Omdannelse af energi er en evig udfordring

Mine Herrer!

Sådan begyndte G.A. Hagemann 22. marts 1892 sit indledningsforedrag i Dansk Ingeniørforening med titlen ‘Om Energien og dens Ændringer’.

Foredraget blev optrykt i fuld længde i den første udgave fra 2. juli af foreningens ugetidsskrift ‘Ingeniøren’, der havde til formål at bringe ‘teknisk-videnskabelige Meddelelser, der have særlig aktuel Interesse’.

Men før vi går videre, så lad mig tilføje: Og Damer! – for i det følgende vil jeg i en nutidig kontekst for en formodentlig mere divers læserskare kaste et blik på Hagemanns foredrag om materie og energi, som ‘ere evig bestandige, de kunne vel ændres – derimod ikke forgaa’.

Med henvisning til førende videnskabsmænd og gennem talrige industrielle eksempler fra ind- og udland gennemgik Hagemann på imponerende og meget detaljeret vis, hvordan og hvor let eller besværligt mekanisk, elektrisk, termisk og kemisk energi kunne omsættes mellem hinanden.

Af Hagemanns glimrende foredrag er det tydeligt, at ingeniør­videnskaben i slutningen af 1800-tallet var i stand til at håndtere energi på mange måder, men der var også store huller og dedicerede fejlopfattelser i forhold til den indsigt, vi har i dag (se f.eks. boksene til denne artikel: ‘Energien er materiens behersker’ og ‘Bevægelse er energiens ytringsform’).

Det var Hagemann selv klar over, for han bemærkede ved afslutningen af sit foredrag:

‘De har af min oversigt, mine Herrer, faaet et Begreb om, hvor liden vor Viden er, men forhaabentlig samtidig faaet et Indtryk af Størrelsen af den Udvikling, som er opnaaet igjennem denne ringe Viden’.

Energiforbruget er eksploderet

En sikker og stabil energiforsyning til glæde og gavn for mennesker over alt på Jorden uden store nega­tive følgevirkninger er en af de helt store udfordringer i dag, så emnet ‘Energien og dens Ændringer’ er mindst lige så aktuelt nu som for 125 år siden.

I slutningen af 1800-tallet var verdens samlede energiforbrug i runde tal 50 exajoule om året (1 exajoule er 10^18 joule), nu ligger det omkring 550 exajoule.

Det skyldes dels en kraftig befolkningstilvækst fra 1,6 milliarder mennesker til 7,5 milliarder, og dels, at det årlige energiforbrug pr. person er vokset fra ca. 30 gigajoule til næsten 80 gigajoule.

Hvor halvdelen af verdens energi i slutningen af 1800-tallet kom fra biomasse (træ), og den anden halvdel fra kul, så er olie, kul og naturgas tilsammen altdominerende i dag. Vind og sol – eller for den sags skyld kernekraft, som Hagemann naturligvis ikke kendte til – udgør kun en mindre del.

Stigningen i energiforbruget har været altafgørende for at skabe velstand og velfærd, men omkostningerne ved en hastig afbrænding af fossile materialer er nu tydelige for alle – eller næsten alle, skulle man måske sige.

I takt med en omstilling til energi­former, der mindsker udledningen af CO2 til atmosfæren, vil sol og vind – og muligvis kernekraft – få større betydning.

Kernekraft har et dårligt ry mange steder, men hvis vi glemmer de følelsesladede argumenter, så er en renæssance for kernekraft nok først og fremmest afhængig af, om der kommer styr på økonomien for moderne kernekraftværker. Her vil succes med byggeriet af et nyt anlæg ved Hinkley Point i England være altafgørende.

Bæredygtig energi i vækst

Globalt set voksede den bæredygtige elektricitetsforsyning med 9 pct. i 2016, og for andet år i træk udgjorde bæredygtig energi mere end halvdelen af den vækst, der var i den samlede globale elektricitetsforsyning.

Så der ér et skifte på vej bort fra fossile brændstoffer, men ifølge det internationale energiagentur, IEA, udgjorde sol og vind i 2015 stadig mindre end 5 pct. af den globale elekticitetsforsyning.

Energi fra sol og vind kommer mere uregelmæssigt end fra kul- eller kernekraft, så det er afgørende, at man kan distribuere energien over store afstande og gerne lagre den, til der er behov for den – et intenst forskningsområde, hvor danske forskere yder deres vigtige bidrag.

