Det Globala Energisystemet
Sommarkurs, Föreläsning 8: Energi i miljön och samhället
Ångströmlaboratoriet, Uppsala, 2012-06-25
Simon Davidsson, doktorand
Globala Energisystem, Uppsala Universitet
Dagens föreläsning
• Energi i samhället
–
–
–
–
Vad betyder energi för ekonomin
Vilka sektorer i samhället konsumerar energi?
Vilka energibärare efterfrågas?
Elsystemet
• Energi och miljön
– Vilken miljöpåverkan har vår energianvändning på vår
lokala och globala miljö?
2
Energi i samhället
• Dagens moderna samhälle konsumerar oerhörda
mängder energi vilket är en förutsättning för en
modern ekonomi
• I slutändan är det samhällets användning och
efterfrågan som styr vilken energi som
produceras!
• Man kan dela upp samhället i tre huvudsakliga
sektorer som förbrukar energi
– Transporter
– Industrin (inklusive jordbruk)
– Byggnader och service
3
Energi och ekonomin
• Energi utför arbete (och arbete ger pengar?)
• 1 fat olja motsvarar 25 000 timmar mänskligt
tungt kroppsarbete vilket motsvarar ungefär 12
personer som arbetar heltid ett helt år
• Olja kan utvinnas för så lite som 1 dollar/fat
• I praktiken gratis energi som lägger grund till
mycket av dagens moderna ekonomier
4
En liter bensin
• En liter bensin motsvarar den
energi som krävs för att lyfta en
bil till toppen av Eiffeltornet
• Skulle du lyfta en bil till
Eiffeltornets topp för 15 kr?
• Olja är extremt billigt i
förhållande till arbetet den ger
5
Oljeslavar
50 liter bensin motsvarar 1000 personers dagsverke
85 miljoner fat per dag motsvarar omkring 233 miljarder
människors arbete under ett år
6
Pris på fossil energi
• 1 fat bensin (=159 liter) innehåller 6.12 GJ och
kostar runt 100 dollar (640 kr)
• 300 kg kol motsvarar ett fat olja och kostar kring
18 dollar
• 156 kubikmeter naturgas ger samma
energimängd som ett fat olja och kostar kring 40
dollar
7
Fossil energi är extremt billigt
• Jämfört med kostnaden för muskelarbete är
fossil energi oerhört billigt
• Det är inte konstigt att maskiner som drevs med
fossil energi enkelt konkurrerade ut tungt
kroppsarbete vid den industriella revolutionen
• Än idag ger billig fossil energi oss förmågan att
uträtta vad som tidigare skulle ha krävs miljoner
eller miljarder människors slitgöra vilket ger oss
möjligheter att göra annat
8
Global energianvändning
9
Källa: Cullen JM, Allwood JM, 2010. The efficient use of energy: Tracing the global flow of energy from fuel
to service. Energy Policy, 38(1), 75-81
Energianvändning per sektor
Energianvändning i olika länder
• Energiförbrukning är starkt bundet till ekonomisk
utveckling
11
Källa: IVA, KVA (2012) Energi – Möjligheter och dilemman
Livskvalité och energi
• En hög levnadsstandard hänger ofta ihop med
energiförbrukning
• Kylning av mat, klimatkontroll, elektricitet,
sjukvård, belysning och mycket annat som gör
livet lättare att leva kräver mycket energi
• Produktion av medicin, överskott av mat, fri
transport av varor och personer går bara med
överskott på energi
12
Energianvändning och HDI
13
Sveriges energianvändning olika
sektorer
23%
36%
40%
14
Källa: Energimyndigheten (2011). Energiläget 2011
Sveriges energianvändning olika
energibärare
15
Källa: Energimyndigheten (2011). Energiläget 2011
Industrins energianvändning
globalt
16
Metallindustrin
• Stålverk och metallproduktion
kräver mycket energi,
speciellt aluminium
• Smältning, pressning,
rullning, härdning, rostning,
elektrolysering med mera
• Många energiintensiva
processteg för att få fram
önskade legeringar
17
Kemisk industri
• Stora mängder energi krävs
för att värma kemikalier och
få dem att reagera med
varandra
• Haber-Bosch (ammoniak)
• Bunsen (svavelsyra)
• Hydrogenering (vätetillskott)
• Cumene (ger fenol & aceton)
18
