INLEDNING
Tillgången på ren, förnybar energi är en av mänsklighetens största utmaningar
under det kommande århundradet. För att förstå utmaningen vi står inför krävs
kunskap om de stora linjerna.
tillväxt = energi
Bakgrundskunskap
Världens befolkning (i miljarder)
För att förstå sammanhangen krävs
kunskaper i bland annat fysik.
10
9
Storleksordningar
För att prioritera rätta, krävs en
känsla för de ingående storleksordningarna.
Utmaningar och problem
Var står vi idag? Vilka är utmaningarna
och vilka är de akuta problemen?
Möjliga lösningar
Finns det lösningar på de problem vi
står inför?
prognos
8
Befolkning (miljarder)
Börja
här
7
6
5
4
3
2
1
0
1650
1700
1750
1800
1850
Årtal
1900
1950
2000
2050
GRUNDLÄGGANDE TERMER OCH BEGREPP
Energi
En fysikalisk storhet vilken uttrycker
ett systems kapacitet att utföra arbete.
Energibärare
Energi kan lagras eller transporteras i
materia. Bensin, varmt vatten, uran är
alla exempel på energibärare.
Energiformer
Energi kan uppträda i olika former, så som
rörelseenergi, potentiell energi, elektrisk
energi, kemisk energi, strålningsenergi (ljus).
Energislag
Olika metoder att utvinna energi ur naturen,
så som kol, olja, kärnenergi och vindenergi.
Primärenergi
Jordens primära energiresurser är
kärnenergi, fossilenergi och flödande,
förnybar energi.
Energiprincipen
Energi kan omvandlas från en form till
en annan, men aldrig skapas eller
förstöras.
Energikvalitet
I varje energiomvandling uppkommer alltid
förluster (spillvärme). Man säger att
energikvaliteten minskar när vi utnyttjar
energin. I en bil omvandlas bensin
med hög energikvalitet till värme med låg.
FRÅN ENERGIKÄLLOR TILL ENERGIFÖRBRUKNING
Fusion
(solen)
Fossila
bränslen
Trafik
Ångkraft
Biobränslen
Industri
Vind, vatten
och solenergi
Fission
(kärnreaktor)
Kärnkraftverk
Radioaktivitet
(berggrunden)
Geotermisk
värme
Kärnreaktioner
Bränslen
Källa: http://fi.wikipedia.org (sökord: ”sähkö”)
Energiproduktion
Förnybara
Elproduktion
Värme
Energiförbrukning
JORDENS ENERGIFLÖDEN UTTRYCKTA I TERA-WATT
Figuren hämtad från M.Areskoug (2006), Miljöfysik, Studentlitteratur, Lund
STORLEKSORDNINGEN PÅ OLIKA ENERGIKÄLLOR
Källor
Energi
(Joule)
Uppskattade globala
kolreserven (2005)
2,1x1022
Uppskattade naturgasreserven (2006)
6,5x1021
Uppskattade
råoljereserven (2003)
7,4x1021
Världens årliga
energiförbrukning
(2005)
5x1020
Finlands årliga
energiförbrukning
(2005)
1,4x1018
Ett fat råolja (ca.159 l)
6x109
Dagligt födointag
(vuxen)
1x106
Tabellen är sammanställd från Wikipedia.
Sökord: “orders of magnitude (energy)”.
• Kol, olja och gas stod år 2003 för 86%
av den globala primärenergiproduktionen
• EIA:s uppskattning (www.eia.doe.gov)
för hur länge kol, olje och gasreserverna
räcker om förbrukningen hålls på 2002
års nivå:
Olja
40 år
Gas
70 år
Kol
250 år
STORLEKSORDNINGEN PÅ OLIKA ENERGIFLÖDEN
Flöden
Effekt
(Watt)
Globala energiflödet från
solen
1,7x1017
Vindgenererade vågor på
världens hav
9,0x1016
Globala värmeflödet (luft
och havsströmmar)
4,2x1013
Globala förbränningen av
fossila bränslen
1,0x1013
Kärnkraftverk
(Eleffekt/Olkiluoto)
1,7x109
Boeing 747 gasturbin
6,0x107
Hårt arbetande vuxen
5x102
Tabellen är sammanställd från V. Smil (1999), Energies, The MIT Press, Massachusetts.
