134 Energi Energi 135 Förnybara energikällor Uttrycket alternativa energikällor tillkom under 1970 - talet när miljöeffekterna av kol- och oljeförbränning på allvar började diskuteras. Samtidigt med detta pågick också utbyggnad av kärnkraften världen över. De energikällor som då fördes fram betraktades som alternativ till kol, olja och kärnkraft. Nu använder man vanligen begreppet förnybara energikällor som tydligare anger vad som avses. De främsta alternativen utgörs av solenergi i olika former, men även värmen i jordens inre är en förnybar energikälla. Solenergi Vatten värms upp av solen och fungerar som värmebärare i byggnader. Solstrålning används i solceller för produktion av elektricitet. Bioenergi Växter och växtrester bränns, rötas, jäses eller förädlas på annat sätt till en användbar energiform. Vindkraft Energin i vinden fångas upp och den mekaniska energin omvandlas till elektricitet i en generator. Vattenkraft Vattnets rörelseenergi i vattenfall eller vågor omvandlas till elektrisk energi. Geotermisk energi Jordvärme utnyttjas för uppvärmning av bostäder och andra byggnader. Solenergi En bråkdel av den solenergi som når jorden skulle räcka för ett ersätta alla energikällor vi nu använder oss av. Hittills har vi mest utnyttjat solenergin i indirekt form. Ved och vindenergi har sitt ursprung i solens energirika strålning. Den direkta användningen av strålningsenergi genom solfångare och solceller ökar just nu mycket starkt världen över. Tillgången på solenergi varierar en hel del. Solinstrålningen är i genomsnitt 1 000 kwh/m 2 per år i Sverige medan ökenområden i Afrika har 3 400 kwh/m 2. Solfångare I solfångare värms vatten eller någon annan vätska upp med hjälp av solstrålning. Det uppvärmda vattnet kan direkt användas som tappvarmvatten eller för uppvärmning i hus. Solfångare ger 200-700 kwh värmeenergi per m 2 och år. En villa som använder 20 MWh värmeenergi per år behöver mellan 30 och 100 m 2 solfångare för att bli självförsörjande på värme. Ett problem är att under den period då man behöver mest värmeenergi skiner solen som allra minst. Man måste komplettera med andra system för uppvärmning. Uppskattningen är att 30 % av uppvärmningen av bostäder i Sverige skulle kunna ske med solvärmeanläggningar. Solceller I solceller omvandlas energin i solstrålningen till elektricitet. Under 1800-talet gjordes upptäckten att vissa material som solbelystes började leda ström. Fenomenet fick namnet den fotoelektriska effekten. De första solcellerna tillverkades i slutet av 1800-talet, men effekten var låg. År 1954 framställdes den första kiselbaserade solcellen vilken kunde omvandla 4 % av strålningsenergin till elenergi. Dagens kiselsolceller har en verkningsgrad på upp till 15 %. Ett problem med kiselsolceller är att de är dyra att tillverka. Nu utvecklas tunnfilmssolceller som troligen kommer att bli viktiga i framtiden. Tunnfilmssolcellerna passar för industriell tillverkning, vilket kan medföra låga priser. Verkningsgraden är som mest 19 %. En storskalig utbyggnad av solceller i ökenområden skulle kunna ge tillräckliga energimängder för att försörja hela världen med energi. Räknat på 15 % verkningsgrad ger varje kvadratmeter solceller i Sahara 510 kwh elenergi per år. Sveriges elbehov skulle kunna framställas med 275 kvadratkilometer solceller, en yta något mindre än Hjo kommun. Ljus Skydd, glas eller plast e - n-skikt e - p-skikt e - Solvärmeanläggning Panelerna för solvärme finns utanför Kungälv. Sammanlagt täcker panelerna 10 000 m 2 och producerar varje år 4 GWh värmeenergi som distribueras i det lokala fjärrvärmenätet. Verkningsgraden är 40 %. Elektrisk energi från solcell När en energirik foton träffar solcellen kommer en elektron att stötas ut från p-skiktet och ta sig över till n-skiktet. Elektronens energi ökar när den träffas av fotonen. Enda sättet för elektronen att ta sig tillbaka till p-skiktet går genom en ledning som förbinder de två skikten. En elektrisk ström uppstår som kan användas för t.ex. en miniräknare eller en lampa.
