Vad är energi

Ingenting försvinner och allting sprider sig. Så kan man uttrycka hela energi-problematiken mycket kort. I det följande görs en kort allmän beskrivning av det abstrakta begreppet energi. Energitillförsel, främst tillförsel av el, och energianvändning behandlas också.

Vad är energi?

Energi är en rörelse eller möjlighet till rörelse.

Om vattnet i en å däms upp i en kvarndamm uppstår lägesenergi i vattnet. Det är energi som har förmåga att få vattnet att röra sig.När vattnet forsar övergår lägesenergin till rörelseenergi.

Ett hjul som snurrar har också rörelseenergi.

Förutom läges- och rörelseenergi finns det kemisk energi. Det är energi som finns lagrat i ett ämnes molekyler. Bensin, vedträ och makaroner är vardagliga exempel på detta. Kemisk energi frigörs oftast genom hög temperatur (tända eld på bensin eller ved) men också när t.ex. makaroner förbränns i kroppen eller när komposthögens löv sakta förmultnar. Denna förbränningsprocess ger alltid upphov till värme och är en form av energiomvandling.

Andra former på energi är elektrisk energi, strålningsenergi och kärnenergi.

Vad är värme?

Värme är en slags energi som består av rörelse i form av molekyler som krockar oordnat med varandra. Molekylerna i en varm kopp kaffe rör sig snabbare och krockar oftare än molekylerna i en kall kopp kaffe.

Varför kallnar en kopp med kaffe?

När man häller kaffe i en kopp så överförs värmen i kaffet till koppens porslin, som värms upp. På samma sätt sprider sig kaffets värme till luften runt koppen. Samtidigt svalnar kaffet och får till sist samma temperatur som luften runtomkring.
Värmeenergin sprider sig alltid från varmt till kallt, skillnaden i temperatur utjämnas.

Hur överförs värme?

Värmeenergi kan överföras eller spridas på olika sätt.
När man värmer en kastrull med vatten övergår energin från plattan genom s.k. ledning till kastrullen och vidare till vattnet.

När man sitter på altanen under en infravärme nås man av värmen genom strålning.
Runt en varm kropp t.ex. ett element, värms luften upp. Den varma luften stiger uppåt, ny kallare luft värms upp av elementet. Luften har kommit i rörelse och för med sig värmeenergi. Detta kallas för konvektion.

I många fall sker överföring av energi på många sätt samtidigt, t.ex. från en braskamin, där värmen sprider sig genom att den leds ut i materialen runtomkring (ledning), att luften cirkulerar förbi den och tar upp energi (konvektion), och man känner även att värmen strålar ut från kaminens varma yta (strålning).
I den egna bostaden finns exempel på alla dessa sätt att överföra värme.

Vad är elektricitet?

Energin i elektricitet (eg. elektrisk ström) är också rörelse, elektroner rör sig i en ledning, men till skillnad från värme är elekricitet en mycket ordnad rörelse som lätt kan åstadkomma ett arbete.

Energins omvandlingar

Energi finns i många olika former och kan omvandlas mellan olika former. Mat kan omvandlas till rörelseenergi genom ett par cyklande ben, ett stearinljus kan omvandlas till ljus och värme etc.

Det är ofta långa kedjor av omvandlingar efter varandra. Lägesenergi i ett vattenmagasin omvandlas till rörelseenergi i en vattenkraftsturbin, som omvandlas till elektrisk energi i generatorn, och den omvandlas till värmeenergi vid hög temperatur i kokande vatten på spisen, som sedan omvandlas till värmeenergi vid lägre temperatur i form av te i magen, som sedan omvandlas till värmeenergi med rumstemperatur o.s.v.

Energin försvinner aldrig!

När energin omvandlas mellan dess olika former finns alltid exakt samma mängd energi kvar före och efter omvandlingen. Energin kan varken skapas eller förstöras, bara omvandlas mellan dess olika former. Det är detta som kallas energiprincipen eller termodynamikens första huvudsats. Men, vi säger ju energiförbrukning och energiproduktion?

Vad är det då vi förbrukar?

