Introduksjon til fornybar energi

Global climate and energy pathways
NorRen Summer School August 2013
Peter M. Haugan
professor at the Geophysical Institute,
University of Bergen
Peter.Haugan@gfi.uib.no
Me: petroleum, CO2, oceanography,
meteorology, climate, UNESCO, offshore wind
(NORCOWE since 2009, now chair of board)
The Geophysical Institute: The above plus solar,
waves, tidal, UiB/HiB energy master, …
Disclaimer
1.
2.
3.
4.
Once I worked in the petroleum industry with numerical methods for oil and
gas reservoir simulation. At present I do not consider research with the aim
to increase oil and gas production to be sustainable.
I worked for many years with research on CO2 storage and was IPCC Lead
Author in CCS in 2006. I consider the political emphasis on CCS to be one of
several convenient illusions or lies in Norwegian politics.
I have been doing climate system research through the Bjerknes Centre and
research on ocean acidification. I consider the “second CO2 effect”, ocean
acidification, to be potentially as problematic as climate change.
I could be said to have a vested interest in offshore wind since I have
promoted and am involved in leading a major research centre in this field
leading to publications and PhDs at my institution. However, I have clearly
stated publicly that our activities in this field can survive well
internationally, as can those of Statoil and Statkraft, without Norwegian
government support. It is domestic industrial activities which suffer from
the changes in policy away from offshore wind over the last 3-4 years.
Background:
! +/ 1 890" 5
: " 3;*<=*>?;@! A*>*B?C
• Ocean observations
• Atmosphere observations
7
• Atmosphere-ocean modelling
• Climate scenarios
• Computational fluid dynamics
• Measurement technology
• Marine operations
• Offshore engineering
• Maintenance
• Control
• Wind turbine design
• Foundations
• Grid connections
• Hydroelectricity
F *1 #4'G*( ) H*
! ''-%#I=J J =
Example ofD'&0#%E#"
ocean
observation
technology – GFI/UiB running a
national research facility with
glider and buoy observatories off
the Norwegian shelf
Reduction in Cost of Energy (CoE)
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Demo projects
Technology qual.
2016
Havsul/Sheringham
Industry standard
Dogger Bank
Mass production
The time frame of NORCOWE
2017
2018
Upcoming market
• North Sea = one common business area
• 5 000 – 10 000
turbines within 2020
• Opportunity for petro-maritime
competence
Location of Hywind
Operational Windfarms
Planned Windfarms
Key points
1.
2.
3.
4.
5.
6.
History of energy transitions and other transitions tell us that power and
human factors are crucial – not only technology and rational choices.
Development and diffusion of renewable enery technologies will depend on
policies which are affected by powerful agenda setters.
Many activities focus on primary energy supply, but improvements in
energy services depend also on clever use. Potential for efficiency
improvements are huge.
The Global Energy Assessment (GEA) takes a different point of departure for
its pathway studies compared to most other assessments: What is required
to reach agreed policy goals, not only for climate, but also for global health,
electricity supply and security?
A fossil-free future is entirely technically possible. It requires roughly
doubling of present annual energy investments over a transition period.
Nuclear can be phased out and we do not need CCS if sufficient emphasis is
put on energy efficiency.
Key References
all freely available from the web sites
GEA, 2012: Global Energy Assessment - Toward a Sustainable Future.
http://www.iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/Energy/Home-GEA.en.html
IPCC, 2011. Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.
http://srren.ipcc-wg3.de/report
David Mackay., 2009. Sustainable energy without the hot air.
http://www.withouthotair.com/
Underway exercises / points for you to consider
Think about why energy efficiency improvements and energy services receive so
little attention compared to the supply side. (E.g. There is a difference between
slogans ”Energy for all” and ”Sustainable energy for all”. Should be ”Adequate
energy services for all”?)
Think about the potential importance of each of these issues as drivers for
transition from fossil to renewable:
–
–
–
–
Security
Health
Business development / Job creation
Climate / CO2.
Think about who gets to speak to the decision makers / media attention:
– How many of you knew IEA (OECD)?
– How many knew IPCC SRREN?