136 Energi Energi 137 Vattenkraft Skandinavien lämpar sig ovanligt väl för vattenkraft. Hög nederbörd i kombination med kuperad terräng har gjort att vi under lång tid har kunnat utnyttja åar och älvar för energiproduktion. Först användes vattenkraften i liten skala för lokala behov. Vattenkvarnar byggdes för att mala säd. Vattendragen fick även stor betydelse för metallindustrin. Vattendrivna stångjärnshammare i Bergslagen och Småland försåg landet med smidbart järn från medeltiden fram till 1900 -talet. I dessa tidiga kraftverk användes kraften i vattnet för att driva en process på platsen. Metallindustrin växte fram runt vattendragen där energin fanns. När glödlampor, elmotorer och generatorer utvecklades under 1800 -talet föll det sig naturligt att använda vattenkraft för att producera elektricitet. Det första kraftverket i Sverige var placerat i Rydal vid Viskan och elektriciteten användes för belysning i en spinnerifabrik. Elen räckte för tre båglampor, en tidig typ av lysrör. De stora älvarna byggdes ut under de första årtiondena av 1900 -talet. Sveriges största vattenkraftverk är Stornorrfors i Umeälven som producerar nästan 2,3 TWh per år. Totalt produceras knappt hälften av Sveriges behov av elenergi i våra vattenkraftverk. Miljöproblem med vattenkraft När floder däms upp förändras miljön från att vara ett strömmande vatten till att bli en insjö. Ekosystemet förändras då på ett sätt som gör att de arter som hör hemma i rinnande vatten försvinner medan andra tillkommer. Fiskar som vandrar uppför älvar för att leka hindras och även om de släpps förbi genom laxtrappor blir många av dem slamsor när de passerar turbiner på sin väg tillbaka till havet. Vindkraft I takt med att energipriserna går upp ökar intresset för vindkraften. Nu är vindkraftverken lönsamma även på platser som inte har ett perfekt vindläge. År 2007 producerades ca 1,4 TWh elenergi av svenska verk. Det motsvarar ungefär 1 % av vårt elbehov. Kostnaden för ett vindkraftverk är relativt låg, ca 25 miljoner kronor för ett 2 MW-verk. Det finns därför många små företag inom branschen. I Sverige var ökningen av vindkraftsproducerad elektricitet hela 45 % under 2007. Globalt sett växer vindkraften med 25 % om året. Om tillväxten fortsätter att vara så hög kommer vindenergin att svara för en fjärdedel av världens energiförsörjning år 2030. Det är dock inte rimligt med en fortsatt tillväxt i samma nivå då det blir svårt att producera så många verk. GWh 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Vindkraftsproduktion i Sverige 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Kan vindkraften ersätta kärnkraften? Vindkraftverket till vänster har effekten 2 000 kw (= 2 MW). Energiproduktionen för verket beräknas genom: Energi = Effekt. Tid Tiden som verket går med maximal effekt är ganska liten. Den genomsnittliga effekten motsvarar ca 2 700 h per år med maximal effekt. 2 000 kw. 2 700 h = 5 400 000 kwh 5 400 000 kwh = 5 400 MWh = 5,4 GWh = 0,0054 TWh En kärnkraftsreaktor producerar ungefär 7 TWh om året. 7 TWh 0,0054 TWh 1 300 Ovanför dammen i Trängslet Ovanför dammen varierar vattenståndet med åtskilliga meter. Eftersom stränderna är tillfälliga hinner en normal strandvegetation aldrig växa upp. Österdalälven har här blivit en sjö med ett helt annorlunda ekosystem än det som tidigare fanns i älven. Vindkraftverk med effekten 2 MW Den beräknade produktionen är 5,4 GWh. Det behövs ungefär 13 000 sådana verk i Sverige för att ersätta kärnkraftens elproduktion. Det behövs 1 300 vindkraftverk på 2 MW för att ersätta produktionen från en kärnkraftsreaktor. Vi behöver ungefär 13 000 verk för att ersätta elproduktionen från våra 10 reaktorer. Det motsvarar 50 vindkraftverk per kommun i Sverige (290 kommuner).
