Globala utmaningar och energilösningar

Forskningsrådet Globaliseringsprosjektet Mot en ny global orden en forskningspolitisk konferense Globala utmaningar och energilösningar Thomas B Johansson IIIEE, Lunds universitet 2009-06 06-0404

From: Steffen et al. 2004 IGBP

12000 Urban and Rural Population Projections 10000 IIASA A2r 8000 IIASA B2 6000 urban IIASA B1 4000 2000 rural 0 2000 2025 2050 2075 2100 GEA Council 19 January 2009 Source: Riahi et al., 2007; UN, 2008.

PM10 Exposures in 3200 Cities Exposure: PM 10 concentration*city population (capita.µg/m 3 ) Size of circle indicates exposure (Quintiles) Color of circle indicates underlying PM 10 Concentration (µg/m 3 ) range: 7-358 µg/m 3 Source: C. Doll, 2009, based on World Bank data

Utmaningar som kräver åtgärder inom energisystemen a. Tillgång till moderna energibärare rare (för r 2 miljarder) b. Energi förr befolknings- och ekonomisk tillväxt c. Energi till överkomliga priser (@$100+/bbl?) d. Säker tillförsel (källor; peak oil:...) e. Lokala och regionala miljöfr frågor f. Motverka global uppvärmning f. Andra risker > Stora förändringarf av energisystemen krävs!

Dessa utmaningar måste hanteras samtidigt adekvat i tid

Updating reasons for concern 2 o C Source: Smith et al. PNAS, 2009

Source: Schellnhuber, Copenhagen 2009

seek fast measures to limit global warming: GWP100 insufficient measure Black Carbon, Methane, ~10 days ~10 years

this matters:

World Primary Energy 500 Renewable Primary Energy (EJ) 400 Microchip Commercial aviation 300 200 100 Nuclear energy Television Steam engine Electric motor Gasoline engine Nuclear Gas Oil Vacuum tube Coal 0 1850 Biomass 1900 1950 2000

Example of savings by reconstruction Reconstruction according to the passive house principle Before reconstruction over 150 kwh/(m²a) -90% 15 kwh/(m²a) Source: Jan Barta, Center for Passive Buildings, www.pasivnidomy.cz, EEBW2006

Mobility and Communication Through Time Letter Horse Hay Sunlight Agriculture 1770s Telegraph Electricity Steam Locomotive Coal Coal mine Coal fields 1870s Interntet, Mobile Phone Electricity ICE Automobile Gasoline Oil refinery Crude oil 1970s Electricity Convergence Energy, Mobility Information SMR, decarbonization Hydrogen Natural gas / fossils Biomass Sunlight 2070s Electrolysis Wind Uranium Source: David Sanborn Scott, 2004 17

annual new grid connections, 1995-2008 GW per year

Policy för energi för hållbar utveckling Få marknaderna att fungera bättre (subsidier och extenaliteter) Effektivare energianvändning, särsk. i slutlig användning Innovationskedjan Reform av kraftsektorn Utveckla kapacitet i alla sektorer för att utveckla policy och institutioner

Wind generation in the EU-27 (a comparison between countries with wind FITs and countries with alternative mechanisms of support in 2006) Electricity Generation (TWh) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Counties with wind FIT Counties with alternative support Source: EC 2008

GEA Global Energy Assessment IIASA International Institute for Applied Systems Analysis, and its 26 Partners

GEA Need for an Energy Assessment The world is at a critical juncture for energy policy, new challenges have emerged, while old challenges remain. Previous studies do not identify the strategies and solutions needed to comprehensively address today s major energy and energy-related challenges in an integrated way.

GEA GEA Objectives include: Scientifically based, comprehensive, integrated, and policy-relevant analysis of issues and options related to: Energy and sustainability challenges Resource and technology options, demand and supply System issues, scenarios Policy options Local, Regional, and Global dimensions

GEA Organizations Funding the GEA (Direct Funding) International Organizations IIASA IEA UNDP UNEP UNIDO World Bank Governments/Agencies Austria Brazil European Union Italy Sweden USA Corporations First Solar Petrobras TEPCO Industry groups World Energy Council WBCSD Foundations UN Foundation Climate Works Foundation

inte bara energteknik stadsplanering transportsystem materialanvändning markanvändning konsumtionsmönster: SUV? kött? Thailand? rymdturism? etc...

Så, vad betyder utmaningarnas storlek, komplexitet och brådska? Kan transformationer styras? Systemgränser? Planeringskriterier? Marknadens roll? Vad fungerar? Professioner och deras roll? Forskning? Utbildning?

