Det Globala Energisystemet

Transkript

1 Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 6: Energiproduktion II Ångströmlaboratoriet, Uppsala, Dr Mikael Höök, universitetslektor Globala Energisystem, Uppsala Universitet

2 Kärnenergi Kärnenergi, dvs. bindningsenergi i atomkärnor, kan frigöras på två sätt Splittring av tunga kärnor till lättare (fission) Utgör basen i dagens kommersiella kärnkraft Smälta samman lätta kärnor till tyngre (fusion) Den process som driver Solen Används inte kommersiellt på jorden ännu

3 Nukleär bindningsenergi Mindre stabila kärnor kan slås ihop till mer stabila för att frigöra energi där Järn-56 är den mest stabila

4 Grundläggande atomteori För att splittra eller fusionera kärnor måste man övervinna potentialbarriären som hindrar laddade partiklar från att närma sig kärnan Neutroner, som saknar elektrisk laddning, kan gå förbi potentialbarriären

5 Kedjereaktioner För Uran-235 bildas omkring 2.3 nya neutroner per klyvning så en kedjereaktion kan upprätthållas

6 Fissionsbränslen Uran och plutonium används normalt som bränslen, men även torium förekommer i ett fåtal fall Uran och torium är de enda som existerar naturligt på jorden, Av uran är 99.3% oanvändbart U-238 och 0.7 % är klyvbart U-235 Uranet måste först brytas, processeras och anrikas innan det kan stoppas in i kärnreaktorer

7 Neutronspektrat Bara U-235 kan klyvas med termiska (långsamma) neutroner Andra isotoper av uran fångar bara in neutroner utan att klyvas Dessa förluster är för höga i naturligt uran för att den naturliga U-235-hanten ska kunna ge en självgående kedjereaktion Därför måste bränslet ofta anrikas till runt 3% U-235

8 Kärnbränslekedjan Kärnbränslets väg 1. Brytning 2. Konversion 3. Anrikning 4. Bränsletillverkning 5. Användning Följs eventuellt av Upparbetning Eller Slutlagring

9 Anrikning Knepig process att genomföra då alla olika uranisotoper har samma kemiska egenskaper Någonting som kan skilja ut atomer beroende på små, små skillnader i massa behövs för att sortera ut U-235 från U-238 Oftast det svåraste och mest utmanande steget i kärnbränslecykeln

10 Anrikningsanläggningar Anrikning kan göras på olika sätt Det stora anrikningsverket Tricastin i France (bakom kyltornen) Fyra kärnreaktorer I förgrunden producerar omkring 3000 MW elektrisk effekt för anrikningen Elektromagnetisk Centrifuger Membran Laser

11 Elektromagnetism Enkel, men mycket energikrävande Uranjonerna böjs av i ett magnetiskt fält och radien är beroende på massan Används inte kommersiellt idagsläget, men var historiskt viktig

12 Gasdiffusion Urangas tvingas genom ett antal porösa membran med mikroskopiska öppningar Då U-235 är lite lättare så passerar den fortare Medan gasen rör sig blir koncentrationen av U- 235 större på utsidan

13 Gascentrifuger Stark centrifugalkraft tvingar de tyngre isotoperna mot väggen där de leds senare bort Varje centrifug ger bara en liten anrikning, varpå tusentals centrifuger måste användas i kaskadkoppling för att ge större anrikning

14 Anrikning med laser Jonisering är massberoende Finjusterade lasrar kan sända ut laserljus som bara absorberas av U-235 som joniseras och kan avskiljas med elektriskt fält

15 Bränsletillverkning Westinghouse kärnbränslefabrik i Västerås

16 Kärnbränsle Det anrikade uranet kommer till speciella fabriker som gör om det till bränslekutsar En urankuts är en ett par cm lång cylinder med ca 1 cm diameter En kuts avger lika mycket energi som 800 liter dieselolja och en reaktor innehåller ca 15 miljoner kutsar

17 Bränsleelementen Massor av urankutsar staplas i bränslerör eller bränslestavar Bränslestavarna sätts senare ihop till bränsleelement

18 Bränsleelement Bränslelementen består av en mängd bränslerör Dessa hålls på passande avstånd från varandra av olika spridare Bränsleelementen är reaktorns viktigaste del

19 Reaktorhärden Består av en mängd bränsleelement packade bredvid varandra i en reaktortank Detta utgör själva reaktorhärden där värmen produceras från uranbränslet

