Statistisk termodynamik med tillämpningar LTH, 2013 11-25 Energi för en hållbar framtid Thomas B Johansson Professor em. och Director, International Insitute for Industrial Environmental Economics (IIIEE), Lunds Universitet, Lund, Sverige, Co-Chair, Global Energy Assessement, International Institute for Applied Sytsems Analysis (IIASA), Laxenburg, Österrike Commissioner, Fossil Free Road Transport, Ministry of Energy, Sweden
500 World Primary Energy Renewable 400 Microchip Nuclear Primary Energy (EJ) 300 200 100 Steam engine Electric motor Gasoline engine Commercial aviation Television Vacuum tube Nuclear energy Gas Oil Coal 0 Biomass 1850 1900 1950 2000 Source: Nakicenovic et al., 1998
Undulating plateau versus peak oil. Source: GEA Chapter 7; IHS-CERA, 2006
World Primary Energy 500 Renewable 400 Microchip Nuclear Primary Energy (EJ) 300 200 100 Steam engine Electric motor Gasoline engine Commercial aviation Television Vacuum tube Nuclear energy Gas Oil Coal 0 Biomass 1850 1900 1950 2000 Source: Nakicenovic et al., 1998
From: Steffen et al. 2004 IGBP
Utmaningar som leder till krav på förändrade energisystem a. Energitjänster för växande befolkingar och ekonomier, från 7 till 9 miljarder 2050; 2%/a p.c. b. Universal tillgång till moderna energibärare ( ~3 miljarder har det inte; 1.4 miljarder har inte electricitet) c. Överkomliga kostnader för energitjänster (olja@$100/bbl??) d. Säker energitillförsel, från hushåll till nationer, peak oil e. lokala and regionala hälso och miljöfrågor (WHO s riktlinjer) f. Motverka klimatförändringar (<+2 o C över förindustriell nivå) g. fredsfrågor h. Övriga risker (stora olyckor, kärnvapenspridning, livsmedelsprod) => Mycket stora förändringar i energisystemen behövs
Dessa utmaningar måste hanteras Adekvat Samtidigt Tillräckligt snabbt
Global Energy Assessment hållbar framtid på gång Undersöka energisystemens roll, och energialternativ, för lokal, regional, och global hållbarhet, Mer är 300 författare från fem kontinenter deltog, Peer-review av mer än 200 anonyma vetenskapliga granskare, koordinerat av Review Editors Slutrapporten publicerad i september 2012 (Cambridge University Press), 1880 sidor. Kan laddas ner utan avgift. 8
Vilka förändringar av energisystemen krävs? Huvudelement: Energieffektivitet, särskilt i slutlig användning Förnybara energikällor Kolinfångning och lagring (Carbon Capture and Storage, (klimatpåverkan enbart) Effektiviseringar och förnybar energi kan ses som instrument för hållbar utveckling
celková energie [kwh/m 2 a] 250 200 150 100 50 0 Stávající zástavba - 90% Pasivní dům Domácí spotřebiče Vzduchotechnika Ohřev TUV Passive Buildings Vytápění Energy use for space conditioning reduced by 90+ % through application of better insulation, - 75% windows, doors etc., as well as heat recovery and solar gains. Applicable to both new construction and renovation. Source: Jan Barta, Center for Passive Buildings, www.pasivnidomy.cz
Exampel på besparingar vid stora renoveringar Before reconstruction Reconstruction according to the passive house principle over 150 kwh/(m²a) -90% 15 kwh/(m²a) Source: Jan Barta, Center for Passive Buildings, www.pasivnidomy.cz, EEBW2006
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 final energy use: global heating and cooling Floor Area Thermal Comfort Final Energy Floor Area, 1E9 m^2 400 350 Energy, PWh/year 18.0 16.0 300 250 200 150 100 50 0 +126 % Adv New New Adv Ret Retrofit Standard 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Adv New New Adv Ret Retrofit Standard - 43 % Source: GEA Chapter 10
Energimärkning av apparater
Source: David Sanborn Scott, 2004 15
Urbana transporter,energi, investeringar och energianvändning
Transportation Source: GEA Chapters 9, 12, and 17
Bangladesh
Figur från Tomas Kåberger
Nuclear PWR Investment Costs Nuclear PWR Investment Costs (US overnight excl. interest, France partly incl. interests) US overnight excl. interest, France partly incl. interests mean/best guess and min/max of costs 10000 US average France best guess 2008$/kW 5000 4000 3000 2000 1980 1983 1995 1996 1000 1 10 100 1971 1977 cum GW installed 1980 1985 1975 US: Koomey&Hultman, 2007; France: Grubler, 2009 Source: GEA Chapter 24, forthcoming
Källa: Tomas Kåberger
Figur från Tomas Kberger
Källa: Tomas Kåberger
Figur från Tomas K åberger
ATMOSPHERE biomass upstream emissions photosynthesis Fuel transport/distribution fuel vehicle tailpipe flue gases electricity to grid grid electricity displaced coal upstream emissions biomass Conversion coal CO 2 storage char Samförgasning av kol och bioenergi för samproduktion av kraft, bränslen och kemikalier, med CCS som leder till negativa CO 2 utsläpp Source: GEA Kapitel 12
Global Energy Assessment ställde frågan: Finns det kombinationer av resurser och teknik, för slutlig använding och tillförsel av energi, som kan skapa energisystem vilka möter alla utmaningarna samtidigt?
