PUT U NISKOUGLJIČNO DRUŠTVO STVARNOST ILI OBMANA

Mijo Zglavnik, dipl. ing. stroj. TEHNOKOM d.o.o., Zagreb PUT U NISKOUGLJIČNO DRUŠTVO STVARNOST ILI OBMANA 8. ZAGREBAČKI ENERGETSKI TJEDAN, 8.-13. 5.2017. Zemlja snimljena iz svemira 7.12.1972., Apollo 17

Latentna topl. Osjetna toplina Svemir Reflektirajuće zračenje Kratkovalno Dugovalno Atmosfera Apsorpcija u atmosferi Refleksija Atmosferski prozor Refleksija Apsorpcija u atmosferi Apsorpcija Infracrveno zračenje Zemlja Apsorpcija Refleksija Infracrveno zračenje Izvor: U. Platt: Physik IV - Umweltphysik, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg

STAKLENIČKI PLINOVI PRIRODNI Vodena para (H 2 O) Ugljikov dioksid (CO 2 ) Metan (CH 4 ) Ozon (O 3 ) ANTROPOGENI Vodena para (H 2 O) Ugljikov dioksid (CO 2 ) Metan (CH 4 ) Ozon (O 3 ) Dušikov trifluorid (NF 3 ) Didušikov oksid (N 2 O) Sumporov heksafluorid (SF 6 ) Fluorirani ugljikovodici (C 2 F 6, CF 4, CHClF 2, CCl 2 F 2 )

Vrijeme razgradnje, globalni staklenički potencijal u odnosu na CO 2 nekih stakleničkih plinova za 20, 100 i 500-godišnje razdoblje Staklenički plin Kemijska formula Vrijeme razgradnje u atmosferi (godina) Globalni staklenički potencijal za vremensko razdoblje 20 godina 100 godina 500 godina Ugljikov dioksid CO 2 30-95 1 1 1 Metan CH 4 12 72 25 7,6 Didušikov oksid N 2 O 114 289 298 153 CFC-12 CCl 2 F 2 100 11.000 10.900 5.200 HCFC-22 CHClF 2 12 5.160 1.810 549 Tetrafluorometan CF 4 50.000 5.210 7.390 11.200 Heksafluoroetan C 2 F 6 10.000 8.630 12.200 18.200 Sumporov heksafluorid SF 6 3.200 16.300 22.800 32.600 Dušikov trifluorid NF 3 740 12.300 17.200 20.700 Izvor: IPCC Fourth Assessment Report, Climate Change 2007 (AR4), tb. 2.14

Osim sintetičkih halogeniranih ugljikovodika koji su isključivo ljudski proizvod, većina stakleničkih plinova može imati dvojni karakter, tj. biti posljedica prirodnih procesa i ljudskih aktivnosti. Najzastupljeniji prirodni plinovi u atmosferi dušik i kisik nisu staklenički plinovi

Ugljik spada uz kisik i vodik među najvažnije kemijske elemente na Zemlji. U živim organizmima i hrani nalazi se u obliku ugljikohidrata - makromolekula sastavljenih od atoma ugljika, vodika i kisika. S vodikom tvori organske kemijske spojeve ugljikovodike. Nafta je mješavina različitih ugljikovodika i manjih količina kisika, dušika, spojeva sumpora, minerala i tragova metala. Najjednostavniji ugljikovodik je metan. Glavni je sastojak zemnog plina. Važan je staklenički plin. U atmosferi se razlaže na CO 2 i H 2 O. Velike količine metana u obliku metanskog klatrata nalaze se na dnu oceana ispod sedimenata i u Zemljinoj kori.

