”Kommer tillfälle ges att åka trådbuss?”

Postat den 18 november, 2011 av Johan

Bo Bylund och Ingemar Skogö, före detta generaldirektörer på Banverket respektive Vägverket, skriver i en debattartikel i SvD att Sverige bör satsa på en elektrifiering av våra vägar. Detta som ett led i vårt mål att vara fossilfritt till 2030. En debatt i det här ämnet förs också i Ny Teknik.

Konceptet går alltså ut på att installera kontaktledningar, liknande de för tågtrafiken, längs ett antal strategiskt utvalda vägavsnitt samt utrusta lastbilar, och även bussar, med strömavtagare och elmotorer för att på så sätt minska bruket av förbränningsmotorn till ett minimum. Det här är en välbeprövad teknik och även om så kallade trådbussar är på väg att försvinna idag finns fortfarande över 40000 fordon i drift världen över, exempelvis i Tallinn. En alternativ lösning är att förse fordonen med energi genom elektromagnetisk induktion vilket utprovas här och var. 

Bland alla galna idéer som florerar tycker jag faktiskt att det här är en av de bättre. Självklart är spårbunden trafik överlägsen elektrifierade vägar i form av kapacitet och effektivitet men lider dock av låg flexibilitet och höga initiala kostnader. Här kan man tänka sig elektrisk drift, åtminstone delvis, för många av de transporter som inte är möjliga att ersätta med tåg. Jag ser systemet med andra ord snarare som ett komplement till utbyggd tågtrafik än en ersättning.

Med tanke på oljeproduktionstoppen är en elektrifiering av våra transportsystem mer eller mindre en förutsättning för framtida transporter vare sig vi vill det eller inte. Frågan är hur detta skall ske. Rena elfordon och hybrider är en dellösning men lider fortfarande, i synnerhet när det gäller ren batteridrift, av prestandaproblem. Att tillföra energi utifrån är en möjlig lösning på problemet även om det kräver större infrastruktursatsningar. Skall alla godstransporter överföras till järnvägsnätet krävs dock betydande investeringar också där och det är möjligt att det visar sig vara billigare och effektivare att, som vid elektrifiering av vägar, använda sig av den befintliga infrastrukturen i form av vägnätet .

Det finns ett flertal forskningsprojekt igång som utreder detta med Trafikverket och Energimyndigheten som beställare. Bland annat är BAE System, Bombardier Transportation, Volvo och Scania inblandade. Vidare finns den här rapporten från Elforsk som är en kunskapssammanställning av statusen idag.

Tillägg:

Evert Andersson, professor emeritus i järnvägsteknik vid KTH, skriver i sin replik i SvD att han befarar att en satsning på elektriferade vägar riskerar att fördröja nödvändiga järnvägsinvesteringar. Med den syn på infrastruktur, energi och transport dagens politiker har är det ett rimligt antagande. Förr eller senare ramlar dock sannolikt polletten ner och man inser att ett fortsatt oljeberoende är en återvändsgränd. I det läget kvarstår faktum att alla godstransporter inte är möjliga att ersätta med spårtrafik, vare sig ekonomiskt eller praktiskt.

Publicerat i elbil, elfordon, peak oil, transport | Lämna en kommentar

Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta? (del 1 & 2 uppdaterade)

Postat den 17 november, 2011 av Johan

Uppdatering: Jag har uppdaterat och skrivit samman inläggen ”Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta” och ”Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta? – Fortsättning” till ett inlägg för tydlighetens skull. Vidare har jag gjort vissa förändringar i mina antaganden och infört diverse förklaringar som tidigare stått som tillägg.   

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 kol och gas, som idag är våra mest betydande energikällor näst efter oljan, också kommer att passera sina respektive toppar inom en överskådlig framtid. Är detta en omöjlig ekvation?

Jag har valt att titta på tre scenarier. Det första scenariot är ett lågenergifall där jag antar att det genomsnittliga energibehovet per capita globalt sett minskar med 10 % per tioårsperiod till dess det stabiliseras vid 40 GJ/år och person vilket inträffar vid 2070. Detta motsvarar drygt hälften av dagens genomsnittliga konsumtion och är för övrigt ungefär den nivå Kuba ligger på idag. I det andra 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 tredje 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 tre 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 (inte bara för konventionell olja utan för samtliga klasser) redan inträffat och att tillgången på energi från olja kommer att minska med 45 % per 10 år genom hela den analyserade tidsperioden, vilket motsvarar strax under 6 % per år. 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 förmodas inträffa. Därefter antar jag en fallande tillgång med 45 % per 10-årsperiod i likhet med oljan. För både kol och gas, och i viss mån även för olja, är detta ganska pessimistiska antaganden.

