Husk mig
▼ Indhold

Energi på Jorden

Artiklen er en del af bogen I drivhuset - Fortællinger om naturens energi og samfundets energikrise, skrevet af Klaus Illum og udgivet af 3F i 2006.

< Energi i politisk og økonomisk tænkningIndholdsfortegnelseEnergi til arbejde >


3. ENERGI PÅ JORDEN

Man kan forestille sig, at helt nye energi-teknologier, der er lige så avancerede som de reguleringsmekanismer, der styrer energiomsætningen i planters, dyrs og menneskers celler, en gang i fremtiden vil afløse de primitive fossile teknologier. Men med den hastighed, hvormed vi med disse primitive teknologier nedbryder de naturlige økosystemer og samtidigt udtømmer olie- og gasreserverne, risikerer vi, at det hele går galt, før de nye teknologier bliver til virkelighed.

Mennesker har altid måttet skabe sig en forståelse af det, der sker i den verden, de lever i. I årtusinder har utallige folkeslag og civilisationer på hver deres måde sat liv og død, det der skete i naturen omkring dem, og det de så på stjernehimlen, ind en verdensorden, hvor deres guder rådede. Først for fem hundrede år siden, i det 16. og 17. århundrede, opstod i Europa de naturvidenskaber, der udledte fysiske og senere kemiske og biologiske forklaringer på det, der sker omkring os. Senere blev den geologiske videnskab i stand til at kortlægge Jordens historie milliarder af år tilbage. I dag har vi en viden som aldrig før om den klode, vi lever på. Men de færreste betænker, hvilket vidunder det er.

Mennesket er det måske eneste væsen i universet, der i dets mange forskellige sprog kan tænke og forstå og tale om og nedskrive dets tanker og oplevelser og dets forståelse af sig selv og den verden, det lever i. Denne forståelse udspringer af erindringer og beretninger om det, der er sket i foregående år, århundreder og årtusinder. Og i den moderne tid også af den viden, den geologiske, biologiske og zoologiske forskning har indhentet om den usandsynlige udvikling, Jorden har gennemløbet fra den blev skabt og indtil det moderne menneske fandt de kræfter, der rundt omkring lå gemt i de lommer af fossile15 brændsler, livet i en fjern fortid har efterladt. Og fandt ud af at udnytte dem.

Mennesket af i dag har med de fossile brændsler fået hidtil usete kræfter til at gribe ind i de forunderlige samspil mellem dyre- og plantelivet, muldjorden, atmosfæren og havene, der er vilkårene for det liv, vi kender. Mennesket af i dag udrydder dyre- og plantearter og fælder regnskovene. Dets landbrug forarmer muldjorden, og mennesker med kraftige maskiner fælder skove, så muldjord bortvaskes. Mennesket af i dag ændrer atmosfæren og nedbryder dens livsbeskyttende ozonlag. Og det tømmer havene for fisk. Mennesket af i dag med dets maskiner, der æder olie, naturgas og kul, er nye arter, der æder sig ind på alt andet.

Når man betænker den eventyrlige teknologiske udvikling af computer-teknologien og informationsteknologien, der i et stadigt hurtigere tempo er sket i de sidste 50 år, og den udvikling, der nu er på vej med nanoteknologien16, så må man sige, at de stempelmotorer, jetmotorer, dampmaskiner og olie- og naturgasfyr, hvormed vi udnytter energien i de fossile brændsler, er meget primitive teknologier.

Man kan forestille sig, at helt nye energi-teknologier, der er lige så avancerede som de reguleringsmekanismer, der styrer energiomsætningen i planters, dyrs og menneskers celler, en gang i fremtiden vil afløse disse primitive teknologier. Men med den hastighed, hvormed vi med disse primitive teknologier nedbryder de naturlige økosystemer og samtidigt udtømmer olie- og gasreserverne, risikerer vi, at det hele går galt, før de nye teknologier bliver til virkelighed.

Forestillingen om en fremtid, hvor livet, som i science fiction- film og computerspil, foregår i glashuse, underjordiske byer og atomdrevne luftfartøjer og rumskibe og i kolonier på andre, øde planeter, og alt andet liv er forhistorie, er urealistisk og i hvert fald ikke opmuntrende. Hvis vi ønsker, at livet på denne klode føres videre i dets utallige forunderlige former, må vi forstå livets vilkår og bestræbe os på at bevare det.


LIVETS OG ATMOSFÆRENS UDVIKLING

FIGUR 3.1
Livet og atmosfæren har gennem milliarder af år udviklet sig i et fantastisk samspil. I kraft af solstrålingen og Jordens rotation om sin egen akse, der frembringer en temperaturforskel mellem nat og dag, har levende organismer ændret atmosfærens sammensætning, og den ændrede sammensætning af atmosfæren har skabt nye livsbetingelser. På den måde fremkom den fantastisk mangfoldige biologiske organisation af livet på Jorden. På et tidspunkt i denne udviklingsproces, skete de aflejringer af organisk materiale, som blev til de fossile brændsler. Til sidst kom mennesket til. Til allersidst udviklede mennesket teknikker, hvormed det kunne udnytte de fossile brændsler. Dermed fik det magt til på et øjeblik at forandre alt. Hvordan kommer det næste billede i rækken til at se ud ?