– How many knew GEA?
Energy is the key to the CO2- and climate challenge
(Mackay, 2009)
Global CO2 emissions per person and in regions
One motivation: The CO2-problem
The Kaya-identity (Professor Yoichi Kaya, Japan, 1995):
CO2 emissions = N x (GDP/N) x (E/GDP) x (CO2/E)
Four factors:
Population, wealth, energy intensity, carbon intensity
N = Population
GDP = Gross Domestic Product
E = Energy use
CO2 = CO2 emissions
Renewable energy reduces the carbon intensity CO2/E.
But: Secure energy supply has been the most important
motivation for development of renewable energy until
recently. Perhaps other goals and aspirations will motivate at
least as much as climate / CO2 also in future.
s
o
la
r
r
a
d
ia
t
io
n
1
7
5
0
0
0
T
W
O
c
e
a
n A
t
m
o
s
p
h
e
r
e
1
1
6
0
0
0
T
W
h
e
a
tin
g
b
y
a
b
s
o
r
p
tio
n
1
0
0
0
T
W
a
tm
o
s
p
h
e
r
ic
c
ir
c
u
la
tio
n
<
1
T
W
5
6
0
T
W
3
T
W6
3
T
W
b
io
tic
p
r
o
d
u
c
tiv
ity
6
3
T
W 2
7
T
W
g
e
n
e
r
a
tio
n
o
f
w
a
v
e
s
1
T
W
tid
a
l
m
ix
in
g
w
in
d
d
r
iv
e
n
c
ir
c
u
la
tio
n
t
id
a
l
p
o
w
e
r
w
a
v
e
p
o
w
e
r
In
t
e
r
io
r
E
a
r
t
h
c
u
r
r
e
n
t
p
o
w
e
r
a
tm
o
s
p
h
e
r
ic
e
le
c
tr
ic
ity
w
a
te
r
c
y
c
le
s
a
lin
a
tio
n
o
fs
e
a
w
a
te
r
3
T
W
<
1
T
W1
e
s
a
lin
a
tio
n
th
e
r
m
o
h
a
lin
e d
c
ir
c
u
la
tio
n
O
T
E
C
c
o
n
tin
e
n
ta
l
r
u
n
o
ff
1
5
2
T
W
b
io
tic
p
r
o
d
u
c
tiv
ity
o
s
m
o
t
ic
p
o
w
e
r
h
y
d
r
o
w
in
d
p
o
w
e
r
p
o
w
e
r
e
le
c
t
r
ic
b
io
g
e
o
t
h
e
r
m
a
l
e
n
e
r
g
y
f
u
e
ls
p
la
te
te
c
to
n
ic
s
m
a
n
tle
c
o
n
v
e
c
tio
n
<
5
0
T
W
r
a
d
io
a
c
t
iv
e
d
e
c
a
yInstitute,
Seminar Series autumn semester
2011
Geophysical
a
n
d
s
e
c
u
la
rc
o
o
lin
g
University of Bergen, P.M. Haugan
<
5
0
T
W
L
a
n
d
R
e
n
e
w
a
b
le
E
n
e
r
g
ie
s
g
r
a
v
it
a
t
io
n
o
f
S
u
n
a
n
d
M
o
o
n
5
T
W
s
o
la
r
p
o
w
e
r
c
o
n
tin
e
n
ta
l
u
p
lift
e
a
r
th
q
u
a
k
e
s
17 TW
Hierarchy of renewable energy
• Solar energy is the ultimate source of all renewable
energy except geothermal and tidal.
• Wind and hydro is second-hand solar energy created by
gradients in the surface heat budget.
• Waves are third-hand solar energy generated by wind.
• Biomass, Tidal/current energy, Ocean Thermal Energy
Conversion, Salinity Gradient/Osmosis are other forms of
renewable energy.
• Geothermal is in principle not fully renewable but for
practical purposes the resource is sufficiently large that it
can be considered renewable.
Global primary energy supply in 2009 totally
529 EJ of which 89 EJ (17%) from
renewable sources (up from 74 EJ in 2005)
The potential of renewable energy
technologies exceeds current demands.
