Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 10 Energikilder Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 10 Energikilder Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet."— Utskrift av presentasjonen:

1 MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 10 Energikilder Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Energikilder Forbruk, reserver Sol Direkte; sollys Indirekte; vind, vann Fossile Miljø, klima H 2, CO 2 Tidevann Geotermiske Nukleære

2 MEF 1000 – Materialer og energi Fornybar solenergi direkte indirekte Kjerne- kraft Geo- varme Fossile brensel (ikke- fornybar energi) Kilder Fordeling Lagring Transport Bruk Vind, bølge Vann- kraft Foto- voltaisk Elektrolyse Hydrogen Brenselcelle Sol- varme Varme Elektrisitet Motor Bio Tide- vann Energikilder og –bruk med hydrogenlagring

3 MEF 1000 – Materialer og energi Solenergi, energireserver og forbruk Figurer: Bellona

4 MEF 1000 – Materialer og energi Verdens energiforbruk Figur: Statoil

5 MEF 1000 – Materialer og energi Dresselhaus & Thomas, "Alternative energy technologies", Nature Insight: Materials for clean energy, Nature 414 (2001) 332. Energy flow diagram for USA 1999

6 MEF 1000 – Materialer og energi Energiforbruk i Norge Enheter: Effekt: W = J/s = VA = VC/s; typisk mange MW Energi: Wh, TWh; TWh/år Figur:

7 MEF 1000 – Materialer og energi Solen •Solen –Hydrogenbrenning Totalreaksjon: 4 protoner blir til en heliumkjerne + tre typer stråling: p = 4 2 He + 2e  + 3  Solen gir fra seg energi som stråling og mister litt masse i hht. Einstein: E = mc 2 Total effekt: 3,86*10 26 W Temperaturen i kjernen: T = K Temperaturen på overflaten: T = 5800 K  max = 0.1 – 1  m

8 MEF 1000 – Materialer og energi Stråling til Jorden •Jorden 1,496*10 11 m (150 millioner km) fra Solen Effekten pr m 2 (solarkonstanten S) avtar med kvadratet av avstanden. S (på jordens solside) = 1370 W/m 2 30% reflekteres direkte (albedoen), 70% absorberes (på solsiden) Stråling fra Jorden skjer fra hele overflaten på alle sider. Derfor kan Jorden avgi all stråling den mottar, selv om temperaturen er lav. I følge Stefan-Boltzmann burde temperaturen på jordoverflaten være omlag -20°C;  max = ca 15  m (infrarødt) Imidlertid sørger CO 2 og H 2 O for mer absorbsjon i dette området enn for sollyset (synlig og ultrafiolett område; O 3 og H 2 O), slik at temperaturen på overflaten er høyere for å oppnå energibalanse. Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

9 MEF 1000 – Materialer og energi Direkte solenergi - termisk •Absorbsjon av sort legeme –Fra lys til varme –Termisk solkraftverk –Lagring av varme mulig Figurer: Bellona, Høgskolen i Volda

10 MEF 1000 – Materialer og energi Direkte solenergi - fotovoltaisk •Absorbsjon i en p-n halvlederovergang –Fra lys til elektrisitet –Fotovoltaisk (PV) –Krever lagring av elektrisiteten –Kombinasjon med termisk absorbsjon gir økt utbytte av sollyset Figur:

11 MEF 1000 – Materialer og energi Indirekte solenergi - vind •Moden teknologi –Trenger lagring av produsert strøm •Ikke bedriftsøkonomisk lønnsom ennå –Trenger offentlig støtte –Kostnader synker stadig •(2/3 reduksjon ) •”Fullt” utnyttet i enkelte land –eks. Danmark –Norge langt etter •Har gode vindressurser •Stort inngrep i landskap (?) •Kostbar installasjon •Velegnet offshore •mål: 10 TWh (1000 MW) i 2010 Vinge for 4 MW mølle: 60 m, 14 tonn,glassfiber Fotos: Norsk Hydrohttp://www.windmillworld.com/

12 MEF 1000 – Materialer og energi Vindatlas for Norge på internett Fra

13 MEF 1000 – Materialer og energi Indirekte solenergi - bølger •To hovedtyper –Turbin basert på flottør eller annen bevegelse (opp-ned) •Åpent hav eller i kystformasjoner –Samling og fukusering av bølger; løftes inn i reservoar i basseng eller fjordarm •Turbin i utløp •Lagring innebygget Figur: Kværner

14 MEF 1000 – Materialer og energi Indirekte solenergi - vannkraft •Innebygget lagring i sjøer og demninger •Økende interesse for mindre vannkraftverk < 10 MW: Småkraftverk < 1 MW: Minikraftverk < 100 kW: Mikrokraftverk Figur: NVE, Energi teknikk AS, Mikrokraft AS

