Miljö och Fysik. Mikael Syväjärvi. Linköpings universitet

Transkript

1 Miljö och Fysik Mikael Syväjärvi Linköpings universitet Innehåll: Introduktion Global uppvärmning Växthusgaser Kollagring och kvävegödsling Sveriges miljömål Effekter av global uppvärmning Strålning Atmosfären Strålningsbalans Energigaser Naturgas Biogas Solkraft Vindkraft Vågkraft Introduktion Det här materialet inriktar sig mot miljöfrågor och tar i lämpliga delar upp fysik bakom dessa. Materialet är tänkt att vara skrivet på så sätt att den som är intresserad av ämnet ska kunna ta till sig av innehållet på ett begripligt sätt. En sådan beskrivning är inte alldeles lätt när man ska försöka förklara fysiken bakom olika miljöfrågor för någon som inte läst fysikkurser, eller bara ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan ta med sig för vidare diskussioner. Materialet kommer att ta upp mer etablerade miljöfrågor som nyttjande av naturkrafter men även diskutera teknikfrågor som berör det som kallas rena teknologier. Detta är teknologier som klassas som miljöteknologi genom att de på någon sätt bidrar till att förbättra miljön på kort eller längre sikt. 1

2 Global uppvärmning Det första man troligen tänker på när man nämner ordet miljöfråga är global uppvärmning. De flesta känner nog till att global uppvärmning är en ökning av medeltemperaturen på jorden. Närmare bestämt är det uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven som avses. Under 1900-talet steg medeltemperaturen med ca grader. Grafen nedan visar den konstaterade globala temperaturökningen. Rent generellt sker förändringar av temperaturen på jorden på grund av mer eller mindre periodiska naturliga processer. Det forskas om orsaken till dessa, men variationerna av temperaturen förväntas hålla sig runt ett konstant medelvärde. Under det senaste århundradet har dock medeltemperaturen ökat. 1 Temperaturvariation [ o C] Årtal Global temperaturökning där nollvärdet är vald som medeltemperaturen , data från Climatic Research Unit, UK. Den mest accepterade förklaringen är att temperaturökningen orsakas av människans handlingar och då främst genom utsläpp av växthusgaser. Enkelt beskrivet så lägger sig växthusgaser som ett täcke runt jorden och strålning från jorden hindras på sin väg ut. Eftersom utsänd strålning från jorden verkar för att kyla av jorden, så resulterar det i en temperaturökning. I en rapport från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change), som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom miljöfrågor, från 2007 fastställs att koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga variationer under de senaste åren. Enligt prognoser i rapporten förväntas medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden, ökningarna blir störst över land och på norra halvklotet. Klimatpanelen fastslår att om den genomsnittliga temperaturökningen inte ska bli mer än två grader så måste de globala koldioxidutsläppen börja minska senast år 2015 och minska med mellan 50 och 85 procent fram till år

3 Klimatmål De olika länderna har olika mål de måste nå när det gäller klodioxidutsläpp. I januari presenterade konsultfirman McKinsey hur mycket det kostar att klimatanpassa världen: fem biljoner kronor där energisektorn kan leverera en tredjedel av utsläppsminskningen. För de fem biljoner kronorna kan världen få en minskning av utsläppen av koldioxid med 70 procent till år 2020 enligt rapporten. Kostnaden motsvarar mindre än en procent av världens samlade inkomster. Fram till 2030 behövs ytterligare tre biljoner kronor. Investeringen ger en temperaturökning som håller sig under två grader, vilket anses vara en nivå som världen kan klara utan alltför stora klimatkatastrofer. En tredjedel av minskningen kan komma från ändrad energiproduktion och koldioxidlagring och lika mycket kan komma från minskad avverkning och ökad plantering av skog. Den allra största minskningen på 40 procent beräknas att komma från bättre transporter, mer energieffektiva apparater och byggnader. Sveriges miljömål I Sveriges miljömål för skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer, vilket är olika former för utsläppshandel med växthusgaser. De svenska utsläppen av växthusgaser skall, som ett medelvärde för perioden , vara minst 4 % lägre än utsläppen år Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål. Dess är: 3

4 1. Begränsad klimatpåverkan 2. Frisk luft 3. Bara naturlig försurning 4. Giftfri miljö 5. Skyddande ozonskikt 6. Säker strålmiljö 7. Ingen övergödning 8. Levande sjöar och vattendrag 9. Grundvatten av god kvalitet 10. Hav i balans samt levande kust och skärgård 11. Myllrande våtmarker 12. Levande skogar 13. Ett rikt odlingslandskap 14. Storslagen fjällmiljö 15. God bebyggd miljö 16. Ett rikt växt- och djurliv Som en reaktion på klimatpanelens rapport om utsläpp, fick en svensk klimatberedning i uppdrag av riksdagen att komma med förslag på en handlingsplan kring hur de svenska utsläppen ska minska till Man har också haft i uppgift att sätta upp mål för klimatstrategin både på kort och lång sikt. I början av 2008 gavs målförslag. På lång sikt, till 2050 och därefter, föreslog beredningen att svenska utsläpp av växthusgaser ska vara minst procent lägre än Vid seklets slut bör utsläppen vara nära noll. Det kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 38 procent fram till 2020, enligt en majoritet av klimatberedningens medlemmar. Hösten 2008 kom regeringen budgetproposition där klimat och hav prioriteras i regeringens miljöbudget. Totalt anslås sju miljarder kronor till allmän miljö- och naturvård under åren Tre miljarder tilldelas ett åtgärdspaket inom klimat- och energiområdet och fyra miljarder till en riktad satsning på klimatbistånd. Pengar ska användas för satsning på internationella klimatinvesteringar och för att satsa på åtgärder för att anpassa Sverige till ett förändrat klimat, förbättring av kunskapsunderlaget om rasoch skredrisker, förbättringar av den nationella höjddatabasen och till att länsstyrelserna kan få en samordnande roll i det regionala anpassningsarbetet. 4

