Global Uthållig Energiförsörjning Energi Förr och Nu Maria Grahn Fysisk Resursteori maria.grahn@fy.chalmers.se
Energikällor Fossila bränslen: kol, olja och naturgas Förnybara energikällor: vatten-,, sol-, och vindkraft, biomassa, geotermisk energi mm Kärnenergi: fission och fusion
Solenergi Värme Vattenkraft Vindkraft Vågkraft Fotosyntes Biomassa Strålning Solceller/El Den årliga solinstrålningen mot jorden är ca 10 000 gånger mer än dagens globala energianvändning
Globala bränslereserver ( År motsvarar det s.k. R/P ratio = Reserves/Production Production ) Råvara Kända reserver Nuvarande produktion Reservernas energinnehåll TWh Kol 1032 Gton 4,6 Gton 7 800 000 224 Olja 141 Gton 3,4 Gton 1 600 000 42 Naturgas 141 000 Gm 3 2 231 Gm 3 1 500 000 62 Uran 4 500 kton Ca 35 kton 740 000 90 År Källa: Filip Johnsson, Energiteknik, Chalmers
Anrikning Urancykeln 90% U-235 Bomber Naturligt uran U-238: 99,3% U-235: 0,7% 3-4% U-235 Reaktor Electricitet Plutonium Upparbetning av använt uran Radioaktiva Isotoper Slutförvaring Radioaktivt avfall U-235 + neutron sönderfallsprodukter + 2-3 neutroner + Ca 200 MeV värme U-238 + neutron Pu-239 + pyttelite energi Th-232 + neutron U-233 U-235 enda naturligt förekommande klyvbara atomen, men man kan tillverka Pu-239 och U-233 som är klyvbara, vilket ökar råvaropotentialen med en faktor 60.
Fissionen utvecklas men alla generationer antar U-235U Läs mer om Generation IV på: http://gif.inel.gov/roadmap/pdfs/gen_iv_roadmap.pdf
Fission CO2-fri U-235 begränsad resurs.. Ca 75 år med dagens utvinningstakt. [1] Därefter skulle man behöva s.k. briderreaktorer (Pu-239). Frankrike, Tyskland samt Japan har avslutat sina briderprogram och det är just nu förbjudet med brider i USA. De flesta I- länder vill avveckla fissionen eftersom säkerhetsproblemen anses besvärande, liksom långtidsförvaringen av avfall. Flera länder, framför allt i Asien, bygger nya. [1] D. Abrahamson Energy Sources some environmental constraints
Fusion Fusion ger inget långlivat avfall. Råvaropotentialen stor. Säkerhetsproblemen små. Forskning bedrivs sedan ca 40 år men ännu ingen kommersiell anläggning. Eventuellt 40 år kvar.
Energisystemet står inför åtminstone tre stora utmaningar i. Resursbasen ii. Energisäkerhet iii. Klimatpåverkan
Växthuseffekten Långvågig värmestrålning Växthusgaser Kortvågig strålning Atmosfär
Koncentrationen av de tre viktigaste växthusgaserna
Mängden koldioxid i atmosfären och global temperatur de senaste 400000 åren från the Vostok Ice Core 2100 basfall c:a 700 ppm År 2004 370 ppm
Varför tror vi att människan har påverkat den globala temperaturökningen?
Jämförelse mellan klimatmodeller och verkliga termometermätningar tningar,, 1860-2000.
Vad kan hända vid en global uppvärmning rmning? Väderrelaterade dödsfall Infektioner Malariaspridning Avkastningen förändras Behov av konstbevattning Skogens sammansättning Geografisk förändr. Skogens hälsa Vattentillgång Vattenkvalitet Erosion av stränder Kuststräckor vattentäcks Förlorade växt- och djurarter
Nederbörden rden på jorden har förändrats Källa: www.ipcc.ch
Temperaturen på jorden har förändrats Källa: www.ipcc.ch
Människans påverkan på kol-cykeln Atmosfären +3 GtonC/år (+1ppm/år) 6.0 1.5 2.5 2.0 (GtonC/år) Förbränning av fossila bränslen Olja Naturgas Kol Upptag i skog och övr. växter (0.5) Gödningseffekt (2.0) Avskogning (-1.5) Upptag i havet
Need to reach global emissions of 2 Gt C/yr
CO2-C C utsläpp per capita, 1998 Emissions (ton carbon per capita) 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 - USA Canada, Australia, New Zealand Russia Japan OECD Europe Other EIT Middle East China Latin America Other Asia Africa 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 Population (million) 2 Gt C/yr 10 billion people 0.2 ton C/capita per year World Average India
Globala CO 2 -utsläpp från förbränning av fossila bränslen 7000 6000 5000 MtonC 4000 3000 2000 1000 0 1750 1800 1850 1900 1950 2000
Svenska CO 2 -utsläpp från förbränning av fossila bränslen 30000 25000 20000 ktonc 15000 10000 5000 0 1835 1855 1875 1895 1915 1935 1955 1975 1995
Global primärenergianvändning 450 EJ/yr 400 350 BIOMASSA 300 250 NATURGAS 200 150 OLJA 100 50 KOL 0 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 VATTEN KÄRNKRAFT 21% 36% 23%
Svensk primärenergianvändning M iljarder kwh 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 Kol Olja Biomassa och avfall 1980 1982 1984 Vattenkraft Kärnkraft Naturgas Övrigt 1986 1988 1990 1992 1994 1996 Biomassa ökar, främst i fjärrvärmesektorn Olja har minskat p.g.a. oljeskatt och koldioxidskatt 1998 Källa: IEA
Energianvändning i EU 14000 Miljarder kwh 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1960 Övrigt Hushåll Transporter Industri 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 Transporter ökar sin andel Industrin minskar sin andel 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 Källa: IEA