Papper/pappersmassa
• För pappersindustrin är i regel elkostnaden större än
kostnaden för träråvara
• Dra ut träfibrerna på kemisk eller mekanisk väg
Pappersbruk
Pappersmassa
19
Svensk industri
• Några få branscher står för merparten av
energiförbrukningen i svensk industri
• Sveriges massa- och pappersbruk drar ca
hälften av energin, bland annat flera procent av
den totala elförbrukningen i landet (maler sönder
ved med eldrivna kvarnar)
20
Effektivisering
• Industrin har ständigt förbättrat sin teknik och
gjort stora effektiviseringar
• Det finns dock gränser för vad ny teknik kan
leverera och man kan aldrig komma under de
fysikaliska gränserna för vilken energi som krävs
• Att värma ett kilo vatten kostar alltid 4.18 kJ eller
mer där effektiva tekniker behöver mindre
extraenergi än dåliga
21
Effektivitetsvinster i industrin
22
Jordbruk
• En av våra viktigaste ”industrier” är såklart
jordbruket som försörjer oss med mat
23
Den gröna revolutionen
• Mellan 1950 och 1984, då den gröna revolutionen
transformerade jordbruket världen över, ökade
spannmålsproduktionen med 250%
• Detta är en enorm ökning av den tillgängliga
matmängden för samhället
• Denna nya energimängd kom inte från ökad
solinstrålning eller ökad mängd jordbruksmark
24
Spannmålsproduktionens
utveckling
25
Agrikemikalier
• Drivkraften bakom den gröna revolutionen kom
från fossil energi
• Kvävegödning (från naturgas via Haber-Bosch)
• Pesticider, fungicider, insekticider och syntetiska
tillväxthormoner (görs från olja)
• Fossildriven konstbevattning och otaliga
jordbruksmaskiner som drivs med diesel
26
Jordbrukets energiförbrukning
27
Jordbrukets energiförbrukning II
• 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
28
Var ska vi producera maten?
• Det känns ofta ologiskt att köpa mat som
importerats långväga, men transporter är ofta
inte den största delen av energiförbrukningen
eller koldioxidutsläppen
• Svenska tomater som odlas i fossileldade
växthus släpper t ex ut 5 gånger mer
växthusgaser än spanska som växt utomhus
• Dagens jordbruk (och annan industri) är
beroende av långa transporter
29
Transportsektorn
• Transporter utgör en oerhört viktig del av
samhället och den moderna ekonomin
• Globalt kommer mer än 95% av all energi inom
transportsektorn från olja och oljeprodukter
• Resten är främst elektriska tåg
• Bensin, diesel och jetbränsle är de vanligaste
drivmedlen
• Fartyg använder diesel eller eldningsolja
30
Vad levererar raffinaderierna?
Källa: Nygren et al (2009) Aviation fuel and future oil production scenarios. Energy Policy, Volume 37,
Issue 10, October 2009, Pages 4003-4010
31
Vad vill transporterna ha?
• Generellt går tung trafik på diesel och lättare
trafik som personbilar på bensin
• Dieseldrivna personbilar blir allt vanligare, fartyg
går mer och mer på diesel på grund av miljökrav
• Raffinaderierna har idag svårt att producera
tillräckligt mycket diesel och samtidigt bli av med
bensinen
32
“Utvecklad” transport
• Bil/lastbil utgör det mesta av transporterna i
industriländerna
• Vägtransporterna ökar för varje år
33
“Outvecklad” transport
• Andra länder har andra lösningar
• Ofta petroleum-effektiva
• Kommer dessa byta till elbilar?
34
Bostäder och service
• I Sverige använder bostäder/service 40 % av
den totala energiförbrukningen
• Här räknas bostäder, kontorslokaler, och service
som ventilation, gatubelysning, reningsverk osv
in
• Energiförbrukningen har legat ganska konstant
sen 1970-talet pga effektiviseringar och
övergång från olja till fjärrvärme
• Globalt ökar denna energianvändning
35
Energianvändning bostäder och
service
Kommersiell sektor
Bostadssektorn
36
Bostäder
• Energi till uppvärmning, matlagning,
hushållsapparater etc.
