Energia ja kemianteollisuus Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö BJ90A1000 Luonnonvarat ja niiden prosessointi kemian- ja energiateollisuudessa Kimmo Klemola 21.01. ja 28.01.2011 Teknillisen kemian laboratorio Lappeenrannan teknillinen yliopisto Lähteet: BP Statistical Review of World Energy, June 2010 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 4 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 2
Hiilidioksidipäästöt henkeä kohti vuodessa tonnia CO2 asukasta kohti 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 USA Saksa Suomi Kenia Intia Kiina 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 2006 raakaöljynkulutus oli noin 31 miljardia barrelia. 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 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
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 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 % Vuonna 2009 primäärienergian käyttö pieneni -1,1 %: Kiina +8,2 % USA -5,0 % Suomi -6,5 % 10 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 5
Maailman energiankulutus Maailman primäärienergian kulutus 2004 ja 2009 [BP Statistical Review of World Energy June 2005/2010] 35 30 25 % 20 15 2004 2009 10 5 0 Öljy Maakaasu Kivihiili Ydinvoima Vesivoima Biomassa Biomassan energiakäyttö lisätty BP:n dataan 11 Primäärienergia 2009 Biomassalla tuotetaan ihmiskunnan käyttämästä energiasta noin 11 %. Jäljelle jäävä 89 % jakautuu seuraavasti: öljy 31 % kivihiili 26 % maakaasu 21,5 % ydinvoima 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 12 raaka-aineen lähde kemianteollisuudelle. Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 6
Primäärienergia 2009 Raakaöljy: -2,0 % vuodesta 2008, +1,4 % vuodesta 2004 Maakaasu -2,4 % vuodesta 2008 +9,6 % vuodesta 2004 Kivihiili -0,2 % vuodesta 2008 +18,6 % vuodesta 2004 Ydinvoima -1,6 % vuodesta 2008-2,3 % vuodesta 2004 Vesivoima +1,2 % vuodesta 2008 +16,9 % vuodesta 2004 13 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. ei-tavanomaiset öljyvarat). 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. 14 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 7
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. 15 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. 16 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 8
1850 2011 Ihmisten määrä 1,3 miljardia => 6,9 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) Bioenergia kolminkertaistunut Fossiilienergia 160-kertaistunut 1850: 2,5 EJ 1900: 22 EJ 2008: 404 EJ Autot 0 => 800 miljoonaa 17 Fossiilienergia 2010 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. 18 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 9
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. 19 Fossiilienergia 2010 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 todennäköisesti 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. 20 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 10
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. 21 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 22 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 11
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. 23 Saudi-Arabian Ghawar on maailman suurin öljykenttä Raakaöljy 24 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 12
Maakaasu Nesteytetyn maakaasun merkitys on kasvamassa 25 Kivihiili Kivihiiltä riittää mutta sen käytön ympäristövaikutukset ovat mittavia 26 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 13
Ydinvoima Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä, muita ongelmia riittää 27 Vesivoima Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä ja uusiutuva, muita ongelmia 28 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 14
Biomassa Hiilidioksidipäästöjen suhteen hyvä tai ongelmallinen, uusiutuva, monia ongelmia 29 Maailman tunnetut raakaöljyvarat 2007 30 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 15
Maailman tunnetut raakaöljyvarat 1989, 1999, 2009 31 Raakaöljyn tuotanto 1984 2009 32 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 16
Raakaöljyvarojen ja tuotannon suhde (R/P ratio) R/P suhde tarkoittaa sitä kuinka monta vuotta raakaöljyvaroja riittää nykytuotannolla 33 Peak oil 2009 X 34 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 17
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 35 Kulutustottumukset menivät väärään suuntaan USA:n autokanta (henkilöautot, maasturit, pickupit) Kulutus, L/100 km Paino, kg Hevosvoimia Moottoritilavuus, L Kiihtyvyys, 0 100, s Maasturien ja pickupien osuus, % Myytyjä autoja, miljoonaa 1987 10,65 1325 118 2,87 13,1 28 14,87 2005 11,20 1719 212 3,43 9,9 50 17,15 36 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 18
Raakaöljyn kulutus 1983 2008 37 Raakaöljyn kulutus ihmistä kohti 2009 38 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 19
Raakaöljyn kulutus asukasta kohti ihmisen elinaikana 39 Raakaöljyn hinnan kehitys 1861 2009 Hinta Brent 20.01.2011 97,62 US$/barrel (1 v. sitten 72,72, 2 v. sitten 43,36) Hinta Brent heinäkuu 2008 147 US$/barrel X X 40 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 20
Raakaöljyn vienti alueittain 2009 41 Maailman tunnetut maakaasuvarat 2007 42 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 21
Maailman tunnetut maakaasuvarat 1989, 1999, 2009 43 Maakaasun tuotanto 1984 2009 44 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 22
Maakaasuvarojen ja tuotannon suhde (R/P ratio) R/P suhde tarkoittaa sitä kuinka monta vuotta maakaasuvaroja riittää nykytuotannolla 45 Maakaasun kulutus henkeä kohti 2009 46 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 23
Maakaasun vienti alueittain 2009 47 Maailman tunnetut kivihiilivarat 2007 48 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 24
Kivihiilen tuotanto ja kulutus 1999 ja 2009 49 Ydinenergian kulutus 1984 2009 50 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 25
Vesivoiman käyttö 1984 2009 51 Eri energianlähteiden kulutus 1984 2009 52 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 26
Eri energianlähteiden kulutusjakauma alueittain 2009 53 Fossiilisten energianlähteiden riittävyys (vuosia) 54 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 27
Energian käyttö (henkeä kohti) alueittain 2009 55 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 56 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 28
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. 57 Vaihtoehtojen hinta ja CO 2 - päästöt 58 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 29
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 59 60 Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö 30