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 i befintliga anläggningar eller båda alternativen. Efter 2050 planar tillgången ut och ligger oförändrad under resten av den analyserade perioden. När det gäller vindkraft byggs denna ut så snabbt det är möjligt tills den utgör 10% av det totala energibehovet. Jag har antagit att denna andel är begränsande för intermittenta energikällor. Med tanke på att vindkraft enbart levererar elektrisk energi får ändå 10 % av den totala energibasen anses vara högt. I och med att energilagring enligt nedan i viss mån antas vara möjlig för solenergi, räknas denna inte som en rent intermittent energikälla i den här analysen och därför sätts ingen övre gräns. Biomassa, inklusive förbränning av avfall, 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 och inte heller här upphör expansionen vid någon specifik nivå utan fortsätter i högsta möjliga takt.

Livslängden för vindkraftverk har antagits vara 25 år vilket innebär att under varje tioårsperiod måste nästan hälften av det befintliga beståndet ersättas med nya verk. Solkraftverkens och de geotermiska kraftverkens livslängd har antagits vara 40 år. Kapacitetsfaktorn har antagits vara 0,3 för vindkraft, 0,5 för solvärmekraft och 0,95 för geotermisk energi. Siffran för solvärmekraft baseras på att den genomsnittliga solinstrålningen globalt sett är 250 W/m^2 vilket ungefär motsvarar en kapacitetsfaktor på 0,25 (om man antar att märkeffekten är baserad på 1000 W/m^2). Vidare har energilagring, exempelvis i smält salt antagits, vilket teoretiskt skulle kunna dubblera kapacitetsfaktorn. När det gäller utbyggnad av solkraften har det antagits att enbart solvärmekraftverk uppförs och inte anläggningar baserade på solceller. Anledningen till detta är att de förstnämnda kan leverera både elektricitet och värme samt har förutsättningar för åtminstone en viss energilagring, till skillnad från solcellsbaserade kraftverk.

Kärnkraften byggs vid behov ut kraftfullt tillsammans med ovanstående förnyelsebara energikällor och fyller glappen mellan tillgång och efterfrågan. Finns inte behovet antas en avveckling i lämplig takt. Livslängden för nya kärnkraftverk har antagits vara 60 år och kapacitetsfaktorn 0,9. De första 50 åren spelar det egentligen ingen roll om det är traditionella lättvattenreaktorer 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.

När det gäller sol- och vindkraft är dessa helt förnyelsebara energikällor och angående resursbasen för geotermisk energi har det redan konstaterats att den är tillräcklig för att på egen hand försörja världen i högenergiscenariot under betydligt längre tid än 4000år.

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 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, trots att den inleddes under en pågående oljekris och lågkonjunktur. 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 de andra 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 vindkraft, 112 EJ för 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 vindkraft, 224 EJ för solenergi och 425 EJ 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 vilket antagligen är ett pessimistiskt antagande. 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 i beräkningarna.

De EROEI-analyser jag gjort av kärn-, vind-, sol– och geotermisk kraft har visat att det ovan nämnda förhållandet mellan de fyra energikällorna är ganska realistiskt om man förutsätter att respektive energikälla ska bära sin egen expansion. Baserat på EROEI skulle dock vindkraft kunna expandera med ungefär halva takten jämfört med kärnkraft, men ovanstående siffror pekar på en något lägre takt. Undantaget är brid- och/eller toriumreaktorer som skulle kunna expandera dubbelt så snabbt som konventionell kärnkraft. Jag har dock inte tagit höjd för denna möjlighet här.

En invändning mot hela analysen skulle kunna vara att den ovan nämnda expansionstakten inte är realistisk. 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 fossileldade kraftstationer i drift världen över. Om man antar att de äldsta är 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 mitt scenario.

Resultatet av lågenergiscenariot illustreras nedan.

De fossila energikällornas andel av energiproduktionen har halverats vid 2040 men trots detta har tomrummet fyllts med alternativen. Det är i detta scenario inga svårigheter för vindkraften att nå upp till gränsvärdet 10 % vilket inträffar redan 2050, alltså efter 40 år av kontinuerlig expansion. Kärnkraften kan fasas ut över 60 år vilket skulle innebära att de kraftverk som uppförs idag blir de sista. För att fylla resterande behov delas produktionen lika mellan solenergi och geotermisk energi för att den intermittens som till viss del fortfarande finns hos den solbaserade produktionen inte skall ställa till problem för energisäkerheten. Det finns dock större potential för solenergi än vad som framgår av resultatet.

För normalenergiscenariot blir resultatet följande: 

Resultatet är egentligen mycket likt detsamma för lågenergiscenariot förutom att sol- och geotermisk energi är totalt dominerande. Även här finns utrymme för att ge solenergi en större andel men precis som i det föregående fallet har produktionen delats lika mellan de båda energislagen.

Resultatet av högenergiscenariot illustreras nedan: 

Det snabba bortfallet av de fossila energikällorna tillsammans med en kraftig ökning på behovssidan leder till att detta inte kan täckas utan en massiv satsning på kärnkraft då denna enligt mitt sätt att räkna är den energikälla som kan expanderas snabbast. Vindkraft får enbart resurser i ett kort initial skede och blir därmed en parentes i energihistorien. Anledningen till detta är att resurserna måste avsättas till kärnkraft och geotermisk energi. Det kan vara svårt att utläsa exakt ur diagrammet men vid analysperiodens slut står solenergi för 18 % av den totala energiproduktionen, geotermisk energi för drygt 34 % och kärnkraft för 42 %.