(IPCC SRREN, 2011)
Energy nomenclature and different forms
of energy
•
•
•
•
Primary energy
Energy for heating and cooling
Energy for transport
Energy provided as electricity
• End-use energy: ”Given” demand for enduse energy may change (be reduced) if
same energy service can be provided with
smaller energy supply.
GEA 2012
About 300 authors and
200 reviewers used 6
years to produce a 2000
page report and models.
Work protocols similar to
IPCC.
What is needed to achieve politically accepted goals for:
• Climate (the 2 degree target)
• Health (outdoor and indoor air quality)
• Access to electricity for all
• Energy security (reduced dependency on import of oil and others)
Global energy flows (2005)
Development in primary energy
Sources of primary energy
Increasing contribution from renewables –
share of new production (capacity)
EU and China above
40% of new capacity
GEA 2012
Worked with 60 pathways of
which 41 fulfilled the normative
goals.
Worked with 11 (5) world regions
with their specific characteristics.
Population scenario with 9 billion
in 2050.
Result - requirements for achieving transformation:
•
•
•
•
Strong early renewable energy growth
Rising requirements for storage technologies
Strong medium term bioenergy growth
Role of CCS varies between Supply and Efficiency pathways
Some pathways from GEA:
Possible to serve 9 billion people in 2050 if
emphasis on efficiency and renewables
Some conclusions from GEA
• It is possible to simultaneously achieve the 2 degree
target, goals on access to electricity for all by 2030,
acceptable indoor and outdoor air quality according to
WHO standards, and increased energy security.
• To achieve this, a doubling of present investments in
the energy sector of about 2% of GDP may be
necessary but the investment level can go back to
about 2% of GDP in 2050.
Further conclusions from GEA
• It will be much cheaper to achieve the goals on
imprved health, access to electricity and energy
security if the energy supply is decarbonized as
required by the climate goals.
• Energy efficiency and emphasis on technology for
energy services has great potential for reducing the
need for primary energy. R&D and market policies
directed towards the demand side should be
emphasized over the supply side.
• In pathways with emphasis on energy efficiency, one
can do without both CCS and nuclear in 2050.
An aside to illustrate energy efficiency
potential in Norway
• Arnstad-utvalget konkluderte i 2010 at 80
TWh brukt i bygninger i Norge idag kan
reduseres til 70 TWh in 2020, 40 TWh i 2050.
Passivhus-standard, definert som 70-80
kWh/m2/år, kan introduseres fra 2015 (eller
2020) for nye bygg.
• Også ytterligere potensiale i industri og
transport.
• Byplanlegging gir virkning primært over
lengre tidshorisont, men er også viktig.
Growth of renewable energy
2011:
Renewables:
Accounts for 3.9% of el-supply
Growth, total:
17.7 %
Wind:
20.5 %
Solar:
73.3 %
(www.bp.com)
New electrical power installation.
2009 & 2011
EU
**
Source: EWEA
Increase in wind energy globally.
Almost 30% annual increase of installed wind power.
Source: www.ewea.org
•
•
Total production 2009: Ca. 470 TWh or 2.7 % av total electricity.
Offshore wind much lower but has also had 30% annual rate of increase in
recent few years.
Asia now leading also wind
Source: www.ewea.org
amble
ambitious plan to slash greenhouse-gas emissions must clear some high
hnical and economic hurdles.
irin Schiermeier
April 2013
German energy prices – before and after solar development
German energy prices – before and after solar development
Questions for thought (again)
Which of the following concerns will be most important for global transition
from fossil to renewable:
– Security
– Health
– Business development / Job creation
– Climate / CO2.
Why do energy efficiency improvements and energy services receive so little
attention compared to the supply side in policy debates?
Who gets media attention?
LØRDAG24.NOVEMBER2012 DAGENS NÆRI NGSLI V
28
DEBATT
Statsministeren presenterer behagelige illusjoner om petroleum, energi og klima.
Karbonpris og kvoter vil ikke forhindre en CO2-krise, skriver Pet er M. Haugan, professor i
geofysikk.
