Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 8: Energi i miljön och samhället Ångströmlaboratoriet, Uppsala,

Transkript

1 Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 8: Energi i miljön och samhället Ångströmlaboratoriet, Uppsala, Simon Davidsson, doktorand Globala Energisystem, Uppsala Universitet

2 Dagens föreläsning Energi i samhället Vad betyder energi för ekonomin Vilka sektorer i samhället konsumerar energi? Vilka energibärare efterfrågas? Elsystemet Energi och miljön Vilken miljöpåverkan har vår energianvändning på vår lokala och globala miljö? 2

3 Energi i samhället Dagens moderna samhälle konsumerar oerhörda mängder energi vilket är en förutsättning för en modern ekonomi I slutändan är det samhällets användning och efterfrågan som styr vilken energi som produceras! Man kan dela upp samhället i tre huvudsakliga sektorer som förbrukar energi Transporter Industrin (inklusive jordbruk) Byggnader och service 3

4 Energi och ekonomin Energi utför arbete (och arbete ger pengar?) 1 fat olja motsvarar timmar mänskligt tungt kroppsarbete vilket motsvarar ungefär 12 personer som arbetar heltid ett helt år Olja kan utvinnas för så lite som 1 dollar/fat I praktiken gratis energi som lägger grund till mycket av dagens moderna ekonomier 4

5 En liter bensin En liter bensin motsvarar den energi som krävs för att lyfta en bil till toppen av Eiffeltornet Skulle du lyfta en bil till Eiffeltornets topp för 15 kr? Olja är extremt billigt i förhållande till arbetet den ger 5

6 Oljeslavar 50 liter bensin motsvarar 1000 personers dagsverke 85 miljoner fat per dag motsvarar omkring 233 miljarder människors arbete under ett år 6

7 Pris på fossil energi 1 fat bensin (=159 liter) innehåller 6.12 GJ och kostar runt 100 dollar (640 kr) 300 kg kol motsvarar ett fat olja och kostar kring 18 dollar 156 kubikmeter naturgas ger samma energimängd som ett fat olja och kostar kring 40 dollar 7

8 Fossil energi är extremt billigt Jämfört med kostnaden för muskelarbete är fossil energi oerhört billigt Det är inte konstigt att maskiner som drevs med fossil energi enkelt konkurrerade ut tungt kroppsarbete vid den industriella revolutionen Än idag ger billig fossil energi oss förmågan att uträtta vad som tidigare skulle ha krävs miljoner eller miljarder människors slitgöra vilket ger oss möjligheter att göra annat 8

9 Global energianvändning 9 Källa: Cullen JM, Allwood JM, The efficient use of energy: Tracing the global flow of energy from fuel to service. Energy Policy, 38(1), 75-81

10 Energianvändning per sektor

11 Energianvändning i olika länder Energiförbrukning är starkt bundet till ekonomisk utveckling 11 Källa: IVA, KVA (2012) Energi Möjligheter och dilemman

12 Livskvalité och energi En hög levnadsstandard hänger ofta ihop med energiförbrukning Kylning av mat, klimatkontroll, elektricitet, sjukvård, belysning och mycket annat som gör livet lättare att leva kräver mycket energi Produktion av medicin, överskott av mat, fri transport av varor och personer går bara med överskott på energi 12

13 Energianvändning och HDI 13

14 Sveriges energianvändning olika sektorer 23% 36% 40% Källa: Energimyndigheten (2011). Energiläget

15 Sveriges energianvändning olika energibärare Källa: Energimyndigheten (2011). Energiläget

16 Industrins energianvändning globalt 16

17 Metallindustrin Stålverk och metallproduktion kräver mycket energi, speciellt aluminium Smältning, pressning, rullning, härdning, rostning, elektrolysering med mera Många energiintensiva processteg för att få fram önskade legeringar 17

18 Kemisk industri Stora mängder energi krävs för att värma kemikalier och få dem att reagera med varandra Haber-Bosch (ammoniak) Bunsen (svavelsyra) Hydrogenering (vätetillskott) Cumene (ger fenol & aceton) 18

19 Papper/pappersmassa För pappersindustrin är i regel elkostnaden större än kostnaden för träråvara Dra ut träfibrerna på kemisk eller mekanisk väg Pappersbruk Pappersmassa 19

20 Svensk industri Några få branscher står för merparten av energiförbrukningen i svensk industri Sveriges massa- och pappersbruk drar ca hälften av energin, bland annat flera procent av den totala elförbrukningen i landet (maler sönder ved med eldrivna kvarnar) 20

