Det Globala Energisystemet Sommarkurs, Föreläsning 1: Vad är energi? Ångströmlaboratoriet, Uppsala, 2012-06-08 Dr Mikael Höök, universitetslektor Globala Energisystem, Uppsala Universitet
Energi? Många är bekanta med ordet eller konceptet Förknippas ofta med kraft, möjlighet, förmåga eller potential Rent naturvetenskapligt definieras energi som förmågan att utföra fysikaliskt arbete (och därmed påverka den fysiska verkligheten) Arbetet vara nyttigt eller onyttigt för människan
Energi är centralt! Av energins definition följer: Utan energi blir ingenting gjort! Energi är oersättligt och helt enkelt den resurs som möjliggör allt annat Energi är därmed centralt för allt i verkligheten så väl som i samhället
Studera energi? Ett bra ramverk behövs för att kunna förstå, beskriva och hantera energi Finns det bra verktyg för detta?
Termodynamik Läran om energi kallas termodynamik Speciellt studeras där energins olika former och hur den kan omvandlas Energikonceptet började studeras vetenskapligt på 1600-talet då man började överge de gamla grekernas (främst Aristoteles) tankar om världen Idag är termodynamiken en oerhört viktig pelare inom naturvetenskapen
Enheter för energi Man måste ha en bra måttenhet för mäta energi Energi mäts ofta i enheten Joule [J] enligt standarden Finns även en rad andra enheter som används
Andra energienheter 1 kilowattimme [kwh] 1 kalori [cal] 1 brittisk termisk enhet [Btu] 1 fat oljeekvivalenter 1 ton oljeekvivalenter [toe] 1 Newtonmeter [Nm] 1 elektronvolt 3 600 000 J 4.18 J 1055 J 6 120 000 J 42 000 000 000 J 1 J 1.602*10 19 J
Effekt och Energi Dessa är två helt olika saker Effekt är energi per tidsenhet Effekt mäts i enheten Joule/sekund [Watt, W] Vanligt fel att blanda ihop dessa två, men det kan få förödande konsekvenser i verkligheten
Effekt * Tid = Energi Energi produceras/konsumeras bara om effekten får arbeta en viss tid En 2 MW vindturbin ger ingen som helst energi när det inte blåser En 2000 W hårtork konsumerar ingen energi om den används under 0 sekunder
Former av energi? Ett centralt begrepp är olika former av energi Energin kommer nämligen i många olika sorters förpackningar Några vardagliga exempel är rörelseenergi, värme och kemisk energi Mer exotiska energiformer finns också så som elektricitet och bindningsenergi i atomkärnor
Mer energiformer 1. Elektromagnetism 2. Kemisk potential 3. Kärnenergi 4. Arbete (ordnad rörelse) 5. Värme (oordnad rörelse) 6. Lägespotential
Nyttig respektive onyttig energi Vad som är nyttigt beror lite på vad man efterfrågar Oftast vill man ha ut arbete i någon form, det vill säga en ordnad rörelse, för att åstadkomma något Energi blir ordnad rörelse kallas ibland exergi Onyttig energi är den energi som inte går att omvandla till ordnad form, den kallas ibland entropi
Energi är även massa Einstein fann ett samband som visade att massa är en form av energi E = mc 2 Där E är energi [J], m motsvarar massan [kg] och ljushastigheten i vakuum [m/s]
Mer om massa till energi m = 1 kg c = 299 792 458 m/s (~300 000 000 m/s) E = mc 2 = m*c*c 9.0 10 16 J Ett kilo innehåller alltså 25 000 000 000 kwh, vilket räcker till att driva ett normalt enfamiljshus cirka 2.5 miljoner år Svårt att genomföra omvandlingen i praktiken bara
Massa till energi Solen omvandlar runt 4 miljoner ton massa till strålningsenergi varje sekund Samma princip används i kärnkraftverk och olika typer av kärnvapen
Allt är energi!!! Allt från de universums minsta byggstenarna till det som håller samman allt är energi i olika former Energi är centralt för allt, inte minst det mänskliga samhället
Termodynamikens första lag Energin i ett system är alltid bevarad Energin kan inte förintas eller skapas, utan bara byta form (Dock ska man vara lite noga med vart systemgränserna ligger)
Energins omvandlingar Energi kan aldrig förstöras eller skapas, den kan bara omvandlas mellan olika former Dock är vissa former inte så önskvärda
