Utmaningar och problem 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. Börja här tillväxt = energi Bakgrundskunskap För att förstå sammanhangen krävs kunskaper i bland annat fysik. prognos Storleksordningar För att prioritera rätta, krävs en känsla för de ingående storleks- ordningarna. 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?

GRUNDLÄGGANDE TERMER OCH BEGREPP Energi Primärenergi En fysikalisk storhet vilken uttrycker ett systems kapacitet att utföra arbete. Jordens primära energiresurser är kärnenergi, fossilenergi och flödande, förnybar energi. Energibärare Energiprincipen Energi kan lagras eller transporteras i materia. Bensin, varmt vatten, uran är alla exempel på energibärare. Energi kan omvandlas från en form till en annan, men aldrig skapas eller förstöras. Energiformer Energikvalitet Energi kan uppträda i olika former, så som rörelseenergi, potentiell energi, elektrisk energi, kemisk energi, strålningsenergi (ljus). 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. Energislag Olika metoder att utvinna energi ur naturen, så som kol, olja, kärnenergi och vindenergi.

FRÅN ENERGIKÄLLOR TILL ENERGIFÖRBRUKNING Fusion (solen) Trafik Fossila bränslen Ångkraft Biobränslen Industri Vind, vatten och solenergi Elproduktion Fission (kärnreaktor) Kärnkraftverk Geotermisk värme Radioaktivitet (berggrunden) Värme Kärnreaktioner Bränslen Energiproduktion Energiförbrukning Förnybara Källa: http://fi.wikipedia.org (sökord: ”sähkö”)

JORDENS ENERGIFLÖDEN UTTRYCKTA I TERA-WATT Figuren hämtad från M.Areskoug (2006), Miljöfysik, Studentlitteratur, Lund

STORLEKSORDNINGEN PÅ OLIKA ENERGIKÄLLOR (Joule) Uppskattade globala kolreserven (2005) 2,1x1022 Uppskattade naturgas-reserven (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 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 Tabellen är sammanställd från Wikipedia. Sökord: “orders of magnitude (energy)”.

STORLEKSORDNINGEN PÅ OLIKA ENERGIFLÖDEN 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) 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 effekt-förbrukningen (Tera-Watt) År 1992 I-länder 1,2 7,5 9,0 Utvecklingsländer 4,1 1,1 4,5 Totalt 5,3 13,5 År 2025 1,4 3,8 6,8 2,2 15,0 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 Lagrat Lagrat Figuren hämtad från M.Areskoug (2006), Miljöfysik, Studentlitteratur, Lund. Boken innehåller en rad intressanta experiment. Rekommenderas.

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) Värmevärde = frigjorda energin per kg bränsle vid förbränning 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 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.

För samma vikt så ger bensin cirka 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 koldioxid- utsläppen 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 bränsle- volym 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: Återvinning: 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 koldioxid- mängd 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”.