Behagelige illusjoner
INNLEGG
Energi
S
tatsminister Jens Stoltenberg sier i DN 17.
november at Norge ikke
bør endre sin petroleumspolitikk eller investeringsprofilen i
Oljefondet, men fortsette å
arbeide for internasjonal
enighet om karbonpris og
kvoter. Dette er samme medisin
som han har foreskrevet i over
20 år. Tror noen virkelig at dette
virker dersom målet er å unngå
CO2-krise?
Behagelige illusjoner som
denne lar Norge og nordmenn
leve godt i sin petroleumsboble.
Her er fem andre behagelige
illusjoner eller løgner («Convenient lies») som står sentralt i
norsk klimapolitikk:
Karbonfangst og lagring
(CCS) vil være viktig som bro til
en fornybar fremtid.
Feil! For 20 år siden, da jeg
nettopp var begynt med forskning på karbonlagring, trodde
jeg også at dette var nødvendig.
De siste ti år har vist en utvikling innen vind og solenergi
som er formidabel, med
Danmark, Tyskland og Kina
blant de ledende. Allerede i dag
dekkes i perioder opptil 50
prosent av elektrisitetsforbruket. Med CCS er det fortsatt
store tekniske og miljømessige
utfordringer, eskalerende kostnader, tvil om lagringstillatelser
og ingen signifikant implementering.
Utbygging av norsk gass og
eksport til Europa vil være
viktig for å få ned CO2-utslippene i Europa.
Feil! Infrastruktur i energisektoren har en levetid på
30–50 år. Investeringer i gass-
ENSI DI G
FOKUS. Peter
M. Haugan.
12
NYHETER
STØ PÅ BORET. J ens Stol tenberg mener det er mye
mer effektiv t å gjøre det
ulønnsomt å forbrenne CO2
enn at norsk gassekspor t
kuttes.
Foto: Thomas T. Kleiven
Vil pumpe
som før
POLITIKK
Jens Stoltenberg ser
ingen grunn til å endre
norsk olje- og gasspolitikk
selv om Energibyrået
mener mesteparten av
verdens fossileressurser
må forbli i bakken. Kvoter
og karbonpris er
løsningen, ikkeredusert
utvinning,ifølge
Stoltenbergg
– Jeg er enig i at skal man
lykkes med å stoppe global
oppvarming , må mye hydrokarboner bli liggende i bakken. Jeg
tror også at vi kommer til å
oppleve en dag at vi kommer til
å ta i bruk andre energibærere
før det fysisk blir slutt på hydrokarboner , sier Stoltenberg til
DN.
Men han går raskt videre til å
påpeke samme klimamedisin
han har foreskrevet i 20 år –
karbonpris og kvotesystem.
Må bruke markedet
Det vil føre til
il at det blir
b mer
ENERGIBYRÅETSSCENARIO
Det internasjonale energibyrået
(IEA) leverer årlig World Energy Outlook, «bibelen» for verdens energista tus. I årets rapport påpekes det at
mesteparten av verdens fossile ressurser må forbli i bakken hvis ikke revolusjonerende renset eknol ogi rulles
ut i stor skala.
Kraftig vekst i energietterspørselen gjør at CO2-ut slippeneventes å
stigemed knapt 19 prosent frem mot
2035. Det vil føre til en temperaturøkning på 3,6 grade Verdens statsl d
ppva
usikk er og kanskje negativ virkning på klimaet. Å tenke seg å
redusere norsk gassproduksjon
kan til og med bidra til økte
utslipp, sier Stoltenberg .
Mot sin hensikt
– Å la være å utvinne olje og
gass vi vet om, er ikk e aktuelt?
– Nei, for jo høyere pris vi får
på karbon, desto mer karbon blir
liggende i bakken. Men det
viktigste er at det da blir det
mest forurensende som ligger i
bakken. Vi må ikke innrette oss
slik at vi hindre
overgang fra
il ga
Det er mye mer
effektivt å gjøre
det ulønnsomt å forbrenne CO2 enn at vi
kutter på norsk gasseksport
Statsminister Jens Stoltenberg
å få ned utslippene. Jeg argumenterte med det allerede som
statssekretær i 1992. Nå er
Europa blit t veldig for . Nå gjø
California og Australia noe
DN 17. november
rørledninger og kraftverk nå vil
låse oss fast i en fossil fortid
lengre enn vi har råd til om vi
skal løse CO2-problemene.