3.1 LIVET, ATMOSFÆREN OG DE FOSSILE BRÆNDSLER
Det nøje samspil mellem livets og atmosfærens udvikling er en fantastisk kemisk proces. Når man tænker over den, forstår man, at livet her på Jorden består i et forunderligt samspil mellem alt det, der sker i atmosfæren, i havene og på landjorden.

I begyndelsen, for 4 eller 5 milliarder år siden, var Jorden en livløs planet (figur 3.1). En gold stenmasse omgivet af en atmosfære, der hovedsageligt bestod af vanddamp, brint, ammoniak og methan17 . De grundstoffer, alle levende celler hovedsageligt består af, nemlig kulstof, kvælstof, brint og ilt, fandtes i denne atmosfæres molekyler. Men hvordan det gik til, at de blev sammensat - organiserede - i de meget mere komplekse organiske molekyler (aminosyrer), som levende celler består af, er uvist. At levende celler ikke havde kunnet bestå og formere sig uden Jordens rotation i sollyset, er imidlertid utvivlsomt.

Måske var livets opståen en tilfældig og helt usandsynlig begivenhed i universet. Og måske er de former, det udfoldede sig i - fra de første éncellede organismer til flercellede alger og senere til planter, krybdyr, fisk og pattedyr - også resultater af tilfældige mutationer, der frembragte nye artsvarianter, som blev “stamfædre” til nye familier i livets stamtræer. Mange former uddøde, når livsbetingelserne ændrede sig. Og livet ændrede livsbetingelserne, først og fremmest fordi det ændrede atmosfærens sammensætning.

Man kan forestille sig, at organiske molekyler i de første milliarder af år efter deres opståen formerede sig i kraft af sollyset og fyldte havene, som således blev til en “organisk suppe”. Derved ændredes atmosfærens sammensætning, idet ammoniakkens kvælstof og methanens kulstof blev brugt som ingredienser i “suppen”. Denne “suppe“ gav næring til de første primitive organismer, der ligesom bakterier i et biogasanlæg kunne leve uden ilt - der var ingen fri ilt i atmosfæren. Idet suppen blev “spist” af disse organismer, blev der udledt store mængder CO2-til atmosfæren18. Senere udviklede der sig meget mere komplekse organismer, som grønne alger, der er i stand til at udnytte solstrålingen til at optage CO2 fra atmosfæren og spalte den i kulstof ( C ) og fri ilt ( O2 ). Algevæksten medførte således, at der blev udledt fri ilt til atmosfæren, samtidigt med at dens indhold af CO2 blev formindsket. Af afgørende betydning for livets videre udvikling var det også, at nogle iltatomer blev udledt som ozon ( O3 ), som i atmosfærens øverste lag dannede et skjold mod den ultraviolette del af solens stråling19.

Antracit, den fineste form for stenkul, stammer fra aflejringer af organisk materiale fra planter, der levede i havet så tidligt som for 2.5 milliarder år siden. Først for ca. 400 millioner år siden skete den for livet på Jorden afgørende udvikling af planter, der kunne leve på landjorden. Det meste stenkul stammer fra tørv, dannet af planterester for ca. 300 millioner år siden20.

I nogle i Jordens udviklingshistorie korte perioder for 100 - 150 millioner år siden var klimaet meget varmt, og der skete en voldsom algevækst i havene. Algerne bundfældedes, nogle steder i dybe kløfter, hvor vandet var iltfattigt, og organismerne derfor ikke gik i forrådnelse, men blev bevaret under sand og ler, der blev udvasket fra floderne. Nogle steder blev disse organiske aflejringer i senere geologiske perioder overlejret med andre bjergarter, så de kom ned i store dybder. Det organiske materiale i disse aflejringer blev i tidens løb omdannet til olie eller naturgas.

I alt dette plantemateriale, som siden blev til kul og olie og naturgas, blev der opsamlet store mængder af kulstof fra atmosfærens kuldioxyd (CO2). Senere blev der også opsamlet store mængder CO2 i de små skaldyr, der aflejredes og blev til kalk- og kridtformationer. Plante- og dyrelivets udfoldelse afstedkom således gennem hundreder af millioner af år en fuldstændig ændring af atmosfærens sammensætning: Den atmosfære, hvori plante- og dyrelivet udfoldede sig i de sidste millioner år, og som vi stadig lever i, blev skabt.

Dette nøje samspil mellem livets og atmosfærens udvikling er en fantastisk kemisk proces. Når man tænker over den, forstår man, at livet her på Jorden består i et forunderligt samspil mellem alt det, der sker i atmosfæren, i havene og på landjorden. Ozonlaget øverst i atmosfæren, som også blev skabt i samspillet mellem liv og atmosfære, beskytter livet mod den ultraviolette del af solstrålingen, som er kilden til alt liv på Jorden. Vindene og havstrømmene fordeler solvarmen på breddegraderne. Atmosfærens CO2 og vanddamp sørger for at begrænse varmeudstrålingen. Målinger af atmosfærens CO2-indhold på den nordlige halvkugle viser, at det svinger i takt med plantevæksten om sommeren og planternes henfald om vinteren. Men de viser også, at industrisamfundets ovne, kraftværker og motorer, der æder sig ind på olien, gassen og kullet i jordskorpen, er kommet til som nye, primitive væsener, som igen ændrer atmosfærens sammensætning.