• När man bygger ett hus står det ofta kvar i 50100 år (eller mer)
• De flesta husen i samhället är gamla vilket gör
det svårare att minska förbrukningen
• Det finns idag teknik att bygga hus som
konsumerar mycket lite energi
• Trots detta ställer byggnormerna fortfarande
relativt låga krav
37
Uppvärmning kräver mycket energi
Teknologi gör det möjligt att bo bekvämt i kalla klimat
om man bara har energi
Norra Europa, Ryssland och Nordamerika konsumerar
stora mängder värme (speciellt vintertid)
38
Uppvärmning
• Mängder av olika tekniker:
–
–
–
–
–
–
Olje- och naturgaspannor
Ved/pelletspannor
Fjärrvärme
Direktverkande el
Värmepumpar
Solvärme
• Effektiva uppvärmningssystem och låga
värmeförluster kan skapa enorma
energibesparingar
39
Fossila bränslen och biobränslen
• Ojepannor var väldigt vanligt i Sverige fram till
1970-taleta oljekriser
• Har fasats ut till fördel för el, ved/pelletspannor
värmepumpar, fjärrvärme
• Naturgas är väldigt vanligt i vissa andra länder, t
ex Storbritannien
• I Sverige är pelletspannor och ved vanliga i
samanhang där man ej kan ansluta sig till
fjärrvärmenätet
40
Fjärrvärme
• Stora värmeanläggningar producerar värme
effektivare (och producerar ofta även el) och
leder ut varmt vatten till konsumenter
• Effektiv uppvärmning som är väldigt vanlig i
Sverige idag
• Förr mycket olja och kol, på 1980-talet en del
värmepumpar, idag nästan bara biomassa i
Sverige
• Uppsala eldar främst torv och avfall
41
Direktverkande el
• På 1970- och 80-talen byggde Sverige flertalet
kärnreaktorer vilket medförde ett överskott på
(och lågt pris) på el
• Detta gjorde det lönsamt att värma upp hela villor
med direktverkande el
• Man gör alltså om el med ”kvalitetsfaktor” 1,00 till
värme på ca 20 grader och ”kvalitesfaktor” nära
0.
• Värmepumpar får upp effektiviteten markant,
men fortfarande används el till uppvärmningen
42
Värmepumpar
• Användningen har ökar kraftigt på senare år
• I takt med att elen blivit dyrare byter många från
direktverkande el till värmepumpar
• Ger 3-5 gånger mer värme än elenergin den
förbrukar
• Vanligt att man ökar effektiviteten med att ta
värme från borrhål i berg eller från marken
• Använder fortfarande el till uppvärmning, om än
mycket mindre än direktverkande el
43
Solvärme
• Effektivt och enkelt sätt att
producera värme
• Kan kombineras med
ackumulatortankar för att
lagra värme
• Ofta komplement till annan
uppvärmning eller till
tappvarmvatten
• Vanligt i varma delar av
världen, t ex sydeuropa
44
Kyla
• Globalt går väldigt stora mängder energi åt till
kyla
• Ofta används air conditioning (AC) som i princip
är en värmepump som körs baklänges
(konsumerar elektrisk energi)
• Tyvärr bryr man sig inte om att isolera husen så
noga i varma länder, men kör gärna på med AC
• Fjärrkyla blir vanligare och vanligare
45
Energisparhus/passivhus
46
Källa: IVA, KVA (2012) Energi – Möjligheter och dilemman
Elsystemet
• En stor del av energin i världen används i form
av elektrisk energi som måste produceras
samma tidpunkt den används
• Efterfrågan och produktionen är variabel vilket
måste balanseras
• Om efterfrågan vid en tidpunkt är större än
produktionen kan effektbrist uppstå
• För att undvika detta upphandlar Svenska
kraftnät, som ansvarar för balansen, en
effektreserv
47
Elnät
• Andelen elektrisk energi spås öka i framtiden
vilket ställer nya krav på överföring av elektricitet
• Många av källorna till elektrisk energi har en
variabel produktion varför lagring överföring av
energi mellan olika regioner, lagring av el och
eventuellt ”smarta elnät” kommer bli viktiga
• För överföring av el långa sträckkor används ofta
likströmskablar med väldigt hög spänning,
(HVDC)
48
Lagring av energi
• Mängder av olika sätt att lagra (el)energi finns
eller har föreslagits
–
–
–
–
–
Komprimerad luft
Svänghjul
Pumpkraft
Batterier
Lagra värme i t ex salt
• Problemet är ofta att förlusterna är stora eller att
metoderna är dyra
49
Smarta elnät
• Kan innehålla distribuerad produktion, dvs
mindre elproduktionsanläggningar så som
solceller
• Kan försöka styra konsumtionen, t ex med ITlösningar som smarta elmätare
• Energilagring
• Tros kunna öka de möjliga tillskotten av förnybar
energi från sol och vind
50
Vem ska betala för detta?
