IFT 60 år 15. maj 2009

Transkript

1 Fysikkens rolle for energispørgsmål Alex C. Hoffmann Flerfasesystemer IFT, UiB IFT 60 år 15. maj 2009 Vi bruger information fra: BP, WEC, IPCC, E. Lillestøl, WEA, IGU

2 Først må vi enes om enhederne Vi regner energi i Joule (J) og energi per tidsenhed i Watt (W=1 J/s). Det er alt hvad vi har brug for. Nogen få eksempler på en- Alligevel er enhederne blevet et mareridt. ergienheder: Enhed Ækvivalent i Joules 1 BTU kcal (m)toe m 3 gas (s.t.p.) cf gas (s.t.p.) kwh TWy Men vi bruger nu J og W!!

3 En joule er en lille enhed En joule er en ret så lille enhed, det tager omkring 4184 J at opvarme 1 kg vand 1 C. Vi klarer dette med præfixer: Navn Størrelse Kilo (k) 10 3 Mega (M) 10 6 Giga (G) 10 9 Tera (T) Peta (P) Exa (E) Zetta (Z) Yotta (Y) 10 24

4 Vi opererer med forskellige energiformer og energikvalitet 1. Elektrisk 2. Mekanisk 3. Kemisk 4. Varme (a) Høj temperatur (b) Lav temperatur Vi vil her for hver energiresource angive vejen til elektrisk energi.

5 Hvor meget energi bruger vi nu? Vi snakker her om primær energi, ikke om den energi vi til sidst har i den form vi ønsker, f.eks. konventionel konvertering af termisk til elektrisk energi er iflg. OECD omkring 38% effektiv (skandaløst lav). Sted/art Forbrug per år (ZJ) 2008 Verden total Hvoraf olie Kul Gas Kerne Hydro USA total EU total 0.089

6 Forbruget er lidt skævt fordelt Forbrug per person a : a BP statistical review of world energy 2008

7 Hvordan kan forbruget udvikle sig? Som sagt er forbruget nu (2008): ZJ. Verdens befolkning er omkring 6 milliarder I 2100 er befolkningen sandsynligvis omkring 10 milliarder. Hvis hver person skal bruge 4 toe per år (som det nu er i EU) bliver totalforbruget ZJ. En øgning på mere end en faktor 4!! Nogen anslår så meget som ZJ forbrug i Hvor får vi omkring 2.5 ZJ per år fra?

8 Fossile brændstoffer? Olie, gas, kul? Kernekraft? Fission, fusion? Her er problemstillingen hvor længe vil resourcerne vare? Man skelner mellem resourcer (hvad der eksisterer) og reserver (hvad man kan få ud økonomisk med dagens teknologi). Vi giver størrelsesorden tal. Fornybare energikilder? Vand, vind, sol, geothermisk? Her er problemstillingen hvor meget kan vi få ud per år?

9 Fossile brændstoffer Fysikken fortæller os at, siden forbrænding er irreversibel, kommer al den kemiske energi ud som varme. Hele konverteringen til elektrisk energi er, som vi nu udfører den, omkring 38% effektiv (dvs vi taber 2/3 af energien).

10 Olie resourcer Konventionel olie: Omkring 400 Gton, svarer til omkring 16 ZJ Ukonventionel olie: Oil shale 20 ZJ Heavy crude 5 ZJ Tar sand 5 ZJ Purdue Univ.

11 Gas Konventionel gas: Omkring 160 Tm 3, svarer til omkring 6 ZJ. Nogen (IGU) anslår totale reserver til at være så meget som 18 ZJ. Ukonventionel gas: Methan i kullejre 9 ZJ Gas i tætte formationer 4 ZJ Gas hydrater 350 ZJ Gas i aquifers 600 ZJ MMS

12 Kul Totale resourcer anslås til omkring 5100 Gton, svarer til omkring 200 ZJ. Af dette er omkring 20 ZJ reserver, d.v.s. kan umiddelbart udvindes økonomisk med dagens teknologi.

13 Kerneenergi Carnot effektivitets begrænsning η = 1 T c T h kerneenergi fission varmeenergi cyclus mekanisk energi generator elektrisk energi

14 Hvor meget Uran har vi? Sikre reserver 8 Mton 4.6 ZJ Spekulative reserver 12 Mton 6.9 ZJ Uran i havene 4500 Mton 2600 ZJ Også energiækvivalenterne er beregnet på basis af konventionel kernekraft. Med breeder teknologi kan indtil 100 mere energi udvindes.

