Peak Oil del 10 – Går oljan att ersätta?

Se uppdaterad analys här: Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta? (del 1 & 2 uppdaterade)

Är det möjligt att ersätta oljan som energikälla utan att vi samtidigt tvingas förändra våra liv från dagens energikrävande konsumtionssamhälle till ett lågenergidito? Jag menar inte att det förra är att föredra utan jag är bara intresserad av att veta hur våra förutsättningar ser ut.

Förutom att vi med stor sannolikhet redan passerat oljeproduktionstoppen finns det ytterligare två problem som försvårar en övergång till alternativa energikällor. Det ena är att vårt behov av energi hela tiden ökar i takt med ökande befolkning och det andra är att också kol och gas, som idag är våra största energikällor näst efter oljan, också kommer att passera sin topp inom en överskådlig framtid. Är detta en omöjlig ekvation?

Jag har valt att titta på två scenarier, där jag ser det ena som verklighetstroget och det andra som pessimistiskt ur energisynpunkt men optimistiskt ur ett humanistiskt perspektiv.  I det första scenariot utgår jag ifrån att energikonsumtionen per person håller sig på samma nivå som idag och att den enda anledningen till ökat energibehov globalt sett beror på att befolkningen ökar. Det andra scenariot baseras på en situation där världens befolkning successivt får högre levnadsstandard och där den genomsnittliga energiförbrukningen per person närmar sig snittet för OECD-länderna. Enligt IEA är den genomsnittliga energikonsumtionen per person i världen idag ca 74 GJ/person och år och motsvarande siffra för OECD-länderna är 191 GJ. Jag har valt att anta att världens befolkning kommer att utvecklas enligt WHO:s ”medium”-scenario med en högsta befolkning runt 2080. Med dessa siffror ser de bägge scenarierna ut enligt nedan.

Trots att IEA förutspår ökande tillgång på olja åtminstone fram till 2030 enligt deras 2010 World Energy Outlook har jag antagit motsatsen. Jag utgår i mina scenarier ifrån att oljeproduktionstoppen redan inträffat och att tillgången på energi från olja kommer att minska med 20% per 10 år genom hela den analyserade tidsperioden. Detta kan visa sig vara pessimistiskt de närmaste 20-30 åren och optimistiskt de efterföljande 100 åren, men det är åtminstone en utgångspunkt som liknar ASPO:s analyser. När det gäller gas och kol utgår jag ifrån att dessa kommer att öka med 10% per 10 år fram till 2020 och 2030 när deras respektive produktionstoppar inträffar vilket antagligen är ett pessimistiskt antagande med tanke på den senaste tidens utveckling. Därefter antar jag en fallande tillgång med 20% per 10-årsperiod i likhet med oljan.

När det gäller förnyelsebara energikällor har jag antagit att tillgången på energi från vattenkraft kommer att öka till det dubbla fram till 2050, antingen via utbyggnad, effektökningar eller båda alternativen. Efter 2050 planar tillgången ut och ligger oförändrad under resten av den analyserade perioden. När det gäller vind- och solkraft byggs dessa ut så snabbt det är möjligt tills dess de tillsammans utgör 20% av det totala energibehovet. Jag har antagit att denna nivå är begränsande för intermittenta energikällor. Biomassa som energikälla antas öka med 10% per 10-årsperiod fram till 2050 för att sedan ligga konstant i likhet med vattenkraften. Geotermisk energi utgör ryggraden i analysen och byggs ut kraftfullt tillsammans med vind- och solenergi med skillnaden att expansionen inte upphör vid någon specifik nivå utan fortsätter i högsta möjliga takt. Livslängden för vindkraftverk har antagits till 20 år vilket innebär att under varje tioårsperiod måste hälften av det befintliga beståndet ersättas med nya verk. Solkraftverkens och de geotermiska kraftverkens livslängd har antagits vara 40 år. Kapacitetsfaktorn för vind- och solenergi har antagits vara 0,3 och för geotermisk energi 0,95. När det gäller utbyggnad av solkraften har det antagits att enbart solvärmekraftverk uppförs och inte anläggningar baserade på solceller.