Samhälleliga mål i GEA s back-casting scenario för 2050 understödja ekonomisk tillväxt i sentida historisk takt universell tillgång till el och ren matlagning, 2030 minskade luftföroreningar, följ WHO s riktlinjer undvik farlig klimatförändring, högst + 2 o C över den förindustriella globala medeltemperaturen förbättra tillförselsäkerheten för energi, genom ökad mångfald och uthållighet hantera peak oil och undvika kärnvapenspridning
EJ EJ Supply-side Flexibility Demand-side Flexibility EJ Global Energy Assessment (GEA) Taxonomi Feasible supply-side transitions (primary energy by 2050) High demand Branching point: Supply 1200 1000 800 600 400 200 Savings Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 ST NN NC NB N2 LB LR AT Branching point: Efficiency GEA-Mix Intermediate demand Branching point: Supply 1200 1000 800 600 400 200 Savings Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 ST NN NC NB N2 LB LR AT Low demand Branching point: Supply 1200 1000 800 600 400 200 Savings Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 ST NN NC NB N2 LB LR AT
Unrestricted Portfolio No Nuclear No BioCCS No Sinks Limited Bio-energy Limited Renewables No CCS No Nuclear & CCS Lim. Bio-energy & Renewables No BioCCS, Sink & lim Bio-energy Unrestricted Portfolio No Nuclear No BioCCS No Sinks Limited Bio-energy Limited Renewables No CCS No Nuclear & CCS Lim. Bio-energy & Renewables No BioCCS, Sink & lim Bio-energy X X X X X X X X X X X X EJ X X X X X X X EJ EJ 1200 1000 800 600 400 200 Steam engine Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs Electric motor Vacuum Gasoline tube engine Commercial aviation Television Nuclear energy GEA Efficiency Microchip Advanced transportation Conventional transportation 0 1850 1900 1950 2000 2050 1200 1000 800 600 400 200 Steam engine Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs Electric motor Vacuum Gasoline tube engine Commercial aviation Television Nuclear energy Microchip GEA Mix 0 1850 1900 1950 2000 2050 1200 1000 800 600 400 200 Steam engine Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs Electric motor Vacuum Gasoline tube engine Commercial aviation Television Nuclear energy Microchip GEA Supply 0 1850 1900 1950 2000 2050
GEA-Supply EJ 1200 1000 800 600 400 200 Geothermal Solar Wind Hydro Nuclear Gas wccs Gas woccs Oil Coal wccs Coal woccs Biomass wccs Biomass woccs Renewables Nuclear Gas Oil Coal 0 Biomass 1850 1900 1950 2000 2050
Några slutsatser: Det finns många kombinationer som fungerar Dessa skapar alla värden som inte avspeglas i villkoren för marknadernas aktörer effektivare energianvändning skapar störst flexibilitet, följt av förnybar energi CCS förmodligen ett måste Kärnkraften är en option, men inte ett måste Kraftfulla incitatment och kapacitetsutveckling nödvändiga; kan bara komma från den politiska processen
Inte bara energiteknik Stadsplanering Transportsystem Materialanvändning Markanvändning Konsumtionsmönster..