• Svenska kraftnät ansvarar för effektbalansen i
Sverige, upphandlar bland annat en effektreserv
(snart ska detta skötas av marknaden)
• Idag säljs elen från de nordiska länderna på en
gemensam elmarknad Nord Pool, på längre sikt
finns planer på en gemensam elmarknad för hela
EU
• Vems ansvar ska det vara att se till att effekten
finns när den behövs och vem ska betala för
det?
51
Återigen energibärare
• De olika sektorerna efterfrågar olika energibärare
• Transporter använder i princip bara oljeprodukter
• Olika industrier behöver olika energibärare, men
ofta el, kol och olja
• Lokaler vill ha el, värme och kyla, men från vad?
• Om fossila bränslen ska ersättas med förnybart
måste användningen förändras också
52
Energianvändning i framtiden
• Energianvändningen i världen ökar hela tiden
och de flesta förutspår en fortsatt ökad
efterfrågan på energi i framtiden
• Framförallt i utvecklingsländer ökar både
befolkningen och energianvändning per person
• Kina ökar sin energiförbrukning med ca 5% per
år
• I takt med utbyggnad av förnybar energi
förutspås ofta andelen elenergi öka, men hur
mycket och hur snabbt?
53
Energieffektivisering
• Ofta föreslås energieffektivisering som en viktig
del som ”ersättning” för fossil energi
• Vissa scenarier för framtiden förutspår t o m ett
minskat energibehov pga effektiviseringar, bland
annat genom ökad elektrifiering av samhället
• Historiskt har detta inte hänt
• Effektiviseringar leder tyvärr ofta inte till en total
minskning av energianvändningen (Jevons
paradox)
54
Jevons paradox
• Tekniska framsteg som minskar
förbrukningen av en resurs
tenderar att leda till en ökning av
förbrukningen av resursen i
slutändan
• Minskad förbrukning sänker
kostnaden vilket ökar efterfrågan
på resursen
William Stanley Jevons
• Kallas idag ofta ”rebound effect”
• Kan man energieffektivisera sig
bort från vårt fossilberoende?
