Introduksjon til fornybar energi
Geofysisk institutt
Peter M Haugan
Mini-seminar om fornybar energi
Introduksjon
Marin fornybar
Geotermi
Peter M Haugan
- Finn Gunnar Nielsen
Inga
Berre
!
Bakgrunn: Geofysisk institutt oseanografi, meteorologi,
Klima, hav-vind (NORCOWE siden 2009), sol, bølger
Matematisk institutt: Geotermi (CGER)
Energi-master ved UiB/Høyskolen i Bergen siden 2012
koordinert av Geofysisk institutt
Energi er nøkkelen til CO2- og klima-utfordringen
(Mackay, 2009)
Globale CO2- utslipp per person og i regioner
Fordeling av dagens CO2 utslipp
En motivasjon: CO2-problemet
Kaya-identiteten (Professor Yoichi Kaya, Japan, 1995):
CO2 utslipp = N x (BNP/N) x (E/BNP) x (CO2/E)
Altså fire faktorer:
Folketall, rikdom, energi-intensitet, karbon-intensitet
N = Folketall
BNP = Brutto nasjonalprodukt
E = Energiforbruk
CO2 = CO2 utslipp
Fornybar energi reduserer karbon-intensiteten CO2/E.
Men: Sikker energiforsyning har hittil vært viktigste motivasjon
for satsing på fornybar energi. Kanskje andre målsettinger vil
motivere minst like mye som klima/CO2 også i fremtiden.
Natural Free Energy as Renewable Energy
solar
radiation
175 000 TW
gravitation of
Sun and Moon
5 TW
Atmosphere
116 000 TW
heating by
absorption
1000 TW
atmospheric
circulation
wave
power
tidal
power
current
power
thermohaline
circulation
desalination
OTEC
osmotic
power
hydro
power
geothermal
plate
tectonics
152 TW
biotic
productivity
wind
power
electric
energy
bio
fuels
continental
uplift
mantle
convection
< 50 TW
17 TW
OR
THE Y A
MODE
Kleidon et al. (submitted)
earthquakes
ND
radioactive decay
and secular
Seminar Series autumn semester
2011 cooling
Geophysical Institute,
<
50
TW
University of Bergen, P.M. Haugan
MPI-BGC
solar
power
C
wind-driven
circulation
13 TW
continental
runoff
HERI
tidal
mixing
< 1 TW
SP
IO
Ocean
1 TW
Interior
Earth
Renewable
Energies
salination
of seawater
B
generation of
waves
27 TW
Land
biotic
productivity
63 TW
ING
63 TW
atmospheric
electricity
water
cycle
LL
3 TW
Jena
< 1 TW
560 TW
Hierarchy of renewable energy
•  Solar energy is the ultimate source of all renewable
energy except geothermal and tidal.
•  Wind and hydro is second-hand solar energy created by
gradients in the surface heat budget.
•  Waves are third-hand solar energy generated by wind.
•  Biomass, Tidal/current energy, Ocean Thermal Energy
Conversion, salinity gradient/Osmosis are other forms of
renewable energy.
•  Geothermal is in principle not fully renewable but for
practical purposes the resource is sufficiently large that it
can be considered renewable.
