Fremtidens energi

Alex C. Hoffmann

Etter fullført utdannelse ved University College, London, arbeidet Alex C. Hoffmann ved forskningsinstitutter og universiteter i England og Holland. Han ble ansatt som professor i prosessteknologi ved Institutt for fysikk og teknologi, Universitetet i Bergen, i 2001.







Fysikken forteller oss at energi verken kan produseres eller ødelegges. Ikke et oppløftende utgangspunkt for å diskutere energiproduksjon, men det illustrerer at ordet energiproduksjon er misvisende. Vi burde heller bruke energikonversjon: I naturen finner vi energi, eller energi"kilder", som vi konverterer til former som er nyttige for oss.

Energi eksisterer i forskjellige former. Dette kan illustreres med et lodd som man holder i hånden. Loddet har «potensiell energi» fordi det befinner seg over jordoverflaten. Når loddet faller, omdannes denne energien til «bevegelsesenergi», og når loddet treffer bakken, omdannes energien til varmeenergi. Også stråling og elektrisitet er energiformer.



Noen eksempler på energikilder i naturen: Høytliggende vannreservoarer har potensiell energi. Kull, olje og naturgass gir varme ved forbrenning og uran ved kjernespalting. Solen stråler ut energi, vind, undersjøiske strømmer og bølger har bevegelsesenergi, og jordens indre har varme. Noe av denne primærenergien kan brukes direkte f.eks. til oppvarming, mens noe må konverteres til f.eks. elektrisitet. Men konvertering medfører energitap. Hvis vi i et vanlig kraftverk forbrenner naturgass og produserer elektrisitet, er prosessen ca. 33 % effektiv, dvs. den elektriske energien er bare 33 % av naturgassens energi. Konvertering av solenergi til elektrisitet i en solcelle er ca. 20 % effektiv. Energiteknologer arbeider med å forbedre disse effektivitetene. Hvis vi f.eks. utnytter spillvarmen fra et kraftverk, («kogenerering»), kan energiutnyttelsen økes til 50-60%.



Når vi bruker meter (m) til å måle lengde, brukes joule (J) til å måle energi. En joule er en liten enhet, en kilowatt-time er lik 3,6 millioner Joule, eller 3,6 MJ (megajoule). Vi må derfor bruke store tall for å diskutere globalt energiforbruk. Kilo, mega eller giga (milliard), er ikke nok, vi må bruke zettajoule (ZJ), der zetta er et 1-tall med 21 nuller bak.

Verdens årlige forbruk av primær energi er nå 0,4 ZJ. Forbruket per person er skjevt fordelt: i Norge, Canada og USA, brukes ca. 25 ganger mer enn i de afrikanske landene.

Det antas at verdens primære energiforbruk i år 2100 vil være omkring 2,5 ZJ. Det ville bety at alle forbruker omtrent det samme som Europas gjennomsnitt i dag, eller litt under halvparten av Norges forbruk. Så når vi nedenfor snakker om energireserver, de som kan utvinnes med dagens teknologi til en akseptabel pris, og energiressurser, hva som ellers finnes, så husk disse tallene: ca. 0,4 ZJ pr. år i dag, og ca. 2,5 ZJ i år 2100.



Hvordan skal vi få fatt i 2,5 ZJ pr. år?

Hvis vi starter med to fossile brennstoff, olje og naturgass, så er det klart at de ikke varer evig. BP deler Norges årlige oljeutvinning med de kjente reservene og finner at norsk olje er oppbrukt om 8 år! Oljedirektoratet (OD) tar med uoppdagede reserver og bedre utvinningsteknologi og kommer til ca. 50 år. For naturgass anslår BP de norske reservene til 22 år, mens OD kommer til ca. 100 år. OD er nok nærmest. På verdensplan regner man med at oljereservene svarer til omkring 16 ZJ, altså nok til 40 år ved dagens forbruk eller litt over 6 år i 2100 og for naturgass noenlunde det samme.



Der er imidlertid mer olje og gass i naturen. F.eks. regner man med, at der er omkring 20 ZJ i «oil shale», en bergart som inneholder store mengder organisk materiale som kan konverteres til olje og gass, og som allerede brukes i de baltiske stater. Dypt i havet og under permafrost finnes det også reservoarer av gasshydrater, en slags is med bundet naturgass, og som svarer til hundreder av ZJ. Dyptliggende grunnvann inneholder også hundreder av ZJ i oppløst naturgass. Så alt dette kan jo vare en stund om man bare klarer å utvinne det.

For kull er de kjente reservene omkring 20 ZJ. Man regner med at det i tillegg kan finnes ca. 200 ZJ.