5 Effekter av global uppvärmning Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att stora gräsområden kan förvandlas till öknar, isområden kan smälta, vindar och havsströmmar kan ändra riktning och i sin tur ge följdeffekter, havsytorna stiger och dränker kustnära områden. Olika scenarios studeras bland annat i EU projekt. Malmö stad är en av deltagarna i det treåriga projektet Grabs, Green and Blue Space Adaptation for Urban Areas and Eco Towns. Staden satsar på bättre beredskap genom att ta fram en handlingsplan och testa olika lösningar. Bland annat vill man ha utröna hur städer klarar klimatförändringar som ihållande skyfall, högre havsvattennivåer eller långa värmeböljor. De stora isområdena vid främst nord- och sydpolen reflekterar strålning och om dessa ytor minskar så minskar följdaktligen den reflekterade strålningen och bidrar till en ökad temperatur genom en minskad värmeavgivning med hjälp av jordens strålning ut i rymden. Denna effekt har ett eget namn, albedo. Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter. Albedo används inom fysik, meterologi och astronomi. Den räknas som den andel av rakt infallande ljus som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har beror på dess sammansättning. Albedo mäts oftast vid en bestämd våglängd. Exempelvis har nysnö ett albedo på 0.9 och hav har ett värde på 0.06, d v s 90% respektive 6% av strålningen reflekteras för nysnö och hav. I en artikel i Nature i början av 2008 presenterades en studie om effekterna av klimatförändringarna genom förändringar i nederbörd på produktionen av spannmål. 5

6 Produktionen kommer att minska med uppskattningsvis en tredjedel, främst av ris och majs, i södra Afrika och Asien. Forskarna Rutger Rosenberg vid Institutionen för marin ekologi, Göteborgs Universitet och Robert Diaz från Virginia Institute of Marin Science i USA gjorde en studie av världshavens bottnar 1995, och jämförde med en ny studie Deras resultat visar att antalet döda havsbottnar, vilka har så lite syre att fiskar och tar skada, har ökat från 44 till 400. Mest utbredning av syrefattiga områdena finns i Östersjön, Mexikanska golfen, Östkinesiska havet, och Bälthavet. Allmänhetens förståelse för klimatsituationen Med undantag för några år under 1970-talet har tillväxten alltid varit större än avverkningen. Källa: Skogsindustrierna. Hur mycket är känt av allmänheten om klimatsituationen? Skog 2008 är en nationell och regional undersökning genomförd på uppdrag av Skogsindustrierna, som totalt omfattar 2100 personer från 18 år och uppåt. Det som oroar 29% av svenskarna mest är utsläpp av växthusgaser, följd av 16% som oroar sig för skövling av skog. Svenskarna ger sig själva högt betyg i miljökunskap, men det finns brister i baskunskaperna. Cirka 64% anser sig ha en god insikt om miljöfrågorna medan runt hälften vet hur fotosyntesen fungerar och som binder 100 miljarder ton kol i skogen, vilket är en betydande del av det kol som påverkar koldioxidhalten. Behovet av skog och skogsprodukter växer varje år. Det är dock ingen risk att skogen ska ta slut eftersom den växer med cirka 115 miljoner kubikmeter varje år och endast 85 procent den tillväxten avverkas varje år. Varje år planteras runt 330 miljoner trädplantor i Sverige och det finns nu 60 miljarder träd i Sverige. [Skogsindustrierna ] 6

7 Hösten 2008 uppstod en global finanskris. Energimyndigheten har undersökt hur den ekonomiska krisen påverkade klimatet och klimatarbetet. Bland nackdelarna nämns att uppdateringen av fordonsparken stannade av, det vill säga att företag och privatpersoner prioriterade miljöbilar, något som styrks av det faktum att registreringar av miljöbilar minskade med 41 procent under januari 2009 jämfört med samma månad Även andra investeringar i maskiner minskade, något som myndigheten menade att det kan motverka energieffektiviseringen i samhället eftersom användningen av äldre maskiner fortsätter och nya maskiner har normalt bättre energiprestanda. En minskad efterfrågan på energi gör att investeringar i förnybar energi avstannar. Minskad efterfrågan på el kan också minska priset på elcertifikat, som å andra sidan ska gynna producenter av förnybar el. En lägre produktionstakt innebär samtidigt minskade utsläpp från industri- och transportsektorn. Myndigheten franhävde att drabbade länder kan lätta på krisen med penningpolitik och finanspolitik, förutom riktade åtgärder mot finanssektorn för att få igång finansmarknaderna. Om de statliga stimulanserna riktas mot åtgärder för bättre transporter, förnybar energi eller energieffektivisering kan krisen och miljöeffekterna bekämpas samtidigt. Växthusgaser Till växthusgas räknas gaser som bidrar till växthuseffekten, som koldioxid, freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner användes som kylmedium, men som fram till idag mer eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre alternativ, och är föreningar av kolväten med flour, klor och brom. Vid förbränning i luft bildar kväve och syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck, detta sker främst från förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk. Kväveoxiden kan i sin tur reagera med syre för att bilda kvävedioxid som medverkar vid bildande, tillsammans med kolväten och sot, av marknära ozon. Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från människor och djur samt existerar som en andel i naturgas vilket är en blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig för människan men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)-strålning. Freon och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret, men med minskade utsläpp kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till ozon när det utsätts för UV-strålning. Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt. Gaserna kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över hela jordklotet så att deras påverkan blir på en global nivå, även om de direkta källorna är ojämnt fördelade över jordklotet. Gas Andel % Kväve Syre Argon 0.93 Koldioxid Neon Helium Metan

8 Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren. Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs klimatpanel uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror på människans industrialisering, och resten från variation i markanvändning. De som kritiserar teorin om att utsläpp är orsak till den globala uppvärmningen. Frågar sig varför mängden koldioxid i atmosfären kan orsaka så mycket förändringar. Halten koldioxid i atmosfären är ungefär procent. Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer från biologiska aktiviteter. Vissa former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av metan till atmosfären. Eftersom metan finns som en del i naturgas, kan spill från hanteringen av naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar. Utsläppen ökar med utökad industrialisering. 8