WORLD ENERGY ASSESSENT MAIN FINDINGS

IGBP From: Steffen et al. 2004

Sustainable energy in the buildings sector: global significance Buildings are responsible for app 1/3 of energy-related CO2 emissions and 2/3 of halocarbon emissions In most countries they consume 35 45% of TPES (~50% in developing countries) Largest GHG mitigation potential in short- to mid-term at low costs

Urban Population Growth by City Size (in percent of population increment 1975-2005, and 2005-2025) Growth: 1646 Million GEA Council 19 January 2009 Growth: 1420 Million Source: UN, 2008

Figure TS.6. Projected risks due to critical climate change impacts on ecosystems

Trajectory of Global Fossil Fuel Emissions CO2 Emissions (GtC y-1) 10 9 8 7 Actual emissions: CDIAC Actual emissions: EIA 450ppm stabilisation 650ppm stabilisation A1FI A1B A1T A2 B1 B2 50-year constant growth rates 2006 2005 B1 1.1%, A1B 1.7%, A2 1.8% A1FI 2.4% Observed 6 2000-2006 3.3% 5 1990 to 2050 1995 2000 Raupach et al. 2007, PNAS 2005 2010

If so attractive, why is it not happening? The market barriers to energy-efficiency are perhaps the most numerous and strongest in the buildings sector These include: imperfect information Limitations of the traditional building design process Energy subsidies, non-payment and energy theft Misplaced incentives (agent/principal barrier) Small project size, high transaction costs others

So, what does magnitude, timing, and probabilities of challenges imply? Can transformations be directed? What is the paradigm for BTH work? System boundaries? Planning criteria? Role of the market? What works? Role of professional cultures? Role of education and training?

towards sustainable urban energy Novel features: first estimates of urban energy use and development of urban energy use scenarios City energy profiles (energy balances, incl. bunker fuels, i.e. airports and ports) Explanation of differences in per capita energy use across cities (multi-variate analysis, incl. policy variables) Assessment of specific urban energy and GHG reduction options (beyond buildings and transport): focus on energy and urban system design (e.g. energy cascading, albedo changes, ) Policy success stories (recognizing governance complexity in cities) GEA Council 19 January 2009

Urban Energy Use (TJ) in Asian Cities: The Importance of Systems Boundaries Sources: Dhakal, 2007. GEA Council 19 January 2009

Proportions in demand and supply - of priority bio-energy customers Jet-fuels in 2006: Jet-fuels in 2030: 10 EJ/y 25 EJ/y Biomass for jet-fuels in 2030: 50 EJ/y Biomass for chemical feedstock in 2030 (23 EJ/y non-fuel oil in 2006 projected to 32 EJ/y in 2030): 60 EJ/y Biomass for road transport in 2030 (80 EJ/y in 2006 projected to 100 EJ/y in 2030) 200 EJ/y Biomass for 20% of road transport in 2030: 40 EJ/y Biomass for electricity and heat in 2030: only residuals from fuel production Total aviation, chemicals and long distance road: Available non-food biomass in 2030: 150 EJ/y 15-96 EJ/y Micro-algae 2030:???? EJ/y

Energy and Women Heavy burden on millions of women and children: Millions are spending hours a day carrying fuel and water Millions are being exposed to high levels of indoor air pollution leading to premature deaths Example: WHO estimates that air pollution indoor causes 2.7 3.0 million premature deaths a year Cooking is also a major source of Black Carbon and GHGs

Den globala uppvärmningen: behovet av förnybara energikällor Thomas B Johansson Internationella miljöinstitutet, Lunds universitet, 2009-01-31

omställningen är: Mycket stor Mycket brådskande Stora resurser och mycket teknik finns, kan de kombineras i hållbara system? Kan sådana system införas, nationellt och globalt?

Tekniska alternativ för en mer hållbar framtid Högre energieffektivitet särskilt i slutlig användning i byggnader, apparater, fordon, industriprocesser, etc. Mer förnybar geotermi energi bioenergi, vind, sol, vattenkraft, och Avancerad energiteknologi nästa generation teknik för fossila bränslen kärnenergi, om frågor kring kostnader, säkerhet, avfall, terrorism och kärnvapenspridning kan lösas

Renewable power generation and capacity as a proportion of global power Source: NEF 2008 and UNEP 2008

Vad kan Vi/Du göra? Informera Dig! Tänk globalt, agera lokalt Kräv rejäla insatser av politiker och industriledare Fundera på vad Du själv kan göra annorlunda Bidrag till materialåtervinningen Välj energieffektiva vitvaror, bilar, bostäder,... Utnyttja förnybar energi, solvärme, bioenergi, vind, etanol,... Tänk på att vinsterna har många dimensioner Köp utsläppsrätter! Visa att det går! Nog har vi alla energi till det!

