MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi - Kap. 10 Energikilder Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo FERMiO, 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Solenergi, energireserver og forbruk Figur: Bellona

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Verdens energiforbruk Figur: Statoil

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Verdens landområder

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Verdens befolkning (2002)

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Verdens personbiler (2002)

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Verdens forbruk av brensel (2001) Brensel: gass, kull, olje, bio og kjernekraft

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Verdens økte forbruk av brensel (1980 – 2001)

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

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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Solen –Hydrogenbrenning Totalreaksjon: 4 protoner blir til en heliumkjerne + tre typer stråling: p = 4 2 He + 2e  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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Stråling til Jorden (Repetisjon fra Kap. 2) 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 (kap. 2) burde temperaturen på jordoverflaten være omtrent -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.

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

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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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://

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Vindatlas for Norge på internett Fra

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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 Figurer: Kværner, Norsk Hydro

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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 Mange praktiske problemer (eks. algevekst og korrosjon) Figurer:

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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:

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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 planlagte ilandførings- og LNG-anlegg på Melkøya ved Hammerfest Dagens LNG-skip, utviklet av Kværner Figurer: Statoil

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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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:

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi CO 2 -deponering mer et spørsmål om pris enn teknologi og muligheter Figur:

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Tidevannskraft Månens (og Solens) 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Kjernefysiske bomber Atom-bomben –Fisjon (U eller Pu) –Kritisk masse nås ved en konvensjonell 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

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi 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 ny og bedre konvertering, lagring og transport av energi (neste kapittel). For dette trenger vi nye og forbedrede materialer. Figur: Bellona