9789144092669 by Smakprov Media AB

Jon-Erik Dahlin |

Jon-Erik Dahlin är teknologie doktor i fusionsplasmafysik och lärare vid KTH med en bakgrund inom hållbar energiteknik. Under sin karriär har han arbetat med bland annat fusionskraft och förnybar energi. Han har även bidragit till den högskolepedagogiska utbildningen av lärare, där han har tränat lärare på KTH i att integrera hållbar utveckling i enskilda kurser och hela utbildningsprogram.

Hållbar utveckling – en introduktion för ingenjörer

Hållbar utveckling – en introduktion för ingenjörer Vardagen för olika ingenjörer kan se väldigt olika ut, men den klassiska bilden av ingenjören är densamma: problemlösaren och möjlighetsskaparen. Ingenjören ser hur man kan förändra det vi gör i dag så att världen kan bli lite bättre. Och det är precis detta som hållbar utveckling handlar om – att hitta och genomföra ständiga förbättringar, överallt i samhället, som bidrar till ett bättre liv för alla. Den här boken vänder sig till studenter som ska bli ingenjörer och till ingenjörer som vill lära sig mer om de utmaningar vi står inför i dag. Boken introducerar begreppet hållbar utveckling och diskuterar hur teknik kan bidra till en hållbar eller en ohållbar utveckling. Men författaren går även vidare och diskuterar perspektivfrågan, olika tankeparadigm och vikten av reflektion och diskussion för att nå pragmatiska lösningar på svåra värderingsproblem. Boken innehåller exempel på möjliggörande teknik, instuderingsuppgifter och diskussionsfrågor. ”Från problem till möjlighet. Så kan omvärldens syn på oss ingenjörer beskrivas under en 30–40-årsperiod. Teknisk utveckling är en väldigt stark kraft. Men utveckling är ett hantverk. Tuffa krav kommer att resas och olika lösningar måste därför prövas. Resultatet kommer om enskilda individer och grupper får möjlighet att delta i denna utveckling. Vi ska ha med oss en insikt om utmaningarnas storlek och det ska vara en viktig drivkraft. Denna kan under rätt förutsättningar omvandlas till viktiga framsteg, men helt avgörande för detta är goda kunskaper i både helhet och detaljer. Denna bok är en utmaning men också en möjlighet för dig att ge ditt bidrag till en mer hållbar värld. Ingenjörer är helt avgörande. Lycka till med din uppgift.”

Hållbar utveckling

– en introduktion för ingenjörer

Peter Larsson, samhällspolitisk direktör för Sveriges Ingenjörer Art.nr 37770

www.studentlitteratur.se

978-91-44-09266-9_Cover.indd 1

Jon-Erik Dahlin 2014-08-08 11:35

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 37770 ISBN 978-91-44-09266-9 Upplaga 1:1 © Författaren och Studentlitteratur 2014 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Sättning: Blå Huset Omslagslayout: Jens Martin/Signalera Omslagsbild: Nuon Solar Team, Hans-Peter van Velthoven. Creative Commons CC BY-SA 2.0 (Flickr). Bilden har modifierats. Bilden visar hur ett av lagen i World Solar Challenge firar efter målgång med sin solenergibil. World Solar Challenge är en teknikdesigntävling för att hitta världens mest effektiva elbil, och syftar till att inspirera begåvade unga människor att ta itu med svåra utmaningar för att bidra till en hållbar utveckling. Författarfoto: Melissa Ovsiannikow Printed by Specialtrykkeriet A/S, Denmark 2014

978-91-44-09266-9_book.indd 2

2014-08-10 20:26

INNEHÅLL

Författarens förord 7 Förord av Peter Larsson 10 1 Introduktion till hållbar utveckling 13

1.1 Varför ”hållbar utveckling”? 14 1.2 Ingenjörers roll för hållbar utveckling 17 1.3 Dimensioner av hållbarhet 21 1.4 Hållbarhet och förnybarhet 23 1.5 Dilemman inom hållbarhet 24 Exempel: Peepoople – engångstoalett för fattiga i nöd 28 Diskutera 29 Instuderingsuppgifter 30 2 Fysiska resurser och komplexa system 33

2.1 Växande befolkning och ökande konsumtion – ett modellexempel 35 2.2 Fysiska resurser 38 2.3 Naturresurser 40 2.4 Grundläggande systemlära 44 Exempel: Umeå Energi – algodling för biobränslen 49 Diskutera 50 Instuderingsuppgifter 51 3 Energi 53