9 Industriella utsläpp av koldioxid Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen, men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser. Utsläpp av koldioxid från industrin i Sverige uppgick 2005 till 15,1 miljoner ton. Det motsvarar drygt en tredjedel av de svenska utsläppen. Eftersom stål är en legering av järn med upp till 2% kol så uppkommer de största utsläppen vid rening av järnmalm. Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar järnmalmen med kol i en masugn så får man bort syret när två syreatomer förenar sig med en kolatom och bildar koldioxid, och lämnar kvar råjärn som förädlas till stål. Men kolet förbränns inte fullständigt. Mycket energi finns i restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid. Järnmalm består av ett eller flera av mineraler. Den finns i olika geologiska formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer och apatitjärnmalmer, av vilka de flesta bildades för runt två miljarder år sedan. Dessa malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av magnetit (svartmalm) och hematit (blodstensmalm). Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre än på jordskorpan, och järnhalten på jorden är cirka 35 % av jordklotets totala massa. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är det inte vanligt med rent järn. Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt miljoner ton 9

10 med ett järninnehåll av ca miljoner ton [Nationalencyklopedin]. Vid SSABs masugnar i Luleå och Oxelösund släpps runt 5.9 miljoner ton koldioxid per år. Försök pågår att återföra de brännbara gaserna till masugnen. Med en sådan recirkulation kan man spara 25 procent kol och så minska koldioxidutsläppen med lika stor del. Ännu återanvänds inte avgaserna eftersom de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid försöken provar man att använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och skilja av koldioxiden innan gasen återförs till masugnen. SSAB står för elva procent av Sveriges koldioxidutsläpp. Om man lyckas avskilja koldioxiden och kan komma på hur den ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll. Källa: Energimyndigheten, Ny Teknik okt 2008 SSAB Luleå, Lulekraft SSAB Oxelösund Preem Scanraff Cementa Slite Fortum Värtan LKAB Kiruna Preem Raffinaderi Shell Raffinaderi Cementa skövde Mälarenergi Västerås stål stål olja cement värme malm olja olja cement värme Utsläpp koldioxid [miljontals ton] Kollagring och kvävegödsling Ökad kollagring i skogsmark genom kvävegödsling studeras eftersom den naturliga omsättningen av koldioxid är uppskattningsvis tio gånger större än de globala utsläppen av koldioxid från fossila bränslen. Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom kvävegödsling av skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att mer kol lagras i skogsmark genom att sakta ner nedbrytningen av döda växtdelar. Kväve förändrar ämnesomsättningen hos mikroorganismer som sköter nedbrytning av organiskt material där de kommer åt kol och kväve. Koldioxid släpps ut under nedbrytningsprocessen. Det organiska materialet blir genom den ändrade ämnesomsättningen svårare att bryta ner och processen bromsas upp. 10

11 Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar till att börja med får en högre kvalité för mikroorganismerna och nerbrytningen sker snabbare, vilket till en början ger mer koldioxid, men dels genom mikroorganismerna får direkt tillgång till kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från växterna, vilket ger mindre koldioxid. Nerbrytningen saktar då ner och mer kol stannar kvar i marken, det blir följaktligen minskade mängder av koldioxid som släpps ut. Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial genom kvävegödsling. Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Eftersom växterna är begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt genom fotosyntesen, så medför ökad kvävegödsling en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna energi från koldioxid och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas upp i väte och syre. Syret går ut i luften och vätet förenas med koldioxid för att bilda glukos som omvandlas till näring i växtens celler. Som resultat får kvävegödsling skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad skogsproduktion, men det finns även risk för övergödning eftersom kväve redan tillförs genom nerfall av luftföroreningar från industrier. Ökad lagring av kol i biomassa, mark eller vatten kallas kolsänka. Övergödning börjar alltså med att mer kväve och fosfor kommer ner i ett vattendrag än vad som är naturligt. Övergödning sker främst genom kväve och fosfor, och dessa ämnen finns ju naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet. Eftersom både kväve och fosfor fungerar som gödningsmedel börjar alger och andra växter i vattnet att växa kraftigt. När algerna och växterna så småningom dör så faller de till botten och de börjar brytas ner. Om det är väldigt gott om växter kan det bli syrebrist i vattnet och då är det 11

12 väldigt få småkryps- och fiskarter som klarar sig. I sjöar och hav leder övergödning till syrgasbrist och ökad algblomning. Till slut kan en övergödd sjö växa igen helt. En avverkning med efterföljande markberedning medför bland annat att mer koldioxid och kväve avges till luften eftersom marken friläggs. Detta skyndar på nedbrytningen i marken. När skogen växer upp så binder den mer kol än den avger. Om marken däremot används för energigrödor så tar det många år innan utsläppen av koldioxid har arbetats in. Studier av fönster och möbler av trä genomförd av Trä- och Möbelindustriförbundet (TMF) visar att även de binder koldioxid, och som släpps lös först när fönstret eller möbeln återvinns. Runt 1.65 miljoner ton koldioxid binds i träfönster enligt förbundets rapport från slutet av TMF är bransch- och arbetsgivarorganisationen för den träförädlande industrin och möbelindustrin i Sverige, och företräder cirka 800 medlemsföretag med över anställda. Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att påverka flödet av materialvolymerna som finns idag enligt konsultföretaget Pöyry. Med en investering på 75 till 100 miljoner kronor ska massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan tillverka biogas utan att det påverkar massaproduktionen. Detta är möjligt genom att ta ut organiskt restmaterial tidigt i processen och använda den för att tillverka biogas. Produktionstekniskt handlar det om att gå in i hjärtat på massaprocessen, där de levande organismerna finns så att det blir en syrefri nedbrytning av organiskt material. Enligt en studie från 2008 av 21 svenska bruk om deras såpahantering och talloljekokning som genomfördes av Ångpanneföreningen och Värmeforsk så har Svenska massabruk potential att öka sin produktion av tallolja med tio procent, motsvarande 290 gigawattimmar energi om året. Undersökningen visade att det är 12