Omvandlingar är viktiga Människokroppen omvandlar kemisk energi i maten till värme och muskelarbete för att överleva Bensinmotorer omvandlar kemisk energi i bränslet till mekaniskt arbete på drivaxeln Kärnkraftverk omvandlar nukleär bindningsenergi till elektrisk energi Vindkraftverk omvandlar luftens rörelseenergi till elektrisk energi
Turbiner & generatorer Turbin Omvandlar rörelsenergi hos vätskor/gaser till mekanisk rotationsenergi Generator Omvandlar rotationsenergi till elektrisk energi genom elektromagnetisk induktion
Vattenkraftverk Lägesenergi rörelseenergi elektrisk energi
Hastigheten på omvandlingar För praktiska tillämpningar är omvandlingshastigheten viktig En del är långsamma Andra kan gå mycket fort Vissa kan kontrolleras medan andra är mycket svåra att hantera på ett bra sätt
Termodynamikens andra lag Oordningen efter varje process måste öka Värme (oordnad rörelse) kan inte fullständigt konverteras till arbete (ordnad rörelse) Mängden nyttig energi som kan utföra arbete minskar vid varje konvertering Processer går bara naturligt åt ett håll
Andra huvudsatsen mer visuellt
Vardagliga exempel Is som smälter (ordnad kristaller oordnad vätska) Rum som blir stökiga (ordning kaos) Diffusion och osmos (koncentrationsutjämning)
Förluster vid omvandlingar Andra huvudsatsen medför att andelen energi som kan ombildas till nyttigt arbete alltid blir mindre än den energimängd man stoppade in Andelen som blir nyttig brukar beskrivas med den termodynamiska verkningsgraden, η η = (nyttigt arbete) / (instoppad energi)
Förluster i motorer 1 kwh (Bränsle med hög ordning) 0.3 kwh (Ordnat arbete) 0.7 kwh (Spillvärme med hög oordning)
Vattenkraftverket igen Lägesenergi rörelseenergi elektrisk energi Vatten vattenturbin generator nyttig el Systemverkningsgrad: 1 x 0.90 x 0.95 = 0.855
Typiska verkningsgrader Bensin/dieselmotor, ~20-30% Elgenerator, 95% Människans ämnesomsättning, ~40% Kommersiella solceller, ~20% Kärnkraftverk, ~30% Vindturbin, maximalt 59.7%
Konsekvenser av Huvudsats 2 (Nyttig) energi är inte återvinningsbar Mängden energi som kan utföra nyttigt arbete minskar vid varje konvertering Arbete är en icke-förnybar resurs (Andra Huvudsatsen är en sann glödjedödare!)
Energisystem
Vad är ett energisystem? Det är ett system som hanterar energi från något ställe och omvandlar den till något som efterfrågas av någon aktör Världen innehåller många energisystem av varierande storlek En del är baserade på kol, andra på biomassa, vissa på förnybar energi och andra på kärnkraft
Energisystemets delar
Primärenergi Primärenergi avser energin som förekommer i naturen och som inte har utsatts för någon omvandling Avser exempelvis energin i råa bränslen samt inkommande energi från solen Konceptet används mycket inom energistatistik och kan appliceras på både icke-förnybara och förnybara energikällor
Några primärenergikällor Biomassa Fossila bränslen Geotermisk energi Vattenkraft Kärnbränslen (uran & torium, men ej plutonium) Solenergi Tidvatten- och vågkraft Vindenergi
Olika typer av primärenergi Flöden Sol Vind, vatten, vågor Geotermi Fonder Biomassa Torv (beror på!) Önskvärda egenskaper: Flexibel effekt Låg kostnad Enkel hantering Liten miljöpåverkan Lager Kol Olja Naturgas Uran & kärnbränslen
Konvertering till sekundär energi Primärenergi är ofta opraktisk att hantera för mänskliga göromål Därför konverteras och omvandlas den till en form som är mer praktisk att använda Detta kallas sekundär energi inom energistatistik Typiska sekundära energislag är elektricitet och raffinerade bränslen
Sekundär energi = Energibärare Agerar som en sorts mellanhand mellan primärenergin och slutanvändningen De lagrar/transporterar energi istället för att vara några egentliga energikällor De kallas även energibärare
Önskvärda energibärare Hög energidensitet (per volym och vikt) Verkningsgrad Lagringsbarhet Transporterbarhet Säkerhet Renhet
Några energibärare Finns i många former för olika behov Kolbriketter Elektricitet Jetbränsle Vätgas Huggen ved
Källa: IEA Vad gör raffinaderierna?
