1. No category

Miljö och Fysik
Datum 150319
Mikael Syväjärvi
Linköpings universitet
1
Innehåll
1. INLEDNING
4
2. GLOBAL UPPVÄRMNING
4
6
2.1. Klimatanpassning av världen
2.2. Sveriges miljömål
6
2.3. Effekter av global uppvärmning
8
2.4. Allmänhetens förståelse för klimatsituationen
Error!
Bookmark not defined.
2.5. Växthusgaser
9
2.6. Industriella utsläpp av koldioxid
12
2.7. Kollagring och kvävegödsling
15
2.8. Andra nyttjandeaspekter på koldioxidutsläpp och skog 18
3. NATURLIG OCH FÖRSTÄRKT VÄXTHUSEFFEKT
21
3.1. Strålning
3.2. Atmosfären
3.3. Strålningsbalans
3.4. Metan – en starkare växthusgas än koldioxid?
21
22
24
29
4. TRANSPORTER
ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
4.1. Flyg- och fartygstransport
Error! Bookmark not
defined.
Error! Bookmark not defined.
4.2. Miljökrav
4.3. Utsläpp från vägtrafik Error! Bookmark not defined.
4.4. Elbilar
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
4.5. Lagring av koldioxid
4.6. Minskning av koldioxid genom andra sätt
Error!
Bookmark not defined.
5. FOSSILA BRÄNSLEN
ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
Error! Bookmark not defined.
5.1. Energi
5.2. Typer av fossila bränslen Error! Bookmark not defined.
5.3. Bensin
Error! Bookmark not defined.
5.4. Etan5ol
Error! Bookmark not defined.
5.5. Biodiesel
Error! Bookmark not defined.
5.6. Alger för grön råolja
Error! Bookmark not defined.
5.7. Olja från växter
Error! Bookmark not defined.
5.8. Energigaser
Error! Bookmark not defined.
5.9. Naturgas
Error! Bookmark not defined.
5.10.
Biogas
. Error! Bookmark not defined.
5.11.
Vätgas
Error! Bookmark not defined.
6. SOLENERGI
31
2
6.1. Solens - ett klot av gas
6.2. Solceller
31
32
7. BELYSNING
37
7.1. Glödlampan
7.2. Lysröret och lågenergilamapan
7.3. Kvicksilverfri lågenergilampa
7.4. Lysdioden
39
42
44
45
8. ANDRA VÄRMEKÄLLOR
ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
8.1. Bergvärme
Error! Bookmark not defined.
8.2. Produktion av elektricitet
Error! Bookmark not
defined.
8.3. Kärnkraft
Error! Bookmark not defined.
9. FÖRNYELSEBAR ELEKTRICITET
55
9.1. Vindkraft
55
67
9.1.1. Vertikal vindkraft
9.1.2. Alternativ vindkraftsteknik Error! Bookmark not
defined.
70
9.1.3. Utbyggnad av vindkraft
9.2. Vattenkraft
Error! Bookmark not defined.
9.3. Vågkraft
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
9.4. Andra kraftverk
9.5. Prognosstyrning
Error! Bookmark not defined.
10.
RENA TEKNOLOGIER ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
10.1.
10.2.
Miljöteknik
El ur spillvatten
11.
KLIMATSMART MAT ERROR! BOOKMARK NOT
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
DEFINED.
11.1.
11.2.
11.3.
Miljökrav
Odling
Avfall
12.
LITTERATUR OCH KÄLLOR
3
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
71
1. Inledning
Det här materialet tar upp miljöfrågor och fysiken bakom dessa. Underlaget har
mål att vara skrivet så att den som är intresserad av ämnet ska kunna ta till sig
av innehållet utan att behöva vara expert eller ha djupa fysikkunskaper. Tanken
är att materialet ske ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan
ta med sig för vidare diskussioner. Materialet kommer att ta upp mer etablerade
miljöfrågor som utnyttjande av naturkrafter, exempelvis vind- och vågkraft, men
även diskutera teknikfrågor som berör det som kallas rena teknologier. Detta är
teknologier som klassas som miljöteknologi genom att de på någon sätt bidrar
till att förbättra miljön på kort eller lång sikt.
2. Global uppvärmning
Det första man kanske tänker på när man nämner ordet miljöfråga är global
uppvärmning. De flesta känner förmodligen till att med global uppvärmning så
menas en ökning av temperaturen på jorden. Närmare bestämt så handlar det
om uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven. Under 1900-talet
steg medeltemperaturen med ca 0.6-0.7 grader. Grafen nedan visar den
konstaterade globala temperaturökningen sedan man kunde börja göra
tillförlitliga mätningar i mitten av 1800-talet. Rent generellt sker förändringar av
temperaturen på jorden på grund av mer eller mindre periodiska naturliga
processer. Det både forskas och debatteras om orsaken till dessa, men
variationerna av temperaturen förväntas hålla sig runt ett konstant medelvärde.
Under det senaste århundradet har dock medeltemperaturen ökat. I september
2013 kom den första delrapporten av FNs senaste klimatrapport.
Uppvärmningen av klimatsystemet är otvetydig och många av
de observerade förändringarna sedan 1950-talet har inte
förekommit under de senaste tiotals till tusentals åren.
Atmosfären och världshaven har blivit varmare, mängden snö
och is har minskat, havsnivåerna har stigit och halten av
växthusgaser har ökat. 1
1
Svensk översättning gjord av Naturvårdsverket.
4
o
Temperaturvariation [ C]
1
0.5
0
-0.5
-1
1840
1880
1920
1960
2000
Årtal
Global temperaturökning där nollvärdet är vald som medeltemperaturen 1961-1990, data
från Climatic Research Unit, UK.
Den mest accepterade, och samtidigt debatterade förklaringen, är att
temperaturökningen orsakas av människans handlingar och främst genom
utsläpp av växthusgaser. Enkelt beskrivet så värmer solen upp jorden genom
solstrålning, och jorden släpper ut en del av värmen tillbaka i rymden i form av
infraröd strålning. Det uppstår en naturlig energibalans. När växthusgaser lägger
sig som ett täcke runt jorden, så hindras värmen från jorden på sin väg ut och
jorden blir varmare.
I en rapport år 2007 från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on
Climate Change), som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom
miljöfrågor, fastställs att koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga
variationer under de senaste 650000 åren. Enligt prognoser i rapporten
förväntas medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år 2100.
Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden, ökningarna blir störst över
land och på norra halvklotet. Klimatpanelen fastslog att om den genomsnittliga
temperaturökningen inte ska bli mer än två grader så måste de globala
5
koldioxidutsläppen börja minska senast år 2015 och minska med mellan 50 och
85 procent fram till år 2050. Rapporten av FNs klimatpanel gavs ut 2007, och en
kompletterande rapport gavs ut 2009 av Regeringskansliet 2 . Klimatpanelens
studier täckte fram till år 2006. Kommissionen för hållbar utveckling har därför
bett om en uppdatering och den nya rapporten från 2013 visar bland annat att
ökningstakten av växthusgaser är högre än tidigare.
2.1.
Klimatanpassning av världen
De olika länderna har olika mål som måste uppfyllas när det gäller
koldioxidutsläpp. Det kommer ständigt beräkningar om hur mycket
klimatanpassning skulle kosta. Med klimatanpassning menas de åtgärder som
görs för att anpassa samhället till klimatförändringar som vi ser idag och sådana
som vi inte kan förhindra i framtiden. I Sverige finns Klimatanpassningsportalen,
som är ett samarbete mellan flera myndigheter, där man kan läsa mer om det
som sker i Sverige3. Som en del av detta så har Sverige miljömål.
2.2.
Sveriges miljömål
I Sveriges miljömål 4 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för
koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer. En kolsänka
binder kol, exempelvis i hav eller växtlighet. Skogen är en viktig del av
växtligheten. Avhuggning påverkar därför kraftigt skogens möjlighet till att binda
kol. Flexibla mekanismer är olika former för utsläppshandel med växthusgaser.
De svenska utsläppen av växthusgaser skall, som ett medelvärde för perioden
2008-2012, vara minst 4 % lägre än utsläppen år 1990.
2
Markku Rummukainen och Erland Källén, 2009: Ny klimatvetenskap 2006-2009, Kommissionen för hållbar
utveckling, Regeringskansliet.
3
www.klimatanpassning.se
4
www.miljomal.se
6
Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål 5. Dessa är:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
5
Begränsad klimatpåverkan
Frisk luft
Bara naturlig försurning
Giftfri miljö
Skyddande ozonskikt
Säker strålmiljö
Ingen övergödning
Levande sjöar och vattendrag
Grundvatten av god kvalitet
Hav i balans samt levande kust och skärgård
Myllrande våtmarker
Levande skogar
http://miljömål.se
7
13.
14.
15.
16.
Ett rikt odlingslandskap
Storslagen fjällmiljö
God bebyggd miljö
Ett rikt växt- och djurliv
Som en reaktion på klimatpanelens rapport så finns nu förslag på hur de svenska
utsläppen ska minska till 2020 på kort (år 2020) och lång (år 2050) sikt. De
kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 40 procent fram till
2020. På lång sikt så utarbetas en klimatfärdplan6 med förslag på att inte ha
några utsläpp till år 2050. Förslaget ska komma till november 2015.
2.3.
Effekter av global uppvärmning
Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att
stora gräsområden kan förvandlas till öknar, isområden kan smälta, vindar och
havsströmmar kan ändra riktning och i sin tur ge följdeffekter, havsytorna stiger
och dränker kustnära områden.
Stora isområden kommer ständigt upp i klimatdiskussionen, främst de som finns
vid nord- och sydpolen. Dessa enorma områden med stor yta reflekterar
6
http://www.regeringen.se/sb/d/108/a/237993
8
strålning. Om dessa ytor blir mindre så minskar följdaktligen den reflekterade
strålningen och bidrar till en ökad temperatur genom en minskad
värmeavgivning som sker genom jordens strålning ut i rymden. Den
reflekterande effekten har ett eget namn, albedo, som används inom fysik,
meterologi och astronomi. Albedo räknas som den andel av rakt infallande ljus
som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har beror
på dess sammansättning. Exempelvis har nysnö ett albedo på 0.9 och hav har
ett värde på 0.06, d v s 90% respektive 6% av strålningen reflekteras för nysnö
och hav. Därför är isområden viktiga för att reflektera solstrålning.
Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter.
2.4.
Växthusgaser
En växthusgas är en gas som bidrar till växthuseffekten, exempelvis koldioxid,
freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta
förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner är föreningar av kolväten
med flor, klor och brom och som användes som kylmedium. Men idag har de
9
mer eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre
alternativ eftersom de kan bidra till att minska ozonskiktet. Vid förbränning i luft
bildar kväve och syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck.
Det sker främst från förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk.
Kväveoxiden kan i sin tur reagera med syre för att bilda kvävedioxid som
medverkar tillsammans med kolväten och sot för att bilda marknära ozon.
Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från
människor och djur, samt existerar som en andel i naturgas vilket är en
blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig
för människan, men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)strålning. Freon och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret,
men med minskade utsläpp kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till
ozon när det utsätts för UV-strålning.
Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt.
Gaserna kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över
hela jordklotet. Deras påverkan blir på en global nivå, även om de direkta
källorna är ojämnt fördelade över jordklotet.
Koldioxid är en molekyl av kol och syre, den kemiska beteckningen är CO2. Gasen
är färglös, lite tyngre än luft och inte brännbar. Koldioxid är den produkt som
10
blir kvar vid all oxidation av kol och kolföreningar med luft eller syre. Kol bildas
till stor del vid förbränning av ved, kol och petroleum i luft. Koldioxid används
som kylmedel, exempelvis i livsmedelsindustrin, eftersom den är lätt, inte
lämnar några rester efter förgasning och inte är giftig. Den används även som
skyddsgas för att undvika att få in luft vid förpackning av livsmedel.
Gas
Andel %
Kväve
78.08
Syre
20.95
Argon
0.93
Koldioxid 0.038
Neon
0.002
Helium
0.0005
Metan
0.0002
Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren.
Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs
klimatpanel uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror
på människans industrialisering, och resten från variation i markanvändning.
Forskning pågår för att försöka reducera koldioxid till kolmonoxid som är en
industriellt användbar molekyl. Detta sker bland annat med hjälp av synligt ljus
och olika enzymer. Svårigheten är att hitta metoder som inte kräver mycket
energi, och på sikt hitta organismer som kan reducera gasen.
11
Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är
oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer från biologiska aktiviteter. Vissa
former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av
metan till atmosfären. Eftersom metan finns som en del i naturgas, kan spill från
hanteringen av naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar.
2.5.
Industriella utsläpp av koldioxid
Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen,
men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser.
Utsläpp av koldioxid från industrin i Sverige uppgick 2005 till 15,1 miljoner ton.
Det motsvarar drygt en tredjedel av de svenska utsläppen.
12
Utsläppen ökar med utökad industrialisering.
Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. Eftersom stål är en
legering av järn med upp till 2% kol så uppkommer de största utsläppen vid
rening av järnmalm. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar
13
järnmalmen med kol i en masugn så får man bort syret när två syreatomer
förenar sig med en kolatom och bildar koldioxid, och lämnar kvar råjärn som
förädlas till stål. Men kolet förbränns inte fullständigt. Mycket energi finns i
restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid.
Järnmalm består av ett eller flera av mineraler. Den finns i olika geologiska
formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer
och apatitjärnmalmer, av vilka de flesta bildades för runt två miljarder år sedan.
Dessa malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av
magnetit (svartmalm) och hematit (blodstensmalm). Järnhalterna i jordens inre
är betydligt högre än på jordskorpan, och järnhalten på jorden är cirka 35 % av
jordklotets totala massa. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen,
främst syre och svavel, är det inte vanligt med rent järn. Världens reserver av
järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca
110 000 miljoner ton.
Vid SSABs masugnar i Luleå och Oxelösund släpps runt 5.9 miljoner ton koldioxid
per år. Försök pågår att återföra de brännbara gaserna till masugnen. Med en
sådan recirkulation kan man spara 25 procent kol och så minska
koldioxidutsläppen med lika stor del. Ännu återanvänds inte avgaserna eftersom
de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid försöken provar man att
använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och skilja av koldioxiden
innan gasen återförs till masugnen. SSAB står för elva procent av Sveriges
koldioxidutsläpp. Om man lyckas avskilja koldioxiden och kan komma på hur den
ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll.
14
Källa: Energimyndigheten, Ny Teknik okt 2008
SSAB Luleå, Lulekraft
stål
SSAB Oxelösund
stål
Preem Scanraff
olja
Cementa Slite
cement
Fortum Värtan
värme
LKAB Kiruna
malm
Preem Raffinaderi
olja
Shell Raffinaderi
olja
Cementa skövde
cement
Mälarenergi Västerås
värme
0
2
4
6
8
10
Utsläpp koldioxid [miljontals ton]
2.6.
Kollagring och kvävegödsling
Koldioxidutsläppen kan bli mindre genom att man binder mer kol i marken. Ett
alternativ som diskuteras är kvävegödsling. Ökad kollagring i skogsmark genom
kvävegödsling studeras eftersom den naturliga omsättningen av koldioxid är
uppskattningsvis tio gånger större än de globala utsläppen av koldioxid från
fossila bränslen.
Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom
kvävegödsling av skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att
mer kol lagras i skogsmark genom att sakta ner nedbrytningen av döda
växtdelar. Kväve förändrar ämnesomsättningen hos mikroorganismer som
sköter nedbrytning av organiskt material där de kommer åt kol och kväve.
Koldioxid släpps ut under nedbrytningsprocessen. Det organiska materialet blir
svårare att bryta ner genom den ändrade ämnesomsättningen och processen
bromsas upp.
Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar till att börja med
får en högre kvalité för mikroorganismerna och nerbrytningen sker snabbare,
15
vilket till en början ger mer koldioxid, men dels genom mikroorganismerna får
direkt tillgång till kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från
växterna, vilket ger mindre koldioxid. Nerbrytningen saktar då ner och mer kol
stannar kvar i marken.
Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial genom kvävegödsling.
Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Eftersom
växterna är begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt genom fotosyntesen,
så medför ökad kvävegödsling en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna
energi från koldioxid och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas
upp i väte och syre. Syret går ut i luften och vätet förenas med koldioxid för att
bilda glukos som omvandlas till näring i växtens celler. Som resultat får
kvävegödsling skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad
skogsproduktion, men det finns även risk för övergödning eftersom kväve redan
16
tillförs genom nerfall av luftföroreningar från industrier. En ökad lagring av kol i
biomassa, mark eller vatten kallas kolsänka.
Övergödning börjar med att mer kväve och fosfor kommer ner i ett vattendrag
än vad som är naturligt. Övergödning sker främst genom kväve och fosfor, och
dessa ämnen finns ju naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet.
Eftersom både kväve och fosfor fungerar som gödningsmedel börjar alger och
andra växter i vattnet att växa kraftigt. När algerna och växterna så småningom
dör så faller de till botten och de börjar brytas ner. Om det är väldigt gott om
växter kan det bli syrebrist i vattnet och då är det väldigt få småkryps- och
fiskarter som klarar sig. I sjöar och hav leder övergödning till syrgasbrist och
ökad algblomning. Till slut kan en övergödd sjö växa igen helt.
En avverkning med efterföljande markberedning medför bland annat att mer
koldioxid och kväve avges till luften eftersom marken friläggs. Detta skyndar på
nedbrytningen i marken. När skogen växer upp så binder den mer kol än den
avger. Om marken däremot används för energigrödor så tar det många år innan
utsläppen av koldioxid har arbetats in.
17
I början av 2011 presenterades forskningsrön om att sjöar, dammar och
vattendrag ger ifrån sig mer av växthusgasen metan än tidigare känt 7 .
Metanutsläpp från sjöar och vattendrag har alltid ägt rum. De är naturliga och
utgör inget miljöhot, men deras gasutsläpp är svåra att beräkna och har varit
dåligt kända. Forskningen visar att ett litet kontinuerligt utsläpp sker hela tiden
från ytan, men betydligt större utsläpp kommer plötsligt. Dessa sker med
oregelbundna mellanrum, metan bubblar upp från bottnarna till atmosfären i
stora mängder på bara några sekunder. Data baserades från 474
sötvattensystem, och visar att utsläppen av metan från världens sötvatten
motsvarar 25 procent av den koldioxid som naturen på jordens landområden
binder. Eftersom metan ger en mycket starkare växthuseffekt per molekyl än
koldioxid så innebär forskningsrönet att den växthusgassänka som skogar och
andra landekosystem utgör är betydligt mindre än vad man trott.
2.7.
Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog
7
“Freshwater Methane Emissions Offset the Continental Carbon Sink”, David Bastviken, Lars J. Tranvik, John A.
Downing, Patrick M. Crill, Alex Enrich-Prast, Science 331 (2011) 50.
18
Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att
påverka flödet av materialvolymerna. Med en investering på 75 till 100 miljoner
kronor skulle massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan tillverka
biogas utan att det påverkar massaproduktionen. Detta skulle vara möjligt
genom att ta ut organiskt restmaterial tidigt i processen och använda den för att
tillverka biogas. Produktionstekniskt handlar det om att gå in i hjärtat på
massaprocessen, där de levande organismerna finns så att det blir en syrefri
nedbrytning av organiskt material.
Massaved som används vissa massaframställning kan ge tallolja, som i sin tur
kan användas som biobränsle. Enligt en studie från 2008 av 21 svenska bruk om
deras såpahantering och talloljekokning som genomfördes av
Ångpanneföreningen och Värmeforsk så har Svenska massabruk potential att
öka sin produktion av tallolja med tio procent, motsvarande 290 gigawattimmar
energi om året. Undersökningen visade att det är mycket stor variation i
talloljeproduktionen vid de svenska bruken. Som mest utvanns 67 kilo tallolja
per ton pappersmassa, och som minst tio kilo. Variationen beror bland annat på
andelen tall i brukets råvara av ved, hur länge veden lagras och hur processerna
ser ut. Men även vilken breddgrad bruket ligger påverkar talloljeproduktionen,
och ju högre upp i landet bruket befinner sig, desto högre är
talloljeproduktionen. Träden som används vid bruk längre norrut har växt
långsammare och innehåller mer tallolja. För att få ut så mycket tallolja som
möjligt ska bruken bland annat ha en hög andel tall som råvara och korta
lagringstider av veden. I April 2010 invigdes världens första talldieselfabrik, som
producerar råtalldiesel från råtallolja, i Piteå.
Studier av fönster och möbler av trä genomförd av Trä- och
Möbelindustriförbundet (TMF) visar att även de binder koldioxid, och som
släpps lös först när fönstret eller möbeln återvinns. Runt 1.65 miljoner ton
koldioxid binds i träfönster enligt förbundets rapport från slutet av 2008. TMF är
bransch- och arbetsgivarorganisationen för den träförädlande industrin och
möbelindustrin i Sverige, och företräder cirka 800 medlemsföretag med över 30
000 anställda.
I takt med att utsläpp av koldioxid har ökat från 2 miljarder ton/år (år 1850) till
nuvarande 35 miljarder ton/år så har många klimatforskare befarat att de
naturliga koldioxidsänkorna såsom skog och hav skulle mättas. Detta skulle på
19
sikt kunna leda till en markant ökning av koldioxid i atmosfären. I en studie
baserad på statistisk data av Dr. Wolfgang Knorr vid Bristol University
(Geophysical Research Letters, Nov 2009) så visar utvärderingen att halten
mellan koldioxid i luften och den som absorberats i marken är nästintill
oförändrad (+0.7 ±1.4% per årtionde) sedan 1850. Rent statistiskt så har det
enligt studien inte skett någon förändring av den koldioxid som marken kan
fånga in. Om studien stämmer så betyder det att mer koldioxid kan lagras i
marken när utsläppen blir högre.
20
3. Naturlig och förstärkt växthuseffekt
För att förstå växthuseffekten så måste vi beskriva strålning och atmosfären.
3.1.