15 Thorium Carlo Rubbia (CERN) (Nobelpris 1984) Energy Amplifier Project (EA) bruger Thorium som drivstof drevet av en accelerator (subkritisk) kan også processere Pu, og producerer derfor 30% ekstra energi, og praktisk talt ikke affaldsstoffer Thoriumreserver for en million år

16 Fornybare energikilder ( Renewables )

17 Hydroelektricitet potentiel energi fald mekanisk energi turbine/generator elektricitet Potentialet afhænger af: Hvor stort er landarealet? Hvor meget regner det? (måles i tusinder at kubikkilometer per år vand på verdensplan) Hvor højt er landet? Hvor meget af regnen løber af? (absorberes ikke i planter og jord) Ikke underligt at Norge er verdensmester på dette. På verdensplan er uudnyttet potentiale ikke så stort, teoretisk max. anslås til omkring 0.15 ZJ per år, og det teknisk mulige er et stykke mindre.

18 Biomasse Samme vej til elektricitet som fossile brændstoffer, forskellen er at her brænder vi biomasse (f.eks. skov). Maximum der realistisk fornybart kan genereres er omkring 0.27 ZJ/år. heller ikke så meget.

19 Solenergi stråling solcelle elektricitet Maximal flux (strøm per arealenhed) til jorden omkring 1 kw per m 2. I realiteten bliver det omkring 0.2 kw. Lille regnestykke: solceller er ca. 20% effektive, d.v.s. kan generere omkring kw per m 2, så vi må bruge 100 m 2 for at give et hus 4 kw. PLASTECS polykrystallin sol celle

20 Kan også bruge varme fokuseret v.h.a. hulspejle WEA regner med at omkring 1.6 ZJ per år realistisk kan udnyttes.

21 Vindenergi mekanisk energi turbine elektricitet Fysikken fortæller os at effekten er proportional med: 1 2 ρv3 A Hvis vi satte møllen under vand bliver faktoren ρ omkring 1000 gange større, men faktoren v 3 bliver 100 gange mindre.

22 Det danske landskab har forandret sig. En normal mølle fremstilles af omkring 200 tons stål, tons cement, 20 tons fiberglas og har 8000 dele. Den producerer omkring 2 MW strøm, hvad der svarer til omkring 4 lastbilmotorer.

23 WEA regner med at totalt omkring 0.64 ZJ kan udvindes af vindkraft per år. Andre anslår omkring 0.1 ZJ. American wind association anslår total potentialet i USA til at være 0.04 ZJ per år.

24 Geotermisk energi Carnot effektivitets begrænsning η = 1 T c T h varmeenergi cyclus mekanisk energi generator elektrisk energi Vand/damp i jordskorpens øvre lag Vand under højt tryk dybere nede (nogle km) Varm klippe Magma Anslås at have stort potentiale, omkring 5 ZJ per år.

25 Andre brønde såsom. Forskelle i saltkoncentration mellem have og floder ( osmose princip p.g.a. forskelle i kemisk potentiale) Bølgeenergi (nogle mindre succesfulde eksperimenter) Undersøiske strømme

26 Hydrogensamfundet? Hydrogen er ikke interessant i denne sammenhæng, siden det ikke er en energi kilde (d.v.s. energi vi finder i naturen og konverterer til vores eget brug), men kun en energibærer.

27 Effektiv kraftproduktion vil forårsage lavere primær energiforbrug Forskellige teknologier bliver udviklet: Traditionel dampkraftværk (ca % effektiv). Gasturbiner og forbrændingsmotorer (samme effektivitet). Combined cycle bruger spildvarmen fra gasturbiner til dampkraft (op til 50 60% effektivt). Co generation, kraft varme anlæg, hvor spildvarmen fra gasturbinen bruges til forvarmning (kan være 90% effektivt). Distribueret kraftgenerering; små lokale gasturbiner eller brændselsceller. Spildvarmen kan evt. bruges i kraft-varme anlæg.

28 Brændselsceller et revolutionerende princip kemisk energi brændselscelle elektrisk energi Samme kemiske reaktion som forbrænding. Elektronoverføring gennem et eksternt circuit, så mere reversibel. Katalysator så temperaturen kan være lavere (ingen NOx). Omdanning af kemisk til elektrisk energi der ikke er underlagt Carnot effektiviteten. I praksis kan være omkring 50% elektrisk effektiv, og spildvarmen kan også udnyttes for højere totaleffektivitet.

29 Et par konklusioner? Det er nok fornuftigt at 1. udvikle og implementere de processer der sparer på fossilbrændstofferne 2. tage ekspertisen i kernekraft frem igen, og 3. investere lidt mere af olie- og gasfortjenesterne i fysikinstitutter.