Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 10: Distribution av Energi Ångströmlaboratoriet, Uppsala, 2011-06-22 Mikael Höök, teknologie doktor Globala Energisystem, Uppsala Universitet
Energi och samhället Energi = förmågan att utföra arbete Transporter, elproduktion, matproduktion, uppvärmning, kylning, tillverkning, förädling och mycket annat kräver energi i olika former Energi handlar helt enkelt om grunden för hela det moderna samhället Utan energi blir ingenting gjort!!!
Energi för samhället Samhället efterfrågar främst två typer av energi Elektricitet Värme
Distribution Hur distribueras då dessa energiformer till användarna? Hur transporterar man energin till platserna där man vill ha den? Detta görs inom en rad olika distributionssystem Elnätet Värmedistribution & drivmedel
Värmedistribution Värme är svårt att transportera över stora avstånd på grund av höga förluster Värme måste därför oftast produceras relativt nära platsen där den ska förbrukas En del system som fjärrvärme kan dock transportera den kortare sträckor Isolering viktigt för att undvika förluster
Värmeförluster Beror främst på temperaturskillnaden mellan det varma mediet och omgivningen Även tjockleken är viktig En rad materialspecifika konstanter spelar också viss roll Viktigast är dock temperaturen och tjockleken Små förluster kräver alltid liten tempskillnad eller stor tjocklek
Fjärrvärme Värmen skapas centralt i en stor och effektiv anläggning Värmen fångas upp av vatten som pumpas runt Hetvatten går ut till konsumenterna som avleder värme från fjärrvärmerören med värmeväxlare Kallt vatten returneras
Fjärrvärmerör Tjock isolering nödvändig för att minska förlusterna
Fjärrvärmesystemet
Fjärrvärmenätet i Stockholm Fjärrvärmenätet byggs ut Tävlar dock med andra uppvärmningsalternativ Eldas med sopor, avfall, torv, biobränslen samt mindre mängder kol och olja när det är riktigt kallt
I hemmet Värmen i hemmet pumpas ofta runt i vattenburna system Vatten håller mycket energi per massenhet Varmt vatten pumpas dit man vill ha värmen och får leda över värmeenergin till omgivningen
Luftburna system Värmen används för att hetta upp luft som senare pumpas runt Den varma luften värmer andra ting Oftast höga förluster, speciellt i kombination med dålig ventilation och isolering Dock enkel och snabb att bygga
Andra lösningar Istället för stora centraliserade system kan småskaliga användas Små pannor i villor förekommer som värmekälla men kräver då oftast en smidig distribution av bränsle till huset Även värmepumpar kan leverera värme till det husliga distributionssystemet Oljepanna för villa
Bränsledistribution Används inte centrala värmeanläggningar så är det småskaliga pannor som brukas för uppvärmning Husen/byggnaderna behöver därmed ha en tank eller ett pannrum där bränsle kan lagras Oftast efterfrågas bränslen med högt energiinnehåll som därmed tar liten plats
Olika bränslelager Ved lagrades i vedbodar Kol hade man i kolkällare Trängdes ut nästan helt av eldningsolja (villaolja) när den kom Numera saknas ofta bränslelager i hus och centraliserad värme dominerar marknaden Kolkällaren i ett gammalt hus
Andra värmesystem Olika återförsäljare levererar brännbara bränslen direkt till huset Villaolja, pellets, ved, sågspån och mycket annat förekommer Naturgas i små distributionsledningar för hemmabruk är vanligt utomlands
Elnätet
Elektricitet Elektricitet kan överföras över långa avstånd Den kan omvandlas till andra relativt enkelt energiformer med relativt låga förluster Man slipper lägga elproduktionen i närheten av konsumenterna Dock kan inte elektricitet lagras på ett enkelt sätt
Elkonsumtion är ojämnt fördelad
Elektriska förluster Elektriska förluster är beroende på spänningen Högre spänning innebär lägre förluster Riktigt höga spänningar används för att överföra stora effekter med låga förluster
Elnätets upplägg Transmissionsnätet För elektriciteten från kraftverken till konsumtionsområden Distributionsnätet Portionerar och fördelar elektriciteten till konsumenterna
Elnätet