(k = 103, M = 106, G = 109, T = 1012, P = 1015, E = 1018)
solar
radiation
175 000 TW
gravitation of
Sun and Moon
5 TW
Atmosphere
116 000 TW
heating by
absorption
1000 TW
atmospheric
circulation
560 TW
63 TW
biotic
productivity
63 TW
generation of
waves
27 TW
salination
of seawater
1 TW
tidal
mixing
tidal
power
wind-driven
circulation
wave
power
(2)
Interior
Earth
current
power
atmospheric
electricity
water
cycle
< 1 TW
13 TW
thermohaline
circulation
desalination
continental
runoff
OTEC
osmotic
power
hydro
power
(2)
(3)
geothermal
biotic
productivity
wind
power (2)
electric
bio
energy
fuels
plate
tectonics
mantle
convection
< 50 TW
radioactive
decay Institute,
Seminar Series autumn semester
2011 Geophysical
and secular cooling
University of Bergen, P.M. Haugan
< 50 TW
152 TW
Land
Ocean
3 TW
Renewable
Energies
< 1 TW
solar
power
continental
uplift
earthquakes
17 TW
Solenergipotensialet - Globalt
400 – 700 kWh/m2
700 – 1000 kWh/m2
2200 –
2500 kWh/m2
http://www.inforse.org/europe/dieret/Solar/solar.html
Fra J.A. Olseth, GFI
Solenergipotensialet – Norge
Midlere døgnverdi ( Wh m-2 dag-1 - 1961 – 1990 )
Juli
4000 - 5500
Oktober
400 - 1300
Jan
50 - 350
April
2750 - 3750
Estimert frå skyinformasjon
Nasjonalatlas for Norge
Fra J.A. Olseth, GFI
Strålingsobservatoriet på taket av Geofysen
Målt solstråling i Bergen
Direkte
Diffus
Total
Fra J.A. Olseth, GFI
Europa - sol, vind og vann ?
En visjon for Europa
Norsk vannkraft
er totalt 25 GW,
125 TWh/år og
utgjør 50% av
europeisk
lagringskapasitet
innen vannkraft.
Slide 12 / 2-Feb-13
Primær energiforsyning i 2009 totalt
Figure 11.1 | The generating power and capacity of non-hydropower renewable energy sources as a proportion of global power gen
529Source:
EJUNEP
hvorav
89
EJ (17%) fra
2004–2010.
and BNEF, 2011
.
fornybare kilder (opp fra 74 EJ i 2005)
Global
Energy
Assessment
Figure 11.2 | Renewable share of primary energy supply in 2009 (528 EJ). Source: fossil and nuclear fuel use: IEA
2011; renewables: this C
Toward a Sustainable Future
Key Findings
Summary for Policymakers
Technical Summary
The potential of renewable energy
technologies exceeds current demands.
(IPCC SRREN, 2011)
Energy nomenclature and
different forms of energy
•
•
•
•
Primary energy
Energy for heating and cooling
Energy for transport
Energy provided as electricity
•  End-use energy: ”Given” demand for end-use
energy may change (be reduced) if same energy
service can be provided with smaller energy
supply.
Environmental, economic, and social impacts
Energy System
Energy Supply
Primary energy
Gas well
Distribution technologies
Final energy
Sun
Uranium
mine
Oil well
Farms &
forests
Coal
Solar
radiation
Uranium
Oil
Biomass
Power
plant
Photovoltaic
cell
Power
plant
Refinery
Ethanol
plants
Gas
Electricity
Electricity
Electricity
Kerosene
Ethanol
Gas grid
Electricity
grid
Electricity
grid
Electricity
grid
Pipeline
Truck
Gas
Electricity
Electricity
Electricity
Kerosene
Ethanol
Natural
gas
Conversion technologies
Secondary energy
Coal mine
Upstream
Extraction and treatment
Downstream
Energy Sector
Energy
resources
Energy
technologies
Energy
carriers
Energy Demand
Energy End-Use
End-use technologies
Useful energy
Furnace
Computer
Light bulb
Air
conditioner
Aircraft
Automobile
Heat
Electricity
Light
Heat/Cold
Kinetic
energy
Kinetic
energy
Energy
forms
Cooking
Information Illuminaprocessing
tion
Mobility
passengerkm
Mobility
tonnekm
Energy
services
Energy Services
Energy services
Thermal
comfort
Satisfaction of human needs
of the energy sector and energy end use and services. The energy sector includes energy
austive and the links shown between stages are not “fixed”; for example, natural gas can
neration.
Source:energistrømmer
adapted from Nakicenovic
et al.,2005)
1996b.
