Norge som foregangsland i energiteknologi

Våren 2000 deltok jeg på konferansen Transition to Sustainability in the 21st Century , arrangert av verdens vitenskapsakademier i Tokyo. Konferansen var støttet av FN. Mulighetene for en bærekraftig utvikling ble diskutert i lys av utviklingen av befolkningens størrelse, helse, matproduksjon, vann- og energiressurser.

Det ble konkludert at løsningen på helse- og befolkningsproblem må ligge i utdanning, særlig av kvinner. Det var oppløftende å høre at folkerike nasjoner som China, Indonesia og India, ikke så matforsyningen som umulig. På globalt nivå var heller ikke energiforsyningen i en kritisk situasjon. Det var rent vann, ren mat og et godt miljø som først kan bli mangelvare. Med andre ord; konklusjonen til Brundtlandkommisjonen fra 1987 ble bekreftet.

Det er altså miljømessige konsekvenser av energiteknologi som bør være sentral.

Klimamodellering

FNs klimapanel ble satt ned på bakgrunn av Brundtlandkommisjonens konklusjoner. Det er lagt ned et stort arbeide i modeller som simulerer klima. Modellene er basert på målte temperaturer siden 1860. Temperaturene rundt 1960 er satt til null.

I forhold til dette nivå er det en målt temperatur-stigning på 0,5 celsius siste 20 år Kurven er illustrert i Figur 1 (1).

" width="120" height="89" align="left">

Klimamodellene inneholder utslipp av CO 2 som en variabel. Denne variabelen har blitt effektiv først de senere årene, se Figur 2 (1). Det er den predikerte variasjon i dette utslippet og andre drivhusgasser, som sier at vi får en stigning i temperaturen de nærmeste 30 år (2).

Det har hele tiden vært stilt spørsmål om modellen er til å stole på.

Kyotoavtalen

Kyotoavlaten i 1997 kom istand etter føre-var prinsippet. Avtalen er en utslipps-forpliktelse for industriland. Målet med den er å redusere samlede utslipp til minst 5 prosent under 1990-nivå, i en periode fra år 2008 til 2012. Forpliktelsene varierer fra land til land. Norge er i en særstilling. Vi skal ikke øke utslippene mer enn 1 prosent. Dette skyldes vår helt særegne situasjon med vannkraft.

Nasjonene har forsøkt å svare på Kyotoprotokollen på tre måter. For det første innføres nasjonal konsesjonsbehandling av nye anlegg etter forurensningsloven. For det andre arbeides med holdningsendringer. Slike endringer kan ikke vedtas, men det blir oppmuntret til dem. For det tredje arbeides med internasjonale reguleringer, økonomiske virkemidler og stimuleringsordninger. Her kommer mulighet for byttehandel med CO 2 -kvoter inn i bildet.

Forhandlingene i den Haag

I den Haag forhandlet man om hvordan kvotehandelen skulle skje. USA ville ha bonus for opptak av CO 2 i eksisterende skogarealer. Dette medførte at noen i-land ikke ville behøve å gjøre forandringer i sitt utslipp. EU-land, U-land og Kina mente at dette ikke var tilstrekkelig. Norge fulgte hverken EU eller USA. Sammenbruddet var skuffende fordi mange er allerede villig til å betale for å endre på temperaturkurven

Termodynamikkens lover gjelder

Uansett om vi står foran en temperaturstigning eller ikke , bør vi arbeide med mer effektiv energiteknologi. Vi kan nemlig komme til et punkt der verdens befolkning omsetter så mye mat og energi at, mengden avfall og utslipp blir for store til regenerering av miljøet. Dette var Brundtlandkommisjonens argument, selv om de ikke antydet at det var en grense for vekst.

Argumenter for en grense for vekst kan bygges på termodynamikkens annen lov. Den sier at det følger tap med all energiomsetning. Det er grenser for hvor små tapene kan være når en produksonshastighet skal oprettholdes. Produksjonshastigheten er gitt av befolkningens størrelse og behov.