Strålning
Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent
fysikaliskt strålar det in energi i form av strålning från solen. Strålningsenergi
från jorden strålar ut i rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska
värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor),
ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum.
Strålningen från solen består av synligt ljus, UV-strålning och infraröd (IR)strålning. En del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och
resterande del växelverkar med jorden på olika sätt så att jorden värms upp,
eller reflekteras.
Elektromagnetisk strålning kan ses som vibrationer eller darrningar i elektriska
och magnetiska fält. Man kan beskriva strålningen som vågor som breder ut sig
i ett medium. Elektromagnetisk strålning i våglängdsintervallet 400 - 700
nanometer kan uppfattas av människans öga och kallas vardagligen för synligt
ljus. De olika färgerna har olika våglängd, det vill säga avståndet mellan två
liknande delar (exempelvis två vågtoppar) varierar. Våglängden brukar
betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda) och i synliga områden är
avståndet mellan topparna 400-700 nanometer, där 1 nanometer är en
miljondel av 1 mm. Ljus som har en våglängd nära 400 nanometer upplevs som
violett ljus. Med ökande våglängd blir ljuset blått och sedan grönt, och fortsätter
sedan till gult, orange och rött. Det skiljer sig hur vi uppfattar färgerna, och det
finns ingen tydlig gräns mellan de olika färgerna.
21
Ljuset från solen innehåller strålning med våglängder som ögat inte kan
uppfatta. Vid våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som
kallas ultraviolett strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning
minskar kraftigt när våglängden minskar. Vid våglängder kortare än 100
nanometer är intensiteten av UV strålningen från solen försumbar.
Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen,
IR-strålning, som även kallas värmestrålning. Intensiteten för denna strålning
hos solljuset minskar med ökande våglängd, men inte lika kraftigt som för UVstrålning. Först vid våglängder kring 1 mm är strålningens intensitet försumbar.
Den största delen av energin från solen kommer i form av infraröd strålning,
denna del motsvarar ca 53% av energin. Den synliga delen av ljuset från solen
utgör 36% och resten, 11%, är UV-strålning.
3.2.
Atmosfären
22
Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det
är ett gashölje som omsluter jorden och hålls kvar av jordens gravitationskraft.
Atmosfären består av kväve, syre och argon till drygt 99%. Resten är vattenånga
och andra gaser, bland annat koldioxid och ozon.
Atmosfären finns mellan jorden och solen. Den skyddar från solstrålning som har
våglängd kortare än 300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålning som
är farlig för människan. I atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon
(bestående av tre syreatomer, O3) som mycket effektivt absorberar all strålning
med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan 300 – 400 nanometer
släpper atmosfären igenom strålningen i allt ökande grad och vid 400 nanometer
släpps mer eller mindre all strålning igenom atmosfären.
Ozonmolekylerna är utspridda i hela atmosfären men ligger särskilt tätt mellan
20 och 40 kilometers höjd. Det höjdområdet kallas stratosfären och under den
finns molnen. Ozon bildas med hjälp av solens strålar, där syremolekyler (O2)
delar på sig och en syreatom går ihop med en syremolekyl och bildar O3. Detta
ozon kan sönderdelas tillbaka till en syreatom och en syremolekyl när UVstrålning träffar ozonmolekylen. Energin från UV-strålningen fångas upp av
ozonmolekylen. På så sätt stoppas UV-strålning av ozonskiktet och stora delar
av UV strålningen når inte jorden.
Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids
mer än de långa och därför blir himlen blå. På samma sätt sprids UV-strålning.
Spridning av strålning kallas Rayleigh-spridning, som fick sitt namna efter Lord
Rayleigh. På dagen när solen står som högst så är himlen blå. Det beror på att
strålning med olika våglängd sprids av partiklar som är mindre i storlek än ljusets
våglängd. Den synliga delen av solstrålningen är nästan vit eftersom strålningen
innehåller alla färger. Rayleigh-spridning är proportionell mot våglängden, som
ofta betecknas med den grekiska bokstaven λ (delta) som λ-4, det vill säga att ljus
med kort våglängd (som blått ljus) sprids bäst. Det gröna och det röda ljuset som
har längre våglängd kommer att spridas mindre och tränger igenom atmosfären
i en rak bana. Det blå ljuset sprids över himlen cirka fem gånger mer än rött ljus
och ger himlen sin färg på dagen. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt
har solljuset en längre väg att färdas genom atmosfären. Det blå ljuset sprids
och det mesta av det blå ljuset når inte till marken. Ljuset uppfattas som rött
och vi upplever den röda kvälls- eller morgonsolen.
23
Tillsammans med William Ramsay isolerade och identifierade Rayleigh
ädelgasen argon 1894. Rayleigh och Ramsay fick 1904 Nobelpriset i fysik
respektive i kemi, för sina upptäckter av ädelgaserna.
Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är
mer effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser
sker inte vid alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland
de gaser som är effektiva finns vattenånga, koldioxid och metan.
3.3.
Strålningsbalans
När värmestrålning, synligt ljus, ultraviolett strålning eller röntgenstrålning
träffar ett föremål absorberas en del av strålningsenergin. Resten av strålningen
antingen reflekteras eller passerar genom föremålet. Strålningen växelverkar
med föremålet och omvandlas till värme, främst genom att föremålets atomer
sätts i rörelse.
En kropp, som byggs upp av atomer, och som är uppvärmd avger energi i form
av strålning som inom fysiken kallas svartkroppsstrålning. Strålningen kallas
även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin
energi i vissa intervall, eller maximum vid olika våglängder. Eftersom det
temperaturen skiljer sig på olika delar av kroppen så blir det en fördelning av
24
strålningen. En kropp som befinner sig vid rumstemperatur avger strålning i den
djupa delen av det infraröda området. En glödlampa har en temperatur på
ungefär 2500oC. Från denna får vi ljus, det vill säga strålning i det synliga delen
av spektrat, och värme som är strålning i det infraröda området. Ungefär 95%
av strålningen är värmestrålning och resten strålning i det synliga området.
Solen har en temperatur på ungefär 6000oC, och en stor del av strålningen som
sänds ut från solen är i det synliga området.
Vid temperaturer över 700oC börjar en kropp skicka ut strålning i det synliga
området, en kropp ser ut att glöda svagt. Vid fortsatt uppvärmning så övergår
ljuset till gult samtidigt som det blir allt kraftigare i intensitet och blir sedan vitt.
När en kropp blir varmare så blir våglängden kortare.
Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700oC]
Gaser i atmosfären påverkar strålningen från den uppvärmda jorden genom
växthusgaserna. Genom växelverkan med gaser så skickas IR-strålning tillbaka
mot jorden. Denna strålning värmer i sin tur upp jorden ytterligare. Man kan
25
göra beräkningar på strålningsbalans mellan ingående och utgående strålning.
Utan en naturlig växthuseffekt, det vill säga att all strålning från jorden går ut i
rymden, skulle temperaturen vara ca -18oC. Inget liv skulle kunna existera
eftersom allt vatten skulle vara fruset.
Eftersom det finns en naturlig omsättning av gaser, som koldioxid, så finns en
normal mängd av dessa gaser i atmosfären. Gaserna växelverkar med
strålningen som skickas ut från jorden och ger en naturlig växthuseffekt.
Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de träffas av
IR-strålning börjar de vibrera kraftigare när de fångar upp energin. Eftersom det
inte är ett normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att återta sina
tidigare tillstånd. De avger då IR-strålning eftersom de avger samma mängd
energi som de fångade upp. Strålningen avges i olika riktningar, och i det
enklaste fallet så avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är
grunden till den naturliga växthuseffekten.
26
Med detaljerade beräkningar som tar hänsyn till IR-strålningen som faller in mot
jorden igen ger att jordens genomsnittstemperatur är ca 15oC. Det fungerar i
princip som ett växthus, där en del av infallande solstrålning reflekteras av
glaset. En stor del av solens strålning släpps dock igenom och absorberas av
växter och mark. Den utgående värmestrålningen från dessa hindras av glaset
och får som följd att växthuset blir varmare. Energi flödar in mot jorden från
solen. Jorden värms upp och avger energi i form av infraröd strålning som i sin
tur växelverkar med atmosfären. Solen och jorden befinner sig i en
strålningsbalans där atmosfären bildar en naturlig växthuseffekt.
I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala
uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden
under 1900-talet. Den förstärkta växthuseffekten sker på grund av en ökad halt
av växthusgaser, så att den värmestrålning som skickas tillbaka till jorden är
högre än naturligt och värmer upp jorden mer.
27
Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar
IR strålning liksom växthusgaserna, men även för att de reflekterar solstrålning.
Moln är en ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. Moln uppstår
när luft kyls så att den blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom
att vattenånga kondenserar på små partiklar.
Moln som befinner sig nära marken reflekterar solstrålning tillbaka till rymden
mer än de växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras
temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga moln har större
påverkan på växthuseffekten eftersom de har lägre temperatur och utstrålar
mindre värmestrålning mot rymden. De består även till stora delar av iskristaller,
som inte reflekterar solstrålning så effektivt.
28
Låga moln reflekterar solstrålning
Klimatproblemet beskriver att orsaken till jordens uppvärmning är ökade
utsläpp av växthusgaser som följd av industrialiseringen, som ger ökad
återfallande IR-strålning in mot jorden och en ökad temperatur.
3.4.
Metan – en starkare växthusgas än koldioxid?
Metan bildas vid bakteriell nedbrytning av organiskt material i syrefattig miljö, t
ex vid kornas fodersmältning och vid lagring av gödsel och annat biologiskt
avfall. När gasen framställs från reningsverkens rötslam och annat avfall så kallas
den biogas och de stora underjordiska lagren av metan kallas naturgas. Både
koldioxid och metan finns som naturliga delar i olika processer. I vissa artiklar
och debatter så dyker jämförelsen mellan metan och koldioxid upp, och att
metan ska vara en starkare växthusgas än koldioxid. Skillnaden mellan halterna
av metan och koldioxid är att det finns cirka 190 gånger mer koldioxid i
atmosfären än metan. De mängder som kommer till atmosfären har även en viss
livslängd innan de bryts ner, under vilken tid som de bidrar till att skapa
växthuseffekten och förstärkningen av denna. Metan har kortare livslängd i
atmosfären än koldioxid, och därmed bidrar en viss mängd metan till
29
uppvärmningen under en kortare tid. Jämförelsen som leder till att metan ibland
räknas som en starkare växthusgas kommer från att mängden strålning som en
viss gas i atmosfären absorberar beror på vilka andra gaser som ingår.
Vattenånga och koldioxid absorberar i relativt breda delar av den infraröda
strålningen. Metan absorberar inom andra våglängdsområden, vilket gör att
dess relativa bidrag till växthuseffekten kan anses som större. Ett vanligt sätt att
jämföra gaserna är att räkna på effekten under 100 år. Då visar det sig att en
molekyl metan bidrar 25 gånger mer till växthuseffekten än en molekyl
koldioxid. En jämförelse som ofta göra är när man jämför ett kilo koldioxid med
ett kilo metan, och metangasens bidrar kan då ses som större, men bör ställas i
perspektiv till de faktiska halterna i atmosfären.