For fornybare energikilder, er ikke problemstillingen hvor mye vi har, men hvor mye vi kan utvinne per år. For hydroelektrisitet er kapasiteten avhengig av hvor mye regn som faller, hvor stor del av dette som ikke fordamper, og hvor høyt landet er. Det anslås at 0,15 ZJ kan utvinnes pr. år. En elegant teknikk, men den rekker ikke til mye i år 2100.

«Biomasse» er en fellesbetegnelse på forskjellig organisk materiale, mest trevirke. Det anslås at dette fornybart kan gi mellom 0,3 og 1,3 ZJ pr. år. En fordel er at bruk av trevirke gjør skogdrift mer attraktivt og våre omgivelser grønnere, men dessverre er det altså ikke nok på sikt.

Med solenergi ligger det bedre an. Strålingsenergien fra solen kan utnyttes ved solceller eller ved å skape varme. I praksis kan ca. 1,6 ZJ pr. år utnyttes. En gjennomsnitts husstand kan dekke sitt behov for elektrisitet og varme ved å dekke huset med solceller, ikke urealistisk, men ennå ikke økonomisk attraktivt.



Vindenergi er mye på tale. Det anslås at man maksimalt kan utvinne ca 0,6 ZJ pr. år. Men i Danmark, hvor det satses mye på vindenergi, har landskapet forandret seg. Overalt ser man møller rotere over horisonten, og det for å dekke 10 % av energibehovet. Variasjoner i vindelektrisiteten er heller ikke bra for forsyningsnettet.

Geotermisk energi, varme fra magma, underjordiske klipper, varme kilder osv. anslås å kunne gi ca. 5 ZJ pr. år. Andre mulige energikilder er undersjøiske strømmer, bølger og forskjeller i saltkonsentrasjon mellom f.eks. havet og utløpet av elver.

Den energikilden som kan vise seg å være mest interessant på sikt, kjerneenergi, har vi gjemt til slutt. Kjerneenergi er ikke fornybar, men er i praksis uuttømmelig. I et konvensjonelt kjernekraftverk brukes anriket uran i en kritisk spaltingsprosess. Det er uranreserver nok til omkring 12 ZJ energi, avhengig av hvor mye man vil betale. Men ressursene er større enn dette.



Det anslås at havet inneholder ca. 2600 ZJ (2,6 yottajoule, YJ) uran, og jordskorpen ca. 7 millioner ZJ (7 xonajoule, XJ). Men det er mer å finne, en såkalt "breeder"-reaktor produserer flere spaltbare atomer samtidig som den produserer energi og kan ulvinne 60-70 ganger mer energi pr. kg uran.

En annen interessant prosess er «the energy amplifier project» av Carlo Rubbia (Nobelpris 1984). Her brukes thorium som drivstoff i en underkritisk prosess som holdes i gang av en akselerator som bombarderer thoriumet med nøytroner. Prosessen stopper opp om noe går galt og er derfor sikker. Prosessen kan også bruke avfall fra tradisjonell kjernekraft. Det finnes store mengder lett tilgjengelige thoriumreserver, men dessverre er forskningen på dette bremset opp grunnet manglende midler da kjernekraft er falt ut av den politiske agendaen.



Men hva med hydrogensamfunnet?

Hydrogen er ikke interessant som en energikilde vi kan finne i naturen. Hvis vi vil bruke hydrogen, må vi produsere det, og det koster energi. Men hydrogen kan være nyttig som energibærer. Det er f.eks. ikke praktisk å drive biler med geotermisk energi eller kjernekraft. Derimot kan vi godt kjøre dem på hydrogen i en brenselcellemotor. Prototypbiler eksisterer allerede, f.eks. fra Ford.



Dersom effektiviteten av energikonverteringsprosessene økes, kan vi redusere forbruket av primær energi. Vi nevnte kogenerering. Ved «kombinert syklus» brukes spillvarmen fra en gassturbin til å drive en dampturbin. Mer revolusjonerende er brenselsceller, der vi har samme reaksjon som ved forbrenning, men der det meste av energien kommer ut som elektrisk energi, slik at vi til dels unngår energitapet ved å konvertere varme til elektrisitet. En annen fordel ved brenselsceller er mindre forurensing.



Så hva er konklusjonen? Løsningen på fremtidens energiproblemer, både kapasitets- og miljømessig, trenger ikke være så langt unna som man skulle tro. Men kanskje bør vi bruke sjansen nå i verdens fysikkår til å sørge for at det kommer litt mer fysikk og litt mindre politikk i saken.