Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola T. Suntola 1
Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola 1. Energiavarastojen inventaario, luonnon energiavirrat ja tuotettu energia 2. Energian käytön jakautuminen, saatavuus ja tuotantotarpeet 3. Sähkön tuotannon reaalivaihtoehdot, ilmastouhat 4. Auringon energian hyödyntämisvaihtoehtoja 5. Energian tie primäärilähteestä käyttökohteeseen, vetyteknologia 6. Hiilen kierto maapallon ekosysteemissä T. Suntola 2
Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola 1. Energiavarastojen inventaario, luonnon energiavirrat ja tuotettu energia 2. Energian käytön jakautuminen, saatavuus ja tuotantotarpeet 3. Sähkön tuotannon reaalivaihtoehdot, ilmastouhat 4. Auringon energian hyödyntämisvaihtoehtoja 5. Energian tie primäärilähteestä käyttökohteeseen, vetyteknologia 6. Hiilen kierto maapallon ekosysteemissä T. Suntola 3
Annual solar insolation: 100 000 TW = 80 000 Gtoe/y (=> 100 million nuclear power stations) Global energy sources and reserves Hydro: 1 TW Biomass: -renewal: 600 TWy 80 TW Energy production: 15 Twy/y = 12 Gtoe/y ( => 15000 x 1 GW power stations) Wind: 0.5 TW Proven earth reserves, TWy Coal: 8000 Oil: 200 Natural gas: 250 Uranium: 100 T. Suntola 4
Global energy balances Solid land biomass production 80 TW Biomass 1,5 TW Fossil fuel 12 TW Forestry 7% Agriculture 4% Electricity by fossil 1,2 TW Popul. 1% Hydro 0,25 TW Nuclear 0,22 TW Solid land biomass production: 0,1 % of solar insolation Energy production: 0,01 % of solar insolation T. Suntola 5
Energy balances in Finland Biomass production 28 GWy/y Energy production 35,4 GWy/y Fossil fuels Forestry industry 13 GWy/y Agriculture 1,6 GWy/y Population 0,5 GWy/y Solid land biomass production: 0,1 % of solar insolation 22 GWy/y Biomass 4,6 GWy/y Combustion based electricity 3,1 GWy/y Energy production: 0,15 % of solar insolation Hydro power 1,7 GWy/y Nuclear power 2,1 GWy/y T. Suntola 6
Energy balances in France Biomass production 120 GWy/y Energy production 280 GWy/y Agriculture residues 55 GWy/y Fossil fuels Hydro electricity 7 GWy/y 160 GWy/y Forestry Industry 7 GWy/y Agriculture products 35 GWy/y Population 5 GWy/y Biomass Nuclear electricity 38 GWy/y Combustion based electricity 7 GWy/y Solid land biomass production: 120 GWy/y = 0,2 % of solar insolation Energy production: 280 Gwy/y = 0,45 % of solar insolation T. Suntola 7
Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola 1. Energiavarastojen inventaario, luonnon energiavirrat ja tuotettu energia 2. Energian käytön jakautuminen, saatavuus ja tuotantotarpeet 3. Sähkön tuotannon reaalivaihtoehdot, ilmastouhat 4. Auringon energian hyödyntämisvaihtoehtoja 5. Energian tie primäärilähteestä käyttökohteeseen, vetyteknologia 6. Hiilen kierto maapallon ekosysteemissä T. Suntola 8
World Electricity Demand by Regions Consumption of electricity MWh / year / capita 12 8 North America OECD Pacific Western Europe Russia & Eastern Europe 4 Latin America East Asia Middle East & North Africa China India Rest of the world 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Population, cumulative [millions of people] T. Suntola 9
France Mobility by Travel Mode (passenger-kilometers per day per person) 10 2 100,000 All modes 10 1 Buses + cars 10,000 Km/day-cap 10 0 2-Wheelers Rail 1,000 Meter/day-cap 10-1 Railways Horses Air TGV 100 10-2 Waterways 1800 1850 1900 1950 2000 10 Grübler IIASA 1998 T. Suntola 10
T. Suntola 11
Primary energy scenario for 1900-2050 Global energy production TW 30 Other, new? Solar Wind Nuclear Oil Oil 20 Gas Gas to liquid & Advanced coal 10 Conventional coal 0 1900 1950 2000 2050 Advanced biomass Conventional biomass Hydro 2100 T. Suntola 12
Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola 1. Energiavarastojen inventaario, luonnon energiavirrat ja tuotettu energia 2. Energian käytön jakautuminen, saatavuus ja tuotantotarpeet 3. Sähkön tuotannon reaalivaihtoehdot, ilmastouhat 4. Auringon energian hyödyntämisvaihtoehtoja 5. Energian tie primäärilähteestä käyttökohteeseen, vetyteknologia 6. Hiilen kierto maapallon ekosysteemissä T. Suntola 13
Global production of electricity 1900-2100 4000 GW 3000 TOTAL Fossil Hydro 2000 Nuclear Wind 1000 Solar Biomass 0 1900 1950 2000 2050 2100 Year T. Suntola 14
Global production of electricity 1900-2100 10000 GW 1000 100 10 1 TOTAL Fossil Hydro Nuclear Wind Solar Biomass 0,1 1900 1950 2000 2050 2100 Year T. Suntola 15
Global Mean Temperature Change INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE (IPCC) T. Suntola 16
Mauna Loa measurement on atmospheric CO 2 content 500 CO 2 (ppm) 450 400 350 300 250 200 1900 1950 2000 2050 T. Suntola 17
Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola 1. Energiavarastojen inventaario, luonnon energiavirrat ja tuotettu energia 2. Energian käytön jakautuminen, saatavuus ja tuotantotarpeet 3. Sähkön tuotannon reaalivaihtoehdot, ilmastouhat 4. Auringon energian hyödyntämisvaihtoehtoja 5. Energian tie primäärilähteestä käyttökohteeseen, vetyteknologia 6. Hiilen kierto maapallon ekosysteemissä T. Suntola 18
Alternatives for solar insolation to electricity conversion 0,01 0,4 0,3 0,95 0,001 (total) Biomass / fossil fuels Sun -biomass -(fossil fuels) -combustion - turbine - generator - power grid 0,8 0,25 0,95 0,2 (total) Solar thermal Sun - heat collector - turbine -generator - power grid 0,12 0,9 0,1(total) Photovoltaic Sun - solar panels - inverter - power grid T. Suntola 19
Distribution of the earth area Area of solar panels needed for all present production of electricity 0,02 % Buildings, roads, ect < 0,5 % Cropland 3 % Pasture 6,5 % Forests 8,1 % Deserts ect 9,4 % Oceans 73 % T. Suntola 20
Luonnonfilosofian seura Tieteiden talo 2.10.2003 klo 18.00 Maapallon energiavarat Tkt Tuomo Suntola 1. Energiavarastojen inventaario, luonnon energiavirrat ja tuotettu energia 2. Energian käytön jakautuminen, saatavuus ja tuotantotarpeet 3. Sähkön tuotannon reaalivaihtoehdot, ilmastouhat 4. Auringon energian hyödyntämisvaihtoehtoja 5. Energian tie primäärilähteestä käyttökohteeseen, vetyteknologia 6. Hiilen kierto maapallon ekosysteemissä T. Suntola 21
Energy products: from source to end-user - Availability, convenience, cost, emissions, energy efficiency Industry, metallurgy / chemicals / pulp&paper Households, heat / lightning / appliances Traffic, car / heavy / public / rail / sea / air Energy products Electricity Heat Liquid fuels Gasoline / diesel / kerosene Ethanol, methanol Natural gas Hydrogen Coal, peat, wood-chips&pellets Gases Solid fuels Crude oil Natural gas Coal Peat Biomass, residues & waste Bio-products, cultivated Hydro potential Wind potential Solar insolation Nuclear - availability -cost - emissions - energy efficiency T. Suntola 22
Hydrogen production / GJ Crude oil Natural gas 5 Coal 10 Peat Biomass, residues & waste 15 Bio-products, cultivated Hydro 10 Wind potential 30 Solar insolation 50 Nuclear 20 T. Suntola 23
Energy cost comparison 20 per GJ 10 0 Coal Oil Gas H2 fossil H2 renew. Petrol Elect. T. Suntola 24
Combustion energies of selected substances mol.w. kj/mol kj/g=gj/ton toe / ton MWh / ton Hydrogen H 2 2 285,8 142,90 3,52 39,69 Methane CH 4 16 890,8 55,68 1,37 15,46 Carbon C 12 393,5 32,79 0,81 9,11 Methanol CH 3 OH 32 726,1 22,69 0,56 6,30 Carbon monoxide CO 28 283,0 10,11 0,25 2,81 toe 40,61 11,28 T. Suntola 25
Carbon circulation in nature Atmosphere 700 Gt 6 Gt/y 50 Mt/y 100 Gt/y 60 Gt/y Forests 450 Gt Oceans 37 000 Gt Oil & gas 300 Gt Grass, ect. 100 Gt Soil 1300 Gt Coal 5000 Gt Sediment layer 20 000 Gt? T. Suntola 26
Carbon distribution in atmosphere and oceans 6 Gt annual CO 2 emissions 700 Gt atmosphere Natural CO 2 exchange 100 Gt/y 50 Mt annual SO x emissions Oceans 37 000 Gt 700 Gt 100 m surface layer 37 000 Gt deep oceans T. Suntola 27
Equilibrium between CO 2 pressure and ocean at different temperatures 4,500E-04 p(co2) [bar] 4,000E-04 Annual increase in the p(co2) pressure 3,500E-04 T=25 C Effect of annual acid rain in 1 meter surface layer T=15 C 3,000E-04 2,500E-04 T= 5 C 2,000E-04 5,000E-04 5,500E-04 6,000E-04 6,500E-04 7,000E-04 CaCO3 [mol/kg] T. Suntola 28
Effect of SO x emissions on atmospheric CO 2 equilibrium 1,2 1 0,8 SOx reference level 50 Mt(S)/year 0,6 0,4 0,2 0 1900 1950 2000 2050 500 450 CO2 (ppm) 400 350 300 CO2(Mauna Loa) 250 200 1900 1950 2000 2050 T. Suntola 29
Global Warming & Climate Change The average global temperature is rising sharply due to increasing concentrations of greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere. This rise in temperature is creating change in the world's climate which will have enormous consequences for people and the planet. Humans are contributing to the greenhouse effect by emitting greenhouse gases (GHGs) that trap energy and warm the atmosphere. Most of the emissions come from burning fossil fuels such as coal, oil and gasoline. http://www.agores.org/general/climatehome.htm T. Suntola 30
Global Warming & Climate Change. OR. The average global temperature is rising sharply due to increasing concentrations of greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere. Humans are contributing to the greenhouse effect by disturbing the balance of carbon dioxide between the atmosphere, soil and waters. TS T. Suntola 31