Energibalans för kroppen, jorden och samhället Fysikdagar Karlstad 7oktober 2010 Mats Areskoug Energibalans för kroppen, samhället och jorden. Energiprincipen säger att energi är oförstörbar och inte kan skapas. Jag visar exempel på energibalans för kroppen och för jorden, samt diskuterar om samhällets energibehov och energitillförsel kan vara förenliga med en hållbar utveckling. 1 2 Kroppens omvandling av materia och energi 3 4 Koldioxidhalt (ppm) Vi mäter Temperatur ( o C) Luftfuktighet (%) Syrehalt (%) Mätresultaten 5 7
Jämförelse med 100 W lampa Förbränning 100 W lampa Kropp Sker i Kroppen Brasan Bilmotorn etc Kol och väte förenar sig med syre Det bildas koldioxid och vattenånga Energi frigörs 8 9 Respiration, förbränning, förmultning koldioxid + vatten Kroppens energibehov per dygn 100 W = 100 J/s På ett dygn blir energibehovet 100. 3600. 24 J = 8,6 MJ = 2100 kcal Bränsle eller föda + syre 12 15 Sammanfattning, Kroppens energibalans Energiomvandlingen motsvarar effekten 100 W Jorden i energiflödet från solen Koldioxidhalten ökar med c:a 1000 ppm på 5 minuter i 1 kubikmeter luft 174 000 174 000 0,3 11 2 0,002 0,9 16 Energiflöden i terawatt, TW 17
Effekt per person Teknisk effekt (samhället: uppvärmning, transporter, industri): 14 TW =14 000 000 000 000 W Antal människor på jorden: 7 miljarder = 7 000 000 000 14000000000000 Teknisk effekt per person: W = 2000 W 7000000000 Koldioxidhalt / ppm 400 390 380 370 360 350 340 330 320 Koldioxidhalt i atmosfären Koldioxidhalt i atmosfären Biologisk effekt (kroppen): 100 W 310 300 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Tid / år 18 29 Koldioxid på gott och ont Fotosyntesen koldioxid + vatten Socker + syre Växten omvandlar sockret vidare till kolhydrater, proteiner, fetter. 30 31 Koldioxidhalt i atmosfären 400 ppm Atmosfärens tjocklek är 10 000 m 400 miljondelar motsvarar 4 meter 4 meter CO 2 32 33
Tillförselperspektiv Användarperspektiv Energi till vad? Energitjänster Primära energikällor Energi Energitjänster 34 35 Energitjänster Vi har behov av bekvämligheter och tjänster, som energin kan utföra - energitjänster Mat Lagom temperatur Bra belysning Tillredning o förvaring av mat Resor o transporter Tillverkning av varor Information o kommunikation Uppvärmning Energi behövs för att Höja temperaturen Ersätta värme som förloras genom väggar o fönster 36 37 Passivhus Resor och transporter Med tillräckligt bra isolering behövs ingen energi för att hålla temperaturen konstant Köp huset uppvärmt, sen behöver du aldrig elda. Passivhus: klarar sig på värme från människor och hushållsapparater. 100 000 km/h 38 Ingen energi behövs för att resa med konstant fart 39
Energi behövs för att Övervinna friktion Övervinna luftmotstånd Öka farten Energi för transporter Kör bil som du cyklar! Välpumpade däck (litet rullmotstånd) Lagom fart (litet luftmotstånd) Släpp gasen i stället för bromsa (tag vara på rörelseenergin) 40 41 Sveriges energianvändning Energihushållning på olika sätt Likvärdig energitjänst på alternativt sätt (ändrat semestermål, varmare tröja, åk kollektivt ) Effektivare energianvändning (lågenergilampa, ecodriving, energisnåla fönster ) Energiåtervinning (värmeåtervinning, hybridbil ) Ingen onödig energi (standby, varmvattenskran ) Välj energislag (förnybar energi eller ändliga resurser) Ingen onödig energikvalitet (solvärme till varmvattnet, el till datorn) Med dessa metoder kommer man långt. Sist kommer: Snåla (kallare, färre resor, mindre shopping ) 42 43 Energihushållning Individens val Vanor, ideologi och pengar Samhällets styrmedel Skatter, miljöbilsspremie, biltull, statsbidrag till solfångare Företagens vägval Bensinbolag satsar på solceller Primära energikällor Energi Energitjänster Tillförselperspektiv Användarperspektiv 44 45
Hållbar utveckling En utveckling som tillfredsställer våra behov utan att äventyra kommande generationers behov Resursperspektiv Utsläppsperspektiv Naturresurser Energi Utsläpp Primära energikällor Tre vägar för energiframtiden Fossilenergi Kol Olja Fossilgas Förnybar (flödande) energi Solenergi Geotermisk energi Gravitation (tidvatten) Kärnenergi Fission Fusion Solvärme Solel Värme från luft, mark och vatten Vattenenergi o vindenergi Bioenergi 46 47 Miljökonsekvenser, energi Sveriges energitillförsel Fossilenergi Klimatpåverkan (växthusgasen koldioxid) Försurning Hälsofarliga utsläpp Kärnenergi Radioaktivt avfall Olyckor med radioaktiva utsläpp Förnybar (flödande) energi Estetiskt Stora markytor utnyttjas Olycksrisker 48 49 Respiration, förbränning, förmultning koldioxid + vatten Bioenergi Bränsle eller föda + syre 50 52
Fotosyntesen koldioxid + vatten Förbränning: den bundna energin frigörs (ofta som värme) Fotosyntes: solenergi binds mellan atomerna i sockermolekylen koldioxid + vatten Socker + syre Växten omvandlar sockret vidare till kolhydrater, proteiner, fetter. 53 Socker + syre 54 Hantering av biobränsle kan medföra utsläpp Biobränsle är (i sig själva) koldioxidneutrala för atmosfären Återställer den koldioxid som växten bundit genom fotosyntesen Jordbruks- o skogsmaskiner Konstgödning Bekämpning Transporter Förädling Försäljning 55 56 Fjärrvärmeproduktion Solvärme 57 58
Solfångare med lagringstank Temperaturer i experimentsolfångare 70 60 Vattentemperatur o / C 50 40 30 20 Vatten ut Vatten in Vattentank 10 59 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tid / h 60 Solfångarens vekningsgrad Vakuumsolfångare små värmeförluster från absorbatorplåten 62 64 Vakuumsolfångare 66 Sol-el 9 Solel Mats Areskoug, Malmö högskola 89
Sol-el i Malmö Dalmatinerbanan - en modell för energiomvandlingar i solcellen 90 91 Dalmatinerbana - rulltrappa upp, rutschkana ned Solcell fotonenergi upp, strömkrets ned 93 9 Solel Mats Areskoug, Malmö högskola 94 Solcellsdrivna leksaker Solceller, elenergi per månad Solceller Orkanen 2009 200 Elenergi per månad (kwh) 150 100 50 Elenergi per månad (kwh) 0 95 januari februari mars april maj juni juli Tid (datum) augusti september oktober november december 96
Solceller, elenergi per dag Tack för uppmärksamheten Solceller Orkanen 2009 Elenergi per dag (kwh) 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Staplar: Elenergi per dag (kwh) Kurva: Elenergi totalt (kwh) 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Elenergi totalt (kwh) Mats Areskoug (Karlstads kommuns logotyp) 2009-01-01 2009-02-01 2009-03-01 2009-04-01 2009-05-01 2009-06-01 2009-07-01 2009-08-01 Tid (datum) 2009-09-01 2009-10-01 2009-11-01 2009-12-01 2010-01-01 97 105