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.

Sammanfattningsvis ser det alltså ut att vara möjligt att kompensera bortfallet efter de fossila bränslena även om dessa samtliga avtar i tillgänglighet med en årlig takt av 6 % efter respektive produktionstopp.

Tillägg:

Ett alternativt sätt att ta fram en realistiskt expansiontakt och sammansättning av energikällor är att titta på EROEI. Genom att titta på hur fördelningen mellan olika energikällor ser ut idag och vilket EROEI dessa har kan man beräkna ett sorts globalt EROEI. Om man sedan väljer en expansion med en sammansättning och takt som håller det globala EROEI oförändrat eller låter det öka bör inte scenariot vara orealistiskt.

Det är intressant att notera att det endast är för högenergiscenariot ovan som det globala EROEI ökar då en stor del av energiproduktionen sker med hjälp av brid- och/eller toriumreaktorer med nära på oöverträffad energibalans. För låg- och mediumscenariot sjunker det globala värdet något då en betydande del av energiförörjningen tillgodoses av sol- och vind. 

Publicerat i energi, EROEI, EROI, förnyelsebar, Generation IV, geotermisk energi, intermittens, kärnkraft, kolkraft, Okategoriserade, olja, peak coal, peak gas, peak oil, solenergi, torium, uran, vattenkraft, vindkraft | 2 kommentarer

Riskpremie

Postat den 9 november, 2011 av Johan

Alla kärnkraftsmotståndare oavsett bakgrund framhåller de subventioner i form av statliga skadeståndsgarantier kärnkraften erhåller som förkastliga. De menar att om industrin skulle tvingas stå för premien att försäkra verksamheten upp till erforderliga belopp skulle energikällan inte längre vara ekonomiskt konkurrenskraftig. Med tanke på att världen i närtid bevittnat tre parallella härdsmältor vilkas omfattning och efterdyningar nu är överblickbara kanske en uppskattning av dessa kostnader är möjlig att göra.

Det japanska atomenergiorganet JAEC har gjort just detta och resultaten är högst intressanta. IAEA:s säkerhetsriktlinjer uppskattar tiden mellan två reaktorolyckor till 100000 reaktorår, vilket motsvarar knappt 230 år baserat på antalet operativa kärnreaktorer idag. JAEC har istället antagit tiden mellan olyckorna till 500 reaktorår, vilket numera är verkligheten för Japan, och baserat sina ekonomiska beräkningar på detta. För att ha råd med de kostnader energiföretagen ställs inför vid en olycka i form av skadestånd och avveckling skulle en riskpremie på mellan $0,01 och $0,02 per kWh behöva införas på elektricitet producerad i landets kärnreaktorer.

Detta motsvarar mellan 7 och 13 öre vilket kan jämföras med effektskatten i Sverige på 5,5 öre/kWh. Man skulle med andra ord kunna hävda att våra kärnkraftsoperatörer redan i dag till stor del betalar en erforderlig riskpremie. Även om man lägger till 13 öre till energibolagens kostnader för kärnkraftsproduktion (ca 25–35 öre/kWh) hamnar man under kostnaden för exempelvis vindkraftsel, om inte hänsyn tas till de subventioner den senare energiformen erhåller.

Idag är kärnkraftsproducerad el en av de billigare energikällorna i Japan med en kostnad på $0,07/kWh och även med ovan nämnda riskpremie skulle den inte bli nämnvärt dyrare än kol ($0,07/kWh) eller gas ($0,08/kWh) och vara fortsatt lägre än olja ($0,14/kWh) och vattenkraft ($0,16/kWh). Panelen som granskat kostnaderna noterar också att om kärnkraften skall belastas för detta bör också övriga energikällor få bära kostnaderna för respektive kraftslags miljö- och hälsopåverkan vilket inte sker idag.

Resultatet av undersökningen kommer med största sannolikhet ha stor betydelse när den japanska regeringen ritar upp riktlinjerna för landets framtida energiförsörjning.

Publicerat i ekonomi, elpriser, energi, foliehatt, Fukushima, kärnkraft, risker, vindkraft | Lämna en kommentar

Welcome to sunny Marocco

Postat den 7 november, 2011 av Johan

Den icke vinstdrivande organisationen Desertec Foundation har fått lite vind i sitt segel i och med den solfarm som skall byggas upp i Marocko under nästa år. Desertec Foundation är ett nätverk av forskare, politiker och ekonomer med det gemensamma målet att försöka försörja världen med förnyelsebar energi producerad där den är som mest tillgänglig. Detta innebär solenergi från världens ökenområden och vindenergi från nordliga och kustnära områden samt förbindelsen av dessa installationer med effektiva HVDC-nät.

