Miljöföreläsning 8: Energi och miljö

k8energi.doc, 04-11-23, Miljöföreläsning 8: Energi och miljö Denna föreläsning syftar till att belysa hur miljön påverkas av vår användning av energi. Inledningsvis behandlas den nuvarande energisituationen i Sverige och världen och därefter diskuteras framtida efterfrågan på energi och vilka olika energikällor som står till buds. Den bakomliggande frågeställningen är vilka möjligheter som finns att komma till rätta med de stora utsläppen av växthusgasen koldioxid från energisektorn. Därefter behandlas emissioner från förbränning och avslutningsvis diskuteras annan miljöpåverkan av olika energikällor. Det senare innefattar också olycksrisker, F8.1 Energisituationen i världen och Sverige Mer än 90% av energin kommer från olika typer av förbränning, F8.2. Vidare kommer mer än 80% av energin från fossila bränslen som ju ger upphov till CO 2 -emissioner och därmed klimatpåverkan. Vad som gör det ännu svårare att minska utsläppen av koldioxid, är att efterfrågan på energi hela tiden ökar, F8.2B. Speciellt stor är ökningen i utvecklingsländerna, vars förbrukning visas av skillnaden mellan de två kurvorna i figuren. (Den undre kurvan visar förbrukningen i de rika länderna och f.d. Sovjetunionen.) Det finns således anledning att tala om användningen av fossila bränslen och om möjliga alternativ till dessa. Reserverna av fossila bränslen är stora. F8.3 visar kända reserver. Verkliga reserver är sannolikt minst dubbelt så stora, vilket innebär att vi har olja och naturgas för minst 100 år framåt med dagens förbrukning och kol för 500 år framåt med dagens förbrukning. Främsta skälet till att fossila bränslen dominerar är att de är billiga. Bortsett från en kraftig uppgång under oljekriserna på 70-talet, har oljepriset i fast penningvärde inte ändrats särskilt mycket de senaste hundra åren, F8.4. Hur ser då svensk energitillförsel ut? Sverige har i jämförelse med resten av världen en ovanligt hög andel vattenkraft och kärnkraft, F8.5. Det är dock viktigt att påpeka att energitillskottet från kärnkraft inte är så stort som det ser ut i figuren. Verkningsgraden på ett kärnkraftverk är ungefär en tredjedel vilket gör att två tredjedelar av tillförd energi måste kylas bort. Den elektriska energi som produceras i kärnkraftverken är därför ungefär lika stor den som produceras i vattenkraftverken. Sverige har också ovanligt stor andel biobränslen, där den största delen utgörs av restprodukter i skogsindustrin. På grund av en hög koldioxidskatt används också mycket trädbränslen, t.ex. ved och flis, för uppvärmning. Ett mindre tillskott till energibalansen kommer också från värmepumpar. Energin i Sverige används i industrin, i bostäder och lokaler (mest uppvärmning, varmvatten, och hushållsel) och för transporter, F8.6. Energianvändningen i de två tidigare sektorerna har legat ganska stabilt sedan 70-talet, medan däremot trafiken ökar stadigt. (I figuren ingår inte den värme som kyls bort i kärnkraftverk, vilket felaktigt ger intrycket av att energianvändningen inte ökar i Sverige.) För att främja energisparande används energiskatter som styrmedel. Skatten på el är 0,5 öre/kwh industrin och 22,7 öre/kwh för hushåll (från januari 2004). På samma sätt är energiskatten för eldningsolja mycket lägre för industrin och medan en villaägare betalar nästan 3330 kr/m 3 så betalar industrin 544 kr, F8.7. På bensin är skatten 4790 kr/m 3, medan den är 3330