3.2 I DRIVHUSET
Der skete ikke noget energiforbrug i de hundreder af millioner af år, hvor livet udfoldede sig i en vældig produktion af organisk materiale i form af planter og dyr. År for år var der balance mellem energien i den solstråling, der ramte Jorden, og Jordens varmeudstråling til universet.

I det foregående kapitel 2 beskæftigede vi os med den forståelse af ordet “energi”, der i denne de fossile brændslers tidsalder ligger til grund for den energipolitiske og økonomiske tænkning. Med den forståelse i tankerne, skulle man tro, at den vældige produktion af planter, træer, fisk, fugle og pattedyr, der har udfoldet sig igennem hundreder af millioner af år, har krævet et enormt energiforbrug. Det er jo et almindeligt omkvæd i indledningerne til energipolitiske redegørelser og energiplaner, at energitilførsler er nødvendige for vækst og udvikling - underforstået, at energi er noget, der forbruges.

Lad os nu gå bare 55 år tilbage til en dansk bondegård i 1950 med køer, svin, fjerkræ og heste. Over taget på laden kørte en vindmølle (en såkaldt klapsejler), der trak kværne og andre maskiner. Hver dag leverede bonden mælk til mejeriet og æg til købmanden og med nogle ugers mellemrum køer, svin og fjerkræ til slagteriet, hvis slagteren ikke kom ud på gården. Små 200 000 gårde og husmandssteder af denne art producerede føden til 4 millioner danskere og leverede mælk og svin til en landbrugseksport, der tegnede sig for størstedelen af landets eksportindtægter. Hvad var energiforbruget i dette landbrug? Svaret er: Praktisk taget nul. Der skete intet i dette landbrug, der i nogen fornuftig mening kunne kaldes et energiforbrug. Men landbruget producerede energi i form af fødevarer til forbrug i byerne og til eksport. Og samtidigt kunne husdyrbesætningen vokse fra det ene år til det næste.

Der skete således ikke noget energiforbrug i de hundreder af millioner af år, hvor livet udfoldede sig i en vældig produktion af organisk materiale i form af planter og dyr. År for år var der balance mellem energien i den solstråling, der ramte Jorden, og Jordens varmeudstråling til universet. Planter visnede og dyr døde, men nye voksede op i stedet. Der var ikke noget energiforbrug.

Hvordan kan forandring, udvikling og produktion ske uden energiforbrug? Det kan fortælles som en lille historie (se figur 3.2):
I et stort rundt drivhus, endnu større end det store væksthus i botanisk have i København, bor en fingerfærdig mand - ligesom Robinson Crusoe, der reddede sig i land på Stillehavsøen. Han har en værktøjskasse, søm og skruer og en drejebænk, og han har masser af tid til at iagttage livet og finde på ting, han kan lave. Planter og træer vokser omkring et stort vandbassin i midten af drivhuset. Der er fugle i træerne og fisk i vandet. Det er en Paradisets have med rigeligt at spise. Affald er der ikke noget af, for alle ekskrementer og planterester går ind i kredsløbet som næringsstoffer for de næste generationer.
Om dagen bliver der meget varmt i drivhuset, så der fordamper en hel del vand fra bassinet, jorden og planterne. Vanddampen fordeler sig i luften. Når det bliver koldt om natten kondenseres vanddamp på glaspladerne i loftet, og det regner ned over planterne og bassinet.
En dag får manden en idé. Han vil lave en vandmølle. Han fælder nogle træer, bygger et stillads og laver et stort fladt vandbassin - et vandreservoir - oven over trætoppene. Om morgenen, når regnen har fyldt vand i dette bassin, åbner han et skot, så vandet i et vandfald styrter ned i bassinet på jorden nedenfor. Det er flot at se på, men ellers ikke til gavn. For at udnytte den kraft, der er i det nedstyrtende vand, laver han nu et vandmøllehjul og leder vandet gennem en slids ned til møllehjulet. Nu kan han udnytte vandkraften til at drive sin drejebænk.
I de næste år drejer han kunstfærdige sceptre til et rækværk omkring bassinet og til gelændere til trapper op til udsigtsplatforme, hvorfra han nøjere kan iagttage fuglelivet, og komme op og rense vandreservoiret for alger og fugleekskrementer. En dag finder han på at lave en elevator, så vandmøllen kan trække ham op til vandreservoiret.
Efter nogen tid er det træ, han har brugt, blevet erstattet af ny trævækst. De forandringer, der er sket i kraft af hans nye teknologi, består i de konstruktioner, han har lavet, og de udsmykninger, han har frembragt. Alt andet er, som det var før.
Året igennem har drivhuset optaget lige så meget varme fra solstrålingen i dagtimerne, som det om natten har afgivet ved varmestråling og varmeledning til luften udenfor. Energiregnskabet balancerer. Der forbruges ikke energi i drivhuset.