30
4. Solenergi
4.1.
Solens - ett klot av gas
Solen är ett klot av gas och består till största delen av väte. Den främsta
energialstringen i solen är omvandling av väte till helium. I solens inre är
temperatur och tryck så höga att kärnreaktioner äger rum. Då omvandlas väte
till helium och stora mängder energi frigörs. Energierna omvandlas och når
jorden i form av strålning. Solen består till ca 74% av väte. Strålningen
uppkommer när fyra vätekärnor omvandlas till en heliumkärna. Heliumkärnan
är lättare än de fyra vätekärnorna. Skillnaden i massa omvandlas till strålning.
Samtidigt som strålningen bildas så minskar solen i vikt med ungefär fyra
miljoner ton per sekund.
Den enorma energikällan som solen utgör hotas av miljöföroreningar.
Energi från omvandlingen i solens inre, där temperaturen är cirka 15 miljoner
grader, resulterar i gamma- och röntgenstrålning som rör sig utåt under
oupphörliga kollisioner. Tidsskalan för denna energitransport är tiotusentals år.
Vid solens synliga yta har gasens temperatur sjunkit till 5 000–6 000 grader och
strålningen har tappat energi på vägen.
31
Strålningen som sänds ut från solen består av våglängder från ultraviolett till
infrarött. Den största delen finns inom det synliga området (våglängder mellan
390 och 770 nanometer) och den strålningen kallas i vardagligt tal för ljus. Den
mesta energimängden ligger dock i infraröda området där strålningen har en
våglängd över 770 nanometer upp till 1 mm (1000 nanometer). Den mängd
solenergi som träffar vår planet på en enda timme räcker i teorin till för att förse
mänsklighetens energibehov i ett helt år.
Solen är omkring 4,6 miljarder år och har ännu inte har nått halva sin livslängd.
När solen förbrukat sitt väte så kommer den att svalna, och solen övergår till att
förbränna det helium som producerats genom omvandlingen från väte.
Gravitationskraften minskar och solen sväller. Närbelägna planeter, som jorden,
kommer att slukas. När solens förråd av helium är slut så övergår solen att
förbränna andra grundämnen tills dessa är slut, varpå den sjunker ihop och
minskar i temperatur tills den är helt kall.
4.2.
Solceller
En solcell omvandlar strålning till elektrisk ström. Möjliga användningsområden
för solceller ökar allteftersom tekniken utvecklas. Till en början så hindrades
praktiskt bruk av solceller i och med en hög framställningskostnad. Den
elektricitet som solcellerna producerade var mer kostsam än elektricitet
framställd med konventionella metoder. Omvandlingskapaciteten var låg men
förbättras hela tiden. 1955 släpptes den första solcellen ut på marknaden och
den hade en effektivitet på ca 6%. Dagens solceller uppnår en effektivitet runt
20%.
Från 1978 till 1998 reducerades försäljningspriset med en tiopotens, och
prissänkningen fortgår allteftersom tekniken utvecklas. I dagsläget erbjuds
32
prismässigt överkomliga standardlösningar för husägare att komplettera sin
elförsörjning med solceller. Livstiden är lång, garantitiden ligger på upp till 25 år.
Andra användningsområden i vår vardag är klockor och miniräknare. Enskilda
områden där elektricitet inte kan dras fram och som tidigare fick förlita sig till
ved, olja och fotogen, har stora delar av sitt energibruk genom solceller, och
flera hundra fyrar drivs av solceller. Nyttjande av solceller ökar allteftersom
utvecklingen fortgår genom ökad omvandlingskapacitet och reducerade priser.
Solceller används i rymden
Solcell fram- och baksida
En solcell är baserad på en skiva av kisel. Ett mönstrat metallskikt täcker den sida
som exponeras mot solljuset och är i kontakt med kiselplattan. På baksidan finns
andra metallskikt som är till för att ta till vara på elektriciteten som alstras. När
solljuset faller på cellen så skapas en elektrisk spänning mellan metallskikten.
Solcellen blir i praktiken ett batteri som varar den tid som cellen exponeras för
33
solljuset. Genom att koppla ihop många celler till en praktisk hanterbar modul
så ökar kapaciteten hos en solcellsanordning.
Fysiken bakom solceller förklaras av dopade halvledare. En halvledare är ett
material som man kan förändra till att antingen leda bra, eller ibland leda sämre
och bli en isolator. Detta åstadkoms genom att tillföra andra typer av atomer än
de atomer som halvledaren består av. En atom består av en kärna och ett visst
antal elektroner. Antalet elektroner är bestämt och beror på vilken atom det är.
Genom att tillföra en annan atomtyp som har en eller två elektroner fler än
ursprungsatomen i halvledaren så får man extra elektroner. Detta kallas
dopning. Omvänt, genom att tillföra atomtyper med en eller två elektroner färre
än ursprungsatomen i halvledaren, får man tillgång till vakanser. Dessa benämns
kallas hål och ses som en partikel med omvänd laddning till elektronen. Ett hål
har alltså en positiv laddning.
Eftersom elektroner är negativt laddade partiklar så blir hålen positivt laddade.
En halvledare med extra elektroner kallas n-typ eftersom den har negativt
laddade laddningsbärare. En halvledare med färre elektroner kallas p-typ
eftersom den har positivt laddade laddningsbärare. Genom kraftig dopning blir
det att stort antal laddningsbärare. Dessa bildar en ström när laddningsbärarna
rör på sig i materialet. Denna rörelse uppstår när laddningsbärarna får en energi,
vilket i solcellen är energin i solljuset.
En solcell består av två områden som är olika dopade, ett n-typ område och ett
p-typ område. De elektroner och hål som sätts i rörelse av solljuset söker sig till
varandra för att utjämna sina laddningar. När laddningar rör sig så bildar de en
ström.
I gränsområdet mellan den n-typ dopade regionen och det p-typ dopade
området bildas ett utarmningsområde genom att elektroner från n-regionen
närmast gränsskiktet rör sig över till p-regionen för att neutralisera laddning. På
grund av denna förflyttning av laddning uppstår ett elektriskt fält över
utarmningsområdet. När solljus faller på den dopade delen utanför
utarmningsområdet, så exciteras en elektron från en atom och lämnar ett hål.
Men elektronen faller genast tillbaka på sin plats, (eller platsen för en annan
elektron som exciterats) och bidrar inte till någon ström. En elektron som
exciteras inom utarmningsområdet dras bort från området genom det elektriska
34
fältet, och söker sig till ett hål genom ledare som kopplats mellan n-regionen
och p-regionen.
Genom att koppla en ledare mellan n-typ området och p-typ området kan
laddningsbärarna söka sig till varandra. Eftersom elektronen ofta rör sig
snabbare än ett hål så är det bara elektroner som går genom ledaren. De bildar
då en ström, och genom att koppla in en last på ledaren, exempelvis en lampa
eller elektrisk apparat, så får man en ström som uppstått från solljuset.
35
Funktion solcell
Ett världsrekord i effektivitet hos en solcell uppnåddes i slutet av 2014 till 46% i
gallium-indiumbaserade solceller av forskare vid tyska Fraunhofer Institute for
Solar Energy Systems8. Forskarna använde linser som koncentrerar solljuset 508
gånger innan det bestrålar solcellen för att uppnå den höga verkningsgraden.
Det har varit svårt att koppla samman flera celler till en fungerande solcellspanel
på grund av defekter i materialet, men genom att koncentrera defekterna till ett
område som inte är elektriskt aktivt så kunde de nå en hög verkningsgrad.
För att ta hand om solstrålarna används linser strax ovanför cellerna och
fokuserar ljuset flera hundra gånger. Den aktiva solcellen är bara ett par
millimeter i diameter och byggs i flera lager av olika material, som har till uppgift
att omvandla var sina delar av ljusspektrum till elenergi. Eftersom
materialåtgången är liten blir de trots allt kostnadseffektiva. Men de är
fortfarande mycket dyrare än kiselbaserade solcellspaneler.
Hur kan då solcellernas effektivitet förbättras på andra sätt?
Plasmoner kallas den vågrörelse som uppstår när elektroner rör sig i en bestämd
rytm på en metallisk yta. Genom att överföra den höga frekvensen hos ljuset
(hundratals terahertz) till svängningar hos fria elektroner får man effekter på
nanonivå, där ljus med olika våglängd tas tillvara för mer energi som bidrar till
8
http://www.ise.fraunhofer.de/en/press-and-media/press-releases/press-releases-2014/new-world-recordfor-solar-cell-efficiency-at-46-percent
36
laddningsbärare. Problemet är dock att hitta ett material med lättrörliga
elektroner där energin hos ljuset blir till laddningsbärare istället för värme.
Andra typer av solceller är Grätzel-cell, eller även kallade nanosolceller. Dessa
söker efterlikna naturens fenomen med klorofyll där solljuset omvandlas till
energi. Material och tillverkningskostnader är billigare än solceller tillverkade av
kisel. Men i stället för klorofyll, som i naturen bryts ner på ett tiotal minuter och
ständigt måste återskapas, använder forskarna nanopartiklar av titandioxid som
doppats i rutenium vars elektroner får så mycket energi av ljuset att de kan
hoppa ut ur molekylen och skapa en ström mellan två elektroder. I elektrolyten
mellan elektroderna transporteras nya elektroner till ruteniumet så att det kan
fortsätta att skapa ström. Nanosolcellen har bara drygt tio procents
verkningsgrad så för att konkurrera med solceller i kisel så måste
framställningskostnaden vara mycket lägre än den för kiselsolcellen. Dessutom
måste livslängden kunna mäta sig med kiselsolcellen som håller 20 till 30 år.
5. Belysning
I början av december 2008 beslutade EU genom Ekodesignkommittén att
glödlampan ska fasas ut, med början år 2009 och i ökande grad under
efterföljande år.
37
Av den energi som tillförs glödlampan så blir mindre än tio procent till ljus.
Resten försvinner som värme. När glödlampan blir varm så kyler den sig genom
att avge strålning. Glödlampan är en svartkropp som avger strålning i det
infraröda området. Nästan en fjärdedel av den el som hushållen använder går
till belysning. Visserligen kan man i våra svenska hem se det som att värmen
används till uppvärmning, men det är ändå oerhörda mängder energi som går
till spillo. Det uppstår ofta diskussioner om nyttan. Glödlamporna befinner sig
ofta i takhöjd och kan då upplevas som att de gör ingen nytta för oss människor
eftersom värme försvinner uppåt. Men eftersom det då även blir
temperaturskillnader mellan tak och golv, så uppstår rörelser av luften i rummet
som rör sig mellan varmt och kallt för att fördela temperaturen. Konvektionen
bidrar till att värmen från glödlampor i takhöjd inte helt förloras.
Värmestrålningen från en glödlampa går i olika riktningar, en del går uppåt och
en del ner mot golvet.
