Jordens energibalans och global uppvärmning

Global uppvärmning
Prof. Bo Nordell
Arkitektur och infrastruktur
Luleå tekniska universitet
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium
Luleå den 8 mars 2007
Global uppvärmning



Den globala uppvärmningen är ett vetenskapligt faktum
Startade ca 1880 och 1999 var temperaturhöjningen ca 0.7oC
dvs 0.7/120  0.006oC per år
Orsaken omtvistad – tre förklaringar
– Växthuseffekten
– Variationer i solinstrålningen
– Termiska föroreningar
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Orsaker till global uppvärmning



Växthusförklaringen innebär att atmosfärens ökande
CO2- halt höjer atmosfärens temperatur.
Variationer i solens instrålning - ännu inget starkt fotfäste
Termiska föroreningar – en koldioxidfri förklaring
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Global uppvärmning = termisk förorening?




En varm sommardag i Tokyo höjs lufttemperaturen 3oC
pga luftkonditionering (heat islands).
Mänsklig aktivitet i Tokyo motsvarar ca 140 W/m2
Motsvarande för Stockholm är ca 70 W/m2.
Utslaget på Sveriges yta är värmeutsläppet 0.15 W/m2.
dvs 2-3 ggr större än det geotermiska värmeflödet.
ÄR DETTA GLOBAL UPPVÄRMNING?
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Principen är enkel……
”Släpper man ut värme i ett rum blir det varmare”
-
detta gäller även för det stora globala rummet…
principen är inte kontroversiell utan självklar
kritikerna menar att denna värmemängd är försumbar
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Global and Planetary Change
Vol. 38. Issue 3-4. 305-312
Miljöaktuellt. nov 2003
NK, 14 feb 2007
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Nyhetsinslag i radions P1 den 12 sep 2006
med Rickard Lundin, Lena Sommestad
Professor Rickard Lundin (Svenska Institutet för Rymdfysik) ang. ”växthuseffekten”
”Det är ingen liten skara forskare som är av annan åsikt. Problemet är vilka som
rätteligen skall betraktas som "klimatforskare". Glaciologer, hydrologer, solforskare,
paleo-klimatologer, planetologer, och rymdvetenskapare hamnar utanför kategorin.
Långa tidsserier av glaciologer och paleoklimatologer tagit fram ger en helt annan bild
än den gängse mediadebatten.
Skulle aldrig ha ställt upp i en debatt som denna om det inte vore för att jag har mitt på
det torra och jag genom åren upplevt så mycken rädsla hos många forskare. Man
hukar sig för att inte riskera sina ev. framtida forskningsanslag. De som inte ställer in
sig i ledet och hyllar gängse uppfattningar hamnar lätt utan finansiering. Deras
forskning betraktas som intressant, men ändå ovidkommande i sammanhanget”.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Globala medeltemperaturer
15.0
9.4
8.9
8.4
7.9
Temperature (oC)
17.0
9.9
1880
MEDEL
HAVSYTA
Temperature (oC)
Temperature (oC)
MARKYTA
16.5
16.0
15.5
1960
2000
1880
14.0
13.5
13.0
15.0
1920
14.5
1920
1960
2000
1880
1920
Global medeltemperatur över mark, hav, och globalt medel
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
1960
2000
Jordens energibalans
Reflekterande strålning
428 W/m2 (107 W/m2)
Solinstrålning (kortvågig)
1368 W/m2 (342 W/m2)
(100 %)
(30 %)
(70 %)
940 W/m2 (235 W/m2)
Utgående långvågig strålning
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Jorden
- Area = 4ΠR2
- Tvärsnittsarea = ΠR2
Jordens energibalans över en längre tidsperiod
Nettovärmeutstrålning
(Geotermisk energi, mm.)
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
”Global” energibalans
Utgående strålning = lampans effekt
En 25 W lampa medför en
viss konstant temperatur
på globens yta
Två 25 W lampor ger en
högre yttemperatur
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Jordens energibalans över en längre tidsperiod
Te= Jordens effektiva
medeltemperatur (-18.8oC)
Nettovärmeutstrålning
(Geotermisk energi. mm.)
Ts = Jordytans medeltemperatur
• År 1880: 13.6oC
• År 1999: 14.3oC
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Jordens energibalans
• All solenergi som når Jorden återstrålas till rymden
Jorden får inget nettovärmetillskott från Solen
• Energibalansen för Jorden år 1880 (medeltemperatur = 13.6oC)
Nettovärmeutflödet = geotermiska flödet från Jordens inre
• Energibalansen för Jorden år 1999 (medeltemperatur = 14.3oC)
Nettovärmeutflödet är högre än geotermiska flödet
Det måste ha tillkommit en ytterligare nettovärmekälla
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Jordens nettovärmekällor
Termodynamikens lagar säger oss att:
– Energi kan inte skapas eller förstöras utan bara omvandlas
– All använd energi (el. olja etc.) blir slutligen till värme