3.1 Vad är energi? 54 3.2 Termodynamik 57 3.3 Primärenergiresurser 63 3.4 Energibärare och energianvändning 65 3.5 Elproduktion 68 3.6 Energisystem 79 Exempel: General Fusion – energi från fusion 83 Diskutera 84 Instuderingsuppgifter 85 © F ö r f a t t a r e n o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09266-9_book.indd 3

2014-08-10 20:26

Innehåll

4 Hållbarhetens gränser 89

4.1 Systemgränser för hållbarhet 91 4.2 Planetens gränser 93 4.3 Sociala gränser 103 4.4 Ekonomiska gränser 105 Exempel: Orbital Systems – den supersnåla rymdduschen 111 Diskutera 112 Instuderingsuppgifter 113 5 Jordens klimat 117

5.1 Jordens ”sfärer” 118 5.2 Strålningsbalans 123 5.3 Växthuseffekten 125 5.4 Att mäta och förutse klimatet 127 5.5 Klimatförändringar 132 Exempel: Tesla Motors – moderna elbilar med hög prestanda och lång räckvidd 135 Diskutera 136 Instuderingsuppgifter 137 6 Teknikens roll 141

6.1 Generella möjliggörande teknologier 142 6.2 Teknikrevolutioner 143 6.3 Kraften hos god design 144 6.4 Innovationsprocessen 145 6.5 Hållbar tillverkning 147 6.6 Hållbar hantering av material 150 6.7 Rebound 156 Exempel: Dakki – resurssnål renovering av fastigheter 158 Diskutera 159 Instuderingsuppgifter 161 7 Att mäta hållbar utveckling 163

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Vad som kan mätas 164 Ingenjörsmässigt tänkande 166 Datainsamling 167 Modeller 169 Livscykelanalys 175

978-91-44-09266-9_book.indd 4

2014-08-10 20:26

I nnehåll 5

7.6 Hållbarhetsindikatorer 179 7.7 Backcasting 180 Exempel: Kyab – realtidsmätning och visualisering av energianvändning 181 Diskutera 182 Instuderingsuppgifter 183 8 Perspektiv på hållbar utveckling 185

8.1 Åsikter och värderingar 187 8.2 Idéernas styrka 191 8.3 Beslutsprocesser 195 8.4 Nationella perspektiv 199 Exempel: Oricane – grönare IT med innovativ programvara 202 Diskutera 203 Instuderingsuppgifter 205 9 Hållbart företagande 207

9.1 Hur lönsam är hållbar utveckling? 208 9.2 Verktyg för hållbart företagande 210 9.3 Cleantech 214 Exempel: Ekoprint – påfyllning av skrivarpatroner 216 Diskutera 217 Instuderingsuppgifter 217 10 Hållbar samhällsutveckling 219

10.1 Sveriges miljömål 221 10.2 FN:s millenniemål 223 10.3 Styrmedel 226 10.4 Hållbara städer 231 Exempel: MELISSA – livsuppehållande system för rymden ger bättre miljö på jorden 232 Diskutera 233 Instuderingsuppgifter 234 Referenser 235 Sakregister 237

978-91-44-09266-9_book.indd 5

2014-08-10 20:26

978-91-44-09266-9_book.indd 6

2014-08-10 20:26

FÖRFATTARENS FÖRORD

Vardagen för ingenjörer i olika branscher kan se väldigt olika ut. En del ingenjörer jobbar med datormodeller av balkkonstruktioner för kompositmaterial i nya fordon. Andra utvecklar programkod som ska använda serverkapaciteten i Googles datorhallar effektivare. Ytterligare andra arbetar med att optimera energianvändningen i byggnader med hjälp av smarta styr- och reglersystem. Men den klassiska bilden av ingenjören är densamma för alla dessa: problemlösaren och möjlighetsskaparen. Ingenjören ser hur man skulle kunna förändra det vi gör i dag så att världen kan bli lite bättre. Och det är precis detta som hållbar utveckling handlar om – att bidra till att hitta och genomföra ständiga förbättringar, överallt i samhället, som bidrar till ett bättre liv för alla. Tekniska lösningar kan bidra till att göra världen och samhället bättre, men de är inte isolerade utan verkar i relation till en icke-teknisk omvärld. Ingenjören behöver vara kunnig inom sitt teknikområde, men behöver också ha ett helhetsperspektiv som inkluderar förståelse och respekt för ekonomiska, sociala, miljömässiga och etiska aspekter. Hållbar utveckling handlar om överväganden och avvägningar. Inte sällan står olika åsikter, värderingar och perspektiv mot varandra. En ingenjör som förstår detta kan bidra med en rationell och förnuftig diskussion och ett gott underlag för beslutsfattande på alla nivåer i samhället. Som problemlösare och möjlighetsskapare fattar ingenjören i sin yrkesvardag många beslut som har potential att påverka många andra människor, både till det bättre och till det sämre. Ingenjörens påverkan på samhället är större än den genomsnittlige samhällsmedborgarens. Därför är även ansvaret för hennes eller hans handlingar tyngre. Många ingenjörer befinner sig dessutom så småningom i ledande positioner, vilket kan innebära att de inte bara själva är möjlighetsskapare utan även leder och inspirerar andra möjlighetsskapare. I en sådan situation är påverkansmöjligheten – på gott och ont – ännu större. Slutligen är det inte ovanligt för ingenjörer att söka en karriär som forskare och/ eller lärare och därigenom bidra till att skapa och sprida relativt stora