20 Kärnreaktorn Värme från kärnklyvningar i urankutsarna värmer det omkringliggande vattnet som används för att koka vattenånga som görs in i ångturbiner och generatorer Kärnkraft = omständig vattenkokning

21 Olika reaktortyper De vanligaste reaktortyperna är PWR (Pressurized Water Reactor) = tryckvattenreaktor BWR (Boiling Water Reactor) = kokarvattenreaktor HWR (Heavy Water Reactor) = tungvattenreaktor Kan använda naturligt uran som bränsle CANDU-modellen (Canadian Deuterium-Uranium Reactor) är den dominerande typen

22 Kärnreaktorer BWR-reaktorer vid Forsmark i Sverige 3 PWR och 1 BWR-reaktor vid Ringhals CANDU reaktor vid Qinshan i Kina

23 Tryckvattenreaktorn Högt tryck förhindrar kokning i reaktorn Värmeväxling sker i en sekundär krets som går koka ånga Ångan går till turbiner och ger el

24 Kokarvattenreaktorn Uranet ger värme som kokar vattnet i reaktorn till ånga Ångan leds ut till en turbin och ger elektricitet Ångan kondenseras till vatten och återförs till reaktorhärden

25 Mer avancerade typer Gaskylda reaktorer Snabba reaktorer (kan använda U-238 som bränsle) Metallkylda reaktorer Breedreaktorer (skapar mer bränsle än vad de förbrukar) Dessa är dock komplexare rent tekniskt samt mindre ekonomiska, varför de inte är vanligt förekommande i världen

26 Social acceptans Social acceptans är en mycket viktig fråga för kärnkraften Kopplingen till kärnvapen samt olyckorna vid Tjernobyl och Fukushima kastar mörka skuggor över kärnenergin

27 Använt kärnbränsle När kärnbränslet har passerat en reaktor är det bara några få procent av energiinnehållet som tagits ut Kring 97% av den utvinningsbara energin återstår Detta kan utnyttjas om den använda bränslet upparbetas Alternativt skickas det till slutförvar

28 Klyvningsprodukter Kärnklyvningen ger en massa olika ämnen Fissionsfragment eller klyvningsprodukter kallas dessa och är starkt radioaktiva på grund av stort neutronöverskott men kortlivade Måste hanteras varsamt och är inte användbara till något

29 Transuraner De neutroner som fångas in av U-239 gör att tyngre ämnen än uran kan bildas, transuraner Framför allt är det U-238 som ombildas till plutonium-239 Plutonium-239 är klyvbart med långsamma neutroner och ett attraktivt bränsle för reaktorer eller för kärnvapenladdningar Måttlig radioaktivitet, men mycket lång livslängd

30 Upparbetning Det använda kärnbränslet måste omarbetas Man tar bort klyvningsprodukterna och de oanvändbara delarna Pu-239 och U-235 skiljs ut och återanvänds

31 Upparbetningsanläggningar Sellafield, Storbritannien La Hague, Frankrike

32 Slutförvar Använt bränsle kapslas in för att inte spridas i naturen av väder, vatten och vind Grävs ned på hundratals meters djup så att ingen kommer åt det

33 Sammanfattning: kärnkraft Fungerande teknik och kommersiellt beprövad för uran sedan 1960-talet En rad tekniska frågor finns att fördjupa sig i om man så vill, men tekniken fungerar Social acceptans är ett problem Framtiden är lite oviss och exakt vilket spår som utvecklingen väljer är oklart

34 Fusion

35 Fusionera atomkärnor Här kan inte neutroner utnyttjas utan Coloumbbarriären måste övervinnas på något finurligt sätt

36 Olika fusionsmetoder (Gravitational fusion in stjärnor) Fusion via magnetisk inneslutning Exempel: JET, ITER Fusion via tröghetsinneslutning Exempel: NIF, NOVA Laser, LMJ Fusion via elektrostatisk inneslutning Exempel: Fusors, Polywell machines

37 Fusion i stjärnor Fusion processer av denna typ genererar all energi hos solen och andra stjärnor Gravitationskrafter tvingar atomkärnorna så nära varandra I stjärnans mitt att de börjar smälta samman

38 Tröghetsinnesluten fusion Görs med mycket kraftfulla lasrar (typiskt PWeffekter, 10^15 W, i laserpulserna), such as OMEGA, GEKKO XII, HiPER-lasrarna. Nära anknuten till vätebombsforskning

