Transcript Sammanfattande kompendium för kursen i Energi

 Energi och Miljöteknik Sammanfattande kompendium över kursinnehållet i kursen Energi och Miljöteknik vid Uppsala Universitet vårterminen 2011 Författare: Andreas Meisingseth Jakob Sahlström Förord Vi har genomfört denna sammanfattning för att underlätta för studenter i våran omgivning. Detta arbete har skett på eget bevåg och vi frånsäger oss allt ansvar för att informationen, fakta eller bilder är korrekta. Vi kan således inte ta på oss något ansvar för innehållet eller konsekvenser som kan härledas till detta kompendium. De källor som har använts för att sammanställa detta kompendium har varit författarnas föreläsningsanteckningar, de powerpointpresentationerna som hölls under kursen samt Vattenfalls informationsbroschyr om sin anläggning i Uppsala. Vi vill vidare tacka de personer i våran omgivning som har stöttat oss i vårat arbete. Korregeringar om faktafel eller dylikt tas tacksamt emot på: [email protected] [email protected] Uppsala Universitet, Ångströmslaboratoriet, 2011-­‐05-­‐21 2 Innehållsförteckning Energi och Miljöteknik 1 Inledning till Energi och Miljöteknik 4 Hur använder vi energin? 5 Energisituationen i Sverige och världen 7 Ekotoxikologi 10 Energieffektiva byggnader 13 LCA – livscykelanalys 15 Biodiversitet – biologisk mångfald 18 Miljöövervakning och naturvård 20 Kärnkraft – problem och lösningar för den globala energiförsörjningen 22 Miljökonsekvensbeskrivning och miljöbalken 25 Solceller – En otrolig utveckling 27 Jordens klimat 29 Elproduktion 32 LCA-­‐perspektiv av elenergiproduktion – finns det hållbar energimiljöomvandling? 34 Vattenfall heat Uppsala 38 3 Föreläsning 1 Inledning till Energi och Miljöteknik Definition på miljöteknik Miljöteknik är all teknik som direkt eller indirekt bidrar till en bättre miljö. Miljöteknik innefattar sådana varor, system, processer och tjänster som ger tydliga miljöfördelar i förhållande till befintliga eller alternativa lösningar, sett ur ett livscykelperspektiv. Det rör sig om tekniker som minskar utsläpp av föroreningar, som renar vatten och luft, som använder energi och naturresurser mer effektivt. Sverige som miljöteknikland Sverige är bra på helheten men saknar kapital samt en stark koppling mellan näringsliv och akademi. Elektromagnetism – Människa, djur och natur Många djurarter navigerar med hjälp av jordens magnetfält. Lokala variationer i magnetfältets styrka som exempelvis nära strömkablar kan då påverka djurens beteende. Man vet att människor påverkas av elektromagnetism men man har inte studerat det under en längre tid, något som behövs vid sådana studier. 4 Föreläsning 2 Hur använder vi energin? Energikällor Definition: Naturtillgång eller naturfenomen som kan omvandlas till nyttiga energiformer som ljus, rörelse och värme. Man kan i princip dela in energikällorna i två grupper Fossila som nybildas mycket långsamt, exempelvis olja eller naturgas. Förnyelsebara som återbildas kontinuerligt, exempelvis vind och vatten. Energisystem Beskriver vägen från källa till användning. Under denna vandring så sker det förluster i vid alla energiomvandlingar, som exempelvis värmeförluster vid fjärrvärmeledningar. Detta implicerar att för varje KWh som konsumenten sparar in så sparar man in mycket mer av källan. Det är viktigt att effektivisera hela kedjan, till exempel genom att ta tillvara på spillvärme vid energiomvandlingar. Elmixar och CO2 Har man en bra elmix kan man sälja till andra länder som har en smutsigare elproduktion. Detta ger att elsammansättningen globalt blir bättre. Även elpriserna påverkas om man har ett inhemskt överflöd av el. Vad påverkar energikonsumtionen? Det finns ett tydligt samband mellan rikedom och oljekonsumtion, ju rikare landet är desto mer olja konsumeras. För privatpersoner är det framförallt boende, resor och köttkonsumtion som påverkar energikonsumtionen. • Boende påverkar genom hur boendet värms upp och hur det är isolerat. Det är extra viktigt att fönsterna är välisolerade den mesta värmen försvinner ut genom fönstren. Det försvinner förvånansvärt mycket värme från byggnader varför detta regleras genom byggregler och lagstiftning. • Transporter förbrukar mycket energi och framförallt icke-­‐kommunala transporter på korta sträckor. • Köttkonsumtionen påverkar kraftigt varje individs energikonsumtion då köttproducerande djur förbrukar stora mängder växter under sin tillväxtfas. Det finns flera sätt att minska sin energikonsumtion, högre elpriser påverkar kraftigt elanvändandet vilket kan illustreras genom att Volvos fabrik i Sverige förbrukar dubbelt 5 så mycket el som motsvarande fabrik i Holland. Vidare är det viktigt att göra LCC-­‐
analyser dvs. ta reda på livscykelkostnaden för lampor eller hemelektronik. Att välja smarta fönster påverkar även det hur mycket energi som krävs för uppvärmning av en byggnad då fönster står för en majoritet av all spillvärme. Från myndigheternas sida kan man påverka användandet genom ekonomiska styrmedel, lagar och förordningar. 6 Föreläsning 3 Energisituationen i Sverige och världen Energikällor Olja är en av de största energikällorna i världen. De största oljeresurserna finns i mellanöstern och framförallt Saudiarabien. Fördelningen av världens oljeresurser har sett likadan ut under den senaste 20-­‐
årsperioden även oljeproduktionen har ökat som mest i mellanöstern. En viktig faktor för oljeföretagen är kvoten R/P (reserves-­‐to-­‐production) som ligger runt 40 för olja. Oljekonsumtionen har legat på samma nivå i västvärlden men har ökat kraftigt i Asien, Oljekonsumtionen per capita är högst i Nordamerika, Saudiarabien och på Island. Prissättningen på olja är nära förknippad med oroligheter på det politiska planet som exempelvis krig. Storleksordningen på ett fat olja är 100-­‐120 USD. OPEC grundades för att oljestaterna i mellanöstern tyckte att de fick för lite betalt, även i OPEC är det Saudiarabien som styr och ställer. Priset på olja är även en viktig faktor när det gäller prissättningen av andra energikällor. Länder på nordliga breddgrader bygger upp sina oljeförråd under september vilket gör att oljeproduktionen är som högst under den årstiden. Kapaciteten när det gäller hur mycket olja man kan pumpa upp har legat på en konstant nivå under en längre tidsperiod vilket även det spelar en viktig roll när det gäller prissättningen av olja. Precis som för olja så är det mellanöstern som har störst gasreserver men Europa & Euroasien har stora reserver. Gasproduktionen har ökat sen 80-­‐talet då man insåg att det var lönsamt att driva kraftverk med gas. R/P(mellan 60-­‐70) för gas är bättre än för olja vilket kan ses som positivt. De länder som är beroende av gas är framförallt Europa och Nordamerika, vilket avspeglar sig på kartan över var konsumtionen per capita. Speciellt Ryssland och Nordamerika konsumerar stora mängder gas. Gas är även en viktig exportprodukt. Har man i princip slutat att använda i Sverige som energikälla. En vanlig energikälla i Asien och Europa men givetvis även i Nordamerika. De längder som producerar kol konsumerar även mest kol vilket implicerar att man inte exporterar kolenergi i samma utsträckning som andra energikällor. Kärnkraften byggdes ut kraftigt på 70-­‐ och 80-­‐talet men har stagnerat och antalet kärnkraftverk har minskat på senare år. Det är framförallt i Europa som har en stor andel av kärnkraftverken, och det är bara i västvärlden som det finns kärnkraftverk. Av förklarliga anledningar konsumeras i princip ingen vattenkraft i mellanöstern medan det i Europa och Asien är en vanlig energikälla. Under senare år har det skett en kraftig utbyggning i sydamerika. Att mäta och jämföra med R/P är ett ganska dåligt sätt då det finns flera länder som inte vill avslöja storleken på sina reserver. 