-Energikrise.no-

Sjølv om energi driv alle hendingar i universet, kan vi ikkje peike på noko konkret og seie at dette er energi, slik ser energi ut. Energi vert først synleg gjennom verkandane han har når han får noko til å skje. Kort kan vi seie at energi er evne til å gjere arbeid. Energi kan framstå i mange ulike former, som kinetisk energi i ein lekam som er i rørsle, som stillingsenergi når ein lekam kan nytte eit potensielt fall, som kjemisk energi knytt til bindingar mellom atoma, som elektrisk energi knytt til elektrisk ladning, som elektromagnetisk stråling som til dømes lys, som termisk energi i form av varme. Og ikkje minst som kjernenergi knytt til ustabilitet i sjølve atoma.

Energi er ein av innsatsfaktorene i industrisamfunnet, både til produksjon og transport, og vi ser kanskje på energi som ein faktor blant mange utan å legge noka særskild vekt på den rolla energi spelar. Vi har trass alt funne nye kjelder som til dels har avløyst dei gamle, ved, kol, olje og til sist atomkraft. Dette har kanskje forleda oss til å tru at det alltid vil dukke opp noko nytt og at energiforsyning aldri vil verte eit problem.

Sjølv om energi har kome i ulike innpaknigar er sjølve innhaldet: energien si evne til å gjere eit arbeid uerstatteleg. Mange av dei andre innsatsfaktorane kan i ulik grad erstatte kvarandre, substituerast . Men energi til å flytte rundt på råstoff og ferdigvarer, til å smelte og omforme kan ikkje erstattast.

Energi er og vil alltid vere kjernefaktoren i å oppretthalde ein sivilisasjon. Har ein energi kan ein skaffe seg alt ein ellers måtte trenge.

Ser vi nøyare etter finn vi at det ikkje er så mange kjelder til primærenergi som vi kanskje trur.

Biobrensle var først den viktigaste kjelda til energi, og primærkjelda er sollyset. I motsetning til dei fossile kjeldene er desse fornybare dersom vi held oss til den biomassen som heile tida blir produseret. (Går vi ut over dette stiller det seg annarleis, og vi kan t.d. skape avskoging ..)

Indirekte er også sollyset opphavet til vind og vasskraft.

Dei fossile kjeldene, kol, olje og gass er dei viktigaste i den epoken vi er i no. Desse er eigentlig omdanna og akkumulert sollys, den primære kjelda til desse er altså kjernereaksjonane i sola. Og det finst berre ei viss mengde av dei, dei er ikkje fornybare.

Energien i tidevatnet kjem frå rotasjonsenergien til jord, sol og måne, og geotermisk energi kjem frå kjernereaksjonar i jorda sitt indre.

Til slutt har vi dei kjernereaksjonane vi prøver å kontrollere sjølve, atomkraft. Denne kan vi nytte ved å spalte kjernemateriale, slik det skjer i dei atomkraftverka vi har i dag, som vi kallar det fisjonsenergi. Denne er heller ikkje fornybar, det finst avgrensa mengder spaltbart materiale i jordskorpa. I tillegg har vi problema med avfallshandteringa.

Dersom vi klarer å gjennskape og ikkje minst:kontrollere dei prosessane som foregår i sola, der hydrogenkjerner smeltar saman til helium, ville vi hatt ei kjelde til evig forsyning av energi, fusjonsenergi . Vi har for så vidt klart den første delen av dette med sprenginga av hydrogenbomber. Det er kontrollen av prosessen som er problemet. Det blir forska intenst på dette, men det er enno langt fram. Så langt fram at vi kan seie at denne teknologien ikkje vil dukke opp tidsnok til å hjelpe oss ut av klemma når tilgangen på fossil energi snart tek til å minke.

Termodynamikken - lovene for korleis energi opptrer

Den første lova i termodynamikken: Energi kan ikkje bli borte, berre gå over i andre former.

Frå denne lova kan vi trekke ei viktig slutning: Energi kan ikke skapast, energi kan berre haustast eller omdannast.