Användning förnyelsebar energi medför inget värmetillskott
till Jorden, eftersom denna energi finns redan här
Användning av fossila bränslen + kärnkraft = värmetillskott
Detta värmetillskottet måste leda till global uppvärmning!
Frågan är bara i vilken grad?
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Jordens nettovärmekällor
Icke-naturlig nettovärme


Energiförbrukning
Kol, Olja, Gas
Kärnkraft
Biobränsle > tillväxt
Kärnvapentester,
bomber
Naturlig nettovärme




Geotermisk energi
Vulkanutbrott
Jordbävningar
Meteoritnedfall
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Värmeutsläpp från kärnkraftverk
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Jordens nettovärmekällor (utslaget över hela jordytan)
Termisk förorening
Naturlig värme
Geotermiskt värmeflöde
 Global energiförbrukning (fossilt + kärnkraft)
All nettovärme


Jorden var i jämvikt år 1880
- nettoutstrålning = 0.068 W/m2 (geotermiskt värmeflöde)

Jorden åter i jämvikt i framtiden då
- nettoutstrålning = 0.088 W/m2 (all nettovärme)
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
0.068 W/m2
0.020 W/m2
0.088 W/m2
Jordens utstrålning
Utstrålning:
• År 1880 = geotermiska flödet
• År 1999 = geotermiska flödet + ca 1/3 av våra värmeutsläpp
Således blir 2/3 av våra värmeutsläpp kvar på Jorden
Temperaturen kommer därför att öka tills temperaturen blir
så hög att all nettovärme strålar ut.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Global uppvärmning
Temperature (oC)
Today
Future
3.9
4
3
1.9
2
1
2.5
1.2
0.5
0.7
0
Ocean
Land
Mean
Global temperaturökning. i dag och i framtiden
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Sammanfattning
Innan den globala uppvärmningen (~1880)
 Medeltemperatur = 13.6oC
 Nettoutstrålning = geotermiskt värmeflöde (naturlig
nettovärme)
Sedan 1880 har fossila bränslen och kärnkraft tillkommit:
 Icke naturliga nettovärmeutsläpp
 Jordens medeltemperatur har ökat till 14.3oC.
 År 1999: Nettoutstrålning = geotermiskt värmeflöde + 1/3 av
våra termiska föroreningar
 FRAMTIDEN: Jordens temperatur måste öka ytterligare
1.8oC för att åter komma i termisk balans.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Fortsatt forskning – var finns värmen?
Nettovärmeutsläpp
Vatten
Restvärme = global uppvärmning
Mark
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Luft
Global värmelagring dvs global uppvärmning, 1880 – 1999
1014.kWh
%
 Mark (uppvärmning)
23,9
31,5
 Luft (uppvärmning)
5,0
6,6
 Hav (uppvärmning)
21,6
28,5
 Smältning av landis
16,8
22,2
 Smältning av havsis
8,5
11,2
Värmelagring:
TOTALT
Mark
Luft
Hav
Smältning av is
75,8 100,0
Genom att betrakta global uppvärmning i energitermer kan
dess omfattning beräknas, kvantifieras, och förstås.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Globala värmeutsläpp, 1880 - 1999
Värmekälla:
1014.kWh
%
34,7
83,6
 Vulkanutbrott2
3,9
9,5
 Jordbävningar2
2,7
6,5
 Meteoritnedslag
-
-
 Kärnvapentester
0,1
0,2
 Krig
0,1
0,2
41,5
100,0
 Energianvändning1
TOTALT
Energianvändning
Vulkaner
Jordbävningar
Övrigt
Endast kommersiell energianvändning, fossilt + kärnkraft
2/ Endast riktigt stora jordbävningar och vulkanutbrott finns med
1/
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Global värmelagring – globala värmeutsläpp, 1880-1999
1014 kWh
%
Global värmelagring
 Luft, mark och vatten
75,8
100,0
45%
Globala värmeutsläpp
 Nettovärme
41,5
54,7
 Saknad värme
34,3
45,3
75,8
100.0
TOTALT
55%
Värmeutsläpp
Saknad värme
- Detta betyder att 55% av den globala uppvärmningen beror på värmeutsläpp
- Varifrån kommer den saknade värmen?
- Hur stor är den icke-kommersiella energianvändningen?
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Exempel på icke-kommersiell energianvändning