Hvad er det så, der holder det hele i gang og gør forandring og udvikling mulig ? Det er temperaturforskellen mellem nat og dag. Hvis det hele tiden var varmt i drivhuset ville luften blive mættet med vanddamp og planter og dyr ville ikke kunne komme af med den varme, der, som vi ved, opstår i alle levende organismer, når de omsætter næringsstoffer: Det bliver varmt i kompostbunken, og hvis vi ikke kunne komme af med kropsvarmen, ville vi hurtigt afgå ved døden. Hvis solen hele tiden skinnede på drivhuset fra den samme position på himlen, eller hvis drivhuset blev tildækket med et tykt lag isoleringsmateriale, ville livet derinde hurtigt uddø. Men når det bliver varmt om dagen og koldt om natten, kan planter og dyr om natten komme af med den energi, de om dagen optager fra sollyset. Således kan livet ikke blot gå videre, men udvikle sig i nye former. Der kan opstå nye arter, og som det nye i Jordens udviklingshistorie er der opstået en art - mennesket - der med redskaber og maskiner kan frembringe nye former og nye redskaber og maskiner.

I sin bane om solen og sin rotation om sin egen akse virker hele Jorden som et drivhus. Ligesom temperaturudsvingene i drivhuset hæmmes af dets glastag, hæmmes temperaturudsvingene på Jorden af store mængder vanddamp og små mængder CO2, CH4 (methan), lattergas m.fl. i atmosfæren. Som beskrevet i afsnit 3.1 ovenfor, er atmosfærens sammensætning af disse luftarter samt hovedbestanddelene: ilt og kvælstof nøje afstemt i samspillet mellem livets og atmosfærens udvikling. Klimaet på de forskellige årstider på de forskellige steder på Jorden - dvs. temperaturer og temperaturforskelle mellem dag og nat, nedbørsmængder og vindstyrker - passer nøje til de planter og dyr, der lever de forskellige steder.

Jordens atmosfære og livet på Jorden og havstrømmene, ikke at forglemme, er én stor organisme, der har udviklet sig i en helhed, hvor alt afhænger af og er bestemt af noget andet i den store mekanik. Denne organisme holdes i live af temperaturforskellen mellem nat og dag og mellem ækvatorbæltet og polarregionerne. Temperaturforskellene skyldes Jordens rotation i solstrålingen, der bevirker, at den høj-frekvente indstråling fra solen, der er 5 500 grader varm, om natten afløses af lav-frekvent varmestråling fra Jorden til universet.

Det er således ikke den “energi” - målt med et kalorimeter (se figur 2.1) - der med solstrålingen når Jordens atmosfære og overflade, der er afgørende. Det er den energi, som ligger i temperaturforskellen mellem dag og nat, det handler om. Der er her tale om en anden betydning af ordet “energi” end den, vi lærte i skolen, og som politikere og økonomer, som beskrevet i afsnit 2.3, har i tankerne. Det kommer vi nærmere ind på i kapitel 4. Først skal vi se, hvordan industrisamfundet opstod af temperaturforskelsmaskiner i mindre skala.

FIGUR 3.2 I drivhuset er det sollyset og temperaturforskellen mellem nat og dag, der gør livet muligt. Om dagen bliver det varmt, og de grønne planter kan udnytte solstrålingen og luftens kultveilte (CO2) til at opbygge nye celler. Vand og mineraler får de gennem deres rødder.
Om dagen fordamper en masse vand fra søen og planternes og træernes blade. Om natten falder temperaturen udenfor. Når der bliver køligt oppe under taget, fortættes vanddampen til regn.
I løbet af natten afgiver drivhuset lige så meget varme, som det har opsamlet om dagen.
Der forbruges ikke noget. Når noget visner og dør, kommer noget nyt til.

Livet i drivhuset er ikke uforanderligt. Manden kan med sit værktøj og sin fantasi lave om på indretningen. Lave sig en udsigtsplads og et bassin oppe under taget, hvor han kan opsamle regnvandet og bruge det til at drive en vandmølle, der kan løfte ham op i en elevator.
Det træ, han har brugt, kommer igen i nye træer. Livet går videre som før.
Forskellen er, at det, manden har lavet, går til i tidens løb, hvis manden ikke holder det ved lige. Det kan ikke som plante- og dyrelivet genskabe sig selv.

Når en fugl flyver og planter spirer, sker der en energiomsætning. Alt er energi. Men kun med vandmøllen og elevatoren bliver det til at få øje på. I vores verden er det kun den grove energiomsætning i maskiner og bål, vi har øje for. Selvom det er det, der sker i det små og fine i de biologiske organismer, vi lever af.



FIGUR 3.3 Ligesom i drivhuset (figur 3.2) er det temperaturforskelle mellem jorden og atmosfæren og mellem høje og lave luftlag, der holder gang i det vandkredsløb, der kan udnyttes i vandmøller og vandkraftværker. Den væsentlige forskel mellem disse naturlige varmemaskiner og dampmaskinerne i kraftværker er, at temperaturforskellen mellem en dampmaskines kedel og kølevand er meget større end temperaturforskellene i de naturlige kredsløb.


