EROEI – sammanfattning

Postat den 9 oktober, 2011 av Johan

För att återkoppla till min analys om eventuella ersättare till de fossila energikällorna kommer här en sammanställning av energibalansberäkningarna för kärnkraft, vindkraft, solenergi och geotermisk energi.

Gemensamt för dessa fyra beräkningar är att EROEI uttryckts som förhållandet mellan utvunnen elektrisk energi och åtgången total energi under uppförande, drift och avveckling av respektive anläggning. De data över total energiförbrukning i världen från IEA som den förstnämnda analysen bygger på tar dock hänsyn till den totala energi som erhålls från respektive energikälla. Tittar man exempelvis på olja är det inte den nyttoenergi som kan tas ut vid hjulet på en bil som listas utan det totala energiinnehållet i oljan. Differensen mellan dessa båda värden försvinner som förluster på vägen från oljekällan till hjulet på bilen och den faktiska mekaniska nyttan är bara en bråkdel av den totala energi som utvinns ur naturen.

För att kunna göra en rättvis jämförelse mellan energikällor måste därför också den totala värmen användas för att beräkna EROEI i mina energibalansberäkningar. Detta trots att bara en del av energin kommer till faktisk nytta. IEA gör på samma sätt för energikällor som bara producerar elektricitet via ”omvägen” över värme, exempelvis kärnkraft. För vind- och vattenkraft är det dock bara den elektriska energin som listas då ingen värme är inkluderad i denna energiframställning. Man kan ha åsikter om huruvida detta är en korrekt framställning då energikällor som oavkortat levererar högvärdig elektricitet till synes står för en alldeles för liten andel av det totala. Samtidigt måste man ha klart för sig att exempelvis spillvärme från ett kärnkraftverk är fullt möjligt att utnyttja till fjärrvärme och därför har ett tydligt värde, även om detta i verkligheten än så länge bara utnyttjas i ytterst liten omfattning.

Nedan följer EROEI beräknat på total erhållen värme från respektive energikälla, vindkraft undantaget då dessa data är baserade på erhållen elektrisk energi.

Kärnkraft

Vindkraft

Solenergi

Geotermisk energi

I och med att samtliga värden på EROEI presenteras som funktioner av någon styrande parameter är det svårt att hitta ett fast värde för att kunna jämföra energikällorna med varandra. När det gäller kärnkraft skulle ett genomsnitt mellan det optimistiska och det pessimistiska värdet kunna väljas vid urankoncentrationen 0,01% då det är osannolikt att denna kommer understigas. Gör man detta erhåller man ett EROEI på 39 för lättvattenreaktorn och 109 för bridreaktorn.

För vindkraft gäller idag att den genomsnittliga globala kapcitetsfaktorn är 25%. Man uppskattar att detta kommer att öka till 28% till 2015 och 30% till 2036 i takt med att den tekniska utvecklingen av vindturbiner. Väljer man 30% som en genomsnittlig kapacitetsfaktor landar man på ett EROEI på strax under 18. Samma resonemang kan föras för solenergin. Den genomsnittliga solinstrålningen globalt sett är ungefär 250 W/m^2 vilket skulle ge ett EROEI för temisk solkraft med energilagring på drygt 23.

När det gäller geotermisk energi är det lite svårare att avgöra vad som är ett rimligt borrdjup att välja som genomsnitt. I brist på annat har sex kilometers djup valts vilket resulterar i ett EROEI på ungefär 37. Jag har dock ingen som helst anledning att tro att detta skulle vara mer realistiskt än att välja fem eller åtta kilometers djup, det är inget annat än en vild gissning.

Om det vore så att energibalansen är den enda faktorn som avgör hur snabbt en expansion av olika energikällor kan genomföras skulle detta alltså innebära att ett energisystem baserad på lättvattenreaktorer och geotermiska kraftverk kan expandera ungefär lika snabbt. Baseras det istället på bridreaktorer skulle expansionen kunna gå mer än dubbelt så snabbt och baseras systemet på de förnyelsebara energikällorna vind- och solenergi skulle det gå med halva takten. Hela poängen är alltså att energikällorna ska bära sin egen expansion och inte kräva något energitillskott utifrån, annars blir hela resonemanget om energibalans och EROEI meningslöst. Observera dock att det här inte säger något om expansionstakten i sig utan bara om förhållandet de olika energikällorna emellan.

Nu är det dock så att energibalansen för respektive energikälla inte är det som avgör förutsättningarna för en expansion idag. Faktorer såsom kostnader, tillstånd och beslut, flaskhalsar hos underleverantörer och bemanning spelar naturligtvis störst roll. Det är nog snarare så att energibalansen är helt betydelselös då beslut att satsa på ett energislag eller ett annat uppenbarligen inte tar detta i beaktande överhuvudtaget. Satsningar på tjärsand och biobränslen som etanol är lysande exempel på detta. Ovanstående beräkningar är ett sätt att belysa vad som borde styra satsningar på energiproduktion i en tid då energi är på väg att bli en bristvara.

Publicerat i EROEI, EROI, peak coal, peak gas, peak oil | Lämna en kommentar

Kloka politiker?

Postat den 29 september, 2011 av Johan

Håkan Juholt kläckte i dagarna det första vettiga uttalande jag hört från någon politiker i energisammanhang:

Vi måste ge industrin långsiktiga spelregler genom att garantera ett elöverskott […] Vi behöver en ny överenskommelse som tryggar energitillgången och garanterar svensk industri el till konkurrenskraftiga priser. Det är vår uppgift och den måste vi lösa tillsammans över blockgränserna.

Kanske finns det hopp ändå? För inte så länge sedan beslutade dessutom den sittande regeringen att utreda hur avregleringen av elmarknaden på 90-talet har påverkat elpriset och utbudet. Inte en dag för sent.

Publicerat i elpriser, kärnkraft, politik | Lämna en kommentar

EROEI – geotermisk energi

Postat den 13 september, 2011 av Johan

I denna fjärde och sista del i serien av inlägg som behandlar energibalansen för energikällor som är potentiella ersättare till de sinande fossila bränslena behandlas geotermisk energi. I de tidigare delarna har kärnkraft, vindkraft och solenergi redan analyserats.

Jag har vid ett tidigare tillfälle skrivit om geotermisk energi på bloggen och har inte för avsikt att upprepa detta. Det är dock av stor vikt för förståelsen att man inser att den typ av geotermisk energi som avses här inte är av samma typ som utnyttjas exempelvis på Island där temperaturgradienten är brant och det finns befintliga akvifärer att utnyttja. Här avses istället så kallad EGS teknik (Enhanced Geothermal System) där man med hjälp av hydraulisk frakturering skapar artificiella akvifärer i berggrund som annars har för låg permeabilitet. Tekniken skapar förutsättningar för utvinning av geotermisk energi i stort sett vart som helst och begränsar inte som tidigare potentialen för energiformen till ett fåtal geografiska platser.