En lysdiod kan omvandla 30-50% av energin till ljus. Lysdioden blir inte varm och
innehåller inte kvicksilver som lågenergilampan. Av metaller så är kvicksilver är
38
ett av de värsta hoten mot både människa och miljö. Sveriges regering har infört
ett totalförbud mot kvicksilver i Sverige från juni 2009, och kvicksilver ska inte
ens användas i produktionsprocesser om inte företaget kan visa att hälsa och
miljö inte kan komma till skada. Undantag för kvicksilveranvändning görs dock
för lågenergilampor och lysrör.
Livstiden för en glödlampa är cirka 1’000 timmar, livstiden för en lågenergilampa
10’000 timmar och dagens lysdioder kan ha en livstid på upp mot 50’000 timmar.
5.1.
Glödlampan
En glödlampa är en glödande metalltråd som avger strålning. En ström av
elektroner går genom metalltråden. Denna värms upp när elektronerna krockar
med atomerna i tråden. Elektronerna tillför energi till metallen som i sin tur
avger energin i form av strålning i det synliga och infraröda området när tråden
ska kyla sig. För att en svartkropp ska ge ljus i det synliga området så måste
temperaturen överstiga cirka 700-800 grader Celsius innan den börjar glöda.
Tråden måste värmas upp till en temperatur runt 2500 grader Celsius innan
strålningen börjar närma sig det gulaktiga sken som vi är vana vid.
39
När tråden är så varm som 2500 grader Celsius så börjar atomer att lämna
tråden. Metalltråden förångas sakta och atomerna hamnar på insidan av glaset
i glödlampan. Man kan ofta se hur glödlampans glaskupa har en mörk hinna när
den slutat fungera genom att tråden till slut förlorat så många atomer att tråden
har gått av. Metalltrådens är av wolfram, det är en av de få material som leder
ström samtidigt som den inte smälter vid den höga temperaturen. Dessutom
förångas wolfram långsammare än andra material som skulle kunna användas i
glödlampan.
Glödlampan har en kolv av glas som antingen är transparent, eller matt för att
inte blända. Kolven är fylld med en gasblandning av argon och kväve. Gasen gör
att glödtrådens förångas långsammare. Halogenlampor är glödlampor som har
ett mer vitt ljus. Halogenlampan har en liten del halogengas som blandats med
argon och kväve. Halogenlampan används vid ungefär 500 grader högre
temperatur hos glödtråden jämfört mot den vanliga glödlampan. Detta ger ett
högre ljusutbyte i det synliga området. Ljuset blir vitare eftersom den synliga
strålningen får fler blåa ljustoner och det kompletterar den rödgula nyansen så
40
att det blir en bättre blandning av färger som ger mer vitt ljus. En liten del
hamnar till och med i det ultravioletta området av strålningen. Den högre
temperaturen ger visserligen snabbare förångning av glödtråden, men
atomerna som fastnat på glaset reagerar med halogengasen och återvänder till
metalltråden. Det tar längre tid innan glödtråden blivit så tunn att den går av,
och halogenlampan har längre livstid jämfört med glödlampan. En högre
temperatur vid glaset är nödvändig för att atomerna ska frigöras från glaset med
hjälp av gasblandningen, och därför är halogenlampor ofta små. Halogenlampan
har på så sätt ungefär en dubbelt så lång livstid mot den traditionella
glödlampan.
En stor nackdel med glödlampan är att all energi kommer inte ut som ljus från
den varma kroppen. En stor del av strålningen hamnar i det infraröda området.
Mindre än 10 procent av energin från elektronerna blir till synligt ljus. Resten är
värmestrålning, och glödlampan blir väldigt varm.
Glödlampan uppfanns av Edison 1879 och 2011 köptes cirka 12 miljarder
glödlampor årligen i världen. Denna marknad är högintressant för
lysdiodtillverkare, där det går cirka tio lysdioder för att ersätta en glödlampa och
vinsterna kan bli enorma.
41
5.2.
Lysröret och lågenergilamapan
Lysröret innehåller kvicksilver. Fördelen med lysrör är att livslängden är mycket
längre än livslängden hos glödlampan, runt 10 gånger längre. Ett lysrör har
vanligen formen av ett rör med två elektroder i sina ändar och är fyllt med en
ädelgas. När strömmen slås på så sker en elektrisk urladdning mellan
elektroderna. Urladdningen ger energi till kvicksilvret, som i sin tur avger energi
i form av ultraviolett strålning. Insidan av röret är belagt med ett särskilt pulver.
Den ultravioletta strålningen ger energi till pulvret, som slutligen avger sin
energi i form av strålning i det synliga området. Pulvret kan ha olika
sammansättning och ger ljuset varierande färg- och färgåtergivningsegenskaper.
Lysrör för vanlig belysning tillverkas i fyra olika färger, som brukar betecknas
42
varm (2 700 K), varmvit (3 000 K), vit (4 000 K) och dagsljus (över 5 000 K). Den
lägsta färgtemperaturen liknar glödljus och finns oftast i våra hem. Lysrör med
dagsljusklassificering används nästan bara i professionella sammanhang där
korrekt färgbedömning skall göras, t.ex. inom grafisk industri, vid tillverkning av
papper, färger, textilier och liknande så att färgerna återges på ett neutralt sätt.
Lysrörets introducerades för många år sedan, och senare kom den så kallade
lågenergilampan som gjorde att samma princip kunde introduceras i våra hem i
mer hanterbar storlek. Lågenergilampan fick en långsam start på
belysningsmarknaden eftersom funktionen var osäker och livstiden begränsad.
Från det att strömmen slås på så sker flera reaktioner (urladdning,
kvicksilverreaktion). Detta kan man fortfarande ibland se med blotta ögat. När
strömmen slås på så flimrar det först till innan ljuset blir stabilt.
Kritik mot lysrör ges ibland av att de inte sparar lika mycket energi och miljö i
tillämpningar där en lampa oftast bara slås på under en kort stund, som
exempelvis garderober, källarutrymmen och toaletter. Anledningen är att de
drar mycket ström vid start och att de slits mer vid varje start. De får alltså inte
lika lång drifttid i sådana situationer. Funktionerna har blivit allt bättre med
tiden.
Hela processen kräver mindre energi jämfört med svartkroppsstrålningen hos
glödlampan, och livstiden är längre hos lysröret. Detta gör att lysröret är ett
alternativ för energibesparing, men med nackdelen att lysröret innehåller
43
kvicksilver. Varje lysrör och lågenergilampa innehåller mellan tre och fem
milligram metalliskt kvicksilver i gasform. Mängderna minskar dock med att
utvecklingen går framåt, men samtidigt ökar även antalet lampor.
Kvicksilver är ett av de allra farligaste miljögifterna och utgör ett hot både mot
miljön och mot människors hälsa. Det är en giftig tungmetall och utgångna
lampor måste sorteras som miljöfarligt avfall. Kvicksilver är en lättflyktig metall
som kan spridas över långa avstånd i atmosfären. Kvicksilver kan inte brytas ned
utan ansamlas i mark, vatten och levande organismer. Även om nedfallet av
kvicksilver minskat under de senaste årtiondena så ökar halterna av kvicksilver i
miljön.
Ju mer kvicksilver som tillförs till samhället genom vårt teknikbehov i form av
belysning, batterier, och annan teknik, desto mer ökar halterna i miljön. Trots
att nedfallet av kvicksilver har minskat de senaste årtiondena är det inte
tillräckligt för att förhindra att kvicksilverhalterna ökar i miljön. Enligt
Kemikalieinspektionen 9 så ökar exempelvis halterna med cirka 0.5 procent
årligen i skogsmarkens översta lager. Kvicksilver och dess föreningar har
framförallt negativa effekter på nervsystemet och dess utveckling, samt på hjärtkärlsystemet, immunsystemet, fortplantningssystemet samt njurarna.
Störningarna av nervsystemets utveckling och giftigheten för det centrala
nervsystemet är de känsligaste och mest väldokumenterade effekterna.
Kvicksilverhalterna i skogsmark är så höga i stora delar av Sverige att de kan
påverka den mikrobiologiska aktiviteten i marken. Effekten av det är att
näringsomvandlingen i marken kan störas och ge återverkningar på
skogsekosystemen som är svåra att förutse.
Insamlingen av lågenergilampor och lysrör i Sverige blir allt bättre 10 . Det
återvunna materialet från lamporna som glas, kvicksilver och metaller används
vidare i bland annat nya ljuskällor (kvicksilver), inom förpackningsindustrin (glas)
samt inom andra områden och produkter.
5.3.
9
Kvicksilverfri lågenergilampa
http://www.kemi.se/kvicksilver
http://belysningsbranschen.se/belysning-miljo/lagenergilampor-och-kvicksilver/
10
44
Det finns olika varianter av kvicksilverfria lågenergilampor. Dessa baseras
fortfarande på att en fosfor ger det vita ljuset. Energin till fosforn ges genom
andra principer än ultraviolett ljus genom kvicksilver.
Samtidigt kan det vara en utmaning att utveckla ny teknik. Bolaget LightLab
Sweden AB utvecklade en miljöanpassad energisparlampa, men lade ner
utvecklingen efter några års utveckling. Energisparlampan bygger på en unik
metod att framställa ljus helt utan användning av kvicksilver, genom så kallad
fältemission. Ett flöde av elektroner bildas i en katod av poröst kol som placerats
i mitten av lampan. När elektronerna skickas ut från katoden så träffar de insidan
av lampans glas. På samma sätt som den kvicksilverbaserade lågenergilampan
så är insidan av glaset belagd med en fosfor som får energi från elektronerna
och ger ett vitt ljus genom luminiscens. Principen för fältemission har funnits
länge, till exempel i en gammaldags TV där elektronerna strålar ut från en
glödtråd. Detta ger även värme och LightLab utvecklade fältemission i en
kallkatod så att energiförluster genom värmeförluster ska minska. Företaget har
visat upp prototyper som tydligt visar att teknologin fungerar i labbskala och där
ljusutbytet har ökat markant sedan bolaget 1996 förvärvade rättigheter, patent
och material till forskning relaterad till fältemissionskatoden. Tekniken är
avancerad och utvecklingen sker inom alla de ingående delarna: den porösa
kolkatoden, lyspulvret på lampglasets insida och styrelektroniken.
Energieffektiviteten hos lampor för allmänbelysning har dock varit otillräcklig
och företaget fokuserar sin affär på kvicksilverfria ultravioletta lampor för
vattenrening.
5.4.
Lysdioden
Den allra första lysdioden demonstrerades redan 1907 av Henry Joseph Round
och publicerades i tidskriften Electrical World. Vid den tiden upptäcktes det att
kristaller av kiselkarbid (som då kallades carborundum) kunde användas som
detektorer i radiomottagare. Om en metallspets trycktes mot kristallen så
uppförde den sig som en likriktare - ström flöt bara i ena riktningen mellan
kristallen och spetsen.
Materialet var inte preparerat på något särskilt sätt, endast två kontakter
anlades mot materialet för att få fram en ström. Till sin förvåning fick Round se
45
hur ljus uppenbarades från materialet. Färgen varierade från blått till gult, och
effektiviteten var låg.
