Forskningskonkurranse i marin fornybar energi Informasjonshefte for lærere

B L Å E N E RG I Forskningskonkurranse i marin fornybar energi Informasjonshefte for lærere

Innhold VERDENS ENERGIFORBRUK 1 2 3 4 5 6 Verdens totale energiforbruk, referansescenariet Energiforbruk per sekund (kapasitet) per kapita Vekst i Kina, India og andre land utenfor OECD Forbruk fordelt på energikilder Befolkning uten tilgang til elektrisitet 450-scenariet, CO2 utslipp og klima 4 5 6 8 11 12 VERDENS ENERGIRESSURSER 1 Verdens energiressurser 14 2 Miljøutfordringer 15 FORNYBAR ENERGI 1 Fornybare energikilder 16 2 Vindkraft 16 3 Geotermisk energi 19 4 Solenergi 21 5 Tidevann 23 6 Bølger 24 7 Andre teknologier basert på fornybar energi 25 3

VERDENS ENERGIFORBRUK IEAs REFERANSE- OG 450-SCENARIER. EN KORT OVERSIKT John Grue Professor Universitetet i Oslo e-post: johng@math.uio.no 1 Verdens totale energiforbruk, referansescenariet Det internasjonale energibyrået IEA utarbeider analyser og fremtidsprediksjoner av blant annet verdens energiforbruk, energikilder og klimagassutslipp, og gir også en viss oversikt over verdensbefolkningen. Spesielt relevant er IEAs referansescenario som predikerer verdens energiforbruk fram til 20301. Referansescenariet bygger på den rådende energipolitikken i verden som er uten tiltak for å begrense for eksempel bruk av fossile energikilder og de medfølgende klimagassutslippene. I 450-scenariet beskriver IEA en annen, mulig utvikling2. Denne baseres på en energipolitikk som har som mål å begrense mengden av CO2 i atmosfæren til 450 ppm (parts per million). Gjennom en rekke forskjellige tiltak går man inn for å begrense bruken av spesielt fossile brensler. 450-scenariet beskrives kort i avsnitt 6 nedenfor. Pga. en forventet reduksjon av fattigdom samt vekst i velstand og befolkning, øker også etterspørselen av energi og elektrisitet i verden. Økningen kommer samtidig med analyser som peker på en reduksjon i tilgang på olje, og skyldes en kombinasjon av reduserte investeringer i den internasjonale oljeindustrien og en fallende produksjon i de eksisterende oljefeltene3. Figur 1 gir en oversikt over verdens totale, årlige akkumulerte energiforbruk med estimater fram 4 til år 2030, jfr. referansescenariet1,4. Med totalt energiforbruk menes all energi til oppvarming og produksjon, maskiner og fabrikker, skoler og sykehus, rådhus og kontorer, all transport som bil, tog, fly, båt, og dessuten internettkommunikasjon m.m., det vil si alt. Fra figuren kan vi finne at verdens energiforbruk for eksempel i 2007 var på ca. 11.7 tusen Mtoe og i 2030 ventes å være ca. 16.8 tusen Mtoe. Mtoe betyr millioner tonn oljeekvivalenter. Enheten 1 toe = 1 tonn oljeekvivalent tilsvarer ca. 42 GJ (gigajoule), se liste over betegnelser bakerst. Energiforbruket på 11.7 tusen Mtoe i 2007 tilsvarer derfor 491 tusen TJ (terrajoule der terra = 1 million ganger 1 million = 1 000 000 000 000 dvs. 12 nuller), og det forbruket på 16.9 tusen Mtoe i 2030 tilsvarer 706 tusen TJ. Energiforbruket per sekund er et annet viktig mål. Dette betegnes med energikapasiteten eller bare kapasiteten og gir et mål for effekten. Vi finner dette ved å dele totalforbruket i verden på 365 døgn, dernest med 24 timer per døgn, så med 60 minutter i hver time og sist med 60 sekunder i hvert minutt. Siden 1 år tilsvarer 31.5 millioner sekunder finner vi at verdens energiforbruk per sekund, dvs. verdens energikapasitet, var på:

11.7 tusen Mtoe/31.5 mill. sek = 15.6 TW i 2007 og forventes å bli: 16.8 tusen Mtoe/31,5 mill. sek. = 22.4 TW i 2030 hvilket også betyr en økning på 44 prosent i løpet av de 23 årene fra 2007 til 2030. TW betyr terrawatt. Figur 1 viser også fordelingen mellom de forskjellige energikildene som olje, kull, gass, kjernekraft, vannkraft, biomasse o.a. Det kommer vi tilbake til nedenfor. Figur 1: Verdens totale, årlige akkumulerte energiforbruk. IEAs referansescenario. Kilde: IEA 2 Energiforbruk per sekund (kapasitet) per kapita Det kan være illustrerende å regne ut det midlere energiforbruket per sekund (kapasiteten) pr kapita, altså et verdensmiddel per innbygger. Mens verdensbefolkningen i 2007 var ca. 6.6 mrd. er den estimert til å være ca. 8 mrd i 2030. Gjennomsnittlig energikapasitet i verden (energiforbruk per sekund) per kapita var dermed 15.6 TW/6.6 mrd personer = 2.4 kw per kapita i 2007 og er estimert til å bli 22.4 TW/8mrd personer = 2.8 kw per kapita i 2030, jfr. referansescenariet. Beregningene viser at verdens energikapasitet per kapita i snitt var på 2.4 kw i 2007, i overensstemmelse med oversikten vist i figur 2. Beregningen på 2.4 kw i 2007 er 10 prosent høyere enn figurens 2.2 kw som er fra noen år tidligere. En energikapasitet på 2.4 kw tilsvarer effekten til en vanlig vannkoker eller ca. 3 panelovner. Vi skal huske på at alle energiformer er inkludert i denne beregningen, ikke nødvendigvis bare elektrisk strøm. Den illustrerer likevel hvor mye energi som til enhver tid er tilgjengelig i verden per kapita, jfr. også fremstillingen i figuren. Verdens gjennomsnittlige energikapasitet per kapita i de rike landene er langt høyere enn i fattige land. Forbruket i f.eks. Canada og USA er på hhv. 11 og 10.5 kw per kapita, mens Kina og Brasil hver ligger på ca. 1.5 kw, godt under verdensgjennomsnittet. En beregning av årlig akkumulert energiforbruk per kapita i en del land fra 2001 viser lignende 5

