Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 6: Energiproduktion II Ångströmlaboratoriet, Uppsala, 2011-06-13 Mikael Höök, teknologie doktor Globala Energisystem, Uppsala Universitet
Kärnenergi Kärnenergi, dvs. bindningsenergi i atomkärnor, kan frigöras på två sätt Splittring av tunga kärnor till lättare (fission) Utgör basen i dagens kommersiella kärnkraft Smälta samman lätta kärnor till tyngre (fusion) Den process som driver Solen Används inte kommersiellt på jorden ännu
Nukleär bindningsenergi Mindre stabila kärnor kan slås ihop till mer stabila för att frigöra energi där Järn-56 är den mest stabila
Grundläggande atomteori För att splittra eller fusionera kärnor måste man övervinna potentialbarriären som hindrar laddade partiklar från att närma sig kärnan Neutroner, som saknar elektrisk laddning, kan gå förbi potentialbarriären
Kedjereaktioner För Uran-235 bildas omkring 2.3 nya neutroner per klyvning så en kedjereaktion kan upprätthållas
Fissionsbränslen Uran och plutonium används normalt som bränslen, men även torium förekommer i ett fåtal fall Uran och torium är de enda som existerar naturligt på jorden, Av uran är 99.3% oanvändbart U-238 och 0.7 % är klyvbart U-235 Uranet måste först brytas, processeras och anrikas innan det kan stoppas in i kärnreaktorer
Neutronspektrat Bara U-235 kan klyvas med termiska (långsamma) neutroner Andra isotoper av uran fångar bara in neutroner utan att klyvas Dessa förluster är för höga i naturligt uran för att den naturliga U-235-hanten ska kunna ge en självgående kedjereaktion Därför måste bränslet ofta anrikas till runt 3% U-235
Kärnbränslekedjan Kärnbränslets väg 1. Brytning 2. Konversion 3. Anrikning 4. Bränsletillverkning 5. Användning Följs eventuellt av Upparbetning Eller Slutlagring
Anrikning Knepig process att genomföra då alla olika uranisotoper har samma kemiska egenskaper Någonting som kan skilja ut atomer beroende på små, små skillnader i massa behövs för att sortera ut U-235 från U-238 Oftast det svåraste och mest utmanande steget i kärnbränslecykeln
Anrikningsanläggningar Anrikning kan göras på olika sätt Det stora anrikningsverket Tricastin i France (bakom kyltornen) Fyra kärnreaktorer I förgrunden producerar omkring 3000 MW elektrisk effekt för anrikningen Elektromagnetisk Centrifuger Membran Laser
Elektromagnetism Enkel, men mycket energikrävande Uranjonerna böjs av i ett magnetiskt fält och radien är beroende på massan Används inte kommersiellt idagsläget, men var historiskt viktig
Gasdiffusion Urangas tvingas genom ett antal porösa membran med mikroskopiska öppningar Då U-235 är lite lättare så passerar den fortare Medan gasen rör sig blir koncentrationen av U- 235 större på utsidan
Gascentrifuger Stark centrifugalkraft tvingar de tyngre isotoperna mot väggen där de leds senare bort Varje centrifug ger bara en liten anrikning, varpå tusentals centrifuger måste användas i kaskadkoppling för att ge större anrikning
Anrikning med laser Jonisering är massberoende Finjusterade lasrar kan sända ut laserljus som bara absorberas av U-235 som joniseras och kan avskiljas med elektriskt fält
Bränsletillverkning Westinghouse kärnbränslefabrik i Västerås
Kärnbränsle Det anrikade uranet kommer till speciella fabriker som gör om det till bränslekutsar En urankuts är en ett par cm lång cylinder med ca 1 cm diameter En kuts avger lika mycket energi som 800 liter dieselolja och en reaktor innehåller ca 15 miljoner kutsar
Bränsleelementen Massor av urankutsar staplas i bränslerör eller bränslestavar Bränslestavarna sätts senare ihop till bränsleelement
Bränsleelement Bränslelementen består av en mängd bränslerör Dessa hålls på passande avstånd från varandra av olika spridare Bränsleelementen är reaktorns viktigaste del
Reaktorhärden Består av en mängd bränsleelement packade bredvid varandra i en reaktortank Detta utgör själva reaktorhärden där värmen produceras från uranbränslet
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
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
Kärnreaktorer BWR-reaktorer vid Forsmark i Sverige 3 PWR och 1 BWR-reaktor vid Ringhals CANDU reaktor vid Qinshan i Kina