Mauna Loa, Hawaii Observatory Last update: 6 Sep 2016 Typical eruption style: Dominantly effusive. Mauna Loa volcano eruptions: 1832, 1843, 1849, 1851, 1852, 1855-56, 1859, 1865-66, 1868, 1870(?), 1871, 1872, 1873, 1873-74, 1875, 1876, 1877, 1879, 1880, 1880-81, 1887, 1892, 1896, 1899, 1903, 1907, 1914-15, 1916, 1919, 1926, 1933, 1935-36, 1940, 1950, 1975, 1984 https://www.climate.gov/news-features/featured-images/2015-state-climate-carbon-dioxide

Srednja godišnja temperatura izmjerena na Grönlandu na meteorološkoj stanici Godthab Nuuk 1880.-2015. g. Izvor: NASA National Aeronautics and Space Administration, Goddard Institute for Space Studies, May 2, 2016

Okvirna konvencija o promjeni klime (9. svibnja 1992.) (Hrvatska ratificirala 1996. godine a punopravna stranka postala 1997. godine) Kjotski protokol (9. prosinca 1997.) kojim industrijski razvijene zemlje postavljaju cilj smanjenja emisije u atmosferu plinova koji izazivaju efekt staklenika i porast temperature na Zemlji. Stupio na snagu 16. veljače 2005. Postotci smanjenja emisije za pojedine države su različiti a kao bazna godina uzima se 1990. Ratifikacijom Kjotskog protokola dopuštena kvota emisije stakleničkih plinova postaje za zemlju potpisnicu obvezatna uz sankcije za prekoračenje te kvote. Hrvatska ga je ratificirala 27. travnja 2007. nakon dugotrajnih i mukotrpnih pregovora a punopravna stranka Protokola postala je 28. kolovoza 2007.

1959 1961 1963 1965 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 8,99 9,41 9,45 9,84 10,38 10,97 11,47 12,05 12,43 13,07 13,85 14,85 15,42 16,03 16,91 16,94 16,84 17,82 18,38 18,59 19,63 19,42 18,83 18,66 18,59 19,27 19,85 20,46 20,98 21,75 22,23 22,30 22,59 22,41 22,44 22,81 23,17 23,72 24,07 24,16 24,27 24,86 25,55 25,92 27,38 28,78 30,17 31,24 32,15 32,84 32,51 33,74 34,97 35,49 35,99 36,24 36,26 GLOBALNA EMISIJA STAKLENIČKIH PLINOVA 1959.-2015. GODINE Gt CO 2eq Gt/god CO 2eq 40 35 30 25 20 Okvirna konvencija UN o promjeni klime (1992.) Kjotski protokol (2005.) 15 10 5 0 Godina Izvor podataka: U. S. Department of Energy, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, November 2016

ANTROPOGENE EMISIJE CO 2 23,0% 19,0% 25 % Termoelektrane na fosilna goriva 23 % Mali potrošači 19 % Industrija 15,0% 15 % Izgaranje biomase 25,0% 6,0% 6 % Teretna vozila 5,5 % Osobna vozila 2,0% 1,5% 3,0% 5,5% 3 % Zračni promet 1,5 % Pomorski promet (duga plovidba) 2 % Promet (ostalo) Izvor: http://vademecum.brandenberger.eu/themen/klima-1/co2.php#anteil

Proizvodnja električne energije u svijetu u TWh prema vrstama goriva OIE bez HE HE NE Elektrane na fosilna goriva Izvor podataka: IEA Key World Energy Statistics 2016

UDJELI VRSTA GORIVA U PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE U SVIJETU Izvor podataka: IEA Key World Energy Statistics 2016

EMISIJA CO 2 U SVIJETU PREMA VRSTAMA GORIVA U RAZDOBLJU 1971.-2014. GODINE (u milijunima tona) Ukupna emisija 1973. godine 15,46 milijardi tona Ukupna emisija 2013. godine 32,19 milijardi tona Ukupna emisija 2014. godine 32,38 milijardi tona Zemni plin Nafta Ugljen Izvor podataka: IEA Key World Energy Statistics 2016

