Nesten all den fornybare energien vi rår over stammer fra sola. Solenergien sirkulerer gjennom ledd etter ledd og når oss til slutt i form av «bioenergi», vindkraft, vasskraft, bølgekraft – eller solkraft. Hvor effektivt utnytter de forskjellige sluttleveransene den opprinnelige solenergien? La oss regne.
Sola leverer i gjennomsnitt 240 W pr kvadratmeter jordoverflate – dag etter dag, år etter år, årmilliard etter årmilliard. (Nå ja; litt mer etterhvert som tida går: Solenergien øker noen få prosent hver eneste årmilliard, sier astronomene. I det lange løp kan det ikke fortsette slik, men de nærmeste århundrene går det nok greit.) 240 W er det som er igjen etter at skyene og overflata har reflektert ca 100 W. Regnet over alle årets timer summerer strålingsenergien seg til 2.100 kWt pr kvadratmeter, og ganget ut over Jordas 510 millioner kvadratkilometer blir det 1,07 x 1018 kWt i året. En ørliten del av denne energien høster vi på forskjellige måter og utnytter den til våre egne formål:
Solceller fanger solenergien direkte og omformer den til elektrisk kraft. Dagens solceller er langtfra perfekte; de utnytter mindre enn 20 % av den innkommende solenergien, og fungerer best når sola stråler vinkelrett på panelet. Her i nord skinner Sola ganske skrått. Så med alle fradrag på grunn av dårlig vær og skråsol kan du nøkternt regne med å få ut 100 kWt i året pr kvadratmeter panel, eller omtrent 5 % av den innfallende solenergien.
Teknologien blir bedre. En vakker dag får vi solpaneler som utnytter energien over hele strålingsspekteret, fra infrarødt til ultrafiolett, og som klarer å utnytte både spredt belysning og direkte solstråling. 5 % er likevel veldig mye bedre enn alt du kan sammenlikne med i dag.
La oss et øyeblikk late som om «biodiesel» er klimanøytral. (Det er den ikke: Den kan være verre, like ille som, eller bedre enn fossil diesel med hensyn til utslipp av drivhusgasser, men slike beregninger må gjøres over livsløpet til den enkelte dieselkanne.) Den oljeveksten som gir best avkastning i Norge synes å være raps. På nettet ser jeg at produsenter i solrike innlandsbygder får ut 120 liter pr. dekar. Diesel gir 10 kWt varmeenergi pr liter, så under gode forhold kan du altså få ut (120 x 10)/1000, eller 1,2 kWt varmeenergi, pr. kvadratmeter.
Hva! Dette er 1,2 prosent av det du kan få ut med solpaneler – eller grovt regnet 0,7 promille av innkommende solenergi!
Og dette er den varmeenergien du får fra rapsoljen. Hvis du vil ha energien levert som elektrisk kraft, må du bruke oljen i et kraftverk, og da er du heldig hvis du får en virkningsgrad på 40 %. Da blir det igjen 0,5 kWt elektrisk kraft pr kvadratmeter, eller 1/200 av den elektriske energien du får hvis du bruker samme areal til solcellepaneler.
Raps er en av de beste kandidatene til bioenergi her i landet. Du kan gjerne gjøre tilsvarende beregninger på trevirke, og da får du like nedslående resultater. (Til hjelp på kalkulatoren din: Tørt trevirke har brennverdier på rundt regnet 5 kWt pr kg, og egenvekten er ca 500 kg pr kubikkmeter. Ifølge SSB er tilveksten 24 millioner kubikkmeter i året, fordelt på 81.000 kvadratkilometer produktiv skog – i snitt altså 0,3 kubikkmeter pr dekar. Regn sjøl – men resultatet blir 0,75 kWt pr kvadratmeter. Levert som varmeenergi.)
Foreløpig konklusjon:Fotosyntesen er en svært lite effektiv måte å høste solenergi på. Normalt gir den mindre enn 1/100 så god utnyttelse som dagens solceller. Og solcelleteknologien blir stadig mer effektiv; det blir ikke fotosyntesen.
La oss heller regne på vår nasjonalskatt, fossekraften! Den er i hvert fall effektiv. Og det er riktig; god ingeniørkunst gjennom mange generasjoner gjør at moderne kraftverk utnytter inntil 95 % av den potensielle energien til vatnet og leverer energien som elektrisk kraft. Denne delen av prosessen kan ikke gjøres særlig mer effektivt.
Men dette er bare det siste trinnet i en lang prosess som omdanner solskinn til elektrisk kraft.