När vi använder oss av någon form av energi, så finns samma mängd energi kvar men omvandlad till andra former. De energiformer som vi fått efteråt är däremot inte lika bra som den energi vi utgick ifrån. Kvaliteten på energin har sjunkit. Ta till exempel ett elektriskt element, en sk elradiator på väggen i ett hus. När vi använder el i elementet så omvandlas den elektriska energin till värmeenergi i rumsluften. Samma mängd energi finns kvar, men försök att omvandla den till elektricitet igen. Det är mycket svårare. Vi har helt enkelt förbrukat energins kvalitet, eller dess förmåga till att uträtta arbete.

Energi med hög kvalitet har lätt för att utföra arbete. Exempel på högkvalitativ energi är elektricitet, medan värme vid låg temperatur är energi av låg kvalitet. Ändå mäts båda i samma sort: Joule, J, eller kilowattimmar, kWh. Två system med samma energimängd kan alltså ha väsentligt skilda förmågor att uträtta arbete beroende på dess kvalitet. Med begreppet exergi kan man ange energins kvalitet i förhållande till energimängden. Exergi är graden av ordnad energi som är avgörande för energins förmåga att utföra arbete.

Att summera energi utan att ta häsnyn till dess värde (förmåga att utföra arbete) är som att räkna antalet sedlar och mynt utan att ta hänsyn till deras valörer.

Allting sprider sig!

När vi t.ex. använder elenergi förbrukar vi dess exergi men energin finns kvar fastän i en betydligt mindre ordnad form. Detta kan man uttrycka som att allting sprider sig och oordningen tilltar. Fibrerna i en tröja lossnar med tiden och blir damm på golvet. Materialet i bilen rostar sönder, men försvinner inte, järnet omvandlas bara till andra former. Värmen i huset sprider sig ut genom väggar och fönster och är inte alls lika användbar när den har samma temperatur som omgivningen. Hela tiden pågår det en förlust av exergi.

Men man kan skapa ordning igen t.ex genom att städa hemma eller använda en värmepump för att få upp temperaturen på uteluften till en användbar nivå, men då måste man tillföra exergirik energi i form av mekaniskt arbete.

Tar inte exergin slut?

Om nu exergin hela tiden minskar så fort man gör någonting, borde då inte exergin ta slut? Allt borde ju bli en salig blandning av alla slags ämnen och metaller och all energi borde ju bli helt oanvändbar lågvärdig värme till slut. Ja det blir det!
Men solen förser oss hela tiden med ofantliga mängder energi av hög kvalitet, dvs med hög exergi.

I växterna finns den gröna cellen som kan ta tillvara på solljus och omvandla det till exergirik biomassa via fotosyntesen. Den gröna cellen kan alltså till skillnad från människor och djur skapa en nettoökning av exergi (koncentration och ordning) på jorden, eftersom de hämtar sin exergi utifrån (solen). Det är detta som driver kretsloppen på jorden. Så länge solen sprider ut sin energi i rymden kan denna process fortgå.

Exergin i solljuset förbrukas alltså men skapar härigenom våra livsbetingelser på jorden. Den exergi som jorden tar upp omsätts och lämnar så småningom jorden som exergifattig värmestrålning (samma energimängd lämnar jorden). Solen driver också vattnets kretslopp och tack vare vattenkraftens och vindkraftens turbiner kan vi förädla rörelsenergi ytterligare till elektricitet. Snart har turbinerna tjänat in den exergi som krävdes för att bygga dem och därefter blir det ett tillskott av exergi till samhällets olika funktioner. Ett vindkraftverks energiåtgång för byggande, drift och rivning har den tjänat in på ca tre månader.

Energiproduktion

Vi vet redan att vi producerar värme genom att elda olika bränslen. Ungefär 2/3 av all energi i Sverige produceras primärt som värme medan resten produceras som elektricitet. Elen används i sin tur hos användaren till en mängd saker, främst till elmotordrift och belysning men en stor del går fortfarande till uppvärmning.