WORLD ENERGY ASSESSENT MAIN FINDINGS

Additional RES-E penetration 1997-2005 Additional RES-E generation 1997-2005 as share of gross electricity demand in 2005 [%] 20.0% Feed-in systems 18.0% Quota Systems 16.0% Tax Incentives 14.0% 12.0% 10.0% 8.0% 6.0% 4.0% 2.0% 0.0% AT BE DK FI Source: Fraunhofer ISI FR DE GR IE IT LU NL PT ES SE UK CY CZ EE HU LA LT MT PL SK SI BG RO

förnybara energikällor: en storindustri! Globala investeringar 2007 uppgick till ~ $100 miljarder (exkl. vattenkraft ca $20 G) Policies i minst 48 länder Kvantitativa mål i minst 45 länder, inkl 14 utv. länder och Kina Bidrag till global primärenergi är ca 18% Bidrag till global elproduktion är 3.4 % (2006) + vattenkraft 15 %.

Vindkraft Snabb tillväxt, ~30 % per år i >15 år 95 GW total kapacitet slutet av 2007 Resultat av policies Kostnader sjunker Möjligt att använda som baskraft Mycket stor potential, fast långt från marknaderna

certificate markets? Provide payment on the basis of supply and demand Payment is therefore uncertain Projects hard to justify on basis of such payments Ambitious targets/caps hard to agree on Feed-in-tariffs lead to impressive activity, if generous

Ethanol international competitiveness Ethanol Learning Curve (2 0 0 4 ) U S $ / G J 100 1980 10 2004 1986 1990 2002 1995 1999 1 0 50000 100000 150000 200000 3 Ethanol Cumulative Production (thousand m ) Ethanol prices in Brazil trend (Rotterdam gasoline prices) Source: Nastari, 2005 Rotterdam regular gasoline price trend (Ethanol prices) 250000 300000

European heat-wave 2003 - estimation of return periods Swiss Temperature Series 1864-2003 (mean of 4 stations) 10 y 10 y 100 y 1000 y extremely rare event 100 y mean 1000 y (Schär et al. 2004, Nature, 427, 332-336)) More elaborate analysis shows it likely that most of the risk of the event due to increase in greenhouse gases - also that by 2050, likely to be average event and by 2100 a cool event (Stott et al 2004, Nature 432 610-614).

A thought-experiment Assume activity levels per capita equal those of Western Europe in the mid 1970 s Assume energy intensities at the level of best available in markets around 1980 Results in an energy demand of 1 kw per capita This is the same as present levels of energy demand per capita in developing countries! Thus, development need in theory not require increased levels of energy supply to reach WE 1970 s level! Leapfrog!

PRIMARY ENERGY SHARES, 1850 1990, AND IN SCENARIOS C1 AND C2 TO 2100 Source: WEA (2002)

Source: World Energy Outlook, 2007

Alternative Policy Scenario: Global Savings in Energy-Related CO2 Emissions 42 Increased nuclear (10%) Increased renewables (12%) Power sector efficiency & fuel (13%) Electricity end-use efficiency (29%) 38 Gt of CO2 Reference Scenario Fossil-fuel end-use efficiency (36%) 34 Alternative Policy Scenario 30 26 2004 2010 2015 2020 2025 2030 Improved end-use efficiency of electricity & fossil fuels accounts for twothirds of avoided emissions in 2030

Global Energy Assessment Towards a more Sustainable Future The magnitude of the change required is huge The challenge is to find a way forward that addresses all the issues simultaneously A paradigm shift is needed: energy enduse efficiency, new renewables, advanced nuclear and carbon capture and storage.

Need for an Energy Assessment The world is at a critical juncture for energy policy new challenges have emerged, while old challenges remain Previous studies do not identify the strategies and solutions for addressing comprehensively today s major energy challenges in an integrated way

Global Energy Assessment unique and timely comprehensive and integrated process going beyond a report policy relevant and capacity enhancing options and strategies for the way forward

and the feedbacks? Albedo Clathrates Ocean sinks Amazonas? Clouds. Will reality be worse and come sooner than projected by IPCC?