kr/m 3 för dieselolja till fordon. Notera här att skatten beror inte bara av vem som använder den utan vad den används till. Man skiljer på eldningsolja (för uppvärmning) och dieselolja (för fordonsdrift), fast det egentligen rör sig om samma slags olja. Det är naturligtvis rimligt att beskatta användning i fordon hårdare eftersom det ger större miljöproblem. Framtida efterfrågan på energi och framtida CO 2 -utsläpp: Olika sorters miljöpåverkan är en funktion av den ekonomiska och tekniska utvecklingsnivån och kan sammanfattas i följande enkla formel (se även föreläsning 1): E = n V P SE (1a) där E = emission, n = befolkning, V = välfärd (ofta mätt som bruttonationalprodukt per person: $/n), P = specifik användning av något, SE = specifik emission för användning av något. Ekvationen ovan kan enkelt användas för CO 2 -emissionen. CO 2 -utsläpp = n $/n kwh/$ kg CO 2 /kwh (1b) Denna ekvation kommer här att användas som utgångspunkt för en diskussion om framtida koldioxidutsläpp. Först diskuteras de första termerna i högra ledet. Här är produkten av de två första termerna bruttonationalprodukt (BNP) och produkten av de första tre termerna total energiförbrukning. Om vi antar en global ekonomisk tillväxt på 3,3%/år ger detta femdubbling av den globala BNP:n år 2050. F8.10 visar BNP/person som funktion av befolkning uppdelat på olika världsdelar. Den globala BNP:n blir då den sammanlagda ytan för de olika världsdelarnas rektanglar. Det är lätt att se att en ekonomisk tillväxt i utvecklingsländerna som gav en BNP/person i nivå med de rika länderna skulle ge en mångdubbling av den globala BNP:n. Det finns idag goda skäl att tro att vi kommer att ha en fortsatt global ekonomisk tillväxt. Som framgår av F8.11 är det inte bara BNP:n som är ojämt fördelad utan även energiförbrukningen och detta beror på att det finns ett starkt samband mellan energianvändning och BNP. Detta samband uttrycks i den så kallade energiintensiteten, den tredje termen (kwh/$, i ekv. 1b), som är ett mått på hur mycket energi som används för en viss nivå av välfärd. Om energiintensiteten inte ändras kommer vi att få en ökning av energianvändningen som är lika snabb som den ekonomiska tillväxten. Vad vet vi då om energiintensiteten? F8.13 visar den historiska utvecklingen i ett antal länder och figuren visar att energiintensiteten för flera länder minskat. Detta kan bland annat förklaras av ökad effektivitet i energiproduktion och energianvändning. F8.14 visar till exempel att den mängd energi som krävdes för att producera en kwh el för 100 år sedan var 10 till 20 gånger större än vad som är möjligt idag. Ett annat exempel på effektivare energianvändning visas i F8.16. I båda dessa fall finns det en gräns där inte verkningsgraden kan ökas mer, vilket gör att man i dessa fall inte kan få en liknande utveckling i framtiden. Ett annat exempel på hur energiintensiteten kan minskas är återvinning av metaller, F8.17. (Här ser vi då en koppling mellan kretsloppstänkande och energiförbrukning.) F8.15 visar energianvändning per person som funktion 8:2

av BNP/person för olika länder. Energiintensiteten är ju kvoten mellan dessa och linjen visar genomsnittet för världen, 12 MJ/$. Det framgår av figuren är energiintensiteten är ganska likartad i de flesta länder. Det verkar osannolikt att energiintensiteten skulle öka i framtiden, och troligen kan man hoppas på en viss minskning till följd av effektivare teknik. Vi har dock möjlighet att påverka energiintensiteten eftersom den är starkt beroende av energipriset. En fördubbling, eller mer, av energipriset, vilket kan åstadkommas genom en skatt eller avgift på koldioxid, skulle säkert ha mycket stor effekt på energiintensiteten. Allt talar för att den första faktorn (befolkningsmängden, n), fortsätter att öka och mycket talar för att den andra termen, BNP/n, ökar ännu snabbare. För att minska koldioxidutsläppen