Energia ja kemianteollisuus Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö

Transkriptio

1 Energia ja kemianteollisuus Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö BJ90A1000 Luonnonvarat ja niiden prosessointi kemian- ja energiateollisuudessa Kimmo Klemola ja Teknillisen kemian laboratorio Lappeenrannan teknillinen yliopisto Lähteet: BP Statistical Review of World Energy, June 2011 BP Amoco Statistical Review of World Energy, June 2000 Weissermel and Arpe, Industrial Organic Chemistry ASPO Association for the study of peak oil Farrell and Brandt, Risks of the oil transition Ja muita 1 Yhden ihmisen koko elämän energiankulutus laskettuna raakaöljyksi 2 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 1

2 Yhden ihmisen koko elämän energiankulutus laskettuna puun energiaksi puumäärä joka saadaan avohakkaamalla metsää 0,7 hehtaaria 5 hehtaaria 20 hehtaaria 30 hehtaaria 3 Ilmastonmuutos 4 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 2

3 Hiilidioksidipäästöt henkeä kohti vuodessa Tonnia CO2 asukasta kohti USA Saksa Suomi Kenia Intia Kiina 5 Raaka-ainevarojen teoreettinen potentiaali korvaamaan raakaöljyä tieliikenteessä, miljardia öljybarrelia = 387 vuodeksi Raakaöljy Öljyhiekka Öljyliuske Maakaasu Kivihiili Turve Puut ja sadot Vuonna 2006 raakaöljynkulutus oli noin 31 miljardia barrelia. 6 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 3

4 Raaka-ainevarojen teoreettinen potentiaali nostaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta Raakaöljy Öljyhiekka Öljyliuske Maakaasu Kivihiili Turve Puut ja sadot Vuonna 2006 ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli 385 ppm. 7 Eri raaka-aineista voidaan valmistaa samoja liikenteen polttoaineita Kivihiili Öljyhiekka Maakaasu Biomassa Bensiini Diesel Vety Metanoli Dimetyylieetteri Sähkö Metaani (maa/biokaasu) Etanoli 8 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 4

5 9 Primäärienergian käyttö Primäärienergia tarkoittaa ihmiskunnan käytössä olevia energiamääriä mitattuna siinä muodossa kuin ne ovat ennen muunnosprosessia käyttökelpoiseksi energiaksi. (Wikipedia) Primäärienergiatilastoissa biomassaa ei ole usein luettu mukaan: raakaöljy kivihiili maakaasu vesivoima ydinvoima 10 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 5

6 Primäärienergian käyttö Vuonna 2007 primäärienergian käyttö kasvoi 2,4 %: Tällä vauhdilla maapallon primäärienergiankäyttö kaksinkertaistuisi vuoteen 2036 mennessä. Vuonna 2008 primäärienergian käyttö kasvoi 1,4 %: Kiina +7,2 % USA -2,8 % Suomi -3,0 % Vuonna 2009 primäärienergian käyttö pieneni -1,1 %: Kiina +8,2 % USA -5,0 % Suomi -6,5 % Vuonna 2010 primäärienergian käyttö kasvoi 5,6 %: Kiina +11,2 % USA +3.7 % Suomi +7,6 % 11 Maailman energiankulutus Maailman primäärienergian kulutus 2004, 2009 ja 2010 [BP Statistical Review of World Energy June 2005/2010/2011] % Öljy Maakaasu Kivihiili Ydinvoima Vesivoima Biomassa Biomassan energiakäyttö lisätty BP:n dataan 12 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 6

7 Primäärienergia 2010 Biomassalla tuotetaan ihmiskunnan käyttämästä energiasta noin 10,5 %. Jäljelle jäävä 89,5 % jakautuu seuraavasti: öljy 30 % kivihiili 27 % maakaasu 22 % ydinvoima 4,5 % vesivoima (ja muut uusiutuvat energiamuodot) 6 % Uusiutuvalla energialla tuotetaan siis vain noin 17 % käyttämästämme energiasta. Osuus on ollut laskussa, kuten ydinvoimankin osuus. Energiankulutuksen kasvusta suurin osa tulee fossiilisista polttoaineista: öljystä, maakaasusta ja kivihiilestä. Jos biomassaenergiaa ei oteta huomioon (jätetään usein pois tilastoista), fossiiliset raaka-aineet tuottavat 88 % maailman primäärienergiasta. Lisäksi ne ovat tärkein 13 raaka-aineen lähde kemianteollisuudelle. Primäärienergia 2010 Raakaöljy: +3,1 % vuodesta 2009, +6,9 % vuodesta 2004 Maakaasu +7,4 % vuodesta ,1 % vuodesta 2004 Kivihiili +7,6 % vuodesta ,0 % vuodesta 2004 Ydinvoima +2,0 % vuodesta ,3 % vuodesta 2004 Vesivoima +8,7 % vuodesta ,3 % vuodesta Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 7

