Energia ja kemianteollisuus Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö BJ90A1000 Luonnonvarat ja niiden prosessointi kemian- ja energiateollisuudessa Kimmo Klemola 17.01.2013 Teknillisen kemian laboratorio Lappeenrannan teknillinen yliopisto Lähteet: BP Statistical Review of World Energy, June 2012 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
Yhden ihmisen koko elämän energiankulutus laskettuna puun energiaksi puumäärä joka saadaan avohakkaamalla metsää 0,7 hehtaaria 5 hehtaaria 20 hehtaaria 30 hehtaaria 3 Ilmastonmuutos Ilmakehän CO 2 -pitoisuus Fossiilienergian hiilipäästöt 4 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 2
Hiilidioksidipäästöt henkeä kohti vuodessa www.eia.gov 5 Raaka-ainevarojen teoreettinen potentiaali korvaamaan raakaöljyä tieliikenteessä, miljardia öljybarrelia = 387 vuodeksi 3500 3163 3000 2500 2486 2174 2000 1500 1201 1215 1152 1000 500 596 0 Raakaöljy Öljyhiekka Öljyliuske Maakaasu Kivihiili Turve Puut ja sadot Vuonna 2011 raakaöljynkulutus oli noin 32 miljardia barrelia (2006: 31 Bb). 6 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 3
Raaka-ainevarojen teoreettinen potentiaali nostaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta 400 350 300 250 232 317 334 200 150 134 177 100 50 63 49 0 Raakaöljy Öljyhiekka Öljyliuske Maakaasu Kivihiili Turve Puut ja sadot Vuonna 2012 ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli 393 ppm (2006: 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
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
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 % Vuonna 2011 primäärienergian käyttö kasvoi 2,5 %: Kiina +8,8 % USA -0,4 % Suomi -4,2 % 11 Maailman energiankulutus Biomassan energiakäyttö lisätty BP:n dataan 12 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 6
Maailman energiankulutus Biomassan energiakäyttö lisätty BP:n dataan 13 Primäärienergia 2011 Biomassalla (pois lukien nestemäiset biopolttoaineet) tuotetaan ihmiskunnan käyttämästä energiasta noin 9,7 %. Jäljelle jäävä 90,3 % jakautuu seuraavasti: öljy 29,7 % kivihiili 27,3 % maakaasu 21,3 % ydinvoima 4,4 % vesivoima 5,8 % biopolttoaineet (bioetanoli ja biodiesel) 0,4 % muut uusiutuvat (tuulivoima, aurinkovoima, geoterminen energia, jäte jne) 1,4 % 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. Fossiiliset raaka-aineet tuottavat noin 78 % maailman energiantarpeesta. Ne ovat myös tärkein raaka-aineen lähde kemianteollisuudelle. 14 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 7
Primäärienergia ja muut 2011 Primäärienergia (+2,2 % vuodesta 2010, +19,0 % vuodesta 2004): Raakaöljy: +0,8 % vuodesta 2010, +7,8 % vuodesta 2004 Maakaasu +1,7 % vuodesta 2010 +20,0 % vuodesta 2004 Kivihiili +4,7 % vuodesta 2010 +34,1 % vuodesta 2004 Ydinvoima -4,3 % vuodesta 2010-4,0 % vuodesta 2004 Vesivoima +2,1 % vuodesta 2010 +24,8 % vuodesta 2004 Ja muut Biopolttoaineet (bioetanoli ja biodiesel) +0,7 % vuodesta 2010 +258,9 % vuodesta 2004 Muut uusiutuvat (tuulivoima, aurinkovoima, geoterminen energia ynm.) +17,7 % vuodesta 2010 +159,4 % vuodesta 2004 15 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). 16 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 8
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. 17 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. 18 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 9
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 (0.00000000045 % 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. 19 1850 2013 Ihmisten määrä 1,3 miljardia => 7,065 miljardia 6799190971 ihmistä (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to 28.01.2010 klo 11:15) http://www.census.gov/main/www/popclock.html 6894682520 ihmistä (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to 20.01.2011 klo 12:52) 6987560969 ihmistä (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to 13.01.2012 klo 16:53) 7060229133 (U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to 17.01.2013 klo 16:02) Bioenergia kolminkertaistunut Fossiilienergia 173-kertaistunut 1850: 2,5 EJ 1900: 22 EJ 2011: 433 EJ Autot 0 => 800 miljoonaa 20 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 10
Fossiilienergia 2013 International Energy Agencyn (IEA) World Energy Outlook 2004 -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. 21 Fossiilienergian kulutus ja muodostumisnopeus Nykyinen raakaöljyn kulutus on 300 000 kertaa nopeampaa kuin raakaöljyn huippumuodostumisnopeus myöhäisellä tertiäärikaudella. Maakaasun kulutus on 1,4 miljoonaa kertaa nopeampaa kuin huippumuodostumisnopeus myöhäisellä tertiäärikaudella. Kivihiilen kulutus on 60 000 kertaa nopeampaa kuin hiilen huippumuodostumisnopeus myöhäisellä hiilikaudella. 22 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 11
