Energibehov och energikällor
av Folke Stenman Forum 1973-11, sida 28-29, 20.06.1973
ENERGIBEHOV OCH ENERGIKÄLLO e Energidebatten har under den senaste tiden flammat upp med stor intensitet. Orsaken härtill är till en stor del de globala perspektiv som har kommit med i den industrialiserade världens energihushållning i och med att de energikonsumerande länderna börjar göra slut på sina egna energikällor. De blir allt mera tvungna att ty sig till de energiproducerande länderna, som i sin tur blir mer och mer medvetna om sin roll. Upprustningen runt Persiska viken är bara ett av de många oroande ytire tecknen på en energikris.
e Situationen är sålunda just nu helt ny. Mänskligheten har i praktiken hittills inte behövt bekymra sig om hur man skall få energi, den har alltid varit lättillgänglig i olika former. Det kan vara intressant att följa den utveckling som har lett till den nuvarande situationen.
De energiformer vi har använt oss av är närmast kemisk, mekanisk, termisk och elektrisk energi samt kärnenergi och strålningsenergi. Av dessa är närmast solens strålningsenergi den viktigaste primära energiformen, den står för 99/4 av all den naturliga energi som finns att tillgå på jordytan. De andra energiformerna har uppkommit närmast genom solenergin. Resten är termisk energi som uppkommer bla från kärnenergi i jordklotets inre. Kärnenergin är också en primär energiform såtillvida att den är oberoende av solens strålningsenergi.
För att vi skall kunna tillgodogöra oss en energiform måste vi kunna transportera energi till önskat ställe och där eventuellt ännu omvandla den till önskad form. Grottmänniskan lärde sig troligen omvandla mekanisk energi till termisk energi genom att slå stenar mot varandra och tände därigenom den första elden. Träets kemiska energi gav honom strålningsenergi som absorberades och omvandlades till värmeenergi. Den synliga delen av strålningsenergin gav honom ljus. Därefter dröjde det ungefär tills ktutet uppfanns innan följande större framsteg gjordes. Däremellan hann visserligen Arkimedes värma ovälkomna krigsfartyg med en fokuserande spegel och solstrålning.
e Fyra perioder
Vår energihistoria kan grovt uppdelas i fyra olika perioder, schematiskt illustrerade i figur 1. Den första perioden som sträcker sig in på 1700-talet, kännetecknas av att man ännu inte behärskade konsten att alstra mekanisk energi i kontrollerbar form på önskat ställe; till exempel roterande motorer fanns inte (undantagna vattenpumpar för gruvor och endel andra stationära apparater), Intressant och kusligt är också att notera att denna periods energihushållning till största delen gick ut på att klara livhanken under svåra förhållanden eller att avliva fiender, Den andra perioden startar med ångmaskinen runt 1770 och betecknar inledningen till den industriella perioden i människans historia. Nästa period startar me elekricitetens intåg på scenen runt år 1800. Under denna period lärde vi oss använda elektrisk energi och att omforma den till andra former av energi. Under dessa tre första perioder använde vi oss endast av energiformer som hade sitt ursprung i solenergin. Period fyra, som vi nu är inne i, har fört med sig som helt ny energiform, kärnenergin. Under den tredje perioden formulerades energiprincipen som utsäger att de olika energiformerna kan omformas i varandra utan att den totala energin i ett slutet system förändras. Sedan denna princip upptäcktes (omkring 1840) kan man börja tala om energihushållning, för nu var det också möjligt att tillordna energin ett mätetal som var oberoende av energiformen i fråga. Det blev till exempel möjligt att tala om verkningsgraden för en värmekraftmaskin när man kunde bestämma den värmemängd som frigjordes vid förbränning och det mekaniska arbete som maskinen uträttade.
De för konsumenten viktigaste energiformerna är strålningsenergi för ljus och uppvärmning, termisk energi för uppvärmning och mekaniskt arbete, samt mekanisk energi. Alla dessa har felet att de inte kan transporteras i slutlig form över längre avstånd. De måste således överföras i någon annan form, och vanligen använder vi oss då av kemisk energi (fasta och flytande bränslen), kärnenergi (uran för en kärnreaktor) eller elektrisk energi (elektrisk ström) för överföringen. Av dessa är den elektriska energin den ojämförligt mest flexibla. Sedan den elektriska ledningen är dragen kan man överföra energi genom den praktiskt taget obegränsat länge;
Kemisk krat batteri |generatar laser i 14304 Motor ela : ånga ning I ägo
RA ÄN So sla! | stext a FI lager vårme- | lämpa 1 reaktor fusion effert b b- I r cell Töte jenexgipringipen
Arkimede “Forum 11/197 bränslen måste alltid transporteras och ersättas sedan de engång har brunnit upp. Dessutom kan den elektriska energin överföras utan någon överföring av massa, dvs transporten inbegriper ingen mekanisk energi. Elektrisk energi måste föralldel alstras den också, men kraftverket kan oftast placeras efter tillgången på vattenkraft (mekanisk energi) eller bränslen (kemisk energi eller kärnenergi). Mekanisk energi är svår att överföra. Roterande axlar kan sällan göras ens många tiotals meter långa. Ändlösa band görs upp till några tiotals kilometer, men är rysligt opraktiska för annat än transport av tunga föremål längs en fixerad rutt. Termisk energi kan överföras över längre sträckor närmast gehom strömning, men också där är sträckan begränsad till några tiotals kilometer eller så. Strålningsenergins överföringsproblem är ännu olöst för större energier. Det närmaste man har kommit ett effektivt system är Jasern och masern med deras parallella strålar, men i dessa apparater är processerna vid omformningen av energin så ineffektiva att de än så länge är tekniskt och ekonomiskt oräntabla. Låt oss dock komma ihåg att elektriciteten en gång i världen ansågs vara värdelös ur teknisk synpunkt.