21 Effektivisering Industrin har ständigt förbättrat sin teknik och gjort stora effektiviseringar Det finns dock gränser för vad ny teknik kan leverera och man kan aldrig komma under de fysikaliska gränserna för vilken energi som krävs Att värma ett kilo vatten kostar alltid 4.18 kj eller mer där effektiva tekniker behöver mindre extraenergi än dåliga 21

22 Effektivitetsvinster i industrin 22

23 Jordbruk En av våra viktigaste industrier är såklart jordbruket som försörjer oss med mat 23

24 Den gröna revolutionen Mellan 1950 och 1984, då den gröna revolutionen transformerade jordbruket världen över, ökade spannmålsproduktionen med 250% Detta är en enorm ökning av den tillgängliga matmängden för samhället Denna nya energimängd kom inte från ökad solinstrålning eller ökad mängd jordbruksmark 24

25 Spannmålsproduktionens utveckling 25

26 Agrikemikalier Drivkraften bakom den gröna revolutionen kom från fossil energi Kvävegödning (från naturgas via Haber-Bosch) Pesticider, fungicider, insekticider och syntetiska tillväxthormoner (görs från olja) Fossildriven konstbevattning och otaliga jordbruksmaskiner som drivs med diesel 26

27 Jordbrukets energiförbrukning 27

28 Jordbrukets energiförbrukning II 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 28

29 Var ska vi producera maten? Det känns ofta ologiskt att köpa mat som importerats långväga, men transporter är ofta inte den största delen av energiförbrukningen eller koldioxidutsläppen Svenska tomater som odlas i fossileldade växthus släpper t ex ut 5 gånger mer växthusgaser än spanska som växt utomhus Dagens jordbruk (och annan industri) är beroende av långa transporter 29

30 Transportsektorn Transporter utgör en oerhört viktig del av samhället och den moderna ekonomin Globalt kommer mer än 95% av all energi inom transportsektorn från olja och oljeprodukter Resten är främst elektriska tåg Bensin, diesel och jetbränsle är de vanligaste drivmedlen Fartyg använder diesel eller eldningsolja 30

31 Vad levererar raffinaderierna? Källa: Nygren et al (2009) Aviation fuel and future oil production scenarios. Energy Policy, Volume 37, Issue 10, October 2009, Pages

32 Vad vill transporterna ha? Generellt går tung trafik på diesel och lättare trafik som personbilar på bensin Dieseldrivna personbilar blir allt vanligare, fartyg går mer och mer på diesel på grund av miljökrav Raffinaderierna har idag svårt att producera tillräckligt mycket diesel och samtidigt bli av med bensinen 32

33 Utvecklad transport Bil/lastbil utgör det mesta av transporterna i industriländerna Vägtransporterna ökar för varje år 33

34 Outvecklad transport Andra länder har andra lösningar Ofta petroleum-effektiva Kommer dessa byta till elbilar? 34

35 Bostäder och service I Sverige använder bostäder/service 40 % av den totala energiförbrukningen Här räknas bostäder, kontorslokaler, och service som ventilation, gatubelysning, reningsverk osv in Energiförbrukningen har legat ganska konstant sen 1970-talet pga effektiviseringar och övergång från olja till fjärrvärme Globalt ökar denna energianvändning 35

36 Energianvändning bostäder och service Kommersiell sektor Bostadssektorn 36

37 Bostäder Energi till uppvärmning, matlagning, hushållsapparater etc. När man bygger ett hus står det ofta kvar i år (eller mer) De flesta husen i samhället är gamla vilket gör det svårare att minska förbrukningen Det finns idag teknik att bygga hus som konsumerar mycket lite energi Trots detta ställer byggnormerna fortfarande relativt låga krav 37

38 Uppvärmning kräver mycket energi Teknologi gör det möjligt att bo bekvämt i kalla klimat om man bara har energi Norra Europa, Ryssland och Nordamerika konsumerar stora mängder värme (speciellt vintertid) 38

39 Uppvärmning Mängder av olika tekniker: Olje- och naturgaspannor Ved/pelletspannor Fjärrvärme Direktverkande el Värmepumpar Solvärme Effektiva uppvärmningssystem och låga värmeförluster kan skapa enorma energibesparingar 39

40 Fossila bränslen och biobränslen Ojepannor var väldigt vanligt i Sverige fram till 1970-taleta oljekriser Har fasats ut till fördel för el, ved/pelletspannor värmepumpar, fjärrvärme Naturgas är väldigt vanligt i vissa andra länder, t ex Storbritannien I Sverige är pelletspannor och ved vanliga i samanhang där man ej kan ansluta sig till fjärrvärmenätet 40