Fossiilienergia 2013 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 (tai ainakin tulisi estää) raakaöljyn korvaamisen esimerkiksi kivihiiltä nesteyttämällä, vaikka kivihiiltä, öljyliusketta ja -hiekkaa olisi runsaasti käytettävissä. 23 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. 24 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 12
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 25 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. 26 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 13
Raakaöljy Saudi-Arabian Ghawar on maailman suurin öljykenttä 27 Maakaasu Nesteytetyn maakaasun merkitys on kasvamassa Vielä enemmän on kasvanut ja kasvamassa liuskekaasun merkitys. 28 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 14
Kivihiili Kivihiiltä riittää mutta sen käytön ympäristövaikutukset ovat mittavia 29 Ydinvoima Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä, muita ongelmia riittää 30 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 15
Vesivoima Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä ja uusiutuva, muita ongelmia 31 Biomassa Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä tai ongelmallinen, uusiutuva, monia ongelmia 32 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 16
Oil BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 Maailman tunnetut raakaöljyvarat 2007 34 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 17
Maailman tunnetut raakaöljyvarat 35 Raakaöljyn tuotanto ja kulutus 1986 2011 36 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 18
Raakaöljyvarojen ja tuotannon suhde (R/P ratio) R/P suhde tarkoittaa sitä kuinka monta vuotta raakaöljyvaroja riittää nykytuotannolla 37 Peak oil 2011 X 38 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 19
Raakaöljynkulutus yksityisautoiluun Tynnyriä raakaöljyä/henkilö/vuosi 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 EU-15 USA Finland 39 Kulutustottumukset menivät väärään suuntaan USA:n autokanta (henkilöautot, maasturit, pickupit) 1987 2005 Kulutus, L/100 km 10,65 11,20 Paino, kg 1325 1719 Hevosvoimia 118 212 Moottoritilavuus, L 2,87 3,43 Kiihtyvyys, 0 100, s 13,1 9,9 Maasturien ja pickupien osuus, % 28 50 Myytyjä autoja, miljoonaa 14,87 17,15 40 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 20
Raakaöljyn kulutus ihmistä kohti 41 Raakaöljyn kulutus asukasta kohti ihmisen elinaikana 42 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 21
Raakaöljyn hinnan kehitys 1861 2013 Hinta Brent 16.01.2013 111,10 US$/barrel (1 v. sitten 114, 2 v. sitten 98, 4 v. sitten 43) Hinta Brent heinäkuu 2008 147 US$/barrel X X 43 Raakaöljyn vienti alueittain 44 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 22
Natural Gas BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 Maailman tunnetut maakaasuvarat 2007 46 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 23
Maailman tunnetut maakaasuvarat 47 Maakaasun tuotanto ja kulutus 1986 2011 48 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 24
Maakaasuvarojen ja tuotannon suhde (R/P ratio) R/P suhde tarkoittaa sitä kuinka monta vuotta maakaasuvaroja riittää nykytuotannolla 49 Maakaasun kulutus henkeä kohti 50 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 25
Maakaasun vienti alueittain 51 Coal BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 26
Maailman tunnetut kivihiilivarat 2007 53 Kivihiilen tuotanto ja kulutus 1999 ja 2009 54 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 27
Kivihiilen tuotanto ja kulutus 55 Kivihiilen kulutus henkeä kohti 56 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 28
Nuclear energy BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 Ydinenergian kulutus 1986 2011 58 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 29
Hydroelectricity BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 Vesivoiman käyttö 1986 2011 60 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 30
Renewable energy BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 62 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 31
Biopolttoaineet 1,5 % öljynkulutuksesta 63 Primary energy BP Statistical Review of World Energy 2012 BP 2012 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 32
Eri energianlähteiden kulutus 1986 2011 65 Eri energianlähteiden kulutusjakauma alueittain 66 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 33
Fossiilisten energianlähteiden riittävyys (vuosia) 67 Energian käyttö (henkeä kohti) alueittain 68 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 34
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 69 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. 70 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 35
Vaihtoehtojen hinta ja CO 2 - päästöt 71 Vaihtoehtojen öljynkulutus ja CO 2 - päästöt 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 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 72 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 36
Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 37 73