När det gäller kärnkraft har vi redan konstaterat att bränslereserverna är i stort sett outtömliga, åtminstone efter en övergång till bridteknologi. Då vind- och solenergi är helt och hållet förnyelsebara återstår bara att undersöka hur potentialen för geotermisk energi står sig. Den värme som utnyttjas i jordskorpan fylls hela tiden på av energi som alstras genom radioaktivt sönderfall och gravitationella effekter i jordens kärna. Förutsatt att det mänskliga nyttjandet är lägre än denna återuppbyggnad av värme är geotermisk energi definitivt att betrakta som hållbar även om den inte är förnyelsebar rent definitionsmässigt.

Om vi för ett ögonblick antar att vi extraherar energi ur jordskorpan snabbare än den återställs kan det vara intressant att se hur lång tid vi kan fortsätta med detta innan värmelagret tömts. Den termiska energi som finns lagrad mellan jordytan och ett djup på 10 km uppskattas globalt sett till 1,3E9 EJ, alltså närmare 800000 gånger det årliga globala behovet från mitt högenergiscenario. MIT anger i sin rapport The future of geothermal energy 2 % som en konservativ skattning av hur stor del av de tillgängliga geotermiska resurserna som är möjliga att utvinna I USA. Om vi antar en fjärdedel av detta värde globalt sett (då en del av resurserna finns under vatten och på andra oåtkomliga platser) skulle alltså de befintliga geotermiska resurserna ner till 10 km djup räcka till att försörja världen med energi i 4000 år även om energiförbrukningen per capita ökar till OECD genomsnittet 191 GJ/år. Sedan tillkommer givetvis den energi som kontinuerligt strömmar upp från jordens inre och hänsyn till detta skulle öka ovan nämnda siffra markant.

Nedanstående koefficienter har beräknats utifrån data i rapporten ”Life-Cycle Analysis Results of Geothermal Systems in Comparison to Other Power Systems” från Argonne National Laboratory.

Den installerade effekten på kraftverket har ingen betydelse för resultatet på analysen. Det har däremot kapacitetsfaktorn vilken antagits till 0,95 i likhet med i stort sett samtliga studier av geotermisk energi. Resultatet av analysen presenteras i form av EROEI som funktion av det borrdjup som krävs för att nå erforderlig temperatur i berggrunden. För att visa på betydelsen av höga temperaturer har jag tagit 150 samt 250 grader C som exempel och antagit en effektivitet vid omvandling från värme till elektricitet i en turbin på 0,11 respektive 0,16 för dessa temperaturer. Notera dock att temperaturerna avser temperaturen i berget och inte ångtemperaturen vid turbinens inlopp. Med andra ord avser effektiviteten hela systemets effektivitet. Livslängden på kraftverket har antagits vara 30 år vilket också är i linje med var källorna listar.

Här ser man att den magiska EROEI-gränsen på fem passeras vid fyra respektive åtta kilometers djup beroende på vilken temperatur berggrunden håller. Observera dock att gränsen för EROEI på fem för att ett industrialiserat samhälle skall kunna upprätthållas inte är någon absolut sanning utan mest något som florerar i peak oil-kretsar.

Nu är det dock så att utnyttjande av geotermisk energi enbart i syfte att framställa elektricitet knappast kommer bli aktuellt. Den enda anledningen till att det har analyserats här är för att en jämförelse skall kunna göras med de övriga energikällorna. Snarare är någon typ av kraftvärmeproduktion det naturliga valet då EGS-system kan göras små, modulära och placeras i närheten av det område de skall försörja. För tydlighetens skull inkluderar jag därför också en beräkning på ett geotermiskt kraftvärmeverk med en relativt blygsam effektivitet på 0,45. 

Föga oväntat är skillnaden drastisk och EROEI går aldrig under 10, inte ens vid tio km borrdjup. Med andra ord är inte bara geotermisk energi via EGS-system en flexibel, modulär och, om än inte förnyelsebar så åtminstone hållbar, energikälla med en enorm resursbas, den har också ett högt EROEI som endast överträffas av kärnkraft och då i synnerhet med bridteknologi.

Publicerat i EROEI, EROI, geotermisk energi | Lämna en kommentar

EROEI – solenergi

Postat den 28 augusti, 2011 av Johan

Uppdatering: I den första versionen av det här inlägget hade jag missuppfattat delar av innehållet i den livscykelanalys som använts som huvudsaklig referens till mina beräkningar. Detta har nu uppdaterats med nya data nedan som resultat.

Med detta inlägg fortsätter studien av energibalansen för de energislag som enligt mig är potentiella ersättare till de sinande fossila bränslena, nämligen vind-, sol-, geotermisk- och kärnkraft. I denna artikel har turen kommit till solenergi vilket är den energiform de flesta verkar sätta sitt hopp till när det gäller mitigeringen av riskerna i samband med den globala uppvärmningen och de fossila energikällornas produktionstopp.

Det finns flera möjliga sätt att utvinna energi ur solstrålning; antingen genom direkt omvandling till elektricitet med hjälp av solceller, genom att koka vatten till ånga med hjälp av koncentrerade solstrålar (termisk solkraft) eller genom att helt enkelt värma vatten till tillräckliga temperaturer för att exempelvis värma byggnader (solvärme). Av de ovanstående är det enbart termisk solkraft som omfattas av den följande analysen. Anledningen till detta är att solceller idag är betydligt dyrare och mer komplicerade att framställa än termiska solkraftsanläggningar. Den senare tekniken är dessutom förhållandevis effektiv då både elektricitet och värme kan erhållas samt möjlighet till energilagring finns.

Termisk solkraft, eller CSP (Concentrated Solar Power), är ett samlingsnamn för ett antal olika tekniker som kan användas för att koncentrera solenergi. De vanligaste anläggningarna idag består av parabolformade trågreflektorer som koncentrerar solenergin mot ett isolerat rör fyllt med vatten, olja eller smält salt. Värmen används sedan till att framställa ånga som driver en turbin alternativt används i någon industriell process eller till uppvärmning. Andra varianter är paraboler med direktanslutna Stirlingmotorer som producerar elektricitet eller så kallade soltorn där ett stort antal utspridda speglar i marknivå koncentrerar solenergin till en och samma punkt i ett centralt placerat torn. Fördelen med det senare är att hela den energiproducerande delen av anläggningen kan placeras på ett och samma ställe utan behov av rör, ledningar och pumpar som ansluter samtliga delar. I den här analysen har en anläggning baserad på trågreflektorer analyserats.

Solkraftsanläggningar skiljer sig från andra typer av energiproducerande anläggningar i och med att de är extremt platsspecifika, precis som vindkraftverk. Ett solkraftverk på 10 MW placerat i Sahara skiljer sig exempelvis markant i prestanda från ett kraftverk med samma effekt i Sverige. För att få en uppfattning om hur solinstrålningen varierar geografiskt kan denna karta vara av intresse. 