138 Energi Energi 139 Geotermisk energi Jordens inre har en mycket högre temperatur än jordskorpans yta. Denna värmeenergi kan användas för uppvärmning och elproduktion. Globalt ökar användningen av geotermisk energi med cirka 4 % per år. Hundra meter under markytan varierar inte temperaturen under året. Genom att leda rör med vätska djupt ned i berget kan energin transporteras upp till ytan och användas för uppvärmning av hus. Eftersom vätskan inte håller mer än måste energin koncentereras. Detta görs i en värmeväxlare som koncentrerar värmen från en stor mängd vätska med låg temperatur till en mindre mängd vätska med högre temperatur. Det går åt 8 000 kwh elektrisk energi för att skapa 24 000 kwh värme. Skulle huset ha värmts med direktverkande elektricitet hade det gått åt 24 000 kwh elenergi. På vissa platser finns varma källor som håller en så hög temperatur att de går att använda direkt för uppvärmning. På Island utnyttjas geotermisk energi för 90 % av all uppvärmning. 1 C 2 C -10 C - Expansionsventiler Varma källor, Azorerna Azorerna ligger vid en gräns mellan två litosfärsplattor. Värmen från jordens inre kommer nära ytan och skapar varma källor som kan användas för uppvärmning. Vattnet i källan på bilden är så varmt att det kokar. När vattnet är så hett kan det även användas för produktion av elektricitet. 0 C 1 Kallt vatten Biobränslen Bioenergi är energi från växter. Ved och biprodukter från skogsindustrin är den stora källan, men även från jordbruket kommer ett stort tillskott i form av energigrödor. Över hela världen försöker man nu ersätta fossila bränslen för att minska koldioxidutsläppen. Sverige har goda möjligheter att öka användningen av biobränslen. I många fall utvinns energin genom direkt förbränning av materialet. Biobränslen kan även omvandlas till andra former av kemisk energi genom tillverkning av etanol, metanol, biogas (metan) eller olika typer av diesel. Uppvärmning Vedeldning var tidigare den stora energikällan för hushållen i vårt land liksom i resten av världen. Numera värms bara en mindre del av alla bostäder i Sverige med ved på det sätt som förut var vanligt. Flis och pellets som framställs av sågspån är den nya tidens vedeldning. Pelletspannor ersätter oljepannor i många villor och huvuddelen av fjärrvärmeverken i Sverige eldas med flis. Även förbränning av hushållssopor bidrar till produktionen av fjärrvärme. Även torv var tidigare ett viktigt bränsle. I skogfattiga delar av Västsverige användes ljungtorv som bildas Torv, ett biobränsle? Torvmossar har i Sverige byggts upp efter istiden. Torven räknas ofta som ett biobränsle. Andra argumenterar för att torv ska betraktas som ett fossilt bränsle eftersom det är lagrat under lång tid och har svag koppling till den årliga omsättningen i ekosystemen. på ljunghedar. Eftersom torvmossar växer långsamt, en millimeter per år, anses de ibland inte vara biobränslen i egentlig mening. Torv bryts i stor skala på vissa platser i landet, men svarar bara för en liten del av den totala energianvändningen. 