Kolets kretslopp i den globala energiförsörjningen, vilka är konsekvenserna?-

Transkript

1 i den globala energiförsörjningen, vilka är konsekvenserna?- University of Reading, UK ISSI, Bern, Schweiz

2 Frågeställningar Varför är koldioxiden ett problem? Hur regleras atmosfärens värmebalans? Den naturliga kolcykeln Den antropogena kolcykeln Hur påverkas klimatet?/hur kan vi finna en väg mellan Skylla och Karybdis?

3 Varför är koldioxiden ett problem? Koldioxid absorberar jordens värmestrålning och fungerar som en varmt täcke i ett kallt rum. En ökad mängd koldioxid i atmosfären har samma effekt på temperaturen vid jordytan som en förstärkt solstrålning. Den ökning vi hittills har haft av växthusgaserna sedan 1850 motsvarar en ökning av solarkonstanten med 1.2% eller 16 Watt/m 2 Koldioxid har en mycket lång uppehållstid i atmosfären. Av de ca. 400 miljarder ton fossilt kol som släppts ut under de senaste 200 åren finns fortfarande mer än 40% kvar. Därtill ca 50 miljarder ton kol från biosfären. Resten har assimilerats i hav och återassimilerats i biosfären. Vi har nu den högsta koncentrationen i atmosfären på åtminstone år.

4 Växthusgaser och klimat Trots av växthusgaserna i atmosfären endast finns i mycket ringa koncentrationer s har de ändå förmåga att påverka klimatet. Växthusgaserna är främst vattenånga (0.25%), koldioxid (0.06%), metan ( %), lustgas( %) och freongaser(<10-6 %) Trots detta är det tillräckligt att höja temperaturen vid jordytan med ca 33 C, varav vattenångan bidrar med ca 22 C och koldioxiden med ca 8 C Vattenångan skiljer sig från de övriga växthusgaserna genom sin korta uppehållstid ( ca 1 vecka) i atmosfären. Den kontrolleras helt av temperaturen. Vattenångan är en sorts klimatets Obelix medan koldioxiden kan mer ses som Asterix. Hur länge har vi känt till detta?

5

6

7 Svante Arrhenius, Uppsala 1896 Genomförde den första klimatberäkningen Visade att en fördubbling av koldioxiden i atmosfären leder till en temperaturhöjning på upptill ca 5 C Kände till att uppvärmningseffekten berodde på logaritmen av koncentrationen Tog hänsyn till vattenångans förstärkningseffekt via Clausius-Clapeyrons relation

8 Koldioxidhalten (CO 2 ) i atmosfären CO 2 mätes vanligtvis i ppm (parts per million volymdelar) 1 ton kol motsvarar 44/12 ton CO 2 = ton CO 2 1 Gton (10 9 ) kol= Gton CO 2 eller 0.48 ppm CO 2 genom att koldioxidens vikt är ca 1.5x luftens. Under de senaste åren före 1750 varierade koldioxidhalten mellan 180 och 280 ppm. Under de åren före 1750 varierade CO 2 inom 30 ppm Sedan 1850 har CO 2 halten stigit från 280 till 390 ppm ( senaste 10 åren med ca. 2 ppm /år).

9 : + 10 ppm : + 20 ppm

10

11 Antropogena kolutsläpp Gton/år = Pg/år

12 Emission Gton C Gton C to the atmosphere ca.50%

13 Hur regleras atmosfärens värmebalans? Den inkommande strålningen från solen balanseras av en lika stor mängd utgående värmestrålning från jorden. Hur är det då möjligt att temperaturen ändras? Detta kan bara ske om reflektionen dvs jordens albedo ändras. Om jordens opacitet eller isoleringsförmåga avseende jordens värmestrålning ökas så ändras inte utstrålningen. Däremot får vi en annan vertikal temperaturprofil med högre temperatur vid jordytan.

14 The radiation budget of the Earth E in = E out ¼ S 0 (1 - α) = ε σ T s 4 Annual averages of global energy flows W m -2 [Trenberth et al., 2009]

15 Huvudparametrar som är avgörande för jordens klimat S 0 = Solarkonstanten 1364 Wm -2 ( variation med ca 1 Wm -2 under de senaste 32 åren för vilka vi har tillförlitliga data utanför jordens atmosfär). Planetära albedot = 0.30 ( andelen solstrålning som reflekteras) Planetära emissiviteten = (kvoten mellan den till rymden utgående strålningen och strålningen vid jordytan)

