Global uppvrmning Prof Bo Nordell Arkitektur och infrastruktur

Global uppvärmning Prof. Bo Nordell Arkitektur och infrastruktur Luleå tekniska universitet Landstingsfullmäktiges miljöseminarium Luleå den 8 mars 2007 Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Global uppvärmning Den globala uppvärmningen är ett vetenskapligt faktum l Startade ca 1880 och 1999 var temperaturhöjningen ca 0. 7 o. C dvs 0. 7/120 0. 006 o. C per år l Orsaken omtvistad – tre förklaringar – Växthuseffekten – Variationer i solinstrålningen – Termiska föroreningar l Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Orsaker till global uppvärmning Växthusförklaringen innebär att atmosfärens ökande CO 2 - halt höjer atmosfärens temperatur. l Variationer i solens instrålning - ännu inget starkt fotfäste l Termiska föroreningar – en koldioxidfri förklaring l Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Global uppvärmning = termisk förorening? En varm sommardag i Tokyo höjs lufttemperaturen 3 o. C pga luftkonditionering (heat islands). l Mänsklig aktivitet i Tokyo motsvarar ca 140 W/m 2 l Motsvarande för Stockholm är ca 70 W/m 2. l Utslaget på Sveriges yta är värmeutsläppet 0. 15 W/m 2. dvs 2 -3 ggr större än det geotermiska värmeflödet. l ÄR DETTA GLOBAL UPPVÄRMNING? Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Principen är enkel…… ”Släpper man ut värme i ett rum blir det varmare” - detta gäller även för det stora globala rummet… principen är inte kontroversiell utan självklar kritikerna menar att denna värmemängd är försumbar Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 Global and Planetary Change Vol. 38. Issue 3 -4. 305 -312

Miljöaktuellt. nov 2003 NK, 14 feb 2007 Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Nyhetsinslag i radions P 1 den 12 sep 2006 med Rickard Lundin, Lena Sommestad Professor Rickard Lundin (Svenska Institutet för Rymdfysik) ang. ”växthuseffekten” ”Det är ingen liten skara forskare som är av annan åsikt. Problemet är vilka som rätteligen skall betraktas som "klimatforskare". Glaciologer, hydrologer, solforskare, paleo-klimatologer, planetologer, och rymdvetenskapare hamnar utanför kategorin. Långa tidsserier av glaciologer och paleoklimatologer tagit fram ger en helt annan bild än den gängse mediadebatten. Skulle aldrig ha ställt upp i en debatt som denna om det inte vore för att jag har mitt på det torra och jag genom åren upplevt så mycken rädsla hos många forskare. Man hukar sig för att inte riskera sina ev. framtida forskningsanslag. De som inte ställer in sig i ledet och hyllar gängse uppfattningar hamnar lätt utan finansiering. Deras forskning Landstingsfullmäktiges 2007 -03 -08 betraktas som intressant, menmiljöseminarium, ändå ovidkommande i sammanhanget”.

Globala medeltemperaturer 15. 0 9. 4 8. 9 8. 4 7. 9 Temperature (o. C) 17. 0 9. 9 1880 MEDEL HAVSYTA Temperature (o. C) MARKYTA 16. 5 16. 0 15. 5 15. 0 1920 1960 2000 1880 1920 1960 2000 14. 5 14. 0 13. 5 13. 0 1880 1920 Global medeltemperatur över mark, hav, och globalt medel Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 1960 2000

Jordens energibalans Reflekterande strålning 428 W/m 2 (107 W/m 2) Solinstrålning (kortvågig) 1368 W/m 2 (342 W/m 2) (100 %) (30 %) (70 %) 940 W/m 2 (235 W/m 2) Utgående långvågig strålning Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 Jorden - Area = 4ΠR 2 - Tvärsnittsarea = ΠR 2

Jordens energibalans över en längre tidsperiod Nettovärmeutstrålning (Geotermisk energi, mm. ) Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