Fackling av gas
Bränder i kolgruvor
Torvbränder
Olja för annat än energi (t.ex. plasttillverkning)
Vedeldning> tillväxten
Det finns högst sannolikt ytterligare nettovärmekällor!!
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Gasfackling







Ca 20 länder står för 85% av facklingen
Praxis i tidig oljeproduktion – ingen gasmarknad
Afrikas gasfackling motsvarar 50% dess energianvändning
Saudiarabien - 38 miljard m3 (1980) till 0,12 miljard m3 (2004)
Problemets omfattning - Världsbanken ger ut The News Flare
Global fackling 1980-2000 (2700 miljarder m3) = 0.3.1014 kWh
Facklingen har minskat kraftigt under senare år
-> Den har gett stora värmeutsläpp sedan 1880.
GROV UPPSKATTNING: Totalt ca 5.1014 kWh sedan 1880?
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Var förekommer gasfackling?
Europe: 3 bcm
CIS: 15-60 bcm
Middle East: 30 bcm
North America:
12-17 bcm
Africa: > 45 bcm
Central and
South America:
10 bcm
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Asia: 7-20 bcm
Bränder i kolgruvor och kolfält





100-tals kolbränder pågår runt om i världen
Underjordsbränder - svåra att lokalisera och släcka
Några av de äldsta och största finns i Kina, USA, och Indien
Den första branden i Indien startade för snart 100 år sedan
- har nu spritt sig till 70 kolgruvor
I Kina brinner varje år 200 million ton kol (1.3.1012 kWh)
- vilket motsvarar ca 20% av USAs årliga kolförbrukning
GROV UPPSKATTNING: Totalt ca 5.1014 kWh sedan 1880?
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Bränder i kolgruvor och kolfält
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Torvbränder




Torvbränder kan också brinna under århundraden
1997 motsvarade CO2-utsläppen från torvbränder bara i
Indonesien 40% av all global fossil förbränning
Fler än 100 torvbränder i Kalimantan and East Sumatra
fortsätter att brinna sedan 1997
Utan närmare studier är slutsatsen att dessa bränder bidrar
till de globala värmeutsläppen i samma utsträckning som
gasfackling och kolbränder.
GROV UPPSKATTNING: Totalt ca 5.1014 kWh sedan 1880?
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Ytterligare värmekällor