Dii, Desertec industrial initiative, är ett industriellt konsortium bestående av jättar inom energibranschen såsom ABB, Siemens och E.On samt finansinstitut som Deutsche Bank och UniCredit med målet att förverkliga visionen som Desertec Foundation står bakom. Ett första steg i detta förverkligande sker alltså nu i och med uppförandet av en solvärmeanläggning på 500 MW i Marocko. Kraftverket som kommer uppta en yta på 12 kvadratkilometer är tänkt som ett referensprojekt för att övertyga beslutsfattare och investerare att Desertec inte är ett fantasiprojekt utan något som faktiskt kan komma att stå för en stor del av Europas energiförsörjning i framtiden. Målet är idag att en betydande del av MENA-ländernas energiförbrukning samt 15 % av Europas elproduktion skall tillgodoses på detta sätt 2050.

Tekniskt sett vill jag mena att konceptet Desertec förespråkar är fullt möjligt. Solenergin som går att utvinna i ökenområdena är betydligt mer stabil än solenergi från de norra delarna av Europa för att inte tala om energi från vindkraftverk. Problemet med utebliven energi nattetid finns fortfarande även om detta kan undvikas med hjälp av energilagring, exempelvis i smält salt. De skisser jag sett visar på ett flertal överföringar från Afrika till Europa vilket innebär en viss redundans om någon av dem skulle fallera.

Den stora svårigheten är den motvilja som idag sannolikt finns till att utlokalisera en stor del av EU:s energiproduktion till andra länder i allmänhet och Nordafrika och Mellanöstern i synnerhet. Energi är en strategisk resurs och gärna något man håller inom landets eller den politiska unionens gränser om det är möjligt. EU är redan idag är beroende av både Mellanöstern och Ryssland för sin olja- och gasförsörjning. Desertec skulle vara ännu ett steg i denna olyckliga utveckling. Vidare är en del i konceptet att länderna där produktionsanläggningarna faktiskt finns skall ha företräde till den producerade energi och enbart överskottet skall säljas vidare. Om befolkningen ökar i de aktuella länderna kommer samma sak hända med energibehovet, varpå ett eventuellt överskott snabbt minskar.

En möjlig fördel är dock att ett utökat samarbete med länderna i den här regionen skulle kunna underlätta deras strävan mot demokrati och säkra inkomster till befolkningen som inte är sammankopplat med utvinnandet av ändliga resurser och miljöförstöring. Vidare kan det skapa mängder av lokala arbetstillfällen vilket kan förbättra villkoren för invånarna i området. Detta förutsätter dock att projekten sköts på ett sätt som gynnar bägge parter.

Publicerat i decentraliserad energiproduktion, förnyelsebar, solenergi, vindkraft | Lämna en kommentar

Torium

Postat den 3 november, 2011 av Johan

Det har skrivits ganska mycket om torium både i svenska och utländska medier den senaste tiden, framförallt på grund av att den indiska satsningen på toriumreaktorer uppmärksammats. Med anledning av detta tänkte jag göra en kort sammanfattning av teknologin samt mina tankar kring den.

För att förklara på vilket sätt torium är användbart i energisammanhang får man gå tillbaka och titta på kärnkraftens bränslecykel. Det existerar endast ett klyvbart, fissilt, ämne i naturen i erforderliga mängder. Det är uranisotopen 235U som utgör ungefär 0,7 % av naturligt uran. Återstående 99,3 % utgörs av den icke klyvningsbara men fertila isotopen 238U. Att en isotop är fissil innebär att den med hjälp av en neutron kan klyvas i två lättare delar varvid stora mängder energi erhålls. Detta är själva principen bakom konventionell kärnkraft. Att en isotop är fertil innebär att den kan fånga upp en neutron och omvandlas till en fissil isotop. I fallet med 238U innebär detta att plutonium (239Pu) bildas vilket i sin tur kan klyvas varvid energi alstras.

Fördelen med att driva en reaktor med 238U istället för 235U är att mängden naturligt uran som krävs för att utvinna en given mängd energi drastiskt minskar och med det också mängden avfall. Dessutom slipper man den energikrävande anrikningsprocessen. Nackdelen är att betydande mängder plutonium måste hanteras vilket, förutom att det är långlivat radioaktivt, är huvudbeståndsdelen i kärnvapen. Vidare kräver omvandlingen av 238U till 239Pu ”snabba” neutroner med hög energi till skillnad från vanliga lättvattenreaktorer där ”långsamma”, termiska, neutroner används. Detta ställer särskilda krav på reaktordesignen.

Det finns dock ett tredje fissilt ämne, uranisotopen 233U. Denna existerar, precis som plutonium, inte naturligt utan erhålles genom att torium (232Th) fångar upp en neutron och omvandlas via 233Th och 233Pa (Protaktinium) till 233U.