757,3 617,0 592,5 541,4 503,7 488,6 479,4 475,7 471,2 457,5 377,9 344,8 333,2 323,5 303,1 17,7 2.034,8 1.789,1 1.243,4 5.186,2 10.249,5 NAJVEĆI PROIZVOĐAČI STAKLENIČKIH PLINOVA 2013. GODINE 12.000,0 OD IZGARANJA FOSILNIH GORIVA I PROIZVODNJE CEMENTA (milijuna tona CO 2eq ) 10.000,0 Ukupna emisija 33,86 mld t CO 2eq Od toga 8.000,0 Kina 30,3 % SAD 15,3 % Najvećih 5 onečišćivača 60,6 % 6.000,0 Najvećih 10 onečišćivača 69,5 % Najvećih 20 onečišćivača 81,4 % Hrvatska na 88. mjestu s udjelom 0,05 % 4.000,0 2.000,0 0,0 Izvor podataka: U. S. Department of Energy, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, 2016

EMISIJA STAKLENIČKIH PLINOVA OD IZGARANJA FOSILNIH GORIVA I PROIZVODNJE CEMENTA 20 NAJVEĆIH ZAGAĐIVAČA (po stanovniku tona CO 2eq ) 20,00 18,00 16,00 17,93 16,24 16,13 14,00 13,49 12,47 11,88 12,00 10,00 8,00 9,79 9,39 8,84 7,99 7,52 7,15 6,00 5,76 5,21 4,51 4,25 3,96 4,00 2,00 2,46 1,91 1,58 0,00 Izvor podataka: U. S. Department of Energy, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, 2016

GLOBALNA EMISIJA CO 2 (oko 800 Gt/god) 27,0% 41,5% 27,0% 41,5 % Oceani 27 % Vegetacija 27 % Tlo Sadržaj CO 2 u atmosferi oko 3.000 Gt 3,5% 1,0% 1 % Izgaranje biomase 3,5 % Antropogeni izvori Izvor: http://vademecum.brandenberger.eu/themen/klima-1/co2.php#anteil

0,15-0,26 Gt/g 32 Gt/g SHEMATSKI PRIKAZ KRUŽENJA CO 2 3.000 Gt 330-340 Gt/g 440-450 Gt/g 440 Gt/g 150.000 Gt 0,4 Gt/g

TOPIVOST O 2 U VODI TOPIVOST N 2 U VODI

TOPIVOST CO 2 U VODI TOPIVOST SO 2 U VODI Što je voda hladnija može otopiti više plina a količina otopljenog plina proporcionalna je njegovom parcijalnom tlaku u plinskoj fazi.

OVISNOST TEMPERATURE O KONCENTRACIJI CO 2 U ATMOSFERI Planet % CO 2 Najniža temperatura Najviša temperatura Zemlja 0,038-0,040 89,2 C (21.7.1983. g., Antarktika, istraživačka stanica Vostok) -68 C u naseljenom mjestu (1933. g., Ojmjakon u Sibiru) Mars 95,3-133 C +27 C Venera 96,5 +437 C +497 C +56,7 C (10.7.1913. g., Greenland Ranch u Kaliforniji)

Infracrveni toplinski tok kao posljedica jačeg zagrijavanja Zemlje oko ekvatora Izvor: U. Platt: Physik IV Umweltphysik, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg

Emisija u kwh/m 2 Valna duljina u µm Stvarno infracrveno zračenje Teoretsko infracrveno zračenje Teoretsko toplinsko zračenje (infracrveno) površine Zemlje bez djelovanja stakleničkih plinova (crvena površina) i stvarno toplinsko zračenje površine Zemlje zbog djelovanja stakleničkih plinova (plava površina) Izvor: http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/treibhauseffekt

Koeficijent apsorpcije Valna duljina u µm Koeficijent apsorpcije infracrvenog zračenja u ovisnosti o valnoj duljini infracrvenog zračenja za glavne stakleničke plinove Koeficijent apsorpcije prikazuje intenzitet apsorpcije 0 nema apsorpcije 1 apsorpcije potpuna (100 %) Molekule CO 2 imaju specifične i diskretne dobro poznate apsorpcijske valne duljine 2,8 µm, 4,5 µm i 15 µm http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/treibhauseffekt