Det er viktig å ha dette i minnet når det dukkar opp meir eller mindre eksotiske forslag omkring korleis vi skal skaffe oss energi. Vi kan berre nytte energi som allereie finst!

Den andre lova i termodynamikken: All energi spreier seg ut og vil framstå som stendig mindre konsentrert dersom han ikkje blir hindra.

For å forstå dette kan det vere naudsynt med nokre eksempel: Vi fyller tanken i bilen vår med eit brensle med høg konsentrasjon av kjemisk energi. Når vi deretter startar forbrenningsmotoren blir dei kjemiske bindingane brotne, og ut kjem gassar med langt mindre kjemisk energi. I den prossessen har det imidlertid oppstått høgt trykk, som motoren omdannar til kinetiske energi i det bilen rullar avgarde, og ikkje minst varme, som stort sett går tapt. Vi er ute etter ein del av det arbeidet som den opprinnelege kjemiske energien har skaffa oss, transport. Ein bilmotor klarer å omdanne rundt 20% av energien til nyttig arbeid, 80% er bokstavleg talt borte med vinden. Dei 20% vi har klart å hauste til eit for oss nyttig formål går deretter med til å overvinne rullemotstand og luftmotstand, som også til slutt blir til varme. Etter at vi er komne fram til bestemmelsesstaden vår er all den konsentrerte energien vi har nytta omdanna til varme, og spreidd ut i omgjevnaden. Energien er ikkje borte, men spreidd ut . Og det som for oss er viktig: den spreidde energien er ikkje lenger tilgjengeleg til å gjere eit arbeid i eit omfang som den energien vi starta med.

Korleis kan noko hindre energi i å spreie seg? Kjemiske bindingar treng til dømes ein aktiveringsenergi for å bli brotne, gnisten frå tennpluggen får reaksjonen til å starte, uten denne kunne bensin og luft opptre saman utan dramatikk. Ein lekam kan ha ein stillingsnergi, først når ei hindring blir fjerna vil steinen rulle nedover.

Entropi

Begrepet entropi fortener eit eige avsnitt, fordi det knyter seg ein del missoppfatningar til det. Bekrepet entropi høyrer strengt kun heime i termodynamikken, som eit mål på kor spreidd energien i eit system er, entropien er eit kvantitativt begrep for den andre lova i termodynamikken.

I dag veit vi at varme er rørsler på molekylnivå, varme inneber meir rørsle og kulde mindre, heilt til det absloutte nullpunktet, der dei molekylære rørslene opphøyrer.

I byrjinga til den moderne fysikken var det uklårt kva varme eigentleg er. Ei forestilling var at varme var orden, kulde kaos. Og når energien blir spreidd aukar entropien, noko som blei sett på som eit utrykk for aukande kaos.

Forestillinga om at aukande entropi heng saman med aukande grad av kaos har vorte sittande fast som ei kollektiv oppfatning. Og for å gjere det helt klårt: Å bruke entropi som eit utrykk for kaotiske omstende er feil. Kan begrepet likevel vere teneleg som ein metafor i samfunnsdebatten? Kanskje.

Dersom vi studerer biologiske system ser ein at desse fungerar basert på den energien som blir tilgjengeleg ved oksydasjon av kompiserte kjemiske emne til enklare emne. Og dette er ikkje noko anna enn termodynamikkens andre lov i praksis. Det at tilgjengeleg konsentrert energi strøymer "unnabakke" er sjølve drivkrafta i livsprosessane. Gjennom titusenvis av kjemiske tilbakekoblingsprosessar skjer det eit ordna fall i energitettleik, altså ein auke i entropi, som gjer at livet kan eksistere.

Det same gjeld i samfunnet: Då elden vart temd kunne vi bruke den varmen som vart tilgjengeleg ved den raske oksyderinga av ved til å koke mat og halde varmen. Seinare har den same avleiinga av energi gjennom mellom anna forbrenningsmotoren gitt oss evne til å kunne skape eit samfunn så komplekst som vårt.