Kärnkraften byggs också ut kraftfullt tillsammans med ovanstående förnyelsebara energikällor och fyller glappen mellan tillgång och efterfrågan. Livslängden för kärnkraftverk har antagits vara 60 år och kapacitetsfaktorn 0,9. De första 50 åren spelar det egentligen ingen roll om det är traditionella kärnkraftverk eller kraftverk av Generation IV som uppförs då de befintliga uranresurserna med största sannolikhet är mer än tillräckliga, i synnerhet om hänsyn tas till den prospektering som görs idag. På sikt kommer dock alternativ som bridreaktorer eller toriumreaktorer vara nödvändiga på grund av begynnande bränslebrist. När man väl tagit steget till brid- och/eller toriumreaktorer är dock bränslebrist inte ett problem på många tusen år. Det är också viktigt att poängtera att all teknologi som avses i den här analysen är befintlig sådan och inte hypotetiska framsteg som antas komma senare. Bridreaktorer existerar idag och opererar med mycket goda resultat och det finns befintliga reaktorer som kan hantera torium som bränsle.

För att avgöra vad som är en lämplig expansionstakt när det gäller den typ av stora infrastrukturprojekt som avses här har den storskaliga utbyggnad av kärnkraft som ägde rum i Frankrike tagits som riktvärde. Under de 15 år som följde den första oljekrisen på 70-talet färdigställde man i landet 56 kärnreaktorer, det vill säga lite mer än 3,7 reaktorer per år i genomsnitt. Om man utgår ifrån att en reaktor har en termisk effekt på 3 GW och tar hänsyn till Frankrikes folkmängd kan man uppskatta hur mycket energiproducerande utrustning hela världen bör kunna färdigställa om man arbetar med samma intensitet som man gjorde i Frankrike.

Jag är medveten om att detta är en kraftig förenkling av verkligheten men det torde ge en bild av vad som är möjligt och inte. Man ska komma ihåg att Frankrike inte gick på knä under den tidsperiod då denna expansion ägde rum. En invändning skulle kunna vara att Frankrike är ett högt utvecklat land och att det inte är rimligt att samma expansion kan ske i ett utvecklingsland. Å andra sidan är det inget som säger att de mest komplicerade anläggningarna måste uppföras på dessa platser. Man kan istället tänka sig att exempelvis enkla och robusta solenergianläggningarna där den tekniska nivån är lägre koncentreras till länderna runt ekvatorn och andra delar av världen där komplexa infrastrukturprojekt kanske inte är genomförbara.

För det första scenariot har jag antagit att man arbetar med halva den takt fransmännen gjorde och för det andra scenariot antar jag att man arbetar i samma takt, med andra ord en mycket kraftfull expansion men på inget sätt snabbare än vad som historiskt visat sig vara möjligt. Beräkningarna visar att en expansion på 201 EJ (Exajoule, 1018 J) per 10 år bör vara möjlig för kärnkraft, 67 EJ för vind- och solenergi och 212 för geotermisk energi i det första scenariot. Om arbetet sker i den högre takten bör det vara möjligt att uppföra anläggningar med takten 403 EJ/10 år för kärnkraft, 134 EJ för vind- och solenergi och 425 för geotermisk energi. Notera här att jag antar att ett kärnkraftverk är det mest komplicerade och tidsödande infrastrukturprojekt som går att uppföra och trots detta använder samma siffra även för exempelvis vind- och solkraftsanläggningar. Givetvis krävs det många tusen vindkraftverk för att motsvara ett kärnkraftverk, men uppförandetiden och resursåtgången per W installerad effekt antas vara densamma. När det i de analyserade scenarierna sker en kraftfull expansion av exempelvis två energikällor samtidigt har endast 50% av ovanstående siffror ansatts per energikälla. I ovanstående siffror har inte hänsyn tagits till att en del av resurserna går åt till att ersätta gamla kraftverk, detta hanteras separat.

