Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta? (del 1 & 2 uppdaterade)

Uppdatering: Jag har uppdaterat och skrivit samman inläggen ”Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta” och ”Peak oil del 10 – Går oljan att ersätta? – Fortsättning” till ett inlägg för tydlighetens skull. Vidare har jag gjort vissa förändringar i mina antaganden och infört diverse förklaringar som tidigare stått som tillägg.   

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 kol och gas, som idag är våra mest betydande energikällor näst efter oljan, också kommer att passera sina respektive toppar inom en överskådlig framtid. Är detta en omöjlig ekvation?

Jag har valt att titta på tre scenarier. 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. I det andra 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 tredje 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 tre 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 (inte bara för konventionell olja utan för samtliga klasser) redan inträffat och att tillgången på energi från olja kommer att minska med 45 % per 10 år genom hela den analyserade tidsperioden, vilket motsvarar strax under 6 % per år. 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 förmodas inträffa. Därefter antar jag en fallande tillgång med 45 % per 10-årsperiod i likhet med oljan. För både kol och gas, och i viss mån även för olja, är detta ganska pessimistiska antaganden.

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 i befintliga anläggningar eller båda alternativen. Efter 2050 planar tillgången ut och ligger oförändrad under resten av den analyserade perioden. När det gäller vindkraft byggs denna ut så snabbt det är möjligt tills den utgör 10% av det totala energibehovet. Jag har antagit att denna andel är begränsande för intermittenta energikällor. Med tanke på att vindkraft enbart levererar elektrisk energi får ändå 10 % av den totala energibasen anses vara högt. I och med att energilagring enligt nedan i viss mån antas vara möjlig för solenergi, räknas denna inte som en rent intermittent energikälla i den här analysen och därför sätts ingen övre gräns. Biomassa, inklusive förbränning av avfall, 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 och inte heller här upphör expansionen vid någon specifik nivå utan fortsätter i högsta möjliga takt.

Livslängden för vindkraftverk har antagits vara 25 år vilket innebär att under varje tioårsperiod måste nästan hälften av det befintliga beståndet ersättas med nya verk. Solkraftverkens och de geotermiska kraftverkens livslängd har antagits vara 40 år. Kapacitetsfaktorn har antagits vara 0,3 för vindkraft, 0,5 för solvärmekraft och 0,95 för geotermisk energi. Siffran för solvärmekraft baseras på att den genomsnittliga solinstrålningen globalt sett är 250 W/m^2 vilket ungefär motsvarar en kapacitetsfaktor på 0,25 (om man antar att märkeffekten är baserad på 1000 W/m^2). Vidare har energilagring, exempelvis i smält salt antagits, vilket teoretiskt skulle kunna dubblera kapacitetsfaktorn. När det gäller utbyggnad av solkraften har det antagits att enbart solvärmekraftverk uppförs och inte anläggningar baserade på solceller. Anledningen till detta är att de förstnämnda kan leverera både elektricitet och värme samt har förutsättningar för åtminstone en viss energilagring, till skillnad från solcellsbaserade kraftverk.

Kärnkraften byggs vid behov ut kraftfullt tillsammans med ovanstående förnyelsebara energikällor och fyller glappen mellan tillgång och efterfrågan. Finns inte behovet antas en avveckling i lämplig takt. Livslängden för nya kärnkraftverk har antagits vara 60 år och kapacitetsfaktorn 0,9. De första 50 åren spelar det egentligen ingen roll om det är traditionella lättvattenreaktorer 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.

När det gäller sol- och vindkraft är dessa helt förnyelsebara energikällor och angående resursbasen för geotermisk energi har det redan konstaterats att den är tillräcklig för att på egen hand försörja världen i högenergiscenariot under betydligt längre tid än 4000år.

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 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, trots att den inleddes under en pågående oljekris och lågkonjunktur. 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 de andra 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 vindkraft, 112 EJ för 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 vindkraft, 224 EJ för solenergi och 425 EJ 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 vilket antagligen är ett pessimistiskt antagande. 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 i beräkningarna.

De EROEI-analyser jag gjort av kärn-, vind-, sol– och geotermisk kraft har visat att det ovan nämnda förhållandet mellan de fyra energikällorna är ganska realistiskt om man förutsätter att respektive energikälla ska bära sin egen expansion. Baserat på EROEI skulle dock vindkraft kunna expandera med ungefär halva takten jämfört med kärnkraft, men ovanstående siffror pekar på en något lägre takt. Undantaget är brid- och/eller toriumreaktorer som skulle kunna expandera dubbelt så snabbt som konventionell kärnkraft. Jag har dock inte tagit höjd för denna möjlighet här.

En invändning mot hela analysen skulle kunna vara att den ovan nämnda expansionstakten inte är realistisk. 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 fossileldade kraftstationer i drift världen över. Om man antar att de äldsta är 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 mitt scenario.

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 vindkraften att nå upp till gränsvärdet 10 % vilket inträffar redan 2050, alltså efter 40 år av kontinuerlig expansion. Kärnkraften kan fasas ut över 60 år vilket skulle innebära att de kraftverk som uppförs idag blir de sista. För att fylla resterande behov delas produktionen lika mellan solenergi och geotermisk energi för att den intermittens som till viss del fortfarande finns hos den solbaserade produktionen inte skall ställa till problem för energisäkerheten. Det finns dock större potential för solenergi än vad som framgår av resultatet.

För normalenergiscenariot blir resultatet följande: 

Resultatet är egentligen mycket likt detsamma för lågenergiscenariot förutom att sol- och geotermisk energi är totalt dominerande. Även här finns utrymme för att ge solenergi en större andel men precis som i det föregående fallet har produktionen delats lika mellan de båda energislagen.

Resultatet av högenergiscenariot illustreras nedan: 

Det snabba bortfallet av de fossila energikällorna tillsammans med en kraftig ökning på behovssidan leder till att detta inte kan täckas utan en massiv satsning på kärnkraft då denna enligt mitt sätt att räkna är den energikälla som kan expanderas snabbast. Vindkraft får enbart resurser i ett kort initial skede och blir därmed en parentes i energihistorien. Anledningen till detta är att resurserna måste avsättas till kärnkraft och geotermisk energi. Det kan vara svårt att utläsa exakt ur diagrammet men vid analysperiodens slut står solenergi för 18 % av den totala energiproduktionen, geotermisk energi för drygt 34 % och kärnkraft för 42 %.

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.

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.

Tillägg:

Ett alternativt sätt att ta fram en realistiskt expansiontakt och sammansättning av energikällor är att titta på EROEI. Genom att titta på hur fördelningen mellan olika energikällor ser ut idag och vilket EROEI dessa har kan man beräkna ett sorts globalt EROEI. Om man sedan väljer en expansion med en sammansättning och takt som håller det globala EROEI oförändrat eller låter det öka bör inte scenariot vara orealistiskt.

Det är intressant att notera att det endast är för högenergiscenariot ovan som det globala EROEI ökar då en stor del av energiproduktionen sker med hjälp av brid- och/eller toriumreaktorer med nära på oöverträffad energibalans. För låg- och mediumscenariot sjunker det globala värdet något då en betydande del av energiförörjningen tillgodoses av sol- och vind.