Olja för plasttillverkning finns inte med i kommersiell energi
Då plasten förr eller senare eldas frigörs värme
Även eldning av förnyelsebara värmekällor bidrar om de
förbrukas i högre takt än de återbildas.
- Om det finns mindre skogsmassa idag än 1880 har även
detta medfört ett nettovärmetillskott till Jorden
GROV UPPSKATTNING? Totalt ca 5.1014 kWh sedan 1880?
En fransk student vid LTU försöker f.n. hjälpa mig att
uppskatta icke-kommersiell energianvändning.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Slutsatser
Kommersiell energi-användning
Kommersiell + grovt skattad ickekommersiell energianvändning
Saknad
värme
18%
45%
55%
Alt. oljeanv.
Värmeutsläpp
Torvbränder
Värmeutsläpp
Saknad värme
Förklarar 55% av den
globala uppvärmningen
Kolbränder
Gasfackling
Förklarar 82% av den
globala uppvärmningen
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Vad gör vi nu då?
Minska CO2 -utsläpp ?
Lagra CO2 under mark?
Bygga ut kärnkraften?
Kraftverk i rymden?
?
NEJ!
Alla dessa åtgärder minskar CO2-utsläppen men minskar inte
utsläppen av värme! Kärnkraft och rymdkraft resulterar båda i
nettovärmeproduktion!
Den enda framkomliga vägen är effektivare energianvändning
samt att utnyttja förnyelsebar energi. Med förnyelsebar energi
kan Jordens energibalans inte störas.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Förnyelsebar energi
Prof. Bo Nordell
Arkitektur och infrastruktur
Luleå tekniska universitet
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium
Luleå den 8 mars 2007
Förnyelsebar energi - solenergi i någon form
●
●
Motorbränsle
- alkoholer (etanol), bio-oljor..
Elektricitet
-
●
solceller, vindkraft, vågkraft, biobränsle..
Värme/kyla
-
solfångare, spillvärme, naturlig värme/kyla i mark,
luft och vatten
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Naturliga energikällor för värme och kyla
Sommarvärme
 Luft
 Ytvatten
 Sol
 Mark
 Grundvatten
Vinterkyla
 Luft
 Ytvatten
 Snö och is
 Mark
 Grundvatten
För ett storskaligt utnyttjande av förnyelsebar energi krävs att
energin kan lagras tills den behövs (korttids- och långtidslagring)!
Tekniken finns - stora energilager byggs oftast under mark
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Markens temperatur
VINTERTID
SOMMARTIM
Marken är varmare än lufttemperaturen
Marken är kallare än lufttemperaturen
Detta beror på att värme/kyla passivt lagras in mellan säsongerna.
Markens medeltemperatur är ungefär lika med årsmedel i luft.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Skillnad mellan högsta och lägsta månadsmedeltemperatur
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Borrhål i berg för kyla och värme
Bergvärme för typiskt småhus
• Borrdjup: ca 100-150 m
• Borrhålsdiameter: ca 110 mm
• Värmefaktor: 3-4
• Uttag: 20000-30000 kWh varav
ca ¼ är drivenergi till värmepump.
• Inv. kostnad ca: 100.000 kr
• Avkastning: 10%
• Ca 300.000 installationer i
Sverige
tank för
varmvatten
värmepump
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
golvvärmesystem för
lågtemperaturuppvärmning
Borrhålsvärmeväxlare
Hur vanligt är bergvärme/bergkyla?
•
•
•
•
Det finns ca 1.2 miljoner borrhålssystem för värme och kyla i världen
Hälften i USA och hälften i Europa, varav hälften i Sverige
Det finns alltså 300.000 bergvärmebrunnar i Sverige – ökning ca 40.000/år
FoU vid LTU och LTH har starkt medverkat till denna utveckling
•
•
•
Sveriges totala energibehov för uppvärmning och kylning är ca 100 TWh
År 2000 kom ca 15% av denna energi från borrhålssystem
År 2010 beräknas borrhålssystemens stå för 27% av all uppvärmning
 dvs 20% av all uppvärmning sker med förnyelsebar energi
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
VÄRMELAGER LULEÅ
Världens första - byggdes i Luleå
Var i drift mellan 1983-1990
SSABs spillvärme via
fjärrvärmenätet
Borrhål: 120 st á 65 m
Volym: 120.000 m3
Årligt värmeuttag: ca 2000 MWh
Lagringstemperatur: max 82C
Uttagstemperatur: 65-35C
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Därlingen Schweiz
Sommar: värme från bro (väg)
lagras i borrhålssystem
Vinter: värmen håller vägen isfri
Teknik kan användas för att hålla
flygplatser snö- och isfria.
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Därlingen Schweiz
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Näsby Parks Slott, Stockholm
Hybrid system - Boreholes with summer recharge from lake
Näsby Parks Slott, Stockholm
Boreholes
Water
intake
Water
outlet
Heat load from buildings (18.000 m2) marked in yellow
Chemistry Department, Lund