7 Energi i Sverige Energianvändandet i Sverige varierar lite från år till år med viss koppling till rådande konjunktur. Lågkonjunktur medför lägre energikonsumtion. För transporter så går ungefär 20-­‐25% av energiinnehållet för källan till drivning, resten blir spillvärme. Förluster i omvandling/distribution är ungefär 10% av det totala energianvändandet. Tidigare har det skett en ökning med ungefär 1-­‐2% per år vilket motsvarar 0.5BNP. I Sverige så minskar oljekonsumtionen medan biobränslen kraftigt ökar. Elproduktionen i Sverige utgörs till största del av vatten-­‐ och kärnkraft(65 respektive 50 TWh). Storleksordningen för Sveriges totala energiproduktion är ungefär 140 TWh. Fjärrvärme är effektivt men är endast vanligt i norra länder men ovanligare i söder. Biobränslen utgör ungefär 100TWh. Fjärrvärme finns på över 200 orter och värmer främst upp bostäder i en storleksordning av 50 TWh. Förutsättningar för olika energisystem varierar med lokala och sociala förutsättningar. Framtidsspekulationer Många tror att det kommer vara nukleära källor som dominerar i framtiden, det finns dock frågetecken kring både fission och fusion. Andra alternativa källor är de förnyelsebara energikällorna. De fossila bränslena kommer att ta slut inom olika tidsramar, Kol räcker flera hundra år, gas räcker i ungefär 50 år medan olja kommer att nå ett tak relativt snart. Förnyelsebara energikällor Huvudområden är: • Wave Power • Wind Power • Marine Current Power • Electric Propulsion System För alla förnyelsebara energikällor måste man gå igenom fyra kriterier; 1. Ekonomi 2. Sociala faktorer 3. Miljöpåverkningar 4. Teknik Ekonomin styrs av hur mycket man kan utnyttja energikällan. Kan illustreras genom att vattenkraften kan utnyttjas ungefär 60% av tiden, Kärnkraft 85% medan solceller ligger runt 12%. Geotermisk är en källa som förväntas ha en hög (80-­‐90%) utnyttjandegrad. På sikt kan även våg-­‐ och strömkraft ha en utnyttjandegrad på 60-­‐80% i Norge. Man förväntar sig att Norge kommer att kunna producera ungefär 500 TWh med enbart vågkraft, vilket skulle kunna försörja hela norden och eventuellt norra Tyskland. Man jämför ibland förnyelsebara källor genom att jämföra effekten per area, kW/m2. 8 Det går inte att undvika miljöfrågorna, men det finns flera fördelar med förnyelsebara energikällor. De har som ekonomisk fördel att det inte finns någon kostnad för råmaterialet, vinden är ju gratis men som nackdel kan nämnas att dem har som bieffekt att de behöver stora landytor. Finansiella aspekter av miljöteknik USA efterfrågar i stor utsträckning miljöteknikföretag, vilket är kopplat till de många avknoppningsföretag som finns i Sverige. Detta för att man som forskare i Sverige får patentet och inte som i vissa delar av världen, att patentet istället delvis/helt ägs av Universitetet. 9 Föreläsning 4 Ekotoxikologi Miljögifter Ett gift som sprids i miljön, avsiktligt eller oavsiktligt, och som efterhand kommer att ha påverkat stora delar av miljön. Ett miljögift karakteriseras av att det är svårnedbrytbart och att de kan transporteras långa sträckor. Kemisk indelning av miljögifter • Tungmetaller Finns naturligt i berg men människan har förflyttat dessa från dess naturliga miljö till jordytan. Exempel på detta är Falu koppargruva där växtligheten blev kraftigt påverkad. • Klorerade organiska föreningar Exempel på detta är DDT, som är ett medel som man kan använda för att kontrollera insekter. Under 50-­‐ och 60-­‐talet så användes DDT i princip alla svenska hushåll men ganska snart (1957) upptäckte man att DDT har en kraftig miljöpåverkan och inte bara påverkar insekter. DDT förbjöds i Sverige på 70-­‐
talet. Ett annat exempel är PCB vilket inte är ett insektsmedel utan används i industrin eftersom det är en mycket god elektrisk isolator och är förbjudet i västvärlden. • Bromerade organiska föreningar Exempel på detta är flamskyddsmedel vilket knappt används i Sverige men i USA används det väldigt mycket på grund av lagstiftningen. Många av de ämnen som används i USA är förbjudna i EU. • Fluorerade organiska föreningar Är vatten-­‐ och fettfrånstötande vilket har gjort att de är väldigt populära i kläder och dessa föreningar hittas t.ex. i Gore-­‐Tex. Man har sett att det finns en relation mellan dessa föreningar och biverkningar ibland hjärnan hos människor men är ett tämligen outforskat område. Transport mellan generationer Miljögifter transporteras mellan moder och barn under graviditeten vilket kommer från att kontaktytan mellan modern och fostrets blod är mycket stor vilket ger ett effektivt utbyte av gift mellan moder och foster. Det inses lätt att fostret har ett svagare försvar mot gift än modern vilket implicerar att fostret påverkas i högre avseende än modern. Eftersom människan är ett däggdjur sker det även en transport av gift genom modersmjölken. Desto fetare mjölken är desto mera gift kan transporteras. Detta gör att hästar som har lättare mjölk för över mindre gift än uttrar som har en mycket hög fetthalt i modersmjölken. Av denna anledning har honor lägre koncentration av miljögift än hanar. 10 Ordlista över indikatorer Bioackumulation Halten av ett främmande ämne ökar i en individ med individens ålder. Biomagnifikation Halten av ett miljögift är högre i en organism än i födan som organismen äter Biomagnifikationsfaktor (BMF) BMF=(koncentration i en organism)/ (koncentration i organismens föda) Toxicitetsmått Nedan följer en punktlista över de toxicitetsmått som är relevanta • LD50 letal dos för 50% av den undersökta populationen. (mg/kg BW) • LC50 letal koncentration då 50% av den undersökta populationen dör(mikrogram/m3) • IC50 Inhiberande koncentration för 50-­‐% inhibering av den studerande variabeln • NOEC (No observed effect concentration) Den högsta undersökta koncentrationen utan observerad effekt. • LOEC (Lowest observed effect concentration) Den lägsta undersökta koncentrationen med observerad effekt Riskbedömning och åtgärder Miljöriskbedömning bygger på att man gör en exponeringsanalys(PEC) och effektanalys (PNEC) vilket leder till en riskkvantifiering (=PEC/PNEC). Beroende om kvoten är mindre eller större än ett så är det antingen en ringa risk eller dags att vidta riskreduktionen. För att ta fram PEC och PNEC är det nödvändigt med Ekotoxikologisk information: Uppträdande i miljön 1. Nedbrytning 2. Adsorption 3. Fördelning 4. Bioackumulation Effekter på ett antal skilda organismer De använda försöksorganismerna betraktas som representanter för alla organismgrupper i ett visst ekosystem. Det är vanligt att betrakta encelliga organismer (alger), Daphnia (hoppkräfta) och Fiskar som representanter för vattenmiljö. Daggmask används som representant för marklevande organismer. Fågel (ofta vaktel) som representanter för luftlevande organismer. Bi är ofta representant för insikter. 11 Predicted environmental concentration (PEC) Indata är utsläppsnivå/förbrukning samt Nedbrytning/adsorption/flyktighet vilket ger utdata som i det här fallet är PEC. Predicted no effect concentration (PNEC) Går ut på att hitta den organismen som påverkas lättast, vilket är ogenomförbart eftersom det finns för många olika organismer. Eftersom vuxna individer är mindre känsliga är unga är det icke representativt att undersöka vuxna individer även fast det oftast är dessa som undersöks. Indata är LC50/EC50/NOEC samt en osäkerhetsfaktor (10-­‐1000) och utdata är PNEC, vilket fås genom att man dividerar någon av de ingående faktorerna med osäkerhetsfaktorn. Osäkerhetsfaktorer När det gäller osäkerhetsfaktorer är det relevant att studera från vilka trofinivåer som arterna som studerats kommer ifrån samt, hur många olika trofinivåer som är inblandade. Exempel: En korttids-­‐L(E)C50 från studier på fisk eller liknande har en osäkerhetsfaktor på 1000. En långtids-­‐NOEC med en trofinivå ger en osäkerhetsfaktor på 100 Två långtids-­‐NOEC från studier på 2 arter från olika trofinivåer ger osäkerhetsfaktor 50 Tre långtids-­‐NOEC på 3 ger osäkerhetsfaktor på 10. Riskreduktion handlar om att minska användandet av miljögiftet eftersom det endast är PEC som människan kan påverka. 