9789144115009 by Smakprov Media AB

Energi

fรถr hรฅllbar utveckling Naturvetenskap, miljรถ och teknik i ett historiskt perspektiv

Mats Areskoug & Per Eliasson

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 32602-03 ISBN 978-91-44-11500-9 Upplaga 3:1 © Författarna och Studentlitteratur 2007, 2017 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Sakgranskning: Elisabeth Kjellsson Foto: Mats Areskoug om ej annat anges Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Mats Areskoug Printed by GraphyCems, Spain 2017

INNEHÅLL

Förord 11 Inledning 13

Del I Människan och energin

1 Materia – energi – liv 17 1.1 Materia 17 1.2 Energi 20 1.3 Liv 25 Sammanfattning 29 Uppgifter 30 Att läsa vidare 32 2 Födoenergi och muskelarbete 33 2.1 Energi är en förutsättning för liv 33 2.2 Jakt och samlande 38 2.3 Lokalt jordbruk 41 2.4 Den agrara revolutionen 48 2.5 Jordbruk inom globala ramar 51 Sammanfattning 55 Uppgifter 56 Att läsa vidare 57

Innehåll

3 Energibegrepp 59 3.1 Termen energi 59 3.2 Termodynamikens lagar 63 3.3 Energi, effekt och verkningsgrad 64 Sammanfattning 66 Uppgifter 66 Att läsa vidare 67 4 Energi till vad? Energitjänster 69 4.1 Energi till vad? 69 4.2 Belysning 71 Fördjupning 76 4.3 Uppvärmning 79 Fördjupning 86 4.4 Tillredning och förvaring av mat 89 4.5 Resor och transporter 92 Fördjupning 104 4.6 Information och kommunikation 105 4.7 Tillverkning 109 Sammanfattning 117 Uppgifter 118 Att läsa vidare 119

Del II Hållbar utveckling, miljö och energi

5 Energi för hållbar utveckling 123 5.1 Hållbar utveckling 123 5.2 Energi och miljö 124 5.3 Miljömål 126 Sammanfattning 129 Uppgifter 129 Att läsa vidare 130

Innehåll

6 Växthuseffekten 131 6.1 Jordens energibalans 132 6.2 Förändringar i temperatur och koldioxidhalt 139 6.3 Växthusgasernas inverkan på klimatet 143 6.4 Återkopplingsmekanismer i klimatsystemet 147 6.5 Hur kan vi förändra utvecklingen? 150 Sammanfattning 153 Fördjupning 154 Uppgifter 157 Att läsa vidare 159 7 Radioaktivitet och joniserande strålning 161 7.1 Massa och energi är oförstörbara 161 7.2 Materiens byggnad: molekyler, atomer och kärnor 163 7.3 Radioaktivitet 164 7.4 Strålning 166 7.5 Joniserande strålnings inverkan på miljö och hälsa 168 Sammanfattning 174 Fördjupning 175 Uppgifter 178 Att läsa vidare 178

Del III Energiresurser och energislag

8 Tre vägar för energiframtiden 181 8.1 Lager, fonder och flöden 181 8.2 Energislag och deras ursprung 183 Sammanfattning 187 Uppgifter 187 Att läsa vidare 187

Innehåll

9 Fossilenergi 189 9.1 Uppkomst och historia 190 9.2 Användning 194 9.3 Miljöaspekter på fossila bränslen 196 Sammanfattning 199 Fördjupning 199 Uppgifter 201 Att läsa vidare 202 10 Att utnyttja solenergi 203 10.1 Instrålning 204 10.2 Solenergins tillgänglighet 206 10.3 Energibehov och solenergitillgång 206 10.4 Solenergi i olika former 207 Sammanfattning 208 Fördjupning 208 Uppgifter 209 Att läsa vidare 210 11 Solvärme 211 11.1 Solfångarens energibalans 212 11.2 Solvärme i praktiken 213 11.3 Miljöpåverkan 217 Sammanfattning 217 Fördjupning 218 Uppgifter 221 Att läsa vidare 221 12 Solel 223 12.1 Solcellens funktion 224 12.2 Solel i praktiken 227 12.3 Miljöpåverkan 232

