Statistisk termodynamik med tillämpningarLTH, 2019 - 11 - 25

Energi för en hållbar framtid

Thomas B JohanssonProfessor och Director em., International Insitute for Industrial Environmental

Economics (IIIEE), Lund University, Lund, Sweden,

Former Co-Chair, Global Energy Assessement, International Institute for Applied Sytsems Analysis (IIASA), Laxenburg, Austria

Former Commissioner, Fossil Free Road Transport, Ministry of Energy, Sweden

0

100

200

300

400

500

1850 1900 1950 2000

Pri

ma

ry E

ne

rgy

(E

J)

Biomass

Oil

Gas

Renewable

NuclearMicrochip

Steammotor

Gasolinetube

Commercial Nuclear

Television

engine

engineElectric

Vacuum

energy

Coal

aviation

World Primary Energy

Source: Nakicenovic et al., 1998

?

Utmaningar som leder till krav på förändrade energisystem

a. Energitjänster för växande befolkningar och ekonomier, från 7.7 till ~11 miljarder 2050; 2%/a p.c.

b. Universell tillgång till moderna energibärare ( ~3 miljarder har det inte för matlagning; ~1 miljard har inte elektricitet)

c. Överkomliga kostnader för energitjänster d. Säker energitillförsel, från hushåll till nationer, e. lokala and regionala hälso- och miljöfrågor

(WHO’s riktlinjer)f. Motverka klimatförändringar (global

uppvärmning <+1.5 - 2 oC över förindustriell nivå)g. fredsfrågorh. Övriga risker (stora olyckor, kärnvapenspridning,

livsmedelsprod)

=> Mycket stora förändringar i energisystemen behövs

Dessa utmaningar måste hanteras

• Adekvat

• Samtidigt

• Tillräckligt snabbt

FN:s hållbarhetsmål 2015

Goal 7: Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern

energy for allTargets• By 2030, ensure universal access to affordable,

reliable and modern energy services• By 2030, increase substantially the share of

renewable energy in the global energy mix• By 2030, double the global rate of improvement in

energy efficiency• By 2030, enhance international cooperation to

facilitate access to clean energy research and technology, including renewable energy, energy efficiency and advanced and cleaner fossil-fuel technology, and promote investment in energy infrastructure and clean energy technology

• By 2030, expand infrastructure and upgrade technology for supplying modern and sustainable energy services for all ….

Utveckling, hälsa, kvinnors situation,

växthusgaser

MATLAGNING

Access to Electricity

• In 2016: 14% of the global population lived without electricity – approx. 1.06 billion people (majority in SSA and Asia-Pacific regions)

• DREA systems were serving ~300 million people by end-2016

klimatfrågan

Atmospheric concentration

The global CO2 concentration increased from ~277ppm in 1750 to 403ppm in 2016 (up 45%)2016 was the first full year with concentration above 400ppm

Globally averaged surface atmospheric CO2 concentration. Data from: NOAA-ESRL after 1980; the Scripps Institution of Oceanography before 1980 (harmonised to recent data by adding 0.542ppm)

Source: NOAA-ESRL; Scripps Institution of Oceanography; Le Quéré et al 2017; Global Carbon Budget 2017

Source: IPCC Special Report on Global Warming of 1.5°C

CO2, CH4 and temperature records from Antarctic ice core data Source: Vimeux, F., K.M. Cuffey, and Jouzel, J., 2002, "New insights into Southern Hemisphere temperature changes from Vostok ice cores using deuterium excess correction", Earth and Planetary Science Letters, 203, 829-843.

Schematic illustration of possible future pathways of the climate. The interglacial state of the Earth System is at the top of the glacial–interglacial cycle, while the glacial state is at the bottom.

Steffen et al www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1810141115

Global map of potential tipping cascades.

Steffen et al www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1810141115

Parisavtalet

• Håll ökningen av den globala genomsnsitts-temperaturen väl under 2 grader och försök begränsa den till 1.5 grader.

