Det Globala Energisystemet

Transkript

1 Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 7: Framtidens energisystem Ångströmlaboratoriet, Uppsala, Mikael Höök, teknologie doktor Globala Energisystem, Uppsala Universitet

2 Framtidsutsikter Kunskap om dagsläget är viktigt för förståelse För planering krävs ofta kunskap om framtiden och hur trender rimligtvis kan utveckla sig Prognoser blir därmed viktiga att förstå och kunna göra för analytiker Exempelvis prognoser för befolkningstillväxt, prisutveckling, produktion, innovationer med mera

3 Ovetenskapligt siande Att sia om händelser är bland världens äldsta yrken Ursprungligen var det något som sköttes av mystiker, siare och profeter Bestod ofta av sinnrika gissningar, ogreppbara principer och vaga påståenden

4 Vetenskapligt siande Vetenskapligt siande är mer känt som prediktion eller forecasting Använder kunskap om ett system, dess mekanismer, tidigare historia och fysiska data för att försöka förutsäga systemets framtida utveckling

5 Lära från historien?

6 Hur ändras energisystem? Energisystem är inte statiska utan ändras med tiden De kan växa på grund av ökande energibehov, men också minska på grund av fallande efterfrågan eller sinande tillgångar För att förstå framtidens energisystem måste man först förstå deras tillväxtmönster

7 Olika tillväxtmöjligheter Källa: Höök et al (2011) Descriptive and predictive growth curves in energy system analysis. Natural Resources Research, Volume 20, Issue 2, June 2011, Pages

8 Obegränsad tillväxt Bara möjligt under kortare perioder Orimlig i längre perspektiv då sådan tillväxt alltid leder till oändliga värden Växer ofta exponentiellt (med konstant procentuell tillväxt varje år) Används ofta av prognosmakare som inte kan speciellt mycket naturvetenskap

9 Jordens ändlighet Jorden är ett ändligt klot och kan inte innehålla oändligt med energiresurser och andra naturråvaror

10 Begränsad tillväxt Här är tillväxten begränsad och när till sist ett maximalt värde Förr eller senare når man sin vuxna storlek och slutar växa mer Exempelvis när alla tillgängliga floder är fullt utbyggda Mycket mer förenligt med jordens ändlighet

11 USA:s vattenkraft Brist på tillgängliga floder har gjort att expansionen avstannat sedan 1970-talets början Källa: BP Statistical Review of World Energy 2011

12 Avtagande och utplanande tillväxt Källa: Höök et al (2011) Descriptive and predictive growth curves in energy system analysis. Natural Resources Research, Volume 20, Issue 2, June 2011, Pages

13 Klockformad tillväxt För en del tillväxtprocesser nås ett maximalt läge som följs av en minskning Uppstår framför allt när den sammanlagda produktionen är begränsad (fossil energi) Symmetriska eller asymmetriska former kan förekomma

14 Tillväxt med en peak Källa: Höök and Aleklett (2009) Historical trends in American coal production and a possible future outlook. International Journal of Coal Geology, Volume 78, Issue 3, May 2009, Pages

15 Resurstypen är viktig Förnybara resurser Ändliga resurser Beter sig på ett sätt som möjliggör uthålligt användande Kan dock bli ändliga om de överanvänds Beter sig på ett sätt som gör att de alltid sinar Tar slut efter tillräckligt långt användande

16 Utvinning vs påfyllning En avgörande parameter för hur en energiresurs kommer att bete sig är hur snabbt den exploateras och hur snabbt den återskapas Vissa resurser skapas mycket långsamt, medan andra uppkommer snabbt Vissa resurser utvinns fort medan andra exploateras desto försiktigare Balansen mellan dessa två är avgörande

17 Ändliga resurser Petroleum Naturgas Kol Uran Metaller Men även annat under speciella förutsättningar

18 Varför är de ändliga? Uran och andra metaller skapades från döende stjärnor och någon nyskapning har inte skett sedan jorden blev till Olja, naturgas och kol skapas endast mycket långsamt via geologiska processer som kräver miljontals år Utvinningen av många resurser är mycket snabb (1-100 år) så under alla former av praktiska sammanhang så är de ändliga