15 MEF 1000 – Materialer og energi Osmosekraft •Solen konsentrerer saltvannet ved fordampningen •I elvemunninger returneres energien (entropi!) når saltvannet fortynnes •Osmose: Membran (biologisk/polymer) med høyere permeabilitet for vann enn for saltioner •Vann strømmer inntil trykket på saltsiden oppveier gevinsten ved fortynning •Kan utnyttes til kraftgenerering •Praktiske problemer Figurer:

16 MEF 1000 – Materialer og energi Bioenergi •Biomasse –Trevirke, kompost, avfall •Termokjemisk prosessering –Pyrolyse •Produkt: Trekull, oljer –Gassifisering •Oksidasjon med damp, luft, O 2 •Produkt: CH 4, C 3 H 8, CO, H 2 •Forbrenning Figurer: Bellona, Høgskolen i Volda

17 MEF 1000 – Materialer og energi Deponigass •Avfallsdeponier utvikler gass ved forråtnelse og gassifisering •Kan brukes til elektrisitet og fjernvarme •Oslo: –1000 GWh/år bioenergi –Mest fjernvarme –50 GWh elektrisk via dampturbin Figurer:

18 MEF 1000 – Materialer og energi Varmepumper •Varm luft (T > 0 K) kan deles i en varmere del og en kaldere del, med konstant totalenergi. •Det koster litt energi (typisk 25%) å kjøre prosessen i endelig hastighet. •Dvs: 1 kW elektrisitet inn kan typisk gi 3 kW varme ut. •Vi varmer huset og kjøler uteluften (eller hav/sjø). Solen varmer omgivelsene opp igjen over tid, dvs. dette er i lengden solenergi. Figurer: SINTEF

19 MEF 1000 – Materialer og energi Fossile energikilder •Kull –Komplekst •organisk –C,H,O,S,N •mineralsk •Hydrokarboner –Alkaner; mettede •C n H 2n+2 •Metan, etan, propan, butan… –Alkener og alkyner (umettede) •eks. eten C 2 H 4 og etyn (C 2 H 2 ) –Uforgrenede/forgrenede –Uaromatiske/aromatiske (ringformede) –Gass: n = 1..3 –Råolje: n = 2…. –Forbrenner til CO 2 og H 2 O, eks.: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O Figurer: Bellona, Wade: Organic Chemistry

20 MEF 1000 – Materialer og energi Kull •Største reserve av energi på jorden –Mange kvaliteter –Mange bruksområder •Forbrenning •Foredling som brensel •Råstoff •Karbotermisk reduksjon – fremstilling av metaller •Behandling som for biomasse: –Forbrenning –Pyrolyse •koks –Forgassing •Med damp til vanngass: C + H 2 O = CO + H 2 •Høye innhold av svovel –SO x ; sur nedbør •Sot

21 MEF 1000 – Materialer og energi Olje •Råolje: –Gass, flytende, fast –Varierende svovelinnhold •Fraksjonert destillasjon, bl.a.: –Gass (n=1..2) –LPG (Liquefied Petroleum Gas) (n=3..4) –Bensin (n=5..8) –Flybensin og diesel (n=9..16) –Oljer (fyring, smøring) (n=16..30) –Paraffinvoks (n>25) –Asfalt (n>35) •Cracking –Deling i mindre komponenter –Øker andelen lettere råstoffer, for bensin og polymerer •Prosessering –Hydrogenering/dehydrogenering –Oksidasjon, aromatisering, polymerisering Petroleumsindustri: olje og gass Petrokjemisk industri: avledede produkter Destillasjonstårn og cracker Figur: Wade: Organic Chemistry

22 MEF 1000 – Materialer og energi Naturgass –Sammensetning: 70% CH 4 10% C 2 H 6 15% C 3 H 8 5% andre –LNG (Liquefied Natural Gas) –Lave svovelinnhold –Viktige reaksjoner: •Partiell oksidasjon til syntesegass CH 4 + ½O 2 = CO + 2H 2 •Dampreformering til syntesegass CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 •Vann-skift CO + H 2 O = CO 2 + H 2 •Metanolsyntese CO + 2H 2 = CH 3 OH •Dimerisering, eks. 2CH 4 = C 2 H 6 + H 2 Snøhvitfeltets ilandførings- og LNG-anlegg på Melkøya ved Hammerfest Dagens LNG-skip, utviklet av Kværner Figurer: Statoil

23 MEF 1000 – Materialer og energi Fra fossil til fornybar energi •Reservene av hydrokarboner varer ikke evig •CO 2 endrer klimaet dramatisk •Overgang til ikke-fossil, fornybar energi er derfor nødvendig •Dette vil måtte gjøres over tid, fordi –fornybar energi er mye dyrere enn fossil –hydrogen fra fossile kilder er mye billigere enn fra fornybare –fornybar energi er ikke enkel å transportere og lagre, –overgangen krever mye ekstra energi •Redskaper: •Bedre bruk av fossil energi •Utbygging av fornybar energi •Energieffektivisering •+ kombinasjoner •Krever nye og bedre prosesser og materialer (derfor MEF1000!)