Tillägg:

En invändning mot hela analysen skulle kunna vara att den ovan nämnda expansionstakten inte är realistiskt. För att få en uppfattning om trovärdigheten kan det vara intressant att undersöka vilken mängd anläggningar vi talar om. Om vi tar kärnkraften som exempel motsvarar 403 EJ/10 år en expansion med 473 reaktorer per år, givet att varje reaktor har en termisk effekt på 3 GW och en kapacitetsfaktor på 0,9 enligt ovan. En hög siffra? Ja, givetvis. En alltför hög siffra? Enligt Science Daily fanns det 2007 över 50000 koleldade kraftstationer i drift världen över. Om man antar en livslängd på 50 år innebär det en genomsnittlig årlig expansion på över 1000 kraftverk, vilket gör att siffran 473 inte är helt orealistisk.

Självklart är det mer tidsödande och resurskrävande att uppföra ett kärnkraftverk i jämförelse med ett kolkraftverk, dessutom har de senare antagligen lägre installerad effekt. Att tro att uppförandet av framtida reaktorer i en värld där flera hundra slutförs varje år skulle vara lika problemtyngt som arbetet är idag i exempelvis Finland och Frankrike är dock en villfarelse. Som med alla produkter är stora serier och erfarenhet av godo. Vidare får man komma ihåg att den expansion av kolkraft som skett varit en naturlig del av världens utveckling och att denna inte fått ta del av några extraordinära resurser, vilket expansionen antas få i min analys.

Resultatet av det första scenariot illustreras nedan.

Föga förvånande har de fossila energikällornas andel av den totala energiproduktionen sjunkit från att vara 80% 2010 till drygt 35% 2050, alltså mer än en halvering. Vid analysperiodens slut utgör de en försumbar andel av den totala energiförsörjningen. Anledningen till att inte vindkraften och den geotermiska energin utgör en större andel av den totala energiförsörjningen än de gör beror på att livslängden för dessa anläggningar är lägre än motsvarande för kärnkraften och därmed måste större resurser avledas till att ersätta gamla kraftverk istället för att uppföra nya. Som man kan se hamnar vindkraften i ett jämviktsläge där samtliga resurser som avsatts till energislaget upptas av att ersätta gamla verk. Detta på grund av deras i sammanhanget exceptionellt korta livslängd. Det kan vara svårt att se i diagrammet men kärnkraftens andel av den totala energiförsörjningen når sitt maximum 2100 och är avtagande under analysperiodens sista 50 år. Som mest kräver scenariot 2400 kärnreaktorer om de antas vara av storleken 3 GW(t), det vill säga ungefär 5,5 gånger dagens antal.

Resultatet av högenergiscenariot illustreras nedan:

Precis som i det föregående scenariot har inte vindkraften någon möjlighet att nå 10% av den totala energiförsörjningen och solenergin har inte någon chans att kompensera för detta. Detta beror framförallt på de intermittenta energikällornas låga kapacitetsfaktor. Att överhuvudtaget lägga resurser på vindkraft istället för att fördela dessa på de övriga energikällorna visar sig i detta scenario vara slöseri. Vindkraften åsidosätts med andra ord helt. Vidare får kärnkraften här en mer dominant roll då en kraftfullare expansion än för den geotermiska energin är möjlig på grund av kraftverkens längre livslängd.

Som en parentes kan man notera att om expansionstakten från högenergiscenariot använts i det första scenariot hade utbyggnadstakten varit tillräcklig för att dels få upp vindkraften till den önskade tiondelen av den totala energiproduktionen och dels för den geotermiska energin att helt fasa ut kärnkraften.

Analyserna ovan tar inte hänsyn till hur primärenergin nyttjas i nästa steg. Olja är ett utmärkt bränsle att använda inom transportsektorn, men när det gäller exempelvis geotermisk energi måste denna först omvandlas till elektricitet och sedan antingen ladda ett batteri eller direkt driva ett tåg eller liknande. En omställning från ett fossilbaserat samhälle kräver som redan konstaterats mer än bara nya energikällor. Vad den däremot visar är att det verkar vara fullt möjligt att inte bara ersätta de fossila energikällorna utan dessutom göra detta samtidigt som det globala energibehovet ökar drastiskt.

Tillägg 2:

Ytterligare en invändning mot analysen skulle kunna vara osäkerhet kring huruvida det finns potential för den enorma expansion av geotermisk energi som de båda scenarierna kräver. Rapporten ”The future of geothermal energy” från MIT analyserar förutsättningarna för geotermi i USA och där anges potentialen i det mest pessimistiska fallet till 2,8E5 EJ enbart i USA, det vill säga 173 gånger det globala energibehovet i mitt högenergiscenario.