13 mycket stor variation i talloljeproduktionen vid de svenska bruken. Som mest utvanns 67 kilo tallolja per ton pappersmassa, och som minst tio kilo. Variationen beror bland annat på andelen tall i brukets råvara av ved, hur länge veden lagras och hur processerna ser ut. Men även vilken breddgrad bruket ligger påverkar talloljeproduktionen, och ju högre upp i landet bruket befinner sig, desto högre är talloljeproduktionen. Träden som används vid bruk längre norrut har växt långsammare och innehåller mer tallolja. För att få ut så mycket tallolja som möjligt ska bruken bland annat ha en hög andel tall som råvara och korta lagringstider av veden. Strålning Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent fysikaliskt strålar det in energi i form av strålning från solen och strålningsenergi från jorden strålar ut i rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor), ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum. Strålningen från solen består av synligt ljus, UV-strålning och infraröd (IR)-strålning. En del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och resterande del växelverkar med jorden på olika sätt så att jorden värms upp, eller reflekteras. Elektromagnetisk strålning är vibrationer eller darrningar i elektriska och magnetiska fält. Man ser strålningen som vågor som breder ut sig i ett medium. Elektromagnetisk strålning i våglängdsintervallet nanometer kan uppfattas av människans öga och kallas vardagligen för synligt ljus. De olika färgerna har olika våglängd, det vill säga avståndet mellan två liknande delar, exempelvis två vågtoppar, varierar. Våglängden brukar betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda). Ljus som har en våglängd nära 400 nanometer upplevs som violett ljus. Med ökande våglängd blir ljuset blått och sedan grönt, och fortsätter sedan till gult, orange och rött. Det skiljer sig hur vi uppfattar färgerna, och det finns ingen tydlig gräns mellan de olika färgerna. Ljuset från solen innehåller strålning med våglängder som ögat inte kan uppfatta. Vid våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som kallas ultraviolett 13

14 strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning minskar kraftigt när våglängden minskar. Vid våglängder kortare än 100 nanometer är intensiteten av UV strålningen från solen försumbar. Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen, IRstrålning som även kallas värmestrålning. Intensiteten för denna strålning hos solljuset minskar med ökande våglängd, men inte lika kraftigt som för UV-strålning. Först vid våglängder kring 1 mm är strålningens intensitet försumbar. Den största delen av energin från solen kommer i form av infraröd strålning, denna del motsvarar ca 53% av energin. Den synliga delen av ljuset från solen utgör 36% och resten, 11%, är UV-strålning. Atmosfären Atmosfären mellan jorden och solen skyddar från strålning som har våglängd kortare än 300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålningen som är farlig för människan. I atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon som mycket effektivt absorberar all strålning med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan nanometer släpper atmosfären igenom strålningen i allt ökande grad och vid 400 nanometer släpps mer eller mindre all strålning igenom atmosfären. Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det är ett det gashölje som omsluter jorden och hålls kvar av jordens gravitationskraft. Atmosfären består av kväve, syre och argon till drygt 99%. Resten är vattenånga och andra gaser, bland annat koldioxid och ozon. 14

15 Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids mer än de långa, där det blå ljuset finns, och därför blir himlen blå. På samma sätt sprid UVstrålning. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt har solljuset en längre väg att färdas genom atmosfären. En del av det blå ljuset sprids och ljuset uppfattas som rött och vi upplever den röda kvälls- eller morgonsolen. Spridning av strålning kallas Rayleigh-spridning. På dagen, när solen står som högst, är himlen blå. Det beror på att strålning med olika våglängd sprids av partiklar som är mindre i storlek än ljusets våglängd. Den synliga delen av solstrålningen är nästan vit eftersom strålningen innehåller alla färger. Rayleigh-spridning är proportionell mot våglängden, som ofta betecknas med den grekiska bokstaven λ (delta) som λ -4, det vill säga att ljus med kort våglängd (som blått ljus) sprids bäst. Det gröna och det röda ljuset som har längre våglängd kommer att spridas mindre och tränger igenom atmosfären i en rak bana. Det blå ljuset sprids över himlen och ger den sin färg. Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är mer effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser sker inte vid alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland de gaser som är effektiva finns vattenånga, koldioxid och metan. Strålningsbalans När värmestrålning, synligt ljus, ultraviolett strålning eller röntgenstrålning träffar ett föremål absorberas en del av strålningsenergin. Resten av strålningen antingen reflekteras eller passerar genom föremålet. Strålningen växelverkar med föremålet och omvandlas till värme, främst genom att kristallatomerna sätts i rörelse. En kropp som är uppvärmd avger energi i form av strålning, en så kallad svartkroppsstrålning. Strålningen kallas även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin energi i vissa intervall, eller maximum vid olika våglängder. 15

16 Eftersom det temperaturen skiljer sig på olika delar av kroppen så blir det en fördelning av strålningen. En kropp som befinner sig vid rumstemperatur avger strålning i den djupa delen av det infraröda området. En glödlampa har en temperatur på ungefär 2500 o C. Från denna får vi ljus, det vill säga strålning i det synliga delen av spektrat, och värme som är strålning i det infraröda området. Ungefär 95% av strålningen är värmestrålning och resten strålning i det synliga området. Solen har en temperatur på ungefär 6000 o C, och det mesta av strålningen som sänds ut från solen är i det synliga området. Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700 o C] Vid temperaturer över 700 o C börjar en kropp skicka ut strålning i det synliga området, en kropp ser ut att glöda svagt. Vid fortsatt uppvärmning så övergår ljuset till gult samtidigt som det blir allt kraftigare i intensitet och blir sedan vitt. När en kropp blir varmare så blir våglängden kortare. Gaser i atmosfären påverkar strålningen från jorden genom växthusgaserna som genom växelverkan med gaser som skickar IR-strålning tillbaka mot jorden. Denna strålning värmer i sin tur upp jorden ytterligare. Man kan göra beräkningar på strålningsbalans mellan ingående och utgående strålning. Utan en naturlig växthuseffekt skulle temperaturen vara ca -18 o C. Inget liv skulle kunna existera eftersom allt vatten skulle vara fruset. Eftersom det finns en naturlig omsättning av gaser, som koldioxid, så finns en normal mängd av dessa gaser i atmosfären. Det ger en naturlig växthuseffekt. 16

