6.2 Fornybare energikilder

Hvor blir det av energien?

Har du lagt merke til at en bil blir varm etter en lang tur, eller at en lyspære gjør det? Det er ingen tilfeldighet -- det er et resultat av en av de mest grunnleggende lovene i fysikken: energiloven.

Energiloven sier at energi aldri forsvinner. Men i praksis omdannes alltid noe av den til former vi ikke ønsker, særlig varme. Hvor mye av energien vi faktisk får utnyttet til det vi vil, beskriver vi med virkningsgrad. I dette kapittelet skal du forstå energiloven, lære å spore opp energitap, og regne ut virkningsgrad -- et nøkkelverktøy for å vurdere hvor effektive teknologiske systemer egentlig er.

Energiloven: ingenting forsvinner

Energiloven, også kalt termodynamikkens første lov, sier at energi verken kan skapes eller ødelegges -- bare omformes eller flyttes. Vi kan skrive det som et enkelt regnskap:

$$E_{\text{tilført}} = E_{\text{nyttig}} + E_{\text{tap}}$$

Med andre ord: all energien som går inn i et system, kommer ut igjen, fordelt på den vi får brukt og den som går tapt. Når vi i dagligtale sier at noe «forbruker energi», mener vi egentlig at energien omdannes, ikke at den blir borte. Lader du mobilen med 10 J, kan kanskje 8 J bli til kjemisk energi i batteriet og 2 J til varme i laderen -- og 10 inn er fortsatt lik 8 pluss 2 ut.

Men selv om energien aldri forsvinner, er ikke alle energiformer like nyttige. Termisk energi ved lav temperatur er vanskelig å utnytte videre, og når energi omdannes, ender en del alltid opp som slik lavtemperatur-varme som spres til omgivelsene. Det er dette vi kaller energitap. Begrepet betyr altså ikke at energien er borte, men at den er blitt vanskelig å bruke. I en glødelampe blir hele 95 prosent av strømmen til varme og bare 5 prosent til lys; i en forbrenningsmotor blir bare 25-35 prosent av drivstoffet til bevegelse. Tapet skyldes ofte friksjon, som gjør bevegelse til varme, og elektrisk motstand, som varmer opp ledninger. I virkelige systemer er det umulig å unngå energitap helt -- så en glødelampe som får 60 J og gir 3 J lys, taper de resterende 57 J som varme.

Virkningsgrad: hvor mye får vi ut?

For å måle hvor effektivt et system utnytter energien, bruker vi virkningsgrad, skrevet med den greske bokstaven $\eta$ (eta). Den er rett og slett forholdet mellom nyttig og tilført energi:

$$\eta = \frac{E_{\text{nyttig}}}{E_{\text{tilført}}} \times 100\%$$

Vi kan også bruke effekt -- energi per tid -- i stedet for energi, det gir samme svar. Virkningsgraden ligger alltid mellom 0 og 100 prosent. En virkningsgrad på 100 prosent ville bety at all energi ble nyttig, men det er umulig i praksis, fordi noe alltid tapes. Får en elmotor 800 W og leverer 680 W, er virkningsgraden $\displaystyle \frac{680}{800} = 85$ prosent. Et solcellepanel som mottar 2000 W sol og gir 400 W strøm, har $\displaystyle \frac{400}{2000} = 20$ prosent.

Typiske virkningsgrader avslører et viktig mønster. Vannkraftverk ligger på 85-95 prosent og elmotorer like høyt, mens forbrenningsmotorer bare ligger på 25-45 prosent, og en gammeldags glødelampe nede på 3-5 prosent. Legg merke til at elektromaskiner -- motorer, generatorer, turbiner -- har langt høyere virkningsgrad enn varmemaskiner som forbrenningsmotorer. Dette er en hovedgrunn til at elektrifisering av transport og industri sparer så mye energi. Når energi omdannes i flere ledd, multipliseres virkningsgradene: $\eta_{\text{total}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \ldots$ En bensinmotor med 30 prosent og en girkasse med 90 prosent gir til sammen $0{,}30 \times 0{,}90 = 0{,}27$, altså bare 27 prosent fra bensin til hjul.

Energienheter og en virkelig sammenligning

Før vi regner mer, må vi ha kontroll på enhetene. Joule er SI-enheten, men i hverdagen bruker vi flere. På strømregningen møter du kilowattime (kWh): energien et apparat på 1000 watt bruker på én time, som tilsvarer $1 \text{ kWh} = 3{,}6$ MJ. Mat måles i kilokalorier, der 1 kcal er rundt 4186 J. Og effekt er energi per tid, $\displaystyle P = \frac{E}{t}$, målt i watt. En varmtvannsbereder på 2000 W som går i 3 timer, bruker $2{,}0 \cdot 3 = 6$ kWh, som er 21,6 MJ, og koster 9 kroner ved 1,50 kr/kWh.

La oss bruke alt dette til en virkelig sammenligning: bensinbil mot elbil. Bensinbilen har en motor med 30 prosent virkningsgrad og en girkasse med 90 prosent, som gir $0{,}30 \times 0{,}90 = 27$ prosent fra bensin til hjul. Elbilen har et batteri på 95 prosent, en elmotor på 90 prosent og et gir på 98 prosent, som gir $0{,}95 \times 0{,}90 \times 0{,}98 \approx 84$ prosent. Elbilen er altså mer enn tre ganger så effektiv -- bensinbilen kaster bort nesten tre fjerdedeler av energien som varme, mens elbilen utnytter over 80 prosent.

Men her må vi være nøkterne og se hele bildet. Virkningsgraden i selve bilen forteller ikke alt -- vi må også vurdere hvor strømmen kom fra. Kommer elektrisiteten fra vannkraft med rundt 90 prosent virkningsgrad, er elbilen klart overlegen i hele kjeden. Kommer den derimot fra et kullkraftverk med bare rundt 38 prosent virkningsgrad, krymper den samlede fordelen betydelig. Det er nettopp slike helhetsvurderinger -- fra kilde til hjul -- som gjør virkningsgrad til et så viktig verktøy når vi skal sammenligne energisystemer rettferdig.

Oppsummering

Vi har sett at energiloven sier at energi verken kan skapes eller ødelegges, bare omformes, slik at $E_{\text{tilført}} = E_{\text{nyttig}} + E_{\text{tap}}$. Energitap betyr ikke at energi forsvinner, men at den blir til lavtemperatur-varme som er vanskelig å bruke.

Virkningsgrad ($\displaystyle \eta = \frac{E_{\text{nyttig}}}{E_{\text{tilført}}} \times 100\%$) måler hvor mye vi får utnyttet, og i flere ledd multipliseres virkningsgradene. Elektromaskiner er langt mer effektive enn varmemaskiner, slik sammenligningen mellom el- og bensinbil viste -- men en rettferdig vurdering må se på hele energikjeden, helt fra kilde til hjul.