IGBP From: Steffen et al. 2004

Global energiomställning förestående! För att: Hantera klimatfrågan Bekämpa fattigdomen konventionella resurser av olja och gas är sinande Stödja fortsatt global ekonomisk tillväxt Förbättra luftmiljö, försurning, mm Förbättra säkerhet och fred

Mot ökad hållbarhet: Sambanden mellan stora utmaningar och energi leder till starka krav på förändringar: Förändringarna är stora! Utmaningarna måste hanteras samtidigt Ett nytt synsätt behövs energieffektivitet, förnybara energikällor och kolinfångning och lagring.

Energi och utveckling Tillgång till moderna energibärare är en förutsättning för att nå millenniemålen 2 miljarder människor saknar tillgång till elektricitet, och ytterligare 2 miljarder har bara tillgång till intermittent elektricitet. 2 miljarder människor lagar mat med traditionella bränslen

Positiva återkopplingar: oceanernas kolupptag, albedot, metan-avgång, Amazonas Och kanske någon negativ: moln...

Source: Nässen and Holmberg, 2005

Anthropogenic C Emissions: Fossil Fuel 2006 Fossil Fuel: 8.4 Pg C Fossil Fuel Em ission (GtC/y) [2006-Total Anthrop. Emissions:8.4+1.5 = 9.9 Pg] 9 Emissions 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 1990-1999: 1.3% y-1 2000-2006: 3.3% y-1 Raupach et al. 2007, PNAS; Canadell et al 2007, PNAS 2010

Trajectory of Global Fossil Fuel Emissions CO2 Emissions (GtC y-1) 10 9 8 7 Actual emissions: CDIAC Actual emissions: EIA 450ppm stabilisation 650ppm stabilisation A1FI A1B A1T A2 B1 B2 50-year constant growth rates 2006 2005 B1 1.1%, A1B 1.7%, A2 1.8% A1FI 2.4% Observed 6 2000-2006 3.3% 5 1990 to 2050 1995 2000 Raupach et al. 2007, PNAS 2005 2010

Anthropogenic C Emissions: Regional Contributions 100% D3-Least Developed Countries 80% D2-Developing Countries 60% India 40% China FSU 20% 0% Cumulative Flux Emissions in 2004 [1751-2004] Flux Growth in 2004 Raupach et al. 2007, PNAS Japan EU Population USA in 2004 D1-Developed Countries

omställningen är: Mycket stor Mycket brådskande Resurser och teknik finns, de kan kombineras i hållbara system Kan sådana system införas globalt?

Tekniska alternativ för en mer hållbar framtid Högre energieffektivitet särskilt i slutlig användning i byggnader, apparater, fordon, industriprocesser, etc. Mer förnybar energi bioenergi, vind, sol, vattenkraft, och geotermi Avancerad energiteknologi nästa generation teknik för fossila bränslen kärnenergi, om frågor kring kostnader, säkerhet, avfall, terrorism och kärnvapenspridning kan lösas

Source: Nässen and Holmberg, 2005

förnybara energikällor: en storindustri! Globala investeringar 2007 uppgick till ~ $100 miljarder (exkl. vattenkraft ca $20 G) Policies i minst 48 länder Kvantitativa mål i minst 45 länder, inkl 14 utv. länder och Kina Bidrag till global primärenergi är ca 18% Bidrag till global elproduktion är 3.4 % (2006) + vattenkraft 15 %.

Vindkraft Snabb tillväxt, ~30 % per år i >15 år 95 GW total kapacitet slutet av 2007 Resultat av policies Kostnader sjunker Möjligt att använda som baskraft Mycket stor potential, fast långt från marknaderna

global annual new grid connections 1995-2007 25 20 15 GW wind nuclear PV 10 5 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Year 2002 2003 2004 2005 2006 2007

policy Matcha utmaningarnas storlek och tidsram Vilken är systemgränsen? Företag, nation, global? Utmaning: klimat enbart eller...? Sektorslösningar sannolikt otillräckliga Integrerade lösningar behövs Energi som instrument Designa strategier och incitament och begränsningar för att leda investeringar i hållbar riktning Från Global Compact till Global Contract

Policy för energi för hållbar utveckling Få marknaderna att fungera bättre (subsidier och extenaliteter) Effektivare energianvändning, särsk. i slutlig användning Innovationskedjan Reform av kraftsektorn Utveckla kapacitet i alla sektorer för att utveckla policy och institutioner

uppvärmningen påverkar mycket: Nederbördsfördelningen Vattenförsörjningen Ocenernas vattenstånd > Stormars intensitet > Biodiversitet Värmeböljor Livsmedelsförsörjningen Skogsbränder Sjukdomars utbredning...

Positiva återkopplingar: oceanernas kolupptag, albedot, metan-avgång, Amazonas Och kanske någon negativ: moln...