For enhver prosess vil det være slik at det oppnådde arbeid, W, er mindre enn det vi maksimalt kunne fått med uendelig ventetid og kontrollerbare forhold, W max , (reversibel prosess):

W = W max – W tapt

Differensen mellom W max og W er tapt arbeid, W tapt . Det tapte arbeid, som på fagterminologi er entropiproduksjon ganger med omgivelsenes temperature, kan ses på som et slags friksjonstap. Det inneholder utslipp av varme (og avfall). Det blir en fysisk grense for vekst i behov fra en samlet befolkning, fordi miljøet bare kan ta hånd om en viss mengde tapt arbeid per tidsenhet. Med denne begrunnelse, blir det ikke avgjørende om klimamodellene er riktige eller ikke. Problemet med miljø kan vi ikke diskutere oss vekk fra.

Termodynamikkens annen lov skiller altså energitypene etter deres evne til å gjøre arbeid. Hvis vi måler prosessenes virkningsgrad, n, ved forholdet mellom W og W max , n = W/W max , vil vi ha en absolutt skala å måle med. Dette er en stor fordel hvis man ønsker klare premisser i en debatt.

Systematisk bruk av eksergianalyse

Evnen til å gjøre arbeid heter også eksergi. Eksergianalyse er en analyse som måler alle energiformer med en felles og rettferdig målestokk, med deres evne til å gjøre arbeid. Dette er et verktøy som bør tas mer systematisk i bruk i Norge, til analyse av energiomforming. Nå avdøde prof. Gustav Lorentzen ved NTH, var en pioner på området eksergianalyse, så Norge har solide tradisjoner å bygge på.

Ertesvåg (3) har laget den første eksergianalyse av aktivitetene i Norge. Figur 3 gleder for 1995 (3). Dette er det første nasjonale kart over resurssene vi har tatt ut et år og de tapene vi hadde på vei frem til forbruker. Til venstre i bildet ser vi de ressursene Norge tok ut fra ressursgrunnlaget, målt som eksergi, eller W max . Til høyre ser vi hva de brukes til (W).

Vi kan først notere at de stedene det er store diskontinuiteter i overgangen, er det store tap og sløsning (W tapt ). Boligoppvarming og transportområdet peker seg ut med store tap. Trevareindustri, kjemikalieomsetningen går med relativt mindre tap. Det er dette eksergianalyse kan brukes til: Å kartlegge hvor tapene er.

Vi kan konkludere for Norge som nasjon at det først og fremst er viktig å gjøre noe med boligoppvarming og transportsektoren. Kartet setter fokus på sluttbruker. Hos sluttbruker er de virkelig store tapene av nyttig arbeid i Norge.

Med sluttbruker i fokus

USA og Japan har lenge stått i spissen for utvikling av brenselceller til transportsektoren. En brenselcelle er som et batteri, som har mye større virkningsgrad enn bilmotoren. Under Prof. Tunolds og min ledelse arbeider flere på NTNU med muligheter for anvendelser i Norge. Møller-Holst og Vie har laget verdens best utstyrte teststasjon for brenselceller i vårt laboratorium. Island har en nasjonal plan i fem punkter. Siste punkt i denne planen sier at alle fiskefartøy skal ha brenselcelle. Norge er en sjøfartsnasjon med tradisjoner. Vi har bare hatt et forprosjekt. Hvorfor har ikke vi noen nasjonal plan? Det heter at det er for dyrt.

Med varmepumper kan vi produsere varme i boliger med langt større virkningsgrad. Stene (5) har regnet ut forbedringspotensialet i form av redusert CO 2 -utslipp, ved å innføre varmepumpe som siste ledd i boligoppvarming ved kraftproduksjon, se Figur 4. Hvis vi bruker kraft fra kullkraftverk, går vi opp langs den røde linjen på x-aksen, og leser av et sparingspotensial på ca. 20 prosent på y-aksen, der den røde linjen treffer kurven for varmepumpe. Hvis vi bruker kraft fra gasskraftverk, er sparingspotensialet mellom 50 og 75 prosent. Det gjennomsnittlige utgangspunktet for en del land er gitt på x-aksen. Vi ser at Norge ligger helt til venstre, mens Danmark har et høyt utslipp fra sine kullkraftfyrte kraftverk.