12 Föreläsning 5 Energieffektiva byggnader Bakgrund De byggnader som finns idag har en majoritet av sin värmeförlust respektive värmeinstrålning genom fönsterna. Problemet som uppstår är att man i både Europa och USA använder runt 60 % av energikonsumtionen i en byggnad till värme, kylning och luftkonditionering. Detta medför att man kan spara in stora mängder energi genom att vidta åtgärder, detta blir extra påtagligt i länder som är antingen kalla eller varma. Smarta fönster -­‐ inledning Fönster är en viktig faktor för trivseln i byggnader och släpper in dagsljus. Samtidigt så är det en påtaglig faktor när det gäller spillvärme respektive spillkyla. Lösningen är att ha smarta fönster som reglerar ljusinsläppet efter rådande omständigheter, dvs. transmittansen ökar vid låg ljusintensitet och minskar vid hög. Värmeinstrålningen sker i det våglängdsintervall som omnämns termiskt infrarött (över 3 mikrometer) Parametrar: • U-­‐värde som beskriver värmeövergången vid de två sidorna av den värmeväxlande ytan och värmeledning genom ytan. Det fastställs för att mäta värmeförluster för en konstruktionsenhet. Värdet indikerar hur mycket värme som passerar genom en m2 på en konstruktionsenhet under en angiven tidsenhet med en inomhus och utomhus-­‐ temperaturskillnad på 1 grad Kelvin. Man försöker uppnå ett så lågt U-­‐värde som möjligt för en bra isolering. • G-­‐värde är en koefficient av total genomtränglighet av solenergi angivet i %. Sammansatt av direkt energiöverföring och påföljande fördelning av värme på den glasade ytan mot interiören, vilket sker baserat på absorberade solstrålar. Befintliga tekniker De existerande tekniker som finns är värmereflekterande glas, som fungerar genom att det finns ett skikt av gas (t.ex. argongas) vilket reflekterar infraröd strålning, samt solskyddsglas där man minskar solinstrålningen. För att minska solinstrålningen kraftigt behöver man tona glaset vilket ger en kraftigt försämrad omvärldskontakt. Det optimala vore att kombinera dessa två tekniker vilket sker med smarta fönster. Smarta fönster – tekniker I ett smart fönster varierar genomskinligheten och därmed solinstrålningen. Man kan dela in smarta fönster efter vilka typer av teknologier som används för att reglera detta. För närvarande finns det två stora gruppen, de som använder elektrokroma principer 13 och de som använder termokromatiska principer. Den elektrokroma principen som används är att man utnyttjar elektrokemiska reaktioner för att reglera transmittansen. De ämnen som används för att reglera detta är nickeloxid NiO2 och volframoxid WO2. De fönster som använder termokroma skikt för att reglera transmittansen utnyttjar egenskaper hos vanadinoxid genom att man har VO2 i polymerer som får minskad transmittans med ökad temperatur. Ett smart elektrokromatiskt fönster är uppbyggt enligt nedan, från vänster till höger. Polyester ITO WO2 Laminat NiO2 ITO Polyester Vad har då dessa material för egenskaper? Polyestern är ett skydd mot omvärlden dvs. det isolerar den elektrokemiska processen samtidigt som det är transparant. ITO används för att det är en transparant ledare vilket behövs till fönstrets styrsystem. Volframoxid blir en katod när den träffas av solljus och Nickeloxid blir en anod när det träffas av solljus, detta leder till en potentialskillnad över laminatet vilket styrsystemet känner av. Laminatet fungerar helt enkelt som ett lim och en elektrolyt. Det är volfram-­‐ och nickeloxiderna som får ändrad transmittans genom elektronövergångar. Det finns även flera andra tillämpningar av denna teknik, som exempelvis i visir på MC-­‐
hjälmar, i fordonsrutor och andra stora nischmarknader. Smarta fönster -­‐ att tänka på vid tillämpningar Det är viktigt att man har en god kontrast mellan genomskinliga och mörka tillstånd, samt att det ska gå fort att ändra tillstånd. Fönstret ska ha god stabilitet och hållbarhet. Det ska vara komfortabelt för användaren att ha ett fönster som ändrar transmittans för att man ska få en användaracceptans. Idéer för energieffektivitet med smarta fönster Huvudidén är att anpassa ett fönsters transparens beroende på värme-­‐ eller kylbehov och om rummet är i bruk eller tomt. Man strävar efter att ha en dagsljusbalans mellan fönster och ljusledare. Man vill även ha ett integrerat styrsystem som fungerar både manuellt och automatiskt. Energieffektivitet Smarta fönster leder till att man knappt behöver använda någon energi alls för nedkylning. Andra nanoteknologier Det finns många andra gröna nanoteknologier, några exempel: • Dagsljusbelysning • Solreflekterande ytor • Passiv kylning • Luftrenande ytor • Fotokatalys med hjälp av solenergi 14 Föreläsning 6 LCA – livscykelanalys Introduktion Definition: LCA är en bedömning, det man vill bedöma är en produkt eller en tjänst från vaggan till graven. Man beräknar energi-­‐ och resursanvändning samt dess påverkan på miljö och hälsa. Det man vill uppnå är att se vad en produkt eller en tjänst har för påverkan på omvärlden. Historia Coca-­‐cola var de som började göra LCA och de började med det eftersom de glasflaskor de använde var otympliga och ömtåliga. Man hade börjat fundera på att börja använda plastflaskor men det var då (på 70-­‐talet) dyrt med plast på grund av den dåvarande oljekrisen. Coca-­‐cola ville ha var en metod för att bedöma om det var glas-­‐ eller plastflaskor som var optimalt. Man började använda LCA på förpackningssystem och på avfallshantering. När man började förpacka dryck i aluminiumburkar spreds LCA till aluminiumindustrin och har sedan spridit sig till i princip alla branscher. Vad är LCA egentligen och vad är det inte? En LCA kan identifiera hotspots där mest energi-­‐ eller resursanvändning sker under livscykeln. Vidare kan detta användas för att jämföra produkter eller tjänster. En LCA kan inte förutse vilka eller hur många som kommer att använda en produkt eller en tjänst. Olika typer av LCA och dess skillnader Man kan kort säga att det finns tre typer av LCA 1. Processbaserade a) Beskrivande/bokföring Exempel: miljövarudeklaration av hamburgare b) Konsekvens Exempel: Vad innebär det om vi förbjuder glödlampor och använder lågenergilampor istället? 2. Input/Output analys Använder Use-­‐ och Supplymatriser och är något mer heltäckande än processbaserade analyser. Kan exempelvis användas för att se fördelningen av växthusgasutsläpp per medelsvensk och år i olika sektorer. 3. Hybrid LCA Använder både Input/Output och Processer för att genomföra analysen. 15 Utförande av en LCA En LCA har tre skeden 1. Definition av mål och omfattning a. Målet är en dialog mellan beställare och utförare där frågor som ska besvaras kan vara varför LCA:n utförs, vem som är beställaren och vem som är den tänkta användaren. b. Man väljer en funktionell enhet som man använder som beräkningsbas för analysen. Den funktionella enheten ska mäta en funktion, exempelvis förpackning av en liter dryck. c. Man väljer systemgränser som vad som är vaggan och vad som är graven. Det kan även vara geografiska, tidsmässiga och kapitalmässiga begränsningar. Vilka systemgränser som väljs kan vara av stor vikt för resultatet. 2. Inventeringsanalys Man utför inventeringsanalysen genom att rita processträd och för att sedan samla in och processa data vilket sedan normaliseras till den funktionella enheten. Inventeringsanalysen är den mest tidskrävande fasen i en LCA. Detta delvis på grund av att man kan stöta på problem i form av att man kan behöva allokera på grund av att en produkt kanske produceras. I första hand bör undvik allokering Fysiska samband Man allokerar genom att använda ett fysiskt samband som fördelning av energiinnehåll i de olika produkterna. Ekonomiska samband Man allokerar genom att matcha vilka kostnader och intäkter som de olika produkterna frambringar. Om man använder ekonomisk eller fysisk allokering beror på sammanhanget. Systemexpansion Man ser hur biprodukter som exempelvis värme från produktion kan bidra till att minska annan energiförbrukning i ett större system. 3.Miljöpåverkansbedömning Väger samman data från inventeringen, klassificerar, karakteriserar vilket resulterar i ett resultat efter en viktning. Man kan välja att redovisa resultaten i antingen ”midpoint” som är exempelvis koldioxidekvivalenter, vilket sker genom att analysera olika miljöpåverkanskategorier: • Resursanvändning • Hälsoeffekter • Ekologiska effekter 16 Man kan även redovisa data i ”endpoint” vilket kan vara exempelvis hur utsläppet påverkar dödligheten hos en viss population. Användande av en LCA Under hela utförandet av en LCA bör det ske en tolkning och dialog i alla de tre stegen som man går igenom. Hur tolkningen går till beror givetvis på vem som tolkar och i vilket syfte som LCA’n genomförs. Generellt går man igenom flera olika faser där man bland annat utvärderar känsligheten i undersökningen, resultatet samt hur kvalitén på data har påverkat resultatet. Jämförelse mellan bokföring-­‐ och konsekvensanalys Bokföringsanalys Konsekvensanalys Hur fördelar sig utsläppen? Vad får det för konsekvenser att? Ekonomisk allokering är vanligast Systemexpansion Använder medeldata Använder marginaldata Ett exempel på marginaldata är den elproduktionsteknik som just för tillfället har den högsta rörliga kostnaden. 17 Föreläsning 7 Biodiversitet – biologisk mångfald Användbara definitioner Biodiversitet -­‐ genetisk variation inom arter samt mångfalden av ekosystem. Population -­‐ ett antal individer som finns i ett mer eller mindre väldefinierat geografiskt område. Metapopulation – ett antal delvis avgränsade populationer som ändå har ett visst genetiskt utbyte. Arter – vad är en art och hur de uppstår Definition av art: En art är en grupp individer vilka under naturliga förhållanden kan reproducera sig med varandra och som samtidigt är reproduktivt isolerade från andra sådana grupper av individer. En art kan bildas på flera olika sätt, men de har alla gemensamt om att det är enn långsam process i ett evolutionärt tidsperspektiv, en artbildningsprocess tar 100000 -­‐