For at illustrere udfordringen kan nævnes, at alle verdens batteri­systemer i allerbedste fald kun er i stand til at lagre energi svarende til verdens energiforbrug i 11 minutter – selv hvis man regner rub og stub med, herunder bilbatterier. I praksis kan man kun lagre energi til nogle få sekunders elforbrug i batterisystemer koblet på elnettet.

Skiftet til sol og vind

Afbrænding af træ var i hundreder og tusinder af år dominerende, indtil kul stille og roligt kom på banen.

I 1840 udgjorde kuls andel kun 5 pct., og først ved slutningen af 1800-tallet, da Hagemann holdt sit foredrag, nåede kul op på at levere halvdelen af verdens energi.

Hvor hurtigt et skifte til nye energi­kilder kan finde sted er usikkert. Men det er dog værd at påpege, at Frankrig i løbet af 12 år – fra 197o til 1982 – øgede andelen af elektricitet genereret fra kernekraft fra 4 pct. til næsten 40 pct.

I 2010 vurderede det interna­tionale energiagentur, IEA, at det ville tage 14 år, før den installerede kapacitet for solenergi nåede 180 gigawatt. I dag er den allerede over 290 gigawatt, så det kan måske ske hurtigere, end man umiddelbart skulle tro, selv om det er en kæmpe opgave at sige farvel til kul som en stabil og billig energikilde, vi kan takke for meget – men hvis svineri vi ikke længere kan tolerere.

Globalt set er der store forhåbninger til solenergi, hvor priserne har været drastisk faldende de senere år.

Fra elektricitet til lys

Solenergi betragter vi i dag som strålingsenergi til forskel fra termisk energi, som skyldes den indre bevægelse af molekyler i et legeme.

Hagemann skelnende ikke på samme måde – Solen og lyset var for ham forbundet med varme og var derfor termisk energi.

Men for Hagemann var det mere interessant at omdanne elektricitet til lys end omvendt, så han fokuserede i sit foredrag bl.a. på forskellen i effektivitet ved omdannelse af elektricitet til lys i gløde- og buelamper.

Når det gælder den omvendte omdannelse af varme eller lys til elektrisk energi, var det primært termoelektricitet, han havde i tankerne, omend han bemærkede, at dette princip ikke havde fundet større praktisk anvendelse.

‘Det vil dog sikkert komme,’ spåede Hagemann, som dog næppe kunne forudse, at termoelektricitet en dag ville blive udnyttet i rumsonder til solsystemets fjerne egne, hvor varmeenergi fra henfald af radioaktive isotoper omsættes til elektricitet.

Hagemann kunne måske nok forestille sig at udnytte Solens energi og varme via solfangere, som vi i dag vil betragte som omsætning fra strålingsenergi til termisk energi.

Men solceller, hvor strålingsenergi omsættes direkte til elektrisk energi, havde Hagemann ingen mulighed for at forestille sig. Det krævede en forståelse af opbygningen af atomer, som ikke fandtes på den tid.

Vi har brug for energislaver

Det er energi, der har skabt det moderne velfærdssamfund og gjort det muligt for almindelige mennesker at leve et liv med en komfort, som tidligere dages konger og baroner ville misunde dem.

Når den herskende klasse tidligere kunne leve et behageligt liv og blive opvartet i alle ender og kanter, så skyldes det, at de havde billig arbejdskraft – nogle endog slaver – til rådighed, der kunne levere den fornødne energi.

Nu klarer vi os heldigvis med såkaldte ‘energislaver’ – et mål for, hvor meget menneskelig arbejdskraft der teoretisk skal til at levere vores energiforbrug.

Dem har vi til gengæld også brug for rigtig mange af: En gennemsnits­amerikaner bruger i dag næsten 100 megawatttimer energi om året. Da et menneske kan levere en effekt, der svarer til ca. en tiendedel hestekraft eller 75 watt, skal en gennemsnitsamerikaner have ca. 150 ‘slaver’ til at arbejde for sig i døgndrift for at levere samme energi.

Det lyder dyrt, men omkostningen til energi er faktisk mindre end 5 pct. af gennemsnitsamerikanerens totale forbrug, og netop denne adgang til billig energi har været årsagen til en økonomisk vækst i det 20. århundrede i et omfang, som verden aldrig tidligere har oplevet.

Vi står foran et 'Energiewende'

Men den billige energi har også en omkostning, som kan mærkes ved påvirkningen af klima og miljø. Derfor står verden over for et nyt skifte i vores energiforsyning – et Energiewende som tyskerne kalder det.

