Fremtidens Energiforsyning Professor Ib Chorkendorff Department of Physics The Danish National Research Foundation Center for Individual Nanoparticle Functionality DG-CINF at the Technical University of Denmark WWW.CINF.DTU.DK
Hvorfor ændre noget der fungerer? Hvad er Problemet? Mangel på fossile resurser Selvforsynende - Uafhængighed af totalitære styrers forgodtbefindende? Drivhus-effekten? Hvad er løsningen? Vedvarende og bæredygtig energi: Sol { } Ustabile Biomasse Vind og altid varierende Hydrogen kommer ind her som en udjævnende energibærer men er ikke en energikilde
Knaphed på fossile resurser? Kendte Fossile Reserver 1997 (1977) Olie: 141 x 10 9 t (89 x 10 9 t) Naturgas: 130 x 10 9 t (64 x 10 9 t) Kul: 1030 x 10 9 t Reserver/produktion/år Olie 41 år } Faktisk burde 80$ være max. Naturgas 62 år ~ 90 år Kul: 143 år (men energiforbruget vil stige!) Transportsektoren kan køre på naturgas! Kul (naturgas) kan vha. Fischer-Tropsch omsættes til diesel ( -: 700.000 t/år) Forsyningssikkerhed altid et godt argument
Det store eksperiment Allerød perioden
Det store eksperiment 370 ppm CO 2 Allerød perioden Vi er på vej ud i ukendt farvand. Måske andre forklaringer men??
Størrelsen af vort problem Forudsætning: samme carbon mix 1998: 13 TW 2050: 28 TWMængden af fosil brændstoffer hvis CO 2 6 billion people ~9 billion ikke må komme over 750 ppm
Problemets størrelse Verdens energiforbrug er i dag ca. 14 TW og er stigende. Lad os acceptere en fordobling af atmosfærens CO 2 indhold i 2050 (750 ppm) og så skal det falde dvs. ingen yderligere emission: Den eneste måde vi med sikkerhed kan gøre det på i dag er med kernekraft, men det kommer jo med sit eget sæt af problemer: Konventionel fission er der kun 235 U til ca. 12-15 år, formeringsreaktorer vil være nødvendige herefter (Plutonium teknologi) Affaldsproblemet Spredning af kernekraft og dermed potentialet for atomvåben Vi skal med andre ord bygge ca. 7000 2 GW kernekraftværker inden 2050 eller 3 om ugen!!!!
Reduktion af CO 2 Emission Central omsætning af kul/gas 30-40 % energitab CO2 sequestration (skal ske centralt og helst ikke fra røg-gassen) Brint, el og varme: H 2 for transport uden CO 2
The Steam Reforming Process til H 2 Strongly Endothermic Exothermic Ni, 1000 o C CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Cu, 200 o C CO + H 2 O CO 2 + H 2 1 mio. ton CO 2 per year since 1996 Kapaciteten i Utsira er ca. 800 billion ton CO 2 eller 200 år fra Europa
Vedvarende energi nu (2007) Hvordan ser det ud nu: Fossile brændstoffer 83 % Affald 4 % Sol-energi (ustabilt) 0 % Vind-energi (ustabilt) 3 % Bølge-energi (ustabilt) 0 % Geothermisk energi (stabilt) 0 % Biomasse (rimeligt stabilt) 10 % Kernekraft???? 0 % Fusion kunne løse det hele - men hvornår - stadig 50 år?? Man er nødt til at have en energi-buffer, og her kunne brint komme ind! Energi- el- elektrolyse- brint- lager- distribution- brændselscelle- el-energi Men der er show-stoppers:
Vedvarende energi på langt sigt Hele jorden Danmark Human relateret energiforbrug: 3,8E20 J/år 8,2E17 J/år Total solenergi på jord: 3,8E24 J/år ca. 1,6E20 J/år Total elproduktion: 4,6E19 J/år 1,2E17 J/år Vi får altså på årsbasis 200 gange mere end vi bruger (hele jorden 10000) Vindenergi dækker i dag ca. 3%. Vi skal altså have ca. 50 gange så mange vindmøller som i dag eller ca 500 gange Horns rev! Kan man det? Fotosyntesen er ikke særlig effektiv i DK ca 0,3% kan dog komme op på 1% når alt optimalt. Godt til transportsektor Mest effektive er solceller (21-24%) og måske fotokatalyse, men det er alt for kostbar endnu og vil også kræve betydelige arealer. Vi får brug for alle kilder!