200000 år. Två sätt som en art kan bildas på: Sympatrisk artbildning -­‐ sker när artbildning sker inom samma geografiska område trots fortsatt genbyte mellan de olika grupperna. Allopatrisk artbildning -­‐ sker när en population splittras upp och grupperna blir geografiskt isolerade från varandra. Variation inom arter kan bland annat vara genom att det finns olika raser, med olika egenskaper samtidigt som de kan para sig med varandra exempelvis hundraser, samt morfer som är färgskillnad mellan olika individer i en art. Man tror att det finns minst tio miljoner olika arter men det är bara tio procent som är vetenskapligt beskrivna. Hur man beskriver arter har varierats under tiden, medan Carl von Linné beskrev morfer och beteenden så beskriver man idag arter genom DNA och beteenden. Biologiska hotshots: Områden med en hög artrikedom, ofta områden där endast vissa arter existerar. Sådana områden kallas endemism. Speciellt öar, öknar och regnskogar är extra intressanta i det här avseendet 18 Tillväxtprognoser Den sjätte katastrofen innebär att utdöendetakten idag är 100-­‐10000 ggr snabbare än bakgrundsdödligheten. Många av jordens arter är direkt hotade att dö ut. I vissa områden, exempelvis i Sverige, ökar antalet arter. Människans populationstillväxt: Världens population ökar i snitt med ca 80 miljoner/år vilket motsvarar 1,15 %. En rimlig prognos är att år 2050 är vi 8.9 miljarder människor på jorden. Ekologiska fotspår Det man syftar på när man nämner ekologiska fotspår är hur många jordklot som skulle behövas för den nuvarande populationen om alla människor hade samma levnadsvanor som den åsyftade individen. För en svensk så är det normalt med 2-­‐2.5 jordklot. Hot och möjligheter mot naturen Några av de stora punkterna är • Exploatering och förföljelse tränger bort arter från dess naturliga miljö vilket leder till en ökad dödlighet. • Bush meat som är att man jagar arter som är utrotningshotade för att man ska få protein på något sätt. • Biotopomvandling är ett problem när man ändrar på djurens naturliga miljöer. • Fragmentering är att man delar upp miljön så att populationer inte kan utväxla individer. • Invasiva arter som kan hota arter i dess naturliga miljö bidrar till den sjätte katastrofen • Kemisk kontamination bidrar till en ökad dödlighet. • Antropogena klimatförändringar såsom global uppvärmning kan påverka de naturliga miljöerna för vissa arter. • Nyckelarter som gör det möjligt för en annan art att existera. • Öars speciella sårbarhet som kommer från isolering gör dess extra känsliga. In-­‐ och direkta nyttovärden med en hög biodiversitet Direkta nyttovärden • Mat • Mediciner • Arter för biologisk kontroll • Industrimaterial • Glesbygdsnäring • Ekoturism Indirekta nyttovärden • Ekosystemservice • Klimatreglering • Markförbättring • Skadedjursreglering • Stabilitetsfrämjande effekt i ekosystem • Pollinering, inte minst av odlade växter vilket är värt många miljarder dollar. 19 Miljöövervakning och naturvård Vilka utför detta? Övervakningen i Sverige sker inom flera olika programområden i PMK(programmet för övervakning av miljökvalitet) vilket sedan sammanställs av naturvårdsverket, data tas fram av både institutioner, myndigheter och ideella föreningar. Programområden De programområden som idag ingår i PMK är följande: • Programområde luft • Programområde kust och hav • Programområde sötvatten • Programområde fjäll • Programområde skog • Programområde jordbruk • Programområde hälsorelaterad miljöövervakning. • Programområde landskap • Programområde våtmark. • Programområde miljögifter. Varför miljöövervaka? Man kan se trender och tendenser i vår omvärld vilket medför att man får underlag för analyser vilket gör att man kan bedöma hot och få tidiga varningar. Vad möjliggör tillförlitliga data? För att man ska använda data för att göra kvalitativa undersökningar kräver det att man har kvalitativ data. För att uppnå detta behöver man, speciellt när man observerar miljön, ha en långsiktighet i mätningarna eftersom det tar förhållandevis lång tid för naturen att bli påverkad av yttre förändringar. Vidare är det viktigt att få en hög jämförbarhet i data vilket kan uppnås genom att man har transparens i hur, var och när mätningarna har ägt rum, samt att man har olika mätstationer som tillämpar jämförbara metoder för att samla in data. Naturvård – Vad hotas? Vem hotar? Det som primärt hotas är organismer och miljöer knutna till skog och framför allt urskog vilket hotas av skövling och exploatering. Det som har anknytning till jordbruksmark hotas av rationellt och storskaligt jordbruk samtidigt som de som har anknytning till våtmarker hotas av uppdämning/utdikning vilket får till följd att övergödningen ökar markant. Andra aspekter som hotar miljön är exploateringen av mark för energiframställning som exempelvis solkraftsparker. 20 Hur skyddar vi vår natur? Det finns många olika vägar för att nå Rom men de har alla som mål att bevara den fauna som finns idag. Exempel på sätt som idag tillämpas är följande •
•
•
•
•
•
•
Nationalparker, flest i norr, alla får gå in i parken och vandra och möjligtvis campa. Naturreservat, kan har fler restriktioner om när och hur man får vistas. Naturvårdsområden. Djur/Växtskyddsområden, kan vara små områden för att skydda en viss art, typ 50x50m. Kulturreservat Naturminnen Fridlysning – 300 växt och djurarter: Fridlysning på vanligtvis länsnivå, ex. får plocka blåsippor i Uppsala län men inte i Stockholm. Tidsbegränsad jakt. 21 Föreläsning 8 Kärnkraft – problem och lösningar för den globala energiförsörjningen Kort om historian bakom kärnkraften som den är idag Neutronen upptäcks av Chadwick (1932) och sedan upptäcktes år 1939 fissionen. Efter några år (1942) byggdes den första kärnreaktorn i Chicago. Detta var under andra världskriget vilket medförde att de olika sidorna i kriget båda såg potential i den energi som kan frigöras i en kärnreaktion. Det bedrevs intensiv forskning av båda sidorna vilket resulterade i att man i USA uppfann atombomben vilket resulterade i Hiroshimakatastrofen. Under efterkrigstiden hölls all information om och relaterad till atombomben hemlig i USA enligt policy of denial. Under Eisenhowers tid(år 1953) byttes policy of denial ut mot atom for peace något som IAEA(International atom energy agency) idag har till uppgift att bevaka den efterlevs. Den första reaktorn som var i drift i Sverige startades år 1954 på KTH. Under 1970-­‐talet var Sverige ett av världens rikaste länder med tillhörande stora oljekonsumtion, sedermera inträffade oljekrisen vilket medförde att man i Sverige letade efter en ny energikälla. Man planerade då att bygga 18 stycken kärnkraftreaktorer för elproduktion i Sverige men till följd av den omfattande opinionen mot kärnkraft med tillhörande folkomröstning byggdes enbart 12 kärnkraftsreaktorer (år 1985 byggdes den senaste kärnkraftsreaktorn i Sverige). Värt att tillägga är att detta gjordes trots att folkomröstningen visade att allmänheten var mot kärnkraft. Kärnkraft är historiskt sett en odiskutabel energikälla vilket kan speglas i att Danmark