1 C 3 C 4 C Kompressor Kompressor Kompressor 1 4 60 C 60 C Värmeväxlare Varmt vatten Fjärrvärmeverk Den energi som levereras från våra fjärrvärmeverk är av biologiskt ursprung. Överblivet virke och delar av träd som inte används på annat sätt flisas och bränns. Jordbruksgrödor rötas till metangas (biogas) och bidrar till värmeverkens produktion. Även brännbara sopor eldas på många håll i fjärrvärmeverk. I en värmepump koncentreras energin En värmepump koncentrerar energin från en stor mängd vätska till en mindre mängd genom en värmeväxlare. Vätskan värms nere i berggrunden och är ca när den kommer upp ur berget. Rör med vätskan som hämtat energi ur berget leds tätt intill rör med vätska som rör sig i motsatt riktning. Genom denna motströmsprincip kan maximalt med energi ledas över till vätskan inne i värmeväxlaren. Genom kompression ökas temperaturen på vätskan. Värmeväxlingen upprepas så att vätskan får ännu högre temperatur. I sista steget värms vatten som sedan används i bostaden.
140 Energi Energi 141 Drivmedel En stor utmaning är att hitta ersättning för fossila fordonsbränslen. I takt med att oljan blir dyrare kommer nu nya bränslen fram. Dieselersättning finns av flera typer och framställs av både skogs- och jordbruksprodukter. För att ersätta bensin används idag främst etanol. Redan nu (2008) ingår 5 % etanol i vanlig bensin i Sverige. I USA är andelen oftast 10 %. Om större andel etanol än 15 % tillsätts måste motorerna anpassas. Blandningen E85 innehåller 85 % etanol och 15 % bensin. Skog Ved Sågspån Svartlut Etanol Etanol kan framställas genom jäsning av spannmål eller skogsråvara. En stor andel av den etanol som används i världen görs i Brasilien med sockerrör som råvara. Sverige kan under 2008 tillverka etanol som motsvarar cirka 3 % av bensinbehovet. Man beräknar att en hektar åkermark kan producera ungefär 2 m 3 etanol. För att få fram etanol som kan ersätta all bensin och diesel som nu används av svenska fordon behövs mer åkermark än vad vi har tillgång till. Problemet med drivmedel måste lösas genom en kombination av åtgärder. Råvaror Förädling Slutprodukt Förgasning Bildning och vidareförädling av CO och H 2 Metanol Vätgas FTD Fischer-Tropsch Diesel DME dimetyleter Biogas Biogas är metangas som produceras av vissa bakterier när de bryter ned biologiskt material utan tillgång på syre. Metanet framställs genom rötning av sopor, jordbruksprodukter och gödsel. Redan nu produceras gas på många soptippar runt om i Sverige. Gasen kan användas för uppvärmning, elproduktion och som drivmedel i motorfordon. Biogas kan användas i alla sammanhang där man nu utnyttjar fossil naturgas. Biodiesel Diesel är ett viktigt bränsle för transporter och jordbruk. Lastbilar, bussar och transportfartyg använder diesel, liksom i stort sett alla arbetsfordon som traktorer, grävmaskiner och lastare. Ersättning för fossil diesel kan framställas ur de flesta organiska produkter. Rapsmetylester, RME, framställs ur rapsolja och metanol. DME står för dimetyleter och är ett bränsle som kan framställas genom förgasning av många olika biobränslen. Dieselmotorer måste anpassas för att kunna köras på DME eftersom det är en gas. FTD är förkortningen för Fischer-Tropsch Diesel. Produktionen sker genom en serie steg: 1. 2. 3. 