Här ser man att den genomsnittliga solinstrålningen i nordafrika ligger någonstans runt 220 W/m2 medan den i Stockholm inte är mer än 100 W/m2. Detta beror dels på att jordytan är mer vinkelrät mot den infallande solstrålningen desto närmare ekvatorn man kommer men också på unika lokala faktorer som väder. Lite förenklat behöver alltså ett termiskt solkraftverk som skall leverera samma mängd energi ungefär dubbelt så stor solfångande area, och därmed märkeffekt, i Stockholm som i Rabat. Det här kan man välja att se som ett problem eller en möjlighet, beroende på var i världen man vill bygga sitt kraftverk.

Ytterligare ett problem med solenergi är att den per definition inte finns att tillgå på natten. Man brukar säga att en yta på jorden placerad vinkelrätt mot solljuset mottar effekten 1000 W/m2 en molnfri dag när solen står som högst. Att differensen mellan detta värde och värdena ovan är så stor beror på att ingen effekt alls erhålles under nattetid.

För att minska effekterna av detta kan man använda sig av någon typ av energilagring i kraftverket. En lösning som är relativt vanlig är att lagra energin i smält salt i stora isolerade cisterner. Man kan dock inte lagra oändliga mängder utan motsvarande 4-10 timmars drift är normalt. Med andra ord för att kunna leverera energi under timmarna vid skymning då behovet vanligtvis är som högst alternativt hela natten. Det gäller dock att komma ihåg att om man har för avsikt att producera energi samtidigt som man lagrar en del inför natten måste den tillgängliga solfångararean ökas med motsvarande andel. Här pratar man om solmultipel, det vill säga förhållandet mellan infångad och producerad effekt i kraftverket. Om solfångarna har möjlighet att samla in dubbelt så mycket värme som kraftverket behöver för att leverera dess märkeffekt är solmultipeln 2. Resterande del kan då lagras till dess solen går ner eller i moln.

I analysen har ett kraftverk med energilagring och ett utan analyserats. Det har antagits att kraftverket med lagring har möjlighet att lagra energi i tillräcklig omfattning för att motsvara dagsproduktionen en molfri dag. Solmultipeln är alltså 2 och dubbelt så stor solfångande area krävs jämfört med kraftverket utan energilagring. En dylik energilagring skulle exempelvis kunna tillåta kraftverket att operera med full effekt in på eftermiddagen och kvällen när behovet är som störst samt en period på morgonen innan solen gått upp.

Följande koefficienter erhållna från “Life Cycle Assessment of a Parabolic Trough Concentrating Solar Power Plant and the Impacts of Key Design Alternative” har använts i analysen:

Det finns mycket få analyser av energibalansen i termiska solkraftverk att tillgå vilket är anledningen till det ensidiga underlaget. Detta är också en anledning till att inte lita blint på siffrorna.

Kraftverkets effekt är ointressant för den här analysen även om det i verkligheten gör en viss skillnad om man vill konstruera energilagring för ett kraftverk på 10 MW eller 100MW. Livslängden på anläggningen är dock avgörande och har antagits vara 40 år, alltså något högre än i den refererade studien ovan men i linje med vad många tillverkare anger. Vidare antas att anläggningen enbart genererar elektricitet, detta för att få ett värde som är jämförbart med de övriga analyserade energikällorna. Effektiviteten har antagits vara 0,35. Skulle det röra sig om ett kraftvärmeverk (CHP, Combined Heat and Power) som producerar både elektricitet och värme borde resultatet nedan åtminstone dubbleras.

Resultaten presenteras som funktion av genomsnittlig solinstrålning. För att erhålla motsvarande kapacitetsfaktor divideras instrålningen med 1000 W/m2. Det vill säga, ett kraftverk placerat på en ort med en genomsnittlig solinstrålning på 200 W/m2 kommer leverera energi med kapacitetsfaktorn 0,2 då märkeffekten för solenergianläggningar definieras utefter maxeffekten mitt på dagen. För anläggningen med energilagring kan kapacitetsfaktorn uppskattas genom att dessutom multiplicera med två, även om detta är en grov förenkling av verkligheten.

Som resultaten visar är skillnaden mellan ett kraftverk med och utan energilagring inte särskilt stor, i synnerhet inte i områden med låg solinstrålning. De stora fördelarna med energilagring är dock möjligheten att kunna leverera energi också på kvällar och nätter samt vid tillfälliga väderförsämringar. Även om analysen visat på ett lägre EROEI för alternativet med lagring hade detta ändå varit det mest fördelaktiga alternativet då anläggningen får en flexibilitet som åtminstone delvis liknar det hos ett konventionellt kraftverk.

Resultaten visar också hur beroende energibalansen är av kraftverkets placering. I Europa kommer det vara svårt att komma över ett EROEI på 5 vilket gör att man kan ställa sig tveksam till huruvida det skall satsas på solkraft för elproduktion här överhuvudtaget. Läget blir ett annat om det handlar om kraftvärme där verkningsgraden kan vara det dubbla vilket skulle ge ett EROEI på 5 eller mer vid en genomsnittlig solinstrålning på 100 W/m^2 .

Sammanfattningsvis är det här betydligt lägre värden än jag förväntat mig då jag sett påståenden om EROEI för termisk solkraft på 70 cirkulera på nätet. Samtidigt beror resultaten till stor del på vilka antaganden man gör om verkningsgraden i elproduktionen och kapacitetsfaktorn. Skulle exempelvis ett kraftvärmeverk med en verkningsgrad på 0,85 placeras i en öken med extremt gynnsamt väder så att energilagringen utnyttjas optimalt skulle man kunna uppnå ett EROEI på över 30.

Publicerat i EROEI, EROI, förnyelsebar, solenergi | Lämna en kommentar

EROEI – vindkraft

Postat den 20 augusti, 2011 av Johan

Med detta inlägg fortsätter studien av energibalansen för de energislag som enligt mig är potentiella ersättare till de sinande fossila bränslena, nämligen vind-, sol-, geotermisk- och kärnkraft. När det gäller vindkraften finns en relativt utbredd konsensus mellan de olika livscykelanalyser som gjorts. EROEI ligger någonstans runt 20 och många av de metastudier som finns tillgängliga reflekterar också detta. Med anledning av detta blir det här en förhållandevis okomplicerad övning.

De flesta studier är dock baserade på existerande vindkraftsparker eller konceptuella installationer där man har eller har antagit statiska värden på samtliga koefficienter. Något som vore intressant är att se hur energibalansen för ett vindkraftverk varierar med kapacitetsfaktorn, vilket är vad den analys jag gjort här visar.

Man kan dela upp energiåtgången för produktion av elektricitet i ett vindkraftverk i tre delar: konstruktion, drift och transporter. Här finns energibehovet för framställning av material med i posten konstruktion. Följande koefficienter för energibehov per installerad effekt har använts och är tagna från denna rapport från Sidneys Universitet, vilka i sin tur beräknat dem utifrån ett stort urval av befintliga studier.