Ljuset uppstår när kiselkarbid dopas med vissa ämnen, kväve bildar en så kallad
donator och aluminium samt bor en acceptor. En elektron kan röra sig mellan
de energitillstånd som bildas mellan donator och acceptor (kväve – aluminium
eller kväve – bor), och avger då energi i form av ljus över ett brett färgspektrum
eftersom det bildas ljus med olika energier.
Men innan vi går på en mer detaljerad förklaring så ska vi titta på hur dagens
vita lysdioder fungerar. I dagens teknologi tillverkas vita ljusdioder främst från
galliumnitrid (GaN). Det optimala sättet att få vitt ljus vore att blanda röda,
gröna och blåa lysdioder. Då kan man få ett jämnt vitt ljus utan att någon av
46
färgerna dominerar. Sådana lysdioder är en dyr lösning eftersom man måste
sätta ihop tre lysdioder. Dessutom så avtar färgerna olika med tiden. Det är både
olika material för lysdioderna och lite olika sätta få fram ljuset beroende på om
det röda, gröna, eller blå lysdioder. Ljuset skiftar då i färg med tiden och den vita
nyansen ändras. I praktiken är det synnerligen svårt att få till rätt kombination
mellan de olika färgkomponenterna.
Dagens vita lysdioder gör från en blå lysdiod som omges med en fosfor som
omvandlar en del av det blå ljuset till de andra synliga färgerna. Materialet till
den blå lysdioden framställs från en blandning av indium, gallium och kväve
(IndiumGalliumNitrid). Det kännetecknas av att det utstrålar blått ljus när energi
tillförs till materialet. Den fosfor som ligger på nitridmaterialet exciteras av det
blå ljuset och andra ljuskomponenter bildas. Eftersom fosfor även exciteras av
ljus som ligger utanför det synliga området, det vill säga ultraviolett ljus, så blir
effektiviteten högre. Dock så uppstår en del energiförluster i fosfor genom att
det bildas värme istället för ljus när en del av det blå ljuset omvandlas till andra
färger i det synliga området.
Galliumnitrid har funnits länge, men inte i bra kvalitet. Historiskt så blev
lysdioder på nitrider inte tillgängliga förrän under 1990-talet. För att komma
fram till den blå lysdioden så behövde man först utveckla hur man skulle kunna
tillverka materialet i hög kvalitet. Defekter gör att energin som tillförs omvandlas
till värme istället för ljus. Sedan var man tvungen att komma på ett sätt att dopa
materialet. Då kunde man få fram regioner med positiva laddningar och regioner
med negativa laddningar. Ljuset bildas när positiva och negativa laddningar
möts.
Lysdioder tillverkas genom att ha olika områden i en halvledare, där ett område
ger upphov till fler negativt laddade elektroner och ett annat område ger fler
positivt laddade hål. Områden med extra elektroner kallas n-typ (n står för
negativ), och regionerna med extra hål kallas p-typ (p för positiv). Genom att
tillföra dopämnen så blir det extra elektroner och extra hål, som båda rör sig lätt
i halvledaren. En halvledare med två dopade områden, där ett område har extra
elektroner och ett annat område intill det första har extra hål, bildar pn-diod.
När elektroner och hål möts vid gränsskiktet mellan områdena så frigörs energi.
Denna energi motsvarar en karakteristisk energi som ges av materialets
egenskaper. För IndiumGalliumNitrid så motsvaras den energin av blått ljus.
47
Den tidigt ledande forskaren inom området var Isamu Akasaki vid Meijo
University som utvecklade forskningsområdet under 70- och 80-talet. Bland
annat så fick han och hans grupp utveckla nya framställningsmetoder för
galliumnitriden.
Kopia av den reaktor som användes för att göra material med hög kvalitet.
Den reaktor som användes för att göra p-typ material
Nitriderna framställs på ett underlag av ett annat material, ett så kallat substrat.
I glödlampor försvinner cirka 90-95% av den tillförda energin som värme istället
för att ge upphov till ljus. För vita lysdioder i galliumnitrid så försvinner en del av
den tillförda energin i fosforn eftersom det finns en skillnad i energi mellan blått
ljus och de andra färgerna i det synliga området. Delar av det blå ljuset
omvandlas till exempelvis rött ljus, och skillnaden i energi mellan blått ljus och
48
rött ljus blir till värme. Man beräknar att ungefär 30-50% av energin kommer ut
som ljus.
Men fosforn är idag inte tillräckligt effektiv för att omvandla det blå ljuset till
andra färger. Det blå ljuset slår igenom och dagens lysdioder har ofta en kall blå
ton, särskilt när de har en hög effektivitet. För lågeffektiva vita lysdioder används
filter för att få en bättre ljuston, men då tappar lysdioden i effektivitet. De vita
lysdioderna väldigt riktade eftersom ljust kommer från ett smalt gränsskikt
mellan det positivt och negativt laddade området. Dessutom finns en effekt som
drar ner effektiviteten. När man ökar strömmen i förhoppningen att få ut mer
vitt ljus så sjunker effektiviteten på ljusomvandlingen kraftigt, vilket kallas
droop. Ingen vet egentligen varför det sker och det pågår intensiva diskussioner
om bakgrunden till effekten.
49
Ljuset kan vara väldigt riktat hos vita lysdioder. Genom att vinkla en lampa lite så försvinner
ljusstrålen åt ett annat håll.
Många ser framför sig effektiva vita lysdioder som ersätter glödlampan och
sparar enorma mängder energi. Lysdioder finns i ficklampor, i
bakgrundsbelysningen för skärmar, i mobiltelefoner och TV-apparater.
Försäljningen av lysdioder ligger på flera miljarder årligen, men förväntas stiga
till hundratals miljarder om man kan dra ner kostnaderna som ligger mer än
hundra gånger kostnaden jämfört med glödlampan vid motsvarande ljusflöden.
Vid en jämförelse så ger glödlampan ungefär 16 lumen per watt, lysrören ger
mer än 100 lumen per watt, men de bästa vita lysdioderna ger runt 250 lumen
per watt. Det här är dock en sanning med modifikation. En sådan effektivitet är
endast vid låga strömmar, och det blir mer andel ljus istället för värme, och det
är därför lysdioden inte känns varm. Vidare så används en mindre yta så att en
låg ström används. När man sedan räknar om detta till motsvarande ljusflöde
per watt så ser effektiviteten ut att vara högre. Men när man i praktiken ökar
strömmen/effekten för att få ut mer ljus så att det ska räcka till allmänbelysning
så visar sig lysdioden från sin sämsta sida: effektiviteten går ner och det bildas
allt mer värme istället för ljus.
För att få ut mer ljus så försöker man göra det aktiva skiktet tjockare.
Svårigheten är att det kräver mer kontroll på egenskaperna i nitriden för att få
50
effektiv ljusemission. Många varianter har ett aktivt skikt som har flera olika skikt
istället för ett tjockt. Detta ger dock ett annat problem när strömmen ökas
genom att effektiviteten lättare dras ner vid högre strömstyrkor. En annan
svårighet när det gäller lysdioder med IndiumGalliumNitrid är att magnesium,
som används för att producera extra hål och göra områden p-typ, har en
förmåga att ge mindre ljus när elektroner och hål möts i närheten av
magnesium. Därför har många pn-dioder en extra barriär som blockerar
elektroner från det elektronrika området (n-typ) att komma in i det p-typ
dopade området där magnesiumatomerna finns. Det ökar komplexiteten och
idag utforskas fortfarande olika varianter för att få fram bättre tekniska
lösningar inom vita lysdioder.
Ungefär halva kostnaden för en nitridbaserad LED ligger i tillverkningen av nitriden. Här kan
det vara så mycket som 40% av allt material som inte kan användas på grund av defekter.
Nedan visas en ny typ av struktur som baseras på kiselkarbid. Strukturen grundar
sig på två tjocka skikt av kiselkarbid. Båda skiktet är dopade med en donator
(som ger extra negativt laddade elektroner) och en acceptor (fler extra positivt
laddade hål). Det ena skiktet är dopat med kväve (som verkar som donator) och
aluminium (som verkar som acceptor), och det andra skiktet är dopat med kväve
och bor (som verkar som acceptor).
51
52
Aluminium och bor har olika energinivåer, vilket resulterar i att ljuset från dessa
skikt får olika energi. Ljuset får en bredd eftersom elektronerna och hålen i
nivåerna befinner sig inte vid en och samma energinivå, de har olika nivåer och
övergångarna beror på kvantmekaniska urvalsregler. Tillsammans bildar de olika
energierna ett brett spektra, och genom kombination av de två skikten och ett
lämpligt bandgap, så kan det synliga området täckas. Detta resulterar i ett mer
naturligt vitt ljus.
53
54
6. Förnyelsebar elektricitet
I april 2009 kom en rapport 11 som beskriver och analyserar förnybara
energikällor betraktade som framväxande marknader, med fokus på vindkraft,
solenergi och vågkraft, vilka bör vara kommersiellt uthålliga. Denna uthållighet
beror på hur teknologierna utvecklas industriellt och tekniskt, samt vilket stöd
som de ges, i relation till konventionell elproduktion. Rapporten sammanfattar
att
”Vindkraft och solenergi har nått en kritisk massa. De är redan
idag stora marknader, och har en fortsatt hög tillväxttakt. Det
är tillväxtområden som kan bli världens största industrier i
framtiden.”
Det finns en stor marknadspotential för förnybara energikällor. Vindkraft är
redan en stor marknad. Vågkraft är en mindre existerande marknad på
utvecklingsstadiet.
”Under överskådlig tid kommer samtliga områden ha ett
fortsatt behov av offentligt stöd för att vara kommersiellt
gångbara.”
För storskalig elproduktion finns det ett behov av stöd. Vindkraft behöver minst
stöd per kWh, solenergi är mer eller mindre konkurrenskraftig medan vågkraft
behöver mer utvecklingsstöd.
“Förnybara energikällor innebär nya affärsmöjligheter som i
grunden kan förändra strukturen och konkurrenssituationen
på elmarknaden.”
6.1.
Vindkraft
Vind är rent fysikaliskt en massa ämnen (molekyler och grundämnen) som rör
på sig från en plats till en annan. Koncentrationen av ämnen varierar, och de
försöker utjämna fördelningen mellan olika områden. I dagliga diskussioner är
det ordet luft som används för att beskriva de ämnen som rör sig. Till största
delen består luft av kväve, där kväveatomer sitter ihop parvis och bildar en stabil
11
Framtida tillväxtmöjligheter för Sverige, Vinnova Analys VA 2009:10, ”Förnybara elkällor: Hela elmarknaden i
förändring”
55
molekyl, och syre som är det vanligaste grundämnet i universum efter väte och
helium. Två syreatomer bildar de molekyler som finns i luft. Vid högre höjd så
kan en tredje syreatom bindas med två andra syreatomer och bildar då ozon.
Solen värmer upp luften som i sin tur stiger. Annan luft rör då på sig och fyller
upp platsen där den uppvärmda luften stigit från. Jorden är rund och roterar
kring sin axel. Eftersom himlen är täckt av moln så värms luften upp ojämnt. Det
leder till temperaturskillnader och olika lufttryck, det bildas lågtryck och
högtryck. Vind uppstår när luften rör på sig från ett högtryck till ett lågtryck för
att jämna ut skillnaderna i tryck. Så länge solen lyser så kommer det att finnas
vind, som således är en förnyelsebar källa.