Vår evne til å nytte entropien, fallet i konsentrasjon av energi i eit system, er med på å oppretthalde cellene sitt samspell i kroppen, og vårt sosiale samspel i eit komplekst samfunn. Både biologien og menneskesamfunnet er energiprosesseringsmaskiner. Stor tilgang på energi og stor evne til å nytte entropien, altså fallet i konsentrasjon av energi, avgjer kor komplekst samfunn vi kan halde oppe.

Dersom vi ser på ein bil som rullar har denne ein gitt rørsleenergi. Dersom han kolliderar, blir rørsleenergi omdanna til lyd og varme, som spreier seg ut og snart ikkje kan skiljast frå omgjevnadane. Denne omdanninga frå konsentrert rørsleenergi til utspreidd varmeenergi er termodynamikken i hendinga "bilkollisjon", entropien eit mål på kor stor den termodynamiske endring som har skjedd. Og ei mager trøyst for den som har kollidert: denne endringa i entropi er utruleg liten.

Tilbake ligg ein bil i fleire bitar, ein uorden i høve tilden oprinnelege bilen som system . Vi må tilføre energi for å gjennoprette dette systemet.

I ei strikt termodynamisk tolking er dette ikkje eit uttrykk for entropi. Men som metafor kan likevel begrepet kanskje ha ei meining. Det kan kaste lys over kor viktig energi er for at eit samfunn skal fungere.

Kan vi på nokon måte skaffe oss konsentrert energi frå den spreidde energien? Det kan vi, ved å nytte store mengder spreidd energi kan vi skaffe oss ei mindre mengd konsentrert energi. Naturen har sin måte å gjere dette på, nemleg fotosyntesen. Den konsentrerte energien frå kjerneprosessane i sola når oss som lys, dette lyset nyttar plantene til å danne konsentrert kjemisk energi. Verknadsgraden til denne prosessen er om lag 30% av det lyset som direkte treff bladet. Plantene brukar imidlertid ein del av denne energien til å oppretthalde funksjonane sine, så over eit areal kan vi ikkje rekne med at meir enn 1-2% av den instrålte energien blir akkumulert og tilgjengeleg for oss som mat eller biobrensle.

Solceller som omdannar lys til elektrisk energi har i dag ein verknadsgrad på om lag 15%.

Dersom vi skal vurdere dette opp imot dei termodynamiske lovene, må vi sjå på heile kjeden. At det blir danna konsentrert kjemisk eller elektrisk energi nyttar berre ein del av energien i heile prosessen. Vi kan altså få ei viss mengde spreidd energi til å produsere ei mindre mengde konsentrert energi.

Ein måte å sjå på entropien er at denne er årsak til retningen tida går, som ein konstant straum frå konsentrert til spreidd energi.

I naturen er det fotosyntesen som "trekker opp klokka", som gjer at det heile tida er konsentrert energi tilgjengeleg for livsprosessane.

Korleis vi skal skaffe oss den naudsynte energien til å halde i gang samfunnet er spørsmålet denne sida forsøker å kaste lys over.

Verknadsgrader i energisystem

Den andre lova i termodynamikken fortell oss at vi aldri kan nytte heile den energien som vi i utgangspunktet er tilgjengeleg, vi kan berre hauste ein del av energien.

Kor stor del vi kan nytte kjem an på kva slag energi vi har som utgangspunkt, og til kva slags bruk.

Varme er eit sluttprodukt i termodynamisk forstand . Så dersom utgangspunktet er til dømes kjemisk energi, som ved, olje eller gass, og vi ønsker oss varme, så vil storparten av energien vere tilgjengelig for oss. Avgassane er ofte lite ønskelege, og må leiast ut gjennom ein skorstein. Og forbrenninga vil ikkje alltid være så fullstendig som ønskjeleg, særleg når det gjeld brenning av ved. Til oppvarming vil ved ha ein verknadsgrad på frå 40%-50% i ein eldre ovnstype og opptil 80% i ein moderne type. Olje kan ha ein verknadsgrad på rundt 80% og gass rundt 90%.