55
Import/export
• Idag mäts oftast energianvändningen efter vilka
energibärare som används inom landet
• När vi importerar något från ett annat land
hamnar alltså energianvändningen och därmed
utsläppen hos dem
• När vi flyttar fabriker till Kina och importerar
varorna minskar alltså vår energiförbrukning
• Det föreslås allt oftare att energiförbrukning och
växthusgasutsläpp ska ta hänsyn till detta
56
Sammanfattning så här långt
• Fossil energi har erbjudit väldigt billig energi som
har möjliggjort utvecklingen av vår moderna
ekonomi
• Industrin, transporter och bostäder/service
konsumerar stora mängder energi och kan inte byta
energibärare på kort tid
• Världens energibehov ökar ständigt
• Energieffektiviseringar kan bli viktiga men leder
nödvändigtvis inte till en totalt mindre
energianvändning
57
Energi och miljön
• All ”energiproduktion” har alltid någon påverkan
på miljön
• Vanliga miljöproblem orsakade av
energiproduktion är:
–
–
–
–
–
Klimatförändringar
Försurning
Partikelutsläpp och smog
Landskapspåverkan
Spridning av giftiga ämnen
58
Växthuseffekten
59
Global uppvärmning
• Växthuseffekten i sig är inget problem utan en
förutsättning för liv på jorden
• Främst genom vår användning av fossila
bränslen som leder till ökade utsläpp av
”växthusgaser” ökar mänskligheten på denna
effekt ofta kallas global uppvärmning
• Sedan slutet av 1800-talet har koldioxidhalten i
atmosfären ökat med ca 30% och
medeltemperaturen med 0,7 grader
60
Temperaturen på jorden
Den klassiska ”hockeyklubban”
61
Osäkerheter gällande global
uppvärmning
• IPCC:s fjärde syntesrapport slog fast att klimatet
förändras och att det är mycket sannolikt att
människan påverkar detta, här är forskarna
rörande överrens
• Däremot råder fortfarande en diskussion om hur
stora förändringarna kommer kunna bli och vad
konsekvenserna blir
• Klimatsystemen är väldigt komplexa!
62
Osäkerheter gällande global
uppvärmning II
• Det råder vissa osäkerheter angående hur vi
påverkar mängden vattenånga (och moln) samt
hur våra utsläpp av partiklar påverkar klimatet
• Det finns troligen återkopplingsmekanismer som
är svåra att förutspå och kan skapa ”tipping
points”, t ex metan från permafrost, mindre
reflekterat solljus från isar osv
• Samtidigt är det tveksamt om det finns tillräckligt
mycket fossila bränslen för att nå upp till IPCC:s
scenarier, men konsekvenserna kan bli stora
63
oavsett
Försurning
• Kallas ofta surt regn och orsakas av utsläpp av
främst svaveldioxid SO2 och kväveoxider NOx
• I reaktioner med vattenånga bildas svavelsyra och
salpetersyra vilket leder till ”surt regn”
64
Försurning II
• Olika bränslen innehåller olika mycket svavel
– Går att rena bort ur rökgaser förhållandevis enkelt
med t ex scrubber och tillsatt kalk
• Sverige använder mest lågsvavliga bränslen
(men någon använder de högsvavliga istället)
• NOx uppstår vid förbränning i luft vid hög
temperatur
– Svårare att rena bort men minskas med katalytisk
rening
• Effekterna minskas ibland med t ex kalkning av
sjöar
65
Utsläpp från förbränning
• Förbränning orsakar alltid utsläpp av partiklar
och mängder av olika föreningar som är
skadliga för miljön eller hälsovådliga
• Löstes först med högre skorstenar
• Går ofta att åtgärda med rökgasrening, men det
66
kostar pengar
Smog i städer
• Stora problem i större
städer
• Innehåller många
hälsovådliga ämnen
67
Rökgasrening
• Cyklon
– Mekanisk avskiljning av partiklar
• Textilfilter
• Elektrofilter
– Avskiljer partiklar med en elektrisk spänning
• Skrubber
– ”tvättar” bort partiklar och vissa föreningar
• Katalytisk avgasrening
– T ex katalysatorn på en bil
68
Koldioxidavskiljning
• Koldioxid går inte att få bort med vanlig
rökgasrening
• Det finns metoder för att avskilja koldioxiden
• Medför en ökad bränsleförbrukning och högre
kostnad
• Går det att lagra koldioxiden någonstans?
• Förutspås ofta en ljusnande framtid och ett sätt
att fortsätta använda kol och samtidigt minska
klimatpåverkan
69
Förnybar energi och kärnkraft
• All energiproduktion har en viss miljöpåverkan
• Det krävs ofta stora mängder fossil energi för att
få de andra energiformerna att fungera
• Förnybar energi kräver t ex metaller, cement,
transporter
• Kärnkraft är beroende av smutsig uranbrytning,
energiintensiv anrikning osv
• Vattenkraft ses ofta som miljövänlig men ny
vattenkraft har enorm lokal miljöpåverkan
70
Vindkraft
• Visuella effekter
• Buller
• Markanvändning
• Kablar och vägar tar yta, delar av ekosystem
• Vanligare och vanligare i fjällmiljö, vad gör det för
den lokala miljön?