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...

Det här inlägget postades i energi, geotermisk energi, kärnkraft, peak coal, peak gas, peak oil. Bokmärk permalänken.

6 kommentarer till Peak Oil del 10 – Går oljan att ersätta?

  1. Osunt skriver:

    Intressant analys. Lite nyfiken på dina antaganden kring geotermiska utbyggnaden. Jag har inte sett seriösa prognoser som visar på så stor potential.
    Tror att du har varit lite för hård när det gäller intermittensen. Dels finns det studier som visar på att vindförhållanden varierar mer över geografiska områden än vad man tidigare trott. Dels finns det mycket potential i demand side mgmt och även utbyggnad av energilagring.

    • Johan skriver:

      Hej,

      vad gäller utbyggnadspotentialen baserar jag detta på MIT’s rapport ”The future of geothermal energy”. Där anger man att potentialen för geotermisk energi enbart i USA vida överstiger världens samlade energibehov även i rapportens mest pessimistiska scenario. Om rapporten är att betrakta som seriös överlåter jag till respektive läsare. Jag har inga direkta invändningar men då är jag å andra sidan ingen expert på geotermisk energi.

      Ja, det är möjligt att 20% är lågt räknat. Nu får man samtidigt ha i minnet att här avses 20% av den totala energiproduktionen och inte 20% av elproduktionen. Med andra ord avsevärt mer. Vidare har det med mina antaganden om vind- och solkraftverkens egenskaper visat sig att de inte har någon möjlighet att nå upp ens till dessa nivåer, i synnerhet inte vindkraften. Huruvida gränsen är 20% eller 30% eller mer blir med andra ord oväsentligt.

  2. Osunt skriver:

    Jag ögnade igenom rapporten som du hänvisade till. Som jag uppfattar det så är bedömningen av potentialen som nämns av samma karaktär som när man säger att hela världens energibehov gott och väl kan täckas med solkraftverk på en bråkdel av Saharas yta. Men det var en bra och intressant rapport.

    Jag har fortfarande svårt att se varför geoenergin skulle kunna byggas ut så mycket mer än solenergin. Vad har du gjort för antaganden som begränsar solenergin?

    Måste också lägga till att din blogg är bra!

  3. Johan skriver:

    Hej,

    det har du rätt i, det är ett liknande påstående. Den avgörande skillnaden för mig är att geotermisk energi inte är en intermittent energikälla utan lämplig för generation av baskraft. Jag har i min analys antagit att utbyggnadstakten per installerad GW är densamma för alla energikällor och låtit erfarenheterna från Frankrike avgöra denna takt. Vad som sedan leder fram till vilken den möjliga utbyggnadstakten i fråga av genererad energi är beror på de olika anläggningarnas kapacitetsfaktor och deras respektive livslängd.

    Jag har, som jag beskriver i inlägget, antagit att kapacitetsfaktorn för sol- och vindkraft är 0,3 mot 0,9 för kärnkraft och 0,95 för geotermisk energi. Detta leder till att genererad energi per installerad GW är betydligt högre för kärnkraft och geotermisk energi än för de intermittenta energikällorna (genererad energi/år = installerad effekt*24*365*kapacitetsfaktor). Vidare har vindkraftverkens livslängd antagits vara 20 år vilket leder till att man ganska snart hamnar i en situation där de resurser som avleds till utbyggnad av vindkraft helt upptas av arbetet med att ersätta gamla kraftverk. Samma sak gäller solenergin men vid en något högre nivå då anläggningarnas livslängd antagits vara de dubbla.

    Problemet med den låga kapacitetfaktorn skulle givetvis undvikas om man antar att energilagring finns på plats. Problemet blir då att energilagring i sådan skala skulle kräva en ansenlig del av de tillgängliga resurserna och med tanke på den låga effektiviteten exempelvis vid pumplagring skulle resultatet antagligen bli mindre lockande än en satsning på geotermisk energi och kärnkraft. Ovanstående förutsätter dock att mina antaganden är korrekta, vilket mycket väl inte behöver vara fallet.