41 Fjärrvärme Stora värmeanläggningar producerar värme effektivare (och producerar ofta även el) och leder ut varmt vatten till konsumenter Effektiv uppvärmning som är väldigt vanlig i Sverige idag Förr mycket olja och kol, på 1980-talet en del värmepumpar, idag nästan bara biomassa i Sverige Uppsala eldar främst torv och avfall 41

42 Direktverkande el På och 80-talen byggde Sverige flertalet kärnreaktorer vilket medförde ett överskott på (och lågt pris) på el Detta gjorde det lönsamt att värma upp hela villor med direktverkande el Man gör alltså om el med kvalitetsfaktor 1,00 till värme på ca 20 grader och kvalitesfaktor nära 0. Värmepumpar får upp effektiviteten markant, men fortfarande används el till uppvärmningen 42

43 Värmepumpar Användningen har ökar kraftigt på senare år I takt med att elen blivit dyrare byter många från direktverkande el till värmepumpar Ger 3-5 gånger mer värme än elenergin den förbrukar Vanligt att man ökar effektiviteten med att ta värme från borrhål i berg eller från marken Använder fortfarande el till uppvärmning, om än mycket mindre än direktverkande el 43

44 Solvärme Effektivt och enkelt sätt att producera värme Kan kombineras med ackumulatortankar för att lagra värme Ofta komplement till annan uppvärmning eller till tappvarmvatten Vanligt i varma delar av världen, t ex sydeuropa 44

45 Kyla Globalt går väldigt stora mängder energi åt till kyla Ofta används air conditioning (AC) som i princip är en värmepump som körs baklänges (konsumerar elektrisk energi) Tyvärr bryr man sig inte om att isolera husen så noga i varma länder, men kör gärna på med AC Fjärrkyla blir vanligare och vanligare 45

46 Energisparhus/passivhus Källa: IVA, KVA (2012) Energi Möjligheter och dilemman 46

47 Elsystemet En stor del av energin i världen används i form av elektrisk energi som måste produceras samma tidpunkt den används Efterfrågan och produktionen är variabel vilket måste balanseras Om efterfrågan vid en tidpunkt är större än produktionen kan effektbrist uppstå För att undvika detta upphandlar Svenska kraftnät, som ansvarar för balansen, en effektreserv 47

48 Elnät Andelen elektrisk energi spås öka i framtiden vilket ställer nya krav på överföring av elektricitet Många av källorna till elektrisk energi har en variabel produktion varför lagring överföring av energi mellan olika regioner, lagring av el och eventuellt smarta elnät kommer bli viktiga För överföring av el långa sträckkor används ofta likströmskablar med väldigt hög spänning, (HVDC) 48

49 Lagring av energi Mängder av olika sätt att lagra (el)energi finns eller har föreslagits Komprimerad luft Svänghjul Pumpkraft Batterier Lagra värme i t ex salt Problemet är ofta att förlusterna är stora eller att metoderna är dyra 49

50 Smarta elnät Kan innehålla distribuerad produktion, dvs mindre elproduktionsanläggningar så som solceller Kan försöka styra konsumtionen, t ex med ITlösningar som smarta elmätare Energilagring Tros kunna öka de möjliga tillskotten av förnybar energi från sol och vind 50

51 Vem ska betala för detta? Svenska kraftnät ansvarar för effektbalansen i Sverige, upphandlar bland annat en effektreserv (snart ska detta skötas av marknaden) Idag säljs elen från de nordiska länderna på en gemensam elmarknad Nord Pool, på längre sikt finns planer på en gemensam elmarknad för hela EU Vems ansvar ska det vara att se till att effekten finns när den behövs och vem ska betala för det? 51

52 Återigen energibärare De olika sektorerna efterfrågar olika energibärare Transporter använder i princip bara oljeprodukter Olika industrier behöver olika energibärare, men ofta el, kol och olja Lokaler vill ha el, värme och kyla, men från vad? Om fossila bränslen ska ersättas med förnybart måste användningen förändras också 52

53 Energianvändning i framtiden Energianvändningen i världen ökar hela tiden och de flesta förutspår en fortsatt ökad efterfrågan på energi i framtiden Framförallt i utvecklingsländer ökar både befolkningen och energianvändning per person Kina ökar sin energiförbrukning med ca 5% per år I takt med utbyggnad av förnybar energi förutspås ofta andelen elenergi öka, men hur mycket och hur snabbt? 53