Elektrisk energi nytta til varme vil ha ein verknadsgrad på 100% i sjølve oppvarmingsprosessen. Bryt ikkje dette med den andre lova i termodynamikken? Nei, fordi vi til oppvarming er ute etter sluttproduktet, varme. Det knyter seg imidlertid andre problemstillingar til å nytte elektrisk energi til oppvarming, som vi skal kome attende til.

Utanom til oppvarming er det mekanisk arbeid vi oftast er ute etter når vi brukar energi, anten til transport eller til industrielle produksjonsprosessar. Vi startar gjerne med kjemisk energi som kol, olje eller gass, og som gjennom forbrenning skaper trykk og varme. Trykket kan vi omdanne til mekanisk arbeid, som å drive ein bil. 15% oprinnelege energien kjem til nytte, i moderne dieselmotorar kanskje så mykje som 20%. Eit kolfyrt kraftverk kan omdanne omlag 40% av energien i kolet til elektrisk energi, gass kanskje 50%.

Vi ser altså at det knyter seg stort energimessig tap til å omdanne kjemisk energi til mekanisk arbeid. Tapet opptrer som spillvarme. Dersom ein nyttar denne spillvarmen t.d. i fjernvarmeanlegg, vil så mykje som 80% av energien kunne kome til nytte. Dette argumentet blir brukt i debatten om bygging av gasskraftverk i Noreg. Dersom ein transporterer gassen til folketette områder på kontinentet vil ein myje større del av energien kome til nytte som fjernvarme i tillegg til elektrisiteten.

Elektrisk energi er altså den mest effektive til oppvarming, så kvifor ikkje bruke nettopp elektrisitet til dette? Dersom vi først skal omdanne kjemisk energi til elektrisk energi med ein verknadsgrad på 40-45%, overføre denne gjemmom eit leidningsnett med 10% tap, sit vi att med 30-35% av den opprinnelege kjemiske energien. Så sjølv om vi har 100% verknadsgrad på bruken av elektrisitet til oppvarming, har altså berre 30-35% av den oprinnelege energien blitt avgitt som varme lokalt. Vi har altså kun nytta halvparten av den energien vi hadde fått ved å brenne brensla lokalt, som vi såg ovanfor er over 70% verknadsgrad realistisk ved lokal forbrenning. Eller sagt på ein annan måte: Vi må bruke dobbelt så mykje energi dersom vi først skal produsere straum, som vi så brukar til oppvarming.

Men vår elektrisitet er då stort sett produsert på vasskraft, er det ikkje då både økonomisk og miljømessig rett å bruke denne elektrisiteten til oppvarming?

Dersom vi var ei energimessig øy ville dette vere rett. Men to ting spelar inn: For det første er vi i aukande grad knytt til andre land sine straumdistribusjonsnett. I desse landa har energien i større grad sitt opphav i fossil brensle eller atomkraft. Dersom vi fyrer med straum, må desse landa produsere meir straum frå fossile kjelder. Vi er også i ferd med å få eit underskot i eige land på elektrisitet, som anten må dekkast opp med import, eller ved at det blir bygd gasskraftverk innanlands.

Elektrisk energi er også den suverent mest effektive til å utføre mekanisk arbeid, elektriske generatorar og motorar har verknadsgrader på over 90%. Den energien vi kan utvinne frå vasskraft og andre fornybare kjelder er altså meir enn dobbelt så effektiv som kjemisk energi når det vi ønsker å oppnå er mekanisk arbeid.

Så i eit større perspektiv er det å fyre med straum sløsing med energi, fordi vi alltid vil ha bruk for elektrisiteten til andre formål, til ulike former for mekanisk arbeid. Og den kjemiske energien vi har snakka om har fossile hydrokarbonar som utgangspunkt.