Energi har vi sådan set nok af. Solen leverer rigeligt.

Derfor er det nye og forbedrede metoder til ændringer mellem energiformerne, der afgør, hvilket samfund vi kan skabe.

Mine Damer og Herrer ... Lad mig derfor slutte den lille rundtur i energiens verden med Hagemanns afsluttende bemærkning fra 1892, som den dag i dag er lige så rigtig:

‘Fremtiden indeholder endnu mange Muligheder, og selv den vildeste Fantasi vil ikke kunne udmale de Vidundere, som et videre Studium af Energierne og deres Ændringer vil berige Menneske­heden med.’

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Mon ikke det er på tide at opdatere formateringmulighederne her i debatten.

10^18 (den gænse primitive) 10¹⁸ (via superscript i tegnsættet)

[latex]10^{18}[/latex]

(Det virkede i Latex - det har det ellers ikke gjort længe)

  • 4
  • 0

Når mennesket skal have varme eller kulde så vil det være oplagt at benytte et varmepumpe system eller køle system, der er drevet med elektricitet. Dermed undgår man smog i alverdens store byer hvor kul, olieprodukter og lignende brændes af lokalt. El er relativ billig at transportere og rimelig stabil så længe systemet ikke overbelastes. Brugen af køle/varmepumpe systemer gør at man får en faktor 2-3-5 mere varme/køleenergi ud af elnettets energi (COP faktor). Bevægelse som både kørende og roterende skabes med elmotorer koblet til elnet eller batterier, frem for med dyr eller olie produkter. Og endelig må vi så bruge solens (og dermed også vindens) energi til at drive et eller flere elnet i større eller mindre systemer.

  • 5
  • 1

(Det virkede i Latex - det har det ellers ikke gjort længe)

Og dog. Ingeniørens Latex Jax fortolker virker fint, men er umådelig langsom.

Jeg har indsat Latex formler i en blog med 100+ indlæg. Ved et tilfælde opdagede jeg, at Jax fortolkeren først efter ca. en time havde produceres korrekt visning.

Et stærkt irritationsmoment ved Ingeniørens Jax fortolker er, at den indsætter linieskift før og efter ethvert Latex udtryk, som derfor ikke kan indlejres i en alm. tekst (i modsætning til de fleste andre implementeringer).

Denne sidstnænte skavank bør Ingeniøren rette øjeblikkeligt. Det kan gøre superlet.

På forhånd tak.

  • 2
  • 0

Sitat fra artikkelen: "Så der ér et skifte på vej bort fra fossile brændstoffer, men ifølge det internationale energiagentur, IEA, udgjorde sol og vind i 2015 stadig mindre end 5 pct. af den globale elekticitetsforsyning".

Sol og vindenergi utgjør en liten del av energiproduksjonen i dag. Mange inkludert IEA uttaler seg på en måte som må forstås at slik er det (ubetydelig andel) og slik vil det fortsatt være i framtida. Er det riktig?

En kan ha følgende hypoteser:

1) Sol og vind er ubetydelig og slik vil det alltid være på verdensbasis

2) Danmark har ca 43% av sin strømproduksjon fra vind, men ingen land har vindforhold og areal som dette landet

3) California (USA) har store solcelleparker, men ingen land har så gode betingelser for solceller som USA

4) De fleste land kan bygge ut sin vindkraft opp til 30% av strømforbruket (eller i betydelig grad)

5) De fleste land kan bygge ut solcellekraft opp tll 30% strømforbruket (eller i betydelig grad)

Jeg vil tror mest på punkt 4 og 5. Sol og vind vil presse seg fram fordi de to er billigst, enklest og mest forutsigbare og blir stadig billigere. Deretter er det et spørsmål om i hvilken grad landene tar innover seg klimaproblematikken og presser på for å kvitte seg med fossil energi (tempo).

Hva mener folk på dette forum?

  • 0
  • 0

4) De fleste land kan bygge ut sin vindkraft opp til 30% av strømforbruket (eller i betydelig grad)

5) De fleste land kan bygge ut solcellekraft opp tll 30% strømforbruket (eller i betydelig grad)

Jeg vil tror mest på punkt 4 og 5. Sol og vind vil presse seg fram fordi de to er billigst, enklest og mest forutsigbare og blir stadig billigere. Deretter er det et spørsmål om i hvilken grad landene tar innover seg klimaproblematikken og presser på for å kvitte seg med fossil energi (tempo).

