Det Globala Energisystemet

Transkript

1 Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 10: Highlights från kursen Geocentrum, Uppsala, Dr Mikael Höök, universitetslektor Globala Energisystem, Uppsala Universitet

2 Highlights från kursen

3 Vad är energi Enheter Energityper Omvandlingar Skillnaden effekt och energi Energisystemets delar Föreläsning 1 Primärenergi Sekundär energi (energibärare) Energitjänster Det globala energisystemets upplägg

4 Energi? Många är bekanta med ordet eller konceptet Förknippas ofta med kraft, möjlighet, förmåga eller potential Rent naturvetenskapligt definieras energi som förmågan att utföra fysikaliskt arbete (och därmed påverka den fysiska verkligheten) Arbetet vara nyttigt eller onyttigt för människan

5 Energisystemets delar

6 Det globala energisystemet Världens totala energiproduktion motsvarar miljoner ton oljeekvivalenter (Mtoe), Där den fossila andelen är 81.2% eller 9961 Mtoe. Källa: IEA

7 Källa: IEA Världens elförsörjning

8 Föreläsning 2 Framväxten av olika energikällor Förhistorisk tid Historisk tid Den industriella revolutionen och ångmaskinens era Fossilberoendets början vid 1850-talet Framväxten av det moderna samhällets beroende av fossil energi men även en rad andra biprodukter och tjänster från fossila bränslen

9 James Watt vår hjälte Arbetade som ung ingenjör med ångmaskiner av Newcomens typ Insåg att de kunde förbättras avsevärt Designade sina egna ångmaskiner som var runt fem gånger bättre än Newcomens föregående modeller Kunde även skapa roterande rörelse James Watt

10 Den industriella revolutionen Med värmemotorer kunde mänskligt arbete ersättas och man kunde åstadkomma mycket mer arbete på kortare tid tack vare nya maskiner Ångmaskiner kunde driva fartyg, pumpa vatten, lyfta saker och driva allehanda andra maskiner precis där man ville Halvmekaniserade manufakturer och tidiga fabriker började dyka upp som svampar ur jorden

11 Världens energiförbrukning

12 Befolkningstillväxten

13 Föreläsning 3 Hur fossil energi bildas Karbonperioden och andra deponeringsepoker Sedimentering och sedimentära bassänger Petroleumsystemets delar Hur oljefält bildas och ser ut Kolgeologi Olika koltyper och hur de uppkommer Skillnaden på reserver och resurser

14 Hur bildas kol & petroleum? Olja bildas av marina sediment. Främst plankton och bakterier Kol bildas från växtdelar från gamla träsk/sankmarker Naturgas kan bildas från både kol och olja

15 Källa: Berner (2001), Scotese (2008) Den geologiska tidsskalan

16 Världens sedimentära bassänger Det mesta av världens oljebärande regioner har sedan länge identifierats Bassänger på land är gröna och offshorebassänger är purpurfärgade Källa: Schlumberger Middle East Well Evaluation Review, Number 10, p. 8.

17 Petroleumsystemet 1. Moderbergarten genererar petroleum som senare pressas ut på grund av sin volymökning 2. Expulsion och migration följer och leder mot en uppsamlingsplats, kallad reservoar 3. Ett sigill, även kallad fälla, hindrar ytterligare rörelse mot ytan 4. Ackumulering sker i reservoaren Om något steg misslyckas blir det inget olje/gasfält!

18 Olje- & gasterminologi Resurser Avser den mängd olja som finns innesluten i reservoaren men allt går inte att få upp av fysikaliska, tekniska och ekonomiska anledningar Geologiska förekomster utvinningsbara Reserver Avser de mängder som är tekniskt, ekonomiskt möjliga att få upp Utvinningsbara mängder i normalt språkbruk

19 Distribution av koltyper

20 Föreläsning 4 Okonventionella kolväten Stora resurser men oklart om de kan utvinnas Stor geologisk osäkerhet i vissa fall Urantillgångar Världens reserver domineras av relativt få länder Komplex kemi och många uranbärande formationer Förnybar energi Beroende på lokala förutsättningar Bördighet, blåsighet, solighet, etc

21 Globala urantillgångar 1 Australien 36.0% 2 Kanada 14.7% 3 Kazakhstan 14.3% 4 Niger 8.9% 5 Brasilien 7.2% 6 Sydafrika 4.5% 7 Namibia 3.2% 8 Uzbekistan 3.1% 9 Ryssland 3.0% 95% av världens uran finns i bara 9 länder Yellowcake - uranbaserad halvfabrikat som senare blir kärnbränsle

22 Globala vindresurser Källa: Lu et al (2009) Global potential for wind-generated electricity. Proceedings of the National Academies of Sciences, 106(27):

23 Global solenergipotential

24 Föreläsning 5 Förbränningens fysik Förbränningsreaktionen och dess produkter Petroleum- och gasexploatering Seismiska undersökningar Utvinningens delar Kolexploatering Kolbrytning Ångpannor och ångturbiner

25 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)

26 Seismisk undersökning

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

28 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

29 Destillationstorn

30 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

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

32 Föreläsning 6 Kärnbränslecykeln Anrikning Reaktorns upppbyggnad Vanliga reaktortyper Avfallsfrågan och social acceptans Förnybar energi Solvärme och solceller Vatten/vindturbiners generella uppbyggnad