• Inga legalt bindande utsläppsminskningar.• INDC, Intended Nationally Determined

Contributions. Från “blame and shame” till “blame and encourage”.

• Legalt bindande rapportering, men inga sanktioner.

• Rapportering i 5 års cykler.• INDCs före Paris beräknades reducera

uppvärmningen från 4 – 5 grader till ca 2.7 grader.

Source: IPCC Special Report on Global Warming of 1.5°C

0

2050

2020

Global fossil CO2 emissions: 36.2 ± 2 GtCO2 in 2017, 63% over 1990

Projection for 2018: 37.1 ± 2 GtCO2, 2.7% higher than 2017 (range 1.8% to 3.7%)

Estimates for 2015, 2016 and 2017 are preliminary; 2018 is a projection based on partial data.Source: CDIAC; Le Quéré et al 2018; Global Carbon Budget 2018

Global Fossil CO2 Emissions

Uncertainty is ±5% for one standard deviation (IPCC “likely” range)

Emissions per capita

The 10 most populous countries span a wide range of development and emissions per person

Emission per capita: CO2 emissions from fossil fuel and industry divided by population

Source: Global Carbon Budget 2017

vad kan göras?

Vilka förändringar av energisystemen krävs?(står för ca 87 % av all antropogen CO2)

Huvudelement:• Energieffektivitet, särskilt i slutlig

användning• Förnybara energikällor• Kolinfångning och lagring (Carbon Capture

and Storage, (klimatpåverkan enbart)

• Effektiviseringar och förnybar energi kan ses som instrument för hållbar utveckling

Passive Buildings

Energy use for space conditioning reduced by 90+ % through application of better insulation, windows, doors etc., as well as heat recovery and solar gains. Applicable to both new construction and renovation.

Source: Jan Barta, Center for Passive Buildings, www.pasivnidomy.cz

0

50

100

150

200

250

Stávající zástavba Pasivní dům

celkov

á energ

ie [kW

h/m

2a] - 90%

Energimärkning av apparater

Source: David Sanborn Scott, 2004

26

Letter Horse Hay Agriculture Sunlight

Telegraph Steam Locomotive

Coal Coal mine Coal fields

Interntet, Mobile Phone

ICE Automobile

Gasoline Oil refinery Crude oil

Convergence Energy, Mobility

InformationHydrogen

Natural gas / fossils

SMR, decarbonization

Electrolysis

Sunlight

Wind

Uranium

1770s

1870s

1970s

2070s

Mobility and Communication Through Time

Biomass

Electricity

Electricity

Electricity

➜More than 2 million electric cars (including battery EV and plug-in hybrid EV) were sold in 2018

➜China had nearly 50% of global stock, followed by US at 22%

➜EV markets highly concentrated: 40% of all EVs were in use in just 20 cities

➜260 million electric two-wheelers and 40 million electric three-wheelers

Electric passenger vehicle stock

➜The additions in 2018 pushed cumulative capacity up 9% to 591 GW

➜Of the 51 GW added, nearly 47 GW was onshore and 4.5 GW was offshore

➜This was the fifth consecutive year with annual additions exceeding 50 GW, but also the third year of decline following the peak in 2015

Wind power capacity and additions

1.Increasing efficiencies2.Manufacturing scale3.Decreasing prices for raw materials

➜Solar PV capacity additions were more than 100 GW for the first time

➜Cumulative capacity reached 505 GW, an increase of 25%from 2017

Solar PV capacity additions pass 100 GW in 2018

➜Around 55% of these new additions were solar PV

➜Added in 2018:•100 GW of solar PV•51 GW of wind power•20 GW of hydropower•10 GW of bio-power, CSP and geothermal power