Elproduktion

Vattenkraft och vindkraft använder mediets direkta rörelseenergi till att driva en turbin som driver en generator som i sin tur genererar elektricitet. Av vattenfallets rörelseenergi blir ca 90% elektricitet. Ingen annan elmaskin vi känner till idag är bättre. Vinden överför inte sin energi lika bra till propellern, men utvecklingen pågår kontinuerligt.

Kondenskraft- och kraftvärme

Bortsett från solceller och bränsleceller bygger all annan elproduktion på att vatten värms upp i en panna och bildar ånga med högt tryck. Ångan driver runt en turbin som driver en generator. Principen, som kallas kondenskraft, är den samma för kärnkraftverk, oljekraftverk och kolkraftverk.
Tekniken innebär att det finns en stor värmeväxlare efter turbinen som kyler ångan till vatten som då kondenserar. På grund av att vätska tar mindre plats än ånga bildas ett undertryck efter turbinen som hjälper till att driva den. Ju högre temperaturdifferens (dvs ju större kontrast) mellan ångans temperatur och kylvattnets desto mer elektricitet kan erhållas. I kondenskraftverk måste emellertid överskottsvärmen kylas bort till ingen nytta och man får en verkningsgrad (den nyttiggjorda energin dividerat med den tillförda) som teoretisk kan bli ca 50%. Svenska kärnkraftverk har en verkningsgrad på 34%.
I ett kraftvärmeverk produceras både el och fjärrvärme. Här kyls också ångan ned till vätska efter turbinen i en värmeväxlare men inte alls lika mycket. Värmeväxlarens utgående temperatur som går ut i fjärrvärmenätet ligger på över 100°C. Sedan vill man åstadkomma så låg returtemperatur från fastigheterna som möjligt för att maximera processen. Istället för att kyla bort nyttig värme låter man fastigheterna, där värmen behövs, vara kylflänsar.
Sålunda erhålls en verkningsgrad på nästan 90%, inklusive förluster i ledningar och elektricitet för att driva pumpar m.m. i processen. Fördelningen mellan el- och värmeproduktion är 35% respektive 65%.
Detta är passande nog ungefär förhållandet mellan el- och värmebehovet i samhället i stort.

Energianvändning

All energianvändning påverkar miljön negativt i form av ökande växthuseffekt, försurning, övergödning, ingrepp i naturmiljöer m.m. Globalt består mänsklighetens energianvändning till drygt 80% av energi från sedan länge lagrade källor. Källor som inte förnyas utan utgör en ändlig resurs. De ämnen som frigörs vid nyttjandet av denna energi ingår inte i ett naturligt kretslopp. Resterande energianvänding består av energi från källor som vatten- och vindkraft, biomassa. Dessa källor är förnybara genom att de ingår i ett kretslopp. Utsläpp och biprodukter från nyttjandet av de här energikällorna ingår också eller går till övervägande del att införa i ett kretslopp.
För att begränsa och på sikt minska energianvändningens negativa effekter, är det nödvändigt att andelen förnybar energi ökar men också att minska själva behovet av energi. Energin måste också användas på ett rationellt sätt, rätt sorts energi på rätt ställe.
I de stora energisystemen som finns uppbyggda i samhället kan den enskilda energikonsumentens användning uppfattas som mariginell. Men i själva verket är det ju energianvändaren/individen som står i centrum. För att kunna få elektricitet till den enskilda konsumenten finns det ett stort och komplicerat omvandlings- och distributionssystem som samverkar. Ledningar, kraftverk, bränsletransporter etc. Överallt i dessa system sker energiomvandlingar med förluster i varje steg. Ju mer komplext och ju större avstånd desto större förluster.
Om konsumenten ändrar sin förbrukning genom att t.ex. installera lågenergilampor i sitt hus så minskar inte bara antalet kilowattimmar på den egna räkningen utan även förlusterna i ledningsnätet minskar, och i produktionsanläggningen, och det behöver transporteras mindre bränsle etc, listan kan göras mycket lång. Det som kan tyckas vara en liten åtgärd för individen har i praktiken i hela det komplexa systemet en stor betydelse.

Källa: Energimyndigheten