4. Förgasning av organiskt material (biomassa) till kolmonoxid och vätgas Rening av gasen för att minska svavelutsläppen och få en renare förbränning av den färdiga produkten Tillverkning av konstgjord råolja genom Fischer-Tropsch-syntes Dieseltillverkning Troligen kommer detta att vara det viktigaste sättet att ersätta fossil diesel i framtiden. Det första steget i processen, förgasningen, är för närvarande det enda som inte fungerar helt tillfredsställande för att få ekonomi i produktionen. Jordbruk Spannmål Raps Halm Gödsel Jäsning Kolhydrater bryts ned av jästsvamp under syrefria förhållanden Rötning Kolhydrater bryts ned av bakterier under syrefria förhållanden Esterisering Bildning av estrar Etanol Metangas RME Rapsmetylester Biobränslen som drivmedel Alla biologiska råvaror kan förädlas för att användas som bränsle i fordon. Kolhydratrika produkter som potatis och sockerbetor kan både jäsas för etanolframställning och rötas för produktion av metangas. Rapsolja används för att genom esterisering framställa RME. Skogsråvara kan användas på samma sätt, men anses ha den största potentialen via förgasning. Svartlut är en restprodukt från framställning av pappersmassa. Energiskog Planteringar av snabbväxande pil (Salix) kan ge ett bidrag till Sveriges energiförsörjning. Buskarna brukar skördas efter tre till fem år. Energiskog används oftast till flis som eldas i fjärrvärmeverken, men skulle även kunna utnyttjas vid framställning av drivmedel för fordon.
142 Energi Energi 143 Kan etanol ersätta bensin? Energibalans- ett viktigt begrepp Vid framställning av biobränslen är det viktigt att man räknar på energiåtgången för att tillverka bränslet. Det är orimligt att tillverka en liter bränsle om det går åt två liter för att göra det. Energibalans är kvoten mellan det tillverkade bränslets energiinnehåll och den energi som förbrukats vid tillverkningen. Energikvoten 1,0 innebär att man får ut lika mycket energi som man tillför under processen. Ju högre energikvoten är desto bättre är det. Olika studier visar att etanolframställning från spannmål har en energikvot på mellan 1,1 och 5. Typ av bränsle Energikvot Bensin 6,7 Etanol från vete (Sverige) 1,7 Etanol från majs (USA) 1,1 Etanol från sockerrör (Brasilien) 3,6 Etanol från energiskog (Sverige) 2,4 Energi för energi Etanol har kritiserats som fordonsbränsle då det krävs mycket energi vid framställningen. För att framställa 10 liter majsetanol kan det gå åt energi motsvarande 9,3 liter etanol. Behovet av drivmedel I Sverige finns 4,4 miljoner personbilar. Utöver dessa finns bortåt en halv miljon lastbilar och 325 000 traktorer och arbetsfordon av olika slag som drivs med diesel. År 2005 användes 5 390 000 m 3 bensin och 3 590 000 m 3 diesel för transporter i Sverige. Det motsvarar 85 TWh (85 miljarder kwh) energi. Odlingsbar mark Totalt finns 2,7 miljoner hektar åkermark i Sverige. Hur mycket bränsle i form av etanol eller biodiesel som kan produceras är osäkert eftersom man kan räkna på olika sätt. Flera analyser visar dock att vi behöver mer åkermark än vad som finns för att framställa tillräckligt med fordonsbränsle. Bränsle Energiinnehåll kwh/kg Bensin 12,0 Diesel 11,9 Etanol 7,3 Jämförelse av energiinnehåll Vid beräkningar måste man ta hänsyn till att energiinnehållet i etanol är lägre än för samma massa av bensin eller diesel. Räkneexempel En normal veteskörd ger ungefär 5 ton per hektar. Det går åt 3 ton vete för att tillverka ett ton etanol. Vid tillverkningen förbrukas energi motsvarande 580 kg etanol. Det innebär att man bara får ut 420 kg etanol av 3 ton vete. På en hektar åkermark får man fram 700 kg etanol som kan användas i fordon. På de 2,7 miljoner hektar åker vi har i Sverige kan man maximalt producera 1,89 miljarder kg etanol. För att få fram 85 TWh behövs 11,6 miljarder kg etanol. Om vi använder all åkermark i Sverige kan vi få fram ca 16 % av den etanol vi behöver. Skog Cellulosa från trä kan användas för etanolproduktion precis som biomassa från jordbruket. Totalt skördas drygt 80 miljoner m 3 ved varje år i Sverige. Energiinnehållet i veden varierar mellan 2 000 och 2 700 kwh/m 3 för olika trädslag. 