Innehåll

Sammanfattning 233 Fördjupning 233 Uppgifter 240 Att läsa vidare 240 13 Värme från luft, mark och vatten 241 13.1 Värmeväxlare och värmepump 242 13.2 Värmepumpen – så fungerar den 243 13.3 Värmepumpen i praktiken 245 13.4 Miljöpåverkan 246 Sammanfattning 251 Fördjupning 251 Uppgifter 254 Att läsa vidare 255 14 Vattenenergi och vindenergi 257 14.1 Vattenenergi 258 14.2 Miljöpåverkan 265 14.3 Vindenergi 266 14.4 Miljöpåverkan 271 Sammanfattning 272 Fördjupning 272 Uppgifter 273 Att läsa vidare 273 15 Bioenergi 275 15.1 Historisk överblick 276 15.2 Biobränslen i Sverige 278 15.4 Miljöpåverkan 283 Sammanfattning 285 Fördjupning 285 Uppgifter 287 Att läsa vidare 287 © F ö r fat ta r na oc h S t uden t li t t e r at u r

Innehåll

16 Kärnenergi 289 16.1 Kärnenergiteknikens framväxt 290 16.2 Kärnkraftverkets fysik 291 16.3 Radioaktiva ämnen från kärnkraftverk 295 16.4 Reaktorsäkerhet och miljöpåverkan 297 16.5 Kärnenergipolitik i Sverige 300 16.6 Framtiden för kärnenergi 304 Sammanfattning 305 Fördjupning 306 Uppgifter 309 Att läsa vidare 310

Del IV Perspektiv på energi

17 Energikvalitet och energihushållning 313 17.1 Ordnad och oordnad rörelse 313 17.2 Värmekraftverk. Värme och mekanisk energi 315 17.3 Energikvalitet 318 17.4 Hushållning med energikvantitet och energikvalitet 319 17.5 Termodynamik, värmekraft och kraftvärme 321 17.6 Oordning och spontana processer 322 17.7 Ordning och liv 323 Sammanfattning 324 Fördjupning 325 Uppgifter 330 Att läsa vidare 331 18 Att förstå energi 333 18.1 18.2 18.3 18.4

Energibegreppet 333 Vetenskap och ovetenskap 336 Kunskap, lärande och undervisning 338 Perspektiv på energi 340

Innehåll

18.5 Experimentets roll 343 18.6 Handlingskompetens 345 Sammanfattning 347 Att läsa vidare 347 Avslutning 349 Referenser 351 Appendix 359 Tabellförteckning 361 Personregister 363 Sakregister 365

KAPITEL 3

Energibegrepp

Begreppet energi används i många olika sammanhang. Det är mycket omfattande, och man kan urskilja flera underbegrepp. Inom naturvetenskapen talar man om olika energiformer, som kan omvandlas till varandra. När det gäller energin i samhället kan vi tala om vilka energitjänster vi har behov av – alltså vad vi vill använda energin till. Vi behöver också reda ut varifrån vi kan hämta energi – vilka primära energiresurser det finns på jorden. Energi resurserna kan utnyttjas på olika sätt – det finns flera energislag. Vi har också behov av begrepp som uttrycker hur användbar energin är (energikvalitet), med vilken hastighet vi tillgodogör oss energi (effekt), och hur väl vi drar nytta av den tillförda energin (verkningsgrad). I detta kapitel skall vi införa och diskutera olika energibegrepp och deras samband. Det rör sig om många olika begrepp. Läsaren kan inte vänta sig att få full förståelse för dem redan i detta kapitel. Begreppen kommer att användas, exemplifieras, konkretiseras och förtydligas efter hand i boken. 3.1