181 gigawatts of renewable power added in 2018

➜Renewables supplied an estimated 26.2%of global electricity at the end of 2018

➜For the first time, more electricity was from solar PV than bio-power

➜Strong growth in renewable generation, but rising electricity demand (up 4% in 2018) makes it challenging to achieve larger share

One quarter of global electricity is renewable

➜Investment in new renewable power capacity (including all hydropower) once again far exceeded that invested in fossil and nuclear power capacity in 2018

➜Investment in renewable power technologies accounted for 65% of the total of all new generating capacity

Investment in renewable power vs. fossil and nuclear

High Shares of Variable Renewable Power on the Grid

Nuclear PWR Investment CostsUS overnight excl. interest, France partly incl. interests

mean/best guess and min/max of costs

US: Koomey&Hultman, 2007; France: Grubler, 2009 Source: GEA Chapter 24, forthcoming

1000

10000

1 10 100

cum GW installed

20

08

$/k

W

US average

France best guess

Nuclear PWR Investment Costs(US overnight excl. interest, France partly incl. interests)

1980

1977

1985

1971

1975

1980

1983

1996

1995

5000

2000

3000

4000

1000

bio

mas

s u

pst

ream

em

issi

on

s

coal

up

stre

am e

mis

sio

ns

char

coal

flu

e g

ases

gri

d e

lect

ric

ity

dis

pla

ced

ph

oto

syn

thes

is

veh

icle

tai

lpip

eCO2

storagefu

el

biomass Conversion

Fu

el t

ran

sp

ort

/dis

trib

uti

on

ATMOSPHERE

Samförgasning av kol och bioenergi för samproduktion av kraft, bränslen och kemikalier, med CCS som leder till negativa CO2 utsläpp

Source: GEA Kapitel 12

Global Energy Assessment ställde frågan:

Finns det kombinationer av resurser och teknik, för slutlig använding och tillförsel av energi, som kan skapa energisystem vilka möter alla utmaningarna samtidigt?

www.globalenergyassessment.org

Samhälleliga mål i GEA’s back-casting secenario för 2050

• understödja ekonomisk tillväxt i sentida ”historisk” takt

• universell tillgång till el och ren matlagning, 2030

• minskade luftföroreningar, följ WHO’s riktlinjer

• undvik ”farlig” klimatförändring, högst + 2 oC över den förindustriella globala medeltemperaturen

• förbättra tillförselsäkerheten för energi, genom ökad mångfald och uthållighet

• hantera”peak oil” och undvika kärnvapenspridning

Branching points in GEA backcasting analysis

Source: GEA Chapter 17

GEA-Supply

1850 1900 1950 2000 2050

EJ

0

200

400

600

800

1000

1200GeothermalSolarWindHydroNuclearGas wCCSGas woCCSOilCoal wCCSCoal woCCSBiomass wCCSBiomass woCCS

BiomassCoal

Renewables

NuclearNuclear

Oil

Gas

1850 1900 1950 2000 2050

EJ

0

200

400

600

800

1000

1200GeothermalSolarWindHydroNuclearGas wCCSGas woCCSOilCoal wCCSCoal woCCSBiomass wCCSBiomass woCCS

1850 1900 1950 2000 2050

EJ

0

200

400

600

800

1000

1200GeothermalSolarWindHydroNuclearGas wCCSGas woCCSOilCoal wCCSCoal woCCSBiomass wCCSBiomass woCCS

BiomassCoal

Renewables

NuclearNuclear

Oil

Gas

BiomassCoal

Renewables

NuclearNuclear

Oil

Gas

Några slutsatser:

• Det finns många kombinationer som ”fungerar”

• Dessa skapar alla värden som inte avspeglas i villkoren för marknadernas aktörer

• effektivare energianvändning skapar störst flexibilitet, följt av förnybar energi

• CCS förmodligen ett ”måste”

• Kärnkraften är en option, men inte ett ”måste”

• Kraftfulla incitatment och kapacitetsutveckling nödvändiga; kan bara komma från den politiska processen

Sverige

Sweden 1970 – 2015.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Elanvändning per sektor fr.o.m. 1970, TWhTW

h

transporter

Bostäder och service

industri

Fjärrvärme mm

Överf förlust

Vindkraft, TWh/år2015 16.32016 15.52017 16.62018 16.62019 ~202022 ~44 !!