Då beslutet att analysera energibalansen som funktion av kapacitetsfaktor tas, försvinner behovet av att analysera turbinens egenskaper och placering närmare. Kapacitetsfaktorn beror av en mängd variabler som tornhöjd, rotordiameter, vid vilken undre vindhastighet turbinen börjar arbeta samt vid vilken övre hastighet den kopplar ifrån för att inte tala om terrängen och den förväntade vindhastigheten på uppförandeplatsen. Dessa faktorer behöver nu med andra ord inte granskas i detalj. Det enda som egentligen är intressant att veta om turbinen i fråga är dess livslängd vilken antagits till 25 år. De flesta källor anger en livslängd mellan 20-25 år och här har alltså den övre gränsen valts. Det är rimligt att tro att de kraftverk som uppförs nu och i framtiden åtminstone kommer ligga närmare den övre gränsen än den lägre. Det är dessutom i första hand de rörliga delarna i maskinhuset som slits. Tornet och grunden skulle mycket väl kunna återanvändas i ett nytt kraftverk.

Resultatet av analysen är följande:

Detta verkar stämma ganska väl överens med de data som andra rapporter presenterar. För en landbaserad vindturbin ligger typiska uppmätta värden på kapacitetsfaktorn mellan 0,25 och 0,3 vilket ger ett EROEI mellan ungefär 15 och 18. Tittar man vidare på havsbaserade kraftverk kan kapacitetsfaktorn komma en bra bit över 0,4 och i extrema fall upp mot 0,5.

Ursprungligen var analysen tänkt att täcka både land- och havsbaserade vindturbiner men på grund av svårigheter att hitta källor som behandlar konstruktion och drift av dessa båda typer på samma sätt har detta frångåtts. Det verkar dock som att energiåtgången för de bägge typerna är relativt lika. Tvärt emot vad man kan tro ingår det en större mängd material i en landbaserad turbin då grunden till en sådan är avsevärt mycket större än motsvarande för en havsbaserad. Däremot utgör drift och transport en större andel när det kommer till havsbaserade anläggningar. I brist på bättre underlag skulle man därmed kunna anta att det totala energibehovet är ungefär detsamma för en land- som för en havsbaserad vindturbin. Det bör åtminstone vara i samma storleksordning.

Det kanske bör tilläggas att ingen form av energilagring är inkluderad i ovanstående analys av den enkla anledningen att jag inte anser storskalig energilagring vara trovärdig när det kommer till vindkraft. Analysen tar heller ingen höjd för den expansion av elnätet som krävs vid storskalig utbyggnad av vindkraft eller för eventuell reservkraft.

Publicerat i EROEI, EROI, vindkraft | Lämna en kommentar

EROEI – kärnkraft

Postat den 1 augusti, 2011 av Johan

En naturlig fortsättning på analysen om möjligheterna att ersätta de fossila bränslena är att titta närmare på energibalansen för de olika energislag jag ser framför mig som ersättare, nämligen sol-, vind-, geo- och kärnkraft. Först ut är kärnkraften som kanske också är den mest kontroversiella av de olika energikällorna.

De finns ett antal studier som tittar på energibalansen för ett kärnkraftverk. De flesta har några år på nacken och väldigt många gjordes på 70-talet. Två av de nyare är Nuclear power – the energy balance av Jan Willem Storm van Leeuwen och Life-Cycle Energy Balance and Greenhouse Gas Emissions of Nuclear Energy in Australia från Sidneys Universitet. En fördel med att utgå ifrån dessa studier är att de inte bara är nya utan också till stor del sammanfattar äldre gjorda utredningar.

Som många som är mer eller mindre insatta i ämnet kanske känner till är Storm van Leeuwens (SVL) slutsatser ytterst pessimistiska och rapporten har dessutom fått utstå en del kritik för detta, både från den akademiska världen och från kärnkraftindustrin. Det bör tilläggas att rapporten från SVL är beställd av de gröna partierna i Europaparlamentet vilka är uttalat kärnkraftskritiska och SVL själv är sekreterare i det tillväxtkritiska Club of Rome som också de är uttalade kärnkraftsmotståndare. I vanliga fall ska man inte behöva tvivla på sanningshalten i en rapport bara för att forskaren eller universitetet i fråga har anknytningar till någon godtycklig organisation, men nu förhåller det sig så att SVL inte är forskare vid något universitet utan arbetar via ett eget konsultföretag. Därmed inte sagt att allt i rapporten är felaktigt. Det finns en del tveksamheter i analysen från Sidneys Universitet också, men jag återkommer till dessa samt hur avgörande data i min analys skiljer sig från ovanstående källor. Jag är medveten om att jag som lekman sticker ut hakan väldigt långt när jag kritiserar de här rapporterna, i synnerhet Life-Cycle Energy Balance and Greenhouse Gas Emissions of Nuclear Energy in Australia (LCEB), men vissa antaganden som har gjorts är definitivt öppna för ifrågasättande. Att kalla dem felaktiga är kanske att gå för långt, men det beror lite på vad man har för avsikt med respektive analys. Jag återkommer till detta.

För att underlätta möjligheterna för läsare att jämföra med andra källor använder jag engelska benämningar fortsättningsvis. För att kunna analysera energibalansen i ett kärnkraftverk måste samtliga delar av systemet analyseras. Dessa är brytning av uranmalm (mining), framställning av yellowcake (milling), omvandling till urantetraflourid (conversion), anrikning (enrichment), bränsletillverkning (fuel fabrication), uppförande av kraftverk (construction), drift (operation), avveckling (decomissioning) och avfallshantering (waste storage and disposal).

Analysen har genomförts för två olika fall där det ena motsvarar konservativa värden och det andra optimistiska värden. Det är nämligen så att både SVL och Universitet i Sidney genomgående valt de mest pessimistiska värdena i deras analyser. SVL väljer dessutom att i ett antal fall göra egna beräkningar som skiljer mot all övrig litteratur med flera storleksordningar, givetvis till det konservativa hållet. Följande koefficienter har använts och motsvarande för SVL och LCEB finns också med som jämförelse.

När det gäller mining & milling är det inga större skillnader mellan använda data för de tre analyserna, undantaget de optimistiska data som ingår i denna analys. Bakgrunden till dessa är data från Rio Tintos gruva Rössing i Namibia. Rössing är en urangruva där utvinning sker framgångsrikt trots mycket låg uranhalt i malmen, under 0,03%. Det visar sig att om man applicerar SVL:s värden för Rössing så får man inte bara en energiförbrukning som är större än den som rapporteras för gruvan, man får en förbrukning som är större än den för hela Namibia. Det är mycket möjligt att Rio Tinto underskattar sin förbrukning, men att den skulle vara större än för hela landet är självklart orimligt. Slutsatsen av detta är att SVL:s värden inte är korrekta, åtminstone inte för malm med låg urankoncentration. När det gäller LCEB ignoreras också här Rössing, i likhet med gruvan Ranger i Australien, med motiveringen att det rör sig om extremvärden. Inga andra försök att förklara de låga energiförbrukningarna görs. Här har jag alltså valt att inkludera energiförbrukningen som rapporterats från Rössing som ett optimistiskt värde.