Energitjänster Samlingsnamn för nyttigt arbete Olika tjänster kräver olika energiformer Några exempel följer: Uppvärmning, Kylning, Belysning, Mekaniskt arbete, Transport
Varför äter vi? Temperaturen 37º C behövs för att kroppens kemiska processer ska fungera som de ska Musklerna behövs för att kunna uträtta fysiskt arbete, även om denna tjänst numera ofta ersätts med maskiner och verktyg Vissa energitjänster kan ersättas, andra inte
Skillnad på tjänst och tjänst Skyfflar några hundra kg kol på en dag Skyfflar ~400 000 000 kg kol på en dag
Energitjänster ger komfort Att värme 1 kg vatten med 1 ºC kräver ~ 4.18 kj Varmvatten och varma duschar kräver därmed en hel del energitjänster för att vara möjliga Med värmeenergins tjänst Utan värmeenergins tjänst
Andra viktiga energitjänster Transporter Tillverkning och förädling Kommunikation Skydd från miljö och hot Mycket annat
Energi energitjänster En timmes solinstrålning räcker för världens årliga energianvändning Förvisso helt sant, men vi behöver inte primärenergin utan specifika energitjänster Energi som inte kan omvandlas till energitjänster är inte vad mänskligheten behöver
Energi för samhället Samhället efterfrågar främst två typer av energi Elektricitet Värme
Varför dessa två? Värme är enkelt att producera och behövs för komfort Värme kan också omvandlas till mekaniskt arbete i värmemotorer (mer om dem senare) Elektricitet är svårare att producera, men kan överföras över långa avstånd samt omvandlas till alla andra former av energi med hög verkningsgrad Elektricitet är mycket flexibelt
Länders olika energisystem Hur ser olika nationella och regionala energisystem ut? Vilka lösningar har valts? Hur ser hela världens energiförsörjning ut?
En noggrannare vy över Sverige Energimyndigheten tillhandahåller detaljerad information om det svenska energiläget Likaså har vi alla relativt god insyn och bekantskap med det svenska energisystemet Sverige får därför tjäna som ett närmare exempel
Källa: Energiläget 2009 Sveriges energibalans: tillförsel
Källa: Energiläget 2009 Sveriges energibalans: energibärare
Källa: Energiläget 2009 Sveriges energibalans: slutlig användning
Några nationella exempel Många länder har helt olika energisystem med tillhörande problem Lösningar och problem för ett enskilt land behöver inte vara relevanta för ett annat God analysförmåga och kunskap om de nationella förutsättningarna är viktigt
Källa: IEA Sverige
Källa: IEA Norge
Källa: IEA Island
Källa: IEA Frankrike
Källa: IEA Ryssland
Källa: IEA USA
Brasilien
Källa: IEA Kina
Källa: IEA Afrika
Det globala perspektivet Hur ser världens energisystem ut? Vilka energikällor dominerar?
Det globala energisystemet Världens totala energiproduktion motsvarar 12 267 miljoner ton oljeekvivalenter (Mtoe), Där den fossila andelen är 81.2% eller 9961 Mtoe. Källa: IEA
Vind och sol är helt försumbara i världens energiförsörjning Källa: IPCC (2011) The Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation
Fossil energi dominerar Världen är extremt beroende av fossil energi Fyra femtedelar av all energi mänskligheten får kommer från fossila bränslen Globala energifrågor är därmed starkt kopplade till den fossila energin I denna kurs ska vi kolla närmare på främst fossil energi, men även de övriga delarna av världens energiförsörjning och dess betydelse
Källa: IEA Världens elförsörjning
Även elen är främst fossil Två tredjedelar av världens elförsörjning kommer från fossila energikällor Genom elektriciteten sträcker sig den fossila energin i nästan alla delar av det moderna samhället Vi ska titta närmare på detta längre fram i kursen
Sammanfattning Energi är förmågan att påverka verkligheten Omvandlingar till nyttig energi är vitalt Energisystemen består av ett antal energikällor, energibärare och energitjänster Världens nuvarande energisituation domineras av den fossila energin
Tack för uppmärksamheten! Läs mer om forskningen här: Globala Energisystem: http://www.fysast.uu.se/ges/ ASPO: http://www.peakoil.net eller http://www.asposverige.se