Nettoenergi

Nettoenergi er den energien ein får att i høve til den energimessige investeringa som har blitt gjort. Dersom eit system skal kunne opretthaldast over tid, må det gi meir energi tilbake enn det som går inn i systemet. I engelskspråkleg litteratur ser ein begrepet EROEI brukt om dette, "Energy Returned On Energy Invested".

I diskusjonen om kva slags energikjelder vi skal bruke i framtida er nettoenergi eit viktig omsyn å ta. Dersom vi satsar på energikjelder som ikkje har positiv nettoenergi kan vi gjere alvorlege misstak. Og ein del av forslaga omkring ulike typer biobrensle kan vise seg å gi negativt energiutbytte. Vi kjem attende til denne diskusjonen når vi tek opp alternative energikjelder. Det same kan gjelde hausting av dei fossile energikjeldene, når desse må hentast på stendig meir eksotiske stadar. Og ikkje minst er det interessant i kor stor grad matproduksjonen vår er energinegativ, og må ha tilskot av energi utanfrå.

Det har blitt hevda frå debattantar som er avvisande til at vi står framfor eit problem med omsyn til energiforsyning at heile EROEI-diskusjonen er tøv, at det er det økonomiske utbyttet som er avgjerande for om ei energikjelde er av verdi. Som eksempel på dette blir det vist til at vi brenn kol for å skaffe oss elektrisitet, sjølv om denne prosessen er energinegativ, fordi det gir eit positivt økonomisk utbytte.

Isolert sett er dette sjølsagt rett, elektrisitet er meir verdifull enn kol. Men det er utbytte i heile prosessen frå utvinninga av kol fram til produksjon av elektrisiteten som er avgjerande. Vi kan sjølvsagt bruke ei større mengde energi til å skaffe oss ei mindre, dersom denne mindre mengda har eigenskapar som er nyttige for oss.

Som samfunn må imidlertid summen av aktivitetane våre vere energipositiv . Den andre lova i termodynamikken fortell oss nettopp at vi må skaffe oss eit overskot av konsentrert energi. Den fallande konsentrasjonen, entropien, og evna vår til å utnytte denne, gjer at vi i det heile kan eksistere. Enten det er i stoffskiftet i kroppen som held oss gåande som individ, eller aktivitetane vi driv som samfunn.

Energi målt med "mennesklege" mål

For å skaffe oss forståing for storleikane i energipsrosessane vil vi sjå på mål for energi, og samanhalde ulike kjende mengder og aktivitetar.

Den grunnleggande eininga for energi er Joule, forkorta J. Den grunnleggande eininga for effekt er Watt, forkorta W. Ein joule er det arbeidet som blir utført når ein Watt verkar i eit sekund. Omvendt er ein Watt effekten når eit arbeid på ein Joule blir utført på eit sekund.

1 Joule = 1 W x 1 sekund

1 Watt = 1 Joule/sekund

Dei to einingane vi er mest kjende med er Kilowattime, kWh for energi og HK, hestekraft for effekt .

Ein kilowattime er arbeidet som vert gjort når 1000 W verkar i ein time. Ein time er 3600 sekund, 1 kWh er altså 3600000 J, eller 3,6x10(6) J, eller 3,6 MegaJoule.

Ein HK er effekten 746 W. Etter kvart har det blitt vanlegare å oppgi effekten til ein bilmotor i kW, men dei fleste av oss sit fast i det gamle mentale biletet hestekrefter, og kjenner oss mest komfortable med det. Omrekningsfaktoren når effekten er gitt i KW er 1,34, ein bilmotor med ei maks yting på 100 KW er altså ein motor "på 134 hestekrefter".

Kva kan så eit menneske yte av fysiske arbeid? Over kortare tid vil ein godt trent person kunne yte effekten 150W, medan dei fleste av oss vil slite med å yte meir enn 80 W. Og over tid, til dømes over ein arbeidssdag, er ei gjennomsnittleg vedvarande yting på 50 W det ein kan kalle hardt fysisk arbeid. Over 8 timar tilsvarar dette 400 Wattimar, eller 0,4 kWh.