Det finns många fördelar med att använda torium som källa till fissilt bränsle framför uran. En av dessa är att omvandlingen kan ske med hjälp av termiska neutroner vilket innebär att man slipper många av de svårigheter som är förknippade med snabba reaktorer. Vidare skapar en bränslecykel baserad på torium inga ämnen som är lämpliga för tillverkning av kärnvapen och det avfall som produceras i reaktorn är många gånger mer kortlivat än motsvarande från en konventionell lättvattenreaktor. Sist men inte minst är torium tre till fyra gånger vanligare i jordskorpan än uran. Detta tillsammans med att allt torium kan utnyttjas till skillnad från bråkdelen av en procent i fallet med 235U gör att bränsleresurserna blir enorma.

Allt är dock inte guld och gröna skogar, det finns nackdelar också med torium. En betydande sådan är att för att överhuvudtaget få igång processen måste en initial laddning fissilt bränsle redan vara på plats innan omvandlingen från torium till 233U kan ta vid. De alternativ som finns idag är att använda anrikat 235U eller plutonium från utbränt kärnbränsle från våra befintliga lättvattenreaktorer. Ytterligare ett problem är att det är svårare att producera bränslestavar av torium då dess sintringstemperatur är mycket hög. Sist men inte minst är 233U betydligt mer aktivt än 239Pu vilket gör det svårare att hantera.

Vissa av dessa negativa effekter kan dock mitigeras i en så kallad LFTR, Liquid Flouride Thorium Reactor. Reaktorn, som är en typ av MSR, håller bränslet upplöst i kylmediet vilket i sin tur består av smält salt. I och med detta försvinner behovet av bränsletillverkning. Dessutom hanteras det smälta bränslesaltet per definition i en avskärmad anläggning vilket gör att hanteringsproblematiken delvis försvinner. Det finns dock betydligt fler fördelar med en LFTR som kommer av den enkla anledningen att det är en MSR, bland annat den överlägsna säkerheten och effektiviteten.

För att producera 1 GW(e) förbränner en lättvattenreaktor 15–20 ton bränsle per år lite beroende på vilken reaktorgeneration man tittar på. Detta motsvarar mer än 150-200 ton naturligt uran som skall brytas och anrikas. Motsvarande siffra skulle vara under ett ton torium då i princip all energi går att utnyttja i en LFTR. Tittar man vidare på faktorer som EROEI skulle en LFTR hamna i samma storleksordning som den FBR jag räknat på tidigare, med den väsentliga skillnaden att bränsletillverkningen faller bort. Vidare är det rimligt att anta en högre effektivitet i en LFTR då den opererar vid en högre temperatur samt en högre kapacitetsfaktor då den inte behöver ställas av för byte av bränsle.

Som jag nämnt tidigare arbetar företaget Flibe Energy med att ta fram en liten, modulär LFTR.

Publicerat i Flibe Energy, kärnkraft, LFTR, torium | Lämna en kommentar

Syntetisk bensin

Postat den 3 november, 2011 av Johan

SR:s Klotet hade i dagarna ett reportage om att danska forskare tagit fram en bränslecell som med hjälp av vatten, koldioxid och elektrisk energi skapar syntetiskt bränsle. Tanken är att man skall utnyttja billig el under perioder då det finns ett överskott av vindenergi i landet och via bränslecellen lagra denna energi i det syntetiska bränslet. Forskarna hävdar att det syntetsiska bränslet kan konkurrera med vanlig bensin om råoljepriset överstiger 80 €/fat och om produktionen sker då det danska elpriset är lågt. En av upphovsmännen hoppas att det skall gå att tanka syntetisk bensin på danska mackar inom 5 till 10 år.

Det här är en fantastisk idé. Vad som vore intressant att veta mer om är effektiviteten i processen vilken troligtvis är ganska låg. Det är egentligen inget revolutionerande man har tagit fram då möjligheten att köra bränsleceller ”baklänges” och framställa vätgas har varit känt sedan länge. Däremot uppfattar jag det som att hela processen från vatten och koldioxid, via väte och kolmonoxid, till syngas eller syntetisk bensin skall ske integrerat vilket i sig kan vara en nyhet.

Jag har vid tidigare tillfällen skrivit att jag inte anser att det finns något sätt att storskaligt lagra överskottsenergi från vindkraft och jag står fast vid detta. Den enda skillnaden mot att lagra energin i form av väte är att den kringliggande infrastrukturen i detta fall inte behöver uppdateras, samma bilar och samma tankställen kan användas. Lite beroende på effektiviteten i processen kommer det dock behövas ett enormt antal vindkraftverk och bränslecellsanläggningar för att göra någon markant skillnad. Frågan är om det inte är billigare och effektivare att bygga ut och förbättra elnätet för att lättare fördela överskottsel till andra områden och länder istället för att satsa på den här typen av system. Jag lämnar frågan öppen.

Publicerat i energi, energilagring, förnyelsebar, vindkraft | Lämna en kommentar

Resursbrist

Postat den 31 oktober, 2011 av Johan

Lagom till världens befolkning når sju miljarder går The Guardian ut med en liten sammanfattning om vilka resursbrister vi har att se fram emot med en ständigt stigande befolkning (och annars också för den delen). Förutom stamgästerna fossila bränslen och jordartsmetaller dyker ett par andra besökare upp på listan också.

