MENA 1000 Materialer energi og nanoteknologi Kap 10

MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi - Kap. 10 Energikilder Forbruk, reserver Sol Direkte; sollys Indirekte; vind, vann Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo FERMi. O, Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Fossile Miljø, klima H 2, CO 2 Tidevann Geotermiske truls. norby@kjemi. uio. no MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Nukleære

Energikilder og –bruk med hydrogenlagring Fornybar solenergi direkte indirekte Kilder Kjerne- Geo- Tidekraft varme vann Fordeling Lagring Fossile brensel (ikke- Bio fornybar energi) Solvarme Fotovoltaisk Vind, bølge Elektrolyse Hydrogen Transport Brenselcelle Bruk Motor Varme Elektrisitet MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Vannkraft

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

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

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

Energy flow diagram for USA 1999 Dresselhaus & Thomas, "Alternative energy technologies", Nature Insight: Materials for clean energy, Nature 414 (2001) 332. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: http: //www. nve. no

Solen • Solen – Hydrogenbrenning Totalreaksjon: 4 protoner blir til en heliumkjerne + tre typer stråling: 411 p = 42 He + 2 e+ + 2 + 3 Solen gir fra seg energi som stråling og mister litt masse i hht. Einstein: E = mc 2 Total effekt: 3, 86*1026 W Temperaturen i kjernen: T = 15 600 000 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*1011 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. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3 FY.

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

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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: http: //acre. murdoch. edu. au/refiles/pv/text. html

Indirekte solenergi - vind • Moden teknologi – Trenger lagring av produsert strøm • Ikke bedriftsøkonomisk lønnsom ennå – Trenger offentlig støtte – Kostnader synker stadig • (2/3 reduksjon 1981 -1995) • ”Fullt” utnyttet i enkelte land Vinge for 4 MW mølle: 60 m, 14 tonn, glassfiber – eks. Danmark – Norge langt etter • • • Har gode vindressurser Stort inngrep i landskap (? ) Kostbar installasjon Velegnet offshore mål: 10 TWh (1000 MW) i 2010 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Fotos: http: //www. windmillworld. com/, http: //www. ing. dk, Norsk Hydro

Vindatlas for Norge på internett http: //www. nve. no/vindatlas/ MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Fra http: //www. nve. no/vindatlas/

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

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

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) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: http: //exergy. se/goran/cng/alten/proj/98/osmotic/#intro.

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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: Bellona, Høgskolen i Volda

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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: http: //www. mikrokraft. no/gasskraft. htm

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 k. W elektrisitet inn kan typisk gi 3 k. W varme ut. • Vi varmer huset og kjøler uteluften (eller hav/sjø). Solen varmer omgivelsene opp igjen over tid, dvs. dette er i lengden solenergi. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: SINTEF

Fossile energikilder • Kull – Komplekst • organisk – • • C, H, O, S, N mineralsk Hydrokarboner – Alkaner; mettede • • Cn. H 2 n+2 Metan, 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 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 O MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: Bellona, Wade: Organic Chemistry

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 – SOx; 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 • Destillasjonstårn og cracker Prosessering – Hydrogenering/dehydrogenering – Oksidasjon, aromatisering, polymerisering MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Petroleumsindustri: olje og gass Petrokjemisk industri: avledede produkter Figur: Wade: Organic Chemistry

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: Snøhvitfeltets planlagte ilandførings- og LNG-anlegg på Melkøya ved Hammerfest • Partiell oksidasjon til syntesegass CH 4 + ½O 2 = CO + 2 H 2 • Dampreformering til syntesegass CH 4 + H 2 O = CO + 3 H 2 • Vann-skift CO + H 2 O = CO 2 + H 2 • Metanolsyntese CO + 2 H 2 = CH 3 OH • Dimerisering, eks. 2 CH 4 = C 2 H 6 + H 2 Dagens LNG-skip, utviklet av Kværner MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: Statoil

Fra fossil til fornybar energi • Reservene av hydrokarboner varer ikke evig • Redskaper: • Bedre bruk av fossil energi • CO 2 endrer trolig klimaet dramatisk • Utbygging av fornybar energi • • Overgang til ikke-fossil, fornybar energi er derfor nødvendig • Energieffektivisering Dette vil måtte gjøres over tid, fordi • + kombinasjoner – 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…) • Krever nye og bedre prosesser og materialer (derfor MEF 1000!) 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 etter forbrenning (skille CO 2 fra N 2 og H 2 O) 1. Amin-absorbsjon 2. Alternative metoder 1. Separasjon av O 2 og N 2 i luft før forbrenning (skille CO 2 fra H 2 O) 1. Luftdestillasjon 2. Membraner • Separasjon av CO 2 før forbrenning (skille CO 2 fra H 2) Figur: Bellona. org 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 etter forbrenning (skille CO 2 fra N 2 og H 2 O) 1. Amin-absorbsjon 2. Alternative metoder 1. Separasjon av O 2 og N 2 i luft før forbrenning (skille CO 2 fra H 2 O) 1. Luftdestillasjon 2. Membraner • Separasjon av CO 2 før forbrenning (skille CO 2 fra H 2) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: Bellona. org

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 etter forbrenning (skille CO 2 fra N 2 og H 2 O) 1. Amin-absorbsjon 2. Alternative metoder 1. Separasjon av O 2 og N 2 i luft før forbrenning (skille CO 2 fra H 2 O) 1. Luftdestillasjon 2. Membraner • Separasjon av CO 2 før forbrenning (skille CO 2 fra H 2) Figur: Bellona. org MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

CO 2 -deponering mer et spørsmål om pris enn teknologi og muligheter MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: http: //script 3. ftech. net/~ieagreen/what_is_co 2. htm

Carbon Black & Hydrogen (CB&H) Hydrogen fremstilles ved spaltning (plasma-cracking) av metan: CH 4 = C(s) + 2 H 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 CH 4 Ekstraksjon av hydrogen (med nitrogenet som sveipgass) Deponering av CO 2 Eksempler på materialer: CO + CO 2 + H 2 O O 2 - O 2+N 2 2 e- N 2 La 0. 9 Sr 0. 1 Fe. O 3 -y La 2 Ni. O 4+y CO + CO 2 + H 2 O H+ H 2 Pd Sr. Ce 0. 95 Yb 0. 05 O 3 CO + CO 2 + H 2 O MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi e-

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

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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: Hammerfest Strøm

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 + 142 Ba + 2 n + energi En fisjonsreaktor har – – brenselsstaver med 235 U absorbatorstaver (eks. Cd) moderatorstaver (eks. grafitt, H 2 O) kjølemiddel (H 2 O, D 2 O) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: The Uranium Institute, Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

Kjernekraft - fusjon 10 000 K: 2 D + 3 T = 4 He + n + energi 6 Li + n = 4 He + 3 T Brensel: For eksempel Li. D Kunsten er å holde det stille lenge nok, uten kontakt til noen materialer, ved 108 K MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figurer: Lawrence Livermore Natl. Labs. , Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: US Do. E

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. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: Bellona