8 Fossiiliset polttoaineet Maakaasu, raakaöljy, kivihiili + öljyhiekka, liuskeöljy, palavakivi, metaanihydraatit. Tärkein energianlähde tällä hetkellä. Kemianteollisuuden raaka-aineita. Maakaasu ja öljy parhaat raaka-aineet kemianteollisuuteen. Jotta kemianteollisuudelle riittäisi raaka-ainetta mahdollisimman pitkään, tulisi energiantuotannossa suosia muita energianlähteitä ja kivihiiltä. Todetut raakaöljyvarat riittävät noin 40 vuodeksi. Todennäköiset raakaöljyvarat riittävät yli sadaksi vuodeksi (mukana öljyhiekka, liuskeöljy eli ns. eitavanomaiset öljyvarat). 15 Fossiiliset polttoaineet Todetut maakaasuvarat riittävät yli 50 vuodeksi. Maakaasuvarat energiasisällöltään öljyvaroja suuremmat. Kivihiilivarat riittävät ehkä tuhansiksi vuosiksi. Maakaasulla logistiikkaongelmat. Kivihiilellä kaivosongelmat (suurin osa kivihiilestä vaikeasti louhittavissa paikoissa). Ilmasto-ongelmat, hiilidioksidipäästöt. 16 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 8

9 Fossiilienergia Hyvinvointimme on riippuvainen rajallisista fossiilisista energiavaroista. Toisaalta fossiilisia energiavaroja on liikaa, koska niiden polttaminen voi jo sadassa vuodessa tehdä maapallomme suurelta osin asuinkelvottomaksi. Varsinkin öljystä ja kaasusta tulee pula ja mikäli emme keksi uusia tekniikoita niiden korvaamiseksi tai muuta elintapojamme radikaalisti kestävämpään suuntaan (ei todennäköistä), ihmiskuntaa uhkaavat tuhoisat sodat jäljellä olevista resursseista. Jumala ei katsonut tarpeelliseksi sijoittaa öljyä ja kaasua vain demokraattisiin maihin, joiden hallitukset ovat suopeita Yhdysvalloille. [Michael Moore 2003] EU:n öljynsaanti on riippuvainen USA:n sotilaallisesta läsnäolosta Lähi-idässä ja maakaasun toimituksissa olemme yhä riippuvaisempia Venäjästä. Kivihiilen suhteen EU on omavarainen. 17 Fossiilienergia Fossiilienergian käyttömme on valtavaa ja sillä on kauaskantoiset ja laajat ympäristövaikutukset, mutta aurinkoenergiaan nähden fossiilienergiakin kalpenee. Maailman keskimäärin saama aurinkosäteilyn teho on 174,26 PW ( % auringon kokonaissäteilystä) eli vuoden energiasaannoksi laskettuna 5,495 YJ. Maailman fossiilienergian kulutus on noin 10 TW eli vain(?) 0,006 % saamastamme aurinkokylvystä. Fossiiliset, lähinnä hiiltä ja vetyä sisältävät, raaka-aineet ovat syntyneet satojen miljoonien vuosien aikana eloperäisestä aineesta. On tosin osoitettu, että kaikki hiilivedyt eivät ole eloperäisiä. Sopivissa olosuhteissa (korkea lämpö ja ph) maaperän karbonaateista peräisin oleva epäorgaaninen hiili ja vety voivat Fischer Tropsch-tyyppisissä reaktioissa synnyttää kevyitä hiilivetyjä. 18 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 9

10 Ihmisten määrä 1,3 miljardia => 7,0 miljardia ihmistä (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to klo 11:15) ihmistä (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to klo 12:52) ihmistä (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to klo 16:53) Bioenergia kolminkertaistunut Fossiilienergia 170-kertaistunut 1850: 2,5 EJ 1900: 22 EJ 2010: 423 EJ Autot 0 => 800 miljoonaa 19 Fossiilienergia 2010 International Energy Agencyn (IEA) World Energy Outlook raportti ennustaa maailman primäärienergian kulutuksen kasvavan 59 % vuoteen 2030 mennessä ja fossiilienergian osuuden säilyvän nykyisessä >85 %:ssa. Käytännössä tämä tarkoittaa kasvihuonekaasuongelman pahenemista dramaattisesti. Öljynkäytön IEA ennustaa kasvavan 50 % ja maakaasunkäytön 100 %. Kivihiilen osuus tulee ennusteen mukaan hieman laskemaan, mutta absoluuttinen käyttö kasvaa. Myöhemmissä ennusteissa IEA on jatkuvasti vähentänyt öljynkäytön ennustetta. Viime vuosina trendi on ollut, että fossiilisista energianlähteistä nopeimmin on kasvanut kivihiilen käyttö. 20 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 10