Tryckvattenreaktorn Högt tryck förhindrar kokning i reaktorn Värmeväxling sker i en sekundär krets som går koka ånga Ångan går till turbiner och ger el
Kokarvattenreaktorn Uranet ger värme som kokar vattnet i reaktorn till ånga Ångan leds ut till en turbin och ger elektricitet Ångan kondenseras till vatten och återförs till reaktorhärden
Mer avancerade typer Gaskylda reaktorer Snabba reaktorer (kan använda U-238 som bränsle) Metallkylda reaktorer Breedreaktorer (skapar mer bränsle än vad de förbrukar) Dessa är dock komplexare rent tekniskt samt mindre ekonomiska, varför de inte är vanligt förekommande i världen
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
Använt kärnbränsle När kärnbränslet har passerat en reaktor är det bara några få procent av energiinnehållet som tagits ut Kring 97% av den utvinningsbara energin återstår Detta kan utnyttjas om den använda bränslet upparbetas Alternativt skickas det till slutförvar
Klyvningsprodukter Kärnklyvningen ger en massa olika ämnen Fissionsfragment eller klyvningsprodukter kallas dessa och är starkt radioaktiva på grund av stort neutronöverskott men kortlivade Måste hanteras varsamt och är inte användbara till något
Transuraner De neutroner som fångas in av U-239 gör att tyngre ämnen än uran kan bildas, transuraner Framför allt är det U-238 som ombildas till plutonium-239 Plutonium-239 är klyvbart med långsamma neutroner och ett attraktivt bränsle för reaktorer eller för kärnvapenladdningar Måttlig radioaktivitet, men mycket lång livslängd
Upparbetning Det använda kärnbränslet måste omarbetas Man tar bort klyvningsprodukterna och de oanvändbara delarna Pu-239 och U-235 skiljs ut och återanvänds
Upparbetningsanläggningar Sellafield, Storbritannien La Hague, Frankrike
Slutförvar Använt bränsle kapslas in för att inte spridas i naturen av väder, vatten och vind Grävs ned på hundratals meters djup så att ingen kommer åt det
Sammanfattning: kärnkraft Fungerande teknik och kommersiellt beprövad för uran sedan 1960-talet En rad tekniska frågor finns att fördjupa sig i om man så vill, men tekniken fungerar Social acceptans är ett problem Framtiden är lite oviss och exakt vilket spår som utvecklingen väljer är oklart
Fusion
Fusionera atomkärnor Här kan inte neutroner utnyttjas utan Coloumbbarriären måste övervinnas på något finurligt sätt
Olika fusionsmetoder (Gravitational fusion in stjärnor) Fusion via magnetisk inneslutning Exempel: JET, ITER Fusion via tröghetsinneslutning Exempel: NIF, NOVA Laser, LMJ Fusion via elektrostatisk inneslutning Exempel: Fusors, Polywell machines
Fusion i stjärnor Fusion processer av denna typ genererar all energi hos solen och andra stjärnor Gravitationskrafter tvingar atomkärnorna så nära varandra I stjärnans mitt att de börjar smälta samman
Tröghetsinnesluten fusion Görs med mycket kraftfulla lasrar (typiskt PWeffekter, 10^15 W, i laserpulserna), such as OMEGA, GEKKO XII, HiPER-lasrarna. Nära anknuten till vätebombsforskning
ICF-kraftverk För att ge energi på en kommersiell skala måste många små fusionsbollar bli antända Tanken är att bygga någon sorts kulspruta som skjuter in vätebollar in i en laserkammare där de antänds Än mycket långt till praktiska tillämpningar
Magnetisk inneslutning Het fusionsplasma kan kontrolleras och stängas in i magnetfält om de har rätt konfiguration Joner och elektroner måste följa magnetiska fältlinjer och kan därmed förhindras från att tappa sin energi innan de fusionerat JET är världens största anläggning av denna typ ITER är omkring 10 gånger större och byggs för närvarande i södra Frankrike
Magnetisk inneslutning TOKAMAK (en Russian design) Stellarator (väldigt komplex geometri) Tokamak-principen Stellaratorkonfiguration
Inuti JETS fusionskammare
Elektrostatisk fusion Med elektriska fält och guidade jonstrålar kan även fusionsreaktioner skapas Den första modellen av denna typ utvecklades av Philio Farnsworth, som även uppfann den moderna TV-apparaten Guidade jonstrålar av väte leds till kollisionspunkter där de tvingas krocka med varandra för att komma så nära varandra att de kan fusionera
Elektrostatisk fusion Fortfarande många generationer efter MCF och ICF-metoderna Problem med energiutbytet Men enkel att bygga (kan byggas av amatörer!)