först var angelägna om att Svenska kärnkraftverk byggdes i Barsebäck för att sedan svänga om och genom påtryckningar få dessa att stängas av. Det rådde under lång tid tankeförbud på kärnkraftsrelaterade frågor i Sverige vilket slopades på 2000-­‐talet. Dagsläget för kärnkraft Idag är kärnkraften en väl utbyggd energikälla, trots det så står den enbart för ungefär 15 procent av elproduktionen globalt medan den i Sverige står för ungefär 50 procent. Man beräknade att kärnkraftsreaktorerna skulle vara i drift i ungefär 25 år men de flesta av reaktorerna idag är 25-­‐40 år gamla. De länder som idag har flest kärnkraftsreaktorer är i ordning från flest till lägst, USA följt av Frankrike, Japan och Ryssland. Globalt finns det ungefär 450 reaktorer. Kärnkraftsteknik Det finns två huvudtyper av sätt att utvinna kärnenergi, slår man ihop två lätta grundämnen får man ut skillnaden mellan dessa i energi vilket kallas fusion, om man å andra sidan separerar ett tyngre grundämne till två lättare utvinns skillnaden mellan dessa i form av energi vilket kallas fission. Det kan vara av intresse att veta att järn är det mest stabila grundämnet dvs. det går inte att utvinna energi från järn. Det finns idag ingen kommersiellt gångbar fusionsteknologi. 22 En kärnkraftreaktor kan fungera på flera olika sätt men en enkel skiss är att en snabb neutron bromsas upp av en moderator (grafit, tungt-­‐ eller lättvatten) för att sedan träffa bränslet vilket emitterar fissionsfragment och nya snabba neutroner. Sedan upprepas processen utan ny tillförsel av bränsle, detta medför att om reaktionen får ske obehindrat kommer det att resultera i en atombomb. Det finns olika reaktorer vilka delas in efter vilken moderator de använder, i Tjernobyl användes grafit medan man i Sverige använder lättvatten vilket även är den vanligaste typen av moderator. Tungvatten som moderator är ovanlig. Man använder vatten i allmänhet som moderator för vatten har en negativ temperaturkoefficient vilket medför att om det blir en för hög reaktoreffekt får vatten en lägre densitet vilket leder till minskad moderation vilket i sin tur leder till minskad reaktoreffekt. Detta är ett starkt och inbyggt säkerhetssystem. Om man å andra sidan beaktar grafit som moderator har det två stora nackdelar, dels att det brinner samt att det har en positiv temperaturkoefficient vilket ger motsatt effekt jämfört med vatten. Man mäter en reaktors effektivitet i reaktivitet vilket styrs genom det termiska neutronflödet vilket kan ändras genom att ändra moderatorns densitet. Lättvattenreaktorn LWR Det finns två typer av lättvattenreaktorer, dels kokvattenreaktorn och dels tryckvattenreaktorn. Skillnaden mellan dessa är bland annat hur de styrs samt att tryckvattenreaktorn producerar icke-­‐radioaktivt ånga som teoretiskt sett kan användas som en värmekälla. Gemensamt är förutom dess moderator att de båda stoppas genom styrstavarna. Atomkraft och kärnkraft Alla former av konventionell produktion av energi innebär ett utnyttjande av processer på atomär nivå. Då man utnyttjar atomkärnornas energinivåer får man en 1-­‐10 miljoner gånger större energiutvinning än om man enbart utvinner atomernas. Detta kan gestaltas genom att jämföra energidensiteten i ved som har 5kWh/kg jämfört med kommersiellt uranbränsle som har 100 000 kWh/kg. Detta leder till att uranbränslet inte kräver lika stor volym som annat bränsle för samma energiutvinning. Reaktordriften Kärnkraften i Sverige idag har en livscykel som börjar med att uran bryts någon stans i världen, som sedan går till bränsletillverkning, sedan går detta till reaktorn för att sedan transporteras till korttidsförvaring på CLAB för att sedan kapslas in och långtidsförvaras vid Forsmark. Man kan generellt säga att det i en kärnkraftsreaktor finns en omsättning på 25 procent av bränslet dvs. 25 procent av bränslet byts ut varje år. Varje bränslestav som består av sintrad uran byts ut var 4-­‐5 år. Under hela livscykeln sker det en rigorös kontroll och bevakning vilket man på engelska benämner som safety som handlar om säkerhet i reaktordrift och hanteringen av bränsle samt security som handlar om att obehöriga inte får tillträde till anläggningar eller tillgång till klyvbart material. 23 Detta kräver en kärnämneskontroll vilket ombesörjs av FN genom IAEA som i sin tur delegerar delar av arbetet till nationella myndigheter och internationella organ såsom Euratom som i sin tur har kontakt med EU-­‐kommissionen. Kärnämneskontrollen har flera olika verktyg för att se att driften och hanteringen av kärnbränsle sköts på ett riktigt sätt, bland annat genom politiska avtal samt att det åligger aktörer att föra bokföring över kärnämnen. Kärnämneskontrollen är mycket sträng jämfört med läkemedels-­‐ och kemiindustrin vilket medför att det är lättare att tillverka kemiska och biologiska vapen. Slutsatser Fördelar respektive nackdelar med kärnkraftsindustrin som den är idag Lågt utsläpp av CO2 per kWh Utnyttjar bara en procent av energiinnehållet i uran Mycket energi produceras med liten Avfallet har en hög radioaktivitet under mängd bränsle lång tid Liten mängd avfall Säkerhetsbrister i de nuvarande anläggningarna Låga produktionskostnader Hög predektibilitet Förbättringar av befintlig kärnkraftsindustrin – fjärde generationens kärnteknik Den fjärde generationens kärnteknik har flera stipulerade krav såsom förbättrad ekonomi, högre utnyttjandegrad av resurser samt att man radikalt ska minska mängden långlivat radioaktivt avfall. Man förutspår att man kommer kunna använda redan använt bränsle vilket skulle leda till minskad brytning av uran vilket har bra bieffekter. 24 Föreläsning 9 Miljökonsekvensbeskrivning och miljöbalken Miljöbalken Lagstiftningen på miljöområdet hade i Sverige blivit svår att överblicka genom att nya regler skapats allt efter det behov uppstått. För att komma till rätta med detta så infördes Miljöbalken (MB) som har till syfte att •
människors hälsa och miljön skyddas mot skador och olägenheter oavsett om dessa orsakas av föroreningar eller annan påverkan, •
värdefulla natur-­‐ och kulturmiljöer skyddas och vårdas, •
den biologiska mångfalden bevaras, •
mark, vatten och fysisk miljö i övrigt används så att en från ekologisk, social, kulturell och samhällsekonomisk synpunkt långsiktigt god hushållning tryggas • återanvändning och återvinning liksom annan hushållning med material, råvaror och energi främjas så att ett kretslopp uppnås. För att uppnå syftet deklarerar miljöbalken (tillsammans med MKB-­‐förordningen) att vissa typer av verksamheter måste leverera en miljökonsekvensbeskrivning för att få tillstånd för verksamheten. Vad är en miljökonsekvensbeskrivning och när utförs den? Miljökonsekvensbeskrivning (MKB) används för att få en helhetssyn av den miljöpåverkan som en planerad verksamhet kan medföra. En MKB ska alltid utföras följande exempel på verksamheter; • De verksamheter som klassificeras som miljöfarliga, vilket är ett icke överklagbart beslut, ska alltid utföra en MKB • All energiproduktion • Hamnar, större vägar och industriprojekt • Utvinning i olika former av täkter Det finns även andra former av verksamheter som kan kräva en MKB. Omfattningen av en MKB bestäms utifrån den installerade effekten vid energiproduktion. Vad ska en miljökonsekvensbeskrivning innehålla? Omfattningen av en MKB bestäms i samråd med berörda myndigheter och intressenter, dessa beslutar om det är en miljöfarlig verksamhet, vad MKB’n ska innehålla samt vilka som ska anses berörda. Nedan följer en lista på punkter som kan komma att ingå i en MKB. •
Icke-­‐teknisk sammanfattning av projektet •
Tekniska beskrivningar på projektet •
Miljöförutsättningar i området för eventuellt genomförande av projektet. •
Troliga miljökonsekvenser vid genomförandet av projektet. 25 •
Möjlighet att minska negativa miljöeffekter. •
Oundvikliga negativa miljöeffekter. •
Alternativ till projektet (inklusive nollalternativ) samt alternativens effekter. •
Analys av hur det lokala och kortsiktiga utnyttjandet av miljön förhåller sig till ambitionen att långsiktigt förbättra miljön. Förekomst av irreversibla effekter. •