19 Torv som exempel Torv skapas i träskmarker med en takt på ungefär 0,1-1 mm per år Den utvinns genom att man tar upp cm till metertjocka lager per år Torvutvinning

20 Fossil energi Består av komprimerad och uppgraderad biomassa som ackumulerats under miljontals år

21 Även annan energi kan bli ändlig... Hugger man ned skog och annan biomassa snabbare än vad den växer till så blir dessa naturligtvis ändliga resurser Överexploatering av förnybar energi kan mycket väl göra den ändlig och göra att den sinar

22 Valarna igen Källa: Höök et al (2010) Development of oil formation theories and their importance for peak oil. Marine and Petroleum Geology, Volume 27, Issue 9, October 2010, Pages

23 Dålig resurshantering Överkonsumtion kan förvandla förnybara resurser till ändliga Överfiske kan permanent förstöra ekosystem så att de aldrig hämtar sig igen Överanvändning och avskogning av skogsbränslen kan leda till jorderosion som skapar landområden som blir obördiga och ofruktsamma lång tid framåt

24 Jorderosion Erosion är ett stort problem om för mycket växtlighet huggs ned Rötterna binder den bördiga jorden så att den inte spolas bort av väder och vind

25 Sammanfattning: ändliga resurser Om inte naturen kan matcha skapelsetakten med konsumtionstakten så kommer bara en ändlig mängd att finnas tillgänglig för exploatering Detta kan appliceras på många resurser som används i samhället Resurshantering och hållbar planering är nödvändigt för att hantera utmaningarna som detta kan ge upphov till

26 Relevans för framtidens energi? Över 80% av energin i dagens samhälle kommer från fossil energi som är en ändlig resurs Hur kommer denna ändlighet att påverka vår framtida energiförsörjning?

27 Olika tankar om tillväxt Otaliga forskare och tänkare har funderat kring tillväxt och hur man kan göra framtidsprognoser En del, oftast ekonomer, såg inga som helst problem med framtida tillväxt Jevons, Verhurlst, Malthus, Hubbert, Bartlett är några vetenskapsmän som däremot såg problem med tillväxten i framtiden

28 Ekonomiska synsätt Det är väldigt enkelt att ersätta naturresurser med andra faktorer, det finns i princip inget problem. Världen kan, i praktiken, klara sig utan naturresurser. -Robert Solow, 1974 Nobelpristagare i Ekonomi 1987

29 Vår egen företrädare av neoklassisk syn på resurser Mänsklig uppfinningsrikedom är en kraftfull och outsinlig ultimat resurs som kan hålla tillbaka hotet från sinande resurstillgång - Marian Radetzki, 2007 Professor i Ekonomi Luleå Tekniska Universitet

30 Alternativ modellering Resursbegränsad modellering är alternativet till de ekonomiska modellerna utan gränser Där försöker man infoga verklighetens begränsningar av de utvinningsbara mängderna Fossil energi har studerats mest, men i praktiken kan alla naturresurser hanteras

31 Thomas R. Malthus Brittisk lärd man som arbetade med politisk ekonomi och befolkningsfrågor Teoretiserade kring befolkningstillväxt och insåg att det inte kan pågå hur länge som helst på grund av matbrist Boken Essay on the Principle of Population fråm 1798 är en klassiker

32 Jules Verne those immense coalfields which never the less are not inexhaustible and which three centuries of present accelerated rate of consumption will exhaust unless the industrial world will devise a remedy -Journey to the Center of the Earth, 1864 Jules Verne, Författare och en av grundarna till Science Fiction-litteraturen

33 William Stanley Jevons In the increasing depth and difficulty of coal mining we shall meet that vague, but inevitable boundary that will stop our progress. -The Coal Question, 1865 William Stanley Jevons, Ekonom och logiker Förutspådde Englands kolpeak Reste även frågor om hållbarheten på andra resurser

34 Brittisk kolproduktion ? Källa: Höök et al (2010) Global coal production outlooks based on a logistic model. Fuel, Volume 89, Issue 11, November 2010, Pages

35 Vad hände sedan? Jevons såg hur kolproduktionen ökade mycket snabbt Geologerna hade bara upptäckt en ändlig mängd kol och den takt med vilken nya kolfyndigheter gjordes var liten i jämförelse med produktionstakten Man kunde ju omöjligt producera mer kol än vad man hittade och Jevons konstaterade att brittisk kolproduktion skulle nå en toppnivå för att senare falla