Fusionsenergi Energin från fusionsprocessen frigörs som fotoner, gammastrålning och högenergetiska neutroner som alstrar värme Värmen fångas in i omgivande metallsmälta kring fusionskammaren och används för att koka ånga till ångturbiner och generatorer Fusionsenergi = Omständig vattenkokning
Plus och minus Fördelar God bränsletillgång Ingen långlivad radioaktivitet Ingen risk för Tjernobyl Ingen koppling till kärnvapen Komplex teknologi Nackdelar Tritiumproduktionen är olöst Hur litiumfilten kring ska fungera reaktorn är olöst Kräver neutronresistenta material Inga luftföroreningar precis som för fissionskraft
Fusionens tidsskala ITER ska kunna ge en 500 MW energipuls som varar 400 sekunder år 2022 NIF förväntas kunna antända de första fusionsbollarna år 2012 De första kommersiella verken kommer tidigast 2050 eller senare Med fördröjningar eller andra problem kan det dröja ännu längre Kommersiell fusionsenergi vår vi se först som pensionärer i bästa fall
Förnybar energi Kommer i många olika former Biomass (förbränning) Geo/soltermik Fotovoltaiska celler (solceller) Vind och vattenkraft Tidvatten och vågkraft
Biomassa Förbränns på samma sätt som fossil energi, speciellt kol (se tidigare föreläsning) Mindre tekniska bestyr kring förbränningen på grund av skillnader i detaljer (fukthalt, svavelhalt, etc.) Generellt lägre energiinnehåll, men är inte ändlig på samma sätt Gammal och beprövad teknik på många sätt
Jordvärme Ju längre ned i jordskorpan man kommer desto varmare blir det Detta kan utnyttjas på vissa platser, speciellt i vulkaniska områden
Geotermisk energi Med djupa borrhål kan värme från jordens inre plockas upp Tas antingen för uppvärmning eller används för att driva ångturbiner Många tester har gjorts men funkar inte överallt
Några exempel Geotermiskt kraftverk vid Hellisheidi på Island Geotermiskt kraftverk i Aberdeen, Skottland
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
Solvärme
Mer om solvärme Effektiviteten ligger mellan 30-60% Enkel och pålitlig teknik utan rörliga delar Kan kombineras med ackumulatortankar för att lagra värme, exempelvis över natten Kan också kombineras med ångturbiner för att ge elektricitet
Fokuserande torn
Paraboliska tråg Paraboliska speglar fokuserar solljuset på ett rör i mitten där vatten eller annan vätska värms upp Den varma vätskan kan därefter lagras eller användas
Att följa solen Solfångare och solceller har ofta motorer som vrider dem Då kan ytan hela tiden vara vriden mot solen och fånga in energi så länge solen är över horisonten
Solceller Solenergi kan konverteras till elektricitet direkt via halvledare i rätt konfiguration Ofta låg verkningsgrad, 10-25% i kommersiellt tillgängliga solceller Ger bara likström, som ofta kräver dyra växelströmsomriktare för att kunna få ut på elnätet
Kiselceller
Solcellsmarknaden Cirka 90% av alla solceller som tillverkas och säljs är baserade på tjockt kisel Resterande 10% är tunnfilmssolceller, men även där dominerar amorft kisel över de andra teknikerna Endast några få procent är icke-kiselbaserad teknik som CIGS, Grätzel eller CdTe-celler
Fokuserande solceller Speglar kan användas för att fokusera solljuset till små och effektiva, men dyra solceller Gallium-Arsenik-celler eller andra högeffektiva celler används ofta i sådana uppställningar
Solceller Fördelar Nackdelar Ger elektricitet direkt Flexibla former Billiga i drift och underhåll Producerar inga utsläpp Energikrävande tillverkning för kiselceller Intermittens Låg verkningsgrad Ofta beroende av sällsynta material
Vattenkraft Omvandlar vattnets rörelse till mekaniskt arbete genom en vattenturbin Andra lösningar finns också, så som vattenhjul Pålitlig, enkel och effektiv teknik
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
Några turbiner Turgo-turbin, optimerad för mellanhöga fallhöjder Kaplan turbin, Optimerad för varierande flöden
Sammanfattning: vattenkraft Hög verkningsgrad upp över 90% i bästa fall Turbinerna kopplas till generatorer för att ge elektricitet Enkel och pålitlig design som kan ändra sin energiproduktion snabbt beroende på man vill ha det Kräver dock dammar och kan ändra landskapet rätt mycket
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
Vertikala vindturbiner Fördelar Oberoende av vindriktningen Tysta Lätta att underhålla Nackdelar Pulserande krafter Svår att montera i torn Ofta rätt små
Horisontella vindturbiner God stabilitet Fördelar Lätta att montera i torn Nackdelar Oväsnas (spetsarna rör sig med 6 gånger vindhastigheten) Dyra att installera
Sammanfattning: vindkraft Intermittent energikälla med mycket varierande energiproduktion Än så länge dyr och förhållandevis otillgänglig Landskapspåverkan NIMBY-ism (not in my backyard)
Havs- och tidvattenströmmar Liknar vindturbiner, men använder vatten istället för luft Låg rotationshastighet och kräver specialgeneratorer Mer förutsägbar än vind Liten visuell påverkan och inget oljud
Tidvattendammar Tidvatten kan ge energi om man fångar vattnet I en damm och leder ut den via en turbin Passar bara på vissa ställen med stora vikar med smala inlopp
La Rance 240 MW
Vågkraft Försöker utnyttja vågors upp-och-ner-gående rörelse för att driva generatorer Flera olika experimentella designer finns, men hittills har ingen fungerat på önskvärt sätt
Sammanfattning: Förnybart Ofta intermittensproblem, då vind, sol och annat inte alltid kommer när man vill Än så länge förhållandevis dyra i jämförelse med fossil energi och kärnkraft Dock favoriserade av politiker och ges generösa stödsystem för att kunna etableras Framtiden ser ljus ut men många utmaningar återstår
Tack för uppmärksamheten! Läs mer om forskningen här: Globala Energisystem: http://www.fysast.uu.se/ges/ ASPO: http://www.peakoil.net eller http://www.asposverige.se