Man tillämpar en försiktighetsprincip vid bedömning av en MKB vilket innebär att om man inte är säker på miljökonsekvenserna så ska man inte fullfölja projektet. Brister med dagens miljökonsekvensbeskrivningar Den största bristen med hur en MKB utförs idag är att det är projektören som utför MKB’n vilket kan leda till opartiskt framställande av information. Vidare kan dessa inte vara fullt kompetenta för att genomföra en MKB samt att man ofta bygger en MKB på förlegad information. På samma sätt som att projektören inte alltid är fullt kompetent så är inte kontroll/beslutsinstanser alltid kompetenta (exempelvis nämndemän som ofta är pensionerade politiker som inte är insatta i tekniska detaljer) 26 Föreläsning 10 Solceller – En otrolig utveckling Solceller – hur en solcell fungerar Solen är vår närmaste, fungerande fusionsreaktor som producerar överskottsenergi som i form av strålning. Denna strålning är konstant 400*1024 W vilket vid jorden motsvarar 200*1015 W. Solen skickar egentligen ut energi i form av elektromagnetisk strålning, som innan den träffar jordytan delvis absorberas av gaser i jordens atmosfär. Dessa gaser såsom CO2, H2O, O2, och O3 absorberar specifika våglängder. Detta medför det är av intresse att konstruera solceller som är optimerade för specifika våglängder. Solinstrålningen varierar geografiskt med en maximal instrålning på 2500 kWh/m2 per år. Det avgörande för hur mycket som träffar jordytan är dess lutning vilket gör att man behöver korrigera detta genom att vinkla solcellerna i de flesta områden. Med optimal lutning kan man i norra Sverige få en instrålning på 1000 kWh/m2 per år. Solinstrålningen är som högst närmast ekvatorn samt under sommarhalvåret. En solcell fungerar så att fotonerna som utgör den elektromagnetiska strålningen absorberas i solcellen. Detta medför att elektron-­‐hål-­‐par skapas vilket gör att laddningsbärare vandrar till anslutningarna, det uppstår då en potentialskillnad som kan driva en ström, till följd av att man P-­‐ och N-­‐dopar olika sidor av kisellagret. Det tekniska fenomenet som ligger till grund för solel är fotovoltaik. Solcellsindustrin och solcellsmarknad Tillverkningen av solceller med dagens teknik kräver stora mängder kisel vilket är en ständig utmaning för solcellsindustrin, historiskt har efterfrågan på kisel fördubblats varje år vilket har lett till att kommersialiseringen har bromsats in. Det finns flera olika typer av solceller idag, den vanligaste är kiselbaserad. De bästa kiselbaserade solcellerna kan ha en verkningsgrad på 25 procent men dessa är så pass kostsamma att man kommersiellt tillverkar solceller lägre verkningsgrad (≈20%). Detta för att priset per kWh då blir lägre. Det finns även tunnfilmsolceller som kan appliceras på flexibla material såsom textilier och satelliter. Miljöpåverkan En viktig faktor för de bolag som kommersialiserar solceller är att man har en miljövänlig tillverkningsprocess för att bibehålla den gröna stämpel som finns på solelen. En faktor som de gärna framhåller är att solceller betalar tillbaka sin energiskuld inom loppet av tre år i norra Europa (ännu snabbare i södra Europa). Tillverkarna av solceller brukar garantera en driftstid på 25 år men kan förväntas vara längre. Det finns inget utvecklat återvinningskoncept för solceller idag vilket kan ses som en nackdel då det måste vara i bruk om 20 år. 27 Den teknologi som tillämpas kommersiellt medför en ökad metallbrytning vilket innebär stora påfrestningar på miljön. Solceller i kommersiell drift tar stora landarealer i anspråk, vilket kan ses som en nackdel. Solcellssystem Ett solcellssystem är ett flertal solcellsmoduler ihopkopplade som i sin tur består av flera solceller kopplade i serie. Dessa moduler är ihopkopplade i serie till strängar som sedan antingen kopplas till nätanslutna(on-­‐grid) system eller icke-­‐nätanslutna(off-­‐grid) systemet. Det icke-­‐nätanslutna systemen används ofta vid platser där el annars kan vara svåråtkomlig exempelvis busshållplatser eller på båtar. Det nätanslutna-­‐systemen producerar el som via en växelriktare leds ut till det allmänna elnätet. Exempel på detta solcellsparker som kraftbolag använder för att producera el. Utveckling Det är en växande industri som har fördubblat den installerade solcellskapaciteten vartannat år sedan år 2000. Det är framför allt det nätanslutna systemen som har fått ökad kapacitet. Samtidigt som detta så har de anställda i solcellsindustrin fördubblats vart tredje år och så har prisutvecklingen för solcellssystem minskat kraftigt under denna tidsperiod. Jämförelser med andra energikällor Storleksordningen för uteffekten i ett solelkraftverk år 2009 var ≈100MW vilket motsvarar en årsproduktion på 100GWh. Detta kan jämföras med ett kärnkraftverk som levererar ≈25TWh per år vilket innebär att man behöver en landyta på 13km*13km för en solcellspark för att det ska motsvara ett kärnkraftverk. En annan jämförelse är att man med en solcellspark kan få ≈320MWh el per år per hektar medan motsvarande yta för energiskog skulle generera ≈15MWh el per år per hektar. Andra tekniker Man kan använda solfångare för att fokusera solstrålningen för att antingen värma olja eller vatten som sedan driver en turbin som genererar el. Man kan givetvis även fokusera solstrålningen direkt mot en solcell för at få en ökad effekt. 28 Föreläsning 11 Jordens klimat Jordens klimat Klimatet är medelvärdet av jordens väder. När man studerar klimatet använder man en 30års period för alla typer av klimatstudier. Denna 30års period är för närvarande 1961-­‐1990. Förutom medelvärden studerar man även extremvärden. Det finns faktorer som påverkar klimatet både lokalt och globalt. Lokala faktorer kan exempelvis vara topografin medan globalt så är placeringen av kontinenterna en viktig faktor. Andra faktorer som är värda att nämna är vulkanutbrott och förändringen av jordens bana runt solen, som varierar från cirkulär till elliptisk. Atmosfären och dess struktur Atmosfären är väldigt tunn i förhållande till jorden och dess sammansättning består av kväve (79%),syre(20%) och argon (1%). Det finns även en viss mängd koldioxid (0.037%),metan, ozon och CFC. Det finns även vattenånga som varierar upp till 4% vilket är väldigt högt. Det finns i huvuddrag två typer av atmosfär Instabil atmosfär innebär att det är varmt vid markytan och kallare högre upp, detta gör att den varma luften vill röra sig uppåt i atmosfären vilket i sin tur gör att vindarna accelereras. Exempel på en instabil atmosfär är en varm solig dag. Stabil atmosfär innebär att det är kallt vid markytan och varmare högre upp, detta gör att luften inte vill röra sig uppåt och att vindarna bromsas. Exempel på en stabil atmosfär är under natten på en sommardag. Atmosfärens struktur: En stor del av solinstrålningen når markytan vilket gör att markytan(medeltal globalt 15 grader) värmer luften. Temperaturen avtar sedan i atmosfären med ungefär 6.5 grader per 1000 meter. Området från markytan och 10 km uppåt kallas troposfären vilket är det område där vädret befinner sig. Temperaturen på 10km höjd är ungefär -­‐55 grader, vilket borde göra att den varma markluften vill röra sig uppåt, men lufttrycket minskar med höjden vilket kompenserar temperaturskillnaden. Den solstrålning som inte når markytan tas framförallt upp av ozonskiktet i stratosfären(10km-­‐47km). Man säger att det finns luft, som vi betraktar det, upp till ozonlagret vilket är ungefär på 30km höjd. Atmosfären är viktig för jordens temperatur, utan atmosfären skulle det vara ungefär -­‐18 grader i medeltal på jorden dvs. istid. 29 Växthuseffekten Solen är den källa som värmer upp jorden men utan atmosfärens struktur skulle det vara istid på jorden. Det är inte solinstrålningen som direkt bidrar till växthuseffekten utan det är den strålning som jorden strålar ut absorberas av atmosfären (framför allt av H2O och CO2). Dessa molekyler kan inte absorbera den kortvågiga solinstrålningen utan enbart den långvågiga jordutstrålningen. När denna absorption sker så strålar sedan molekylerna ut strålning åt alla håll, vilket gör att jorden sedan träffas av strålning igen. Därför har vi inte istid på jorden. Nedan illustrerar två grafer hur energiinnehållet beror av våglängden Väder och vind Moln är extremt viktiga för väder och klimat. För att betrakta moln måste man införa begreppet relativ luftfuktighet r. !