1. Vatten – Endast 2,5% av allt vatten på jorden är färskvatten. Detta verkar vid första anblicken ganska mycket men när man betänker att av detta är 70% bundet i is och snö minskar snabbt tillgången. Redan idag råder det brist på rent dricksvatten i många regioner och det är en situation som knappast kommer förbättras i och med ökande befolkning i just dessa områden.

Det finns i princip tre olika sätt att få tag i färskvatten. Att utnyttja vattnets kretslopp och tappa av en del för att täcka sina behov, exempelvis från floder, sjöar eller grundvattnet, är det vanligaste alternativet. Ofta finns dock inte några floder eller sjöar att tillgå och det ytliga grundvattnet räcker heller inte till. Då finns alternativet att borra efter fossilt vatten, det vill säga vatten som trängde ner i berggrunden för många miljoner år sedan och inte längre är en del av kretsloppet. Problemet med fossilt vatten är att det, precis som fossila bränslen, är en ändlig och ej förnyelsebar resurs. Man kan alltså betrakta utvinningen som en sorts gruvdrift av vatten. Förvisso förnyas vattnet förr eller senare men det är en process som tar mycket långt tid. Sist men inte minst finns möjligheten att avsalta havsvatten. Det här leder till en i princip obegränsad tillgång till färskvatten men kräver en yttre tillförsel av energi och naturligtvis råvaran havsvatten.

Sett ur ett energiperspektiv utgör dock vatten ett behov som går att lösa med en brute force approach. Har man bara en tillräcklig tillgång till billig, uthållig och ren energi utgör inte vattenbrist ett problem för framtiden, utom möjligtvis i ett fåtal avlägsna regioner.

2. Olja – Att olja redan idag är en bristvara är nog något som läsare av den här bloggen inte har undgått. Peak oil, åtminstone med avseende på konventionell olja, har med största sannolikhet redan inträffat och det finns enligt BP bara bekräftade resurser för knappt 50 års förbrukning kvar, förutsatt att denna håller samma nivå som idag.

I och med att olja är en ren energiråvara, med ett fåtal undantag, är det självklart också en produkt som går att ersätta på ett eller annat sätt. Den stora frågan är om det går att göra det tillräckligt snabbt då en utfasning av olja får enorma konsekvenser för transportsektorn där det är den totalt dominerande energikällan. En sak är dock säker, en värld utan olja kommer se mycket annorlunda ut än vår värld som vi känner den idag.

3. Gas – Naturgas är efter kol den största energikällan för elektricitets- och värmeproduktion i världen. I och med att gas framförallt används i stationära kraftverk är den betydligt lättare att ersätta än olja då enbart produktionsanläggningarna i sig måste ersättas och inte all infrastruktur. I länder som exempelvis Storbritannien där lokal uppvärmning med gas är vanlig krävs dock betydligt större förändringar. Den största utmaningen ligger dock i att peak gas antagligen inte är så långt borta.

Vidare används en betydande andel naturgas till att framställa ammoniak som är en av huvudbeståndsdelarna i konstgödsel. Det är dock fullt möjligt att framställa ammoniak på andra sätt, givet tillgång till energi naturligtvis.

4. Fosfor – Fosforproduktionstoppen är något jag ännu inte behandlat på blogget varför detta får ses som en liten introduktion. För att liv ska kunna existera krävs, förutom kol, syre och väte, ytterligare ett antal ämnen exempelvis kväve och fosfor. Fosfor, och då i form av fosfat, är en förutsättning för allt känt liv då det bland annat spelar en betydande roll i biologiska molekyler som DNA och RNA.

Som en del av den gröna revolutionen tillförs idag exempelvis fosfor i jordbruket på konstgjord väg för att maximera tillväxten hos grödorna.  Forsforn utvinns ur fosfatrika mineraler som tyvärr bara återfinns i ett fåtal länder vilka står för nästan all produktion. I takt med att jordens befolkning ökar gör också behovet av gödningsmedel detsamma och man uppskattar att fosforn räcker i 50 till 100 år om inte nya reserver upptäckts.

Skillnaden mellan fosfor och de övriga resurserna, som till största del är energikällor, är att fosforn inte går att ersätta. Liv förutsätter fosfor. Jag är ingen expert på jordbruk men föreställer mig att organiskt och ekologiskt sådant med ett ökat bruk av naturligt gödsel minskar vårt beroende av fosfatrika mineraler. Problemet är att naturligt jordbruk inte ger lika hög avkastning som det industriella jordbruket och därmed kräver större odlingsbara arealer, vilket redan idag är en bristvara. Med tillgång till billig och ren energi är dock konstbevattning av öknar och områden som idag inte är odlingsbara möjligt. Ytterligare ett sätt att minska behovet av ny fosfor är att sluta kretsloppet och återvinna en större del än man gör idag, vilket exempelvis kan genomföras genom att återanvända mänsklig avföring som gödsel. Detta skulle dessutom minska övergödningen av hav och vattendrag i och med mindre mängder nytt gödningsmedel tillförs kretsloppet.