17 Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de träffas av IRstrålning börjar de vibrera kraftigare när de fångar upp energin. Eftersom det inte är ett normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att återta sina tidigare tillstånd. De avger då IR-strålning. Strålningen avges i olika riktningar, och i det enklaste fallet så avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är grunden till den naturliga växthuseffekten. Solen och jorden befinner sig i en strålningsbalans. Energi flödar in mot jorden från solen. Jorden värms upp och avger energi i form av infraröd strålning. 17

18 Med detaljerade beräkningar som tar hänsyn till IR-strålningen som faller in mot jorden igen ger att jordens genomsnittstemperatur är ca 15 o C. Det fungerar i princip som ett växthus, där en del av infallande solstrålning reflekteras av glaset. En stor del av solens strålning släpps dock igenom och absorberas av växter och mark. Den utgående värmestrålningen från dessa hindras av glaset och får som följd att växthuset blir varmare. 18

19 I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden under 1900-talet. Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar IR strålning liksom växthusgaserna, men även för att de reflekterar solstrålning. Moln är en ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. Moln uppstår när luft kyls så att den blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom att vattenånga kondenserar på små partiklar. Moln som befinner sig nära marken reflekterar solstrålning tillbaka till rymden mer än de växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga moln har större påverkan på växthuseffekten eftersom de har lägre temperatur och utstrålar mindre värmestrålning mot rymden. De består även till stora delar av iskristaller, som inte reflekterar solstrålning så effektivt. Låga moln reflekterar solstrålning Den mest accepterade orsaken till jordens uppvärmning är ökade utsläpp av växthusgaser som följd av industrialiseringen, som ger ökad återfallande IR-strålning in mot jorden och en ökad temperatur. Sjöfart Utsläppen från sjöfarten kan vara större än man tidigare trott. Tidigare har klimatpanelens beräkningar legat på 400 miljoner ton koldioxid per år från sjöfarten. En ny genomgång som färdigställdes i februari 2008 med information från den internationella sjöfartsorganisationen IMO visar att utsläppen kan vara tre gånger högre, den nya uppskattningen visar att utsläppen kan vara 1.12 miljarder ton per år. Koldioxidutsläppen från världens handelsflottor är drygt fyra procent av de totala utsläppen, vilket är dubbelt 19

20 så mycket som utsläppen från flygtrafiken. Utsläppen från sjöfart är en fråga som inte blivit lika mycket utredd som andra transportmöjligheter. I jämförelse med vägtrafik ger sjötransporterna lägre utsläpp räknat per färdsträcka och last, uppskattningsvis ger lastbilar 2-3 gånger mer koldioxid än fartyg. Sjöfartens stora bidrag till utsläppen beror på att stora volymer fraktas över långa avstånd. Bränsleförbrukningen från fartyg kan reduceras med hälften om de sänker hastigheten med en fjärdedel, men tidsmarginaler gör att de flesta rederier inte prioriterar minskad bränsleförbrukning som ger längre transporttider. De rederier som inte har liknande strikt tidsschema eller vill ta hänsyn till sjövädret för fartygets och dess lasts säkerhet kan använda sig av information från SMHI, Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut. Institutets marinmeteorologer hjälper fartyg att välja rätt väg över haven, så att de kan undvika oväder och spara bränsle. Fartyg som har last som är känslig för höga vågor, exempelvis personbilar som måste surras en och en när vågorna blir för höga, kan få ett förslag på en rutt från meteorologerna som fått information om fartygets konstruktion och känslighet för vågor. Meteorologen tar hänsyn till denna information tillsammans med sjövädret och även önskemål från fartygets kapten om att undvika vissa områden där det finns pirater. Varje månad får fartyg information från SMHI. De enorma mängderna material som fraktas med fartyg har naturligtvis höga transportkostnader. Ett försök att minska både utsläpp och transportkostnader är att använda ett draksegel. I februari 2008 gjordes ett försök med den tyska tonnaren "MS Beluga Skysails" som fraktade delar till byggandet av en spånskivefabrik från Bremen mot Venezuela. I en wire 300 meter ovanför fartyget drar en cirka 160 kvadratmeter stor drake fram det 132 meter långa skeppet. Beroende på vindstyrka kan fraktkostnaden minska med mellan 10 och 35 procent med hjälp av draksegel. En fördel med att använda en drake högt uppe i luften framför segel är att vindstyrkan på några hundra meters höjd kan vara dubbelt så stor som vid havsytan. 20

21 Solenergi Solen är ett klot av gas och består till största delen av väte. Den främsta energialstringen i solen är omvandling av väte till helium. I solens inre är temperatur och tryck så höga att kärnreaktioner äger rum, varvid väte omvandlas till helium och stora mängder energi frigörs. Energierna omvandlas och når jorden i form av strålning. Solen består av väte till ca 74%. Strålningen uppkommer när fyra vätekärnor omvandlas till en heliumkärna. Eftersom heliumkärnan är lättare än de fyra vätekärnorna, så omvandlas mellanskillnaden i massa till strålning. Samtidigt så minskar solen i vikt med ungefär fyra miljoner ton per sekund. Den enorma energikällan som solen utgör hotas av miljöföroreningar. Energi från omvandlingen i solens inre, där temperaturen är cirka 15 miljoner grader, resulterar i gamma- och röntgenstrålning som rör sig utåt under oupphörliga kollisioner. Tidsskalan för denna energitransport är tiotusentals år. Vid solens synliga yta har gasens temperatur sjunkit till grader och strålningen har på vägen tappat energi, våglängden har blivit längre eftersom energin är proportionell mot 1/ λ. Strålningen som sänds ut från solen består av våglängder från ultraviolett till infrarött. Den största delen finns inom det synliga området (våglängder mellan 390 och 770 nanometer) och den strålningen kallas i vardagligt tal för ljus. Den mesta energimängden ligger dock i infraröda området där strålningen har en våglängd över 770 nanometer upp till 1 mm (1000 nanometer). Den mängd solenergi som träffar vår planet på en enda timme räcker i teorin till för att förse mänsklighetens energibehov i ett helt år. Solen är omkring 4,6 miljarder år och har ännu inte har nått halva sin livslängd. När solen förbrukat sitt väte så kommer den att svalna, och solen övergår till att förbränna det helium som producerats genom omvandlingen från väte. Gravitationskraften minskar och solen sväller. Närbelägna planeter, som jorden, kommer att slukas. När solens förråd av 21