11 Fossiilienergian kulutus ja muodostumisnopeus Nykyinen raakaöljyn kulutus on kertaa nopeampaa kuin raakaöljyn huippumuodostumisnopeus myöhäisellä tertiäärikaudella. Maakaasun kulutus on 1,4 miljoonaa kertaa nopeampaa kuin huippumuodostumisnopeus myöhäisellä tertiäärikaudella. Kivihiilen kulutus on kertaa nopeampaa kuin hiilen huippumuodostumisnopeus myöhäisellä hiilikaudella. 21 Fossiilienergia 2011 Fossiilienergian käytöllä tulee olemaan kaksi ylipääsemätöntä rajoitetta: Öljyntuotanto tulee saavuttamaan lähivuosina (tai on jo saavuttanut) huipputasonsa, jonka jälkeen maailman on sopeuduttava laskevan öljyntuotannon ja -käytön aikaan. Toinen rajoite on, että riippuvuutemme fossiilienergiasta johtaa ennen pitkää suurella todennäköisyydellä katastrofaaliseen ilmaston lämpenemiseen. Jälkimmäinen rajoite tulee olemaan este ensimmäisen rajoitteen aiheuttamien ongelmien ratkaisuun eli suuret hiilidioksidipäästöt estävät raakaöljyn korvaamisen esimerkiksi kivihiiltä nesteyttämällä, vaikka kivihiiltä, öljyliusketta ja - hiekkaa olisi runsaasti käytettävissä. 22 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 11

12 Fossiilienergia: talous, hyvinvointi ja ympäristö Maailman ja ihmisen historian varsin lyhyellä aikaperspektiivillä suuret fossiilisten raakaaineiden varat ovat talouden kannalta hyvä, jopa välttämätön, asia. Ympäristön kannalta tilanne on toinen. Maankuoressa on liikaa fossiilisia raaka-aineita. 23 Fossiilienergia: ympäristö Fossiilisten aineiden reagoidessa kemiallisessa reaktiossa ilman hapen kanssa haluttu tuote ei ole hiilen C hapetustuote CO 2 tai vedyn H hapetustuote H 2 O vaan reaktiossa syntynyt lämpö. Näistä fossiilisen hiilen palamistuote CO 2 on suurin ihmistoiminnasta johtuva ilmastonmuutoksen aiheuttaja. Hiilidioksidipäästöjen kannalta maakaasu on fossiilisista polttoaineista ympäristöystävällisin ja kivihiili haitallisin. Hiilen ja vedyn suhde (C:H) on maakaasulle 1:4, öljylle 1:2 ja kivihiilelle 2:1. Vastaavasti tuotettua energiayksikköä kohti laskettuna maakaasun hiilidioksidipäästöt ovat alhaisimmat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC): Maakaasu: 56,2 gco2/mj Raakaöljy 73,4 gco2/mj Kivihiili 94,7 gco2/mj 24 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 12

13 Fossiilienergia: ympäristö Kivihiili ja öljy ovat maakaasua haitallisempia myös raskasmetallipäästöjen (elohopea, kadmium, nikkeli, arseeni, lyijy), rikki- ja typpidioksidipäästöjen ja hiukkaspäästöjen kannalta. Noin 250 vuoden aikana fossiilisten polttoaineiden käyttö on nostanut ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden 280 ppm:stä 390 ppm:ään. Tällä vuosisadalla pitoisuus noussee 550 ppm:ään. 25 Saudi-Arabian Ghawar on maailman suurin öljykenttä Raakaöljy 26 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 13

14 Maakaasu Nesteytetyn maakaasun merkitys on kasvamassa 27 Kivihiili Kivihiiltä riittää mutta sen käytön ympäristövaikutukset ovat mittavia 28 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 14

15 Ydinvoima Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä, muita ongelmia riittää 29 Vesivoima Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä ja uusiutuva, muita ongelmia 30 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 15

16 Biomassa Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä tai ongelmallinen, uusiutuva, monia ongelmia 31 Maailman tunnetut raakaöljyvarat Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 16