”Global” energibalans Utgående strålning = lampans effekt En 25 W lampa medför en viss konstant temperatur på globens yta Två 25 W lampor ger en högre yttemperatur Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Jordens energibalans över en längre tidsperiod Te= Jordens effektiva medeltemperatur (-18. 8 o. C) Nettovärmeutstrålning (Geotermisk energi. mm. ) Ts = Jordytans medeltemperatur • År 1880: 13. 6 o. C • År 1999: 14. 3 o. C Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Jordens energibalans • All solenergi som når Jorden återstrålas till rymden Jorden får inget nettovärmetillskott från Solen • Energibalansen för Jorden år 1880 (medeltemperatur = 13. 6 o. C) Nettovärmeutflödet = geotermiska flödet från Jordens inre • Energibalansen för Jorden år 1999 (medeltemperatur = 14. 3 o. C) Nettovärmeutflödet är högre än geotermiska flödet Det måste ha tillkommit en ytterligare nettovärmekälla Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Jordens nettovärmekällor Termodynamikens lagar säger oss att: – Energi kan inte skapas eller förstöras utan bara omvandlas – All använd energi (el. olja etc. ) blir slutligen till värme Användning förnyelsebar energi medför inget värmetillskott till Jorden, eftersom denna energi finns redan här l Användning av fossila bränslen + kärnkraft = värmetillskott l Detta värmetillskottet måste leda till global uppvärmning! l Frågan är bara i vilken grad? Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Jordens nettovärmekällor Icke-naturlig nettovärme l l Energiförbrukning Kol, Olja, Gas Kärnkraft Biobränsle > tillväxt Kärnvapentester, bomber Naturlig nettovärme Geotermisk energi l Vulkanutbrott l Jordbävningar l Meteoritnedfall l Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Värmeutsläpp från kärnkraftverk Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Jordens nettovärmekällor (utslaget över hela jordytan) Termisk förorening Naturlig värme Geotermiskt värmeflöde l Global energiförbrukning (fossilt + kärnkraft) All nettovärme l l Jorden var i jämvikt år 1880 - nettoutstrålning = 0. 068 W/m 2 (geotermiskt värmeflöde) l Jorden åter i jämvikt i framtiden då - nettoutstrålning = 0. 088 W/m 2 (all nettovärme) Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 0. 068 W/m 2 0. 020 W/m 2 0. 088 W/m 2

Jordens utstrålning Utstrålning: • • År 1880 = geotermiska flödet År 1999 = geotermiska flödet + ca 1/3 av våra värmeutsläpp Således blir 2/3 av våra värmeutsläpp kvar på Jorden Temperaturen kommer därför att öka tills temperaturen blir så hög att all nettovärme strålar ut. Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Global uppvärmning Global temperaturökning. i dag och i framtiden Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Sammanfattning Innan den globala uppvärmningen (~1880) Ø Medeltemperatur = 13. 6 o. C Ø Nettoutstrålning = geotermiskt värmeflöde (naturlig nettovärme) Sedan 1880 har fossila bränslen och kärnkraft tillkommit: Ø Icke naturliga nettovärmeutsläpp Ø Jordens medeltemperatur har ökat till 14. 3 o. C. Ø År 1999: Nettoutstrålning = geotermiskt värmeflöde + 1/3 av våra termiska föroreningar Ø FRAMTIDEN: Jordens temperatur måste öka ytterligare 1. 8 o. C för att åter komma i termisk balans. Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Fortsatt forskning – var finns värmen? Nettovärmeutsläp p Vatten Restvärme = global uppvärmning Mark Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 Luft

Global värmelagring dvs global uppvärmning, 1880 – 1999 Värmelagring: 1014. k. Wh % Mark 23, 9 (uppvärmning) 31, 5 Luft 5, 0 (uppvärmning) 6, 6 Hav 21, 6 (uppvärmning) 28, 5 Smältning av 16, 8 landis 22, 2 Genom att av betrakta global uppvärmning i Smältning 8, 5 havsis 11, 2 energitermer kan dess omfattning beräknas, 100, kvantifieras, och förstås. TOTALT 75, 8 Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 0