är det inte aktuellt att försöka påverka de två första termerna i ekvation 1b. Det är alltså de två sista termerna vi har möjlighet att påverka. Energiintensiteten kan, som tidigare nämnts, påverkas genom energipriset. I följande avsnitt diskuteras den sista termen i ekvation 1b. Olika energikällor Den sista termen i ekv. 1b, kg CO 2 /kwh, är svårbedömd. Ny teknik kan öka möjligheterna att producera energi med minskade koldioxidutsläpp och ökat välstånd kan göra att vi lättare kan acceptera att behöva betala extra för energi som inte släpper ut CO 2. Avgörande är i vilken mån vi kan ersätta fossila bränslen med andra energikällor. Fossila bränslen dominerar för att det fortfarande normalt är det billigaste alternativet, F8. 20. (NGCC, naturgaseldade kombikraftverk är idag det billigaste sättet att producera el. IGCC är ett exempel på kolkraftverk. "CO2 capture" avser fossileldade kraftverk med rening av koldioxid. Koldioxidrening diskuteras i nästa föreläsning.) Vilka andra energikällor finns då? Biobränslen är ett betydelsefullt alternativ men potentialen är svårbedömd, F8.22. Som tidigare nämnts i kursen är tillgången på mark begränsad. Om en väsentlig del av de fossila bränslena skall ersättas av biobränslen krävs mycket stora arealer för odling av energiskog eller andra energigrödor. Då uppstår konflikter med önskemål om annan användning av marken, t.ex. produktion av mat, papper eller trävaror. Odling av energigrödor kan i sig ge oönskade miljöeffekter, t.ex. i form av monokulturer och intensiv gödsling. Vattenkraft har normalt låga kostnader men möjligheterna att bygga ut vattenkraften är mycket begränsade. Dessutom medför stora kraftverksdammar ofta stor miljöpåverkan. Kärnkraft går också att producera till en rimlig kostnad och skulle mycket väl kunna ge ett betydande bidrag då det finns relativt gott om energiråvaran, uran, F8.3. Av olika skäl, både ekonomiska och politiska, har utbyggnaden av kärnkraften kommit av sig i de flesta länder och i nuläget ser det snarast ut som om kärnkraftens andel av energiproduktionen kommer att minska men situationen kan naturligtvis ändras. Solenergi kan omvandlas till elektricitet direkt med hjälp av solceller, eller genom en värmekraftprocess. Det senare är idag betydligt billigare men är ändå mycket dyrare än konventionell energiproduktion. Det finns förhoppningar om att solceller på sikt skulle kunna bli billiga, F8.21. Markbehovet är mycket mindre än för t.ex. bioenergi, så om problemet med kostnaden kan bemästras så har solenergin potential för att ersätta de fossila bränslena 8:3

Vindkraft har acceptabla kosnader och användningen ökar snabbt, men liksom för biobränslen är tillgången på mark av allt att döma begränsande. CO 2 De fossila bränslena ger något olika CO 2 -emission, F8.23. Det är således en fördel att byta kol mot naturgas. F8.24 visar att CO 2 -utsläppen från utvecklingsländerna blir allt mer betydelsefulla. F8.25 visar hur mycket emissionen per capita (person) måste minska för att stabilisera halten i atmosfären vid några olika nivåer. 550 ppm är en fördubbling från förindustriell nivå (280 ppm) och redan idag, med en halt som har ökat med c:a 30% (till 360 ppm), ser vi effekter på klimatet. Om vi inte skall riskera allvarliga effekter på klimatet måste CO 2 -emissionen per capita minska mycket. F8.26 visar att emissionerna är mycket ojämnt fördelade mellan olika länder vilket är en extra komplikation. Ekonomisk tillväxt göra att efterfrågan på energi i utvecklingsländerna hela tiden ökar, och det är knappast rimligt att kräva av utvecklingsländerna att de skall ligga kvar på sina låga nivåer så länge de rika