markytan så att den kan säljas eller konsumeras Detta görs genom att manipulera de krafter som påverkar flödet av vätskor nere i reservoaren Primär, sekundär och tertiär utvinning kallas de olika stegen

37 Dominerande krafter Utarmning (leder till en minskning av reservoartrycket) Kompressabiliteten hos sten/vätskesystemet Mängden löst gas i vätskan Formationens lutning Kapillärkrafter i de mikroskopiska porerna Extra energi som kommer från en akvifär eller från överliggande gas Extern injektion av vätskor Termiska eller viskös manipulation av vätskan Källa: Satter et al. (2008) Practical Enhanced Reservoir Engineering

38 Primär utvinning I början är trycket i reservoaren tillräckligt högt för att pressa upp vätskan till markytan av sig själv för att tryckutjämna Detta kallas primär utvinning Annars används andra metoder Enklaste utvinningstypen 10-30% kan utvinnas

39 Sekundär utvinning När inte reservoarens eget tryck räcker till för att få upp oljan används sekundära metoder Injektion av andra vätskor kan upprätthålla trycket och därigenom flödet 30-50% av reservoarens innehåll kan fås upp på detta sätt

40 Tertiär utvinning Kallas också Enhanced Oil Recovery (EOR) Försöker få upp flödet genom att injicera lösningsmedel, bakterier, termisk energi, ultraljud eller något annat som får oljan att flöda lättare Dyrt och inte så utbredd användning ännu

41 Produktionskurvan Källa: Höök et al. (2009) The evolution of giant oil field production behaviour, Natural Resources Research, Volume 18, Number 1, March 2009, Pages 39-56

42 Några exempel

43 Thistle-fältet i Nordsjön

44 Minskningsfasen Till slut kommer vätskeflödena att minska och fältet när alltid en punkt med maximal produktion som följs av en lång minskningsfas Detta tillstånd kan pågå mycket länge men upphör normalt när den ekonomiska/energetiska gränsen nås, det vill säga när oljefältet kostar mer i drift än vad man tjänar på det som pumpas upp mätt i pengar eller energi

45 Processering Det är sällan oljan kan användas till något vettigt direkt vid oljefältet Normalt skickas den iväg via tanker, tankbil eller pipeline för vidare hantering och omvandling Ibland lagras den i stora tankar eller lager Processering sker oftast vid stora, centraliserade raffinaderier

46 Exempel från Syrien Pipelines och en lagringstank för fat olja

47 Raffinering Råolja kan brännas direkt i kraftverk men det görs sällan då oljan är värd mer efter förfining Bättre och effektivare motorer kräver mer specialiserade bränslen som diesel eller bensin Därför måste oljan delas upp och renas till sina beståndsdelar Detta görs på ett raffinaderi

48 Raffinering 2 Olja och naturgas består av en mängd kolvätekedjor av olika längd Dessa måste sorteras ordentligt för att kunna användas på bästa sätt Olika kokpunkter för de olika kolvätekedjorna utnyttjas för att destillera petroleumet Svavel och andra oönskade biprodukter kan även tas bort vid raffinaderiet

49 PreemRaff, Lysekil Sveriges största raffinaderi PreemRaff vid Lysekil

50 Destillationstorn

51 Raffinerade produkter Flytande petroleumgas (LPG, tändargas, butan) Bensin Nafta (används mest som baskemikalie) Flygfotogen och jetbränsle Dieselbränsle Eldningsoljor och villaolja Smörjoljor Paraffinvax (värmeljus, isolation, industri) Asfalt and tjära (trögflytande vätskor) Petroleumkoks (fast bränsle)

52 Kolutvinning

53 Kolprospektering Påminner om letandet efter olja och gas, men andra geologiska strukturer eftersöks Normalt letar man efter större sedimentära områden som varit gamla träskmarker Borrning är viktigt för att kontrollera tjockleken på kollagret och kunna uppskatta hur mycket man har tillgängligt i marken

54 Kolborrning Görs normalt av små mobila borrar som påminner om de som används för letning av andra malmer och mineraler