Globala värmeutsläpp, 1880 - 1999 Värmekälla: Energianvändnin g 1 1014. k. Wh % 34, 7 83, 6 Vulkanutbrott 2 3, 9 9, 5 Jordbävningar 2 2, 7 6, 5 Meteoritnedslag - - Kärnvapentester 0, 1 0, 2 Krig 0, 1 0, 2 TOTALT 41, 5 100, 0 1/ Endast kommersiell energianvändning, fossilt + kärnkraft 2/ Endast riktigt stora jordbävningar och vulkanutbrott finns med Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Global värmelagring – globala värmeutsläpp, 18801999 1014 k. Wh % Global värmelagring Luft, mark och vatten 75, 8 100, 0 Globala värmeutsläpp Nettovärme 41, 5 54, 7 Saknad värme 34, 3 45, 3 - Detta betyder att 55% av den globala uppvärmningen beror på 75, 8 100. 0 värmeutsläpp. TOTALT - Varifrån kommer den saknade värmen? - Hur stor är den icke-kommersiella energianvändningen? Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Exempel på icke-kommersiell energianvändning Fackling av gas Bränder i kolgruvor Torvbränder Olja för annat än energi (t. ex. plasttillverkning) Vedeldning> tillväxten Det finns högst sannolikt ytterligare nettovärmekällor!! Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Gasfackling S S S S Ca 20 länder står för 85% av facklingen Praxis i tidig oljeproduktion – ingen gasmarknad Afrikas gasfackling motsvarar 50% dess energianvändning Saudiarabien - 38 miljard m 3 (1980) till 0, 12 miljard m 3 (2004) Problemets omfattning - Världsbanken ger ut The News Flare Global fackling 1980 -2000 (2700 miljarder m 3) = 0. 3. 1014 k. Wh Facklingen har minskat kraftigt under senare år -> Den har gett stora värmeutsläpp sedan 1880. GROV UPPSKATTNING: Totalt ca 5. 1014 k. Wh sedan 1880? Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Var förekommer gasfackling? Europe: 3 bcm CIS: 15 -60 bcm Middle East: 30 bcm North America: 12 -17 bcm Africa: > 45 bcm Central and South America: 10 bcm Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 Asia: 7 -20 bcm