Figur 2: Energiforbruk per sekund per kapita i en del land. Kilde: University of Georgia eller også noe høyere tall (figur 3). Energiforbruket er denne gangen presentert i Btu (British thermal units) der 1 Btu tilsvarer 1.06 kj (kilojoule), se liste over betegnelser bakerst. Norges forbruk per kapita (størst i verden) var i 2001 på 4.25 x 108 Btu som kan omregnes til 125 tusen kwtimer (kwh) per år. Dette forbruket per kapita er omtrent 6 ganger større enn det årlige elektrisitetsforbruket til en middels norsk husstand, på ca. 20 tusen kwh. Det store norske energiforbruket per kapita illustrerer at vi er et oljeproduserende land, har 3 Tabell 1 omregner årlig energiforbruk per kapita i 2001 i en del land fra figur 3 (2. søyle) til energiforbruk per sekund (energikapasiteten) per kapita (3. søyle). Tallene viser at energikapasiteten per kapita i Norge i 2001 var 6.5 ganger høyere enn verdensgjennomsnittet, 14 ganger høyere enn i Kina og hele ca. 30 ganger høyere enn i India. Vekst i Kina, India og andre land utenfor OECD Figur 4 viser veksten i årlig akkumulert energiforbruk i OECD-land, Kina og India og øvrige land som ikke er med i OECD (rest of non-oecd-land), jfr. referansescenariet. Kurvene er også sammenfattet i tabell 2 og viser at den store økningen i energiforbruket i verden først og fremst kommer i Kina og India og skjer pga. veksten i økonomien. Kina og 6 en kraftkrevende industri, men også at Norge er et kaldt land langt mot nord. India vil i 2030 oppnå en gjennomsnittlig kapasitet per innbygger på ca. 3.2 kw, til sammenligning med Norges på 14.3 kw. Veksten i de øvrige landene som ikke er med i OECD er også stor. Energiforbruket i OECDlandene har siden 2004 flatet ut.

Figur 3: Årlig akkumulert energiforbruk per kapita i en del land i 2001. Kilde: University of Georgia Figur 5 viser beregnet vekst i årlig energiforbruk i en del land og områder. Veksten er desidert størst i Kina. I 2030 forventes årsforbruket å være 1.85 tusen Mtoe større enn i 2007, og tilsvarer en kapasitetsøkning på ca. 2 kw per kapita, hvilket er en relativt formidabel økning. I India øker det årlige forbruket med 700 Mtoe i perioden, men pga. den sterke befolkningsøkningen i landet, framskrevet til ca. 1.5 mrd i 2030, blir kapasitetsøkningen per kapita likevel bare på relativt beskjedne 0.6 kw. Andre land og områder vil også ha en økning i energiforbruket. OECD-landene får en estimert økning på ca. 300 Mtoe som nevnt ovenfor. Figur 5 viser at energiforbruket basert på olje predikteres å gå ned med 100 Mtoe i OECD-landene. Dette volumet skal erstattes med fornybare energikilder. Land per år Norge 4.25 x 108 Btu Canada 4.05 x 108 Btu USA 3.8 x 108 Btu Verden 0.7 x 108 Btu Kina 0.3 x 108 Btu India 0.13 x 108 Btu per sekund 14.3 kw 13.6 kw 12.8 kw 2.2 kw 1 kw 0.5 kw Tabell 1: energiforbruk per sekund (energikapasiteten) per kapita for noen land 7

Figur 4: Energiforbruk/etterspørsel i OECD, Kina og India og andre ikke-oecd-land. Kilde:IEA 4 Forbruk fordelt på energikilder 4.1 Fossile energikilder Om vi vender blikket tilbake til figur 1, illustrerer denne også hvordan det totale energiforbruket i verden fordeler seg på de forskjellige energikildene, jfr. referansescenariet. Av et estimert forbruk i 2030 på totalt 16.8 tusen Mtoe forventes de fossile energikildene å bidra med 13.3 tusen Mtoe, hvorav kull med 4.5 tusen Mtoe, olje 5 tusen Mtoe og gass 3.8 tusen Mtoe. Kullforbruket forventes å vokse mest, med noe under 60 prosent (ca. 1.7 tusen Mtoe) fra 2007 til 2030. Man regner med at forbruket av gass øker med 45 prosent (ca. 1.2 tusen Mtoe) og olje med 25 prosent (1 tusen Mtoe) i perioden. 4.2 Skifergass Ny, råbillig utviklingsteknologi av skifergass er illustrerende for de store og ofte forekommende omkalfatringene i verdens energibilde. Konsernsjef i Umoe, Jens Ulltveit-Moe, skrev i Aftenposten 9.4.2010 om skifergass, en hittil relativt beskjedent benyttet energikilde5: Skifergassen, som var så godt som ukjent for to år siden, endrer både energiprisene og Land 2007 2030 Økning 2004-2030 OECD 5.5 tusen Mtoe 5.8 tusen Mtoe Kina og India 2.5 tusen Moe 5.2 tusen Mtoe Resten av ikke-oecd 3.7 tusen Mtoe 5.4 tusen Mtoe 0.3 tusen Mtoe 2.7 tusen Mtoe 1.7 tusen Mtoe Tabell 2: Energiforbruk/etterspørsel i OECD-land, Kina og India og øvrige ikke-oecd-land 8