16 The radiation budget of the Earth E in = E out ¼ S 0 (1 - α) = ε σ T s 4 Annual averages of global energy flows W m -2 Clouds, Aerosols surface [Trenberth et al., 2009]

17 The radiation budget of the Earth E in = E out ¼ S 0 (1 - α) = ε σ T s 4 Annual averages of global energy flows W m -2 Greenhouse gases [Trenberth et al., 2009]

18 The greenhouse effect Earth radia*on during cloud free condi*ons over the central tropical Pacific. The mean outgoing radia*on comes from ca 5km above the surface where the temperature is ca 34 C lower The greenhouse gases reduce outgoing radia0on OLR at 5Km altitude Blackbody emission at the tropical Ocean surface 1 8

19 Kolcykeln i Naturen Den naturliga kolcykeln arbetar på flera tidsskalor: Ett omfattande årligt utbyte på 120 Gton C med biosfären på land och ett annat med haven på ca. 90 Gton C. Vad händer med ett plötsligt tillskott av koldioxid? En reduktion på en kortare tid där 50% assimileras av vegetation och hav inom ca. 30 år. En medellång tid där 25% assimileras inom år En mycket lång tidsskala på åtskilliga tusentals år inom vilken övriga 15% assimileras. Ca. 10% stannar kvar ytterligare i många hundratusentals år.

20 Carbon emission (t) dt = C(0) at dt (1) C(t) is the carbon emission for year t. a is the averaged annual increase in emission, determined from observed data = 0.02 corresponding to a doubling time of ca 35 years. C(0) is the emission at year 1850 estimated to be 350 Mton. The formula gives Mton for year 2009 that is close to the estimate. Integration of equation 1 from 1850 until 2009 gives a value of 400 Gton (10 9 ton) coal. Half of this still remains in the atmosphere.

21 Global energiproduktion och CO 2 - emission (uppgifter från IEA, 2010) År / Parameter 1973 TPES ( i PWh/år) 1 PWh = kwh 71,1 CO 2 emission (Gton/år) (Alt 1) 2030 (Alt 2) CO 2 vid 450 ppm (1.80%/år) ( ) (2.01%/år) ( ) (1.44%/år) ( ) 167,3 (0.73%/år) ( ) 24.1 (+1.51%/år) 29.4 (+1.88%/år) (ca ton/sek)

22 Emission of CO 2 i Mton (10 6 ton) Land/År Ändring i % Sverige Version 1 USA Kina Vietnam

23 Emission of CO 2 i Mton (10 6 ton) Land/År Ändring i % Sverige Version 2 (+ 33 Mton från biomassa = 83) (+ 40 Mton från biomassa = 86) + 5 USA Kina Vietnam

24 Emission of CO 2 i Mton (10 6 ton) Land/År Ändring i % Sverige Version 3 S Wibe (+60%) (+ 20 Mton från biomassa = 70) (+ 24 Mton från biomassa = 70) + 0 USA Kina Vietnam

25 Den svenska situationen De globala CO 2 utsläppen uppgår nu till ca 1000 ton/sek eller 32 Gton/år. Det svenska fossila utsläppet uppgår till ca 1.5 ton/sek eller ca 46 Mton/år. Emellertid, det totala svenska utsläppet är snarare 86 Mton/år eftersom man valt att inte räkna CO 2 -utsläppet från biomassa! Biomassa genererar också mer CO 2 /mängd energi då den är mindre effektiv än fossil energi. Sverige kan genom sin litenhet ( i befolkning) och på grund av lyckliga omständigheter lösa sitt energiproblem på ett flertal sätt utan användning av fossil energi. Den omfattande användningen av biomassa är energimässigt förnuftigt men tyvärr kan man inte trolla bort dessa CO 2 utsläpp även om man försöker. Svenska lösningar kan tyvärr inte tillämpas på global skala genom att ex. vattenkraft, vågenergi, geovärme etc, inklusive vindkraft är otillräckliga. Enda realistiska alternativ är solenergi och kärnenergi (breederreaktorer)

26 Vad har hittills åstadkommits? Den enda minskning av växthusgaser som hittills har gjorts är minskningen av freongaserna. Detta gjordes INTE för att de är mycket starka växthusgaser utan för att få stopp på förstörelsen av ozonet i stratosfären. Problemet är brist på alternativ som är politiskt realiserbara samt att problemet ännu inte har tagits på riktigt allvar utan mer media- eller låtsas-allvar. En bidragande orsak är den stora osäkerheten i bedömningen och i det långsamma fortskridandet. Därtill svårigheten att identifiera en robust klimatändring i ett kaotiskt vädersystem. Här föreligger ett besvärligt kommunikationsproblem från expert till lekmän.