Från utspridd bebyggelse till städer med hög befolkningstäthet (Billig bensin) (dyr bensin)
Ytbehov för olika transportslag Source: WBCSD, 2005
Policy utmaningar Tillräcklighet, dvs leverera i förhållande till målen Integrerade angreppssätt behövs Förebyggande åtgärder är bättre and senare renoveringar: design av system aoch anläggningar, och regelverk som leder investeringar rätt. Använd energi som ett verktyg för hållbar utveckling!
Samtidig (i) ekonomisk utveckling, (ii) fattigdomsbekämpning och (iii) minskning av utsläppen av av växthusgaser Begreppet multiple benefits (ung. multipla värden) Inkludera alla värden (sysselsättning, tillväxt, hälsa, lokal miljö, minskad klimat påverkan,...) Att bedöma ett projekt på basis av per undviket tc blir missvisande. Effektiv energianvändning, särskilt i slutlig användning Förnybar energi
Policy integration i stadsutveckling Simulated energy use for an urban settlement of 20,000 inhabitants using the SimCity Model combining spatially explicit models of urban form, density, and energy infrastructures, with energy systems optimization. Source: Chapter 18
Matching policies to investment needs Source: Chapter 22
Public Sector Energy RD&D in IEA Member countries by major technology group Million US$2008 PPP 20000 15000 10000 5000 Other Efficiency Renewables Fossil Fuels Fusion Nuclear w/o fusion 0 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 100% future technology needs share in 2000-2100 cum. emission reduction past and current R&D into developing improved technologies, shares by technology Distribution of past and current energy R&D as compared to future technology needs from the pathways analysis 80% 60% 40% 20% Nuclear Renewables Fossil Fuels Other Energy Efficiency Source: GEA Chapter 24 0% Min Mean Max In future mitigation scenarios (technology needs portfolio) 1974-2008 2008 public energy R&D (past, current R&D portfolio) MIN Mean Max 1974-2008 2008
certifikatmarknader? Prissätter certifikat på grundval av tillgång och efterfrågan Värdet av certifikat för en producent är därför osäkert. Svårt att motivera projket på basis av sådana intäkter Ambitiösa mål svårt att nå överenskommelse om Inmatningstariffer (Feed-in-tariffs) leder till imponerande aktivitet, förutsatt att de är någorlunda generösa
GEA -- Slutsatser 1. Energisystemen kan transformeras så att de stödjer hållbar utvecking. 2. En effektiv transformation förutsätter handling omgående. 3. Effektiv energianvändning är ett omedelbart och effektivt instrument. 4. Förnybar energi är riklig, tillgänglig överallt och i ökande grad konkurrenskraftig. 5. Genomgripande förändringar av fossila energisystem är viktiga och möjliga. 6. Universell tillgång till moderna energibärare och ren matlagning är möjlig till 2030. 7. En integrerad strategi för energisystemens utvecklingen är avgrande. 8. Energiåtgärder för en hållbar framtid för med sig substantiella värden för samhället i många dimensioner. 9. Socio-kulturella förändringar kommer att behövas. 10. Politik, regelverk, och stabila investeringsförhållanden är essentiella..
Källa: Energimyndigheten, 2012
Ansats: undersök 5 åtgärdsområden för att se hur långt åtgäreder skulle kunna leda mot fosiloberoende 1. Stimulera samhällsomställning mot minskade och effektivare transporter 2. Infrastrukturåtgärder och byte av trafikslag 3. Effektivare fordon och ett energieffektivare framförande av fordon 4. Eldrivna vägtransporter 5. Biodrivmedel
Direkt och indirekt energianvändning för transporter. För 2030 begränsar sig utredningen till de två ramarna i fetstil
Koldioxidutsläpp (g/km) 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Tyskland Finland Sverige Storbritannien EU-15 Norge Spanien Italien Frankrike Danmark
Energianvändning (TWh) Vägtrafikens användning av fossil energi med och utan åtgärder (TWh). 120 100 Utveckling av samhälle och transportsystem Energieffektivisering (exkl el) 80 Energieffektivisering (genom el) 60 Byte till el 40 20 Byte till biodrivmedel Export biodrivmedel Kvarstående fossil energi 0 2010 2030A 2030B 2050A 2050B -20
Andel av trafikarbete Personbilarnas trafikarbete föredelat på olika framdrift i åtgärdspotential A 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2010 2020 2030 2040 2050 Personbil Fossilt Personbil Biodrivmedel Personbil El
Tack!
WORLD ENERGY ASSESSENT MAIN FINDINGS www.globalenergyassessment.org