Der er altså nogle rent fysiske begrænsninger indbyggede da sol og vind ikke er stabile og pålidelige. Sol stopper hver nat og kan ikke forventes alle dage. Vind leverer som vinden blæser, men det kan være både nat og dag. Det kommer helt an på lager og backup (og økonomi) hvor stor procent du kan opnå. Danmark er heldig med to store naboer der kan tage variationerne, men yderligere udbygning kræver flere kabler og accept fra naboerne. Norge har en gevaldig masse hydro, som kan tage store udsving, hvis kablerne findes, men det koster også at have et hydroværk, der ikke får lov at producere.

Et godt tankeeksperiment er at du bygger et kraftnet op hvor der intet var før, og heller ikke forbindelser til udenlandske netværk. Hvor mange vindmøller, solceller, hydro og termiske værker er nødvendige og økonomiske. For det meste er der en begrænsning på hvor meget hydro du kan udnytte (nedbør og areal plus højde). Dine 30% med en stor variation lyder som et godt bud. Lagring af VE til dårlige tider er i hvert fald ikke økonomisk muligt endnu. Ellers så havde vindmøller og solceller installeret det i stor stil. Alternativt, så kræver det politisk opbakning, en omskrivning for støtte.

  • 3
  • 5

Jeg vil tror mest på punkt 4 og 5. Sol og vind vil presse seg fram fordi de to er billigst, enklest og mest forutsigbare og blir stadig billigere. Deretter er det et spørsmål om i hvilken grad landene tar innover seg klimaproblematikken og presser på for å kvitte seg med fossil energi (tempo).

Hva mener folk på dette forum?

Sol bliver mere end 30% globalt. Utvivlsomt. De områder med størst vækst i fremtiden (grundet demografi og økonomisk/teknologisk udvikling) er tættere på ækvator end end vi i Vesten. Og de får voldsomt brug for energi og vil have svagere elinfrastruktur, så mindre landsbyanlæg uden fuld backup vil givetvis blomstre op i tillæg til husstandsanlæg og centrale systemer i "de varme lande" som er en stor del af verden.

Vind er svært at forudse. om 5-10 år vil vind formentlig kun være attraktivt i forhold til sol i ret stor afstand fra ækvator - områder, som allerede nu ofte er i gang med udbygning af kulstoffrie systemer - og her er hydro og atomkraft som regel mere eftertragtet (når det er muligt) grundet det manglende behov for backup/lagring. Vind vil nok have en plads; men 30% lyder meget optimistisk...

Kina og Indien og resten af Asien bliver langt overvejende atomkraft, en god sjat hydro og en del sol. Vind bliver en mindre spiller derude/ovre. Afrika (og mellemøsten) bliver solens hjemlande, naturligvis, og det kontinent med mindst atomkraft forholdsmæssigt, medens vindenergi er svært at gennemskue graden af. Sydamerika bliver hydro, sol og atomkraft og beskedne mængder vind, tror jeg. Oceanien kan ende hvor som helst. Europa og Nordamerika (og måske en del i Rusland?) bliver nok vindens hjemlande; men vinden bliver formentlig lillebror til både sol, hydro og atomkraft...

  • 4
  • 4

Rigtig meget energi går til at ændre en temperatur eller opretholde en temperaturforskel mellem et emne (en frossen kylling, eller inventaret i et hus) og omgivelserne. Og den gode nyhed er, at varme eller kulde kan gemmes i meget store mængder over tidshorisonter, som er relevante (typiske udsving i produktion af energi fra sol og vind, dvs. timer og dage, op til en uge).

I områder med gode muligheder for solenergi, kan man lagre solstrøm som grødis til airconditioning. Det giver lavere COP på varmepumpen, men hvis strømmen alligevel er billig, betyder det mindre. Grødis har desuden den fordel, at det mangedobler energikapaciteten af et givent volumen af vand. På et tidspunkt vil det sikkert blive

Det er svært at se lige nu, at man skulle kunne nå til 100% vind og sol i DK, men med lagre af rimelig størrelse, kan man måske nå op på 80%, og så klare spidslasterne i varmeforbrug, hvor produktionen er lavest, med lagrede biobrændsler. Det vil især være i FV-sektoren, således at man om vinteren prioriterer el til huse med individuelle varmepumper (VP), og slukker for de store centrale VP'er der, og fyrer med biobrændsler. Det er en måde, hvorpå man kan nå meget langt. Og der skal være termisk back-up på elproduktion (gerne fyret med lagret biogas), så der er forsyningssikkerhed for elforsyningen, inkl. de individuelle VP'er.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten