Energi - översikt och enheter
Energi är en central del i mina posts och för civilisationer. Det kan vara bra att ha lite grundläggande kunskaper så att man tex inte blandar ihop energi och effekt (power). Som vanligt har jag förenklat och förkortat.
Enheter
SI-enheten för energi är Joule
som betecknas J. I vardagslivet är kilowattimmar (kWh), och
kilokalorier (kcal) vanligare.
Några energienheter:
| Beteckning | Namn | J | Kommentar |
|---|---|---|---|
| J | Joule | 1J | SI-enhet. Samma som Wattsekund (Ws) |
| cal | Kalori | 4,184J | Energi i mat. Litet mått, normalt används kcal |
| kcal | Kilokalori | 4,184kJ | Kan betecknas “Cal” (stor bokstav) vilket är mycket dumt |
| kWh | Kilowattimme | 3,6MJ | Vanligt mått för elförbrukning |
| toe | Ton oljeekvivalenter | 42GJ | Används tex om länders energikonsution |
| Megaton TNT | 4,184PJ | Om atombomber. Hiroshima var på ca 15 kiloton. Den största atombomb som detonerats var på 50 megaton |
SI-prefix används, k, M, G, osv.
Olika former
Som de flesta vet kan energi inte förstöras eller skapas, bara omvandlas från en form till en annan.
Några former av energi:
| Form | Kommentar |
|---|---|
| Kemisk energi | Tex i batterier och bränslen, fossila eller inte |
| Elektrisk energi | En fantastisk energiform. Kan omvandlas med små förluster |
| Lägesenergi | Vatten i en högt belägen damm har hög lägesenergi som kan omvandlas til el |
| Kinetisk energi | Rörelseenergi. Ett vindkraftverk omvandlar luftens rörelseenergi till el |
| Strålningsenergi | En solpanel omvandlar strålningsenergi till el |
| Värmeenergi | Lägsta formen av energi |
Kärnkraft omvandlar materia till energi enligt den kända formeln E=mc2.
Termodynamikens lagar
De flesta är inte fysiker och vill, och behöver, inte veta alla detaljer 100% korrekt, det räcker med de väsentliga konsekvenserna.
-
Energi kan inte förstöras eller skapas, bara omvandlas från en form till en annan
-
Entropi är ordning…. bla-bla-bla (TL;DR). Det viktiga är att i pricip alla energiomvandlingar är irreversibla, dvs för att “gå tillbaka” måste man använda mer energi
Om du ändå vill lära mer om Entropi rekommenderar jag denna post.
Verkningsgrad
När man använder energi går alltid en del till spillo, dvs blir oönskad energi (värme). Tex en mycket bra dieselmotor kan ha en verkningsgrad på 45%, dvs av den kemiska energin i diesel blir 45% till önskad kinetisk energi, men 55% förloras som värme. Förlusten är alltid i form av värme (till slut), åtminstonne har jag inte hittat något annat praktiskt fall.
| Grej | Verkningsgrad (ca) | Kommentar |
|---|---|---|
| Dieselmotor | 40-45% | Kan komma upp till 53% enl nya uppgifter |
| Bensinmotor | 30% | Dvs en bensinare blir varmare (70% värme) |
| Elmotor | 80-95% | Dom är nästan så bra dom kan bli, dvs man kan inte göra elbilar mycket effektivare |
| Kärnkraftverk | 35% | Dvs i ett kärnkraftverk som producerar 1GW el måste man kyla bort ca 2GW |
| Vattenkraftverk | 90% | Också så bra dom kan bli |
Här kan det vara lämpligt att nämna Jevons paradox. I korthet: förbättrad verkningsgrad innebär oftast inte mindre energianvändning. När verkningsgraden förbättras blir det billigare att använda energin, så man använder den mer.
ERoEI och ECoE
ERoEI - energy returned on energy invested och ECoE - Energy Cost of Energy är mått på samma sak. Tex för att ta upp 20 fat olja kan man behöva energi motsvarande 1 fat olja vilket ger ERoEI=20:1 (eller 20) och ECoE=5%.
ERoEI minskar (ECoE ökar) för fossila bränslen. Tex olja från frackning har mindre ERoEI än olja man pumpar upp.
ERoEI är svårt att räkna ut och dom som presenterar siffror kan vinkla till sin fördel. Kolla alltid flera källor om möjligt.