17 Maailman tunnetut raakaöljyvarat 1990, 2000, Raakaöljyn tuotanto ja kulutus Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 17

18 Raakaöljyvarojen ja tuotannon suhde (R/P ratio) R/P suhde tarkoittaa sitä kuinka monta vuotta raakaöljyvaroja riittää nykytuotannolla 35 Peak oil 2010 X 36 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 18

19 Raakaöljynkulutus yksityisautoiluun Tynnyriä raakaöljyä/henkilö/vuosi EU-15 USA Finland 37 Kulutustottumukset menivät väärään suuntaan USA:n autokanta (henkilöautot, maasturit, pickupit) Kulutus, L/100 km 10,65 11,20 Paino, kg Hevosvoimia Moottoritilavuus, L 2,87 3,43 Kiihtyvyys, 0 100, s 13,1 9,9 Maasturien ja pickupien osuus, % Myytyjä autoja, miljoonaa 14,87 17,15 38 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 19

20 Raakaöljyn kulutus ihmistä kohti Raakaöljyn kulutus asukasta kohti ihmisen elinaikana 40 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 20

21 Raakaöljyn hinnan kehitys Hinta Brent US$/barrel (1 v. sitten 98, 2 v. sitten 73, 3 v. sitten 43) Hinta Brent heinäkuu US$/barrel X X 41 Raakaöljyn vienti alueittain Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 21

22 Maailman tunnetut maakaasuvarat Maailman tunnetut maakaasuvarat 1990, 2000, Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 22

23 Maakaasun tuotanto ja kulutus Maakaasuvarojen ja tuotannon suhde (R/P ratio) R/P suhde tarkoittaa sitä kuinka monta vuotta maakaasuvaroja riittää nykytuotannolla 46 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 23

24 Maakaasun kulutus henkeä kohti Maakaasun vienti alueittain Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 24

25 Maailman tunnetut kivihiilivarat Kivihiilen tuotanto ja kulutus 1999 ja Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 25

26 Kivihiilen kulutus henkeä kohti Ydinenergian kulutus Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 26

27 Vesivoiman käyttö Biopolttoaineet ,5 % öljynkulutuksesta 54 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 27

28 Eri energianlähteiden kulutus Eri energianlähteiden kulutusjakauma alueittain Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 28

29 Fossiilisten energianlähteiden riittävyys (vuosia) 57 Energian käyttö (henkeä kohti) alueittain Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 29

30 Ei-fossiiliset energiamuodot Ydinenergia varteenotettavin keskipitkällä aikavälillä. Nykyteknologialla ydinpolttoainetta riittää kymmeniksi vuosiksi. Vaatimuksina ydinenergian käytölle luotettava raaka-aineen saanti, turvallisuus ja ydinjätteen hallinta tai uudelleenkäyttö. Fuusioreaktoreilla energiavarat rajattomat, käytössä ehkä 2100-luvulla? Muita rajattomia energiavaroja aurinkoenergia, geoterminen energia ja tuulivoima. Suurimittaisessa energiantuotannossa nämä rajattomat energiavarat tulevat kyseeseen vasta pitkän ajan päästä. Biomassan energiakäyttö ongelmallista 59 Tulevaisuus Nykyisellä energiantuotantorakenteella raakaöljy ja maakaasu käytetään loppuun ensimmäisinä. Samalla häviävät kemianteollisuuden tärkeimmät raaka-aineet. Siksi raakaöljy ja maakaasu tulisi korvata energiantuotannossa muilla energianlähteillä mahdollisimman pikaisesti. Valitettavasti ongelmaa ei ymmärretä poliittisella tasolla ja päätökset tehdään itsekkäästi vain tämän sukupolven ehdoilla. 60 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 30

31 Vaihtoehtojen hinta ja CO 2 - päästöt 61 Vaihtoehtojen öljynkulutus ja CO 2 - päästöt Petroleum to gasoline Petroleum to diesel Coal to F-T liquids NG to F-T liquids EOR petroleum to gasoline EOR petroleum to diesel Tar sands to gasoline Tar sands to diesel Oil shale to gasoline Oil shale to diesel Wood to F-T liquids Peat to F-T liquids Wood to ethanol Corn to ethanol Electricity to hydrogen FCV NG to hydrogen FCV Coal to hydrogen FCV Wood to hydrogen FCV Peat to hydrogen FCV Electricity to hydrogen HCE NG to hydrogen HCE Coal to hydrogen HCE Wood to hydrogen HCE Peat to hydrogen HCE 62 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 31

32 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 32 63