• Fåglar och fladdermöss?
71
Bioenergi
• Biologisk mångfald
– Ger ofta upphov till monokulturer
– Död ved viktig för vissa arter
• Om vi ska odla bioenergi får vi jordbrukets
problem med koldioxidutsläpp, övergödning osv
på köpet
72
Vattenkraft
• Översvämmar stora arealer, förändrar
vattendragen och förhindrar fiskarnas vandring
• Skapar en artificiell sjö med varierande
vattennivå
• Stoppar sedimenttransport
73
Vattenkraftens klimatpåverkan
• Har alltid setts som bra
för klimatet, men ny
forskning ifrågasätter
klimatnyttan i ny
vattenkraft i tropiska
klimat
Bui Dam, Ghana
74
Gruvdrift
• Förstör ofta stora områden, erosion, biologisk
mångfald osv
• Den önskade metallen utgör ofta en väldigt liten
andel av det man bryter vilket skapar stora
mängder gruvavfrall som ofta innehåller giftiga
ämnen
• Läckage av giftiga ämnen till grundvatten och
ytvatten
• ”in situ” kan minska mängden gruvavfall men vad
händer med kemikalierna som pumpas ner?
75
Brytning av metaller
• Dagbrott, underjordiska gruvor och ”in situ
leaching” har lite olika påverkan men brytning av
malmer/metaller orsakar alltid stor lokal
miljöpåverkan
• Ofta hårda miljökrav, men gruvor vanliga i fattiga
länder där det inte är lika noga alltid
• Vanligt med småskalig ”olaglig” gruvbrytning som
ofta har oerhört stor miljöpåverkan
76
Uranbrytning
• Kan brytas på olika sätt men orsakar alltid att
radioaktivt gruvavfall skapas som inte ska
sprida/läcka radioaktiva ämnen
77
Giftspridning
• Gruvdrift frigör ämnen till naturen som varit
bundna i marken och kan nå t ex vattentillgångar
(t ex tungmetaller, radioaktiva ämnen, syra)
• Gruvavfall från urangruvor innehåller radioaktivt
material, men även t ex sällsynta jordartsmetaller
kommer med radioaktiva ämnen på köpet
• Rökgaser för med sig vissa metaller t ex
kvicksilver som sprids i naturen
78
Lokal vs globala miljöproblem
• Det kanske största globala miljöproblemet, global
uppvärmning orsakas främst av fossila bränslen
• Ersättningar till fossila bränslen ger ofta mindre
koldioxidutsläpp, men ibland mer lokala
miljöproblem, kanske måste vi acceptera dessa?
• Samtidigt löser minskad användning av fossil
energi andra lokala miljöproblem, som t ex smog
i storstäder
79
Mänsklig hälsa
Källa: Starfelt & Wikdahl. Economic Analysis of Various Options of Electricity Generation Taking into Account Health and Environmental Effects.
(Baserat på siffror från ExternE projektet)
Dödsfall bioenergi
• Vanligaste sättet att använda bioenergi är
”traditionell bioenergi” till matlagning etc
• Elda biobränsle inomhus är farligt (och vanligt)!
81
Miljöeffekternas påverkan på
ekonomin
• Energiproduktion medför alltid externa
kostnader, dvs en negativ påverkan på tredje
part som ej kan påverka beslut
• Miljöförstöring kan vara väldigt kostsamt rent
samhällsekonomiskt om sådana faktorer vägs in
• Kan vara svårt att kvantifiera sådana kostnader
och bestämma vem som ska betala vad till vem
82
Sammanfattning miljöeffekter
• All energikonsumption påverkar miljön lokalt eller
globalt
• Det största globala miljöproblemet med global
uppvärmning löses med att vi slutar använda
fossil energi (vilket vi kanske tvingas till ändå?)
• Andra mer lokala miljöproblem måste också
lösas, däribland surt regn, förgiftning och smog
• Om man räknar in externa kostnader av
användning av fossil energi, vad är billigast då?
83
Tack för uppmärksamheten!
84