978-91-44-09266-9_book.indd 7

2014-08-10 20:26

F ö r fat ta r e n s för ord

volymer av kunskap. I en sådan roll kan ingenjören påverka både andra ingenjörer och framtida eller nutida ledare, vilket innebär ytterligare en nivå av utväxling på möjligheten att påverka. Av alla dessa skäl, och i alla dessa roller, ligger stora möjligheter för ingenjören att bidra till en hållbar utveckling och till en bättre värld. Detta innebär en utmaning och ett ansvar, men är också för många ett av skälen till att välja ingenjörsyrket. Den här boken vänder sig till studenter som ska bli ingenjörer samt till ingenjörer och andra naturvetare och tekniker som vill lära sig mer om de utmaningar vi står inför i dag. Boken introducerar begreppet hållbar utveckling och diskuterar hur teknik kan bidra till såväl en hållbar som en ohållbar utveckling. Men boken går även vidare och diskuterar perspektivfrågan, olika tankeparadigm och vikten av reflektion och diskussion för att nå pragmatiska lösningar på svåra värderingsproblem. Boken innehåller ett antal exempel på möjliggörande teknik, instuderingsuppgifter och diskussionsfrågor som kan användas som utgångspunkt i klassrummet eller som hemuppgifter. För ett par år sedan deltog jag i utvecklingen av en kursmodul som introducerar hållbar utveckling för ingenjörsstudenter. Kursmodulen finns i dag på ett halvdussin av KTH:s utbildningsprogram, och den här boken är i stor utsträckning ett resultat av det arbetet. Tanken med kursmodulen är att tidigt i utbildningsprogrammet ge en bakgrund till ämnet hållbar utveckling så att detta är välkänt när hållbarhetsfrågorna senare i programmet integreras i specifika ämnesperspektiv. På många av Sveriges ingenjörsutbildningar utgör hållbar utveckling i dag en röd tråd som går genom utbildningen. I det arbete där jag varit involverad har vi definierat fyra faser för integreringen av hållbarhetsfrågorna i ingenjörsutbildningen: • Bakgrund: vissa grundläggande faktakunskaper behöver finnas

både som grund för studentens egen reflektion, för att kunna diskutera ämnet och för att kunna integrera det i ämnesspecifika sammanhang. • Reflektion: studenten behöver reflektera självständigt över de värderingsmässiga ställningstaganden som uppkommer då olika hållbarhetsaspekter ska vägas mot varandra. • Diskussion: studenten behöver träna på att formulera och föra fram egna argument samt lyssna på andras argument, bemöta dem eller kanske ändra sin egen ståndpunkt.

978-91-44-09266-9_book.indd 8

2014-08-10 20:26

F örfat tarens för ord 9

• Integrering: i det ämnesspecifika fallet behöver hållbarhetsaspekter

lyftas in i de ämneskurser som bär utbildningens progression. Integreringen bör inte betraktas som ett ytterligare moment i dessa kurser utan snarare en reflektion kring vad det som ämnet handlar om innebär ur ett mer holistiskt perspektiv – vad det har för implikation på samhället i övrigt. Dessa fyra faser kan med fördel tränas parallellt. I den kursmodul som jag själv arbetar med introducerar vi de tre första faserna parallellt. Materialet i den här boken används som grundläggande bakgrundsmaterial. Vid en serie interaktiva föreläsningar tränas studenterna i reflektion och diskussion, och dessa färdigheter fördjupas vid interaktiva seminarier där studenterna spelar olika brädspel som är speciellt utvecklade för att utmana deras lärande. Några av dessa brädspel har specialanpassats för att följa progressionen genom den här boken. För dem som är intresserade av träning utanför högskolan, ingenjörer i näringslivet och lärare på olika nivåer, så kan jag passa på att nämna min egen verksamhet som utbildare och konsult. Sedan år 2009 har jag i mitt eget företag erbjudit utbildnings- och expertkonsulttjänster. För mer information, se: www.daise.org Det är många personer som har bidragit till materialet i den här boken, genom intressanta diskussioner och i lagarbetet som det innebär att bygga och driva utbildning. Några personer som jag särskilt vill tacka för synpunkter på bokens manus under olika faser av dess utveckling är Ulf E. Andersson på Naturvårdsverket, Per Lundqvist och Göran Finnveden vid KTH, Ulrika Lundqvist vid Chalmers och Hans Dahlin. Jag vill särskilt tacka alla studenter som har bidragit genom den feedback ni har gett mig både på undervisningen och på bokens manus. Slutligen vill jag rikta ett stort tack till Melissa, som har bidragit med både diskussioner och perspektiv samt ett grundmurat moraliskt stöd i stunder då projektet verkligen har behövt det. Stockholm, våren 2014 Jon-Erik Dahlin