Strategier för att minska CO 2 -utsläppen Global energy demand and supply Energy supply POPULATION ECONOMIC AFFLUENCE - Life style changes - Efficiency measures FISSION FUSION RENEWABLE Hur kan vi minska - Hydro CO2-utsläppen? - Wind - Bioenergy - Solar - Others Diskutera två och två i ca 2 minuter Fossil fuel energy CARBON POOL MANAGEMENT - Reforestation - Soil C increase - Long-lived products DECARBONIZATION OF F. FUELS 1900 2000 2100
Strategier för att minska CO 2 -utsläppen Global energy demand and supply Energy supply POPULATION ECONOMIC AFFLUENCE - Life style changes - Efficiency measures FISSION FUSION RENEWABLE - Hydro - Wind - Bioenergy - Solar - Others Fossil fuel energy CARBON POOL MANAGEMENT - Reforestation - Soil C increase - Long-lived products DECARBONIZATION OF F. FUELS 1900 2000 2100
An Environmental Impact Formula I = P A T impact = person consumption person impact consumption I: impact (on environment) P: population A: affluence - consumption per person (living standard) T: technology - impact per consumption (technology development)
Energieffektivisera
Koldioxidinfångning Efter förbränning genom kondensering av rökgaser. Före förbränning om fossila råvaror förgasas eller reformeras till vätgas. Relativt billigt Fungerar bara på stora anläggningar
CO 2 -avskiljning efter förbränning Anders Lyngfelt, Energisystem, Chalmers, 20031107
CO 2 -avskiljning före förbränning Anders Lyngfelt, Energisystem, Chalmers, 20031107
CO 2 Capture, Transport & Storage (CCS)
Sol- och vindkraft Både sol och vind är intermittenta. Kräver energilagringsteknik för att fungera i stor skala. Mycket stor potential.
Biomassa planteringar Relativt billigt, särskilt i tropikerna Stor potential men begränsad av mark- behov för matproduktion Inhemsk i många länder (90 TWh/år i Sverige) Sociala och estetiska aspekter, biologisk mångfald
CO2 avoidance cost (1990$ per ton of CO2 avoided) Source: DOE white paper, 1997
Vad kan alternativa transportbränslen spela för roll?
Alternativa transportbränslen Biomassa Naturgas Flytande bränsle Etanol, Metanol, FTdiesel, RME, DME Gasformigt bränsle Metan, DME Förbränningsmotor Elbil (bränslecell) solenergi, vindkraft, vattenkraft mm RÅVARA Vätgas El ENERGIBÄRARE Elbil (plugg-in) FORDON
Alternativa transportbränslen från biomassa Cellulosa & Lignin Skog, skogsplantage, svartlut Stärkelse Spannmål, vete, korn, majs mm Socker Olja Raps, solrosfrön Restflöden från skogsbruk, jordbruk och övr. samhället Sågspån, halm, sopor, slam, slakteriavfall, gödsel BIOMASSA Förgasning Syntesgas bildas (CO och H2) Jäsning av socker Pressning och esterisering Rötning Metan bildas OMVANDLINGSPROCESSER Elektricitet Vätgas Fischer- Tropsch Diesel DME (Dimetyleter) Metanol Etanol RME (Rapsmetylester) Biogas ENERGIBÄRARE
Tre generella storleksordningar på produktionskostnader 10 9 8 SEK/liter bensinekv. 7 6 5 4 3 2 1 0 Bensin/ diesel Sockeretanol Cellulosaetanol DME FTD Metanol RME Spannmålsetanol
Hur skulle energisystemet kunna förändras för att klara ett tufft klimatmål?
Global energimodell: Övre gräns på CO 2 -utsläppen och minimera kostnaderna CO 2 Omvandlings- kostnad Primärenergi Råvarukostnad Energiomvandling Energibehov
EJ/år 1200 Global primärenergi utan begränsning på CO 2 -utsläppen 1000 800 KÄRNKRAFT 600 KOL 400 200 0 OLJA NATURGAS 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 VIND VATTEN BIO
CO 2 -mål 450 ppm, utan CO 2 -avskiljning EJ/år 800 700 600 nuclear 500 400 coal solar H2 300 200 100 oil gas bio fuels solar electr. solar heat wind hydro 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
CO 2 -mål 450 ppm, med CO 2 -avskiljning EJ/år 900 800 700 600 nuclear coal w capt. 500 400 300 coal solar H2 200 oil bio w capt. 100 gas bio fuels 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 solar electr. solar heat wind hydro
CO 2 -mål 350 ppm, med CO 2 -avskiljning EJ/år 800 700 600 nuclear 500 coal w capt. 400 300 200 100 oil coal gas bio fuels gas w capt. bio w capt. solar H2 solar electr. solar heat wind hydro 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
Sammanfattning: Utsläppen av koldioxid från energi- systemet kan minskas genom att Använda MINDRE energi. Använda ANNAN energi (istället för fossil). Använda fossil energi med långtidslagring av CO 2.
Slutsatser Det är möjligt att minska koldioxidutsläppen från energisystemet samtidigt som efterfrågan på energi ökar. För att nå ett ambitiöst klimatmål behövs en genomgripande förändring av energisystemet. I ett nära perspektiv är energieffektiviseringar samt en ökad användning av biomassa två viktiga verktyg. Biomassa ersätter fossila bränslen till en lägre kostnad då den används för värmeproduktion jämfört med att ersätta olja i transportsektorn. Biodrivmedel blir ett viktigt verktyg för att nå ambitiösa klimatmål om vätgas inte blir möjligt i transportsektorn.
Tack för uppmärksamheten!