24 MEF 1000 – Materialer og energi CO 2 -separasjon – ”CO 2 -fritt kraftverk” •C eller CO 2 må mest mulig fjernes fra fossile brensel, og deponeres, slik at vi i praksis brenner bare hydrogenet •Separasjon av CO 2 før forbrenning (skille CO 2 fra H 2 ) •Separasjon av CO 2 etter forbrenning (skille CO 2 fra N 2 og H 2 O) –Amin-absorbsjon –Alternative metoder •Separasjon av O 2 og N 2 i luft før forbrenning (skille CO 2 fra H 2 O) –Luftdestillasjon –”Oxyfuel” Figur:

25 MEF 1000 – Materialer og energi CO 2 -deponering mer et spørsmål om pris enn teknologi og muligheter Figur:

26 MEF 1000 – Materialer og energi Carbon Black & Hydrogen (CB&H) Hydrogen fremstilles ved spaltning (plasma-cracking) av metan: CH 4 = C(s) + 2H 2 Karbon som finkornet sot Råstoff for gummi, farge etc. men for liten etterspørsel Deponering i gruver? Energi & råstoff for fremtiden? Hydrogenlagringsmateriale

27 MEF 1000 – Materialer og energi CO 2 - og H 2 -håndtering med blandede ledere for gasseparasjonsmembraner Fra naturgass til syntesegass uten nitrogen Ekstraksjon av hydrogen (med nitrogenet som sveipgass) Deponering av CO 2 Eksempler på materialer: La 0.9 Sr 0.1 FeO 3-y La 2 NiO 4+y Pd SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3 O 2- 2 e - O 2 +N 2 N2N2 CH 4 CO + CO 2 + H 2 + H 2 O H+H+ e-e- H2H2 CO + CO 2 + H 2 + H 2 O

28 MEF 1000 – Materialer og energi Kombinerte/integrerte systemer for å løse lokalistets- og transportproblemer. Eksempel: Fossil energi + solenergi PV CO 2 CH 3 OH Gas, oil, coal Transport Processing CO 2 extraction Transport Gas turbine/generator and/or fuel cell H2OH2O Electrolyser Fuel cell CO 2 + H 2 O H2H2 Transport

29 MEF 1000 – Materialer og energi Tidevannskraft •Månens gravitasjon trekker på havvannet i regelmessige svingninger •To prinsipper: –Mølle som utnytter strømmen gjennom sund begge retninger –Oppfylling av åpnet basseng eller fjordarm – stengning – utløp gjennom turbin •Norges første anlegg i Kvalsundet ved Hammerfest Figurer: Hammerfest Strøm

30 MEF 1000 – Materialer og energi Geotermisk varme og jordvarme •Kilder til geotermisk energi: –Varmestrøm fra jordens varme kjerne –Kjernereaksjoner i mantelen •Strømmer til jordoverflaten –Gjennomsnittlig 0,063 W/m 2 –Totalt 32 TW for hele kloden •Virker sammen med oppvarming fra sola; jordvarme •Vi kan ta ut geotermisk varme fra store dyp eller der varme når opp gjennom sprekker i skorpen > 40°C: Oppvarming > 150°C: Dampturbin for elektrisitet

31 MEF 1000 – Materialer og energi Kjernekraft - fisjon •Uran; flere isotoper; 238 U (stabil) og 235 U •Anriker uran på 235 U ved filtrering av UF 6 (g) • 235 U + n (”kaldt”) = 236 U = 92 Kr Ba + 2n + energi •En fisjonsreaktor har –brenselsstaver med 235 U –absorbatorstaver (eks. Cd) –moderatorstaver (eks. grafitt, H 2 O) –kjølemiddel (H 2 O, D 2 O) Figurer: The Uranium Institute, Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

32 MEF 1000 – Materialer og energi Kjernekraft - fusjon K: 2 D + 3 T = 4 He + n + energi 6 Li + n = 4 He + 3 T Brensel: For eksempel LiD Kunsten er å holde det stille lenge nok, uten kontakt til noen materialer, ved 10 8 K Figurer: Lawrence Livermore Natl. Labs., Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

33 MEF 1000 – Materialer og energi Kjernefysiske bomber •Atom-bomben –Fisjon (U eller Pu) –Kritisk masse nås ved en kovensjonell eksplosjon •Hydrogen-bomben –Fusjon (D+T) –Kritisk masse nås ved en fisjons-eksplosjon •Nøytron-bomben –H-bombe i stor høyde –Nøytronstrømmen er den ødeleggende effekten Figur: US DoE

34 MEF 1000 – Materialer og energi Oppsummering •Bærekraftig bruk av energi: –Bedre bruk av fossile reserver •Med reduserte CO 2 -ustlipp –Utbygge fornybare kilder –Ta i bruk hydrogenteknologi •med hydrogen fra både fossile og fornybare kilder –Effektivisere bruk av energi •Nøkkelen ligger i nye og forbedrede materialer Figur: Bellona


Laste ned ppt "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 10 Energikilder Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google