länderna släpper ut så väldigt mycket mer. Detta innebär att mycket stora minskningar blir nödvändiga i de rika länderna. (Detta antyds av de två streckade kurvorna för i- och u-länder i figur F.25.) Möjligheterna att minska koldioxidutsläppen kan sammanfattas: n: ökar $/n: ökar troligtvis snabbt kwh/$: minskar förmodligen en del, (men inte tillräckligt mycket för lösa problemet med koldioxid, i synnerhet inte med dagens låga energipriser) kg CO 2 /kwh: ännu finns inte energikällor som i högre grad kan ersätta fossila bränslen utan stora extra kostnader Koldioxidproblemet svårt, men inte omöjligt, att lösa och det kommer att krävas kraftfulla åtgärder om det skall gå att minska CO 2 -emissionen. Emissioner från förbränning I det ideala fallet (dvs. rent bränsle och "ren" förbränning), innebär förbränning att ett kolväte (CH x ) reagerar med syret i tillsatt förbränningsluft till koldioxid och vatten: CH x + (1+x/4)O 2 CO 2 + x/2h 2 O Den enda miljöskadliga emissionen är då koldioxid. (Detta gäller fossila bränslen. Om bränslet är ett biobränsle har motsvarande mängd koldioxid tidigare tagits upp från luften, och då blir nettoutsläppet av koldioxid noll.) I praktiken bildas också oftast andra emissioner, antingen på grund av ofullständig förbränning som ger utsläpp av flyktiga kolväten, eller lågflyktiga polycykliska aromatiska kolväten, F8.27, eller på grund av att bränslet (och förbränningsluften) innehåller andra ämnen än syre och kolväten, såsom exempelvis svavel, kväve, tungmetaller, klor. 8:4

Svavel i bränslet oxideras normalt till gasen svaveldioxid vid förbränning, och går ut i skorstenen om den inte avskiljs. Tungmetaller är normalt bundna till partiklar och kan avskiljas ganska enkelt. Ett undantag är kvicksilver som uppträder i gasform, men det finns även möjligheter att avskilja kvicksilver. Vid höga förbränningstemperaturer börjar syret och kvävet i förbränningsluften reagera med varandra och bildar kväveoxider, s.k. termiskt NO x. Kväveoxider bildas också vid lägre förbränningstemperaturer om det finns kväve i bränslet, s.k. bränsle-no x För större förbränningsanläggningar finns det idag teknik för att minska emissionerna till en låg nivå och till en rimlig kostnad, och sådan teknik används också. Det finns dock ett viktigt undantag, nämligen koldioxid. Även för koldioxid är rening tänkbart men kostnaden blir betydande. Olika former av reningsteknik för rökgas diskuteras vidare i nästa föreläsning. Vid ofullständig förbränning bildas mutagena/cancerogena ämnen. Det finns inga enkla mätmetoder för dessa ämnen. En indikation på ofullständig förbränning är om rökgasen innehåller mycket kolmonoxid, CO. Det finns ett starkt samband mellan hög CO-emission och utsläpp av mutagena/cancerogena ämnen, även om det kan variera mellan olika bränslen och förbränningsanordningar. Därför har man gränsvärden för CO-utsläpp. F8.29 visar exempel på utsläpp av det cancerogena ämnet benspyren vid användning av olika bränslen i olika typer och storlekar av anläggningar. Generellt är emissioner från stora anläggningar mycket, mycket mindre (per energienhet). Det är utan tvekan små anläggningar som utgör ett problem. Speciellt gäller detta små biobränsleeldade pannor. Mycket kan göras för att minska emissionen från sådana. F8.31 visar ett exempel på emissionen av PAH (polycykliska aromatiska kolväten) från fyra moderna vedeldade pannor. Det framgår också att emissionen kan variera kraftigt beroende på bränslets egenskaper. I F8.32 visas exempel på PAH-utsläpp från en traditionell panna. I ett fall är den 10.000 gånger större än de lägsta utsläppen i F8.31. Emissionen av oförbränt från sådana mindre