Fornybar energi er for dyrt.
Feil! Overgang til en fossilfri
energifremtid ville koste mindre
enn de offentlige utgiftene som
er brukt til å komme over
finanskrisen og gi marginal
reduksjon av global økonomisk
utvikling over en 50-års periode
fra nå. Fornybar energi fra sol
og vind blir stadig rimeligere.
Det er fortsatt stort potensial
for kostnadsreduksjoner ved
masseproduksjon og gjennom
hittil uprøvde teknologier.
Skogplanting og bevaring av
skog er et viktig kompenserende
tiltak.
Feil! Skogbevaring i ett land
kan kompenseres ved hugst i et
annet land. Tiltaket kan
vanskelig kontrolleres i flere
hundre eller helst tusen år som
det bør for å møte tidsskalaen
på CO2-problemet. Et tankevekkende aspekt ved den norske
innsatsen på dette tiltaket er at
det særlig har vært rettet mot
den fremvoksende økonomien
Brasil, som samtidig er en viktig
partner i petroleumsøkonomien
og Norges største uhjelpsmottaker.
Norsk innsats i mellomstatlige forhandlinger gir store
effekter.
Feil! Hvilke instruksjoner og
rammebetingelser Norge gir til
Oljefondet og Statoil har mye
større betydning enn hvem som
sier hva i forhandlinger om politiske ambisjoner som likevel
ikke er bindende.
Det fascinerende med disse
illusjonene er at vi alle mer eller
mindre stilltiende har akseptert
påstandene og tviholder på dem
selv når det er blitt innlysende
at de ikke holder mål. Da er det
ikke lengre illusjoner, men
løgner.
Hvor lenge skal det gå før
Frederic Hauge eller Lars Haltbrekken ser at CCS bør oppgis
og at de vel tre milliardene til
dette i statsbudsjettet 2013 bare
virker forlengende på fossiltiden? Hvem våger å være den
første til å skifte standpunkt?
I Norge har vi en velutviklet
politikk for petroleumsregimet.
Vi har en klimapolitikk som
fokuserer på CCS, skogplanting
og karbonhandel. Men vi har
ingen energipolitikk. Ikke
engang en energimelding skal vi
få.
Det er ikke mulig å velge gode
løsninger på CO2 og klimaproblemene uten å se disse
temaene i sammenheng. Mens
andre land omstiller til variable
fornybare kilder og bygger ut
fleksibel infrastruktur med
energilagring og effektivisering,
BEHAGELI G I LLUSJ ON.
Produksjonsanleggene på
Mongstad. Med CCS er det
fortsatt store tekniske og miljømessige utfordringer, eskalerende kostnader, tvil om
lagringstillatelser og ingen
signifikant implementering,
skriver artikkel forfatteren.
Foto: Eivind Senneset
fokuserer vi ensidig på petroleum og utnytter ikke våre
finansielle muskler til å gå tungt
inn i fremtidens energiforsyning. Den er fornybar, klima- og
ressursvennl ig og har positive
ringvirkninger for næringer og
samfunn.
Illusjoner kan være greit når
man ikke vet så mye. Løgner er
verre å forsvare.
Peter M. Haugan, professor
ved Geofysi sk i nsti tutt,
Uni ver si tetet i Ber gen
Teknologisk Institutt AS(TI) er en kundefokusert tjenesteleverandør for offentlig og privat sektor innen forretningsområdenevirksomhetsutvikling,
produktutvikling, kalibrering, materialteknologi og sertifisering. TI leverer teknologibasert kvalifisering av personell, systemer, utstyr,
materialer og produkter. TI omsatte i 2011for ca. 239 MNOKog har ca. 210 medarbeidere fordelt på seksulike lokaliseringer i Norge og Sverige.
www.teknologisk.no
Administrerende direktør
BT 18Markeds
nov
fokusert og strategisk lederskap av høyteknologisk miljø
DN 23 & 30 nov
Teknologisk Institutt skal være Norges mest foretrukne partner innenfor teknologiorientert rådgivning, kompetanseutvikling og testing. TI er en av Norges fremste
leverandører av teknologiske konsulenttjenester til et stort antall kunder som også
omfatter noen av Norges største industribedrifter. Til å videreutvikle og forsterke
denne posisjonen søker vi ny administrerende direktør.