27 Strålningseffekt från antropogena växthusgaser Watt/m 2 Kyoto agreement CO2 CH4

28 Vad har hittills hänt med klimatet? Ändringarna har hittills varit ganska ringa och av samma omfattning som de naturliga variationerna i klimatet Den globala uppvärmningen är snart ca 1 C över land Andra tecken är uppvärmning av djuphavet, en omfattande glaciäravsmältning och reducerat istäcke i Arktis. Det blir alltmer osannolikt att detta beror på en slump

29 Jordens medeltemperatur

30 Global warming the last 50 years

31 Ranking of the global warmest years

32 De 11 varmaste åren sedan 1900 Källa NOAA (2010 (Jan-Oct)) Globalt medelvärde för land och hav Av de 11 varmaste åren sedan 1900 inträffade 10 efter år 2000 NOAA Satellite and Information Service National Climate Data Centre

33 Hur kommer klimatsystemet att reagera över en fortsatt ökning av växthusgaserna? En fortlöpande höjning av temperaturen vid jordytan En avkylning i stratosfären Mer vattenånga i atmosfären (+ 6-7% för + 1 C) Gradvis ändring av nederbördszonerna Ökande nederbördskontraster (mer nederbörd i regnrika områden och mindre i torra). ( norr om 60 N % mer nederbörd mot slutet av detta sekel). Dessutom ökad extremnederbörd. Långsamt stigande havsvattenstånd främst på grund av smältvatten från glaciärer ( nu + 3mm/år). Kommer sannolikt att gradvis öka.

34 IPCC projections of the surface temperature changes for two decades of the 21st century ( compared to the end of the last century)

35 Changes in the hydrological cycle

36 Hur skall vi bäst kryssa mellan Skylla och Karybdis? Världens behov av energi kommer fortsätta att öka då det är ett huvudvillkor för fortsatt ekonomisk och annan utveckling Ökningen kommer huvudsakligen att ske i tillväxtländerna Det är högst sannolikt att det kol och den olja som ekonomiskt kan utvinnas kommer att utvinnas De enda realistiska alternativen för att lösa jordens energiproblemet utan fossilt bränsle är solenergi och kärnkraft (på sikt breederreaktorer och kanske fusionsenergi). Enskilda länder kan finna alternativa lösningar beroende på unika nationella omständigheter (som låg befolkningstäthet, vattenkraft, bioenergi mm). Detta är inte möjligt för en befolkning på 7-9 miljarder människor.

37 Hur skall vi bäst kryssa mellan Skylla och Karybdis? Sannolikt kommer tillgänglig fossil energi att användas. Låt oss anta ca 600 Gton ekvivalent kol kommer att användas under de närmaste 50 åren. Om fördelningen av koldioxid sker på samma sätt som under de senaste åren så kommer atmosfärens koldioxidhalt att öka från ca 400 ppm till 550 ppm. Om övriga växthusgaser inte stiger bör detta begränsa jordens uppvärmning initialt med ytterligare ca C. En sådan bedömning är sannolikt den mest positiva som kan göras. På sikt finns uppenbara risker som inte realistiskt kan förutses då vi i detta fall befinner oss i en situation som vi sannolikt inte har haft på jorden på ca 35 milj år.

38 Hur skall vi bäst kryssa mellan Skylla och Karybdis? Den nuvarande politiska och ekonomiska situationen i Europa och USA gör det sannolikt omöjligt att genomföra omfattande energiinvesteringar i massiv solenergi eller kärnkraft i stor skala. Hur skall man kunna övertyga en alltmer tekniskt/vetenskapligt negativ opinion? Och en opinion som är ovillig att sätta sig in i den nödvändiga problematiken. Istället är risken stor att man plottrar bort sina resurser i aktiviteter som är politiskt/medialt säljbara som ex en våldsamt utbyggd vindkraft. Däremot är detta sannolikt mer troligt i Kina och i andra asiatiska länder där teknikfientligheten inte är lika utbredd. Min bedömning är att Kina om ett antal år kommer att ta ledningen inom en storstilad omläggning mot nya energisystem.

39

40 Klimatutmaningen Undvik det okontrollerbara - undvik en katastrof i slow motion Detta kräver framför allt nya tekniska lösningar och en rationell inställning till energiproduktion och energianvändning Kontrollera det oundvikliga För Sveriges del huvudsakligen förväntade ändringar i vattencykeln (ökad nederbörd, mer häftig nederbörd)

41 END Tack for uppmärksamheten!