39 ICF-kraftverk För att ge energi på en kommersiell skala måste många små fusionsbollar bli antända Tanken är att bygga någon sorts kulspruta som skjuter in vätebollar in i en laserkammare där de antänds Än mycket långt till praktiska tillämpningar

40 Magnetisk inneslutning Het fusionsplasma kan kontrolleras och stängas in i magnetfält om de har rätt konfiguration Joner och elektroner måste följa magnetiska fältlinjer och kan därmed förhindras från att tappa sin energi innan de fusionerat JET är världens största anläggning av denna typ ITER är omkring 10 gånger större och byggs för närvarande i södra Frankrike

41 Magnetisk inneslutning TOKAMAK (en Russian design) Stellarator (väldigt komplex geometri) Tokamak-principen Stellaratorkonfiguration

42 Inuti JETS fusionskammare

43 Elektrostatisk fusion Med elektriska fält och guidade jonstrålar kan även fusionsreaktioner skapas Den första modellen av denna typ utvecklades av Philio Farnsworth, som även uppfann den moderna TV-apparaten Guidade jonstrålar av väte leds till kollisionspunkter där de tvingas krocka med varandra för att komma så nära varandra att de kan fusionera

44 Elektrostatisk fusion Fortfarande många generationer efter MCF och ICF-metoderna Problem med energiutbytet Men enkel att bygga (kan byggas av amatörer!)

45 Fusionsenergi Energin från fusionsprocessen frigörs som fotoner, gammastrålning och högenergetiska neutroner som alstrar värme Värmen fångas in i omgivande metallsmälta kring fusionskammaren och används för att koka ånga till ångturbiner och generatorer Fusionsenergi = Omständig vattenkokning

46 Plus och minus Fördelar God bränsletillgång Ingen långlivad radioaktivitet Ingen risk för Tjernobyl Ingen koppling till kärnvapen Komplex teknologi Nackdelar Tritiumproduktionen är olöst Hur litiumfilten kring ska fungera reaktorn är olöst Kräver neutronresistenta material Inga luftföroreningar precis som för fissionskraft

47 Fusionens tidsskala ITER ska kunna ge en 500 MW energipuls som varar 400 sekunder år 2022 NIF förväntas kunna antända de första fusionsbollarna år 2012 De första kommersiella verken kommer tidigast 2050 eller senare Med fördröjningar eller andra problem kan det dröja ännu längre Kommersiell fusionsenergi vår vi se först som pensionärer i bästa fall

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

49 Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 6: Energiproduktion 2, del 2 Geocentrum, Uppsala, Simon Davidsson, doktorand Globala Energisystem, Institutionen för geovetenskaper, Uppsala Universitet

50 Förnybar energi Föreläsning 4 del 2 vilka förnybara energiresurser finns att tillgå? Idag: Hur omvandlar man resurserna till önskade energibärare? 50

51 Vilka förnybara resurser fanns det? Källa: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (2011) 51

52 Vattenkraft Omvandlar den potentiella energin i vattnet till rörelseenergi (ca 75-95% effektivitet) som med hjälp av en turbin driver en generator. 52

53 Dammar Vattenkraft är beroende av att vattnet stannas upp av en damm som skapar en höjdskillnad (och därmed potentiell energi) Höjden som används i ett kraftverk kan variera några få meter till flera hundra meter Ofta stora betongkonstruktioner, men kan även vara byggda av jord och naturligt material (vanligt i Sverige) 53

54 Dammar II Torrlägger ibland delar av floden helt Skapar hinder för fiskars vandring Fisktrappor vanliga för att hjälpa fisken Asptrappa i Fyrisån 54

55 Olika turbintyper Olika fallhöjder och flöden passar olika sorters turbiner Reaktionsturbiner är vanligast och francis den vanligaste reaktionsturbinen Framförallt för höga fallhöjder används ibland även impulsturbiner såsom pelton 55

56 Francisturbinen Kan användas till många olika fallhöjder och flöden Används i allt från m fallhöjd Ledskenor riktar vattnet in mot turbinen Hög effektivitet på upp till 95% 56

57 Propellrar/Kaplan Kaplanturbinen också relativt vanlig Passar för stora flöden, effektiv även vid låga fallhöjder Kaplan har variabel vinkel på bladen för att vara effektiv vid olika flöden 57

58 Impulsturbiner/Pelton För väldigt höga fallhöjder och relativt låga flöden används oftast peltonturbiner En vattenstråle skapas av kraften av den höga höjdskillnaden som stoppas upp av en skål Finns andra varianter såsom turgo 58