Transmission Transmissionsnätet Stora avstånd Stora effekter Hög spänning 130, 220, 400 kv Maskat nät Stor tillförlitlighet
Överföringsbegränsningar Elnäten har en viss begränsning i hur mycket elektrisk effekt som kan skickas Beror på de tillgängliga elledningarnas kapacitet Man kan mycket väl ha överskott på el på ett ställe och underskott på ett annat om överföringskapaciteten inte räcker I Sverige har vi elöverskott i norr och underskott i syd men elnätet försöker utjämna denna skillnad
Sveriges elsituation Vattenkraften i norra Sverige ger ett stort överskott på el Bristen på elproduktion i södra Sverige ger ett underskott Begränsningar finns vid Sveriges getingmidjor Importberoende förekommer även för att lösa effektbrist
Reglering är viktigt
Överföringar till andra länder
Distributionsnätet Radiellt nät för korta avstånd med lägre spänning Linjelängd i Sverige 400 kv = 1000 mil 130-220 kv = 2000 mil 30-70 kv = 2000 mil 10-20 kv = 15 000 mil 400 V = 30 000 mil
Andra länder: USA
DESERTEC
Elnätets frekvens Elnätet är byggt kring trefaselektricitet Består av tre sinusformade spänningar som är förskjutna i förhållande till varandra, även om summan av deras effekt är konstant Frekvensen avgör hur fort spänningarna ändras och måste hållas konstant
Frekvenser Elnätet är byggt för en bestämd frekvens I Sverige är den 50 Hz, liksom hela Europa Andra länder kan ha 60 Hz Frekvensen regleras av de generatorer som finns inkopplade till elnätet Omständig och noggrann reglering behövs
Elläget i Södra Sverige
Liten tuva...
Frekvensproblem
Kolsvart
Elnätets svagheter Elnätet kan överföra energi över långa avstånd Det har samtidigt begränsningar och svagheter Små problem på ett ställe kan fortplanta sig via nätet och slå ut stora områden Vi är allt mer och mer elberoende, så väl som för praktiska funktioner men även för kommunikation
Elbortfall
Energipris
Priset för energi Pris är en fundamental egenskap för den kommersiella marknaden och därigenom också världens energiförsörjning och energisäkerhet Det mest konkreta problemet är ibland inte fysisk brist, utan för högt pris Tänkbara orsaker till högt pris: Hög produktionskostnad Marknadens struktur
Den osynliga handen Marknaden bygger på idén att individuell egoism ger kollektiv välfärd: Det är inte genom slaktarens, bryggarens eller bagarens välvilja som vi får mat på bordet, utan genom hans handlande i egenintresse. Han leds av en osynlig hand till att åstadkomma ett utfall som inte var en del av hans avsikt. Adam Smith, Nationernas välstånd, 1776
Marknaden i praktiken Kräver institutioner: äganderätt, kontrakt, rättskipning, etcetra Energimarknader har vissa egenskaper som gör att de avviker från den teoretiska modellen av en fri marknad
Teoretisk fri marknad
Prisbildning Tillgång, dvs. produktion, är en viktig del i prisbildningen Efterfrågan är dock minst lika viktig Det är dock bara den producerbara oljan som kan konsumeras och leverera energi Olja i marken är betydelselöst
Bristsituationer Brist = efterfrågan större än tillgången Ska inte finnas på en fungerande marknad, eftersom priset sätter tillgång och efterfrågan i jämvikt Möjliga orsaker till att brist ändå uppstår: Prisregleringar Låg priselasticitet
Framtidens energipris? Beror av tillgång, efterfrågan och marknadskrafter Marknadskrafterna är ofta oklara samt kopplade till politiska vindar Hur efterfrågan utvecklar sig är oklart och beroende på alternativ med mera Tillgången styrs av geologi och naturlagar Priset blir vad samhället är villigt att betala
Långsiktigt energipris Svårt och antagligen omöjligt att fastslå med någon säkerhet Produktionsprognoser däremot är en helt annan sak Framtida tillgång på olja kommer att minska och hur detta påverkar ekonomin & oljepriset återstår att se Framtida oljetillgång behandlat på det naturvetenskapliga sättet bör definitivt integreras i ekonomiska modeller och projektioner
Prisvolatilitet Volatilitet = stora prisvariationer Krävs för att balansera utbud och efterfrågan när priselasticiteten är låg Finansiell spekulation i råvaror kan förstärka fluktuationer (oklart hur mycket) Hedgefonder och andra finansiella instanser har anklagats för att trissa upp prisökningar och förvanda dem till spekulationsbubblor