Fig. 5: Vekst i energiforbruk fordelt på energikilder 2007-2030 i en del land/områder, Kilde: IEA politikken på kloden. Den tekniske revolusjonen som har gjort at skifergass halverer gassprisen på kloden, skifter politiske balanser, og svekker konkurranseevnen til kull og forsinker skiftet til alternative energi. Det vi trodde var verdifulle ressurser i bakken, som gassen i Barentshavet, ser vi blir verdiløse over natten. Norske gassinntekter og dermed velferden trues på sikt. Noen fakta om skifergass er, i følge IEA: - Den er en naturgass, primært metan, bundet i skifer. - Produksjon har foregått i vel 100 år i USA, men inntil nå i mindre skala. - Ny utviklingsteknologi har gjort skifergassproduksjon mer lønnsom. - Produksjonskostnadene for skifergass er nå på omkring tre amerikanske dollar per MBtu (mill. Btu), godt under halvparten av historisk naturgasspris i USA. Dette er også godt under halvparten av produksjonsprisen på Snøhvitfeltet og den estimerte produksjonsprisen på det russiske gigantfeltet Shtokman. - Skifergassen ligger nær de store forbrukerne som plutselig har fått gigantressurser i sine egne bakgårder, dette pga. ny utvinningsteknologi. - Skifergass mer enn dobler tilgangen på gass for USA og EU og firedobler tilgangen i Kina. Figur 6: Årlig el-kraftproduksjon etter energikilde i referansescenariet, Kilde: IEA 9

- Skifergassen anslås til å være på linje med verden naturgassreserver hvilket dobler klodens gassreserver. IEAs eksperter4 4.3 Biomasse, vannkraft, kjernekraft og fornybar skriver at naturgass (inkl. skifergass) kan spille en nøkkelrolle i overgangen til en renere energiframtid, siden forbrenning av gass skaper relativt mindre CO2 enn forbrenning av kull. Billig gass forsinker utviklingen av nye fornybare energikilder siden disse relativt sett er langt dyrere alternativer. Figur 1 viser også andelen av ikke-fossile kilder. For energiforbruket i 2030 forventes - biomasse å bidra med ca. 1.8 tusen Mtoe, - kjerne-, vannkraft og fornybare kilder med til sammen ca. 1.8 tusen Mtoe. Fig. 7: Installert vindkraft. Kilde: World Wind Energy Association 4.4 Produksjon av elektrisk kraft Figur 6 viser predikasjoner av verdens elkraftproduksjon etter energikilde. I referansescenariet forventes kullkraft nesten å dobles i perioden 2007 2030, til 16 000 TWh per år, mens gasskraft stiger til ca. det halve, til 8000 TWh per år. Mens verdens vannkraftproduksjon i 2030 ventes å stige til ca. 5000 TWh per år, er biomasse estimert til å bidra med ca. 900 TWh og andre fornybare 10 energikilder med ca. 2000 TWh. El-kraftvolumet fra andre fornybare energikilder i 2030 tilsvarer en energikapasitet på 2000 TWh/(365 dager x 24 timer) = 230 GW. Til sammenligning viser estimater at verdens installerte vindkraft i 2010 skulle ligge på ca. 160 GW, se figur 7. Solceller er en annen fornybar energikilde i sterk utvikling.

Land/region 2008 Afrika sør for Sahara 587 mill. Sør-Asia 614 mill. Kina og Øst-Asia 195 mill. Latin-Amerika 34 mill. 2030 698 mill. 489 mill 73 mill 13 mill. Tabell 3: Områder/folk uten elektrisitet 5 Befolkning uten tilgang til elektrisitet Ca. 1.6 mrd mennesker er i dag uten tilgang på elektrisitet. Dette tallet forventes å bli redusert til ca. 1.3 mrd i 2030, men figur 8 og tabell 3 viser at i Afrika sør for Sahara vil antall individer uten elektrisitet stige fra 587 millioner i 2008 til 698 millioner i 2030. Dårlig stilt er også Sør-Asia der 614 millioner mennesker er uten strøm i dag, og 489 millioner forventes fremdeles å være uten strøm i 2030. Områder uten elektrisitet (elektrisk nettverk) har negative sosiale, miljø- og helsemessige implikasjoner (rent vann, forbedret luftkvalitet innendørs, belysning/skole, sykehus). Elektrisitet er nødvendig for å hjelpe folk ut av fattigdom6. Figur. 8: Områder/folk uten elektrisitet. Kilde: IEA 11

