ENERGI OG KLIMA - OG LIDT KEMI HER OG DER. Mads P. Sulbaek Andersen Kemisk Institut, Københavns Universitet, mpsa@chem.ku.dk

1 ENERGI OG KLIMA - OG LIDT KEMI HER OG DER Mads P. Sulbaek Andersen Kemisk Institut, Københavns Universitet, mpsa@chem.ku.dk

Inden vi går igang Hvem er jeg? Hvad laver vi hos os på KU? Hvordan gør vi det? Hvad bliver man når man har studeret der? 2 2

3 Hvem er jeg? (background and training) 1976, Født, gift og har 2 børn på hhv. 3 år og 11 måneder. 1994, Begyndte at læse kemi (og H. Design Studies) på SDU. 2001, Tager til Ford Motor Company via KU. 2002, Færdig som kandidat og læste videre (PhD) på KU. 2002-04, på Ford Motor Company, Michigan. 2005-06, på NASA Ames, California. 2006-09, på University of California. 2010-12, på Jet Propulsion Laboratory. 2013, Lektor på Kemisk Institut på KU. Ford Research & Advanced Engineering Dept. NASA of Jet Chemistry Propulsion Laboratory NASA Ames, Atmospheric Science Branch Dearborn Moffett University California Airfield -Institute of -Michigan California of Technology - Irvine

4 Hvad laver vi? Atmosfærekemisk forskning Undersøgelser af kemiske processer i laboratoriet, i felten og ved hjælp af modeller for at opnå en bedre forståelse af processer i atmosfæren og af atmosfærens sammensætning. Kan føre til en bedre kvantificering af miljøpåvirkninger

5 Hvordan? Atmospheric degradation of HFC-134a CF3CFH2 OH. H2O CF3CFH. CF3CFHOOH HO2 OH O2 NO2 CF3CFHO2 Decomp/h CF3CFHOONO2 h NO NO2 h FCO x h NO FO h x h aq FNO O 3 O2 CF3CFHO CF3COF aq HO2 HCOF h CF3COOH CF3C(O) CF3 O2 O2 CF3C(O)O2 CF3O2 NO NO2 CF3C(O)O NO NO2 NO CF3O CF3C(O)O2NO2 RH R FNO 2 CF3OH HF+C(O)F2

6 Hvad bliver man når man har studeret der? Ansættelse 2% 12% 6% 40% den private sektor offentlige institutioner 20% gymnasiet universiteter og andre læreanstalter 10% 10% udlandet andet/ukendt ledige

Disposition 1. Energi 1.Hvad bliver energien brugt til? 2.Hvor meget energi skal der bruges i fremtiden? 3.Hvor kommer energien fra? 4.Hvad koster energi (olie)? 2. Klimaændringer 1.Solen og jorden 2.Ændrer det globale klima sig? 3.Øges koncentrationen af drivhusgasser? 4.Fremtidigt klima? 3. Er det noget vi skal gøre noget ved? Plan A og B? 4. Konklusioner og diskussioner. 7

8 1. Hvad bliver energien brugt til? Energy lost in generation and transmission 27% 37% Industry: Agriculture, mining, manufacture, construction Commercial buildings: HVAC, lighting, water 5% 11% Residential buildings: HVAC, lighting and appliances 20% Transportation

1. Hvor meget energi skal vi bruge i fremtiden? IPCC 1992 1990: 12 TW 2030: 25 TW = 790 EJ 9

10 1.Energiforbrug per sektor 1 bnboe = 6.12 EJ 765 EJ 10

11 1. Hvor kommer energien fra nu og i fremtiden? Hvad er fossilt brændsel egentlig? 1 toe = 42 GJ Omdannet og lagret CO 2 714 EJ Danmarks Nordsø olie og gas?

2. Hvilke miljøeffekter (5) har afbrænding af fossilt brændsel? 1. Dannelse af CO 2 (GHG) problem? 2. Dannelse af NO x problem? 3. Dannelse af små partikler problem? 4. Støj 5. Lugt 12

2. Drivhus-effekten Solens totale udstråling=e s =σt s4 4πR s 2 Jordens totale indstråling =F s =E s /4πd 2 = σt s4 R s2 /d 2 (W m -2 ) Jorden absorberer = F s πr E 2 (1-A) / 4πR E2 = F s (1-A)/4 Jorden udstråler = σt E4 = F s (1-A)/4 => T E = 254K = -19C!?!? 13

14 2. Drivhus effekten naturlig og menneskabt Natural greenhouse effect, recognized by Fourier in 1824, raises the average surface temperature by approx. 34 o C (from 19 o C to 15 o C). Powerful effect! Drivhuseffekten er et etableret faktum.