Priselasticitet Beskriver hur mycket efterfrågan (eller utbudet) ändras som reaktion på en prisförändring Låg priselasticitet innebär att priset måste ändras kraftigt för att ha effekt på efterfrågan Orsaker till låg priselasticitet kan vara: Slutkunder nås inte av information om priset Existerande teknik kräver en viss energiform, kan bara bytas på lång sikt Användare drar ned på mindre viktig konsumtion i första hand
Integrerade världsmarknader Låga transaktionskostnader mellan säljare och köpare Möjligt att utjämna lokala obalanser mellan utbud och efterfrågan Leder till att (ungefär) samma pris gäller över hela marknaden (justerat för transportkostnader) Beror på vilken infrastruktur som krävs
Oljemarknaden är internationell
Sammanfattning: distribution Olika energislag kräver olika distributionsystem Elnätet är storskaligt och komplext, medan värme framför allt förmedlas småskaligt och lokalt Infrastrukturkraven är viktiga och påverkar även priset och marknaden som sköter distributionen från producenter till konsumenter Prisberoendet är viktigt att ta med då det oftast är avgörande för energikällans praktiska funktion
Highlights från kursen
Vad är energi Enheter Energityper Omvandlingar Skillnaden effekt och energi Energisystemets delar Föreläsning 1 Primärenergi Sekundär energi (energibärare) Energitjänster Det globala energisystemets upplägg
Energi? Många är bekanta med ordet eller konceptet Förknippas ofta med kraft, möjlighet, förmåga eller potential Rent naturvetenskapligt definieras energi som förmågan att utföra fysikaliskt arbete (och därmed påverka den fysiska verkligheten) Arbetet vara nyttigt eller onyttigt för människan
Energisystemets delar
Det globala energisystemet Världens totala energiproduktion motsvarar 12 267 miljoner ton oljeekvivalenter (Mtoe), Där den fossila andelen är 81.2% eller 9961 Mtoe. Källa: IEA
Källa: IEA Världens elförsörjning
Föreläsning 2 Framväxten av olika energikällor Förhistorisk tid Historisk tid Den industriella revolutionen och ångmaskinens era Fossilberoendets början vid 1850-talet Framväxten av det moderna samhällets beroende av fossil energi men även en rad andra biprodukter och tjänster från fossila bränslen
James Watt vår hjälte Arbetade som ung ingenjör med ångmaskiner av Newcomens typ Insåg att de kunde förbättras avsevärt Designade sina egna ångmaskiner som var runt fem gånger bättre än Newcomens föregående modeller Kunde även skapa roterande rörelse James Watt 1736-1819
Den industriella revolutionen Med värmemotorer kunde mänskligt arbete ersättas och man kunde åstadkomma mycket mer arbete på kortare tid tack vare nya maskiner Ångmaskiner kunde driva fartyg, pumpa vatten, lyfta saker och driva allehanda andra maskiner precis där man ville Halvmekaniserade manufakturer och tidiga fabriker började dyka upp som svampar ur jorden
Världens energiförbrukning
Befolkningstillväxten
Föreläsning 3 Hur fossil energi bildas Karbonperioden och andra deponeringsepoker Sedimentering och sedimentära bassänger Petroleumsystemets delar Hur oljefält bildas och ser ut Kolgeologi Olika koltyper och hur de uppkommer Skillnaden på reserver och resurser
Hur bildas kol & petroleum? Olja bildas av marina sediment. Främst plankton och bakterier Kol bildas från växtdelar från gamla träsk/sankmarker Naturgas kan bildas från både kol och olja
Källa: Berner (2001), Scotese (2008) Den geologiska tidsskalan
Världens sedimentära bassänger Det mesta av världens oljebärande regioner har sedan länge identifierats Bassänger på land är gröna och offshorebassänger är purpurfärgade Källa: Schlumberger Middle East Well Evaluation Review, Number 10, p. 8.
Petroleumsystemet 1. Moderbergarten genererar petroleum som senare pressas ut på grund av sin volymökning 2. Expulsion och migration följer och leder mot en uppsamlingsplats, kallad reservoar 3. Ett sigill, även kallad fälla, hindrar ytterligare rörelse mot ytan 4. Ackumulering sker i reservoaren Om något steg misslyckas blir det inget olje/gasfält!