978-91-44-09266-9_book.indd 9

2014-08-10 20:26

FÖRORD AV PETER LARSSON

Från problem till möjlighet. Så kan omvärldens syn på oss ingenjörer beskrivas under en 30–40-årsperiod. Teknisk utveckling är en väldigt stark kraft. Enskilda språng i den tekniska utvecklingen har varit omvälvande på många olika sätt. Ångmaskinen. Bilen. Energiomvandling och överföring. Telekommunikation. För att bara nämna några olika steg. Teknik, ekonomi och samhälle hänger därför tätt samman med varandra. Hur ser då tidsresan ut? Och vad kan vi dra för slutsatser från denna? Om vi går tillbaka till 1970-talet så upplevde enskilda människor och vi alla gemensamt hur tekniska framsteg också skapade problem genom en tilltagande miljöförstöring. Genom att fler fick tillgång till mer av bekvämlighet och levnadsstandard ökade också pressen på naturresurserna och påverkan på hela vår omgivning. FN:s konferens om miljö 1972 blev i många avseenden en väckarklocka. Miljöproblemen krävde åtgärder av olika slag och de krävde internationell samverkan. Nu när vi har facit av många decenniers arbete kan vi med fog säga att de krav på förbättring och förändring som då restes var i linje med moderniseringen och utvecklingen av hela samhället. Farhågorna om att miljökrav av olika slag skulle leda till en tillbakagång kom på skam. Om vi blickar tillbaka fanns det många övertoner som förutskickade ”tillbaka till grottstadiet” om kraven blev verklighet. Men även bortsett från dessa fanns en oro över att ekonomi och god miljö inte gick att förena. 40 års erfarenhet har visat att detta var fel. Denna erfarenhet ger också oss ingenjörer självförtroende. Och synen på oss är en helt annan. Idag ses vi sitta inne med många av lösningarna på de globala problemen. Tilltron till tekniken har fått en helt annan innebörd. En växande världsbefolkning kommer att konkurrera än mer om naturresurserna. Det innebär i sin tur krav på fler smarta lösningar. Och här finns också den nya samverkan mellan samhälle, ekonomi och teknik. Mål måste formuleras om vart vi ska, hur samhället ska gestaltas i framtiden. Ekonomin måste mobiliseras så att det blir

978-91-44-09266-9_book.indd 10

2014-08-10 20:26

F ör ord av Pe ter Larsson 11

intressant att både styra och finansiera. Detta är viktiga ramvillkor för teknisk utveckling. Det är under dessa omständigheter som vi ingenjörer måste anta utmaningarna oavsett var vi är verksamma, i företag eller i samhällsinstitutioner av olika slag. Utveckling är ett hantverk. Tuffa krav kommer att resas och olika lösningar måste därför prövas. Resultatet kommer om enskilda individer och grupper får möjlighet att delta i denna utveckling. Vi ska ha med oss en insikt om utmaningarnas storlek och det ska vara en viktig drivkraft. Denna kan under rätt förutsättningar omvandlas till viktiga framsteg, men helt avgörande för detta är goda kunskaper i både helhet och detaljer. Denna bok är en utmaning men också en möjlighet för dig att ge ditt bidrag till en mer hållbar värld. Ingenjörer är helt avgörande. Lycka till med din uppgift. Stockholm, våren 2014 Peter Larsson samhällspolitisk direktör för Sveriges Ingenjörer