54 Energieffektivisering Ofta föreslås energieffektivisering som en viktig del som ersättning för fossil energi Vissa scenarier för framtiden förutspår t o m ett minskat energibehov pga effektiviseringar, bland annat genom ökad elektrifiering av samhället Historiskt har detta inte hänt Effektiviseringar leder tyvärr ofta inte till en total minskning av energianvändningen (Jevons paradox) 54

55 Jevons paradox Tekniska framsteg som minskar förbrukningen av en resurs tenderar att leda till en ökning av förbrukningen av resursen i slutändan Minskad förbrukning sänker kostnaden vilket ökar efterfrågan på resursen Kallas idag ofta rebound effect Kan man energieffektivisera sig bort från vårt fossilberoende? William Stanley Jevons 55

56 Import/export Idag mäts oftast energianvändningen efter vilka energibärare som används inom landet När vi importerar något från ett annat land hamnar alltså energianvändningen och därmed utsläppen hos dem När vi flyttar fabriker till Kina och importerar varorna minskar alltså vår energiförbrukning Det föreslås allt oftare att energiförbrukning och växthusgasutsläpp ska ta hänsyn till detta 56

57 Sammanfattning så här långt Fossil energi har erbjudit väldigt billig energi som har möjliggjort utvecklingen av vår moderna ekonomi Industrin, transporter och bostäder/service konsumerar stora mängder energi och kan inte byta energibärare på kort tid Världens energibehov ökar ständigt Energieffektiviseringar kan bli viktiga men leder nödvändigtvis inte till en totalt mindre energianvändning 57

58 Energi och miljön All energiproduktion har alltid någon påverkan på miljön Vanliga miljöproblem orsakade av energiproduktion är: Klimatförändringar Försurning Partikelutsläpp och smog Landskapspåverkan Spridning av giftiga ämnen 58

59 Växthuseffekten 59

60 Global uppvärmning Växthuseffekten i sig är inget problem utan en förutsättning för liv på jorden Främst genom vår användning av fossila bränslen som leder till ökade utsläpp av växthusgaser ökar mänskligheten på denna effekt ofta kallas global uppvärmning Sedan slutet av 1800-talet har koldioxidhalten i atmosfären ökat med ca 30% och medeltemperaturen med 0,7 grader 60

61 Temperaturen på jorden Den klassiska hockeyklubban 61

62 Osäkerheter gällande global uppvärmning IPCC:s fjärde syntesrapport slog fast att klimatet förändras och att det är mycket sannolikt att människan påverkar detta, här är forskarna rörande överrens Däremot råder fortfarande en diskussion om hur stora förändringarna kommer kunna bli och vad konsekvenserna blir Klimatsystemen är väldigt komplexa! 62

63 Osäkerheter gällande global uppvärmning II Det råder vissa osäkerheter angående hur vi påverkar mängden vattenånga (och moln) samt hur våra utsläpp av partiklar påverkar klimatet Det finns troligen återkopplingsmekanismer som är svåra att förutspå och kan skapa tipping points, t ex metan från permafrost, mindre reflekterat solljus från isar osv Samtidigt är det tveksamt om det finns tillräckligt mycket fossila bränslen för att nå upp till IPCC:s scenarier, men konsekvenserna kan bli stora oavsett 63

64 Försurning Kallas ofta surt regn och orsakas av utsläpp av främst svaveldioxid SO 2 och kväveoxider NO x I reaktioner med vattenånga bildas svavelsyra och salpetersyra vilket leder till surt regn 64

65 Försurning II Olika bränslen innehåller olika mycket svavel Går att rena bort ur rökgaser förhållandevis enkelt med t ex scrubber och tillsatt kalk Sverige använder mest lågsvavliga bränslen (men någon använder de högsvavliga istället) NOx uppstår vid förbränning i luft vid hög temperatur Svårare att rena bort men minskas med katalytisk rening Effekterna minskas ibland med t ex kalkning av sjöar 65

66 Utsläpp från förbränning Förbränning orsakar alltid utsläpp av partiklar och mängder av olika föreningar som är skadliga för miljön eller hälsovådliga Löstes först med högre skorstenar Går ofta att åtgärda med rökgasrening, men det kostar pengar 66

67 Smog i städer Stora problem i större städer Innehåller många hälsovådliga ämnen 67

68 Cyklon Rökgasrening Mekanisk avskiljning av partiklar Textilfilter Elektrofilter Avskiljer partiklar med en elektrisk spänning Skrubber tvättar bort partiklar och vissa föreningar Katalytisk avgasrening T ex katalysatorn på en bil 68