POTROŠNJA CO 2 ZA FOTOSINTEZU NEKIH BILJAKA U OVISNOSTI O KONCENTRACIJI CO 2 U ZRAKU Potrošnja CO 2 Biljke vrste C 3 (većina drveća 95 % biomase na Zemlji) Biljke vrste C 4 (trava, kineski rogoz, kukuruz, šećerna trska, proso ) Koncentracija CO 2 Izvor: http://www.co2science.org

Idealna koncentracija CO 2 u staklenicima je 0,06-0,12 % (ovisno o sorti i godišnjem dobu). Ovo se pokazalo učinkovito u proizvodnji rajčica, krastavaca, jagoda i cvijeća (ruža, gerbera i orhideja). Preporučene koncentracije: rajčica i krastavci: 700-900 ppm, paprika: 600-800 ppm U suvremeni staklenik za uzgoj 6.000 t/god rajčice na površini 11 ha dodaje se godišnje 3.000 t CO 2. Rafinerija nafte Shell kod Roterdama isporučuje ljeti nizozemskim staklenicima 400.000 t CO 2. Optimalna koncentracija CO 2 u zraku za pšenicu, raž i rižu je 800-1.000 ppm. Ljudi podnose bez ikakvih posljedica koncentraciju CO 2 u zraku 10.000 ppm. 6.000 ppm je maksimalna dopuštena koncentracija CO 2 u prostorima u kojima ljudi rade i borave.

UTJECAJ KONCENTRACIJE CO 2 U ZRAKU NA RAST BILJAKA 1 2 3 4 1 rast na otvorenom pri 385 ppm, 2-4 rast u stakleniku 2 povećana koncentracija 150 ppm, 3 povećana koncentracija 300 ppm, 4 povećana koncentracija 450 ppm Izvor: http://www.co2science.org

UTJECAJ POVEĆANE KONCENTRACIJE CO 2 ZA 300 ppm NA RAST BILJAKA Srednji porast mase % Broj uzoraka (pokusa) Ječam 41,5 % 15 Riža 34,3 % 137 Pšenica 33,0 % 214 Prosjek: 36,3 % Srednji porast mase % Broj uzoraka (pokusa) Mahune (zelene) 64,3 % 17 Soja 47,6 % 162 Krumpir (bijeli) 29,5 % 33 Krumpir (batata) 33,7 % 6 Kukuruz 21,3 % 20 Mrkva 77,8 % 5 Prosjek: 45,7 % Izvor: http://www.co2science.org

UTJECAJ POVEĆANE KONCENTRACIJE CO 2 ZA 300 ppm NA RAST BILJAKA Srednji porast mase % Kanadska topola 124,0 % 5 Crveni javor (acer rubrum) 44,2 % 13 Sjeverni crveni hrast (Quercus rubra) Srednji porast mase % Dinja rebrača 4,7 % 3 Trešnja 59,8 % 8 Jagoda 42,8 % 4 Rajčica 31,9 % 35 Prosjek: 32,8 % 53,3 % 7 Bor (Pinus taeda) 61,9 % 65 Prosjek: 70,8 % Broj uzoraka (pokusa) Broj uzoraka (pokusa) Izvor: http://www.co2science.org

Pozitivna faza PACIFIČKA DEKADNA OSCILACIJA (PDO) Negativna faza Odstupanja od tipične zimske temperature mora (boja) C, tlaka na morskoj razini (konture) i vjetra (strjelice) u toploj i hladnoj fazi PDO http://research.jisao.washington.edu/pdo/

UTC 2017 21.12. 16:28 22.09. 20:02 20.03. 10:28 21.06. 04:24 http://www.zo.utexas.edu/courses/thoc/milankovitch_cycles.html

MILANKOVIĆEVI CIKLUSI Cikličke promjene tri faktora: putanje nagiba osi precesije Milanković je razvio dvadesetih godina prošlog stoljeća matematički model na kojem počivaju orbitalne promjene Zemlje koje su generator promjene klime na Zemlji. 1976. g. u časopisu Science nakon istraživanja sedimenata morskog dna i uzoraka leda iz dubokih bušotina potvrđen je Milankovićev model klimatskih promjena. M. Milanković: Matematička teorija toplinskih pojava uzrokovanih Sunčevim zračenjem