GLOBALA ENERGIFÖRSÖRJNINGEN FÖRDELAT ENLIGT KÄLLOR (2002)
Förnybara källor (13,5%)
Grafen hämtade från G. Olah et al (2007), Bortom olja och gas, Industrilitteratur, Lidingö
(rekommenderas). Bokens statistik kommer från International Energy Agency (www.iea.org), som är
en obunden organisation som årligen publicerar mängder av intressant (och gratis) energistatistik.
GLOBALA ANVÄNDNINGEN AV OLJA (2002)
(t.ex. kemisk
industri)
Grafen hämtade från G. Olah et al (2007), Bortom olja och gas, Industrilitteratur, Lidingö.
FINLANDS ENERGIFÖRSÖRJNINGEN FÖRDELAT ENLIGT KÄLLOR (2007)
Nettotuonti
3,1 %
Ydinvoima
Turve
16,9 %
7,3 %
Maakaasu
10,5 %
Puuperäiset
polttoaineet
20,7 %
Uusiutuvat
24,2 %
Hiili
13,2 %
Öljy
24,8 %
Lähde: Tilastokeskus
Vesi- ja
tuulivoima
3,5 %
Grafen tagen från energinindustrins hemsida (www.energia.fi/fi/ymparisto/ilmastonmuutos), vilken
har en mycket överskådlig power-point presentation (på finska) som kan laddas ner gratis.
ENERGIFÖRBRUKNINGEN PER CAPITA ENLIGT LANDETS BNP
Data från Internationella Valutafonden (2006), www.imf.org/external/pubs/ft/weo/2006/01/data/index.htm
och International Energy Agency (2004), earthtreands.wri.org/searchable_db/results
PROGNOS FÖR DEN GLOBALA ENERGIFÖRBRUKNINGEN
Befolkning
( x 109 )
Effekt per capita
(kilo-Watt)
Totala effektförbrukningen
(Tera-Watt)
I-länder
1,2
7,5
9,0
Utvecklingsländer
4,1
1,1
4,5
Totalt
5,3
År 1992
13,5
År 2025
I-länder
1,4
3,8
5,3
Utvecklingsländer
6,8
2,2
15,0
Totalt
8,2
20,3
Data hämtade från: Boyle, G. (ed.) (1996). Renewable energy. Oxford University Press, Oxford.
KOLETS KRETSLOPP UNDER ETT ÅR (GIVET I MILJARDER TON)
Lagrat
Lagrat
Lagrat
Figuren hämtad från M.Areskoug (2006), Miljöfysik, Studentlitteratur, Lund.
Boken innehåller en rad intressanta experiment. Rekommenderas.
Lagrat
Lagrat
ÖKNINGEN AV KOLDIOXIDUTSLÄPPEN UNDER 1900-talet
Grafen är hämtad från R. Muller (2008), “Physics for future presidents”, Norton, New York. Denna bok
ger en mycket bra och översikt över fysiken bakom dagens nyhetsrubriker (terrorism, energi, kärnvapen,
global uppvärmning, etc).
OLIKA BRÄNSLENS ENERGIINNEHÅLL PER KILOGRAM (Mega-Joule/kg)
Bränsle
Värmevärde (MJ/kg)
Stenkol
33,3
Bensin
42,5
Diesel
43,0
Naturgas
38,1
Väte
120,1
Flytgas (propan)
45,8
Torkad kodynga
15,5
Torv
20,9
Torkad ved
(25% vatten)
13,4
Värmevärde = frigjorda
energin per kg bränsle vid
förbränning
Tabellen är sammanställd från Wikipedia. Sökord: “energy density”. På den sida hittar du värmevärden för en stor
mängd olika bränslen.
NÅGRA STORLEKSORDNINGAR FÖR ATT GE PERSPEKTIV
Varför kol, olja och bensin?