55 Kolproduktion Kol är ett fast material som ligger i lager med varierande tjocklek Dessa kan brytas från dagbrott eller från underjordiska gruvor Kolutvinning handlar framför allt om att flytta jord, berg och sten det är inte mer high tech än så

56 Dagbrott Kallas även open pit eller strip mining Fungerar om kollagret ligger nära markytan Överliggande jord/material avlägsnas så att kolet blottläggs och kan utvinnas Tunga maskiner används ofta

57 Mer om dagbrott Dagbrott i Wyoming, norra USA Mountaintop removal mining I Appalachierna, östra USA

58 Hjulgrävmaskin Hjulgrävmaskin för brunkol i östra Tyskland

59 Underjordisk brytning Används då kolet ligger för djupt för att kunna nås via dagbrott Två huvudtyper: rum och pelar-metoden samt långväggsmetoden Associerad metangas kan orsaka ras eller explosioner (vanligaste faran!) Kan utvinna upp till 80% av kolet, eftersom lite alltid måste lämnas i pelare för att hålla uppe taket

60 Rum och pelar-metoden

61 Långväggsmetoden Använder hydrauliska och rörliga stöttor som håller upp taket medan en kolskärare tar bort kolet Taket får senare kollapsa bakom stöttorna samtidigt som hela långväggen flyttar sig Billigare och effektivare än rum-och-pelarmetoden, men kräver speciella kollager för att fungera Komplexa strukturer kan inte exploateras

62 Långväggsmetoden

63 Långväggsmetoden

64 Koltransport Beror främst på avståndet Transportband eller lastbil används på korta avstånd Tåg eller pråm används vid medelavstånd, alternativt kol/vattenblandning i pipeline Fartyg används vid de längsta avstånden Runt 90% av global handel går via skepp

65 Kolhamnen i Riga Kolet kommer med tåg från Ryssland och Ukraina för att lastas på fartyg

66 Tömning av en kolpråm

67 Biomassa Skördas med olika typer av maskiner och förs ofta till centrala anläggningar eller eventuellt förbränns småskaligt Fastbränslehantering likt den för kol

68 Förbränningsanläggningar När man väl har fossil energi eller biomassa kan detta eldas i förbränningsanläggningar för att leverera värme eller elektricitet till konsumenter Anläggningarna ser lite olika ut beroende på vilket bränsle som används, men har ändå mycket gemensamt

69 Förenklad skiss Rökgasförluster, etc. Överhettad ånga Värme tillförs i pannan Olika förluster medför att en del av bränslets energi tappas Bränsle Matarvatten Energirik vattenånga eller varmvatten kommer ut från pannan samtidigt som rökgaserna skickas iväg

70 Pannstorleken Relativ pannstorlek för samma effekt beror på använt bränslet

71 Tidiga förbränningstekniker Bränslet förbränns på en simpel bädd eller ett galler Påtagliga mängder blir oförbrända Låg verkningsgrad Askproblem

72 Stokerförbränning

73 Pulverförbränning Om bränslet går att mala till ett fint pulver kan denna teknik användas Är då mer lik gasformig förbränning med dess goda omblandning och utbränning Långt ifrån alla bränslen kan malas på ett passande sätt (askhalt, plasticitet, caking, etc.) Används främst för kol och cirka 90% av allt kol eldas i pulverform

74 Förbränning Värme från förbränningen tillförs något medium, oftast vatten, som blir till energirik vätska eller ånga med högt tryck och hög hastighet Ibland används mediet direkt för uppvärmning via värmeväxling/fjärrvärme men ibland omvandlas det till elektricitet Ångan/gasen med hög rörelseenergi kan även stoppas in i turbiner som omvandlar den till rotation som senare kan omvandlas till el

75 Turbiner & generatorer Turbin Omvandlar rörelsenergi hos vätskor/gaser till mekanisk rotationsenergi Generator Omvandlar rotationsenergi till elektrisk energi genom elektromagnetisk induktion

76 Tack för uppmärksamheten! Läs mer om forskningen här: Globala Energisystem: ASPO: eller