Olje- & gasterminologi Resurser Avser den mängd olja som finns innesluten i reservoaren men allt går inte att få upp av fysikaliska, tekniska och ekonomiska anledningar Geologiska förekomster utvinningsbara Reserver Avser de mängder som är tekniskt, ekonomiskt möjliga att få upp Utvinningsbara mängder i normalt språkbruk
Distribution av koltyper
Föreläsning 4 Okonventionella kolväten Stora resurser men oklart om de kan utvinnas Stor geologisk osäkerhet i vissa fall Urantillgångar Världens reserver domineras av relativt få länder Komplex kemi och många uranbärande formationer Förnybar energi Beroende på lokala förutsättningar Bördighet, blåsighet, solighet, etc
Globala urantillgångar 1 Australien 36.0% 2 Kanada 14.7% 3 Kazakhstan 14.3% 4 Niger 8.9% 5 Brasilien 7.2% 6 Sydafrika 4.5% 7 Namibia 3.2% 8 Uzbekistan 3.1% 9 Ryssland 3.0% 95% av världens uran finns i bara 9 länder Yellowcake - uranbaserad halvfabrikat som senare blir kärnbränsle
Globala vindresurser Källa: Lu et al (2009) Global potential for wind-generated electricity. Proceedings of the National Academies of Sciences, 106(27):10933 10938
Global solenergipotential
Föreläsning 5 Förbränningens fysik Förbränningsreaktionen och dess produkter Petroleum- och gasexploatering Seismiska undersökningar Utvinningens delar Kolexploatering Kolbrytning Ångpannor och ångturbiner
Förbränningsprocessen Metan och syrgas har hög molekylär bindningsenergi Genom att bli koldioxid och vatten minskas bindningsenergin och överskottet frigörs som oordnad rörelseenergi hos produkterna (dvs. värme)
Seismisk undersökning
Ny teknologi Directional Drilling styrbar borrning Motorer på borrhuvudet kan ändra riktning långt nere under marken
Produktionskurvan Källa: Höök et al. (2009) The evolution of giant oil field production behaviour, Natural Resources Research, Volume 18, Number 1, March 2009, Pages 39-56
Destillationstorn
Kolproduktion Kol är ett fast material som ligger i lager med varierande tjocklek Dessa kan brytas från dagbrott eller från underjordiska gruvor Kolutvinning handlar framför allt om att flytta jord, berg och sten det är inte mer high tech än så
Turbiner & generatorer Turbin Omvandlar rörelsenergi hos vätskor/gaser till mekanisk rotationsenergi Generator Omvandlar rotationsenergi till elektrisk energi genom elektromagnetisk induktion
Föreläsning 6 Kärnbränslecykeln Anrikning Reaktorns upppbyggnad Vanliga reaktortyper Avfallsfrågan och social acceptans Förnybar energi Solvärme och solceller Vatten/vindturbiners generella uppbyggnad
Kedjereaktioner För Uran-235 bildas omkring 2.3 nya neutroner per klyvning så en kedjereaktion kan upprätthållas
Kärnbränslekedjan Kärnbränslets väg 1. Brytning 2. Konversion 3. Anrikning 4. Bränsletillverkning 5. Användning Följs eventuellt av Upparbetning Eller Slutlagring
Bränsleelement Bränslelementen består av en mängd bränslerör Dessa hålls på passande avstånd från varandra av olika spridare Bränsleelementen är reaktorns viktigaste del
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
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
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
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
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
Föreläsning 7 Vetenskapliga framtidsprognoser Forecasting Olika typer av tillväxt Ändliga resurser Vad gör resurser ändliga Hur påverkar ändligheten framtida användning Peak Oil Framtidens utmaningar rörande fossil energitillförsel
Vetenskapligt siande Vetenskapligt siande är mer känt som prediktion eller forecasting Använder kunskap om ett system, dess mekanismer, tidigare historia och fysiska data för att försöka förutsäga systemets framtida utveckling
Olika tillväxtmöjligheter Källa: Höök et al (2011) Descriptive and predictive growth curves in energy system analysis. Natural Resources Research, Volume 20, Issue 2, June 2011, Pages 103-116
Resurstypen är viktig Förnybara resurser Ändliga resurser Beter sig på ett sätt som möjliggör uthålligt användande Kan dock bli ändliga om de överanvänds Beter sig på ett sätt som gör att de alltid sinar Tar slut efter tillräckligt långt användande
Varför är de ändliga? Uran och andra metaller skapades från döende stjärnor och någon nyskapning har inte skett sedan jorden blev till Olja, naturgas och kol skapas endast mycket långsamt via geologiska processer som kräver miljontals år Utvinningen av många resurser är mycket snabb (1-100 år) så under alla former av praktiska sammanhang så är de ändliga