59 Vattenkraftens roll i elsystemet Ofta stora synkrona generatorer som stabiliserar nätet Kan ändra sin energiproduktion snabbt för att följa efterfrågan på el Kan lagra energi effektivt i form av vatten Pumpkraft kan öka denna kapacitet 59

60 Pumpkraft Egentligen inget sätt att producera energi, utan för att lagra energi i form av vatten När elen är billig pumpar man upp vatten och använder vid annan tidpunkt med högre elpris 60

61 Bioenergi Biomassa kan förbrännas på samma sätt som fossil energi, speciellt kol, och producerar el och/eller värme Kan även konverteras till andra energibärare (med förluster) etanol metanol biodiesel biogas 61

62 Direkt förbränning Kondenskraftverk producerar bara elektricitet Kraftvärmeverk producerar el och tar tillvara på värmen Värmeverk producerar ej el, men använder värmen Majoriteten av Sveriges kraftvärmeanläggningar eldas med bioenergi 62

63 Direkt förbränning II Effektivt ur energi och koldioxidutsläppperspektiv Ofta rester från skogsavverkning, sågspån, bark, energiskog Dessa bränslen kan även först förädlas till pellets med högre energitäthet 63

64 Biodrivmedel Biomassa kan även förädlas till flytande bränslen vilket ofta ses som en möjlig ersättning till bränslen till transporter Källa: IVA, KVA (2012) Energi Möjligheter och dilemman 64

65 Förluster i omvandlingen Hur stora förlusterna är kan variera mycket Pelletsproduktion kräver energi, men underlättar hantering och ger mer effektiv förbränning Vissa studier pekar på att etanol från majs kan ha negativt energiutbyte (0,77-1,67) medan sockerrör i Brasilien har mycket bättre effektivitet Kombinatanläggingar som använder spillvärme från kraftverk till att producera pellets, etanol osv kan öka effektiviteten 65

66 Vindkraft Energi utvinns genom att bromsa in flödande gas och omvandla den till mekaniskt arbete Påminner om flygplansvingar, där bladen kan placeras både horisontellt eller vertikalt 66

67 Moderna vindturbiner Horisontella med tre blad (jämnar ut trycket på bladen) Väl testad mogen teknik, som dock fortfarande utvecklas Källa: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (2011) 67

68 Två huvudtyper Växellåda Vanligast idag Direktdrivna Permanentmagnet Fördelar: Lägre vikt Mindre service Effektiva Nackdelar: Ofta neodym Idag ca 14% - blir vanligare! 68

69 Vertikala vindturbiner Oberoende av vindriktningen Tysta Lättare att underhålla, kan ha generatorn på marken Jämnare tryck på bladen Hur stora kan de bli? Finns forskning i Uppsala 69

70 Hur får man ut mest vind? P = 0.5*ρ*η*A*N g *N b *V 3 Where ρ = air density, n = wind capture efficiency A = rotor swept area, Ng = generator efficiency, Nb = gear box efficiency, V = wind speed Produktionen ökar med: Radien i kvadrat Källa: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (2011) Längre blad Vindhastigheten i kubik Högre torn 70

71 Offshore vind Blir vanligare och vanligare att förlägga vindkraftverken till havs Jämnare vind med högre hastighet, mindre turbulens Färre som störs (i alla fall tillräckligt långt ut) Kräver generellt mer material och försvårar underhåll, men producerar mer energi 71

72 Vindkraftsparker Kraftverken byggs ofta i stora parker med många kraftverk på samma ställe så det gäller att tänka till så de inte bromsar varandra för mycket Källa. McKay (2009) Sustainable Energy without the hot air 72

73 Solenergi Solfångare används för att producera värme Solceller producerar elektrisk energi Concentrated solar power (CSP) producerar värme som används till att producera el Artificiell fotosyntes försöker härma fotosyntesen hos växter och producera vätgas 73

74 Solvärme Effektivt och enkelt sätt att producera värme Kan kombineras med ackumulatortankar för att lagra värme Ofta komplement till annan uppvärmning eller till tappvarmvatten 74

75 Solceller Omvandlar solens strålar direkt till elektrisk energi Producerar därmed bara energi när solen skiner Många olika tekniker med varierande, ofta relativt låg verkningsgrad (10-25% i kommersiellt tillgängliga solceller) Tillverkning kan vara relativt energikrävande med lång energy payback time 75