Globale
(EJ,
y
s
t
n
;
s
h
l
d
Energy
Examples
Crude oil
Coal
Conversion
Refinery
Power Plant
Secondary 352 EJ
Gasoline
Electricity
Distribution
Truck
Grid
Gasoline
Electricity
Car
Light Bulb
Kinetic
Radiant
Passenger-km
Light
Primary
144 EJ
22 EJ
161 EJ
Final
496 EJ
330 EJ
End use
169 EJ
Useful
Services
496 EJ
Waste and rejected
energy
169 EJ
Utvikling i primærenergi
Chapter 1
Energy Primer
600
New renewables
550
Nuclear
500
450
Internet
Gas
400
Microchip
Oil
350
EJ
WWW
Hydropower
Coal
300
Nuclear
energy
Biomass
250
200
150
100
50
Steam
engine
Electric
motor
Gasoline
engine
Vacuum
tube
Commercial Television
aviation
0
1850
1875
1900
1925
1950
Figure 1.9 | History of world primary energy use, by Source (in EJ). Source: updated from Nakicenovic et al., 1998 and Grubler, 2008.
1975
2000 2008
0
1850
1875
1900
1925
1950
1975
2000 2008
Kilder til primærenergi
Figure 1.9 | History of world primary energy use, by Source (in EJ). Source: updated from Nakicenovic et al., 1998 and Grubler, 2008.
100
Biomass
Coal
Oil
Gas
Percent of PE (GEA standard)
75
Hydro
Nuclear
New Renewables
50
25
0
1850
1875
1900
1925
1950
1975
2000
Økende bidrag fra fornybare –
andel av ny produksjon (kapasitet)
Non-hydro renewable power
capacity change as a % of global
power capacity change (net)
Non-hydro renewable power
genera!on change as a % of
global power genera!on change (net)
Non-hydro renewable power
as a % of global power capacity
Non-hydro renewable power as a %
of global power genera!on
EU og Kina nå over
40% av ny kapasitet
Global
Energy
Assessment
Toward a Sustainable Future
Key Findings
Summary for Policymakers
Technical Summary
GEA 2012
Ca. 300 forfattere og 200
vitenskapelige reviewere fra
hele verden har brukt 6 år på
å produsere en rapport på
nesten 2000 sider.
Arbeidet er utført på
lignende måte som FNs
klimapanel (IPCC).
Hovedtema: Undersøke hva som skal til for å oppnå politisk vedtatte mål for:
•
•
•
•
Klima (2-gradersmålet)
Helse (luftkvalitet inne og ute)
Tilgang til elektrisitet for alle
Energisikkerhet (mindre avhengighet av import)
Noen konklusjoner fra GEA
•  Det er mulig samtidig å nå 2-graders klimamålet, målsetninger om
tilgang til elektrisitet for alle innen 2030, forsvarlig inne- og ute-miljø i
henhold til WHO-standarder, og økt energi-sikkerhet (redusert
avhengighet av import av energi-bærere, særlig olje).
•  For å få dette til kan det bli behov for omkring en dobling av dagens
investeringsnivå i energi-sektoren på ca. 2% av brutto nasjonalprodukt
(BNP), men innsatsen vil være nede igjen på 2% av BNP i 2050.
•  Det blir betydelig rimeligere å oppnå målene om bedret helse, tilgang
til elektrisitet og energi-sikkerhet dersom energi-forsyningen
avkarboniseres i tråd med klima-målsetningen.
•  Energi-effektivisering og vekt på utvikling av teknologi for energitjenester har stort potensiale for å redusere behovet for primær-energi.
Det klart formålstjenlig å rette mest innsats både innen FoU og
markedstiltak mot etterspørsel-siden heller enn forsyningssiden.
•  I scenarier med vekt på energi-effektivisering er det fullt mulig å klare
seg uten både CCS og kjernekraft i 2050.