2. Drivhus effekten naturlig og menneskabt Hvordan kan balancen ændres? Sol/Jord Albedoen (partikler og skyer, vulkaner) Tilbagestrålingen: Drivhusgasser (GHG) Feedbacks? Is der smelter Vand Planter Opvarmning af oceanerne Hurtige og langsomme feedbacks Positive (forstærker) Negative (dæmper) 15

16 2. Ændrer klimaet sig? Hvad er Klima? 0.7 o C

1998 det varmeste år i sidste årtusind 1990s den varmeste dekade i sidste årtusind Red = termometre, blå = proxy data (træringe, koraller, iskerner, historiske data), grå = usikkerheder Sort = 40 år glidende gennemsnit 17

18 Klima og atmosfærekemi - Hvad skal vi tro på? a) Ændrer det globale klima sig? b) JA Og det har det altid gjort men. c) Øges koncentrationen af drivhusgasser? a) Er det kun CO 2 der betyder noget? d) Er der en menneskelig indflydelse på klimaet? e) Hvordan vil det fremtidige klima blive? f) Er det noget vi skal bekymre os om? a) Hvad skal/kan vi gøre? Plan A og plan B.

19 CO2 kurven (Keeling curve) Før 1957? Note: (i) seasonal variation, (ii) six month phase difference between hemispheres, (iii) amplitude largest in NH (more plants), (iv) consistent long term trend (increasing by 1-2 ppm yr-1), (v) SH values slightly (2-3 ppm) lower (most emissions in NH, approx 18 month interhemispheric mixing time).

20 20

21 Is tværsnit af den Grønlandske iskappe Accumulation zone 2,000 a 10,000 a Ablation zone 100,000 a

Temperatur, CO 2, CH 4, N 2 O tilbage i tiden D [ ] CH 4 [ppbv] -360-380 -400-420 -440-460 800 700 600 500 400 1 2 3 5.5 6 7.1 7.3 7.5 8 9 10 I II III IV V VI VII VIII IX 11 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 AGE [1000 years before 1950] 12 13.1 13.3 14 15.1 15.5 16 17 18 19 20 300 270 240 210 180 300 280 260 240 220 CO 2 [ppmv] N 2 O [ppbv] From Thomas Blunier at Centre for Ice and Climate, University of Copenhagen 22

23 3. Øges drivhusgassernes koncentration? 23

Hvad er en drivhus-gas? 1. En gas der absorberer infrarød stråling 2. En gas der lever længe nok i atmosfæren 3. Der skal være en vis mængde for at der er en effect 4. CO 2, CH 4, halogenerede gasser (freoner), N 2 O, O 3 H 2 O? 24

25 CO 2 CH 4 N 2 O

26 Fossilt brændsel og klimaændringer 1. Ændrer det globale klima sig? JA Og det har det altid gjort men. 2. Øges koncentrationen af drivhusgasser? JA Er det kun CO 2 der betyder noget? NEJ 3. Er der en menneskelig indflydelse på klimaet? 4. Hvordan vil det fremtidige klima blive? 5. Er det noget vi skal bekymre os om? Hvad skal/kan vi gøre? Plan A og plan B.

Man kan regne ud hvad ændringen i strålingbalancen har været siden 1750 IPCC AR5 2013 27

Fossilt brændsel og klimaændringer Hvad ved vi helt sikkert? 1. Der er en naturlig drivhuseffekt som varmer jorden 33 o C. 2. Vi forstår klimavariationerne 1000000 år tilbage i tiden. 3. Vi kender den menneskeskabte koncentrationsstigning af drivhus-gasser i atmosfæren. 4. Vi ved at virkningen af denne stigning er en ændring i strålingsbalancen 2.21-3.79 W/m 2 (2013). Hvad ved vi ikke så sikkert? 1. Hvordan man kommer fra ændring i strålingsbalancen til ændring i klima (temperatur/nedbør mm )? ΔT = λ. ΔF 2. Aerosolers (partiklernes) virkning? 3. Den samlede effekt vi må bruge modeller 28

Globale Klima Modeller 29

Hvor gode er disse modeller? Kun naturlige variationer = Intern dynamik Alle modeller når samme konklusion: Det er kun muligt at modellere de observerede ændringer hvis menneskeskabte effekter inkluderes (drivhusgasser, partikler, ændringer i brug af landjorden). Alt inkluderet IPCC AR5 2013 30

31 Hvordan vil det fremtidige klima blive? Future Temperature Virkningerne vil kunne mærkes indenfor de næste ~10 år. Der vil kunne tjenes (og tabes) mange penge. 2013

Hvordan vil det fremtidige klima blive? DK Ikke jævnt fordelt Sandsynligvis meget forskelligt fra det vi kender idag 32

Hvordan vil det fremtidige klima blive? 33

34 Hvordan vil det fremtidige klima blive? Hvad skal vi gøre ved det? 34

Tipping Point Definitions 1. Tipping Level - Climate forcing (greenhouse gas amount) reaches a point such that no additional forcing is required for large climate change and impacts 2. Point of No Return - Climate system reaches a point with unstoppable irreversible climate impacts (irreversible on a practical time scale) Example: disintegration of large ice sheet 35 35