Hvis sol-energi høstes med 10% effektivitet 6 arealer på 400x400 km 2 med 3.3 TW hver Middel indstråling: 200 W/m 2 3.3x10 12 W/(2x10 2 W/m 2 x 10% Efficiency) = 1.6x10 11 m2
Så fremtiden kun køre på El + brint Fremtidens CO 2 -fri energiforsyning??? Her er transportsektoren et problem MeoH? Stærkt decentralt Langt sigt CO 2 H 2 Brint distribution og lager Transportsektoren
Elektrolyse Cathode: 2(H + +e - ) H 2 Anode: H 2 O ½ O 2 +2 H + Total: H 2 O ½ O 2 +H 2 G 0 =2.46 ev (1.23 ev/electron) Reversible brændselsceller kunne være måden at udjævne energien fra vindmøller (30%) I DK ~ 20% power fra vind alene ~3 % af det totale Energiforbrug! Horns rev 80 x 2MW
Smart teknologi: Kemisk energi direkte til el Helt forureningsfri Absolut lydløs Potentiel høj effektivitet Måske reversibel Samme gælder i øvrigt batterier Brændselscellen
Brændselscellen er specielt fordelagtig i biler Efficiency 130km/t ~3000rpm belastning Brændselscelle 45% Benzin motor (ca 20-25%) Drop due to internal resistance Bemærk vejtransport udgør 20% af vort energiforbrug Men brændseslcellen er i hård konkurrence med batterier (hybrid biler). Årlig Pt produktion 200 ton Biler: 0,5g Pt per kw lig 4 million biler/år!
Udfordringen i Transportsektoren Der kan udvikles teknologier der gør det mere direkte (Lys til brændsler. Mest sandsynligt er at der produceres elektricitet - Og det er upraktisk med en lang ledning!!! Brint brændselsceller Elektrolyse 70% Kompression 90% Distribution 90% Brændselscelle 45% Kan forbedres Batterier Distribuering 90% Lokal transformator 90% Op/Afladning 80% Total effektivitet 0,7*0,9*0,9*0,45= 25% Svært at lagre Ingen Infrastruktur Total effektivitet 0,9*0,9*0,8 = 65% Kapacitet er et problem Op/Af ladning langsom
Udfordringen I dag får vi så 17% af vor energi fra vedvarende energi. Dette tal skal vokse og vi vil så få mere biomasse som relativt nemt kan laves til flydende brændstof. Mange nye teknologier vil producerer elektricitet som har den store fordel at det kan bruges til alt undtagen transport. Da vi således har 83% som skal erstattes og hvoraf vejtransport kun udgør 20% så lad os bruge vedvarende energi på de 63% hvor elektricitet kan bruges umiddelbart. Pointen er at hvis brinten eller elektriciteten ikke er er lavet fra vedvarende energi er det hele lige meget! Selv bioetanol er yderst tvivlsomt!
Konklusion I Vi vil bruge fossile brændstoffer i mange år endnu! Brint er en energibærer: Ingen brint resurser! Elektricitet er formodentlig primær energibæreren Vi får brug for alle energikilder: Vind, sol, bølger, bio... Brændselsceller er potentielt effektive og forureningsfrie. (Hvis brinten altså fremstilles rigtigt) Platin metaller vil blive en showstopper Manglende effektive brintlagringsmetoder Transportsektoren er problematisk: Energieffektivitet ~0,3 bedre for batterier, men igen er modne til at tage over.
Konklusion II Vedvarende energi skal hjælpes! Fossile brændstoffer er for rigelige og billige. Vedvarende energi bør bruges hvor vi fortrænger mest CO 2 (prissæt CO 2 ) og løsningerne skal være globale Demonstration har naturligvis sin berettigelse, men bør være særdeles velgennemtænkte. Hvor fortrænger man mest CO 2? Hvorfor skal hvert Europæisk land vise at de kan lave en brintbil? Vindmøller giver mening hvis og når CO 2 prissættes højere og internationalt. 5212 vindmøller støttes med 315.000 DKK per styk/år (2007)