5. Kol – Situationen för kol är i stora drag lik den för gas. De kända kolresurserna är dock betydligt större varför en utfasning inte är lika nära förestående. Kol är dock den smutsigaste energikällan och kanske den man borde fasa ut i första hand. Att ersätta kol som världens huvudsakliga energikälla kommer vara en betydande utmaning men med största sannolikhet lättare än att ersätta oljan.

6. Jordartsmetaller – Jag har tidigare tagit upp jordartsmetaller som en framtida bristvara och det är framförallt inom modern teknologi som solceller, batterier och elektroniska kretsar de används. Många av de lösningar på energiproblematiken som föreslås är istället beroende av den energikrävande utvinningen av dessa svåråtkomliga metaller.

De exakta resurserna är inte kända, men trots namnet råder det ingen egentlig brist på jordartsmetaller. Utvinningen har dock kommit igång i ett ganska sent skede och Kina är idag totalt dominerande med 97% av marknaden vilket i sig är ett problem. Även om jordartsmetaller är en ändlig resurs är det en resurs där tillgång på ren och billig energi skulle ha stor inverkan på möjligheterna att utvinna erforderliga mängder. Omfattande återvinning och/eller minskande behov är ett ännu bättre alternativ.

Sammanfattningsvis kan man väl säga att mänskligheten har några utmaningar framför sig. Hur man än vänder och vrider på det är det dock energiproblematiken som är och förblir det centrala då många av de övriga svårigheterna helt eller delvis kan lösas med god tillgång till ren, hållbar och billig energi.

Publicerat i energi, gas, kolkraft, olja, peak coal, peak gas, peak oil | Lämna en kommentar

Vindkraftens miljöpåverkan

Postat den 24 oktober, 2011 av Johan

Ett vanligt argument mot kärnkraft bland förespråkarna av förnyelsebara energikällor brukar vara de miljöproblem uranbrytning ger upphov till. Inte nog med att farliga kemikalier används, stora sår skapas också i naturen, åtminstone under gruvans aktiva tid.

För att få en uppfattning om vilka mängder det rör sig om kan det vara intressant att titta på några exempel. En modern lättvattenreaktor på 1 GW(e) kräver ungefär 15 ton bränsle per år vilket motsvarar i runda slängar 155 ton naturligt uran. Hur stora mängder malm som behöver brytas för att utvinna detta beror på urankoncentrationen i den aktuella gruvan. Tittar man istället på en LFTR skulle knappt ett ton torium behövas per år för att leverera samma mängd energi. I och med att torium inte behöver anrikas utan omvandlas i reaktorn till fissilt uran 233 är också mängden torium som behöver brytas knappt ett ton. På samma sätt gäller här att koncentrationen i malmen har betydelse för hur mycket malm som slutligen måste brytas i gruvan.

Nu är det dock så att vindkraften också kräver sitt av naturen. Först och främst kan det vara intressant att poängtera att materialåtgången per installerad effekt är betydligt större för förnyelsebara energikällor än för traditionella. Detta beror på att förnyelsebar energi med ytterst få undantag har väldigt låg energidensitet. Det går exempelvis åt ungefär dubbelt så mycket material (stål, betong etc) per installerad MW för vindkraft som för kärnkraft. Tittar man istället på materialåtgången per producerad kWh är motsvarande kvot nästan åtta. Redan detta anser jag detta vara en häpnadsväckande insikt eftersom myten att kärnkraft skulle vara materialintensivt är något dess motståndare ofta hänvisar till.

Vidare är trenden inom vindkraftsteknologin att generatorer med permanentmagneter i allt större omfattning ersätter traditionella generatorer. Detta för att hålla nere storlek och vikt på turbinhuset när effekten på vindkraftverken ökar. Det krävs ungefär 216 kg/MW av jordartsmetallen neodym för att tillverka dessa permanentmagneter. Neodym, och de andra jordartsmetallerna, utvinns under liknande former som både uran och torium. Samma giftiga kemikalier används och påverkan på naturen är densamma då de förekommer i likartade koncentrationer i jordskorpan. Faktum är att uran och torium är vanliga biprodukter vid utvinning av jordartsmetaller även om de i många fall inte förädlas och säljs utan förseglas i tunnor och grävs ned.

För att motsvara energiproduktionen i en kärnreaktor på 1 GW(e) krävs ungefär 1200 vindturbiner med effekten 3 MW. För att tillverka permanentmagneterna till dessa går det alltså åt nästan 800 ton neodym. Om man antar att livslängden på vindkraftverken är 25 år skulle det behöva brytas knappt 3900 ton uran för att täcka driften av lättvattenreaktorn under motsvarande period. Det är helt klart mer än för vindturbinerna, men ligger definitivt i samma storleksordning. Tittar man däremot på en LFTR så skulle det räcka med 20 ton för att driva reaktorn under de 25 åren.