pannor kan alltså variera mycket beroende pannan, bränslet och hur man eldar. Bränslen medför även andra miljöproblem, t.ex. vid gruvbrytning (kol), transporter (olja), hantering (kol, dammning), F8.33. Miljöpåverkan av andra energikällor Kärnkraft. För kärnkraft är det risken för stora olyckor med spridning av cancerogena radioaktiva ämnen som ses som det dominerande miljöproblemet. Tjernobylolyckan 1986 innebar att även svenskar utsattes för en förhöjd radioaktiv dos, särskilt i Gävletrakten, F8.34. (Puckeln på 60-talet är från kärnvapenprov.) Totalt sett är den dos som svenskar utsattes för på grund av Tjernobyl liten i jämförelse med övrig strålning, F8.35. Icke desto mindre räknar man med 300 dödsfall i Sverige till följd av denna olycka under de närmaste 50 åren (enligt SSI, Statens Strålskyddsinstitut). I forna Sovjetunionen är antalet drabbade mångfalt större. Det bör dock påpekas att detta är den enda stora allvarliga olycka som inträffat och att säkerheten är mycket större i de kärnkraftverk som används i Västeuropa. 8:5

Vattenkraft. Reglering av vattenmagasin ger stora nivåvariationer vilket skadar miljön. Det mesta vattnet i norrlandsälvarna kommer med vårfloden, dvs snösmältningen i slutet av våren och sparas till vintern när förbrukningen är som störst. I debatten om kärnkraftens risker har också framförts att dammolyckor kan ge många dödade. I F8.38 visas sannolikheter för olika olyckor (antal gånger per år) som funktion av hur många dödade det är vid olyckan. Diagram av denna typ har använts för att visa att kärnkraft är mindre farligt än vattenkraftdammar. Idag är nog både olyckor med dammar och med kärnkraftverk såpass ovanliga att det inte finns något underlag för att jämföra risker på detta sätt. Vindkraft. Miljöpåverkan sker främst i samband med materialutvinning och transport av betong och stål. För vindkraft finns inga risker för mycket stora olyckor men självfallet kan många små olyckor ske i samband med materialutvinning, transport och konstruktion. När det gäller kärnkraft är det främst risken för olyckor med många dödade som diskuterats. Det är därför rimligt att inkludera alla typer av olyckor när man jämför med andra energislag. F8.39 visar exempel på olyckor med många dödade för olika energislag. (Antalet dödade i samband med Tjernobyl inkluderar uppenbarligen inte de som fått eller kommer att få cancer.) Omkring 1980 gjordes en studie som jämför olycksrisken för olika energislag, F8.40. De höga siffrorna för kol och olja är till allra största delen baserade på antagna dödsfall av svaveldioxidutsläpp. Dessa siffror är därför inte relevanta idag då man knappast bygger kraftverk utan långtgående svavelrening. De höga siffrorna för vind och sol beror dels på att det antas att fossil reservkraft behövs för dessa, dels på olyckor i samband med materialutvinning, transport och konstruktion. En analys av underlaget för denna figur visar att de siffror som rapporten bygger på inte har någon som helst relevans idag. Syftet med att visa F8.40 är att framhäva att alla energislag innebär risker för olyckor. Det finns såvitt känt inte någon modern jämförelse mellan olika energislag med avseende på risker. Det är också tveksamt om det skulle gå att göra en meningsfull sådan idag - många av de risker som ingår är såpass små att man måste göra osäkra antaganden. Men även om det inte går att få fram jämförbara siffror så är det uppenbart att det finns olycksrisker och miljöpåverkan för alla energislag. Det finns ingen "ren" energi (förutom den sparade). F8.41 visar sammanfattningsvis några diskuterade exempel på miljöpåverkan och olycksrisker med olika energislag. 8:6