Elexport 2018/19 24 TWh

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Biogas

Biodiesel

Bioetanol

TW

hBiodrivmedel I transprtsektorn per bränsle, inrikes, fr o m 1995, TWh

Koldioxid från vägtrafiken 

Källa: Trafikverket

Förnybar energi i Sverige 1970 - 2017

Source: Jörgen Larsson, CTH, 2015

Emissions in Sweden from products being

exported

Emissions in Sweden from• Transport• Energy• Industy• Agriculture• Etc.

Emissions abroad from imports into Sweden and international transport

Consumption perspective

Geographicalperspective

Two ways of looking at emissions

Territoriella utsläpp och upptag av växthusgaser

jordbruk

inrikestransp.industri

LULUCF

1. utrikes transp.

2. lösn.med mm

3. avfall4. arbetsmask.5. uppvärmnin

g6. el o fjärrv

Totalt (excl LULUCF och utrik transp)

53.1 Mton 2018; +0.9 % från 2017

ton CO2 eq per capita

0

10

Consumption-based emissions (carbon footprint)

Allocating fossil and industry emissions to the consumption of products provides an alternative perspective.USA and EU28 are net importers of embodied emissions, China and India are net exporters.

Consumption-based emissions are calculated by adjusting the standard production-based emissions to account for international trade

Source: Peters et al 2011; Le Quéré et al 2017; Global Carbon Project 2017

Utmaningar som leder till krav på förändrade energisystem

a. Energitjänster för växande befolkningar och ekonomier, från 7.7 till 11 miljarder 2050; 2%/a p.c.

b. Universell tillgång till moderna energibärare ( ~3 miljarder har det inte; ~1 miljard har inte elektricitet)

c. Överkomliga kostnader för energitjänster d. Säker energitillförsel, från hushåll till nationer,e. lokala and regionala hälso- och miljöfrågor (WHO’s riktlinjer)f. Motverka klimatförändringar (<+1.5 - 2 oC över förindustriell nivå)g. fredsfrågorh. Övriga risker (stora olyckor, kärnvapenspridning, livsmedelsprod)

=> Mycket stora förändringar i energisystemen behövs

Samtidig (i) ekonomisk utveckling, (ii) fattigdomsbekämpning och (iii) minskning av

utsläppen av av växthusgaser

• Begreppet multiple benefits (ung. multipla värden) • Inkludera alla värden (sysselsättning, tillväxt, hälsa,

lokal miljö, minskad klimat påverkan, ....)• Att bedöma ett projekt på basis av € per undviket tC blir

missvisande.

• Effektiv energianvändning, särskilt i slutlig användning• Förnybar energi

Tillbaka till helheten: andra nyttor

• Tryggare energiförsörjning• Fler arbetstillfällen• Attraktivare och förbättrad tillgänglighet i städer • Mindre emissioner av luftföroreningar och buller• Ökad fysisk aktivitet och förbättrad hälsa• Ökat underlag för kollektivtrafiken• Minskat markanspråk för transporter• Ökad social integration och jämställdhet• Högre trafiksäkerhet• Långsiktigt lägre kostnader

inte bara energi

• Stadsplanering• Transportsystem• Materialanvändning• Markanvändning• Konsumtionsmönster • …..

➜Global subsidies for fossil fuel consumption reached an estimated USD 300 billion in 2017•an 11% increase from the year before•about double the estimated support for renewable power generation ➜Fossil fuel subsidies remained in place in at least 115 countries in 2017➜73 countries provide subsidies of more than USD 100 million each

Fossil fuel subsidies are still widespread

Tack!