!=
!! (!)
där e är mängden vattenånga i luften och es är mättnadstrycket, som ökar exponentiellt med temperaturen. För att något ska klassificeras som ett moln måste det vara frigjort från marken samt att det har en relativ luftfuktighet på 100 %. Således är inte en luftfuktighet på 100 % vid markytan ett moln utan dimma. Det finns två huvudtyper att skapa ett moln, dels att tillföra mer fukt vilket inte är särskilt vanligt, dels att förflytta luften uppåt i atmosfären där det är en lägre temperatur. Det finns tre olika sätt att tvinga luften att stiga i atmosfären. Man kan utnyttja topografiska skillnader för att få luften att stiga, vilket är en anledning till att det ofta är moln runt bergstoppar. Man kan genom fronter mellan varm och kall luft tvinga luft att stiga i atmosfären. Om man värmer markytan, eller rättare sagt att det är kallare ovanför, så bildas konvektiva moln som kännetecknas med att de har platt botten. Risken för regn beror på vilken höjdnivå molnen befinner sig på. Vid en hög höjd råder det lägre temperatur vilket får vattenånga att återgå till flytande form vilket resulterar i regn. Även risken för åska ökar med höjden som molnen befinner sig på. 30 Jordens allmänna cirkulation uppstår som en konsekvens av att jorden roterar runt sin egen axel och innebär att luften cirkulerar i block om 30 breddgrader. Vid ekvatorn bildas i princip bara konvektiva moln på grund av att det där skapar mycket uppåtgående luftströmmar. Vid 30 graders latitud bildas lätt öken då Hardley och Ferellcellerna möts och skapar nedåtgående luftströmmar vilket får till följd att det i princip inte bildas några moln alls. 31 Föreläsning 12 Elproduktion Introduktion För att man ska få en uppfattning om hur mycket en kWh och en kW följer nedan några exempel. • Hårt mänskligt arbete är ≈200W vilket ger ett dagsarbete på 1.6kWh • En hästkraft är 735.5 W • Passagerarflygplan är 10MW • Att värma upp en spann vatten kräver ungefär 1 kWh Sveriges el-­‐ och energikonsumtion Sverige har idag ett synkront sammankopplat elnät med Norge, Finland och Danmark. Detta möjliggör att man kan förflytta överskottsenergi mellan länderna när det uppstår fluktuationer i energiproduktionen. Sverige producerar i dagsläget ≈150 TWh per år vilket överensstämmer med den elkonsumtion som Sverige har idag. Den installerade effekten är 18000-­‐26000 MW. Transportsektorn som är en annan stor energikonsument förbrukar i Sverige ≈100TWh årligen vilket skulle minskas drastiskt, till 10 TWh, om man bytte ut fordonsflottan till eldrivna fordon. Världsläget Den totala elproduktionen i världen är ungefär 20 000 TWh per år med en installerad effekt på 2 950 000 MW. Denna marknad är värd ungefär 2100 miljarder Euro årligen. Medan man i Sverige har en jämn uppdelning mellan vattenkraft och kärnkraft som står för i princip hela elproduktionen har det globalt varierat kraftigt över tiden, delvis som följd av politiska konflikter och andra kriser såsom oljekrisen. Man kan betrakta detta i figuren ovan, som visar fördelningen av källor för elproduktion globalt, där oljeberoende för elproduktionen har minskat drastiskt som en följd av oljekrisen. Stabilitet och reglering 32 Ett problem med elektrisk energi är att den måste produceras och konsumeras simultant. Det finns nätet måste man primärt reglera är spänningen, vilket man gör med att ändra den reaktiva effekten genom att exempel ändra lasten på elnätet, och frekvensen som ändras genom den aktiva effekten vilket är skillnaden i produktion/konsumtion. Den tolerans som är tillåten när det gäller frekvensen är 0.1 Hz vilket leder till att om det är stora fluktuationer i användandet måste man reglera mera. Denna reglering sker genom att man har en baslast som består av termisk/kärnkraft som täcker minimibehovet (≈13000 MWh) av el sedan regleras fluktuationerna främst av vattenkraft. Svårigheterna när det gäller lagring av elektrisk energi avspeglar sig på priset vilket gör att elen är billigare när det är låg konsumtion dvs. på natten. Det finns i princip enbart ett sätt att storskaligt lagra energi från överbliven el och det är att pumpa upp vatten i dammar. Man kan även lagra överbliven elektricitet i svänghjul och gigantiska batterier etc. Eftersom det är svårt att lagra elenergi är det svårt att ha mer än 10 procent elförsörjningen av en intermittent källa. Förnyelsebara energikällor Ett genomgående problem med förnyelsebara energikällor är att de har mycket stora fluktuationer som inte passar konsumtionsmönstret. Detta medför en mycket omfattande reglering. För denna reglering så lämpar sig vattenkraft mycket bra, eftersom det har en reglertid på ett fåtal sekunder vilket är den kortaste reglertiden som finns. Miljöpåverkan När man storskaligt lagrar energi i dammar så får det en miljöpåverkan i form av växtlighet blir lagd under vatten vilket medför stor produktion av växthusgaser. Detta problem har dock inte Sverige eftersom man i Sverige främst använder gruvdammar för lagring. 33 Föreläsning 13 LCA-­‐perspektiv av elenergiproduktion – finns det hållbar energimiljöomvandling? Parametrar som påverkar elproduktionen: • Tillgänglighet • Utnyttjandegrad • Förutsägbarhet • Energitäthet • Teknik (verkningsgrad) • Ekonomi • Acceptans och miljö Utnyttjandegrad Man ser att kärnkraft/fossilt har en hög utnyttjande grad, likaså geotermiska källor. Globalt har ström-­‐ och tidvatten samt vågkraft en riktigt stor utnyttjandegrad, medan det i Sverige har låg utnyttjandegrad. 34 Energi för vad och vem? En frågeställning som man bör ställa sig är vad energi ska användas till, och hur ska man nå dit. Man efterfrågar att ha bra värden på de parametrar som påverkar. Man vill även optimera användandet samt ta reda på vad som är realistiskt och vad är utopi. Fossila källor: De fördelar de fossila källorna har är att de är relativt billiga, utnyttjar känd teknik i en utbyggd infrastruktur. Detta tillsammans med att de har en hög utnyttjandegrad och hög energitäthet, vidare lämpar sig gas som en effektreglerare. De nackdelar de har är att de har emissionsproblem vilket medför en hög miljöbelastning. Vidare är de fossila och förbrukas därmed fortare än vad de återbildas vilket gör att de kommer att ta slut inom en ändlig tidsperiod. Kärnkraft Fördelar är att de är billiga i drift och utnyttjar en känd teknik i en utbyggd infrastruktur. De har en hög utnyttjandegrad med hög energitäthet. De finns inga direkta emissioner. Nackdelar är de stora säkerhetsfrågor som uppstår vilket leder till acceptansproblem samt lagringsproblem för avfall. Det finns även en påtaglig miljölastning under utvinning samt efter olyckor. Ekonomin för nya anläggningar är svår att förutse delvis på grund av acceptansproblemet. Det är även långa tillståndsprocesser och uppbyggnadstider. Vattenkraft Fördelar är gratis bränsle och inga utsläpp, det lämpar sig att effektreglera och att lagra energi vilket är unikt för förnyelsebara energikällor. Man kan reglera vattenstånd vilket kan vara en fördel. Vattenkraft har en hög utnyttjandegrad samtidigt som att man kan förutse hur mycket man ska använda. Vidare utnyttjas en befintlig infrastruktur. Det kan ge nya transportmöjligheter genom uppdämning. Nackdelar är att vattenkraft tar upp stora areor vilket kan ge sociokulturella effekter, som ofta är stora och ekonomiska. Det finns andra miljö-­‐ och naturvårdseffekter som kan härledas till vattenkraften, bland annat att man hindrar fiskars väg i floderna samt ändrar syre och näringsflöden. Det finns okända emissioner i form av koldioxid Vindkraft Fördelar är gratis bränsle utan utsläpp. Vindkraft kan vara både små-­‐ och storskalig produktion, det finns en delvis tillgänglig infrastruktur samtidigt som teknikutvecklingen i området går fort framåt. Nackdelar är de stora arealkrav som vindkraften tas upp vilket är något som medför att det är svårt att få lokal acceptans. Vidare finns det vissa stora naturvårdseffekter. Vindkraft är en intermittent källa dvs. den går inte att förutse när vinden blåser samt att den inte blåser kontinuerlig. Vindkraft har en låg energitäthet och låg utnyttjandegrad. 