Bränder i kolgruvor och kolfält 100 -tals kolbränder pågår runt om i världen Underjordsbränder - svåra att lokalisera och släcka Några av de äldsta och största finns i Kina, USA, och Indien Den första branden i Indien startade för snart 100 år sedan - har nu spritt sig till 70 kolgruvor S I Kina brinner varje år 200 million ton kol (1. 3. 1012 k. Wh) - vilket motsvarar ca 20% av USAs årliga kolförbrukning S S GROV UPPSKATTNING: Totalt ca 5. 1014 k. Wh sedan 1880? Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Bränder i kolgruvor och kolfält Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Torvbränder kan också brinna under århundraden 1997 motsvarade CO 2 -utsläppen från torvbränder bara i Indonesien 40% av all global fossil förbränning S Fler än 100 torvbränder i Kalimantan and East Sumatra fortsätter att brinna sedan 1997 S Utan närmare studier är slutsatsen att dessa bränder bidrar till de globala värmeutsläppen i samma utsträckning som gasfackling och kolbränder. S S GROV UPPSKATTNING: Totalt ca 5. 1014 k. Wh sedan 1880? Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Ytterligare värmekällor Olja för plasttillverkning finns inte med i kommersiell energi Då plasten förr eller senare eldas frigörs värme S Även eldning av förnyelsebara värmekällor bidrar om de förbrukas i högre takt än de återbildas. S - Om det finns mindre skogsmassa idag än 1880 har även detta medfört ett nettovärmetillskott till Jorden GROV UPPSKATTNING? Totalt ca 5. 1014 k. Wh sedan 1880? En fransk student vid LTU försöker f. n. hjälpa mig att uppskatta icke-kommersiell energianvändning. Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Slutsatser Kommersiell energi-användning Förklarar 55% av den globala uppvärmningen Kommersiell + grovt skattad ickekommersiell energianvändning Förklarar 82% av den globala uppvärmningen Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Vad gör vi nu då? Minska CO 2 -utsläpp ? Lagra CO 2 under mark? Bygga ut kärnkraften? Kraftverk i rymden? ? NEJ! Alla dessa åtgärder minskar CO 2 -utsläppen minskar inte utsläppen av värme! Kärnkraft och rymdkraft resulterar båda i nettovärmeproduktion! Den enda framkomliga vägen är effektivare energianvändning samt att utnyttja förnyelsebar energi. Med förnyelsebar energi kan Jordens energibalans inte störas. Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Förnyelsebar energi Prof. Bo Nordell Arkitektur och infrastruktur Luleå tekniska universitet Landstingsfullmäktiges miljöseminarium Luleå den 8 mars 2007 Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Förnyelsebar energi - solenergi i någon form ● ● Motorbränsle - alkoholer (etanol), bio-oljor. . Elektricitet - ● solceller, vindkraft, vågkraft, biobränsle. . Värme/kyla - solfångare, spillvärme, naturlig värme/kyla i mark, luft och vatten Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Naturliga energikällor för värme och kyla Sommarvärme l Luft l Ytvatten l Sol l Mark l Grundvatten Vinterkyla l Luft l Ytvatten l Snö och is l Mark l Grundvatten För ett storskaligt utnyttjande av förnyelsebar energi krävs att energin kan lagras tills den behövs (korttids- och långtidslagring)! Tekniken finns - stora energilager byggs oftast under mark Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Markens temperatur VINTERTID SOMMARTIM Marken är varmare än lufttemperaturen Marken är kallare än lufttemperaturen Detta beror på att värme/kyla passivt lagras in mellan säsongerna. Markens medeltemperatur är ungefär lika med årsmedel i luft. Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Skillnad mellan högsta och lägsta månadsmedeltemperatur Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Borrhål i berg för kyla och värme Bergvärme för typiskt småhus • Borrdjup: ca 100 -150 m • Borrhålsdiameter: ca 110 mm • Värmefaktor: 3 -4 • Uttag: 20000 -30000 k. Wh varav ca ¼ är drivenergi till värmepump. • Inv. kostnad ca: 100. 000 kr • Avkastning: 10% • Ca 300. 000 installationer i Sverige tank för varmvatten värmepump Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 golvvärmesystem för lågtemperaturuppvärmning Borrhålsvärmeväxlare

Hur vanligt är bergvärme/bergkyla? • • Det finns ca 1. 2 miljoner borrhålssystem för värme och kyla i världen Hälften i USA och hälften i Europa, varav hälften i Sverige Det finns alltså 300. 000 bergvärmebrunnar i Sverige – ökning ca 40. 000/år Fo. U vid LTU och LTH har starkt medverkat till denna utveckling • • • Sveriges totala energibehov för uppvärmning och kylning är ca 100 TWh År 2000 kom ca 15% av denna energi från borrhålssystem År 2010 beräknas borrhålssystemens stå för 27% av all uppvärmning Ø dvs 20% av all uppvärmning sker med förnyelsebar energi Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

VÄRMELAGER LULEÅ Världens första - byggdes i Luleå Var i drift mellan 1983 -1990 SSABs spillvärme via fjärrvärmenätet Borrhål: 120 st á 65 m Volym: 120. 000 m 3 Årligt värmeuttag: ca 2000 MWh Lagringstemperatur: max 82 C Uttagstemperatur: 65 -35 C Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Därlingen Schweiz Sommar: värme från bro (väg) lagras i borrhålssystem Vinter: värmen håller vägen isfri Teknik kan användas för att hålla flygplatser snö- och isfria. Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Därlingen Schweiz Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Näsby Parks Slott, Stockholm Hybrid system - Boreholes with summer recharge from lake Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Näsby Parks Slott, Stockholm Boreholes Water intake Water outlet Heat load from buildings (18. 000 m 2) marked in yellow Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Chemistry Department, Lund Architecture Chemistry IKDC Energy store 165 boreholes Energy balance by combining buildings with different load profiles Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Heating load Chemistry IKDC Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Cooling load Architecture Chemistry IKDC Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Avantor-Nydalen, Oslo University Radisson Hotel Energy storage (wells) Housing flats Building area : 180. 000 m 2 Energy wells : 180 wells, 200 m deep Central heating and cooling station District heating and cooling Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 Office building