36 Hur historien slutade Källa: Höök (2010) Coal and Oil: the Dark Monarchs of Global Energy, doktorsavhandling från Uppsala Universitet

37 Kolet sinar i delar av världen England är inget isolerat exempel utan kolet sinade i flera andra länder Tyskland, Frankrike, Japan, Belgien och flera andra tunga kolnationer nådde sina produktionstoppar under 1900-talet De utvinningsbara mängderna blev utarmade och produktionen avtog Andra energikällor kom också in i bilden

38 Fler exempel Källa: Höök et al (2010) Global coal production outlooks based on a logistic model. Fuel, Volume 89, Issue 11, November 2010, Pages

39 Lösningen på sinande kol? När Europa började få problem med kolproduktionen kom lyckligtvis oljan som räddare i nöden Europa gick från en självförsörjande kolekonomi till att bli beroende av importerad olja från Mellanöstern efter förslag från USA Ersätta ett ändligt bränsle med ett annat? Är det verkligen så genomtänkt?

40 M. King Hubbert Formulerade grunden för moderna prognosmetoder för oljeproduktion Insåg att olja måste hittas innan den kan förbrukas Förutspådde korrekt år 1956 att USA skulle nå sin maximala oljeproduktion år

41 Vad hände med USAs olja? Fynden av ny olja hade toppat på 1930-talet och därefter minskat kontinuerligt

42 Närmare granskning Vi tittar närmare på logiken bakom oljeprognosticering Liknande tänkande kan användas på kol, naturgas och andra resurser Smärre skillnader beroende på detaljer

43 Peak Oil? Avser punkten med maximal produktion, inte när oljan tar slut Naturligt resultat av oljans ändlighet

44 Den obekväma sanningen om olja Källa: Robelius (2007) Giant Oil Fields the highway to oil. Doktorsavhandling från Uppsala Universitet

45 Källa: BP, IHS Mest olja när priset var lågt

46 Gå till grunden All oljeutvinning sker från enstaka oljefält Deras beteende spelar roll för alla regioner och länder, som endast består av en större mängd oljefält

47 Det viktigaste Att klämma ut de sista dropparna är ofantligt mycket svårare än de första Kräver mycket mer fysikaliskt arbete och praktiska insatser, vilket påverkar produktionskostnader

48 Oljefältens produktion Idealiserad produktionsprofil för ett oljefält, där olika mognadsstadier genomgås Källa: Höök et al., The evolution of giant oil field production behaviour, Natural Resources Research, 18(1): 39-56

49 Prognostisera produktion Källa: Höök (2009). Depletion and Decline Curve Analysis in Crude Oil Production. Licentiatavhandling från Uppsala Universitet

50 Världen och giganterna Källa: Höök et al (2009) Giant oil field decline rates and their influence on world oil production, Energy Policy, Volume 37, Issue 6, June 2009, Pages

51 Fördelningen av norsk olja Statfjord Totalt 30 miljarder fat olja Ekofisk Source: Höök & Aleklett (2008) A decline rate study of Norwegian Oil Production, Energy Policy 36(11):

52 Kinas oljeproduktion Källa: Höök et al (2010) Development journey and outlook of Chinese giant oilfields. Petroleum Exploration and Development, Volume 37, Issue 2, April 2010, Pages

53 Ett fåtal fält betydelse Världens oljeproduktion domineras av relativt få gigantiska oljefält Deras framtida produktion kommer att få stor inverkan på världens oljeförsörjning och även när man når peak oil Exempel på detta kan ses i otaliga fall från hela världen

54 Kopplingen mellan enskilda fält till en hel region Peak Oil

55 Källa: Höök et al (2009) to be published Field-by-fieldvy över Norge

56 Norsk framtidsprognos Källa: Höök & Aleklett (2008) A decline rate study of Norwegian Oil Production, Energy Policy, Volume 36, Issue 11, November 2008, Pages

57 Samma sak i Danmark Källa: Höök et al (2009) Future Danish oil and gas export. Energy, Volume 34, Issue 11, November 2009, Pages

58 Tyskland som exempel

59 Hela Nordamerika Källa: Robelius (2007) Giant Oil Fields The Highway to Oil, doktorsavhandling från Uppsala Universitet

60 Hur snabbt minskar befintlig produktion egentligen? 4.5% 4-6% 8% 8% % % CERA ExxonMobil Schlumberger T. Boone Pickens International Energy Agency Höök & Hirsch Detta innebär att mellan 4-7 miljoner fat per dag i ny produktionskapacitet måste tillföras per år bara för att hålla produktionen konstant! Detta motsvarar ungefär ett nytt Nordsjön per år!