Kor mykje er då 0,4 kWh dersom vi samanliknar med dei maskinene vi omgjev oss med, kor lenge måtte vi arbeide for å tildømes utføre det arbeidet som ei vaskemaskin gjer?

Ein vask i ei vaskemaskin brukar om lag 2 kWh, eller det vi ved hardt fysisk slit ville bruke 5 dagar, ei arbeidsveke på å yte.

Eit anna mål for energi vi er godt kjende med er det vi i kosthaldet kallar ein kalori, men som eigentleg er ein kilokalori. Ein kalori er eit mål på det kjemiske energiinnhaldet i maten, brennverdien. Ein kalori er 4,184 J, og ein kilokalori er 4184 J. Dersom vi skal utføre hardt fysisk arbeid er eit inntak på 4000 kilokaloriar gjennom maten om lag det vi treng. Gangar ein ut dette, finn vi at vi må konsumere om lag 17 millionar J for å utføre ein dags hardt arbeid. Deler vi på 3600 sekund, finn vi at dette er om lag 4,7 kWh. Arbeidet vi utførte var, som vi såg om lag 0,4 kWh.

Vi ser altså at verknadsgraden til eit menneske, evna til å omdanne kjemisk energi til fysisk arbeid, er i underkant av 10%.

For å halde oss til temaet for desse sidene, uttømminga av dei fossile energikjeldene, kan vi sjå litt på kva slag energimengder det er snakk om her, målt opp mot mennesket si evne til arbeid.

Energiinnhaldet i bensin er 32 MegaJoule pr. liter. Dette er innhaldet av kjemisk energi, brennverdien. Ein bilmotor er i stand til å omdanne om lag 20% av dette til mekansik energi til å flytte bilen, altså 6 MJ. Og dersom ein effektiv bil brukar 0,6 liter på å køyre ei mil, så har vi altså brukt 3,6 MJ fysisk arbeid. Som vi såg ovanfor er ein kilowattime 3,6 MJ, så vi har altså konsumert 1 KWh på denne korte bilturen vår. Og som vi også viste ovanfor: På 5 dagar med hardt arbeid klarer vi å utføre eit arbeid på om lag 2 kWh. Så dersom vi skulle erstatte bensin til bilturane våre med kroppsleg arbeid, ville vi altså kunne køyre 2 mil i veka, og då kan vi ikkje gjere noko anna enn dette.

Ein bensintank inneheld t.d. omlag 56 liter bensin. Det mekaniske arbeidet bilen klarar å omdanne dette til er 56x32x0,2 MJ = 360 MJ = 100 kWh. Vi såg tidlegare at mennesket kan klare å yte 2 kWh på 5 dagars arbeid. Den fulle tanken i ein vanleg bil inneheld altså energi som omdanna til mekanisk arbeid gjennom ein bilmotor svarar til eit heilt år med hardt fysisk slit for eit menneske .

Dersom vi for moro skuld ser på det totale norske energiforbruket er dette 275 kWh pr dag pr. person. Eit år med fysisk slit er som nevnt 100 kWh. Kvar ein av oss har altså kvar dag til disposisjon energi som 2,75 menneske måtte arbeidd eit heilt år for. Gangar vi med 365 dagar, for dette er energi som ikkje kviler, men varmar oss, transporterer oss og produserar for oss kvar bidige dag, ser vi at kvar ein av oss disponerar energi som tilsvarar at 1000 slavar kvar dag skulle gjort 8 timars arbeid .

Vi har blitt så vane med å ha denne enorme mengda energi tilgjengeleg til å slite for oss at vi knapt ofrar det ein tanke. Men det er ikkje meir enn 150 år sidan den einaste energikjelda utanom menneskets eige slit stort sett var det vi kunne hente frå brenning av ved, trekkdyr, enkle vasshjul til sagbruk og møller og segl til å drive skip.

Det er god grunn til å tenke over dette i den lettvinte omgangen vi har med dei ikkjefornybare energikjeldene våre.