Tillägg: Det kan vara värt att notera att under 2012 gick energiförbrukningen för Rössing ner till 0,153 GJ/ton malm.

Ytterligare en faktor som måste beaktas är den andel uran av det totalt tillgängliga som är möjlig att utvinna, då denna koefficient tillsammans med koncentrationen avgör hur mycket malm som måste brytas för att erhålla en given mängd uran. Denna faktor benämns extraction rate eller yield i litteraturen. Faktorn är nära 1 vid höga koncentrationer uran i malmen och sjunker med minskande malmkvalitet. SVL introducerar i den första utgåvan av sin rapport en formel för yield som är baserad på en kombination av empiriska och teoretiska data:

Y = 0,980 – 0,0723log(g)2,

där g är urankoncentrationen i malmen uttryckt i procent. Denna formel ger en exponentiellt avtagande yield som passerar noll ungefär vid koncentrationen 0,0002 %. I den senaste utgåvan av SVL:s rapport går man dock ifrån denna formel och använder istället en som är helt baserad på empiriska data från existerande gruvor då man menar att teoretiska data inte är tillförlitliga. Den nya formeln är betydligt mer pessimistisk och antyder att ingen utvinning skulle vara möjlig under ca 0,01 %. Anledningen till att enbart teoretiska data existerar och att inga gruvor bryter uran vid dessa koncentrationer är att behovet inte uppkommit ännu. Det finns helt enkelt för mycket lättåtkomligt uran. Det bör tilläggas att de teoretiska värdena är baserade på laboratorieexperiment och finns för så låga urankoncentrationer som 0,0003 %, utvinning verkar alltså vara fullt möjlig, åtminstone i experiment.

Tillägg: Uranprospektering pågår idag på flera platser runt om i världen, däribland i Sverige. De två projekten Viken och Häggån utgör de största och tredje största kända outnyttjade uranresurserna i världen med 400000 respektive 100000 ton U. Vid Häggån förekommer uranet i alunskiffer tillsammans med brytningsbara koncentrationer av molybden, nickel, vanadin och zink. Det intressanta är dock att man rapporterat en yield vid konventionell urlakning med syra på 93% från Häggån trots att urankoncentrationen är så låg som 0,016 % eller 160 ppm. Enligt formeln ovan skulle skulle inte mer än 75% vara möjligt, vilket är ytterligare ett bevis på att SVL’s siffror är överdrivet pessimistiska. 

Enligt Uranium Blog har uranproducenten Macusani Yellowcake Inc uppnått en yield på 91 % för uran vid koncentrationen 0,0085 % eller 85 ppm. Enligt formeln ovan skulle inte mer än 67 % vara möjligt. Här handlar det alltså om fel på mer än 25 % och fel som blir allt större ju längre ner i urankoncentrationerna man kommer. Detta får givetvis stor inverkan på energibalansen för det totala systemet.

Vidare rapporterar prospektören Aura Energy att försök görs med biologisk urlakning där bakterier hjälper till att lösa och separera uranet ur värdmineralen. Gruvan Talvivaara i Finland planerar att utvinna uran ur skiffer med urankoncentration så låg som 15-20 ppm med hjälp av den här tekniken. Då kommer malmen utvinnas som biprodukt till nickel, zink, koppar och järn. Skulle processen vara så energiintensiv och ineffektiv som SVL hävdar skulle dylika försök givetvis inte ens övervägas. Formeln ovan kommer dock fortsättningsvis användas i brist på annan information och är med andra ord att betrakta som mycket pessimistisk för att inte säga direkt felaktig.

Ytterligare en anledning till att man väljer en ny formel är enligt SVL den så kallade mineralogiska barriären. Detta är ett koncept som innebär att metaller under en viss koncentration upphör att bilda egna mineraler och istället uppträder utspridda i värdmineralen, exempelvis granit. Detta innebär att de blir svårare och framförallt mer energikrävande att utvinna. SVL antar, med hänvisning till sina empiriska data, att den mineralogiska barriären för uran kan finnas någonstans vid just 0,01 %. Att så skulle vara fallet kan dock inte verifieras. I brist på annat har den ovanstående formeln använts i den här analysen precis som i LCEB, då den ger en energiförbrukning som stämmer väl överens med vad ett antal Australiensiska källor rapporterar.

Sist men inte minst kan det vara värt att notera att uran i mycket låga koncentrationer kan vara ekonomiskt och energimässigt fördelaktigt att utvinna om det göras tillsammans med andra metaller, som exempelvis tillsammans med koppar i gruvan Olympic Dam i Australien. Denna möjlighet tar inte SVL någon hänsyn till.

När det gäller enrichment kommer diskrepansen från att den här analysen förutsätter att all anrikning sker med centrifuger till skillnad från SVL och LCEB som antar en kombination av centrifugalanrikning och diffusion i enlighet med fördelningen i världen idag. Med tanke på att anrikning med centrifuger är många gånger effektivare och en storskalig expansion av kärnkraft i framtiden med all säkerhet skulle utnyttja detta faktum ser jag ingen anledning att ta hänsyn till förlegad teknik.

För konstruktionsfasen kommer de högre värdena som använts i den här analysen från LCEB och de optimistiska från den EPD (Environmental Product Declaration) som Vattenfall utfört för Forsmark. Det kan tilläggas att forskarna vid Sidneys Universitet använde en litteraturstudie som grund till värdena för konstruktion och att de mest konservativa siffrorna som noterades valdes. SVL använder sig av ett alternativt sätt att värdera energiåtgången vid stora infrastrukturprojekt vilket innebär en jämförelse via den ekonomiska kostnaden för projektet som sedan omvandlas till energiförbrukning. Detta tar dock inte hänsyn till att en stor del av kostnaden kan vara sådant som inte har någon inverkan på energikonsumtion, såsom räntor och löner. Vidare kan exempelvis en försening i ett infrastrukturprojekt medföra stora kostnadsökningar men det är inte alls säkert att detta medför någon ökad energiåtgång. I LCEB-rapporten förkastar man mycket riktigt SVL:s metodik.

När det gäller drift är värdena som använts här också de ifrån LCEB, både för det optimistiska och det pessimistiska scenariot. Värdena härrör från den litteraturstudie man gjort och de optimistiska är helt enkelt tagna från den nyaste studien medan man vid Sidneys Universitet valt en annan studie som grund. SVL har valt samma metodik som i konstruktionsfasen vilken vida överskattar energibehovet, vilket man också noterar i LCEB. Tillägg: De optimistiska värdena för drift har uppdaterats och nu används istället de data som presenteras av Vattenfalls EPD för Forsmark då driften är en fas med relativt stor inverkan på resultatet. Här kan man notera att Vattenfalls uppmätta energiåtgång under drift är en hundradel av SVL:s beräknade.

För avveckling av en kärnreaktor har man i LCEB valt att använda sig av kärnkraftsindustrins genomsnitt på ca 35 % av energiåtgången vid uppförandet, vilket också använts här. Även i denna fas använder sig SVL av den felaktiga metodik som beskrivits ovan varpå energiåtgången överskattas grovt. Det kan också nämnas att man i LCEB noterar att kostnaden för genomförda avvecklingar av kommersiella reaktorer i Tyskland kostat i storleksordningen 3-9 % av uppförandet.