978-91-44-09266-9_book.indd 11

2014-08-10 20:26

Energi

När Thomas Newcomens första ångmaskin installerades år 1712 i en kolgruva i Conygree Coalworks i närheten av Birmingham representerade detta ett paradigmskifte i människans förhållande till naturen, och vilka möjligheter vi har att tillgängliggöra nyttan av energi för att åstadkomma mekaniskt arbete (figur 3.1). Ångmaskinen i Conygree Coalworks ersatte 500 hästar som tidigare hade använts för att pumpa upp vatten ur kolgruvan från 50 meters djup. För första gången i världshistorien var det nu möjligt att åstadkomma mekaniskt arbete med hjälp av kemiskt bränsle i industriell skala. Även om vattenhjul och väderkvarnar även tidigare hade använts där det var möjligt, hade man i allmänhet nästan uteslutande varit hänvisad till muskelkraft – från människor och djur. Tusentals ångmaskiner av Newcomens design tillverkades och installerades i ett antal europeiska länder under 1700-talet, även flera i Sverige. De användes för att pumpa vatten ur gruvor, och efter att ha ökat maskinernas verkningsgrad samt en del andra förbättringar som genomfördes av James Watt under 1700-talets andra hälft, öppnades på sikt möjligheter att använda de nya maskinerna till allt möjligt. Under den industriella revolutionen ersatte de muskelkraft i industrier, för transporter och så småningom kom de att användas för elproduktion i några av de första kraftverken. Det var den industriella revolutionen som ledde till det moderna samhället. Utan den utvecklingen hade vi fortfarande levt i ett jordbrukssamhälle, med en låg materiell levnadsstandard och sannolikt korta liv fyllda av sjukdomar och misär. Mycket av det vi i dag tar för givet är en direkt följd av denna utveckling. Den industriella revolutionen kom igång redan innan ångmaskinerna var vanliga, som en följd av effektiviseringar i produktionen, mycket tack vare ekonomiska reformer. Men det var med ångmaskinerna och den tekniska utvecklingen, och med tillgången på i det närmaste obegränsade mängder fossil energi, som utvecklingen kunde ta © F ö r f a t t a r e n o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09266-9_book.indd 53

2014-08-10 20:27

3 E n e r g i

verklig fart. Man kan med fog konstatera att det moderna samhället och den livsstil vi har vant oss vid i dag finns till tack vare tillgången på billig och lättillgänglig energi i form av kol och olja, och så småningom fossilgas. Energi driver runt civilisationen. I dag är mellan 80 och 85 procent av energitillförseln i världen baserad på fossil energi (kol, olja, gas), vilket är problematiskt ur flera hållbarhetsperspektiv. Vi kommer i den här boken att se många exempel på det. Men innan vi börjar med att gå igenom dessa problem måste vi konstatera att de fossila bränslena också är vad som har skapat vår moderna civilisation. Även om de är problematiska bör vi vara djupt tacksamma för att de varit tillgängliga i sådan mängd. 3.1 Vad är energi? År 1905 publicerade Albert Einstein fyra vetenskapliga artiklar som var och en utgjorde ett fundamentalt nytänkande inom respektive område. Han tilldelades några år senare Nobelpriset i fysik för upptäckten av den fotoelektriska effekten, som han beskrev för första gången i en av dessa epokgörande artiklar. Den artikel som blivit mest känd är däremot den om den speciella relativitetsteorin. I den ursprungliga artikeln från 1905 använde Einstein andra beteckningar och ett annat skrivsätt, men ett senare sätt att formulera en av ekvationerna i denna artikel har sedan kommit att bli den moderna fysikens sannolikt mest berömda ekvation: E = mc 2 (3.1) Vad denna ekvation säger är att ”energi” är ekvivalent med ”massa”, det vill säga att materia är energi. Universum fylls av materia och strålning i olika former, och eftersom även strålning är en form av energi så innebär detta att allt är energi! Vi kommer att återvända till betydelsen av energirelationen i Einsteins relativitetsteori senare, men för tillfället hjälper denna definition oss tyvärr inte så mycket om vi vill använda energi som en fysikalisk storhet. Det är uppenbart att vi behöver en annan, mer specifik definition. I själva verket är det så att energi som sådan inte är särskilt användbar för oss som ingenjörer, utan det är endast omvandlingen av energi från en form till en annan som är användbar – det är till och med så att det endast är omvandlingen som ens är observerbar och därmed mätbar. En användbar definition av energi är: ”rörelse eller förmåga till rörelse”.