Den beste varmepumpe som er laget til oppvarming av vann, er laget i Norge (6,7). Nå blir denne varmepumpeteknologien solgt på lisens til Japan og blir utplassert i 15 000 hus. Hvorfor kan ikke det skje i Norge? Den er for dyr å innstallere i Norge, heter det.

I andre land selger de kraft til to priser. Kraft fra fornybare kilder, som vindkraft, er dyrere i Nederland enn kraft fra andre verk. Det koster 44 kr. mer pr. måned å få 3000 kWh levert fra vindkraftverk enn fra gasskraftverk. Etterspørselen er så stor at behovet ikke kan dekkes. Der bygges nå flere vindkraftverk. Når får vi dette tilbudet her?

Premissgrunnlag for beslutning om kraftproduksjon

Anta at vi forskere, politikere og borgere, har gjort alt vi kan for å spare på sluttbrukersiden, og må bygge nye kraftverk. Hvordan skal vi legge falige premisser for arbeidet? Eksergianalyse gir et totalperspektiv, men sier ikke alt om utslipp.

I det nye fagområdet industriell økologi, definerer man produksjon som god hvis den fører til lite utslipp per kilo materiale, produsert og resirkulert. Det er et poeng at vi skal ”tilbake til startmateriale” for at analysen skal være sluttført. Det skal være en livssyklus-analyse. Det er utviklet system for å sammenligne forskjellige typer utslipp.

Livssyklusanalyser forteller hvor det er miljømessige flaskehalser i en produksjon. Når produktet er et material, kan man si at livssyklus-analyse er tilstrekkelig, men ikke når produktet er energi. Det er ennå ingen omforenet måte å vekte energibehov i industriell økologi. Nordiske retningslinjer fra 1995 (7), sier at en bør skille mellom fornybar og ikke-fornybar energiproduksjon. Men Ayres og Ayres (8) foreslår at eksergianalyse må inkluderes i LCA, for å måle lagerbeholdning og strømmer, men også for å måle tap.

Utlsipp må være med i kartlegging av eksergivirkningsgrader, slik som de var i Stenes analyse. Men ikke bare drift av anlegg må være med. Hele livsløpet til anleggene må beregnes: byggefase, driftsfase og demonteringsfase inkludert.

Slikt arbeid har ikke vært gjort systematisk enda, men noe tall i den retningen finnes eller er under publisering, se Tabell 1. Tabell 1 viser virkningsgrader og utslipp i driftsfasen for en del kraftverk: vannkraftverk (9), SOFC (solid oxide fuel cell) høytemperatur brenselcelle (10), og tre typer gasskraftverk (11). De to første er gasskraftverk som er beskrevet i en rapport levert til den internasjonale energibyrået, IEA (12). Det første kaller fra nå av et standard gasskraftverk. Det har ingen resning av eksos. Det neste er samme kraftverk, men med absorbsjon (rensing) av CO 2 .

Til slutt er beregnet Norsk Hydros hydrogenkraftverk der CO 2 fjernes før gassen går inn i turbinen.

Vi ser at virkningsgraden i vannkraftverk er meget stor, ca. 95 prosent. En livsløpsanalyse av kraftverket i Jostedalen ga videre et utslipp på 3 gram CO 2 pr. kilowattime produsert (9). Dette utslippet kommer fra bruk av aluminium i kraftoverføringsnettet.

Vi ser videre at drift av brenselceller har en effektivitet (10) som er like stor som for standard gasskraftverk (10). (Utslipp knyttet til byggefase og demonteringsfase er ikke kjent for brenselceller og standard gasskraftverk). Det er altså ingen saklig grunn for å bruke stasjonære brenselceller fremfor gasskraftverk, sålenge de bruker samme råstoff. Begrunnelsen for brenselceller er at de kan erstatte forbrennings-motorer i transportsektoren, eller kombineres med denne i en hybridmotor.

Virkningsgraden I kraftverkene reduseres ganske mye når rensingen går opp. Men det er ingen forskjell på overordnet nivå mellom rensing før eller etter turbinene. Det vil si, det er ikke grunnlag for regjeringsskifte i resultatene i Tabell 1.

En helt fersk livsløpsanalyser for gasskraftverk med absorpsjon av CO2 (12) viser at utslipp fra byggefase og demonteringsfase representerer i størrelsesorden 10% av utslippet til standard kraftverk, typisk 30 g/kWh. Eksergieffektiviteten ble ikke påvirket synderlig av konstruksjonsfasen.

Tabell 1. Virkningsgrad og CO2 utslipp fra driftsfase i noen kraftverk.

Kraftverk Virkningsgrad Utslipp/eksergi produsert Vannkraftverk 95 0 g CO 2 /kWh 1) Brenselcelle 56 370 Gasskraft, uten rens 56 370 Gasskraft, etter-rens 47 61 2) H 2 Gasskraft, før-rens 48 65

ELCA gir 1) 3 gram CO 2 /kWh, 2) 90 gram CO 2 /kWh

Tabeller av denne type gir noen premisser for politiske beslutninger. Økonomiske vurderinger kommer selvfølgelig i tillegg. Det er et politisk ansvar å veie fordelene (redusert utslipp) mot ulempene (redusert effektivitet).

Kombinasjonsanlegg og integrerte prosesser

Hvordan går vi viderer med planlegging med data av denne type? Jeg har allerede nevnt hybridmotoren i biler. Den er eksempel på det vi kaller kombinasjonskraftverk. Brenselceller har vært utviklet av kjemikere, gasskraftverk av maskiningeniører. Nå settes scenen for samarbeid mellom nye partnere. Kombinasjonen av de to enhetene gir enda høyere virkningsgrad, hele 0.7, i et konsept foreslått av Bolland og Aaberg. Fremtiden vil inneholde en flora av nye kombinasjoner.

Ytterligere informasjon om nye muligheter får vi når vi detaljerer årsakene til tap.

I et standard gasskraftverk, uten rensing eller med etterrensning, tapes eksergien i hovedsak i turbinen. 33% av tapene kan knyttes til denne. For gasskraftverket som bruker hydrogen, viser Speich og medarbeidere (9) at tapene foredeler seg mellom gassturbin med forbrenningskammer, (25 prosent) og reformer (9 prosent).

Det er velkjent fra kjemisk prosessindustri at det er store eksergitap er kyttet til kjemiske reaksjon. Faktisk er det slik at mange betrakter slike tap som uungåelige!

Vi vet nå at de kan bli mindre (12). Det er mulig å redusere det tapte arbeidet, uten å forandre på produksjonsnivået. Dette spørsmålet har vi stilt oss i vår forsknings-gruppe. Et positivt svar vil avhenge av måten vi driver reaktoren på. Ta eksempel i en reaktor som produserer varme ved høy temperatur, f.eks. metanolreaktoren på Tjeldbergodden. Still spørmål om hvordan vi kan få mest mulig høytemperaturvarme ut av prosessen, uten å forandre på produksjonsnivå.

Besparelser i området 7 prosent virker mulig. Da må varmevekslingen med omgivelsene foregå på en skreddersydd måte. Forandrer vi utstyret kan vi kanskje spare enda mer. Av slike grunner er det et større potensiale for forbedringer i hydrogenkraftverket enn i standard gasskraftverk.

Prosessindustrien er så stor at 7 prosent forbedring kan gi store utslag. Dette gir et potensial for sparing i et internasjonalt perspektiv. Det burde være mulig å bidra til at at CO 2 utslippene kan reduseres, også I en industri som allerede er energiøkonomisk.

Konklusjoner

I dette arbeidet har jeg vist at begrepet bærekraftig utvikling har en stringet definisjon I termodynamikkens annen lov. På denne basis er det en grense for vekst når menneskelig aktivitet til avfall og utslipp som overstiger miljøets evne regenering. Uavhengig av klimamodellers gyldighet, bør vi derfor fortsette arbeide med energieffektivisering.

Dette bør vi gjøre ved å ta i bruk en mer systematisk analyse, eksergianalyse. Denne vil å skaffe oss et perspektiv på viktige avgjørelser, og et saklig rettferdig premissgrunnlag. Eksergianlayse bør kombineres med livsløpsanalyser.

Hovedhensikten her har vært å vise med noen eksempler hvordan dette kan gjøres, og hvilken type informasjon som kan komme frem. Jeg håper det kan bidra til en mer saklig offentlige debatt. Både næringsliv og offentlig forvaltning bør kunne bruke eksergianalyser med livsløpsanalyse i mye større grad.

De eksemplene jeg har brukt viser at Norge er langt fremme. Flere eksempler kunne vært nevnt, solenergi og silisium for å ta et. Det er gevinster ved å utvikle bedre teknologi i Norge. Myndighetene gjør rett i å satse på disse.

Kan vi også skifte holdning og betale noe mer enn det vi gjør i dag for kraften, vil vi det ikke være vanskelig å oppfylle vår del av Kyoto-avtalen, samtidig som vi vil kunne bidra konstruktivt med løsninger til resten av verden.

Referanser

1. Miljøverndepartementets hjemmesider

2. Intergovernmental Panel on Climate Change, report, http://www.ipcc.ch

3. I. S. Ertesvåg, Energiutnyttig i Noreg – eksergianalyse av det norske samfunnet,

Xergi 2 (1999), http://www.energy.sintef.no/publ/xergi/99/2/art-8.html,

4. J. Stene, Varmepumper som CO2 reduserende teknologi, Xergi, 3 (2000) 8

http://www.energy.sintef.no/publ/xergi/00/2/art-4.html

5. G. Lorentzen og J. Pettersen, Int. J. Refrigeration 16 (1993) 4

6. J. Stene, Guidelines for Design and Operation of Heat Pump, Air Conditioning and Refrigerating Systems with Natural Working Fluids – Section 6, Carbon Dioxide as a Working Fluid. Final report from Annex 22 of the IEA Heat Pump Programme. Report No. HPP-ANN22-4. ISBN 90-73741-31-9. Trondheim, Dec. 1999.

7. Nordic Guidelines on Life-Cycle Assessment, L.G. Lindfors, K. Christiansen, L. Hoffman, Y. Virtanen V. Juntilla, O.J. Hansen, A. Rønning, T. Ekvall and G. Finnveden, Nord, 1995:20, Nordic Council of Ministers, Copenhagen

8. R. U. Ayres, and L.W. Ayres, Accounting for Resources, 2. The life Cyle of Materials. Edward Elgar, Cheltenham, UK, 1999

9. M. Vold, A. Rønning, K. Magnussen og E. Erstad, LCA av norskprodusert elektrisitet basert på vannkraft, Stiftelsen Østfoldforskning, OP 18.96, ISBN 82-7520-258-2.

10. S. Kjelstrup Ratkje and S. Møller-Holst, Electrochim. Acta 38 (1993) 447

11. D. Speich, Exergy analysis of a natural gas fired combined cycle with capture of CO2, Fakultet for maskinteknikk, M.Sc.thesis, NTNU, 2001

12. Stork Engineering Consultancy, Amsterdam, IEA Greenhouse Gas R&D Programme, Leading options for the capture of CO2 emmisions at power stations, report no. PH3/14, Feb. 2000.

13. L. Lombardi, Energy Conversion & Management, 42 (2001) 101

14. S. Kjelstrup, Termodynamisk vinkling av kjemiteknikken, Kjemi, 2 (2001) 12

Artikkelforfatteren Signe Kjelstrup er ansatt ved Institutt for kjemi, Fakultet for kjemi og biologi, Norges Teknisk Naturvitenskapelige Universitet.

Artikkelen ble opprinnelig holdt som foredrag 26. februar 2001 ved Høytidsdagen til Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab, og blir trykket i Selskabets forhandlinger.