76 Solceller II 76

77 Solcellsmarknaden Cirka 90% av alla solceller som tillverkas och säljs är baserade på tjockt kisel Resterande 10% är tunnfilmssolceller, men även där dominerar amorft kisel över de andra teknikerna Endast några få procent är icke-kiselbaserad teknik som CIGS, Grätzel eller CdTe-celler Många tekniker med högst verkningsgrad är beroende av ovanliga material 77

78 Fokuserande solceller Speglar kan användas för att fokusera solljuset till små och effektiva, men dyra solceller Gallium-Arsenik-celler eller andra högeffektiva celler används ofta i sådana uppställningar 78

79 Concentrated solar power (CSP) Relativt ny teknik som ofta spås växa snabbt Fångar solens energi, koncentrerar den och värmer upp vatten till vattenånga och producerar elektrisk energi i ångturbin, potentiellt mer effektivt än solceller Kan lagra värmen till viss del och sprida produktionen mer över dygnet än solceller 79

80 Concentrated solar power (CSP) II 80

81 Paraboliska tråg Paraboliska speglar fokuserar solljuset på ett rör i mitten där vatten eller annan vätska värms upp 81

82 Att följa solen Solfångare och solceller har ofta motorer som vrider dem Då kan ytan hela tiden vara vriden mot solen och fånga in energi så länge solen är över horisonten 82

83 Artificiell fotosyntes Försöker härma den naturliga fotosyntesen och göra om solenergin vätgas Producerar ett bränsle som kan lagras och användas olika tidpunkter Använder ofta sällsynta metaller till reaktionen Forskning pågår (t ex i Uppsala) Källa: IVA, KVA (2012) Energi Möjligheter och dilemman 83

84 Vågkraft Försöker utnyttja vågors upp-och-ner-gående rörelse för att driva generatorer Många olika experimentella designer finns, men hittills har ingen fungerat på önskvärt sätt 84

85 Vågraftsforskning i Uppsala Tidigare har fokus ofta legat på att få den mekaniska designen att driva en konventionell generatortyp På senare år har forskare på Uppsala Universitet utvecklat en ny typ av generator som utnyttjar bojars rörelse till en linjär generator Enklare design hoppas göra tekniken kommersiellt gångbar 85

86 Havs- och tidvattenströmmar Liknar ofta vindturbiner, men använder vatten istället för luft Mer förutsägbar än vind Liten visuell påverkan och inget oljud Ingen kommersiell framgång ännu 86

87 Tidvatten Tidvatten kan ge energi om man fångar vattnet I en damm och leder ut den via en turbin Passar främst på vissa ställen med stora vikar med smala inlopp (och tidvatten så klart) Källa. McKay (2009) Sustainable Energy without the hot air 87

88 Geotermisk energi Värme från jordens inre används tas upp med djupa borrhål för till uppvärmning eller elproduktion Elproduktion, främst vulkaniska områden Globalt stor potential, hur stor? 88

89 Elproduktion från geotermi Samma princip som förbränning: vattenånga används i ångturbin för elproduktion Förekommer i vulkaniska områden, t ex Island 89

90 Berg- och jordvärme Vanligt till uppvärmning i Sverige Kom ihåg: värmepumpar kräver el! Källa. McKay (2009) Sustainable Energy without the hot air 90

91 Förnybara kraftverk Kom ihåg att även om energiresursen som används är inte kraftverket i sig förnybart Det går åt resurser, både energi och material för att bygga kraftverk Vindkraftverk och solceller kräver ofta mycket material samt har relativt kort förväntad livslängd jämfört med t ex ett kolkraftverk 91

92 Vilka energibärare produceras? El (!), värme, biogas, etanol, (vätgas?) Energikvalitet och förluster! Vad är viktigast, effektivitet eller att ersätta olja? Källa: International Energy Agency. Key World Energy Statistics

93 Sammanfattning Många olika tekniker finns för att utvinna energi från förnybara källor Vissa växer idag väldigt snabbt Börjar växa från en låg nivå, många utmaningar återstår innan de kan bli en signifikant del av energisystemet 93

94 Sammanfattning II Bygger ofta rent tekniskt på att skapa rotationsenergi som driver en generator, precis som för många andra energiprocesser Producerar oftast el, ersätter vad? Intermittensproblem hur mycket går det att bygga ut? 94

95 Tack! Frågor? 95