Termen energi

Termen energi används i en rad olika sammanhang inom naturvetenskap, i samhällsdebatten och i vardagslivet. I olika kontexter har termen olika betydelser och olika emotionell laddning. Energi är ett ord som ofta förknippas med liv, kraft, hälsa och lust. Man kan påstå att man samlar energi när man vilar, att de kalorisnåla frukostflingorna är fulla av energi eller att luften vibrerar av positiv energi vid New Age-mötet. Ofta används ordet för att förmedla ett intryck av vederhäftighet, ge ett vetenskapligt sken, även när det, som i exemplen ovan, används i en annan betydelse än i natur vetenskapen. Man kan inte säga att denna användning av ordet är felaktig © F ö r fat ta r na oc h S t uden t li t t e r at u r

DEL i Människan och energin

– naturvetenskapen har inte ensamrätt på ordet. Men man kan göra sig uppmärksam på i vilken betydelsesfär ordet används. Vill man testa om det är den naturvetenskapliga betydelsen, kan man fråga sig vilken energiform (rörelseenergi, kemisk energi, termisk energi …) det rör sig om. Man kan också fråga sig varifrån energin kommer och vad den omvandlas till. Finns det inga naturvetenskapliga svar på de frågorna, så rör det sig inte om energi i naturvetenskaplig mening. Men även i naturvetenskapliga sammanhang förväxlar många människor energibegreppet med begrepp som kraft, effekt eller näring. Exempelvis är termerna kraftverk, kraftledning och elkraft etablerade i språket, trots att ”kraft” borde ersättas med energi. Enheterna kilowatt-timma för energi och kilowatt för effekt blandas ofta samman. Mineralämnena i maten ger ingen energi, men är ändå livsnödvändiga. En annan vanlig förväxling är att energi och materia är samma sak, exempelvis i påståenden som: ”plantans blad byggs upp av vatten, koldioxid och energi” eller ”när veden brinner upp blir den till energi”. Här ställer Einsteins relation E = mc2 till problem. Visserligen kan fysiker säga att varje mängd energi representerar en viss massa och att massan minskar när energi avges. Men den massförändring som är kopplad till vardagens energiomvandlingar är så oerhört liten att den är totalt omätbar. I praktiken gäller alltså principerna om energins bevarande och materiens bevarande var för sig. Endast i kärn- och partikelfysikens värld har man anledning och möjlighet att mäta och beräkna hur energi och massa hänger samman. I kapitlen Kärnenergi och Radioaktivitet och joniserande strålning tas detta upp.

Energibegrepp Energitjänster Människan förbrukar inte energi, men vi behöver tjänster eller kvaliteter som det i sin tur kan fordras energi för att åstadkomma. Sådana energitjänster är att kunna förvara och tillreda mat, att få lagom temperatur och belysning i hemmet, att resa och transportera varor, att ta emot och ge information och att tillverka varor. I kapitlet Energi till vad? Energitjänster behandlas detta utförligt.

3 Energibegrepp

Energibärare Materia och energi är inte samma sak, däremot fungerar ofta materia som energibärare. Energi transporteras eller lagras i materia. En bil i rörelse bär på rörelseenergi. När bilen stannat har den förlorat sin rörelseenergi, men materien finns kvar. Bensinen bär på kemisk energi, lagrad i bindningarna mellan atomerna i bensinens molekyler. När bensinen förbränts och energin frigjorts finns materien kvar. Den är visserligen omstrukturerad till koldioxid och vattenånga, men alla atomerna finns kvar. Hetvatten från fjärrvärmecentralen bär på termisk energi. När vattnet avgivit värme i husets värmeelement finns materien kvar som kallare vatten. Uran bär på kärnenergi. När energin avgivits återstår materien, omvandlad till radioaktivt avfall. När man använder begreppet energibärare är det inte energin man talar om, utan den materia som bär med sig energin.

Energiformer Inom naturvetenskapen talar man om att energin kan uppträda i olika energiformer. Vanligen räknar man med sju energiformer: rörelseenergi, lägesenergi eller potentiell energi, elektrisk energi, termisk energi (värme), kemisk energi, strålningsenergi (t.ex. ljus) och kärnenergi. Rörelseenergi och lägesenergi sammanfattas ibland i begreppet mekanisk energi. I kapitlet Energi till vad? Energitjänster kommer vi att resonera om olika energiformer i anslutning till de användningsområden där de blir aktuella – rörelseenergi diskuteras i avsnittet Transporter, strålningsenergi i avsnittet Belysning etc. En energiform kan omvandlas till en annan, men vilka omvandlingar som helst är inte möjliga. Rörelseenergi exempelvis kan omvandlas fullständigt till lägesenergi, medan kemisk energi bara delvis kan omvandlas till rörelseenergi. Det innebär dock inte att energi går förlorad, utan den resterande delen av energin omvandlas nästan alltid till termisk energi. Detta kommer vi att diskutera utförligt i kapitlet Energikvalitet och energihushållning.