22 helium är slut så övergår solen att förbränna andra grundämnen tills dessa är slut, varpå den sjunker ihop och minskar i temperatur tills den är helt kall. Lysdioder I början av december 2008 beslutade EU genom Ekodesignkommittén att glödlampan ska fasas ut, med början år 2009 och i ökande grad under efterföljande år. Av den energi som tillförs glödlampan så blir mindre än tio procent till ljus, resten försvinner som värme. Nästan en fjärdedel av den el som hushållen använder går till belysning. Visserligen kan man i våra svenska hem se det som att den värmen används för uppvärmning, men faktum är att det är oerhörda mängder energi som går till spillo. Enligt Energimyndigheten så går i bästa fall hälften av glödlampans värmeförlust till uppvärmning. Glödlamporna som ger värme befinner sig ofta i takhöjd och gör då ingen nytta för oss människor eftersom värme försvinner uppåt. Men eftersom det då även blir temperaturskillnader mellan tak och golv, så uppstår rörelser av luften i rummet som bidrar till att värmen från glödlampor i takhöjd inte helt förloras som uppvärmning. En lysdiod kan omvandla 30-50% av energin till ljus. Lysdioden blir inte varm och innehåller inte kvicksilver som lågenergilampan som sparar energi även om ljuset inte är lika behagligt som ljuset från glödlampan. Av metaller så är kvicksilver är ett av de värsta hoten mot både människa och den globala miljön. Sveriges regering vill ha ett totalförbud mot kvicksilver i Sverige, och kvicksilver ska inte ens användas i produktionsprocesser om inte företaget kan visa att hälsa och miljö inte kan komma till skada. Livstiden för en glödlampa är cirka timmar, livstiden för en lågenergilampa timmar och dagens lysdioder kan ha en livstid på upp mot timmar. En glödlampa fungerar som en svartkropp. En ström av elektroner går genom en metalltråd och som värms upp när elektronerna krockar med atomerna i tråden, elektronerna tillför energi till metallen som s sin tur avger energin i form av strålning i det synliga och infraröda området. För att en svartkropp ska ge ljus i det synliga området så måste temperaturen överstiga grader Celsius innan den börjar glöda. Tråden måste dock upp till en temperatur runt 2500 grader Celsius innan det ljus som skickas ut börjar närma sig det gulaktiga sken som vi är vana vid. 22

23 När tråden är så varm som 2500 grader Celsius så försvinner en del av metallatomerna från tråden, tråden förångas sakta och atomerna hamnar på insidan av glaset i glödlampan. Man kan ofta se hur glödlampan har en mörk hinna när det gått sönder genom att tråden genom vilken elektronerna transporterats har gått av. Metalltrådens material är wolfram, dom är en av de få material som leder ström samtidigt som den inte smälter vid den höga temperaturen, och förångas långsammare än andra material som skulle kunna användas i glödlampan. Glödlampan har en kolv av glas som antingen är transparent, eller matt för att inte blända. Kolven är fylld med en gasblandning av argon och kväve och gasen motverkar glödtrådens förångning. Vissa lampor är fyllda med en liten del halogengas till gasblandningen av argon och kväve. Lampan har runt 500 grader högre temperatur hos glödtråden. Detta ger högre ljusstyrka och vitare ljus eftersom den synliga strålningen skiftas mot blått, och en liten del hamnar till och med i det ultravioletta området av strålningen. Den högre temperaturen ger visserligen mer förångning, men atomerna som fastnat på glaset reagerar med halogengasen och återvänder till metalltråden. En högre temperatur vid glaset är nödvändig för att atomerna ska frigöras från glaset med hjälp av gasblandningen, och därför är halogenlampor ofta små. Halogenlampan ger på så sätt ungefär en dubbelt så lång livstid mot den traditionella glödlampan. Nackdelen med glödlampan är att all energi kommer inte ut som ljus från den varma kroppen. En stor del av strålningen hamnar i det infraröda området. Mindre än 10 procent av energin från elektronerna blir till synligt ljus. Nästan en fjärdedel av den el som hushållen använder går till belysning. Visserligen kan man i våra svenska hem se det som att den värmen används för uppvärmning, men faktum är att det är oerhörda mängder energi som går till spillo. Enligt Energimyndigheten så går i bästa fall hälften av glödlampans värmeförlust till uppvärmning, men värmen befinner sig ofta i takhöjd och gör då ingen nytta för oss människor eftersom värme gärna försvinner uppåt även om 23

24 värmeskillnader ger upphov till rörelser av luften som till viss del fördelar värmen från glödlamporna. I början av december 2008 beslutade EU genom Ekodesignkommittén att glödlampan ska fasas ut, med början år 2009 och i ökande grad under efterföljande år. Glödlampan uppfanns av Edison 1879 och idag köps cirka 12 miljarder glödlampor årligen i världen. Denna marknad är högintressant för lysdiodtillverkare, där det går cirka tio lysdioder för att ersätta en glödlampa och omsättning (samt vinst) blir enorm. Lysröret är allmänt debatterat eftersom den innehåller kvicksilver. Fördelen är att livslängden är mycket längre, runt 10 gånger längre. Ett lysrör har vanligen formen av ett rör som har två elektroder i sina ändar och är fyllt med en ädelgas. När strömmen slås på så sker en elektrisk urladdning mellan elektroderna. Urladdningen ger energi till kvicksilvret, som i sin tur avger energi i form av ultraviolett strålning. Insidan av röret är belagt med ett särskilt pulver. Den ultravioletta strålningen ger energi till pulvret, som slutligen avger sin energi i for av strålning i det synliga området. Pulvret kan ha olika 24