FIGUR 3.4 Principskitse af den første dampmaskine: Newcomen's dampmaskine fra 1712. Her er det temperaturforskellen mellem det kogende vand i dampkedlen og det kolde vand, der driver vand-damp-kredsløbet. Når ventilen S åbnes, fyldes cylinderen med damp, medens stemplet går op. Når stemplet er helt oppe lukkes for dampen, og koldt vand ledes ind i cylinderen. Det får dampen til at kondensere. Derved bliver der undertryk i cylinderen, så atmosfærens tryk på stemplet med stor kraft trykker stemplet ned og hæver pumpestangen. Fordi der er undertryk i cylinderen, kan den laves af træ, som en tønde.

3.3 TERMODYNAMIK
Maskiner, der virker i kraft af temperaturforskelle kalder man varmemaskiner. Det store kredsløb med vandmøllen er en stor naturlig varmemaskine. Den videnskab, der beskæftiger sig med sådanne maskiner, kaldes termodynamik (termo: varme; dynamik: af græsk dynamis: kraft)

Et sted i det danske bakkelandskab strømmer et vandløb gennem en slugt fra en sø, der ligger højt, til en sø, der ligger lavt (se figur 3.3). Når det løber ud i den lavtliggende søs næsten stillestående vand bremses det op. Opbremsningen sker i strømhvirvler, hvori bevægelsesenergien i den fremadrettede strøm omsættes til bevægelsesenergi i de roterende bevægelser i hvirvlerne. Idet hvirvlerne opløses, bliver vandet en lille smule varmere - vandmolekylernes kaotiske bevægelser bliver en smule hurtigere.

Engang i gamle dage opførte en møllebygger en vandmølle i slugten. Møllehjulet bremser vandstrømningen, så vandets hastighed efter møllen bliver lidt mindre. Møllen opsamler så at sige noget af vandstrømningens bevægelsesenergi og udnytter den til at drive kværnen, så den ene sæk korn efter den anden bliver malet til mel. Selvom møllens tunge aksler og tandhjul af træ bliver smurt med fedt og talg, bliver de varmet lidt op af gnidningen mellem aksler og lejer og mellem tandhjulenes tænder. Især sker der en opvarmning af kværnstenene, der gnider tungt mod hinanden, og af kornet, der knuses til mel.

Hvad enten vandmøllen er der eller ej, bliver vandløbets bevægelsesenergi således i den sidste ende omsat til en ganske lille opvarmning. Vandmøllen bevirker kun, at opvarmningen af søens vand bliver en lille smule mindre, fordi møllen formindsker den hastighed, hvormed vandstrømmen når ud til søen. I stedet sker der en lille opvarmning i vandmøllens maskineri. Men disse små temperaturforskelle udjævnes hurtigt i den store atmosfære, hvori det hele foregår.

Præcist som i drivhuseksemplet (figur 3.2 ) er der kommet noget nyttigt (eller fornøjeligt) ud af forløbet: Kornet er blevet til mel uden at noget er blevet forbrugt eller noget andet er blevet forandret, udover lidt slitage på møllemaskineriet. Det, der er sket, er, at naturens materialer er blevet organiseret på en nyttig måde ved opførelsen af vandmøllen.

Under alle omstændigheder ender al bevægelsesenergi - ligesom elektrisk kraft og alle andre former for energi - som varme ved omtrent samme temperatur som atmosfærens. Men med teknisk snilde kan man ændre ved forløbet, så man får noget nyttigt ud af det.

Lad os nu fra en høj bakketop anskue situationen i et større perspektiv og over længere tid. Opvarmningen fra solstrålingen får vand fra søerne til at fordampe. I højere luftlag, hvor temperaturen er lavere, kondenserer vanddampen, og under de rette omstændigheder dannes vanddråber, der er så store, at de falder som regn. Idet noget af regnen falder over den højtliggende sø, bliver det vand, der er ført bort fra søen gennem vandløbet, erstattet af regnvandet. Kredsløbet er sluttet. Det kan vare ved så længe solen skinner og Jorden roterer om sin akse.

Det er temperaturforskellen mellem søen, hvorfra vandet fordamper, og de koldere højere luftlag, hvor vanddampen kondenserer, der driver værket. Den energioverførsel, der sker mellem et område med en højere temperatur og et område med lavere temperatur kalder man varme - thermós på græsk (termometer: varmemåler, men retteligt en temperaturmåler). Maskiner, der virker i kraft af temperaturforskelle, kalder man varmemaskiner. Det store kredsløb med vandmøllen er således en stor naturlig varmemaskine. Den videnskab, der beskæftiger sig med sådanne maskiner kaldes termodynamik21 (termo: varme; dynamik: af græsk dynamis: kraft).

Videnskaben termodynamik var ukendt i de gamle vandmøllers tid. Den blev først udviklet, da varmemaskiner, der arbejdede med meget større temperaturforskelle, blev opfundet: dampmaskinerne. Som vi skal se i det følgende virker dampmaskinerne efter det samme princip som den naturlige varmemaskine.