• Bensin innehåller 15 gånger mer energi per kilogram än sprängämnet TNT
• Kol är 20 gånger billigare än bensin, för samma mängd energi
• Bensin innehåller ca. 1000 gånger mer energi än ett batteri med samma vikt
(faktorn blir ca. 100 gånger om man jämför med en datorackumulator)
• Flytande väte ger 4,5 gånger mindre energi per liter än bensin
Energin från solen
• Energiflödet från solen är ca. 1 kW/m2
~ 1 m2 Elförbrukning i finskt
hushåll (ej eluppvärmning)
~ 1700 km2
Olkiluotoreaktor
Batterier vs. elnätet
• Energin från ett vanligt, icke-laddningsbart batteri kostar ca. 10 000 gånger
mer än motsvarande energi från elnätet.
VAD KAN ERSÄTTA BENSIN?
För samma vikt så ger bensin cirka
• 2 gånger mer energi än kol
• 2 gånger mer energi än metanol
• 1,5 gånger mer energi än etanol
• 1,1 gånger mer energi än butanol
Bättre än bensin (för samma vikt)
• Naturgas innehåller 1,3 gånger mer energi
• Vätgas innehåller 2,6 gånger mer energi
• Fission av uran ger 2 miljoner gånger mer energi
• Fusion av väte ger 6 miljoner gånger mer energi
NÅGRA (OROANDE) FAKTA OM KOL
Kol och olja bidrar mest till koldioxidutsläppen
• Kol är den billigaste och mest lättillgängliga
energikällan
• Kol producerar mest koldioxid per producerad
kilowatt-timme energi av alla bränslen
• Kina har kolreserver som räcker mer än 100
år till, även med deras förutspådda tillväxt
• För tillfället bygger Kina ut sin kolkapacitet
med 1 Giga-Watt per vecka ( ≈ Olkiluoto/vecka).
Statistik från International Energy Agency (www.iea.org)
Bildkälla: Wikipedia. Sökord “Greenhouse gas”.
TÄNKBARA LÖSNINGAR OCH DERAS PROBLEM (IDAG)
Väte:
• Trots att väte innehåller nästan 3 gånger mer energi per
viktenhet jämfört med bensin, så ger samma volym vätgas
ca. 3 gånger mindre energi
krävs 3 gånger större bränslevolym för samma körsträcka (flytande väte löser inte detta problem).
• För att tillverka vätgas genom elektrolys av vatten, krävs
något mer energi än bränslet sedan ger ut (andra metoder finns dock).
Elbilar:
• Dagens bästa, laddningsbara batterier lagrar endast 1% av energin
som finns i bensin med samma vikt.
• Bra batterier är dyra och måste ersättas efter ca. 700 uppladdningar
Fusion:
• De flesta experter är överens om att ingen kommersiell
fusionsreaktor kommer att tas i bruk inom de närmsta 20 åren
Utvärderingen av framtida energilösningar är hämtad från R. Muller (2008), “Physics for future presidents”, Norton, New York.
Solenergi:
• Dagens relativt dyra solceller är en möjlig lösning för rika
(soldränkta) länder. För länder som Indien och Kina, där
pressen på markanvändningen är stor och kol mycket
billigare, verkar dagens solteknologi inte vara någon lösning.
Återvinning:
• Att låta t.ex. bakterier bryta ner papper och plast löser inte
koldioxidproblemet, eftersom bakterierna frigör koldioxid i
processen.
• Att plantera träd hjälper inte eftersom samma koldioxidmängd frigörs igen när trädet bränns eller förmultnar*.
Perspektiv. Ett 1 Giga-Watts kolkraftverk producerar ca. 1 ton
koldioxid var tredje sekund. Med världens ca. 1000 kraftverk av
av denna typ, innebär det 1000 ton koldioxid var tredje sekund. Ett
stort träd tar upp i storleksordningen 10 kg CO2 per år.
*För en mängd andra metoder att fånga in koldioxid se Wikipedia,
sökord “carbon capture and storage”.