61 Framtida utsikter och behovet av ny produktion Källa: Höök, Hirsch & Aleklett (2009) Giant oil field decline rates and their influence on world oil production, Energy Policy, Volume 37, Issue 6, June 2009, Pages

62 Framtidens oljeproduktion UKERC sammanställde över 500 studier nyligen och fann följande: Produktionspeaken kommer innan 2030, med signifikant risk innan 2020 Mer än 5 nya Saudi-Arabien måste hittas och exploateras innan 2030 enbart för att hålla dagens produktionsnivå konstant Spridningen hos de möjliga utfallen minskar snabbt i takt med att världens oljetillgångar sinar

63 Leave oil before it leaves us Dr. Fatih Birol, chefsekonom, International Energy Agency (IEA)

64 Andra peakar som kommer Kol och naturgas är också ändliga resurser som sinar med tiden, precis som oljan Inget hållbart samhälle kan byggas på dessa för peak gas och peak coal kommer att komma

65 Peak Gas

66 Peak Coal Källa: Höök et al (2010) Global coal production outlooks based on a logistic model. Fuel, Volume 89, Issue 11, November 2010, Pages

67 Kan gapet fyllas? Det hittas fortfarande olja, men allt mindre och mindre och de flesta platser är redan utforskade Finansiella utmaningar för att bekosta produktionen Även ny produktionsteknik har sina begränsningar i slutändan och man kan inte producera mer olja än vad man hittat i slutändan

68 Alternativa energikällor? Det finns gott om alternativ energi Frågan är dock om den kan byggas ut tillräckligt fort Tillväxthastigheter på hundratals procent behövs för att kompensera för ett enda års minskning i oljeproduktionen Vad som händer med fossil energi kommer att dominera framtidens energisystem

69 Biobränslen räcker inte långt! Världens sammanlagda majsproduktion motsvarar 2.6 miljoner fat olja per dag Räcker inte långt Dessutom behöver människor äta

70 Vindkraften då? Lovande teknik, men står i dagsläget för 0.1% av världens energiförsörjning Mycket utbyggnad behövs och en mängd tekniska landvinningar måste göras

71 Vindkraft i ett boom-scenario Även om vind växer lika fort som de mest extrema exemplen i historien så kommer bidraget att vara begränsat i överskådlig framtid Källa: Höök et al (2011) Growth rates of global energy systems and future outlooks, submitted to Natural Resources Research

72 Olika framtidsvisioner Det finns många prognoser för framtidens energisystem, men sällan visar de sig vara rätt Det vanligaste felet är att man gör groteska överskattningar av vad nya energikällor kan ge och hur snabbt de ska kunna ta över efter fossil energi Historien visar att man alltid överskattar hur snabbt omställningar av energisystem egentligen tar

73 Kärnkraftsboomen kom av sig Hubbert såg en massiv expansion av kärnkraften på 1950-talet som aldrig kom i verkligheten

74 Klimatanpassade scenarier Källa: Azar et al (2006) Carbon capture and storage from fossil fuels and biomass costs and potential role in stabilizing the atmosphere. Climatic Change, 74(1 3), 47 79

75 En strålande framtid?

76 Relativ energikonsumtion Olduvai-teorin

77 Sammanfattning Att förutspå framtidens energisystem är inte enkelt men det finns iallafall några rimliga verktyg Ändligheten hos den fossila energin kommer att påverka framtidens energiförsörjning radikalt Vilka nya energikällor som tar över är oklart samt hur snabbt det kommer att kunna gå Det krävs ju även energi för att ställa om energisystemen och frågan är om den fossila energin räcker till detta samtidigt som nuvarande samhälle ska upprätthållas

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