FIGUR 3.5 Dampturbinekraftværk. I de store dampmaskiner i nutidens kraftværker er stemplet erstattet med en dampturbine, der driver el-generatoren.
I kedlen koger vandet ved en temperatur på 350 grader og et tryk på 180 bar. Dampen varmes yderlige op (overhedes) til ca. 550 grader.
I kondensatoren er der et dybt undertryk, omkring 0.03 bar og en temperatur på kun ca. 25 grader.
Det store trykfald får dampen til at strømme gennem turbinen i en rasende fart. Man kan sammenligne dampturbinen med en vindmølle, men "dampvindstyrken" er mange gange større end vindstyrken i en storm. Når dampen er kondenseret i kondensatoren, pumpes kondensvandet tilbage til kedlen.
Jo større temperaturforskel og dermed større trykforskel, der er mellem dampkedlen og kondensatoren, jo mere elektrisk kraft får man ud af det brændsel, der brændes af for at holde vandet i kedlen i kog. Men der er tekniske grænser for hvor høje temperaturer og tryk et sådant anlæg kan holde til, og når trykket kommer over 220 bar ændres vandets egenskaber.
Man kan derfor kun delvist udnytte den høje temperatur på over 1500 grader, der kan frembringes i brændkammeret. Over halvdelen af den elektriske kraft, man med den helt ideelle maskine kunne have fået ud af forbrændingen af brændslet, går derfor tabt på grund af tekniske begrænsninger.
Tabet skyldes, at man ikke kan udnytte den store temperaturforskel mellem brændkammeret og kedlen. Det viser sig ved, at el-produktionen bliver mindre og varmeafgivelsen til kølevandet større end i en mere ideel maskine. Men den varme, der afgives til kølevandet, udgør ikke i sig selv et tab. Maskinen virker jo i kraft af varmeafgivelsen ved lav temperatur til kølevandet. Og vand ved en temperatur på omkring 20 grader har ingen brugsværdi.
I et såkaldt kraftvarmeværk (se figur 8.1) hæves kondensatortemperaturen så meget, at kølevandet bliver varmt nok til radiatorer i huse. Så falder el-produktionen lidt på grund af den lidt mindre temperaturforskel mellem kedel og kondensator. Til gengæld kan man komme af med de meget ineffektive olie- og naturgasfyr (se kapitel 4, tabel 4.1) ved at bruge husenes radiatorer til at køle kraftværket med.

3.4 INDUSTRISAMFUNDETS ENERGI
Det var den kompakte kraftproduktion, der muliggjorde den industrielle udvikling. Et damplokomotiv kan trække mere end hundreder af heste. En lille benzinmotor på 10 hestekræfter kan ligge i bagagerummet på en bil.

Den første brugbare dampmaskine blev bygget i England i 1712. Den var konstrueret af jernhandleren Thomas Newcomen (1663 - 1729) til brug i miner, hvor den erstattede heste som drivkraft til pumper, der holdt mineskakterne tørre. Figur 3.4 viser, hvordan maskinen virkede i kraft af luftens tryk på et stempel, hvorunder der blev skabt et undertryk ved at få damp til at kondensere22.

I årene 1765 - 1790 udviklede den skotske ingeniør James Watt (1736 - 1819) den dampmaskine, der siden blev til lokomotiver og blev brugt i skibe og i alle de fabrikker, der skabte industrisamfundet. I modsætning til Newcomen’s maskine, som virkede ved undertryk i cylinderen, virker Watt’s maskine ved, at damp under tryk ledes ind i cylinderen, så kraften og bevægelsen fremkommer ved dampens pres på stemplet. Som man kan se det på et damplokomotiv, er stemplet forbundet til en plejlstang, der driver hjulene. Før stemplet trækkes tilbage, ledes dampen ud af cylinderen til en kondensator, hvori vandet kondenseres og derpå pumpes tilbage til dampkedlen. Kondensatoren kan virke som en rørspiral, der er neddykket i koldt vand. I nutidens dampmaskinekraftværker er cylinder og stempel erstattet med dampturbiner, se figur 3.5.
Thomas Newcomen var ikke videnskabsmand, og der lå ingen videnskabelig teori til grund for hans opfindelse. Kun praktiske erfaringer og snilde. Heller ikke James Watt havde nogen teoretisk forklaring på, hvordan dampmaskinen virkede, selvom hans mange målinger af dampens egenskaber hjalp ham til at forbedre dampmaskinens effektivitet.

Det var den franske ingeniør og vidensskabsmand Sadi Carnot (1786 - 1832), der udledte den teoretiske forklaring på dampmaskiners virkemåde. I en epokegørende afhandling om “Ildens bevægende kraft”23, udgivet i Paris i 1824, forklarede han det almindelige princip i dampmaskiners virkemåde. Princippet er, at maskinerne, hvordan de end er konstruerede, virker i kraft af temperaturforskellen mellem ilden under dampkedlen og det kolde vand, der får dampen til at kondensere, efter at den har udøvet sit tryk på stemplet. Det var således Carnot, der lagde grundlaget for videnskaben termodynamik (se afsnit 3.3 ovenfor).