Architecture
Chemistry
IKDC
Energy store
165 boreholes
Energy balance by combining buildings with different load profiles
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Heating load
Chemistry
IKDC
Cooling load
Architecture
Chemistry
IKDC
Avantor-Nydalen, Oslo
University
Radisson Hotel
Energy storage
(wells)
Housing flats
Building area : 180.000 m2
Energy wells :180 wells, 200 m deep
Central heating and cooling station
District heating and cooling
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Office building
Anneberg: solvärme - säsongslagring - uppvärmning
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Utveckling värmepumpssystem för bostadshus (EHPA 2000)
Total energi (TWh)
30
2000
2010
25
20
15
10
5
0
AU
DK
SF
FR
DE
GR
IT
NL
NO
SP
SW
Sveriges totala uppvärmningsbehov är ca 100 TWh
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
CH
UK
Värmepumpar för bostadshus
EHPA 2001
År
Antal
system
(st)
Total
kapacitet
(MW)
Värme
produktion
(TWh/år)
Energibesparing
(TWh/år)
CO2-reduktion
(1000 ton/år)
2000
360.000
2.500
15
10
4.000
2010
650.000
4.500
27
18
7.200
Energibesparing är missvisande!
Bör kallas förnyelsebar energi!
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Komfortkyla
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Is och snö - värdefull förnyelsebar resurs
• Konventionell kylningskostnad ca 1 kr/kWh
• 1 ton 0°C is/snö  1 ton 6°C water = 100 kWh
• Snöns värde = 100 kr/ton
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
SNOW and ICE
Natural snow
Natural ice
Artificial ice/snow
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Snölagringsmetoder
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
5
Snölagring/kylning
Vinter
Sommar
Kyllast
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
2
Snölager
Värmeisolering
Snömagasin
Smältvatten
Varmt vatten
P
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Kallt vatten
Sundsvalls snölager (nov 1999)
Längd: 140 m
Bredd: 60 m
Djup: ca 2 m
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Snökanon
Snöproduktion: ca 100 m3/h
Lufttemperatur: < -2oC
Verkningsgrad: 1:100-200
(1 kWh drivenergi ger 100 – 200 kWh kyla)
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Sundsvalls snölager, 40000 m3 (2002)
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Totalkostnad [kr/kWh]
Kylkostnad
3,00
Snökyla med tippinkomst
2,50
Kylmaskin med miljöanpassat köldmedia
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
2002-2003
2003-2004
2004-2005
2005-2006
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Prognos
2006-2007
Prognos
2007-2008
Ännu lönsammare med ökande energipriser
1,20
Kylkostnad [SEK/kWh]
Snökyla
1,00
Kylmaskin, 134a eller liknande
Miljökylmaskin, ammoniak eller propan
0,80
0,60
0,40
-5%
0%
5%
Elprisökning per år
10%
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
28
Potential Snölager
LTU utformade Sundsvallslagret - världens första snölager (på
mark) i stor skala.
 Efter 5 år är Sundsvallslagret kylkostnad lägre än för konv.
kylning
 Stor potential i stora delar av Europa
– St. Petersburg – årlig snötransport 20 milj. m3 snö
– Stockholm 1-3 milj. m3 snö/år
– Japan, Kanada
– Wiens flygplats. Studenter vid LTU deltar i projektet; ca 0,5 milj m3
snö/år motsv. ca 35.000 MWh kyla; Kylningsbehov: 30.000 MWh;
Kyleffekt 31 MW. Mycket gynnsamma förutsättningar.
 SnowPower AB, ett nybildat företag i Luleå gör f.n. flera förstudier
för snölagring
– Plannja Hardtech; kontinuerlig processkylning (älvvatten/snö)
– Sunderby sjukhus, kylning av sjukhuset under sommaren.

Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Bergrumslager för snö
Volym: 100000 m3
Kyla: 6000 MWh
Anl.kostn. 50 MSEK
Kyleffekt: valfri
Betald fyllning
Smältförlust ca 1-2%
Bör anslutas till fjärrkyla
1 års pay-off tid!
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08
Sammanfattning
•
•
•
Naturvärme och Naturkyla förnyelsebar energi som ger
Lönsamma och miljöfrämjande lösningar
Oftast krävs någon form av lagring - passiv eller aktiv
•
•
Av världens markvärmepumpar finns hälften i USA och
hälften i Europa, varav hälften finns i Sverige.
Tekniken är tillförlitlig, ”förlåtande”
Enastående potential
•
Naturvärme/naturkyla bör alltid övervägas vid uppvärmning/kylning
•
•
•
Norrbotten har synnerligen bra förutsättningar för naturenergi.
Snökyla har en enorm potential – snöns värde 100 kr/ton!
Det finns plats för många nya idéer och användningsområden
Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007-03-08