Vi søker en markedsorientert leder, fortrinnsvis med høyere teknisk utdannelse, solid
erfaring fra kunnskapsbasert virksomhet, samt god kjennskap til norsk næringsliv og
samfunnsmessige premissgivere. Stillingen krever god innsikt i strategisk forretningsutvikling, gode kommunikasjonsevner, samt en engasjerende og involverende
lederstil.
Eventuelle spørsmål om stillingen kan rettes til Visindi ASved Frode Hepsø Johansson, tlf 992 21300 eller
Bjørn-Osvald Skandsen, tlf 468 47066. Din henvendelse behandles konfidensielt, om ønskelig også overfor oppdragsgiver.
Søknad med CV sendes snarest via ”Stillinger” på www.visindi.no.
John Broome. Scientific American, June 2008, p 69-73.
John Broome. Scientific American, June 2008, p 69-73.
Possible follow-up of GEA
and other
scenario/pathway work
-> Expand analysis to include additional
dimensions/perspectives
GEA basically assumes all actors behave as Homo
Economicus making rational decisions based on complete
information at all times. However future pathways may be
significantly influenced by:
•
•
•
•
•
•
•
Behavioral economics
Risk perception
Environmental ethics
Language
Media
Different world views
Migration and conflicts
Possible further research possibilities
-> Study the role of energy scenarios in earth system changes
Climate models have expanded to earth system models including
biogeochemical cycles, but suffer since energy scenarios are not
properly integrated. Energy scenarios depend on other earth
system changes.
• What are fundamental and realistic geophysical limits for
harvestable energy? Note confusion in literature concerning jet
stream wind energy.
• What will the regional environmental interactions be? E.g. effects
of tidal power in straits, upwelling due to offshore wind.
• How do land use changes for biofuel feed back on global carbon
and how will biofuel compete with food?
• How does exploitation of one source of energy affect another?
A vision for Europe ?
Norwegian
hydropower is
about 25 GW,
125 TWh/yr
amounting to
50% of
European
storage capacity.
Slide 41 / 12-Aug-13
Key points for this talk
1.
2.
3.
4.
5.
6.
History of energy transitions and other transitions tell us that power and
human factors are crucial – not only technology and rational choices.
Development and diffusion of renewable enery technologies will depend on
policies which are affected by powerful agenda setters.
Many activities focus on primary energy supply, but improvements in
energy services depend also on clever use. Potential for efficiency
improvements are huge.
The Global Energy Assessment (GEA) takes a different point of departure for
its pathway studies compared to most other assessments: What is required
to reach agreed policy goals, not only for climate, but also for global health,
electricity supply and security?
A fossil-free future is entirely technically possible. It requires roughly
doubling of present annual energy investments over a transition period.
Nuclear can be phased out and we do not need CCS if sufficient emphasis is
put on energy efficiency.
Some additional points
• No scientific or technological activity is completely
decoupled from societal issues or ”value-free”
• All such activities also has ethical aspects and should
follow ethical principles.
Insights from social science in a wide sense, not only
socio-economics and innovation studies, matter for
understanding and shaping our energy future.
You can make a difference by engaging in crossdisciplinary exercises around energy-climate pathways.
Main references
all freely available from the web sites
GEA, 2012: Global Energy Assessment - Toward a Sustainable Future.
http://www.iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/Energy/Home-GEA.en.html
IPCC, 2011. Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.
http://srren.ipcc-wg3.de/report
David Mackay., 2009. Sustainable energy without the hot air.
http://www.withouthotair.com/