Slutligen har samma värden för hantering och förvar av avfall använts i den här analysen som i LCEB. SVL presenterar data som ligger ungefär en faktor tio högre än värdena presenterade i den övriga litteraturen. Författaren kritiserar också vedertagna industristandarder och menar att ”ansvarsfull” hantering av radioaktivt avfall måste göras på ett mer energikrävande sätt, vilket är en av anledningarna till de högre siffrorna.

För att kunna slutföra analysen krävs en exempelreaktor. I denna analys har en reaktor med något skilda egenskaper från inläggen om kärnkraftens bränslecykel och möjligheterna att fasa ut oljan antagits. Dessa presenteras i tabellen nedan med värdena för SVL och LCEB för jämförelse.

 

 

 

 

 

Här kan det vara värt att notera att siffrorna i LCEB inte riktigt går ihop. Om man använder de tillgängliga siffrorna för att beräkna bränsleförbrukningen i deras referensreaktor hamnar man på 29,9 ton/år, men ovanstående är alltså vad man listat i sin sammanfattning. Vad denna diskrepans beror på är inte klart för mig. I ovanstående tabell framgår enbart det årliga uranbehovet och inte den mängd som krävs för att ladda reaktorn vid uppstart, vilket är ungefär fyra gånger de listade värdena. Detta är dock medtaget i respektive analys.

I tabellen ovan kan man se relativt stora skillnader mellan de värden som använts i denna analys jämfört med SVL och LCEB. Anledningen till detta är att de värden som använts här är tagna från produktspecifikationer från nya reaktormodeller medan de två andra utredningarna har använt sig av genomsnittliga värden från samtliga reaktorer som är i drift idag, det vill säga den stora majoriteten av underlaget representerar teknik från 70-talet. Detta är enligt mig totalt felaktigt. En storskalig expansion av kärnkraft i framtiden kommer att baseras på reaktorer av generation III, III+ och IV, inte modeller som har 40 år på nacken. Jag kan förstå bakgrunden att välja en låg kapacitetsfaktor då många länder inte kommer upp till nivåer runt 0,9, inklusive Sverige. Detta beror dock till stora delar på politiska och företagsmässiga brister och inte tekniska. Erfarenheter från exempelvis Finland visar på att om viljan att hålla reaktorerna i drift finns är det också fullt möjligt, trots att de använder samma reaktormodeller som vi i Sverige. En kapacitetsfaktor på 0,9 eller högre är med andra ord högst realistiskt.

Att vidare använda en effektivitet vid omvandling från termisk effekt till elektrisk på 0,3-0,32 är också pessimistiskt. De reaktorer som är i drift idag ligger runt eller över dessa värden och exempelvis Arevas EPR listar värden på 0,36-0,37. Går man längre och tar till vara på en del av kylvattnet till exempelvis fjärrvärme ökar givetvis effektiviteten betydligt. När det gäller utnyttjandegraden av bränslet har detta också ökat på senare tid varför värden på 42-45 GWd/MTIHM (Giga Watt days per Metric Tonne Initial Heavy Metal) är att betrakta som lågt, då många idag opererar på och runt 50. I våra svenska reaktorer har exempelvis värdet gått från 23 på 70-talet till 53 idag. Areva listar 55-65 GWd/MTIHM som typiskt för sin EPR med ett maximum över 70 (!) och Westinghouse anger 60 för AP1000. Sammanfattningsvis, vid en analys av kärnkraftens potential i framtiden bör alltså aktuella egenskaper tas i beaktande och inte ett genomsnitt för de gångna 40 åren. Är dock syftet med analysen att undersöka kärnkraftens energibalans historiskt sett och upp till idag är de antaganden SVL och Sidneys Universitet gjort bättre lämpade.

När det gäller produktion av avfall har samma värden som i LCEB antagits. Förutom det utbrända bränslet antas att 13 ton högaktivt avfall produceras varje år och vid avveckling antas att 10000 ton medel- och lågaktivt avfall uppkommer. Dessa siffror divideras dock med reaktorns livslängd för att få mängden avfall per år.

Samtliga delfaser i analysen ger en icke varierande energiåtgång per år med undantag för mining & milling, då dessa varierar med koncentrationen av uran i malmen. Resultaten av analysen presenteras därför som EROEI, med avseende på genererad elektrisk energi, som funktion av urankoncentration för de optimistiska respektive pessimistiska koefficienterna. Om den termiska energin används för att beräkna EROEI istället skulle värdena ungefär tredubblas. Observera den pseudologaritmiska x-axeln.

Om man antar att ett samhälle kräver ett EROEI på 5 för att upprätthållas skulle detta alltså innebära att gränsen för kärnkraft som alternativ går vid urankoncentrationer på mellan 0,015 och 0,0015 %. Med tanke på de enorma reserver som existerar mellan 0,01 och 0,02 % bör urantillgångar inte utgöra något problem inom överskådlig framtid.

Tvekar man på uppgifterna om de uppskattade tillgångarna kan man dock helgardera sig genom att titta vidare på bridreaktorer. Nedanstående koefficienter har antagits:

Den första skillnaden mot tidigare koefficienter är att behovet av anrikning försvinner då bridreaktorn opererar på naturligt uran och inte anrikat. Det krävs dock uran med hög anrikning eller plutonium för att starta processen. Då anrikningsgraden är betydligt högre än för lättvattenreaktorn (20 % mot 4,5 %) innebär detta att antalet SWU (Separative Work Units) per ton anrikat bränsle ungefär femdubblas. Detta är medtaget i analysen även om befintligt plutonium i första hand skulle användas till att starta en expansion av bridreaktorer i verkligheten. Då reaktorn startats skapar den nytt Pu från det naturliga uranet i samma takt som den förbränner laddat Pu.

Vidare har det antagits att energiåtgången vid konstruktion och drift av en bridreaktor är 50 % högre än vid motsvarande för en lättvattenreaktor. Tittar man på de analyser som gjorts är det dock inte självklart att skillnaderna är så stora. LCEB listar analyser som gjorts där det skiljer 24 % från en lättvattenreaktor till en bridreaktor. En av anledningarna till de relativt små skillnaderna kan vara att behovet av en höghållfast reaktortank försvinner då de flesta bridreaktorer opererar nära atmosfärstryck. Vidare är en bridreaktor oerhört kompakt i förhållande till en lättvattenreaktor varpå den volym som måste inneslutas drastiskt minskar och med den energiåtgången. Kostnaderna är däremot antagligen högre. Det verkar snarare vara tungvattenreaktorer (CANDU) som är mest energimässigt kostsamma att uppföra, antagligen på grund av att en stor mängd tungt vatten måste framställas vilket är ytterst energikrävande.