35 Om man förlitar sig på vindkraft kräver den backup som reglerar när vinden inte blåser, detta kan medföra ökade utsläpp om man fokuserar för mycket på vindkraft. Det finns små ekonomiska och tekniska marginaler. Vindkraften som den är idag är konstruerad för att klara av vindar upp till 25 m/s vilket medför att man måste stänga av vindkraften när det blåser för mycket. Våg-­‐ och Strömkraft Fördelar är gratis bränsle och genererar inget utsläpp. Det har relativt hög utnyttjandegrad och en hög energitäthet. Jämfört med andra intermittenta källor är våg-­‐ och strömkraften förutsägbar. Det finns även få kända miljö-­‐ och naturvårdsproblem relaterade till den här energikällan. En annan fördel är att den kan vara både i små-­‐ och storskalig form vilket medför att det finns en stor ekonomisk potential. Nackdelar är att det krävs stora arealer samt att tekniken ännu inte är helt beprövad. Bioenergi Fördelar är att det i princip är CO2 neutralt och prediktabelt samtidigt som det utnyttjar en befintlig infrastruktur. Nackdelar är att det är omdiskutabelt om det är en förnyelsebar energikälla samtidigt som det är ett lågt energiinnehåll i det biobränsle som används idag. Man konkurrerar vidare med resurser som skulle kunna användas till jordbruk eller skogsnäring vilket kan leda till negativa biodiversitetseffekter. Solenergi Fördelar är att det är ett gratis bränsle som inte genererar något utsläpp. Det är vidare lättintegrerat i bebyggelse och kan skalas till önskad storlek. Att detta dessutom kan genomföras i befintlig infrastruktur är ett stort plus. Nackdelar är en lågenergitäthet och ännu lägre utnyttjadegrad. Storskaliga solkraftverk kräver mycket stora arealer och kan indirekt vara miljöfarligt då det krävs stora mängder metaller i solcellerna. Detta medför att solenergi är en dyr källa och främst kan ses som en nischprodukt. Geotermi Geotermi kallas även bergvärme har ett gratis och outsinligt bränsle som används i slutna system och genererar därför i princip inga direkta utsläpp. Den höga utnyttjandegraden och energitätheten tillsammans med dess predektibilitet medför att det är en mycket pålitlig källa. En annan fördel jämfört med andra förnyelsebara energikällor är att det inte krävs särskilt stora arealer för en storskalig energiproduktion. Man bör även lyfta fram att geotermiska källor kan användas både i liten och stor skala. Nackdelarna är att man använder en relativt obeprövad teknik och att det inte går att borra efter bergvärme var som helst. Den ekonomiska potentialen tros vara god men är ännu osäker. 36 Vätgas och bränsleceller Fördelar med vätgas och bränsleceller är att de använder ett gratis bränsle som inte generar några direkta utsläpp. Den begränsade miljöpåverkan samtidigt som att det lämpar sig bra som drivmedel gör att det finns en stor potential i vätgas som alternativ energikälla. Nackdelarna som finns är att det är stora och dyra infrastrukturkostnader förknippade med vätgas och bränsleceller samtidigt som det finns säkerhetsaspekter som bör beaktas. Den ekonomiska aspekten av vätgas är ifrågasättbar i form av ekonomi för omvandlingskostnader till vätgas. Vidare är energieffektiviteten låg (≈25 %). Framtiden Det pågår idag mycket forskning om fusion-­‐ och osmoskraftverk. Man har länge sagt att fusion kommer att vara i drift i framtiden men det är fortfarande osäkert om huruvida det kommer att användas kommersiellt. Norge har satt osmoskraftverk, som utnyttjar elektrodialys, i drift men det finns en begränsad potential för utbyggnad av den här typen. 37 Studiebesök hos vattenfall Vattenfall heat Uppsala Vattenfalls anläggning i Uppsala levererar el, värme, fjärrvärme, ånga och kyla till Uppsala och ett flertal andra orter i Sverige. Det kan vara värt att nämna att Vattenfall Uppsala är Sveriges största värmefabrik. För att få en uppfattning om hur mycket som levereras från Vattenfalls anläggning i Uppsala kommer nedan en illustration från Vattenfalls informationsbroschyr En stark fördel som den omfattande värmeverksamheten i Uppsala medför, är att man värmer upp hela staden genom att elda på en plats där det finns kompetens och utrustning. Detta ersätter mindre skorstenar och andra dylika uppvärmningsanordningar. Fjärrvärme Principen som används för att leverera värme är att man eldar bränsle som mestadels är avfall, detta värmer då upp vatten vilket går till värmeväxlare runt om i staden, det kallare vattnet transporteras då tillbaka till värmeverket. Fjärrvärme står för ≈1500 GWh per år vilket motsvarar 64 % av produktionen 38 Fjärrkyla Fjärrkyla ersätter ett stort antal lokala kylanläggningar. Miljöfördelarna är många. Framför allt minskas elförbrukningen och läckage av köldmedia till atmosfären. Dessutom slipper man bullret från lokala maskiner. På sommaren används den ledig kapacitet på avfallsförbränningen till fjärrkyla eftersom Uppsalas värmebehov minskar. Då kan man använda den befintliga anläggningen för att producera fjärrkyla. Fjärrkyla står för ≈30 GWh vilket motsvarar 1 % av produktionen Ånga I Uppsala har man även ett separat nät för ånga till industrier och Akademiska sjukhuset. Ångan används till exempel i processer för att torka spannmål, till att framkalla kemiska reaktioner och sterilisering av instrument. Processånga står för ungefär 80 GWh per år vilket motsvarar 4 % av produktionen
El Vid den torveldade kraftvärmeverk produceras både värme och el samtidigt med hög verkningsgrad, vilket är ett exempel på bra resursutnyttjande. Den producerade elen ingår som en del i Vattenfalls totala elproduktion. El står för ungefär 230 GWh per år vilket motsvara 11 % av produktionen. Utmaningar vid Vattenfalls anläggning i Uppsala Det huvudsakliga bränslet är avfall. Detta innebär att tillgången på bränsle inte återspeglar behovet av värme. På vintern kan man därför behöva koppla in oljepannor medan man på sommaren får ett överflöd av avfall som inte kan lagras till vinterhalvåret. Bieffekter vid förbränning av avfall Förutom partiklar som frigörs vid förbränningen som inte fastnar i filtreringen så kommer det ut biprodukter i form av slagg, som är metallskrot vilket går till återvinning, och flygaska som skickas till Norge där det används för att neutralisera annat miljöfarligt avfall. 39