Kopplingen mellan enskilda fält till en hel region Peak Oil
Leave oil before it leaves us Dr. Fatih Birol, chefsekonom, International Energy Agency (IEA) 2008-05-05
Föreläsning 8-9 Vilka sektorer använder samhällets energi? Industrier och privatsektorn Energisäkerhet Energi är vitalt för ekonomisk välfärd Kopplingen mellan energiresurser och säkershetspolitik Energi och miljöpåverkan Energiprduktion dominerar växthusgasutsläppen Många andra miljöproblem är relaterade till energi
Energikostnaden 1 fat bensin (=159 liter) innehåller 6.12 GJ and kostar runt 100 dollar (640 kr) Bensin är den billigaste vätskan man ka köpa i USA 300 kg kol motsvarar ett fat olja och kostar kring 18 dollar 156 kubikmeter natur gas ger samma energimängd som ett fat olja och kostar kring 40 dollar
Energianvändning per sektor
Energin inom industrin
Transportsektorn Mer än 95% av all energi inom transportsektorn kommer från olja och oljeprodukter Resten är främst elektriska tåg Bensin, diesel och jetbränsle är de vanligaste drivmedlen Fartyg använder diesel eller eldningsolja
Energi & jordbruket För varje kalori mat vi äter så har 3-4 kalorier fossil energi sprayats på fälten som gödning Den gröna revolutionen och den snabba befolkningstillväxten efter 1950-talet är ett resultat av att göda jordbruksmarkerna med petrokemikalier Jordbruk har ändrats mer under de senaste 50 åren än under de föregående 2000 åren
Spannmålsproduktionen
Annan påverkan Förutom direkt användning påverkar energin samhället via flera andra mekanismer 1. Energipolitik 2. Energisäkerhet 3. Utsläpp och föroreningar
Billig energi ger fler jobb Genom att hålla låga energipriser kan man ofta skapa eller behålla jobb inom sitt land Låga priser på drivmedel och energi efterfrågas ofta av väljare som inte vill få för dyra räkningar för att leva Billig energi är viktigt för att behålla sin industri Subsidier till kolbrytning i England och Tyskland Subsidier till bränslen i många länder
Energisäkerhet En säker tillgång på energi till rimligt pris är viktigt för att ha en stabil ekonomi och en nationell säkerhet enligt många politiska doktriner Olja är vad som driver det moderna samhället och här återspeglas det tydligast Nästan alla länder behöver olja men få har stora egna nationella reserver
Sammanfattning Kina, USA med flera har inget val än att vända sig till Afrika för att kunna få sin efterfrågade olja Olja finns bara på vissa platser och dit måste man om man vill ha oljan
Några uppenbara samband Man kan inte släppa ut mer fossil energi än vad som kan produceras Det går inte att producera mer fossil energi än vad som finns geologiskt och är tekniskt utvinningsbart Framtida produktion av fossil energi och fossila koldioxidutsläpp hänger nära ihop
Kopplingen olja & ekonomi 1. Olja är fundamentalf för ekonomiskt välbefinnande 2. Världens BNP-tillväxt och oljeförbrukning har intimt hängt ihop i årtionden Källa: IEA (2008) World Energy Outlook 2008
Olja och framtidens ekonomi Hirsch (2008) bestämde relationen mellan procentuell förändring i världens oljetillgång och NP-tillväxt till ungefär 1:1 Höga oljepriser underminerar ekonomin då oförmåga att möta efterfrågan skapar finansiella problem Framtida finanser och ny oljeåproduktion hänger intimt ihop Källa: Hirsch (2008), Mitigation of maximum world oil production: Shortage scenarios, Energy Policy, Volume 36, Issue 2, February 2008, Pages 881-889
Kort sammanfattning
Energi och miljö Förbränning genererar alltid koldioxid samt potentiellt andra oönskade utsläpp Dessa kan vara miljöfarliga och orsaka stora problem Koldioxid och andra växthusgaser har pekats ut som ansvariga för att ändra jordens klimat och göra det varmare NOx, SOx och andra substanser ger surt regn som kan skada skogar och byggnader
Miljöproblem Smog och dis Surt regn Landskapspåverkan från gruvdrift Klimatförändringar Förgiftning av land och mark
Föreläsning 10 Distribution av värme och elektricitet Värmeledningar Storskalig respektive småskalig värmeproduktion Elnätets delar Behovet av fas- och effektreglering Energimarknadens grunder Priselasticitet Volatilitet Internationella marknader
Elnätet & marknader
Avslutande ord Nu hoppas jag att ni fått en bra överblick av det globala energisystemet Många andra energikurser finns om man vill lära sig mer Energi kommer alltid att vara en viktig del av samhället Energi är ett prima område att göra karriär inom!!!
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