Milankovićevi ciklusi Matematička teorija klimatskih promjena T - promjena nagiba Zemljine osi E - promjena ekscentričnosti Zemljine putanje P - precesija, tj. promjena smjera nagiba Zemljine osi u danoj točki putanje http://ossfoundation.us/projects/environment/global-warming/milankovitch-cycles

Zemljina je os nagnuta prema ravnini njezine putanje oko Sunca (ekliptike). Zbog tog nagiba imamo godišnja doba. Nagib se s vremenom mijenja između 22,1 i 24,5 u ciklusu od 41.000-45.000 godina. Manji nagib znači ravnomjerniju osunčanost i manje razlike u godišnjim dobima između sjeverne i južne polutke (hladnija ljeta i blaže zime) a veći nagib veće razlike (toplija ljeta i hladnije zime). Da nagib Zemljine osi ima veći utjecaj na primljenu energiju Sunčevog zračenja dokaz je zima na sjevernoj polutki a Zemlja je u perihelu, tj. najbliže Suncu (3. siječnja). M. Milanković: Matematička teorija toplinskih pojava uzrokovanih Sunčevim zračenjem http://www.indiana.edu/~geol105/images/gaia_chapter_4/milankovitch.htm

Zemlja putuje oko Sunca po stazi koja nije stalnog oblika. Općenito, to je elipsa čija se ekscentričnost mijenja od vrijednosti 0 (kad je kružnica) pa do vrijednosti 0,068 (kad je najizduženija elipsa), pa je tada razlika u udaljenosti od Sunca između točaka najbližih i najdaljih Suncu oko 20 milijuna kilometara. Ciklus traje 92.000-95.000 godina. Sada je razlika između afela i perihela oko 3 % (ekscentričnost putanje skoro na minimumu). To ima za posljedicu za oko 6 % veću primljenu energiju u siječnju nego u srpnju. Kada putanja poprimi najizduženiju elipsu (najveću ekscentričnost), primljena energija od Sunca u perihelu je 20-30 % veća nego u afelu. M. Milanković: Matematička teorija toplinskih pojava uzrokovanih Sunčevim zračenjem http://www.indiana.edu/~geol105/images/gaia_chapter_4/milankovitch.htm

Zemlja se vrti oko svoje osi a njezina os opisuje u prostoru stožac (precesija). Zbog nje početak proljeća (proljetna ravnodnevica) ne pada stalno na isti dan nego se polako pomiče duž godine i vraća se opet u isti trenutak. Zemljin nebeski pol mijenja orijentaciju od zvijezde Sjevernjače prema zvijezdi Vega i vraća se natrag. Ciklus traje 21.000-26.000 godina. 2017. P 20.3. 10:28 LJ 21.6. 04:24 J 22.9. 20:02 Z 21.12. 16:28 2020. P 20.3. 03:50 LJ 20.6. 21:44 J 22.9. 13:31 Z 21.12. 10:02 1. Sada ZIMA 2. Za 5250-6500 godina LJETO LJETO 3. Za 10500-13000 godina ZIMA LJETO ZIMA http://www.indiana.edu/~geol105/images/gaia_chapter_4/milankovitch.htm

John Baez: Climate Science Seminar, California State University Northridge, April 26, 2013 http://math.ucr.edu/home/baez/glacial/glacial.pdf

John Baez: Climate Science Seminar, California State University Northridge, April 26, 2013 http://math.ucr.edu/home/baez/glacial/glacial.pdf

http://www.zo.utexas.edu/courses/thoc/milankovitch_cycles.html

Tko je odgovoran za klimatske promjene? 1 ppm CO 2 = 1,83 mg/m 3 CO 2 1 mg/m 3 CO 2 = 0,546 ppm CO 2 1 vol. % CO 2 = 10 000 ppm CO 2 1 kg C izgaranjem daje 3,667 kg CO 2