C 5 Recent emissions Hvordan 0 går det i forhold til IPCC scenarier? 1850 1900 1950 2000 2050 2100 CO 2 Emissions (GtC y -1 ) 10 9 8 7 6 5 Actual emissions: CDIAC Actual emissions: EIA 450ppm stabilisation 650ppm stabilisation A1FI A1B A1T A2 B1 B2 2005 2006 1990 1995 2000 2005 2010 50-year constant growth rates to 2050 B1 1.1%, A1B 1.7%, A2 1.8% A1FI 2.4% Observed 2000-2006 3.3% Raupach et al. 2007, PNAS 36

Hvordan går det i forhold til IPCC scenarier? IPCC AR5 2013 37

38 Vi ved hvad vi skal gøre plan A? Kun bruge kul når vi kan opbevare CO 2 Gemme olie og gas til transport Tage CO 2 ud af atmosfæren ved landbrug mm Bruge så meget vedvarende energi som muligt Vind, sol, bølger, biomasse, (kernekraft) CCS = Carbon Capture and Storage Bruge energien så effektivt som muligt Vi skal lære at bruge den indkommende energi bedre Jorden bliver ramt af 10000 gange mere energi end vi bruger HVAD ER MÅLET?

Public confusion about the urgency of reductions in greenhouse gas emissions results from a basic misconception. 39

J. D. Sterman, Science 322, 532 (2008) 40

3.Hvad kræver plan A? Kræver stabile regeringer som er korrekt og fuldt teknisk informerede Uddannelse Gøre det mest kost-effektive først????? Erhvervslivet skal kende prisen på carbon Gennemsigtig simpel mekanisme også med hensyn til hvordan overskuddet skal bruges Der skal tages hensyn til udviklingslandene Universiteter og andre forskningsinstitutioner må forholde sig til vigtigheden af energiforskning 41

3.Gøre det mest udgifts-effektive først? McKinsey Curves Hvorfor gør vi det ikke? 42

43 Hvorfor reducerer vi ikke bare emissionerne? United Nations Framework Convention on Climate Change Aim is to stabilize greenhouse gas emissions ( ) at a level that would prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system.

Hvorfor reducerer vi ikke bare emissionerne? Klima-truslen er diffus, kompleks, ubehagelig... F.eks. i forhold til konventionel luftforurening, O 3 Et par kolde år Økonomiske kriser Uforudsete udgifter (f.eks.: Irak, tsunamier.) Energi er nøglen til økonomisk aktivitet CO 2 tidsskalaen passer ikke med politiske tidsskaler Energiinfrastrukturer tager dekader at opbygge CO 2 s levetid i atmosfæren er 100-200 år De kraftværker som planlægges nu - emitterer i 2050 Biler lever op til 20 år og bygninger over 100 år Politisk tidsskala: 4-6 år, nyheds-tidsskala: 1 dag Emissioner, økonomi og risikoopfattelser varierer meget globalt 44

45 3.Hvad er plan B for klimaændringer? Verden må gøre sit bedste for at stabilisere [GHG] Men sikre niveauer vil måske overskrides CO 2 kan skabe problemer i århundreder Plan B vil afhænge af virkningerne Adaption = tilpasning sker under alle omstændigheder Geo-engineering som en sidste udvej Albedo modifikation (på overfladen, i atmosfæren, i rummet) Fjernelse af CO 2 (biologisk )

46 3.Kunstige træer 46

47 3. Plan C Geo-engineering

48 4. Konklusioner Hvad bliver energien brugt til? 37% industri, 20% transport, 16% bygninger, 27% tab Hvor meget energi skal der bruges i fremtiden? Fordobling i 2050 Hvor kommer energien fra? Fossilt brændsel i lang tid endnu Hvad skal vi gøre ved CO 2 problemet? Man kan gøre mange ting plan A, B, og C Hvad koster energi (olie)? Det ved man aldrig men den bliver nok dyrere

Skulle det her være let? Hvorfor er miljø-kemi er vigtigt? Jorden blev dannet for ca. 4.5 milliarder år siden. Homo sapiens dukker op for ca. 200,000 år siden. Vi er den 8,000. generation af vores race. De første 7,600 generationer boede i huler. 8. generation siden mekanisk motorkraft afløste heste kræfter. 4. generation siden starten af masse-produktion af biler. 1. generation der kæmper med globale bæredygtigheds-problemer: Ozonlagets nedbrydning, global luft forurening, klima-forandringer

50 The stone age did not end for the lack of stone And the oil age will end long before we run out of oil Der vil være brug for masser af folk som ved noget om al den slags SLUT SPØRGSMÅL

51 www.facebook.com/ kemiskinstitut