978-91-44-09266-9_book.indd 54

2014-08-10 20:27

3 E ner gi 55

Ordet energi kommer ursprungligen från grekiskans energos som betyder aktiv eller arbetande. Så energi betyder alltså i någon mening arbete. Ett arbete W kan till exempel vara att lyfta ett objekt med massan m en höjd Δh i ett tyngdkraftfält med tyngdkraftskoefficienten g = 9,81 m/s2: W = mgΔh (3.2) I SI-systemet är enheten för energi ”joule”, som betecknas [J]. En dimensionsanalys av uttrycket (3.2) ger att en ekvivalent enhet för energi är Nm (”newtonmeter”), eftersom: m kg m [J] = [kg] 2 [m] = [m]= [N][m] s s2

(3.3)

Newtonmeter är vanligt att använda som enhet på energi när det är just betydelsen energi som arbete som avses. Ibland är det inte mängden energi som sådan som är intressant att betrakta, utan flödet av energi per tidsenhet. Energiflöde per tidsenhet kallas för ”effekt” och i SI-systemet är enheten för effekt ”watt”, som betecknas [W]. Enheterna för energi och effekt i SI-systemet är omvandlingsbara i varandra på följande sätt: 1 W = 1 J/s

(3.4 a)

1 J = 1 Ws

(3.4 b)

Flera andra enheter är vanliga för att mäta energi. En sådan är kWh (kilowattimme), som är den vanligaste enheten som används när man talar om energi som en handelsvara (vid försäljning av t.ex. el eller värme). En kilowattimme är följaktligen den energi som motsvarar effekten 1 kW under tidsperioden en timme (1 h). Omvandlingsfaktorn mellan kWh och J är följaktligen: [kWh] = [kW][h] = [1 000 W][3 600 s] = 3,6∙106 [W][s] = 3,6∙106 [J] (3.5) En annan vanlig enhet för att mäta energi är cal (kalori). Kalorier användes förr för att mäta energi i många olika sammanhang, men är i dag vanligast för att beteckna mängden kemiskt bunden energi i livsmedel. En kalori är den energi som krävs för att höja temperaturen i 1 gram vatten med 1 °C, vilket är detsamma som 4,19 J. Dock ska man vara medveten om att det man i vardagligt tal menar när man talar

978-91-44-09266-9_book.indd 55

2014-08-10 20:27

3 E n e r g i

om ”kalorier” egentligen ofta är enheten kcal (kilokalori), dvs. 1 000 kalorier, som motsvarar 4.19 kJ. Att så är fallet kan ofta vara ganska förvirrande, men om man läser på t.ex. innehållsdeklarationen på en livsmedelsförpackning så anges antalet kcal per 100 g livsmedel på ett korrekt sätt. I någon mening är alltså allt energi, men om vi använder definitionen att energi är rörelse eller förmåga till rörelse, kan ett antal olika energiformer utskiljas, och energi kan omvandlas mellan dessa. Några av de viktigaste energiformerna som vi kommer att studera närmare här är: • Rörelseenergi (eller kinetisk energi) • Lägesenergi (eller potentiell energi) • Inre energi (associerad med temperatur) • Strålningsenergi (t.ex. radiovågor, synligt ljus och röntgen) • Elektrisk energi • Kemisk energi • Kärnenergi.

De två första energiformerna i denna lista är intuitivt mycket lätta att förstå utifrån definitionen. Rörelseenergin hos ett objekt med massan m som rör sig med en hastighet v ges av: 1 W = mv 2 (3.6) 2 Lägesenergin hos ett objekt med massan m som befinner sig på en höjd h över en viss referensnivå i ett tyngdkraftfält med tyngdkraftskoefficienten g = 9,81 m/s2 ges av: W = mgh (3.7) Notera likheten mellan ekvation (3.7) och ekvation (3.2). I själva verket är uppenbarligen arbete och energi i dessa avseenden ekvivalenta. På samma sätt som att arbetet att lyfta ett objekt en viss höjd ges både av ekvation (3.2) och av ekvation (3.7), ges arbetet som krävs för att accelerera ett objekt till hastigheten v av ekvation (3.6). Det är även av den anledningen som bokstaven W (eng. work) ofta används för att beteckna både energi och arbete. Lägesenergin hos ett objekt i ett tyngdkraftfält kan alltså beräknas med hjälp av uttrycket för den potentiella energin, men ”poten-

978-91-44-09266-9_book.indd 56

2014-08-10 20:27

3 E ner gi 57

tiell energi” har ett bredare användningsområde. Mellan två atomer i ett godtyckligt material finns en elektrisk potential, och beroende på avståndet mellan atomerna innehar dessa olika potentiell energi. Summan av den potentiella energin mellan alla atomer i ett objekt och deras rörelseenergi kallas för inre energi, eller termisk energi, och är associerad med objektets temperatur. 3.2 Termodynamik Den gren av fysiken som beskriver energiomvandlingar mellan olika former kallas för termodynamik. Inom termodynamiken har man definierat fyra axiom – dvs. satser som inte är möjliga att bevisa, men som man tar för sanning eftersom alla observationer av världen hittills tyder på deras giltighet. Dessa satser kallas för termodynamikens huvudsatser och utgör tillsammans grunden för mycket av den fysik vi tar för given. Termodynamikens nollte huvudsats: Om två kroppar är i termisk jämvikt med en tredje kropp så är de också i termisk jämvikt med varandra.