Om luften värms upp över vatten så värms även vattnet upp, och börjar stiga
som ånga. När ångan nått en höjd där den kan kondenseras bildas det moln som
blir mer och mer mättade med ånga. Till slut måste de tömmas på vatten som
når jordytan som olika typer av nederbörd.
Historiskt sett så har vindkraft använts länge. I väderkvarnar så omvandlas
energin till mekaniskt arbete. Vindkraftverk fångar upp den energi som finns i
56
vinden, och omvandlar den till energi. Idag är det främst elektricitet som är
intressant för vindkraft.
Vindkraft är energi som utvinns direkt ur vinden. En vind kan ses som en
strömmande massa i form av gas som finns i atmosfären. Strömning uppkommer
från de tryckskillnader som finns mellan olika luftmassor och luften strömmar i
riktning från områden med högt tryck till områden med lågt tryck.
Vinden får vindkraftverkets snurra att rotera. Snurran bromsar upp vindens
hastighet som blir lägre bakom snurran än framför. Vinden har en energi som
57
består av rörelseenergi. En del av denna rörelseenergi omvandlas till elektrisk
energi genom en generator som är kopplad till snurran.
Vindkraftverkets snurra har en svepyta som ges av den yta som snurran täcker
när den roterar. De första vindkraftverken hade en svepyta på cirka 300
kvadratmeter, men utvecklingen har gjort att svepytan ökat och idag finns det
vindkraftverk med svepytor över 10000 kvadratmeter, rotorbladen har då en
diameter över 100 meter!
58
Som ett exempel på hur mycket luft som kan nyttjas för att omvandla energi, så
kan man räkna ut att för ett vindkraftverk med en snurra med en diameter på
50 meter så blir det över 20 ton luft per sekund som passerar snurran när
vindhastigheten är 10 meter per sekund!
En strömmande luft kan ses som en cylinder, där luft strömmar genom en
cirkulär area som ges av svepytan från snurran, och längden på cylindern
bestäms av luftens hastighet.
Pi*25*25 motsvarar arean (snurrans radie 25 m)
Volymen ges av arean * 10 = 19625 kubikmeter
Luftens densitet 1.25 kg per kubikmeter, 1.25*19625
Vindens effekt ges av den mängd luft som passerar en yta med en viss hastighet.
Energin i vinden ges av rörelseenergin
E=
1 2
mv
2
59
Massan av all luft som blåser genom en svepyta per sekund ges av den vikt som
passerar genom en yta under en bestämd tid. Volymen blir tvärsnittsarean
multiplicerat med längden, där längde ges av hur långt vinden har färdats på en
sekund, det vill säga vindhastigheten. Tyngden ges av luftens densitet (täthet).
Vid beräkningar använder man i regel värdet för luftens täthet vid havsytan och
vid en temperatur av 9 grader, som är 1.25 kg per kubikmeter. För att få volymen
i kubikmeter är det enklast att räkna på en area av en kvadratmeter.
Energin räknas i enheten Joule. Effekt är energi per tidsenhet. Men eftersom vi
räknas på tiden 1 sekund så räknar vi direkt på effekt.
Vindens effekt per kvadratmeter (A = 1 m2) blir då:
P=
1
(1.25 × 1 × v )v 2 = 0.625 × v 3
2
Vindens effekt är proportionell mot vindens hastighet i kubik (P=0.625v3). En
fördubbling av vindens hastighet ger då åtta gånger större vindeffekt.
60
P1 = 0.625 × v1
3
v2 = 2 × v1
P2 = 0.625 × v2 = 0.625 × ( 2v1 )3 = 0.625 × 23 × v1
3
3
P2 = 0.625 × 8 × v1 = 8 × 0.625 × v1 = 8 × P1
3
3
Vindtillgången på den plats där vindkraftverken placeras är den viktigaste
faktorn för ett vindkraftverks produktionsförmåga. Vindkraftsverken har en
teoretisk verkningsgrad på 59% gentemot vindens energiinnehåll. Detta räknade
Betz ut redan på 1800-talet (Betz lag). Dagens moderna vindkraftverk kan ha en
verkningsgrad på upp till 45 %, men verkningsgraden är i praktiken ofta under
30%. Verkningsgraden fås genom att den effekt som vindkraftverket producerar,
vilken får fram genom att multiplicera strömmen med spänningen, divideras
med vindens effekt som är proportionell mot vindens hastighet i kubik.
Ju mer energi ett kraftverk tar ut ur luften, ju mer saktas den ner. Man kan förstå
Betz lag intuitivt. Om vindkraftverken skulle ta ut 100% energi från vinden så
skulle det innebära att vinden inte fortsätter efter att passerat rotorn. Den
stillastående luften bakom rotorn skulle då förhindra annan luft att passera
svepytan. Om vindkraftverken tar ut 0% energi från vinden så innebär det att
vinden gå genom svepytan utan att saktas ned alls (rotorn rör sig inte). I
praktiken måste effektiviteten alltså ligga mellan dessa två fall.
61
Förluster uppstår på grund av den tryckutjämning som oundvikligen sker efter
bladen och som ger upphov till virvlar som sträcker sig bakåt från dessa.
Virvlarna rör om gasmolekylerna, och en del av deras rörelse omvandlas till
värme. Virvlarna innebär energiförluster. Det var Frederick Lanchester som först
angav denna virvelstruktur (kring 1900) på vingar. Läran om lufts och andra
gasers strömning (aerodynamiken) utnyttjas också i hög grad vid konstruktion
av bilar, höghastighetståg och båtar samt även i samband med konstruktion av
broar och höga byggnader där höga vindhastigheter kan ge olika effekter.
62
Antalet blad är en kompromiss. Fler blad ger mer luftmotstånd. Ett blad är bäst
i teorin, men det blir problem med ojämn belastning på rotorns upphängning
samt att bladet blir väldigt långt. Två blad är bättre men belastningen blir
fortfarande ojämn när ett blad pekar uppåt eftersom det blåser mer ovan
jämfört med det andra bladet som ligger i linje med tornet som drar ner
hastigheten. Tre blad är en kompromiss mellan hållfasthet, produktionsteknik
och verkningsgrad.
Ett vindkraftverk används 2000-2500 timmar, d v s vindkraftverket är i drift en
fjärdedel under ett år. Vindkraft är inte ett alternativ till reglerbar kraft, men
fungerar som en viktig del i det moderna elkraftsystemet. En ökad
vindkraftproduktion ger möjligheter att minska andelen som framställs genom
andra oönskade alternativ.
63
Vindkraften byggs hela tiden ut.
Fördelarna med vindkraft är att vinden är gratis och det finns inget behov av
transporter. Till skillnad från vattenkraft så kan inte vindkraft regleras eller
lagras. Vindkraften måste existera tillsammans med en reglerbar
kraftproduktion. Eftersom vinden varierar i riktning och styrka så kan
vindkraften aldrig garantera elproduktion. Till viss del kan vindkraften lagras
genom indirekt lagring. När det blåser kraftigt och vindkraftverken levererar mer
elektricitet så kan vattenkraftverk dra ner på sin produktion, varvid energin
sparas genom lagrade vattenmängder.
Vindarna till havs är hårdare än de över land. Vindkraftverken ute på haven kan
således leverera mer el än anläggningarna på land. Vindarna är kraftigare vid
högre höjder. Sverige högsta vindkraftverk byggs i Huds Moar i Tanums
kommun, och har en höjd av 100 meter. De sex vindkraftverken har en effekt på
totalt 15 MW och kommer att producera 36 GWh el per år.
Vindkraftverken har en vindturbin och två eller tre blad monterade i navet. För
att fånga in vinden på ett effektivt sätt utifrån omständigheterna, så är bladen
långa för att fångs mycket vind. Om bladen roterar tillräckligt snabbt så ger fler
blad ingen ökad effektivitet av vindens tillvaratagande. Färre blad ger mindre
materialåtgång och enklare transport när vindkraftverket ska installeras.
Rotorn och maskinhuset vrider sig efter vinden. Vinkeln på de tre bladen regleras
kontinuerligt för att optimera verkets funktion och produktion. När det blåser
lite så fångar verket så mycket vind som möjligt och när det blåser för mycket
ställs bladen om så att en del av vinden skall passera. I de fall som det blåser
alldeles för mycket så stängs vindkraftverken av automatiskt. Moderna
vindkraftverk har variabelt varvtal. Rotorns varvtal är beroende av
vindhastigheten och vindkraftverkets rotordiameter, ju större rotordiameter
desto lägre varvtal vid samma vindhastighet.
Vindkraftverken kan ge allt större effekt ju högre de är. Men det är inte bara
positivt med höga vindkraftverk. När vindkraftverk blir högre och byggs på allt
fler ställen ökar risken för att de ska skadas av åsknedslag. Vid observationer av
ett japanskt vindkraftverk slog blixten ner inte mindre än 161 gånger på fem år.
64
Utöver vingarna kan även generatorer, växellådor och kontrollsystem skadas av
blixtnedslag. Ett annat problem är fladdermöss som flyger in i vindkraftverkens
vingar trots att de har en inbyggd radar. En kanadensisk studie visade att
fladdermöss som dött vid ett vindkraftverk har stora inre blödningar på grund
av det tryckfall som skapas av jätterotorerna.
Flygande fladdermus.
Vind- och vågkraftsfundament som är placerade i havsmiljö kan lokalt öka
förekomsten av fisk och krabbor. Hårda ytor som fundament kan fungera som
konstgjorda rev. Konstruktionen som efterliknar ett rev gynnar även
utvecklingen av filtrerande djur som sitter på fundamenten, som till exempel
blåmusslor och havstulpaner. Dessutom är det möjligt att öka eller minska
förekomsten av olika arter genom fundamentens konstruktion. Ofta läggs högar
av stora stenar runt fundamenten för att förhindra erosion kring dessa och
förstärker på så sätt den revliknande funktionen. En stor utbyggnad av
havsbaserad vindkraft pågår och tusentals vind- och vågkraftverk som är
grupperade i stora parker där var och en täcker flera kvadratkilometer. Flera
forskningsprojekt pågår kring frågor som effekterna av buller, skuggor,
65
elektromagnetiska fält och förändringar av vattnets rörelse. I en avhandling av
Dan Wilhelmsson vid Stockholms universitet 2010 visas hur själva fundamenten
skapar livsmiljöer för fiskar, krabbor, humrar och fastsittande djur och växter.
Vindkraftverken fungerar som rev för bottenlevande fiskar. Områdena runt
vindkraftverken hade en högre täthet av fisk än de omgivande bottnarna, trots
att de naturliga bottnarna var rika på stenbumlingar och alger. Blåmusslor
dominerade på vindkraftverken och verkade ha goda tillväxtförhållanden. Även
massiva betongklossar av vågkraftsfundament visade sig ansamla fisk och även
krabbtaskor som ökar i antal när det finns hål i fundamenten. Blåmusslor faller
ned från bojarna vid ytan och blir föda för djur på fundamenten och på den
omgivande bottnen. Humrar bosätter sig också under fundamenten.