e Omformning av energi
Förutom transporten av energin skall denna alltså ännu omformas enligt konsumentens önskemål. En central storhet i all energihushållning blir alltså verkningsgraden hos omformaren. Utan att här desto längre gå in på detaljer kan vi konstatera att den elektriska energin också vad omformning beträffar är den enklaste att hantera. Verkningsgraden hos elektromekaniskt maskineri är hög, nära 1009/0, Mera problematiskt är att kemisk energi är så svår att omforma med god verkningsgrad, vilket yttrar sig bland annat så, att vi värmer upp allt möjligt annat förutom vårt varmvatten eller vår värmeväxlare i kärnreaktorn. Detta är tyvärr en universell följd av de fysikaliska lagar som beskriver de processer som är inbegripna, Elektriceteten följer lagar som beskrivs av (för att ett ögonblick vara teknisk) andra ordningens differentialekvatiöner i tiden, och dessa ger som lösning reversibla processer utan energiförlust. Värmeledning och -överföring beskrivs av första ordningens differentialekvationer, och de ger ett icke-reversibelt skeende. Läcker värme ut på fel ställe, så blir det där. Liknande lagar gäller tyvärr också för omformning av kemisk energi till andra energiformer än värme,
Problemet med energihushållning är alltså att kunna skapa all den energi som behövs för att på behövliga ställen ha tillgång till energi av önskad -form. I den ursprungliga energin måste då ingå alla förluster som uppträder vid omformningen och överföringen. I figur 2 finns ett schematiskt diagram över dels den energimängd som går åt för vissa arbeten samt den energimängd som finns att tillgå i olika energikällor i dag, dels den effekt (alltså energiförbrukning per tidsenhet) som olika energiförbrukare och energikällor konsumerar eller producerar. Skalan är ritad så att effekten direkt motsvarar energiförbrukningen under ett år. Mindre operationer nere på skalan är inritade för att ge en uppfattning om proportionerna,
Diagrammet innehåller några intressanta detaljer som är av speciellt intresse just i dagens läge. Keops fick sin pyramid med en energiförbrukning som ligger långa vägar under energireserverna av i dag, och den tidens totala energiförbrukning per år var knappast mycket större än 1012 joule. Detta års energiförbrukning ligger runt 10221 joule, eller endast litet mer än en faktor tio under
Forum 11/1973
Av tekn dr Folke Stenman
Effekt Energ fusionsreserve fissionsreserven kol + olja + ga —— — — 19/ | olja + gas Nd-laser 102] energi/1973 vattenkraftreserve 10” | Finlan stor generato månresa liten stad Atlantfärd (10 ton) radar bilmotor . COzlaser 4010 | Keops pyramid bastu stort hus solen/m bil 0 — 100 km/ muskelkraft/person koka upp en titer vatte 109] ljuset från glödlampa stor pulslaser
Figur våra reserver av olja och gas! På skalan till vänster ser vi också att vattenkraftreserven i världen för länge sedan har blivit otillräcklig för energiförsörjningen. Kolet räcker en hel del bättre än oljan och gasen, men också det tros vara på upphällningen inom en ändlig tid. Figur 3 visar schematiskt hur energiförbrukningen per år väntas utvecklas fram till år 2100, med olika energikällors andel inritad. De fossila bränslenas andel kommer att gå ner till nästan ingenting inom en kort tid (om inte stora nya fyndigheter upptäcks). Vid slutet av nästa sekel, antagande 3—5 ?/9 tillväxt per år för energiförbrukningen, kommer denna att på ett år vara lika stor som den kända reserven av fossila bränslen i dag!
Det stora problemet kommer dock inte att vara energiförsörjningen som sådan. Diagrammet visar att fusionsreserven är outtömlig för praktiska ändamål, och också fissionsreserven är tillräcklig för lång tid framåt. Till och med solstrålningen kan hjälpa oss en bit på vägen, och havsvågornas energi är ännu outnyttjad. Problemet är den oundvikliga värmealstringen och värmets irreversibla rörelse. Jordklotets temperatur bestäms av jämvikten mellan strålningsförluster ut i världsrymden och den-infallande solstrålningen samt värmealstringen på jordens yta och i dess inre. Om någon av dessa faktorer ändrar så ändrar jordens temperatur, och som en helt ny’ faktor kommer snart in våra egna värmeförluster! Om hundra år kommer vår energiförbrukning att vara ungefär en procent av solstrålningen, vilket betyder att jordklotet kommer att värmas upp i kännbar grad. Temperaturökningen kommer att röra sig om någon grad eller så, och detta räcker väl till för att förändra klimatet över hela jordklotet. Till viss grad kommer ökningen att motverkas av att atmosfärens sammansättning ändtas på ett sätt
Forts på sid 4 29