När det gäller reprocessing, upparbetning av bestrålat 238U för att erhålla Pu, har ovanstående siffra i brist på bättre underlag tagits från LCEB. Värdets som anges är motsvarande för separation av Pu ur lättvattenreaktorbränsle vilket torde vara betydligt mer energikrävande då större volymer bränsle med betydligt lägre koncentration Pu måste hanteras. Det bör alltså vara ett pessimistiskt antagande. Vidare antas att enbart Pu återanvänts och inget uran, vilket innebär att allt naturligt uran måste brytas i en gruva. Med tanke på de enorma lager utarmat uran (238U) som existerar är detta också ett pessimistiskt antagande, åtminstone under de första århundradena av bridreaktordrift.

Med ovanstående koefficienter har följande exempelreaktor har analyserats:

 

 

 

 

 

Med tanke på den höga arbetstemperatur som dagens bridreaktorer opererar vid har en effektivitet på 0,45 antagits. En något lägre kapacitetsfaktor har dock antagits och huruvida det är realistiskt att anta en livslängd på 60 är något tveksamt. Resultaten är följande:

Här ser man att det pessimistiska värdet är något lägre än för lättvattenreaktorn vid höga urankoncentrationer på grund av de högre energibehoven vid konstruktion och drift. Detta kompenseras dock vid lägre koncentrationer med att bridreaktorn har ett betydligt lägre behov av naturligt uran, med tanke på att den utnyttjar energin i uranet 50-60 gånger mer effektivt än en lättvattenreaktor. Om man fortfarande antar att ett EROEI på 5 utgör gränsen för vad ett samhälle kräver av sin energiförsörjning ser man att uranbrytning ner till så låga koncentrationer som i fosfater och granit kan vara möjlig ur energisynpunkt. Resurserna i intervallet 0,01 – 0,02 % är dock så stora att detta sannolikt aldrig kommer vara nödvändigt och i detta intervall ligger EROEI på ett betryggande värde mellan ungefär 11 och 88. Värt att notera är också att resultaten för bridreaktorn torde ligga i ungefär samma storleksordning som för en MSR med torium som bränsle.

Publicerat i EROEI, EROI, kärnavfall | 1 kommentar

Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta? – Fortsättning

Postat den 20 juli, 2011 av Johan

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

Nedan följer en fortsättning på föregående inlägg om oljeproduktionstoppen och huruvida det är möjligt att ersätta de idag dominerande fossila bränslena tillräckligt snabbt. I detta inlägg tillkommer tre nya scenarier där samtliga har den gemensamma nämnaren att tillgången på fossila bränslen minskar avsevärt mycket snabbare än i de två tidigare analyserna. I föregående inlägg minskade tillgången på olja, kol och gas med 20 % per tioårsperiod efter det att respektive bränsle passerat sin produktionstopp. Detta motsvarar ett årligt bortfall på 2,2 % vilket kan anses vara lågt räknat med tanke på hur snabbt produktionen från befintliga oljefält minskar. Å andra sidan förutsätter det ett omedelbart globalt bortfall från och med 2010 vilket än så länge inte kunnat observeras. Analyserna i detta inlägg tar höjd för ett globalt bortfall efter respektive produktionstopp på 45 % per tioårsperiod vilket motsvarar nästan 6 % per år.

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. Det andra och tredje scenariot är normalfallet och högenergifallet från föregående inlägg där energikonsumtionen håller sig på dagens nivå per capita respektive ökar till OECD-genomsnittet 191 GJ/capita över analysperioden. Energikonsumtionen för de tre scenarierna illustreras nedan.

Utbyggnaden av energiproducerande alternativ sker enligt halva expansionstakten (se föregående inlägg för förklaring) i lågenergiscenariot och med full takt i normal- och högenergifallen. Villkoren för respektive alternativ är också de desamma som i det föregående inlägget.

Något som jag inte tog upp tidigare men som kan vara värt att nämna är prioriteringsordningen bland de olika alternativen. Utbyggnaden av vattenkraft och biobränslen är små relativt sett expansionen av övriga energislag och förutsätts kunna ske parallellt utan att detta kräver alltför stora resurser. Bland de övriga prioriteras vindkraften högst och resurser avsätts för att detta kraftslag tillsammans med solkraften skall kunna nå upp till de 20 % av det totala energibehovet som antagits vara gräns för intermittenta energikällor. Visar det sig att behovet inte täcks av kombinationen av dessa startar en expansion av geotermisk energi parallellt då denna kan ske snabbare än motsvarande expansion för de intermittenta energikällorna på grund av det senare energislagets högre kapacitetsfaktor.

Om ovan nämnda trio kan matcha energibehovet inleds en successiv utfasning av kärnkraften. Om motsatsen är fallet startar en expansion av kärnkraften parallellt för att matcha behovet. Visar det sig att inte heller detta är tillräckligt måste resurser tas från det kraftslag som har svårast att expandera snabbt, vilket med de antaganden som gjorts i denna analys är vindkraften. Detta på grund av anläggningarnas korta livslängd och låga kapacitetsfaktor. Är heller inte denna omprioritering tillräckligt får resurserna som avsatts till solenergin stryka på foten varpå all energi läggs på att expandera den geotermiska energin med högsta möjliga takt och låta kärnkraften fylla glappet mellan tillgång och efterfrågan.

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 de intermittenta energikällorna att nå upp till gränsvärdet 20 % vilket inträffar redan 2030, alltså efter 20 år av kontinuerlig expansion i maximal takt. Kärnkraften kan fasas ut över 60 år vilket skulle innebära att de kraftverk som uppförs idag blir de sista.

För normalenergiscenariot blir resultatet följande:

Resultatet är egentligen mycket likt detsamma för lågenergiscenariot förutom att den geotermiska energins andel är totalt dominerande. Anledningen till att motsvarande inte var möjligt för motsvarande scenario i den första delen av inlägget var att expansionstakten där var halverad till skillnad från här. Vore takten densamma skulle det med stor sannolikhet vara svårt att få det att gå ihop utan att vara tvungen att minska resurserna till vind- och eller solkraftsanläggningarna.

För högenergiscenariot ser dock bilden drastiskt annorlunda ut:

Det snabba bortfallet av de fossila energikällorna leder till att behovet inte kan täckas utan en massiv satsning på kärnkraft då denna enligt mitt sätt att räkna är den energikälla som kan expanderas snabbast. Vind- och solenergi får inga resurser och ligger därför kvar på dagens mycket låga nivåer. Det kan vara svårt att utläsa exakt ur diagrammet men vid analysperiodens slut står den geotermiska energin för drygt 51 % av den totala energiproduktionen och kärnkraft för drygt 42 %.

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.

Publicerat i effektivisering, energi, intermittens, kärnkraft, peak coal, peak gas, peak oil, solenergi, vindkraft | Lämna en kommentar

Peak Oil del 10 – Går oljan att ersätta?

Postat den 18 juli, 2011 av Johan

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.

Publicerat i energi, geotermisk energi, kärnkraft, peak coal, peak gas, peak oil | 6 kommentarer

Verklighetsförankring?