    Tack så mycket för komplimangen!

  4. Osunt skriver:

    Ok, beklagar slarvig läsning. Kapacitetsfaktorn är ju ett sätt att se på saken, men det säger ju inte så mycket om vilka kostnaderna för att producera energin kommer att vara, men eftersom det är en modellering som sträcker sig långt fram i tiden så är det svårt att göra relevanta kostnadsantaganden – det köper jag.
    Ett annat perspektiv som jag dock inte får ihop med ditt resonemang kring vindkraft är EROEI. Jag har sett att du också skrivit om EROEI tidigare, där du beskriver vindkraftens EROEI är ungefär i nivå med kärnkraft (även om det är svåruppskattat). Därför ser jag ur ett EROEI-perspektiv inget hinder i att expandera även vindkraften.
    Solkraften behöver utvecklas och kommersialiseras (med förhoppningsvis högre EROEI som följd) precis som geotermin. Alltså borde även solkraft gå att utöka, trots lägre kapacitetsfaktor.
    Huvudargumentet mot att lägga så stor vikt vid geotermi är att det är en alltför outforskad energikälla och att det låter lite som en alltför enkel lösning. Det finns en potential för geotermin och den skulle mycket väl kunna öka på det sätt som du modellerar, men det finns förmodligen många hinder på vägen för geotermi / möjligheter för sol och vind som gör att kartan kan se helt annorlunda ut.
    Det som jag tror att vi är överens om är att oavsett vilken fördelning av energislag det blir i en framtida energimix så kommer det att bli en oerhörd utmaning att förse världens befolkning med den nivå av energitillgång som vi har i västvärlden idag.

    • Johan skriver:

      Hej,

      om du med kostnader menar ekonomiska sådana har jag inte tagit någon hänsyn till detta överhuvudtaget. Som läget är idag verkar fossil-, kärn-, vind- och geotermisk kraft ha ungefär samma kostnadsbild sett över livscykeln och solenergi ungefär två till tre gånger så hög beroende på om det är solceller eller solvärme som avses. Observera dock att här avses enbart produktion av el:

      http://www.eia.gov/oiaf/aeo/electricity_generation.html

      När det gäller EROEI är de presenterade siffrorna först och främst inget som jag själv kommit fram till själv utan taget från andra källor. Analysen i det här inlägget är helt baserat på mina egna antaganden och inget annat. Då det är svårt att veta vilka randvillkor man valt vid de olika EROEI-analyserna blir det svårt att göra direkta jämförelser, i synnerhet med min analys. Men du har helt rätt, två energikällor med liknande EROEI bör kunna expanderas i liknande takt med avseende på producerad energi om inga andra hinder föreligger.

      Då jag antagit att resursbehovet per installerad effekt är detsamma för alla energikällor blir en naturlig följd att energikällor med låg kapacitetsfaktor blir lidande. Jag valde att basera analysen på detta antagande då expansionen i Frankrike rörde just kärnkraft och var väldigt omfattande. Om jag hade hänvisat till exempelvis expansionen av vindkraft i Kina hade det varit lättare för en skeptiker att hävda att det är omöjligt att hålla samma takt för exempelvis kärnkraft då den är mycket mer komplicerad. Nu har jag istället ”höjt” svårighetsgraden för alla kraftslag till kärnkraftens nivå enbart för att vara pessimistisk. Har man invändningar mot detta bör det precis som du säger vara att övriga kraftslag är eller bör vara lättare att expandera. Kanske är det så att vindkraft i realiteten är lättare att expandera per installerad effekt än exempelvis kärnkraft men jämförbart när det kommer till producerad energi per år. Återstår gör dock intermittensen och det eventuella behovet av energilagring vilket kanske tippar över fördelen till kärnkraft igen.

      Sammanfattningsvis kan man väl säga att jag egentligen är ointresserad av det inbördes förhållandet mellan energikällorna. Jag kunde lika gärna baserat analysen helt på kärnkraft vilket faktiskt är vad siffrorna motsvarar. Huvudsaken för mig att att tomrummet då de fossila bränslena försvinner kan fyllas, vilket jag anser att det kan.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *

Följande HTML-taggar och attribut är tillåtna: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>