Om det nu är så att materialåtgång och skador på naturen orsakat av detta är ett argument mot konventionell kärnkraft är det med andra ord ett lika starkt argument mot vindkraft. Är man miljövän borde det självklara valet vara att satsa på en reaktorteknologi med torium som bränsle.

Jag vill återigen poängtera att jag inte har något emot vindkraft. Det är dock viktigt att belysa sådana här detaljer då de personer och organisationer som bedriver kampanjer mot kärnkraft ofta väljer att ignorera dem. Det är inte bara tråkigt utan också farligt när ideologi och känslor får väga starkare än vetenskapliga fakta i energidebatten.

Tillägg 20120305: Idag skriver Mikael Höök och Hanna Vikström från Globala Energisystem på Uppsala Universitet om ovanstående problematik i en debattartikel i Ny Teknik.

Publicerat i foliehatt, förnyelsebar, kärnkraft, LFTR, vindkraft | 2 kommentarer

Flibe Energy

Postat den 11 oktober, 2011 av Johan

Apropå Vattenfalls utspel idag om att de öppnar upp för nya reaktorer kan det vara intressant att upplysa om alternativ till de idag dominerande lättvattenreaktorerna. Jag har under en tid följt bloggen Energy From Thorium som drivs av Kirk Sorensen, tillika grundare och chefstekniker vid Flibe Energy. Företagets mål är att utveckla och kommersialisera små modulära LFTR (liquid-fluoride thorium reactor) kraftverk.

LFTR är en variant av MSR där råvaran till bränslet uteslutande utgörs av torium 232 (232Th). Företaget har tagit sitt namn från uttrycket för det salt som bränslet avses lösas i, nämligen en blandning av litiumflourid (LiF) och berylliumflourid (BeF2) som ofta kallas F-Li-B, ”Flibe”. Förutom att torium är det huvudsakliga bränslet skiljer sig inte en LFTR avsevärt från någon annan typ av MSR.

Energy From Thorium är fullspäckad med information om kärnkraft i allmänhet och LFTR i synnerhet. Kirk behandlar dessutom en hel del intressanta frågor via sin blogg The Future of Energy hos Forbes. Även om inte LFTR är någon mirakelkur som löser alla våra problem i en handvändning har jag svårt att se någon annan realistisk lösning på världens energiproblematik i närtid. Det skulle i sådana fall vara geotermisk energi som jag vurmat för vid några tillfällen. Jag kan inte mer än önska Kirk lycka till med sina ansträngningar!

Publicerat i Flibe Energy, kärnkraft, LFTR, MSR, torium | 4 kommentarer

”Nya reaktorer kräver ett stabilt politiskt stöd”

Postat den 11 oktober, 2011 av Johan

Vattenfalls styrelseordförande Lars G Nordström och VD:n Øystein Løseth skriver i ett debattinlägg på DN att Vattenfall nu öppnar för ny kärnkraft.

Trots att vi sammantaget investerar totalt 50 miljarder kronor för att förlänga livstiden på reaktorerna måste dessa anläggningar ersättas förr eller senare. Nästan 80 procent av alla befintliga kärnkraftsreaktorer i Europa förväntas vara utfasade till år 2030. För att utfasningen av våra existerande reaktorer ska kunna ske på ett sätt som inte äventyrar balansen på den nordiska elmarknaden med turbulens och nya pristoppar som följd ska vi redan nu förbereda den situationen. Därför har Vattenfall inlett ett intensifierat analysarbete för att klargöra förutsättningarna för nya kärnkraftreaktorer i Sverige.

Nordström och Løseth identifierar beslutet att avveckla kärnkraften och den svenska politiken som en av anledningarna till de senaste årens dåliga tillgänglighet för våra reaktorer men ger även den egna organisationen en välbehövlig känga:

Även om det finns förklaringar till den bristande tillgängligheten i kärnkraften – som att det under lång tid fanns ett politiskt fastställt slutdatum för svensk kärnkraft – måste vi ändå konstatera att vi inte kan vara nöjda med hur Vattenfall som företag klarat dessa uppgraderingar. Förseningarna har varit icke acceptabla. Vattenfalls ledning är fast besluten att företaget ska prestera bättre framöver.

Sist men inte minst identifierar man några av grundförutsättningarna för att det överhuvudtaget skall vara aktuellt med uppförandet av någon ny reaktor:

För Vattenfall är det viktigt med gott lokalt stöd och stabila politiska förutsättningar för att det ska vara aktuellt med investeringar.

Det lokala stödet finns redan idag vid samtliga kärnkraftsorter, vilket enbart lämnar de politiska förutsättningarna som en öppen punkt. För att den här typen av investeringar skall vara intressanta är det en självklarhet att det måste finnas en bred politisk konsensus i frågan som inte förändras efter ett maktskifte i riksdagen. Det måste finnas en tydligare långsiktighet än så.

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...

Publicerat i kärnkraft, politik | Lämna en kommentar