Detta förhållande bygger på empirisk erfarenhet och antyder att det måste finnas en storhet som har samma värde i alla tre kropparna – vi kan kalla denna storhet för temperatur. TEMPERATUR

Den fysikaliska storheten temperatur är för övrigt en storhet som inte direkt kan härledas från energibegreppet men som är nära associerad med det. Temperatur är ett mått på det vi vardagligt kallar varmt och kallt, som ur ett fysikaliskt perspektiv motsvarar termisk rörelse, dvs. den slumpmässiga och oordnade rörelsen hos atomer och molekyler. Temperatur kan mätas t.ex. i grader Celsius [°C], kelvin [K], grader Fahrenheit [°F] eller grader Rankine [°R]. En temperaturskala som utgår från en nollpunkt då den termiska rörelsen upphör – den absoluta nollpunkten – kallas för en absolut temperaturskala. Både kelvinskalan och Rankineskalan är exempel på absoluta temperaturskalor. Se tabell 3.1 för relationer som kan användas för att omvandla mellan de olika temperaturskalorna.

978-91-44-09266-9_book.indd 57

2014-08-10 20:27

3 E n e r g i

Tabell 3.1 Relationer för omvandling mellan temperaturer angivna i olika temperaturskalor. Système International [SI]: grader Celsius [°C]:

TC = 0 °C vid smältpunkten för vatten (1 atm.) TC = 100 °C vid kokpunkten för vatten (1 atm.) TC = 5/9 · (TF − 32 °F) · (°C/°F)

kelvin [K]:

TK = 0 K vid absoluta nollpunkten TK = TC · (K/°C) + 273,15 K

United States Customary Units [USCS]: grader Fahrenheit [°F]:

0 °C motsvarar 32 °F 100 °C motsvarar 212 °F TF = 9/5 TC · (°F/°C) + 32 °F

grader Rankine [°R]:

TR = 0 °R vid absoluta nollpunkten TR = TF · (°R/°F) + 459,67 °R

ENERGIPRINCIPEN

Termodynamikens första huvudsats kallas för energiprincipen: Termodynamikens första huvudsats: Energi kan inte skapas eller förstöras, endast omvandlas mellan olika former.

En direkt implikation av denna sats är att all den energi som finns i universum i dag skapades samtidigt med universum självt i Big Bang för 13,8 miljarder år sedan, och sedan dess har den totala mängden energi i universum varit konstant. Endast omvandling mellan de olika energi formerna är fysikaliskt möjlig, och det är endast dessa omvandlingar som är observerbara, inte energin som sådan. Ett exempel på en sådan omvandling är när ett objekt med massan m tillåts falla en sträcka h i ett tyngdkraftfält med tyngdkraftskoefficienten g och därmed accelererar till hastigheten v. Denna hastighet kan följaktligen beräknas genom att sätta uttrycket (3.6) lika med uttrycket (3.7): 1 mv2 = mgh (3.8) 2 vilket ger att hastigheten kan beräknas till: v = √2gh (3.9) En annan implikation av den första huvudsatsen är att begrepp som energiproduktion, energikonsumtion och energikälla alltså är icke-fysi© F ö r f a t t a r e n o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09266-9_book.indd 58

2014-08-10 20:27

3 E ner gi 59

kaliska, och i någon mening felsägningar. Orden används förvisso i stor omfattning i den allmänna energidebatten, inte minst i media, och som ingenjör måste man naturligtvis förhålla sig till detta språkbruk. Det bör dock poängteras att för en strikt korrekt språkanvändning bör sådana uttryck undvikas, vilket särskilt är fallet i teknisk och vetenskaplig litteratur (inklusive rapporter författade av studenter i ämnet). VÄRME

Termodynamikens andra huvudsats introducerar begreppet värme: Termodynamikens andra huvudsats: Värme kan inte av sig själv gå över från en kropp med lägre temperatur till en annan med högre temperatur.

Storheten värme kräver en egen definition och förklaring. Definition av värme: Värme är energi som flödar från ett objekt med högre temperatur till ett objekt med lägre temperatur på grund av temperaturskillnaden mellan objekten.