Postat den 5 juli, 2011 av Johan

Återigen sticker Miljöpartiets Lise Nordin ut hakan och sågar kärnkraften, denna gång i SvD Opinion. Hon har egentligen två argument som hon baserar sitt debattinlägg på. Det ena att uppförandet av en ny reaktor i Sverige skulle vara en företagsmässigt dåligt idé då Vattenfall dragit sig ur Industrikraft och det andra att Sverige står inför ett överskott på elektricitet 2020 och att någon efterfrågan på kärnkraftsel inte kommer att finnas med anledning av detta.

Motiveringen till att Vattenfall lämnat samarbetet beskrivs som ”att man inte hittat de rätta kommersiella villkoren” vilket Nordin tolkar som Vattenfall anser att man inte kan tjäna pengar på ny kärnkraft. I det här fallet handlar det nog snarare om att Vattenfall hellre säljer elen dyrt till den energiintensiva industrin istället för att hjälpa dem producera den till självkostnadspris enligt den finska modellen. Detta faktum torde vara uppenbart för en energipolitisk talesperson från ett av riksdagens största partier. Den största risken en kärnkraftsoperatör utsätts för idag står dock politikerna själva för. Vem är villig att investera mångmiljardbelopp i en teknologi som  klåfingriga politiker kan lägga ner i en handviftning? Nordin kanske ska tänka över sin egen roll i ekvationen.

Sen kommer vi till det påstådda elöverskott som väntar vårt land. Om man läser Energimyndighetens rapport ser man att anledning till det förväntade överskottet är att utbyggnaden av elproduktionen förväntas öka snabbare än ökningen av elanvändningen. Den ökande produktionen beräknas till 17 TWh över den analyserade perioden fram till 2020. Räknar man med en linjär ökning från de 155 TWh som producerades 2005, som är startpunkt i rapporten, till 2010 innebär det att vi skulle haft en elproduktion på nästan 161 TWh förra året. Hade vi det? Nej, den faktiska produktionen var 144,5 TWh, trots att det var en mycket kall vinter. Tvärt om behövde vi importera el under det föregående året för att täcka våra behov. Man kan alltså fråga sig hur mycket tillit man skall lägga till Energimyndighetens rapport.

Nordin frågar sig varför inte regeringens energipolitik reviderats av den ”omställning som sker runt om i världen” med anledning av Fukushima och Tysklands avvecklingsbeslut. Varför skulle de göra det? Om någon hoppar från en klippa, följer du automatiskt efter då? Att Japan skulle övergett alla planer på att bygga ut kärnkraften är också tämligen överdrivna. Om man nu ska prata om situationen i världen kanske Nordin borde nämna att det i Kina i skrivande stund finns 26 reaktorer under uppbyggnad och ytterligare 52 planerade. Hur fransmännen ser på kärnkraften är också något som hon glömmer att nämna.

Sist men inte minst kan man fråga sig hur mycket elen vi med stor sannolikhet kommer bli tvingade att importera i framtiden kommer att kosta. Oljeproduktionstoppen har redan inträffat och motsvarande topp för gas står runt hörnet och har redan inträffat i många Europeiska länder. I takt med att tyskland avvecklar sin kärnkraft kommer landets behov av gas och kol att öka och därmed priset på dessa råvaror för övriga Europa. Det finns bara ett håll för priset på energi att gå och det är uppåt. Frankrike har sedan många år en överkapacitet av kärnkraft och det är som jag nämnt flera gånger tidigare anledningen till landets låga elpriser.

Energi är på väg att bli en bristvara och att slänga bort en av de fördelar Sverige har gentemot stora delar av världen är vansinne. Om vi mot förmodan skulle stå med ett elöverskott om tio år ser jag inga som helt problem med det. Jag har tvärt om svårt att tänka mig en bättre strategisk resurs och en säkrare inkomstkälla. Dessutom skulle varje kWh el vi säljer till exempelvis Tyskland och Danmark medverka till att reducera koldioxidutsläppen från ländernas smutsiga kolkraft. Men det är klart, Miljöpartiet kan ju inte acceptera sig att Sverige blir en ”kärnkraftspark”.

Publicerat i elpriser, energi, foliehatt, kärnkraft, Tyskland | Lämna en kommentar

Proportioner

Postat den 29 juni, 2011 av Johan

Den senaste tiden har det blivit lite väl mycket kärnkraftslobbyism på bloggen, men det är svårt att hålla sig när man läser vad vissa hårdnackade motståndare häver ur sig. Greenpeace är som bekant en organisation som bestämt motsätter sig bruket av kärnkraft och går väldigt långt för att utmåla energislaget som det värsta människan lyckats uppringa. Jag har personligen inget annat emot Greenpeace än deras syn på energiförsörjning och tycker att det är en organisation som gör mycket gott inom andra områden.

Greenpeace hävdar i en rapport att antalet dödsfall orsakat av Tjernobylolyckan överstiger 200000 och menar med anledning av detta att kärnkraft en förkastlig energiform. Jag tror att det här är en enormt uppblåst siffra då WHO kommit fram till att ett femtiotal ur personalen dog samt ytterligare i storleksordningen 4000 personer av cancer under de efterföljande årtiondena. Man beräknar att ytterligare 5000 kan komma att dö av cancer men att dessa inte direkt kommer kunna kopplas till Tjernobyl. Greenpeace hävdar att WHO går IAEA:s ärenden och därmed mörkar dödsfall och jag hävdar samtidigt att Greenpeace medveten målar upp en mörk bild då det passar deras egen agenda.

Låt oss för ett ögonblick anta att rapporten som Greenpeace tagit fram är korrekt och att i storleksordningen 200000 personer dog som ett resultat av Tjernobylolyckan. Rapporten släpptes 2006 och slår man ut dödsfallen över de år som förflutit landar man på drygt 10000 personer/år. Hur står det i relation till andra ”normala” dödssiffror?

Enligt SCB dör årligen drygt 90000 svenskar av varierande orsaker. Sett i det sammanhanget är med andra ord 10000 per år en ganska stor siffra. Å andra sidan är Sverige ett litet land. I hela EU27-området dör årligen drygt fem miljoner människor varav 100000 uppskattas vara ett resultat av undermålig boendestandard (!). Slutligen skriver SvD idag om något som fick mig att höja på ögonbrynen och faktiskt också skriva det här inlägget. I Indien dör 126000 människor. I trafikolyckor. Varje år.

Om oron över spillda människoliv är drivkraften bakom Greenpeace ansträngningar borde väl förändringar av trafiksäkerheten i Indien eller boendesituationen i Europa ha avsevärt mycket högre prioritet än avvecklandet av civil kärnkraft i världen? Tyvärr tror jag att drivkraften är ideologiskt betingad snarare än vetenskapligt, eller ens statistiskt, underbyggd varför organisationens ansträngningar både blir missriktade och kontraproduktiva. Men det är ju aldrig för sent att ändra sig.

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...

Publicerat i foliehatt, Greenpeace, kärnkraft, risker, Tjernobyl | Lämna en kommentar