Anneberg: solvärme - säsongslagring - uppvärmning Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Utveckling värmepumpssystem för bostadshus (EHPA 2000) Sveriges totala uppvärmningsbehov är ca 100 TWh Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Värmepumpar för bostadshus EHPA 2001 År Antal system (st) Total kapacitet (MW) Värme produktion (TWh/år) Energibesparing (TWh/år) CO 2 reduktion (1000 ton/år) 2000 360. 000 2. 500 15 10 4. 000 2010 650. 000 4. 500 27 18 7. 200 Energibesparing är missvisande! Bör kallas förnyelsebar energi! Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Komfortkyla Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Is och snö - värdefull förnyelsebar resurs • Konventionell kylningskostnad ca 1 kr/k. Wh • 1 ton 0°C is/snö 1 ton 6°C water = 100 k. Wh • Snöns värde = 100 kr/ton Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

SNOW and ICE Natural snow Natural ice Artificial ice/snow Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Snölagringsmetoder Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 5

Snölagring/kylning Vinter Sommar Kyllast Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 2

Snölager Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Sundsvalls snölager (nov 1999) Längd: 140 m Bredd: 60 m Djup: ca 2 m Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Snökanon Snöproduktion: ca 100 m 3/h Lufttemperatur: < -2 o. C Verkningsgrad: 1: 100 -200 (1 k. Wh drivenergi ger 100 – 200 k. Wh kyla) Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Sundsvalls snölager, 40000 m 3 (2002) Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Kylkostnad Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Ännu lönsammare med ökande energipriser Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08 28

Potential Snölager LTU utformade Sundsvallslagret - världens första snölager (på mark) i stor skala. l Efter 5 år är Sundsvallslagret kylkostnad lägre än för konv. kylning l Stor potential i stora delar av Europa – St. Petersburg – årlig snötransport 20 milj. m 3 snö – Stockholm 1 -3 milj. m 3 snö/år – Japan, Kanada – Wiens flygplats. Studenter vid LTU deltar i projektet; ca 0, 5 milj m 3 snö/år motsv. ca 35. 000 MWh kyla; Kylningsbehov: 30. 000 MWh; Kyleffekt 31 MW. Mycket gynnsamma förutsättningar. l Snow. Power AB, ett nybildat företag i Luleå gör f. n. flera förstudier för snölagring – Plannja Hardtech; kontinuerlig processkylning (älvvatten/snö) – Sunderby sjukhus, kylning av sjukhuset under sommaren. l Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Bergrumslager för snö Volym: 100000 m 3 Kyla: 6000 MWh Anl. kostn. 50 MSEK Kyleffekt: valfri Betald fyllning Smältförlust ca 1 -2% Bör anslutas till fjärrkyla 1 års pay-off tid! Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08

Sammanfattning • • • Naturvärme och Naturkyla förnyelsebar energi som ger Lönsamma och miljöfrämjande lösningar Oftast krävs någon form av lagring - passiv eller aktiv • • Av världens markvärmepumpar finns hälften i USA och hälften i Europa, varav hälften finns i Sverige. Tekniken är tillförlitlig, ”förlåtande” Enastående potential • Naturvärme/naturkyla bör alltid övervägas vid uppvärmning/kylning • • • Norrbotten har synnerligen bra förutsättningar för naturenergi. Snökyla har en enorm potential – snöns värde 100 kr/ton! Det finns plats för många nya idéer och användningsområden Landstingsfullmäktiges miljöseminarium, 2007 -03 -08