80 miljoner kubikmeter ved innehåller mellan 160 och 216 TWh. För att producera drivmedel med energiinnehållet 85 TWh skulle vi behöva ett utbyte på ca 50 %, dvs. en energikvot på 2. En så effektiv process har vi inte tillgång till. Även om vi teoretiskt sett skulle kunna få fram energi för vårt nuvarande transportbehov, så skulle det ske på bekostnad av viktiga exportintäkter från skogen. Endast en del av skogen kan av ekonomiska skäl utnyttjas för produktion av drivmedel. Framtidens energiförsörjning I ett hållbart samhälle måste energiförbrukningen baseras på förnybara energikällor. Omställningen kommer att ta tid med tanke på att världen nu får nära 90 % av energin från naturgas, olja, kol och kärnkraft. Efterfrågan på energi ökar i takt med att fler länder industrialiseras. Hur kan Sveriges energiförsörjning se ut i framtiden? Vårt behov av energi kan grovt indelas i följande områden. Framställning av elektricitet Uppvärmning av byggnader Transporter Elektricitet Sveriges elproduktion baseras i ovanligt låg grad på fossila bränslen. Vi har i stället en högre andel vattenkraft och kärnkraft än de flesta länder. Kärnkraften måste på sikt ersättas med förnybara energikällor. Det finns flera tänkbara alternativ till kärnkraft och omställningen bör vara genomförbar utan stora problem. För närvarande sker en mycket snabb utbyggnad av vindkraften i Sverige. Under 2007 var ökningen 45 %. För att ersätta elen från samtliga kärnkraftverk behövs i genomsnitt 50 vindkraftverk i varje kommun. Vågkraftverk längs kusten kan också få ökad betydelse. Uppvärmning Av den olja Sverige importerar används 12 % till uppvärmning av bostäder och andra byggnader. Andelen minskar i takt med att allt fler hushåll går över till andra alternativ, ofta biobränslen eller jordvärme. Distribution av värme i tätorter sker i många kommuner genom fjärrvärme. Fjärrvärmeverken eldas mest med sopor, flis och andra biobränslen. Solvärmeanläggningar kan användas av enskilda villor, men också kopplas till fjärrvärmenäten. Det finns goda möjligheter att vi snart är helt oberoende av fossila bränslen för uppvärmning. Mer energieffektiva hus kommer troligen att minska energibehovet per hushåll i framtiden. Transporter Transporter bygger idag till mycket stor del på fossila bränslen. För närvarande används 73 % av oljan till olika typer av fordon. Flyg, vägtrafik och båtar är beroende av olja. Biltillverkarna arbetar med att få fram bilar som inte drivs med bensin och det finns redan ett antal modeller av miljöbilar. Om biobränslen ska ersätta all bensin och diesel i Sverige kommer det att innebära problem med minskade exportinkomster från skogsbruket. En trolig utveckling är att bensin och diesel kommer att ersättas med flera alternativ. Vi kan komma att få olika varianter av hybridbilar som drivs med el och ett eller flera biobränslen. Under en övergångsperiod kommer det att vara vanligt med blandningar av fossila bränslen och biobränslen. Ett lovande alternativ på längre sikt är bränsleceller som alstrar elektricitet av vätgas. Experimentbilar av denna typ finns redan, men är fortfarande för dyra för storskalig tillverkning. Vätgasen kan man få fram genom att sönderdela vattenmolekyler med hjälp av elektricitet. En framtidsvision är att ökenområden i Nordafrika täcks med solceller som alstrar elektricitet. Elen används för produktion av vätgas som sedan utnyttjas som fordonsbränsle. Vatten H₂O Elektrolys El från solceller Vätgas H₂ Vatten H₂O Syrgas O₂ Bil med bränslecell Vätgas som bilbränsle Elektrolys delar upp vattenmolekyler i vätgas och syrgas. Vätgasen kan användas i bilar som drivs med bränsleceller och elmotorer.