Ikke bare et spørsmål om leveranse av primærenergi: Energi-intensiteten kan reduseres
betraktelig ved energi-effektivisering
•  Arnstad-utvalget konkluderte i 2010 at 80 TWh
brukt i bygninger i Norge idag kan reduseres til
70 TWh in 2020, 40 TWh i 2050. Passivhusstandard, definert som 70-80 kWh/m2/år, kan
introduseres fra 2015 (eller 2020) for nye bygg.
•  Også ytterligere potensiale i industri og
transport.
•  Byplanlegging gir virkning primært over lengre
tidshorisont, men er også viktig.
solar
radiation
175 000 TW
gravitation of
Sun and Moon
5 TW
Atmosphere
116 000 TW
heating by
absorption
1000 TW
atmospheric
circulation
560 TW
63 TW
biotic
productivity
63 TW
generation of
waves
27 TW
salination
of seawater
1 TW
tidal
mixing
wind-driven
circulation
wave
power
tidal
power
Interior
Earth
current
power
atmospheric
electricity
water
cycle
< 1 TW
13 TW
thermohaline
circulation
desalination
continental
runoff
OTEC
osmotic
power
hydro
power
geothermal
biotic
productivity
wind
power
solar
power
electric
energy
plate
tectonics
mantle
convection
< 50 TW
radioactive
decay Institute,
Seminar Series autumn semester
2011 Geophysical
and secular cooling
University of Bergen, P.M. Haugan
< 50 TW
152 TW
Land
Ocean
3 TW
Renewable
Energies
< 1 TW
bio
fuels
continental
uplift
earthquakes
17 TW
Growth of renewable energy
2011:
Renewables:
Accounts for 3.9% of el-supply
Growth, total:
17.7 %
Wind:
20.5 %
Solar:
73.3 %
(www.bp.com)
Actual Scale:
Norway:
Installed Hydro power: About 25 GW
Yearly consumption: About 125 TWh
New electrical power installation.
EU 2009 & 2011
**
Source: EWEA
Økning av vindenergi globalt.
Nesten 30% økning per år av installert vindkraft.
Source: www.ewea.org
•  1 MW installert kapasitet gir ca. 3 GWh/år (kapasitetsfaktor 0.34)
•  Total produksjon 2009: Ca. 470 TWh eller 2.7 % av total elektrisitet.
Økning av vindenergi hvert år.
Asia nå i ledelsen.
Source: www.ewea.org
effective.
The GEA explored 60 possible transformation pathways and found that 41 of them satisfy all the GEA goals
Noen fremtidsscenarier
fra GEA:
simultaneously for the same level of economic development and demographic changes, including three groups of
illustrative pathways that represent alternative evolutions of the energy system toward sustainable futures. The
Mulig å forsyne
9 milliarder i 2050 hvis
pathways imply radically changed ways in which humanity uses energy, ranging from much more energy-efficient
houses, mobility, products, and industrial processes to a different mix of energy supply – with a much larger proportion
vekt på effektivisering
og fornybar
of renewable energy and fossil advanced
fossil fuel technologies (see Figure SPM-3).
Nuclear
GEA - Ef f iciency
Gas
Oil
800
Coal
EJ
Biomass
600
GEA – Mix
1000
GEA - Supply
Hydro
GEA - Supply
Other renewables
GEA - Eff iciency
1200
GEA – Mix
3
400
200
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2008
2030
2050
Figure SPM-3. | Development of primary energy to 2008 and in the three illustrative GEA pathways for the years 2030 and 2050. Source: based on Figures TS-24 and 17.13,
Chapter 17. For further details of the GEA pathways see the interactive web-based GEA scenario database hosted by IIASA: www.iiasa.ac.at/web-apps/ene/geadb.
Referanser
David Mackay., 2009. Sustainable energy without the hot air.
Kan lastes ned gratis fra http://www.withouthotair.com/
IPCC, 2011. Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.
Kan lastes ned gratis fra http://srren.ipcc-wg3.de/report
GEA, 2012: Global Energy Assessment - Toward a Sustainable Future.
Kan lastes ned gratis fra
http://www.iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/Energy/Home-GEA.en.html