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

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

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

36 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

37 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

38 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

39 Solenergi Solvärme Solelektricitet Värmestrålning fångas in och används för uppvärmning eller i ångturbiner Enkel och beprövad teknik Solens ljus kan ombildas direkt till elektricitet utan att man behöver använda turbiner Mer avancerad teknik men lovande

40 Turbintyper Två olika kategorier av turbiner Impulsturbiner Ändrar riktningen på vattenflödet och flyttas av den resulterande kraften Exampel: Pelton, de Laval, Turgo-turbiner Reaktionsturbiner Rör sig på grund av vätskans tryck eller vikt Exampel: Francis, Tyson, Kaplan

41 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

42 Föreläsning 7 Vetenskapliga framtidsprognoser Forecasting Olika typer av tillväxt Ändliga resurser Vad gör resurser ändliga Hur påverkar ändligheten framtida användning Peak Oil Framtidens utmaningar rörande fossil energitillförsel

43 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

44 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

45 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

46 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

47 Kopplingen mellan enskilda fält till en hel region Peak Oil

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

49 Föreläsning 8-9 Vilka sektorer använder samhällets energi? Industrier och privatsektorn Energisäkerhet Energi är vitalt för ekonomisk välfärd Kopplingen mellan energiresurser och säkershetspolitik Energi och miljöpåverkan Energiprduktion dominerar växthusgasutsläppen Många andra miljöproblem är relaterade till energi

50 Energikostnaden 1 fat bensin (=159 liter) innehåller 6.12 GJ and kostar runt 100 dollar (640 kr) Bensin är den billigaste vätskan man ka köpa i USA 300 kg kol motsvarar ett fat olja och kostar kring 18 dollar 156 kubikmeter natur gas ger samma energimängd som ett fat olja och kostar kring 40 dollar

51 Energianvändning per sektor

52 Energin inom industrin

53 Transportsektorn Mer än 95% av all energi inom transportsektorn kommer från olja och oljeprodukter Resten är främst elektriska tåg Bensin, diesel och jetbränsle är de vanligaste drivmedlen Fartyg använder diesel eller eldningsolja

54 Energi & jordbruket För varje kalori mat vi äter så har 3-4 kalorier fossil energi sprayats på fälten som gödning Den gröna revolutionen och den snabba befolkningstillväxten efter 1950-talet är ett resultat av att göda jordbruksmarkerna med petrokemikalier Jordbruk har ändrats mer under de senaste 50 åren än under de föregående 2000 åren

55 Spannmålsproduktionen

56 Annan påverkan Förutom direkt användning påverkar energin samhället via flera andra mekanismer 1. Energipolitik 2. Energisäkerhet 3. Utsläpp och föroreningar

57 Billig energi ger fler jobb Genom att hålla låga energipriser kan man ofta skapa eller behålla jobb inom sitt land Låga priser på drivmedel och energi efterfrågas ofta av väljare som inte vill få för dyra räkningar för att leva Billig energi är viktigt för att behålla sin industri Subsidier till kolbrytning i England och Tyskland Subsidier till bränslen i många länder

58 Energisäkerhet En säker tillgång på energi till rimligt pris är viktigt för att ha en stabil ekonomi och en nationell säkerhet enligt många politiska doktriner Olja är vad som driver det moderna samhället och här återspeglas det tydligast Nästan alla länder behöver olja men få har stora egna nationella reserver

59 Sammanfattning Kina, USA med flera har inget val än att vända sig till Afrika för att kunna få sin efterfrågade olja Olja finns bara på vissa platser och dit måste man om man vill ha oljan

60 Några uppenbara samband Man kan inte släppa ut mer fossil energi än vad som kan produceras Det går inte att producera mer fossil energi än vad som finns geologiskt och är tekniskt utvinningsbart Framtida produktion av fossil energi och fossila koldioxidutsläpp hänger nära ihop

61 Kopplingen olja & ekonomi 1. Olja är fundamentalf för ekonomiskt välbefinnande 2. Världens BNP-tillväxt och oljeförbrukning har intimt hängt ihop i årtionden Källa: IEA (2008) World Energy Outlook 2008

62 Olja och framtidens ekonomi Hirsch (2008) bestämde relationen mellan procentuell förändring i världens oljetillgång och NP-tillväxt till ungefär 1:1 Höga oljepriser underminerar ekonomin då oförmåga att möta efterfrågan skapar finansiella problem Framtida finanser och ny oljeåproduktion hänger intimt ihop Källa: Hirsch (2008), Mitigation of maximum world oil production: Shortage scenarios, Energy Policy, Volume 36, Issue 2, February 2008, Pages

63 Kort sammanfattning

64 Energi och miljö Förbränning genererar alltid koldioxid samt potentiellt andra oönskade utsläpp Dessa kan vara miljöfarliga och orsaka stora problem Koldioxid och andra växthusgaser har pekats ut som ansvariga för att ändra jordens klimat och göra det varmare NOx, SOx och andra substanser ger surt regn som kan skada skogar och byggnader

65 Miljöproblem Smog och dis Surt regn Landskapspåverkan från gruvdrift Klimatförändringar Förgiftning av land och mark

66 Avslutande ord Nu hoppas vi att ni fått en bra överblick av det globala energisystemet Många andra energikurser finns om man vill lära sig mer Energi kommer alltid att vara en viktig del av samhället Energi är ett prima område att göra karriär inom!!!

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