DEL i Människan och energin

Energislag I samband med samhällets energiförsörjning använder man begreppet energislag, som betecknar olika metoder att utvinna energi från naturen. Exempel på energislag kan vara kol, olja, kärnenergi, vindenergi och värme från solfångare. I bokens olika kapitel om fossilenergi, förnybar energi i olika skepnader och kärnenergi behandlar vi dessa energislag.

Primär energi De olika energislagen representerar olika sätt att ta till vara någon av jordens primära energiresurser: kärnenergi, fossilenergi och flödande eller förnybar energi. Vid varje omvandling och transport sker förluster, mest i form av oönskad omvandling av energi till värme, som ofta kallas spillvärme. Begreppen och deras inbördes samband, samt några exempel illustreras i figur 3.1.

Primär energi

Energislag

Flödande (förnybar) energi

Solvärme Solel Vindenergi Vattenenergi Omgivningsvärme Bioenergi Geotermisk energi Tidvattenenergi

Fossilenergi Kärnenergi

Kol Olja Fossilgas

Energibärare

Energitjänst

El Hetvatten Solstrålning Mark, luft m.m. Bränslen

Belysning Lagom temperatur Tillagning och förvaring av mat Resor och transporter Information Tillverkning

Förluster, spillvärme

Uran

Figur 3.1 Begrepp som beskriver energiutvinning och energiutnyttjande. Under varje begrepp ges några exempel. Exemplen är inte kopplade till varandra rad för rad, utan sambanden mellan kolumnerna kan se ut på många olika sätt.

3 Energibegrepp

3.2

Termodynamikens lagar

Olika energiformer kan omvandlas till varandra. Om vi beräknar mängden energi i dess olika former före och efter en händelse, visar det sig alltid att summan av all energi är densamma före och efter händelsen. Energi är oförstörbar och kan inte skapas, men den kan omvandlas från en form till en annan. Denna mycket viktiga naturlag kallas energiprincipen eller termodynamikens första huvudsats. Ett sätt att uttrycka energiprincipen illustreras i figur 3.2. Tillförd energi omvandlas till upplagrad energi och avgiven energi. Den energi som tillförs en bilmotor med bensinen kan inte förbrukas. När bilen startar och accelererar lagrar den energi i form av rörelseenergi, samtidigt som motorn och däcken avger energi i form av värme till omgivningen. När bilen bromsar omvandlas den upplagrade rörelseenergin till friktionsvärme i bromsar, däck och väg. Energiprincipen jämställer före och efter. Den säger däremot ingenting om i vilken riktning en händelse eller reaktion kan gå. Om vi kör en film baklänges, upptäcker vår intuition omedelbart det orimliga i att röken sugs in i det backande ånglokets skorsten medan aska förvandlas till kol som eldaren skyfflar tillbaka till det allt fullare kolförrådet. Energiprincipen protesterar dock inte mot denna ordning. Det gör däremot termodynamikens andra huvudsats, som tydligt pekar ut riktningen för en möjlig energi omvandling: energikvaliteten minskar och oordningen ökar i varje spontan process. Energikvalitet visar sig vara ett begrepp som ofta mycket bättre täcker det som vi i vardagslag menar då vi säger energi. Energikvaliteten blir lägre och lägre medan vi utnyttjar energin, men mängden energi är oförändrad. Det räcker inte med stor energimängd: även kvaliteten måste vara hög om man vill utnyttja energin för annat än uppvärmning. Detta skall vi diskutera närmre i kapitlet Energikvalitet och energihushållning.