Prosessen starter når energien i sollyset blir absorbert av jordoverflata. Noe av denne energien går med til å fordampe vatn. I gjennomsnitt over hele jordoverflata faller det 990 mm nedbør i løpet av et år. Det betyr at det fordamper like mye, for det kommer ikke til mer vatn i kretsløpet, og det blir ikke borte noe heller. Over alle Jordas 510 millioner kvadratkilometer fordamper det følgelig 5,04 x 1017 kg vatn i året. Fordampingsenergien for vatn ved ca 20 C er 0,681 kWt pr kg. Summert over hele Jorda går det med 3,44 x 1017 kWt til fordamping: 32 % av all solenergi som blir absorbert i jordoverflata, eller 23 % av den solenergien som treffer Jorda. - Fordamping og nedbør utgjør altså en stor del av energiomsetningen på Jorda, og av den motoren som driver klima, vær og vind.
Så stiger vanndampen og blir til skyer. Når dampen stiger, tilføres den potensiell energi, og det er den potensielle energien som utnyttes i kraftverk og konverteres til elektrisk kraft.
Når dampen har steget til 3000 meter over havet og blitt til regnskyer, har den fått tilført 0,0082 kWt pr kg vanndamp som potensiell energi. Se så for deg et fjellområde i Norge, 1000 meter over havet. Der ligger det en demning til et kraftverk. Demningen har et nedbørsområde på 10 kvadratkilometer: All nedbør innafor dette området renner til slutt ned i denne dammen. Gjennom røret føres vatnet ned til turbinen ved havoverflata (eller mer realistisk: Flere turbiner på vegen ned). Der konverteres potensiell energi til elektrisk kraft med en effektivitet på 0,95, takket være solid teknologi fra mange generasjoner av NTH-ingeniører.
Anta at nedbøren på fjellvidda faller som gjennomsnittet på Østlandet og Jorda forøvrig, altså 990 millimeter i året. Se bort fra fordamping og annet tap på vegen til dammen. Da er tilsiget fra dammens nedbørsområde 9,9 millioner kubikkmeter, eller 9,9 milliarder kg, pr år.
Vatnet mister 2/3 av sin potensielle energi ved fallet fra 3000 meter ned til 1000 meter. 95 % av resten blir til elektrisk kraft: 25,7 GWt i året, til glede for forbrukerne, industrien og utlendingene. - Tallet er optimistisk: Det forutsetter som sagt at alt vatnet i tilfangsområdet blir brukt i produksjonen, og slik er det nok sjelden. De fleste kraftverk har dessuten mye mindre fallhøgde enn de 1000 meter jeg opererer med: Finn yndlingskraftverket ditt her. https://no.wikipedia.org/wiki/Liste_over_vannkraftverk_i_Norge Sjøl liker jeg aller best Toverud kraftstasjon, en praktfull bygning som rommer lokal kultur- og industrihistorie i mer enn hundre år. https://no.wikipedia.org/wiki/Toverud_kraftstasjon (Det var strengt forbudt å gå på røret opp til Sortungen. Men det de foresatte ikke veit, det har de ikke vondt av.)
Med all den innebygde optimismen i tallene: Hvor mye energi får kraftverket i regnestykket mitt ut av et tilfang på 10 kvadratkilometer, sammenliknet med solenergien som treffer det samme området?
Vi er på Østlandet. Fra det skrånende solskinnet mottar bakken noe sånt som 1800 kWt pr kvadratmeter pr år. På 10 kvadratkilometer blir det 18.000 GWt. Kraftverket får altså ut 1,4 promille av dette. Eller 2,8 prosent av det du kunne få ut med solceller, hvis området ble brukt til dét, i stedet for tilfangsområde for fossekraft.
Vi har lært:
Med solpanelet får vi ut 5 % av solenergien som elektrisk kraft.
Bioenergi fra raps gir oss 0,3 promille av solenergien som elektrisk kraft.
Bioenergi fra trevirke gir oss 0,15 promille av solenergien som elektrisk kraft.
Fossekraft gir oss i beste fall 1,4 promille av solenergien som elektrisk kraft.
Dette er eksempler. Andre regnestykker kan settes opp, men de vil ikke avvike vesentlig fra disse. Og disse eksemplene viser at fossekraft er en del mer effektivt enn bioenergi, men den bleikner mot solkraften. 5 prosent er 35 ganger så mye som 1,4 promille.
Pris deg lykkelig for fossekraften! Den har antakelig gitt oss vel så mye velstand som oljen. Men når vi må skaffe oss MYE mer elektrisk kraft, heter løsningen solkraft og vindkraft. Utbygging av sol og vind gir mange ganger så effektiv arealbruk, og følgelig mye mindre naturskade, enn fortsatt utbygging av fossekraft.
Se også: http://kvernvold.blogspot.com/2020/10/norge-kan-leve-av-energisalg-i-all.html
Ingen kommentarer:
Legg inn en kommentar