6 450-scenariet, CO2 utslipp og klima IEA fremmer en plan 450-scenariet (google: The 450 Scenario) der målet er å stabilisere mengden av klimagassutslipp i atmosfæren til 450 ppm (ppm = parts per million ). Planen forutsetter en reduksjon av fossile brensler fra 2020 av. Samtidig forventes de årlige energirelaterte CO2-utslippene å falle til 26.4 gigatonn i 2030 fra 28.8 gigatonn i 2007. En relativt kraftig investeringsplan forutsettes for å nå disse målene og skal finansieres av husholdninger og forretningsvirksomhet/industrier. 450-scenariet foreslår en kombinasjon av politiske mekanismer tilpasset det som best passer nasjonenes forskjellige forhold og forhandlingsposisjon. En differensiering foreslås med landene inndelt etter: 1. OECD+ som inkluderer OECD og andre EU-land ikke med i OECD 2. andre store økonomier som Brasil, Kina, Midtøsten, Russland og Sør-Afrika, og 3. alle andre land som inkluderer India og ASEAN (Asia og Oceania) Til sammenligning, om referansescenariet for energiforbruket illustrert i figur 1 følges, vil de projiserte CO2-utslippene i 2030 stige til hele 40.2 gigatonn. I referansescenariet estimeres den globale temperaturen å øke med 6 grader. Reduksjonen i CO2-utslippene, fra 40.2 Gt i referansescenariet til 26.4 Gt i 450-scenariet, fordeler seg globalt etter følgende tiltak3: Karbonfangst (14 prosent), økt bruk av kjernekraft (9 prosent), bidrag fra fornybare energikilder og biodrivstoff (23 prosent) og energieffektiviseringstiltak (54 prosent). I en gradvis tilnærming i perioden fram mot 2020 vil kun landene i OECD+ pålegges nasjonale utslippsbegrensninger. Etter 2020 forventes andre store økonomier også å tilpasse seg utslippsbegrensninger, og fra og med 2030 er intensjonen at alle landene deltar i utslippskutt. 450-scenariet kommuniserer at det nødvendig med økte investering i oljegassproduksjon. Dagens investeringer er små til å stabilisere verdensøkonomien redusere klimagassutslippene. 12 er og for og En reduksjon i utslippene fra 2020 vil kreve en CO2-pris på USD 50 per tonn for kraftproduksjon og industri i OECD+. Investeringer på 200 mrd. USD trengs i ikkeoecd-land innen 2020, støttet fra OECD+ gjennom karbonmarkeder og delfinansiering. IEAs eksperter skriver at naturgass kan spille en nøkkelrolle i en overgang til en renere energiframtid.

Betegnelser International Energy Agency IEA, det internasjonale energibyrået 1 toe, tonn oljeekvivalent, tilsvarer ca. 42 GJ (gigajoule) Mtoe = mill. toe tilsvarer ca. 42 ill. GJ (gigajoule) = 42 tusen TJ (terrajoule) 1 Btu, 1 British thermal unit, tilsvarer 1.06 kj (kilojoule = 1000 Joule) 1 Joule = 1 Watt ganger sekund, også lik 1 Nm (Newton meter; enhetskraft ganger 1 meter lengde) GJ = gigajoule = 109 TJ = terrajoule = 1012 Joule = 1 000 000 000 000 Joule GW = gigawatt = 109 W; TW = terrawatt = 1010 W Referanser 1 World energy outlook 2009 fact sheet. Why is our current energy pathway unsustainable? IEA Reference Scenario. www.iea.org/weo2009/fact_sheets_weo_2009.pdf 2 The 450 Scenario. IEA. Article from The OilSpot News by DTN Nov. 13.2009. 3 Christopher Segar. International energy co-operation and global anergy security. Conference Strengthening Energy Security on the OSCE area Bratislava, 6-7 July 2009 4 World Energy Outlook 2010, International Energy Agency (IEA), Pawel Olejarnik, energy Analyst, 17 Feb. 2010, pdf-file available on the Internet. 5 Jens Ulltveit-Moe, Skifergass. Truer norske gassinntekter, Aftenposten, økonomi/debatt. 9.4.2010 6 Promoting entrepreneurship in renewable energy sharing the lessons learnt. Prepared for the YES CAMPAIGN by IT POWER INDIA. Pdf available on the Internet. Noen nettadresser www.iea.org www.worldenergyoutlook.org www.yesweb.org (the Yes campaign) en.wikipedia.org/wiki/climate_change_mitigation_scenarios www.worldenergy.net www.worldenergy.org en.wikipedia.org/wiki/world_population (verdens befolkning) 13

VERDENS ENERGIRESSURSER EN OVERSIKT Atle Jensen Professor Matematisk instutt, Universitetet i Oslo e-post: atlej@math.uio.no 1 Verdens energiressurser De aller fleste energiressurser kan betraktes som en form for solenergi. Den enkleste formen er direkte solstråling som enten kan nyttes direkte eller ved omforming til elektrisk energi. Torv og kull er opprinnelig vegetabilsk materiale som er basert på varme fra solen; olje og gass er opprinnelig biologisk materiale, kalt fossilt brensel, som er dannet gjennom geologiske perioder; vindenergi er luftmasser satt i bevegelse av oppvarming fra solen; og vannfallsenergi skapes av vann fra skyer som formes ved fordampning fra hav og jord. Olje er den energiressursen som brukes mest, men gass og kull er også viktige energikilder. Produksjon av energi basert på fossile brensler, dvs. kull, gass og olje, utgjør til sammen ca. 81 % av verdens totale produksjon, se WEO (2006). Kjernekraft er energien som frigjøres ved fisjon av uran, som utvinnes i mange land. Globalt utgjør kjernekraft 6 % av totale energiressurser. Fornybar energi utgjør 13 %. Fornybar energi er et begrep som omfatter energi fra kilder som har en kontinuerlig tilførsel av ny energi, og ikke kan tømmes innenfor tidsrammene som er gitt av menneskehetens tidsskala. Eksempler på dette er; solenergi, vannkraft, vindkraft, bioenergi, bølgekraft, geotermisk energi, tidevannsenergi og saltkraft. Energiressurser er ulikt fordelt rundt om i verden. Solenergi er den mest tilgjengelige kilden. Sola genererer også vind og gir energi til planter som kan brukes som brennstoff. Store reserver av kull kan finnes i mange land og denne store tilførselen av råstoff sikrer tilgangen av energi også for land som må kjøpe på det internasjonale markedet. Gass og olje finnes det færre forekomster av. Noen land har store reserver og kan eksportere til andre deler av verden. I dag bruker de industrielle land en blanding av forskjellige brennstoff - kull for kraftproduksjon og gass brukes til oppvarming, men i noen land brukes elektrisitet fra vannkraft. 1.1 Kilder Store norske leksikon - http://www.snl.no/energiressurs World energy outlook 2006. IEA. Wikipedia Keeping the lights on, Paul Freund og Olav Kaarstad. 14

2 Miljøutfordringer Olje- og gassvirksomhet fører til utslipp av olje og kjemikalier til sjø. Utslipp kan være akutte, eller de kan skje som en konsekvens av utbygging, produksjon og drift på feltene. Store akutte utslipp, som en oljeutblåsning, kan derimot føre til lett synlige og ofte dramatiske effekter på plante- og dyrelivet. Vanndamp og CO2 er de gassene i atmosfæren som absorberer mest varmestråling fra jordoverflaten, bidrar mest til drivhuseffekten og høyere temperatur. I dag bruker vi store mengder fossilt brensel som gir fra seg avfall i form av CO2. Dette gjør at mengden CO2 har steget med 31 % siden den industrielle revolusjonen. Utviklingen av offshore vind kan bli en stor næring for Norge, men det er store utfordringer med å flytte vindkraftteknologien fra land og ut i et mye mer krevende miljø offshore. Det er nå planlagt flere offshore vindparker; Sheringham Shoal og Dogger Bank. I Sheringham Shoal er det snakk om 88 vindturbiner og dette kan gi miljøutfordringer for dyrelivet i området. Det er flere utfordringer ved å ha aktiviteter i slike havområder med grunt vann; raske ferger, forurensning og fisk. Men en av de største bekymringene, som det ikke er kjent hvor store konsekvenser det gir, er støy fra vindmølleparker. Flere interesseorganisasjoner har uttrykt bekymring for hvordan hval og delfiner vil reagere på støy fra vindmøllene. 2.1 Kilder http://www.cicero.uio.no/abc/klimaendringer.aspx Nogel Williams, Wind farm worries, 2007. Current Biology, Vol 17, No 18 15

FORNYBAR ENERGI Noen eksempler på fornybare energikilder og bruken av dem Jørn Paus Leading researcher Fornybar Energi, Statoil ASA e-post: jorpa@statoil.com 1 Fornybare energikilder Fornybar energi defineres som energikilder som ikke brukes opp over tid, men som i utgangspunktet er uutømmelige og fornyes fra naturens side. På dansk heter fornybar energi vedvarende energi, noe som kanskje er et vel så godt begrep. Alle energikilder som utnyttes på jorden i dag, bortsett fra tidevann og jordvarme (geotermisk energi), skyldes solenergi som tilføres jorden. Eksempler på utnyttbare fornybare energikilder er solenergi, bioenergi, vindkraft, bølge- og tidevann og vannkraft. Verdens energibehov er økende og funnene av olje og gassforekomster er minkende. For å møte dette energibehovsgapet vil de fornybare energikildene få større betydning i fremtidens energiproduksjon. Utviklingen av fornybar energi er sterkt teknologidrevet. Behovet for nye løsninger er stort. Som for all teknologiutvikling vil kostnadene for nye teknologier reduseres over tid og bli konkurransedyktige. Figur 1. Noen fornybare energikilder, vind, geotermisk (jordvarme) og sol og bølger 2 Vindkraft Når solen varmer opp jordens overflate, oppstår det bevegelser i luftmassene på grunn av temperaturforskjellene. Dette danner igjen områder med trykkforskjeller i atmosfæren som setter luftmasser i bevegelse, eller vind som vi 16 vanligvis kaller det. Energipotensial Av den totale energien sola utstråler mot jorden, går ca. bare én prosent med til å sette

Figur 2: Forekomster av fornybare energikilder omregnet til energi. luft i bevegelse. Til gjengjeld tilsvarer denne ene prosenten en energimengde på rundt 100 ganger verdens energiforbruk. Generatoren omdanner rotasjonsbevegelsen til elektrisk energi som overføres videre via transformator ut på elektrisitetsnettet. Norge har store vindressurser. De beste forhold for vindkraft-produksjon i Norge finner vi langs kysten og i fjellområdene nær kysten. Vindkraft-potensialet til et område beregnes ut fra spesifikke vindmålinger på dette stedet. Topografien i landskapet og type landskap påvirker vindressursen og strømningsmønsteret til vinden. Gjennomsnitts vindhastighet langs kysten kan variere mellom 6 til 10 m/s målt i 50 meters høyde. Dagens vindturbiner starter produksjon av strøm ved vindhastighet høyere enn 3-4 m/s. Generatoren har en effektkurve som vanligvis gir en maksimal produksjon ved ca. 13 m/s. Ved vindhastighet høyere enn ca. 25 m/s bremses vindturbinen ned og går på tomgang for å unngå unødig slitasje på maskindelene. Energiproduksjon basert på vind En vindturbin består av selve tårnet som bærer turbinbladene og maskinhuset (nacellen) på toppen med generatoren, giret og transformatorene. Vinden setter rotorbladene i bevegelse. Energi overføres fra turbinen via drivakselen til en generator inne i nacellen. Vindkraftproduksjonen øker med vindhastigheten og med arealet på rotorbladene. Jo høyere over bakken en vindturbin installeres, desto høyere blir gjennomsnittshastigheten på vinden, som igjen gir økt kraftproduksjonen. Designet på landbaserte vindparker tilpasses topografien i de omkringliggende områdene. Landskapets utforming i nærheten av vindparken og i regionen rundt parken har stor 17

Figur 3: Maskinhuset eller nacellen på en vindturbin. betydning for muligheten til å utnytte vindresssursene. Flytende vindturbiner De fleste vindturbiner er plassert på land, men for å kunne utnytte høyere gjennomsnitts vindhastigheter, er det naturlig å utforske mulighetene i de nære havområdene langs kysten. Et eksempel på en flytende vindmølle er Statoils pilotprosjekt HyWind som ligger utenfor Karmøy. Flytende vindturbiner må ha en konstruksjon som tåler å stå ute i åpent hav hele året. Totalvekten på HyWind er 138 tonn, og konstruksjonen er laget i stål. Rotordiameteren er 82,4 meter og høyden fra bunn til topp er ca. 165 meter. Det sitter en 2,3 MW Siemens turbin i toppen av tårnet. Diameteren på tårnet ved vannlinjen er 6 meter. Tårnet er forankret i tre ankerliner. Dette er en konstruksjon som er designet for de ekstreme forhold vi finner i Nordsjøen. Figur 4: HyWind består av et flytende understell som forankres til havbunnen med ankerliner. 18

Figur 5. Utviklingen av offshore vindturbiner. For å kunne utnytte havområder med dypere vann til vindkraftproduksjon, må man konstruere flytende vindturbiner. Statoils HyWind er verdens første flytende havgående vindturbin Dette er en test-turbin som er bygget for å lære mer om hvordan slike vindturbiner oppfører seg til havs. Bunnfaste vindturbiner til havs Den mest utbredte måten å utnytte vindkraft til havs er å montere turbinene på et understell som står på havbunnen. Det er mange utfordringer knyttet til vindenergiproduksjon til havs. Blant annet er det nødvendig å redusere behovet for vedlikehold slik at driftskostnadene ikke blir for høye. Kostnadene må ned slik at det er mulig å beregne lønnsom produksjon over hele levetiden til vindparken, som typisk er 25-30 år. så vil også vindkraftutbygginger påvirke miljøet. Det finnes miljøutfordringer knyttet til beslagleggelse av areal, støy, synlighet og påvirkning av dyreliv. Vindturbiner på land antas å føre til størst miljøkonsekvenser. Slike vindkraftverk kan gi skyggekast og akustisk støy. Det genereres støy både av de mekaniske komponentene i turbinen, og av bladene. Hastighet og utforming av spissen av rotorbladene er bestemmende for den aerodynamiske støyen. Utenfor en avstand på 500 600 meter vil lyden fra vindturbiner i drift normalt ikke være hørbar, men terrengforhold kan medføre at lyden kan bli hørbar på noe lengre avstand en del steder. Alle miljøutfordringer blir undersøkt og beskrevet i løpet av planprossen for en vindpark gjennom en konsekvensvurdering. Denne er offentlig tilgjengelig og kan kommenteres av alle som føler seg berørt av en utbygging. Miljøkonsekvenser I likhet med utnyttelse av enhver energikilde, 3 Geotermisk energi Opprinnelse Geotermisk energi er den varmeenergien som finnes i jordas indre. Denne varmen skyldes både restvarmen fra dannelsen av jorda for 4,5 milliarder år siden og energi fra radioaktive isotoper i jordskorpen og i mantelen. De viktig- radioaktive elementer er isotoper Thorium, og Kalium. Geotermisk i praksis en fornybar energikilde utnyttes kontinuerlig hele året uten lagring. av Uran, energi er som kan behov for 19

Energipotensiale Norge er et kaldt land med tanke på mulighet for utnyttelse av geotermisk energi. Målinger Norges geologiske undersøkelse (NGU), har utført i opp til 1000 meters dype hull, antyder at temperaturen de fleste steder i Norge er over 100 C på fem kilometers dyp. Oslo-området har størst potensial fordi det her finnes bergarter som produserer varme på grunn av sitt innhold av radioaktive isotoper. Her kan det være mulig å finne områder med en temperatur på 150 C på tilsvarende dyp. Temperaturen i kjernen av jorda er ca 4-5000 C, og 99 % av jorda er varmere enn 1000 C. Det er stor forskjell på tilgang på ressurser og mulige bruksområder. Temperaturen vil avgjøre bruksområdet for varmen. I tillegg til oppvarming kan dyp geotermisk energi utnyttes som energikilde for kraftproduksjon på grunn av høye temperaturer, mer enn 300 C. I den ytre delen av jordskorpa, i jord, berg eller grunnvann finner vi varmen som er lagret solenergi. Energien kan brukes Figur 6: Snitt av jorda med overflate, mantel og kjerne til oppvarming direkte eller med hjelp av en varmepumpe ved temperaturer under 40 C. Bruksområder for geotermisk energi Geotermisk kraftverk kan brukes til produksjon av elektrisitet i varmekraftverk. Ved å injisere vann i tillegg til det som finnes i reservoaret for å øke varmeuttaket vil man kunne øke energiproduksjonen. Vannet sirkuleres da i en kontrollert syklus i reservoaret. Borer man dypere brønner vil dette gi tilgang på høyere temperatur og dermed mer energi. Man kan også utnytte geotermisk energi i fjernvarmesystemer til oppvarming av bygninger, drivhus og til kraftproduksjon, slik som det for eksempel gjøres på Island. Figur 7: Temperaturen på 5000m dybde i Europa 20 Miljøkonsekvenser Det er få negative miljøkonsekvenser med geotermisk energiproduksjon. Økt utnyttelse av geotermisk energi kan derimot bidra til en