Man kan alltså inte tala om ett enskilt objekts värme, eftersom värme betecknar just flöde av energi (däremot kan man som bekant tala om ett objekts temperatur). Värme är alltså energi i rörelse, och enheten för värme är densamma som för energi: i SI-systemet är den alltså ”joule”, som betecknas [J]. Värme kan överföras från ett objekt till ett annat genom tre fysikaliska processer: • Ledning • Strömning • Strålning.

Värmeöverföring genom ledning kan beräknas med hjälp av Fouriers lag: Q=

κΑΔt (Th –Tl ) (3.10) L

där Q betecknar värmeöverföringen genom ett material med tjocklek L, tvärsnittsarea A, från en varm sida med temperaturen Th till en kall sida med temperaturen Tl över tiden Δt; materialets värmeledningsförmåga

978-91-44-09266-9_book.indd 59

2014-08-10 20:27

3 E n e r g i

Tabell 3.2 Värmeledningsförmågan κ för några vanliga material. Material

Värmeledningsförmåga, κ [W/(m °C)]

Stål

Koppar

390

Aluminium

200

Glas

0,85

Trä

0,3

(konduktivitet) är κ. Tabell 3.2 sammanfattar värden för värmeledningsförmågan i ett antal material. Strömning betyder fysisk förflyttning av en vätska eller gas med en viss temperatur från en plats till en annan, och därmed en förflyttning av energi. Strålning är överföring av energi genom utbyte av elektromagnetisk strålning. Alla objekt med en absolut temperatur över den absoluta nollpunkten avger elektromagnetisk strålning. För ett teoretiskt objekt som inte reflekterar någon strålning alls i någon våglängd – en svartkropp – ges den utstrålade effekten u av Stefan-Boltzmanns lag: u = σT 4 (3.11) där σ = 5,67 ∙ 10−8 W/(m2K4) är Stefan-Boltzmanns konstant och T är (den absoluta) temperaturen hos den svarta kroppen. I figur 3.2 visas intensitetskurvor för svartkroppsstrålning från föremål av olika temperaturer som funktion av den emitterade våglängden. Man kan konstatera att såväl intensiteten som den våglängd för vilken intensiteten är maximal varierar med objektets temperatur. Den skenbara färg som det strålande objektet har kommer att bestämmas av den våglängd som motsvarar intensitetsmaximum. Det är därför en het spisplatta glöder röd, medan ett ändå hetare föremål kan glöda vitt eller blått. Strålningsprocessen kan förstås på följande sätt: på grund av termisk rörelse i objektet vibrerar atomerna i det och kolliderar med varandra upprepade gånger. Några av dessa kollisioner absorberas av elektroner i sina skal runt atomerna, vilket tvingar dem till högre (instabila) banor kring sina atomer. När sedan elektronerna återupptar sitt grundtillstånd utsänder de ljus.

978-91-44-09266-9_book.indd 60

2014-08-10 20:27

3 E ner gi 61

u(λ) [kj/nm] T = 5 500 K 800

600

T = 5 000 K

400 T = 4 500 K T = 4 000 K

200

T = 3 500 K 0 0

500

1000

1500

λ (nm) 2000

Figur 3.2 Intensitet u som funktion av utstrålad våglängd λ för svart kroppar med olika temperaturer. Källa: Prawo Wiena.

EXERGI

En tolkning av den andra huvudsatsen är att energins kvalitet minskar vid varje energiomvandling. Vi inför ytterligare ett begrepp: Definition av exergi är: ordnad rörelse eller förmåga till ordnad rörelse.

Man kan således säga att exergi är den andel av energin som är möjlig att använda till att generera nyttigt arbete, och andelen exergi i varje mått av energi definierar därmed den tillgängliga energins kvalitet. Energi = Exergi + Förluster

(3.12)

Om man vid en energiomvandling har ett värmeutbyte från ett medium till ett annat, kan man beräkna hur stor andel av detta värmeutbyte som kan användas till att generera nyttigt arbete – dvs. andelen exergi i energiflödet. En maskin som åstadkommer ett sådant arbete genom ett värmeutbyte kallas för en värmemaskin. Några exempel på värmemaskiner är: • Ångmaskin • Dieselmotor • Ottomotor (vanligen bensinmotor)

978-91-44-09266-9_book.indd 61

2014-08-10 20:27

Jon-Erik Dahlin |

Hållbar utveckling – en introduktion för ingenjörer

Hållbar utveckling

– en introduktion för ingenjörer

Peter Larsson, samhällspolitisk direktör för Sveriges Ingenjörer Art.nr 37770

www.studentlitteratur.se

978-91-44-09266-9_Cover.indd 1

Jon-Erik Dahlin 2014-08-08 11:35