25 sammansättning och ger ljuset en varierande färg och färgåtergivningsegenskaper. Lysrör för vanlig belysning tillverkas i fyra olika färger, som brukar betecknas varm (2 700 K), varmvit (3 000 K), vit (4 000 K) och dagsljus (över K). Den lägsta färgtemperaturen liknar glödljus och finns oftast i våra hem. Lysrör med dagsljusklassificering används nästan bara i professionella sammanhang där korrekt färgbedömning skall göras, t.ex. inom grafisk industri, vid tillverkning av papper, färger, textilier och liknande så att färgerna återges på ett neutralt sätt. Från det att strömmen slås på så sker flera reaktioner (urladdning, kvicksilverreaktion). Detta kan man se. När strömmen slås på så flimrar det först till innan ljuset blir stabilt. Hela processen kräver mindre energi jämfört med svartkroppsstrålningen hos glödlampan, och livstiden är längre hos lysröret. Detta gör att lysröret är ett alternativ för energibesparing, men med nackdelen att lysröret innehåller kvicksilver. Den allra första lysdioden demonstrerades redan 1907 av Henry Joseph Round och publicerades i tidskriften Electrical World. Materialet som användes var kiselkarbid. Vid den här tiden upptäcktes det att kristaller av kiselkarbid (även kallat karborundum) kunde användas som detektorer i radiomottagare. Om en metallspets trycktes mot ett kristallen så uppförde den sig som en likriktare - ström flöt bara i ena riktningen mellan kristallen och spetsen. Materialet var helt naturligt, endast två kontakter anlades på materialet så att en ström kunde användas för att tillföra energi för att excitera elektroner som sedan avger energi igen som ljus. Effektiviteten var väldigt låg, färgen varierade från blått till gult. 25

26 Ljuset från den första dioden kommer från att kiselkarbid lätt kan dopas med vissa ämnen, kväve bildar en så kallad donator och aluminium samt bor en acceptor. En elektron kan röra sig mellan de energitillstånd som bildas mellan donator och acceptor (kväve aluminium eller kväve bor), och avger då energi i form av ljus över ett brett färgspektrum. Genom att använda två olika acceptorer kan det synliga området täckas av två breda spektrum, och som tillsammans ger ett rent vitt ljus eftersom det totala spektrat täcker alla färger i nästan lika hög grad. I dagens teknologi tillverkas vita ljusdioder främst från GaN. Det mest önskvärda sättet är att blanda rött, grönt och blått ljus för att få det mest jämna vita ljuset. I praktiken är det svårt att få till rätt kombination mellan dessa färgkomponenter och idag får man det jämnaste ljuset från en lysdiod som har en blå komponent från en halvledare. Runt lysdioden beläggs halvledaren med fosfor. Denna fosfor exciteras av det blå ljuset och andra ljuskomponenter bildas. Eftersom fosfor även exciteras av ljus som ligger utanför det synliga området, det vill säga ultraviolett ljus, så blir effektiviteten högre. Dock så uppstår en del energiförluster i fosfor och genom värmeutveckling som försvinner till substratet. Lysdioder på GaN blev inte tillgängliga förrän under 1990-talet. Redan tidigt kunde kisel (Si) användas effektivt för att ge n-typ GaN. Filmer med p-typ GaN som uppvisade en effektiv luminiscens kunde man få genom att först dopa med Mg, och sedan värma upp filmerna i en kväveatmosfär. Det blå ljuset från GaN går genom en fosfor, som i sin tur exciterar andra färger som har lägre energi än det blå ljuset. Dessa färger tillsammans med det blå ljuset ger ett spektrum 26

27 över det suynliga ljusområdet, och vitt ljus. I glödlampor försvinner cirka 95% av den tillförda energin som värme istället för ljus. För vita lysdioder i GaN så försvinner en del av den tillförda energin i fosfor och en del som direkta förluster i substratet. Man beräknar att ungefär upp till 30% av den tillförda energin kommer ut som ljus. Dessa lysdioder är inte tillräckligt effektiva för att användas för allmänbelysning. Idag används vita lysdioder för belysning, och då använder man flera lysdioder i en modul (exempelvis en glödlampa) för en belysningskälla. Hur kan man då öka effektiviteten så att ljuset blir tillräckligt för att användas som allmänbelysning? Det finns inga lösningar än. Det pågår forskning om bättre kvalitet på material som ska öka rekombinationsprocesserna, eller nya strukturer för effektivare lysdioder. Nedan visas en ny typ av struktur som kan vara en lösning. Dock så måste materialet framställas så att ljus erhålles i hög effektivitet vid rumstemperatur. Strukturen grundar sig på två tjocka skikt av kiselkarbid. Båda skiktet är dopade med en donator och en acceptor. Det ena skiktet är dopat med kväve (som verkar som donator) och aluminium (som verkar som acceptor), och det andra skiktet är dopat med kväve och bor (som verkar som acceptor). När dessa två exciteras med ljus från ett AlGaN skikt (som i sin tur får energi från en pålagd ström) så rekombinerar elektroner från donatornivå med hål i acceptornivån. 27

28 Aluminium och bor har olika energinivåer, vilket resulterar i att ljuset från dessa skikt får olika energi. Ljuset får en bredd eftersom elektronerna och hålen i nivåerna befinner sig inte vid en och samma energinivå, de har olika nivåer och övergångarna beror på kvantmekaniska urvalsregler. Tillsammans bildar de olika energierna ett brett spektra, och genom kombination av de två skikten och ett lämpligt bandgap, så kan det synliga området täckas. Detta resulterar i ett mer naturligt vitt ljus, exempelvis har ofta ljusdioder baserade på GaN en starkare blå komponent, och kan kännas lite mer kalla än det vita ljuset som vi är vana vid (exempelvis från glödlampor). 28