Dette princip: at temperaturforskelle kan drive kredsløb, processer og maskiner, er netop det, vi i afsnittet ovenfor beskrev som det princip, der forklarer livets udvikling og opretholdelse på Jorden. Forskellen mellem livsprocesserne og dampmaskinen er, at dampmaskinen virker ved en temperaturforskel, der er meget større end de temperaturforskelle, der er tale om i de naturlige kredsløb. Ved forbrænding af kul, olie eller naturgas i fyr under dampkedler kan temperaturen komme op over 1000 grader. Med en sådan temperaturforskel i forhold til omgivelsernes temperaturer - dvs. udeluftens temperatur eller temperaturen i en flod eller en fjord - kan man frembringe kræfter, der er meget større end de kræfter, manden i drivhuset (figur 3.2) kan frembringe med de meget mindre temperaturforskelle, der opstår i drivhuset. Men selvfølgelig, hvis drivhuset er tilstrækkeligt stort, ville man kunne få vand nok i kredsløbet til at drive en vandmølle, der kunne levere lige så meget kraft som en dampmaskine. Det ville bare kræve et meget stort vandreservoir oppe under drivhustaget.

Vandmøllen i drivhuset virker præcist ligesom moderne vandkraftværker. Ligesom temperaturforskellene i drivhuset driver vandkredsløbet (fordampning efterfulgt af kondensering), driver temperaturforskellene i atmosfæren det kredsløb, hvori vand fordamper fra havene og kondenserer som regn. Noget af regnen opsamles i vandkraftværkernes højtliggende vandreservoirer.

Et vandkraftværk med et stort reservoir og en stor faldhøjde fra reservoiret ned til floden, der fører vandet ud mod havet, kan producere mere kraft end et stort dampmaskinekraftværk. Men der er en væsentlig forskel mellem vandkraft og dampmaskinekraft, nemlig det areal, der kræves til produktionen.

I 1957-59 blev der bygget et stort vandkraftværk ved Kariba på Zambezi-floden, der løber mellem Zimbabwe og Zambia. Den 128 meter høje Kariba-dæmning opstemmer flodens vand i et reservoir, som dækker et areal, der er omtrent så stort som Jylland. Tusinder af mennesker blev tvangsforflyttet fra deres landsbyer, da landet blev oversvømmet. Dette vandkraftværk producer ca. 7 milliarder kWh om året. De 10 store kulfyrede dampmaskinekraftværker i Danmark producerer 3 gange så meget (ca. 21 milliarder kWh om året). Det siger noget om, hvor kompakt kraftproduktionen i dampmaskiner er i forhold den kraftproduktion, der kan opnås i naturens kredsløb. Der kan på et lille areal og med relativt små maskiner udløses kræfter, der i naturens kredsløb kræver meget mere plads24.

Det var den kompakte kraftproduktion, der muliggjorde den industrielle udvikling. Et damplokomotiv kan trække mere end hundreder af heste. En dampmaskine i et skib kan give mere fremdrift end hundreder af kvadratmeter sejl. De kræfter, der skal til for at trække et stålvalseværk, kunne kun fås fra dampmaskiner. I benzin- og dieselmotorerne, der kom til i begyndelsen af 1900-tallet, er kraftproduktionen endnu mere kompakt. En lille benzinmotor på 10 hk kan ligge i bagagerummet på en bil. Men den leverer lige så stor en kraft som 10 heste og som én af de mange vandmøller med tunge møllehjul og vældige drivaksler og tandhjul af træ, der i gamle dage fandtes langs de danske åer og vandløb.

3.5 MASKINERNE FREMBRINGER DERES FOSSILE BRÆNDSTOFFER
Uden kul ingen dampmaskiner, og uden dampmaskiner ingen kul. Uden diesel- og benzinmotorer ingen diesel og benzin, og uden diesel og benzin ingen diesel- og benzinmotorer.

Det var samspillet mellem livets og atmosfærens udvikling, der i én stor organisk proces frembragte både de levende dyre- og plantearter og den atmosfære, vi har i dag. Og i dette samspil skete der tilfældigvis aflejringer af algeog planterester, som gennem et tidsrum på millioner af år blev til de fossile brændsler. Et tilsvarende samspil mellem udvindingen af fossile brændsler og de maskiner, der “æder” disse brændsler, ser vi i industrisamfundets udvikling. Dampmaskinerne skulle have kul, og for at udvinde og transportere større og større kulmængder, skulle man have dampmaskiner. Uden kul ingen dampmaskiner, og uden dampmaskiner ingen kul.

Senere skulle der bruges dieselolie til at fodre motorerne i de boretårne og oliebrønde, der frembragte olie, i olierørledningernes pumpeværker og i olietankere. Og der skulle bruges diesel og benzin til at fodre de firehjulstrækkere, skibe, helikoptere og fly, der var nødvendige for at finde oliefelterne i uvejsomt terræn og under havoverfladen. Så uden diesel- og benzinmotorer ingen diesel og benzin, og uden diesel og benzin ingen diesel- og benzinmotorer. Og det skal tilføjes, at uden diesel- og benzinmotorer var atomkraften ikke blevet udviklet.