Tillförd energi

Upplagrad energi

Avgiven energi

Figur 3.2 Tillförd energi omvandlas till upplagrad energi och avgiven energi. Energi kan varken uppstå eller försvinna, bara omvandlas mellan olika former (energiprincipen).

DEL i Människan och energin

3.3

Energi, effekt och verkningsgrad

Vi har redan stött på begreppen effekt och verkningsgrad. De är mycket viktiga och kan förtjäna en kort repetition. En lysdiodslampa med effekten 10 watt omvandlar elenergi till ljus och värme två gånger snabbare än en lysdiodslampa på 5 watt. Effekten är ett mått på hur snabbt energin omvandlas eller utnyttjas. Den energimängd som de båda lamporna omvandlar beror dels på effekten, dels på hur länge de är tända. Om 10 W lampan står tänd i 100 timmar, har den omvandlat energimängden 10 watt · 100 timmar = 1 000 wattimmar eller 1 kilowatttimme, kWh. Enheten för energi är 1 kWh. energi effekt = tid energi = effekt · tid Några exempel på hur mycket energimängden 1 kWh motsvarar i olika energiformer ges i tabell 3.1.

Tabell 3.1 Exempel på hur mycket energimängden 1 kilowattimma motsvarar i olika energiformer. Energiform

Energibärare

Exempel på bärare av energimängden 1 kWh

Värme

Hett vatten

10 liter

Kemisk energi

Bensin

1 deciliter

Kemisk energi (födoenergi)

Mat

En rejäl middagsportion

El till spisplatta i en timma

Bilbatteri

Ett fulladdat bilbatteri

Rörelseenergi

Bil i hög fart

10 tons lastbil i 90 km/h

Lägesenergi

Vattenfall

10 kubikmeter vatten på 35 meters höjd

Strålningsenergi (fotoner)

Solstrålning

Solstrålning på 1 kvadrat meter under en timma

Kärnenergi

Uran i kärnkraftverk

2 milligram

3 Energibegrepp

Enheten kilowattimma för energi förknippar man kanske i första hand med elenergi. Men all energi går att mäta i denna enhet, och den har en storlek som är lämplig i samband med vardaglig energianvändning. I appendix finns tabeller över omvandling till andra energienheter: joule (J), kilokalorier (kcal) och elektronvolt (eV). Där finns också en förteckning över de prefix (mega, giga etc.) som används för att beteckna multipler av enheterna. I tabell 3.2 ges exempel på energianvändning i hem och samhälle. Tabell 3.2 Exempel på energianvändning per år. Källa: Energimyndigheten (2016b). Energianvändning

Energimängd (kWh per år)

Hushållsel, en familj

4 000

Bostadsvärme, en lägenhet

12 000

Bostadsvärme, en villa

20 000

Bil, 1 000 mil

8 000

Elbil, 1 000 mil

3 000

Elenergi, Sverige

120 000 000 000 kWh =120 TWh

Energianvändning totalt i Sverige

400 000 000 000 kWh = 400 TWh

Energianvändning totalt på jorden

100 000 000 000 000 kWh = 100 000 TWh

Verkningsgraden beskriver hur väl en apparat, maskin etc. omvandlar energin. I de allra flesta energiomvandlingar blir bara en del av den tillförda energin till nyttig energi. Resten blir spillvärme. Verkningsgraden är den andel av den tillförda energin som blir till nyttig energi. Den anges ofta i procent. nyttig energi verkningsgrad = tillförd energi Verkningsgraden för en bilmotor är cirka 25 procent, en traditionell glödlampa 5 procent och en lysdiodslampa cirka 50 procent. I kapitlet Energi kvalitet och energihushållning skall vi fördjupa oss i begreppet.