29 Vindkraft Solen värmer upp luften, som i sin tur stiger. Annan luft rör då på sig och fyller upp platsen där luften stigit från. Jorden är rund och roterar kring sin axel, och eftersom himlen är täckt av moln så värms luften upp ojämnt. Det leder till temperaturskillnader och olika lufttryck, det bildas lågtryck och högtryck. När luften rör på sig från ett högtryck till ett lågtryck för att jämna ut skillnaderna i tryck, så uppstår vind. Så länge solen lyser så kommer det att finnas vind, som således är en förnyelsebar källa. Om luften värms upp över vatten så värms även vattnet upp, och börjar stiga som ånga. När ångan nått en höjd där den kan kondenseras bildas det moln som blir mer och mer mättade med ånga. Till slut måste de tömmas på vatten som når jordytan som olika typer av nederbörd. Vindkraftverk fångar upp den energi som finns i vinden, och omvandlar den till elektricitet. I väderkvarnar så omvandlas energin till mekaniskt arbete. 29

30 Vinden får vindkraftverkets snurra att rotera. Snurran bromsar upp vindens hastighet som blir lägre bakom snurran än framför. Vinden har en energi som består av rörelseenergi. Rörelseenergin omvandlas till elektrisk energi genom en generator som är kopplad till snurran. Vindkraftverkets snurra har en svepyta som ges av den yta som snurran täcker när den roterar. De första vindkraftverken hade en svepyta på cirka 300 kvadratmeter, men utvecklingen har gjort att svepytan ökat och idag finns det vindkraftverk med svepytor över kvadratmeter, rotorbladen har då en diameter över 100 meter! Som ett exempel på hur mycket luft som kan användas för energi, så kan man räkna ut att för ett vindkraftverk med en snurra med en diameter på 50 meter så blir det 20 ton luft per sekund som passerar snurran när vindhastigheten är 10 meter per sekund! Pi*25*25 motsvarar arean Volymen ges av arean * 10 Luftens densitet 1.25 kh/m3 30

31 Vindens effekt ges av den mängd luft som passerar en yta med en viss hastighet. Vindens effekt är proportionell mot vindens hastighet i kubik (P=0.625v 3 ). En fördubbling av vindens hastighet ger då åtta gånger större vindeffekt. Effekten fås fram genom att utgå från uttrycket för rörelseenergi, E=mv 2 /2. Massan ges av den vikt som passerar genom en yta under en bestämd tid. Volymen blir tvärsnittsarean * längden, där längden ges av hur långt vinden har färdats på en sekund, det vill säga vindhastigheten. Tyngden ges av luftens densitet (täthet). Man använder i regel värdet för luftens täthet vid havsytan och vid en temperatur av 9 grader, som är 1.25 kg per kubikmeter. För att få volymen i kubikmeter är det enklast att räkna på en area av en kvadratmeter. Vindens effekt per kvadratmeter (A = 1 m 2 ) blir då P=(1.25 * v)*v 2 /2=0.625v 3 Vindtillgången på den plats där vindkraftverken placeras är den viktigaste faktorn för ett vindkraftverks produktionsförmåga. Vindkraftsverken har en teoretisk verkningsgrad på 59% gentemot vindens energiinnehåll. Dagens moderna vindkraftverk har en 31

32 verkningsgrad på upp till 45 %. Verkningsgraden fås genom att den effekt som vindkraftverket producerar, vilken får genom att multiplicera strömmen med spänningen, divideras med vindens effekt som är proportionell mot vindens hastighet i kubik. Ju mer energi ett kraftverk tar ut ur luften, ju mer saktas den ner. Om vindkraftverken tar ut 100% energi från vinden så innebär det att vinden inte fortsätter efter att passerat rotorn. Den stillastående luften skulle då förhindra annan luft att passera svepytan. Om luften å andra sidan skulle gå genom svepytan utan att saktas ned alls så skulle man inte få något energiuttag. I praktiken måste effektiviteten alltså ligga mellan dessa två fall. Ett ofta använt resultat, baserat på en vind på ett föremål där vinden har en homogen, parallell luftström med konstanta egenskaper. Bernoullis ekvation visar mot en hög hastighet så blir trycket lågt. Trycken på ovansidan och undersidan av en typisk vingprofil, med avrundad framkant och skarp bakkant, antyder genom Bernoullis ekvation att en lyftkraft uppstår om strömningshastigheten är högre (och trycket alltså lägre) invid vingens översida än invid dess undersida. När strömningen på ömse sidor återförenas vid vingens skarpa bakkant så erhålls en lyftkraft. Förluster uppstår på grund av den tryckutjämning som oundvikligen sker efter bladen och som ger upphov till virvlar som sträcker sig bakåt från dessa. Virvlarna innebär energiförluster. Det var Frederick Lanchester som först angav denna virvelstruktur (kring 1900) på vingar. Läran om lufts och andra gasers strömning (aerodynamiken) utnyttjas också i hög grad vid konstruktion av bilar, höghastighetståg och båtar samt även i samband med konstruktion av broar och höga byggnader. År 2008 fanns det ca 800 vindkraftverk som tillsammans producerade 1.4 TWh elektricitet. Detta är ungefär 1% av den totala energiförbrukningen i Sverige på 148 TWh. Ett vindkraftverk används timmar, d v s vindkraftverket är i drift en fjärdedel under ett år. Vindkraft är inte ett alternativ till reglerbar kraft, men fungerar som en viktig del i det moderna elkraftsystemet. En ökad vindkraftproduktion ger möjligheter att minska andelen som framställs genom andra oönskade alternativ. Vindenergin kommer genom solstrålningen som värmer upp luften som börjar röra på sig, och ger upphov till vindar. Enligt en faktarapport från Kungliga ingenjörsakademien om vindkraft utgiven 2002 räcker vindkraften till 15 gånger av världens nuvarande energibehov. Fördelarna med vindkraft är att vinden är gratis och det finns inget behov av transporter. Till skillnad från vattenkraft så kan inte vindkraft regleras eller lagras. Vindkraften måste existera tillsammans med en reglerbar kraftproduktion. Eftersom vinden varierar i riktning och styrka så kan vindkraften aldrig garantera elproduktion. Till viss del kan vindkraften lagras genom indirekt lagring. När det blåser kraftigt och vindkraftverken levererar mer elektricitet så kan vattenkraftverken dra ner på sin produktion, varvid energin sparas genom lagrade vattenmängder. 32