69 Koldioxidavskiljning Koldioxid går inte att få bort med vanlig rökgasrening Det finns metoder för att avskilja koldioxiden Medför en ökad bränsleförbrukning och högre kostnad Går det att lagra koldioxiden någonstans? Förutspås ofta en ljusnande framtid och ett sätt att fortsätta använda kol och samtidigt minska klimatpåverkan 69

70 Förnybar energi och kärnkraft All energiproduktion har en viss miljöpåverkan Det krävs ofta stora mängder fossil energi för att få de andra energiformerna att fungera Förnybar energi kräver t ex metaller, cement, transporter Kärnkraft är beroende av smutsig uranbrytning, energiintensiv anrikning osv Vattenkraft ses ofta som miljövänlig men ny vattenkraft har enorm lokal miljöpåverkan 70

71 Vindkraft Visuella effekter Buller Markanvändning Kablar och vägar tar yta, delar av ekosystem Vanligare och vanligare i fjällmiljö, vad gör det för den lokala miljön? Fåglar och fladdermöss? 71

72 Bioenergi Biologisk mångfald Ger ofta upphov till monokulturer Död ved viktig för vissa arter Om vi ska odla bioenergi får vi jordbrukets problem med koldioxidutsläpp, övergödning osv på köpet 72

73 Vattenkraft Översvämmar stora arealer, förändrar vattendragen och förhindrar fiskarnas vandring Skapar en artificiell sjö med varierande vattennivå Stoppar sedimenttransport 73

74 Vattenkraftens klimatpåverkan Har alltid setts som bra för klimatet, men ny forskning ifrågasätter klimatnyttan i ny vattenkraft i tropiska klimat Bui Dam, Ghana 74

75 Gruvdrift Förstör ofta stora områden, erosion, biologisk mångfald osv Den önskade metallen utgör ofta en väldigt liten andel av det man bryter vilket skapar stora mängder gruvavfrall som ofta innehåller giftiga ämnen Läckage av giftiga ämnen till grundvatten och ytvatten in situ kan minska mängden gruvavfall men vad händer med kemikalierna som pumpas ner? 75

76 Brytning av metaller Dagbrott, underjordiska gruvor och in situ leaching har lite olika påverkan men brytning av malmer/metaller orsakar alltid stor lokal miljöpåverkan Ofta hårda miljökrav, men gruvor vanliga i fattiga länder där det inte är lika noga alltid Vanligt med småskalig olaglig gruvbrytning som ofta har oerhört stor miljöpåverkan 76

77 Uranbrytning Kan brytas på olika sätt men orsakar alltid att radioaktivt gruvavfall skapas som inte ska sprida/läcka radioaktiva ämnen 77

78 Giftspridning Gruvdrift frigör ämnen till naturen som varit bundna i marken och kan nå t ex vattentillgångar (t ex tungmetaller, radioaktiva ämnen, syra) Gruvavfall från urangruvor innehåller radioaktivt material, men även t ex sällsynta jordartsmetaller kommer med radioaktiva ämnen på köpet Rökgaser för med sig vissa metaller t ex kvicksilver som sprids i naturen 78

79 Lokal vs globala miljöproblem Det kanske största globala miljöproblemet, global uppvärmning orsakas främst av fossila bränslen Ersättningar till fossila bränslen ger ofta mindre koldioxidutsläpp, men ibland mer lokala miljöproblem, kanske måste vi acceptera dessa? Samtidigt löser minskad användning av fossil energi andra lokala miljöproblem, som t ex smog i storstäder 79

80 Mänsklig hälsa Källa: Starfelt & Wikdahl. Economic Analysis of Various Options of Electricity Generation Taking into Account Health and Environmental Effects. (Baserat på siffror från ExternE projektet)

81 Dödsfall bioenergi Vanligaste sättet att använda bioenergi är traditionell bioenergi till matlagning etc Elda biobränsle inomhus är farligt (och vanligt)! 81

82 Miljöeffekternas påverkan på ekonomin Energiproduktion medför alltid externa kostnader, dvs en negativ påverkan på tredje part som ej kan påverka beslut Miljöförstöring kan vara väldigt kostsamt rent samhällsekonomiskt om sådana faktorer vägs in Kan vara svårt att kvantifiera sådana kostnader och bestämma vem som ska betala vad till vem 82

83 Sammanfattning miljöeffekter All energikonsumption påverkar miljön lokalt eller globalt Det största globala miljöproblemet med global uppvärmning löses med att vi slutar använda fossil energi (vilket vi kanske tvingas till ändå?) Andra mer lokala miljöproblem måste också lösas, däribland surt regn, förgiftning och smog Om man räknar in externa kostnader av användning av fossil energi, vad är billigast då? 83

84 Tack för uppmärksamheten! 84