DEL i Människan och energin

Sammanfattning Energi förbrukas inte. Men det fordras energiomvandlingar för att åstadkomma de energitjänster som vi har behov av. För detta utnyttjar vi energiresurser från naturen, primär energi, som förekommer som flödande (förnybar) energi, fossilenergi och kärnenergi. Vi utvinner naturens energiresurser i form av en rad olika energislag, exempelvis kol, olja, solvärme, vindenergi och bioenergi. Effekt är energiomvandlingshastighet, och ett mått på effekten får man genom att dividera utnyttjad energimängd med den tid som den utnyttjats. Effekten mäts i watt, W. Total energimängd får man omvänt genom att multiplicera effekten med tiden. Energienheten blir wattimmar, Wh, eller kilowattimmar, kWh. Verkningsgraden ger ett mått på hur väl energin utnyttjas. Den beräknas som kvoten mellan nyttig energi och tillförd energi och anges ofta i procent.

Uppgifter 1. Du får välja mellan en sportbil med 5 l bensin eller en ”hundkoja” med full tank. Vilken av dem klarar följande situationer? a) att göra en snabb omkörning b) att köra från Malmö till Göteborg. Motivera med hjälp av begreppen hög eller låg effekt respektive mycket eller lite energi. 2. I en tidningsartikel med energispartips påstås att elenergin till en elektrisk handdukstorkare i badrummet, med effekten 80 W, kostar 600 kr per år, medan elenergin till en torktumlare på 2 000 W bara kostar 200 kr per år. Hur kan det stämma? 3. Inventera alla dina elektriska apparater och lampor hemma. Tag reda på vilken effekt de har (läs på apparaten eller mät med en effektmätare). Uppskatta hur lång tid de är i gång per år och beräkna årlig energianvändning och kostnad. Planera hur du skulle kunna sänka energianvändningen med minst 20 procent utan försämrad livskvalitet.

3 Energibegrepp

4. Alla exemplen i högra kolumnen av tabell 3.1 representerar lika stor energimängd, 1 kWh. Vilka av dem har materia som energibärare? En intressant egenskap hos dessa energibärare är deras energitäthet, dvs. hur mycket energi per kilogram de bär med sig. Sortera dem utifrån deras energitäthet, med den energitätaste först.

Att läsa vidare Blegaa, Sussanne & Poulsen, Einar (1992). Energistrømme. – Energi, energitransport och energiomvandlingar. Vardagliga exempel och experiment. Boyle, Godfrey (red.) (2003). Energy Systems and Sustainability. Power for a Sustainable Future. – Energi behandlas ur hållbarhetsperspektiv. Omfattande genomgång av energianvändning och energitillförsel i samhället, med kortfattad fysikalisk bakgrund. Smil, Vaclav (1999). Energies. An Illustrated Guide to the Biosphere and Civilization. – Energibegreppet tillämpat på solenergiflöde, liv, människa och samhälle.

Mats Areskoug är docent i fysik med didaktisk inriktning. Han har under många år utvecklat naturvetenskaplig undervisning kring hållbar utveckling, energi och miljöfysik. Per Eliasson är senior professor i historia vid Malmö högskola och bedriver forskning i miljöhistoria och historiedidaktik.

Energi för hållbar utveckling Naturvetenskap, miljö och teknik i ett historiskt perspektiv Steg för steg har människor introducerat allt fler behov av energi tjänster, för uppvärmning, belysning, kommunikation etc. Författarna reder ut vad vi använder energin till och hur vi effektivast kan utnyttja tillgänglig energi utifrån miljöaspekter och hushållning med naturresurser. I en rad kapitel beskriver de olika vägar för den framtida energiförsörjningen. Solvärme, solel, vindenergi, bioenergi m.m. behandlas, liksom kärn och fossilenergi. För de olika energislagen utreds naturvetenskaplig grund, teknisk funktion och påverkan på miljön samt historisk utveckling, möjligheter och begränsningar. I bokens avslutande del diskuteras vetenskap kontra pseudovetenskap och didaktiska synpunkter på lärande om energi. Denna tredje upplaga har uppdaterats efter aktuell utveckling på energiområdet. Innehållet har förstärkts ifråga om miljömässiga och tekniska aspekter. Boken är lämplig i högskolekurser för bl.a. miljövetare, tekniker, lärare och historiker, men också för alla som har intresse för energifrågor, hållbar utveckling, naturvetenskap, samhälle och historia.

Tredje upplagan

Art.nr 32602

studentlitteratur.se