3.6 OLIEPRODUKTION FRA SOLLYSET
Med snart 9 milliarder mennesker og 1 milliard biler på Jorden, er der ikke plads til at opsamle så meget sollys, som der skal til for år for år at producere den mængde olie, der kræves for at fortsætte denne samfundsudvikling.

Af planter som raps og soya kan man udvinde olie, og alkohol (ethanol), der kan bruges som brændstof i benzinmotorer, kan udvindes ved gæring af sukkerrør, korn m.fl. Planter kan således udnytte sollyset til at producere olie eller alkohol, som kan erstatte olie. Men solstrålingen er relativt svag. Ellers ville den slå os ihjel. Så der skal store arealer til at frembringe betydelige mængder olie fra planter. Hvis en familie med en stor parcelhushave på 750 kvadratmeter plantede haven til med korn og hvert år gødede den med kunstgødning, ville den hvert år kunne udvinde ca. 200 liter ethanol af det høstede korn. Men der medgår en brændstofmængde svarende til 120 liter ethanol til at dyrke kornet og fremstille ethanolen. Så slutregnskabet bliver en netto-produktion på ca. 80 liter ethanol.

Hvis det samlede nuværende brændstofforbrug til personbiler, varebiler, lastbiler og busser skulle dækkes af biobrændstoffer, kunne vi ikke nøjes med det danske landbrugsareal, men vi måtte inddrage både Skåne og Sleswig- Holsten for at producere en så stor mængde biobrændstoffer. Så hvis biobrændstoffer skal spille en større rolle som drivmiddel til køretøjer, skal vi køre færre kilometer om året og længere på literen.

Der er i dag godt 2 mio. personbiler i Danmark. Hvis antallet ikke forøges, og vi regner med, at de i gennemsnit kan nøjes med at køre 15 000 km om året, og de i de kommende 15 år udskiftes med nye biler, der i gennemsnit kører 30 km på en liter, så bliver brændstofforbruget i personbiler 1 mia. liter i 2020. Dertil kræves ca. 10 000 kvadratkilometer landbrugsareal, eller ca. 40% af det samlede danske landbrugsareal. Og så mangler vi varebiler, lastbiler, busser og tog.

Så selv hvis vi kraftigt formindsker brændstofforbruget til transport, skulle vi bruge det meste af landbrugsarealet for at indfange så meget sollys, at brændstofforbruget til transport kunne dækkes.

Lad os forestille os, at det årlige brændstofforbrug per bil overalt i verden blev formindsket tilsvarende, sådan at det globale olieforbrug til transport ikke vokser, selvom antallet af biler i de kommende 10 år vokser fra 700 mio. til 1000 mio., og der også bliver flere busser, lastbiler, landbrugsmaskiner, flyvemaskiner osv. Hvis det globale olieforbrug til transport i så fald skulle dækkes af olieproduktion fra sollyset, så skulle et areal på størrelse med Canada og USA (uden Alaska), svarende til en trediedel af det nuværende globale landbrugsareal25, tilplantes med afgrøder, hvoraf der kan udvindes biodiesel eller alkohol til biler - når der regnes med, at der i gennemsnit kan produceres 50% mere brændstof per hektar end under danske forhold. Forudsat at arealerne bliver gødet - hvilket kræver naturgas til kunstgødning - og kunstvandet i tørre områder26.

Disse tal kan tjene til at give et indtryk af den koncentration af drivkraft, menneskeheden for en kort tid har fået til rådighed i form af olie fra fossile oliekilder. Vores samfund og økonomiske udvikling er baseret på og derfor afhængig af den olie, der stammer fra algers optagelse af sollys gennem millioner af år for omkring 100 millioner år siden. Med snart 8 milliarder mennesker og 1 milliard biler på Jorden, er der ikke plads til at opsamle så meget sollys, som der skal til for år for år at producere den mængde olie, der kræves for at fortsætte denne samfundsudvikling.

Det nuværende danske landbrug er ikke en energimæssig overskudsforretning. Den energi, der kommer ud i form af korn og kød til fødevarer og halmoverskud til brændsel, er ikke meget større end den energi, der kommer ind i form af importerede foderstoffer, diesel til landbrugsmaskinerne og brændsel til at producere den elektricitet, der forbruges i staldene. Hvis landbrugets energiregnskab skal forbedres, er det mest naturligt, at det sker ved, at landbruget selv producerer brændstoffet til landbrugsmaskinerne i form af rapsolie eller biodiesel, ligesom det tidligere selv producerede foderet til hestene. Og ved at det med biogasdrevne motorer selv dækker sit el-forbrug.

< Energi i politisk og økonomisk tænkningIndholdsfortegnelseEnergi til arbejde >






 0 kommentar(er) · 1318 fremvisninger

Kommentarer
Der er ikke skrevet kommentarer til denne artikel.

Deltag aktivt i debatten om artiklen Energi på Jorden:

Husk mig

▲ Til toppen
Afstemning
Vil Donald Trump trække USA ud af Paris-aftalen?

Ja

Nej

Ved ikke


Tak for støtten til driften af Klimadebat.dk.
Copyright © 2007-2016 Klimadebat.dk | Kontakt | Privatlivspolitik