Från planering till installation brukar det ta lång tid. Vindkraften har inga utsläpp
men påverkar omgivningen på andra sätt. Landskapsbilden förändras, torn och
rotorblad kan ge reflexer, skugga, störa kommunikation genom TV, radio,
satellit, m m. Dessa störningar kan minimeras genom att placera vindkraftverken
efter en närmare utredning. Andra faktorer som påverkar är natur- och
kulturintressen, samt störningar på omgivande verksamheter, exempelvis
genom mark- och vattenanvändning. I dag kan det ta väldigt lång tid att få
klartecken till nya vindkraftverk, eftersom prövningen sker samtidigt i två
snarlika processer, enligt miljöbalken och enligt plan- och bygglagen. Med
överklaganden i en rad instanser kan prövningen pågå i många år. För att korta
detta så föreslog regeringen i februari 2009 i en lagrådsremiss att slopa kraven
på detaljplan och bygglov om ett vindkraftbygge fått tillstånd enligt miljöbalken.
Men i områden där trycket på mark för bostäder eller anläggningar är extra stort
ska det fortfarande krävas en detaljplan för nya vindkraftverk. Skillnaden när det
gäller överklaganden är att man ska inte kunna överklaga flera olika beslut som
tas vid olika tidpunkter i processen, vilket försenar processen.
Tiden från att ett vindkraftverk eller en vindpark planeras till att vindkraftverken
är uppsatta brukar ta lång tid på grund av utvärderingar om bland annat
miljöpåverkan. För att påskynda sådana processer kan nätverk bildas. I
Göteborgsregionen finns sedan 2008 ett nytt nätverk för vindkraft, Nätverket
Power Väst. Nätverket kommer att arbeta med att skynda på utvecklingen av
vindkraften genom att skapa ett branschkluster av vindkraftsföretag, stärka den
regionala kompetensen på alla nivåer från gymnasial utbildning till forskning om
66
vindkraft och se till att tillståndsprövningen av vindkraftverk ska bli enklare och
snabbare.
Regeringen beslutade i november 2008 att möjliggöra för att det interna nätet i
en vindkraftspark ska kunna byggas utan krav på nätkoncession. Beslutet är ett
led i regeringens arbete för att öka utbyggnaden av förnybar energi. I praktiken
betyder det att utbyggnad kan ske genom upphandling i konkurrens, snarare än
endast genom elnätsföretagen, och att de interna näten kan anpassas tekniskt
efter vindkraftsparkens förutsättningar. Det leder till ökad effektivitet och lägre
kostnader. De nya reglerna innebär mindre krångel och lägre kostnader för
etablering av nya vindkraftsparker. Förändringen innebär att tiden för att få
genom alla tillstånd som krävs för att anlägga en vindkraftspark minskar med
flera månader.
I februari 2010 öppnades en hemsida (www.vindlov.se) där 15 myndigheter
samlar all information som behövs kring tillståndsfrågor när det gäller
vindkraftverk. Hemsidan, som skapats av Energimyndigheten, Boverket,
Energimarknadsinspektionen och Naturvårdsverket, ska ge företag,
myndigheter, organisationer och privatpersoner information om
tillståndsprocessen för vindkraftverk. Drygt tio andra myndigheter,
organisationer och instanser bidrar även med innehåll, synpunkter och
kommentarer för att informationen ska vara så heltäckande och så korrekt som
möjligt.
6.1.1. Vertikal vindkraft
Under senare tid har även vertikal vindkraft fått fart, och den första
kommersiella användningen var år 2008. Vertikal vindkraft och en
direktverkande generator ska vara både billigare och mer robust än vanlig
vindkraft. Tekniken har utvecklats vid Uppsala universitet, som siktar på fördelar
som att kraftverken har färre rörliga delar än vanliga vindkraftverk, vilket ger
enklare drift och installation och längre livslängd. I oktober 2008 gjordes den
första beställningen av Falkenberg Energi och Eon på fyra stycken vertikala
vindkraftverk från Uppsala universitet. Vindkraftverken ska levereras av
Wertical Wind AB, som grundades 2002 men expanderade april 2008 från idéer
och patent till ett operativt företag. Vertical Wind AB arbetar med en
vindkraftsteknik som baseras på en vertikalaxlad turbin med en kabellindad
direktdriven generator. Turbinen behöver varken vridbara blad eller
67
girningsmekanism och den direktdrivna generatorn eliminerar behovet av
växellåda. Konstruktionen med färre rörliga delar jämfört med traditionella
horisontalaxlade vindkraftverk ska ge högre tillgänglighet och driftssäkerhet,
lägre underhållskostnader och tystare gång.
Bild: Vertical Wind AB
Ett vindkraftverk med vertikal turbin tar upp vindenergi oavsett vindriktning, och
turbinen behöver inte vändas mot vinden, vilket är nödvändigt med stora
horisontalaxlade vindkraftverk. Den absorberar även energi från turbulenta
vindar vilka normalt passerar förbi traditionella vindkraftverk.
Vindkraftverk med horisontal axel har ett stort generatorhus i toppen av tornet.
Med ett vertikalt vindkraftverk elimineras behovet av växellådor som kan vara
haverikänsliga. Med vertikalt riktad axel kan generatorn placeras i marknivå och
behöver därför inte optimeras med avseende på vikt. Detta minskar på
mekaniska förluster och ger mindre underhållskostnader.
När vinden blåser på vindkraftverket så roterar verket. Detta skapar ett
undertryck på utsidan av vindkraftverkets blad när vinden blåser på det, och ger
en rotation. Principen är liknande den som för flygplan. Trycket på vingens
ovansida är lägre än i den omgivande luften, men det är fortfarande större än
noll och riktat i huvudsak nedåt, det vill säga en nedåtriktad kraft. Men på
vingens undersida råder ett tryck som är större än i den omgivande luften.
Nettoresultatet är att det blir en uppåtriktad kraft på flygplansvingen.
68
Rotationen överförs genom axeln som finns i tornet till generatorn som befinner
sig vid marken. Axeln är kopplad till generatorns rotor som är täckt av magneter,
och när rotorn snurrar så induceras spänning i generatorns lindningar.
Ett ofta använt resultat, baserat på en vind på ett föremål där vinden har en
homogen, parallell luftström med konstanta egenskaper, är Bernoullis ekvation
som visar mot en hög hastighet så blir trycket lågt. Trycken på ovansidan och
undersidan av en typisk vingprofil, med avrundad framkant och skarp bakkant,
antyder genom Bernoullis ekvation att en lyftkraft uppstår om
strömningshastigheten är högre (och trycket alltså lägre) invid vingens översida
än invid dess undersida. När strömningen på ömse sidor återförenas vid vingens
skarpa bakkant så erhålls en lyftkraft, eller som i vertikala vindkraften så ges en
rörelse av rotorn.
Det går att få en snurra att rotera genom att transformera elektrisk energi till rörelseenergi.
En typ av vertikalt vindkraftverk som finns i bruk är utvecklad av Eco Kraft på
uppdrag av Orion Infra som äger rättigheterna. Vertikala vindkraftverk som
monterats direkt på linjestolpar på stambanan genererar 500 watt med hjälp av
två vertikala vingar, gjorda av aluminiumprofil, som seriekopplats. Ingen
gjutning av fundament eller nya master behövs eftersom befintliga linjestolpar
69
används, varje vindkraftverk behöver bara upp till några kilometer
kabeldragning till närmaste ställverk eller och signalstation. Vindkraftverken tar
hand om överskottsenergin från de framrusande tågen. De börjar snurra vid
vindar på 3 meter per sekund och snurrar upp till 13 meter per sekund.
Vindkraftverk påverkar landskapsbilden
6.1.2. Kritik mot utbyggnad av vindkraft
Det finns dock kritik mot en utbyggnad av vindkraften med motiveringen att
dagens elnät klarar inte en kraftig utbyggnad av vindkraft. Redan i dag orsakar
vindkraften brus och störsignaler på nätet och visar sig som ett högfrekvent brus
i telefonen, radion eller tv:n. När vindkraften nu ska byggas ut kraftigt leder det
till allvarliga problem när fler anslutningar görs. Scenariot är att kablarna
överbelastas och går sönder. Nätet är starkt i tättbefolkade delar av landet men
blir svagare längre bort från stamnätet. Spänningen kan bli för hög och datorer
och tv-apparater gå sönder, och människor kan bli utan el under en tid.
Störningarna kan på sikt bli ännu större med småskalig produktion. En lösning
som redan finns är att varje producentenhet bygger in filter på nätanslutningen,
även om det inte är så enkelt att filtrera bor störningarna. När vindkraftsverk
ansluts till el-nätet kan det uppstå störningar som kan relateras till
vindkraftsverkens skiftande storlek, till att vinden inte är alltid är jämn, utan
snarare ojämn, och till att de lokala el-näten är alldeles för svaga och då måste
förstärkas.
70
De tre vanligaste störningarna uppstår i de punkter i näten där vindkraftverken
ansluts:
• Överspänning: Spänningen in i nätet från vindkraftverket blir för hög, och
strömmen kan brytas vid vissa nivåer.
• Flimmer: Energiflödet från vindkraftverket blir ojämnt på grund av att det
blåser ojämnt vilket skapar flimmer eller störningar i elnätet.
• Känsliga reläskydd: Reläskydden i näten löser felaktigt ut, vilket kan ge
strömavbrott, när kraftverket producerar mer el än vad som förbrukas
lokalt. Elen kan gå i motsatt riktning mot hur energiflödet brukar
distribueras.
En annan störning på effekten är att vindkraftverk kan ta vindkraft från varandra.
Enligt experter från Danmarks tekniska universitet så kan effekter skapas på upp
till två mils radie runt vindkraftsparker. Den förlorade effekten kan bli så stor
som 30 procent om grannparken ligger i vindriktningen.
7. Litteratur och källor
En ännu varmare värld, Claes Bernes, Naturvårdsverket 2007.
Bortom olja och gas, George Olah, Alain Goeppert och Surya Prakesh, Industrilitteratur 2007.
Miljöfysik: energi för hållbar utveckling, Mats Areskoug, Studentlitteratur 2006.
Energi för hållbar utveckling: ett historiskt och naturvetenskapligt perspektiv, Mats Areskoug och Per
Eliasson, Studentlitteratur 2007.
Vindkraft i teori och praktik, Tore Wizelius, Studentlitteratur 2007.
Forskning & Framsteg nummer 7, 2007.
G.A. Olah, A. Goeppert / P. Surya Prakash, ”Bortom olja och gas”, Industrilitteratur 2007, ISBN
9175487047.
”Förnybara drivmedels roll för att minska transportsektorns klimatpåverkan”, Jonas Åkerman och Max
Åhman, Trafikutskottet 2008.
”Etanol som drivmedel”, Statens Energimyndighet 2004.
”Etanol från sockerbetor”, Daniel Nilsson, Länsstyrelsen Blekinge Län 2006.
http:// www.miljofordon.se
71
http://www.thecleanhouseofsweden.se
72