Figur 8: a) Naturlig strømning av vann i reservoaret. b) Injeksjon av vann for å øke energiproduksjonen. betydelig reduksjon av CO2-utslipp på grunn av at behovet for fossilt brensel til elektrisitetsproduksjon og oppvarming reduseres. 4 Solenergi Opprinnelse Jorda og de andre planetene, asteroidene og kometene går i bane rundt sola som er i sentrum av vårt solsystem. Sola inneholder mer enn 99 % av solsystemets masse. Energien som sola utstråler gir liv på jorda via fotosyntesen. Solen er drivkraft til jordas klima. Energipotensial Sola tilfører jorda mer enn 10 000 ganger mer energi enn mennesker kan forbruke. Jordoverflaten mottar gjennomsnittlig 1400 Watt/m2 solenergi. Av solas energistråling reflekteres gjennomsnittlig 35 %. og omtrent 19 % blir absorbert i atmosfæren. Solinnstrålingen har en maksimal effekt ved skyfri himmel mot et plan vinkelrett på innstrålingen i områdene rundt ekvator. Lengre syd og nord er innstrålingen 3000-5000 W/m2 pr dag. Energien i solinnstrålingen mot Norge i løpet av et år er 1500 ganger større enn meng- den vi bruker. Sola tilfører den norske bygningsmassen 3 4 TWh nyttig varme per år i form av passiv solvarme (den oppvarmingen som sola gir når den skinner inn gjennom vinduene). Et aktivt solvarmeanlegg kan dekke 30 % av varmebehovet til en bolig. I Norge varierer solinnstrålingen sterkt med årstiden og den varierer fra ca. 700 kwh/m2 i nord til ca. 1100 kwh/m2 i sør. Dette svarer til 30 50 % av innstrålingen ved ekvator. På grunn av at variasjonene over døgnet og året er så store, fra 8,5 kwh/m2 på en skyfri sommerdag til 0,02 kwh/m2 en overskyet vinterdag, ligger utfordringen i å utnytte energien på en kostnadseffektiv måte i Norge. Bruksområder for solenergi Solenergi har et bredt spekter av bruksområder. Solenergi har vært benyttet til produksjon av 21

biomasse, tørking, oppvarming og belysning. Industriell utnyttelse av solenergi har lang tradisjon. Solinnstrålingen har sesongvariasjoner som er i motfase med energibehovet for viktige bruksområder, for eksempel romoppvarming. Solenergi benyttet som energikilde, må tilpasses de variasjoner som naturen gir gjennom f.eks energilagring. Energilagring utgjør en vesentlig del av kostnaden både for solvarmeanlegg og systemer for produksjon av elektrisitet for anlegg uten tilknytning til kraftnettet. Forbedret teknologi for energilagring vil derfor ha stor betydning for solenergiens mulighet til å konkurrere med konvensjonelle løsninger. Hvor mye av solenergien man klarer å utnytte er avhengig av solfangst-teknologien og mulighetene til å lagre energien for senere anvendelse. Døgnbehovet for varmt vann er likt gjennom hele året, men behovet for oppvarming og elektrisitet varierer. Solceller (fotovoltaisk PV) omdanner fotonene i sollyset til energi (elektrisitet) ved hjelp av en halvleder av f.eks silisium. Den såkalte første generasjon solceller er basert på silisium 22 og er i dag den mest vanlige kommersielle teknologien. Andre generasjon er basert på en tynn film av absorberende materiale, og som oftest også silisiumbasert. Tredje generasjon solteknologi er basert på andre grunnstoffer enn silisium. Disse vil ha større effektivitet og utnytte sollyset mer effektivt. Utviklingen av tredje generasjon solcelleteknologi pågår og har potensial for å revolusjonere dagens utnyttelse av solenergi. Konsentrerte solsystemer (concentrated solar power, CSP) utnytter sollyset til oppvarming av et medium som f.eks vann til å produsere damp. Denne dampen brukes så igjen i en dampgenerator for å lage elektrisitet. Miljøkonsekvenser Bortsett fra å kunne beslaglegge landarealer, så har solenergi relativt små negative miljøkonsekvenser.

Figur 9: Fotovoltaiske (PV) solceller basert på Silisium. (Foto: US Green Energy Centre og Ascent Solar) Figur 10: Konsentrerte solenergianlegg (CSP). (Foto: Desertec-UK) 5 Tidevann Opprinnelse Tidevann skyldes at gravitasjonskreftene fra månen (og litt fra sola) fører til en endring av havnivået både på den delen av jorda som vender mot og fra månen. Det dannes bølger i de store verdenshavene. Disse bølgene beveger seg vestover på grunn av jordrotasjonen med bølgehøyde mindre enn 1 meter og med periode på 12 timer og 25 minutter, det vil si tiden mellom flo og fjære. Solen og månen i fellesskap resulterer i 14 dagers perioder med maksimum og minimum i tidevannsforskjeller. Topografiske forhold fører til at lokale tidevannsforskjeller kan bli betydelig større eller mindre enn havbølgen på 1 meter. I tillegg kan variasjoner av høytrykk og lavtrykk sammen med innvirkning av vindretning føre til betydelige avvik i tidevannsforskjellen. Høyden på bølgen varierer etter månens påvirkningskraft. På spesielt gunstige steder i streder og sund kan store vannmasser skyte fart og gi en energitetthet i området 500 1 000 W/m2. Energipotensial Estimert potensial for tidevannsenergi varierer sterkt. Det internasjonale energibyrået (IEA) estimerte i 2006 at potensialet globalt var 200 TWh/år. Tidevannsforskjellen er størst i Nord- 23

Figur 11: 1 MW tidevannskraftverk i Kvaløystrømmen ved Hammerfest. Illustrasjon: Statoil Norge med en midlere tidevannsforskjell på omkring 2 meter. Tidevannskraftselskapet Hammerfest Strøm har tidligere anslått det teknisk oppnåelige potensialet i Norge til rundt 650 GWh/år. Ifølge Statkraft kan potensialet bare i Nord-Norge være hele 2 TWh/år. (fornybar.no) 6 Bølger Opprinnelse Havbølger er en fornybar energikilde som er basert på at vind blåser langs havoverflaten. Bølgeenergien kan komme til å gi betydelige tilskudd til energiproduksjonen i mange kystnasjoner. Bølgekraften har høy energitetthet, typisk 30 40 kw pr m bølgefront langs norskekysten. Ute på åpent hav kan energitettheten komme opp i 100 kw/m. Det første bølgekraftverket i Norge ble bygget i 1980 av Kværner. I 1985 bygget Norwave et kilerennekraftverk ved siden av Kværners anlegg i Øygarden. Bølgekraftverk må tåle 24 store påkjenninger og må konstrueres for å tåle de mest kritiske værforhold. Dette fører ofte til at kostnadene blir høye. Utfordringen med bølgekraftverk er å lage en konstruksjon som er sterk og fleksibel som krever lite vedlikehold, og som kan produsere kraft til konkurransedyktige priser over en forventet levetid på 20 år +. Energipotensial De største bølgeenergipotensialene finnes i Atlanterhavet og Stillehavet mellom 40. og 65. breddegrad. Energitettheten i bølgekraft er mellom 50 til 100 kw per meter bredde. Poten-

sielt er bølgeenergi estimert til å kunne dekke ca. 10 % av verdens behov for elektrisitet. I følge NOU rapporten 1998:11 «Energi- og kraftbalansen mot 2020» utgjør bølgeenergien i gjennomsnitt 30 40 kw/m bølgefront i havet utenfor norskekysten mellom Stad og Lofoten. Lenger sør og nord er det 20 30 kw/m, men noe mindre innover i Skagerrak. Midlere bølgeenergi er minst dobbelt så stor om vinteren som om sommeren. Mengden av total bølgeenergi inn mot norskekysten er anslått til 400 TWh i et normalår (fornybar.no). Figur 12: Pelamis, hvor Statoil er medeier, er et 750 kw bølgekraftverk 7 Andre teknologier basert på fornybar energi Andre teknologier basert på fornybar energi kan også være viktige for en god integrering av fornybare energikilder. Noen av disse teknologiene er; bioenergi, elektrisitetslagring og energilagring generelt, hydrogen, brenselceller, lagring av termisk energi og saltkraft. Energiproduksjon med vind og hydrogen på Utsira På Utsira utenfor Haugesund har Statoil hatt et demonstrasjonsprosjekt for å vise hvordan vindkraft og hydrogen sammen kan sikre energiforsyningen uavhengig av kraftoverføring fra land og eventuelt gjøre et samfunn helt uavhengig av fossile energikilder. 25

Figur 13: Utsira utenfor Haugesund. Statoil Teknologien er basert på vindkraft som produserer elektrisitet, som igjen brukes til å produsere hydrogen ved vannelektrolyse. Hydrogen brukes her som kjemisk energilager, og benyttes til å produsere elektrisitet ved hjelp av en hydrogenmotor (eventuelt en brenselcelle) når det ikke blåser sterk nok vind for direkte produksjon av elektrisitet fra vindturbinene. Dette er et demonstrasjonsprosjekt som har vært i drift siden 2004, og som siden da har kontinuerlig forsynt 10 husstander på Utsira med elektrisitet. Fornybar Energipark Porsgrunn Ved forskningssenteret i Porsgrunn har Statoil en Fornybar Energipark, se figur 14. Dette er et stort laboratorium for testing og utprøving av fornybar energiteknologi knyttet til vind, sol og hydrogen. Målet for forskningen ved denne energiparken er å videreutvikle kunnskap og teknologi innenfor distribuerte energisystemer basert på fornybar energi. I tilknytning til Energiparken ligger også Hydrogenstasjonen 26 hvor biler som går på hydrogen fyller tanken. Fornybare energikilder som sol og vind gir variable strømleveranser. Forskning på fornybare energikilder gir økt kunnskap og forståelse for hvordan denne type anlegg fungerer i praksis, og kan tilpasses de varierende forhold som vind og sol gir. En fornybar energipark som dette kan brukes til bl.a. testing av vind og sol-elektrolyse systemer, samt hvordan man kan regulere slik energiproduksjon til å bli mest mulig stabil. I tillegg kan man utføre kvalifiseringstester av komponenter for energiproduksjon som elektrolysører, brenselceller og energilagring.

Figur 14: Statoils Fornybar Energi Park i Porsgrunn. Dette er et komplett stand-alone anlegg for produksjon av elektrisitet og hydrogen fra sol og vind. Foto Jørn Paus, Statoil. Figur 15: Prinsippskisse av energiproduksjon basert på vind, sol, og hydrogen. Statoil. 27

Notater: 28