Energitäthet
Energitäthet är energi-innehåll per kg eller liter. Energitäthet kan användas för att jämföra fossila bränslen med el och batterier. Tex hur stor energitäthet måste batterier ha i ett el-drivet propellerplan.
(den svenska wiki-sidan är urdålig)
Solenergi
I stort sett all energi på jorden kommer från solen i form av strålning. Fossila bränslen är växter som omvandlat solenergi till kemisk energi för miljoner år sedan och sedan komprimerats och koncentrerats. Så man kan säga att fossila bränslen är fossil solenergi.
Jorden avger energi i förhållande till hur varm den är. När jorden blir varmare avges mer energi tills ett jämviktsläge uppstår, dvs lika mycket energi avges som tas emot. Vid global uppvärmning avges mindre energi pga växhusgaser, temperaturen höjs tills ett nytt jämviktsläge uppstår.
Mänsklighetens totala energiproduktion utgör bara ca 0.0016% av den energi vi får från solen! (uträkning)
Exempel
Exemplen är för att fånga intresse och för att visa hur man kan resonera. Eller helt enkelt för att jag tycker dom är roliga. Jag tänkte fylla på med flera vartefter.
Eldrivet flygplan
Det finns eldrivna flygplan men jag ville veta hur nära vi är till ett kommersiellt propellerplan med liknande prestanda som ett turboprop plan som drivs med flygbränsle. Jag har bara räknat på energi och verkningsgrad.
| Storhet | Värde | Kommentar |
|---|---|---|
| Energitäthet flygbränsle | 43 MJ/kg | https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density |
| Verkningsgrad turboprop | 20% | Antagande, inte verifierat |
| Verkningsgrad elmotor | 90% | En väldigt bra elmotor |
Energitätheten för batterierna måste vara:
\[\frac{43 \cdot 20}{90} = 9.5 MJ/kg \approx 2640 Wh/kg\]Dom bästa batterierna i elektriska fordon (EV) verkar vara runt 250 Wh/kg, så det är en bit kvar.
Jag har antagit att man kan ersätta en turboprop med en elmotor, men jag vet inget om flygplanskonstruktion så det kan vara helt fel.
Energi från solen
Anledningen att jag räknade ut detta var en blog-kommentar där en person var orolig för att mäniskors energiproduktion direkt skulle värma upp jorden. Tom att mäniskors värmeutveckling (ca 100W/person) skulle inverka när befolkningen växer (går inte. försök resonera varför).
Mha solens totala strålning (luminositet) och formeln för arean av ett klot är det hyfsat enkelt att räkna ut hur många Watt (effekt) per kvadratmeter solen ger på jordens avstånd. Vi behöver alltså avståndet mellan solen och jorden. Det varierar, men en astronomisk enhet (au) är nära nog.
Så för att få effekten i W/m2 delar vi solens luminositet med arean av ett klot med radien 1 au.
\[\odot=solen, \oplus=jorden, D_\odot=1 au\\ P = \frac{L_\odot}{4 \pi D_\odot^2} = \frac{3.828 \cdot 10^{26}}{4 \pi (149.6 \cdot 10^9)^2} \approx 1361 W/m^2\]Vi kan räkna ut hur mycket som träffar jorden mha jordens radie, men ca 30% reflekteras direkt tillbaka, så effekten som tillförs jorden blir:
\[P = \pi R_\oplus^2 \cdot 1361 \cdot 0.7 \approx 122 \cdot 10^{15} W\]För att få energin i Joule (=Ws) per år måste vi multiplicera med antal sekunder på ett år:
\[E = 122 \cdot 10^{15} \cdot 365 \cdot 24 \cdot 3600 \approx 3.8 \cdot 10^{24} J \approx 92000000 MToe\]2023 var energiproduktionen i världen ca 15000 MToe, så mänskligt producerad energi är bara ca 0.0016% av vad solen ger!
Skulle nu en befolkning på säg 200 miljarder kunna bidra till uppvärmingen med sin kroppstemperatur? Svar nej, och vi behöver inte räkna. Kom ihåg att energi inte kan skapas, så energin mäniskor avger kommer från solen. Förenklat: solenergi → fotosyntes → kemisk energi (mat) → värme. Så värmeenergin från människor är solenergi, bara lite fördröjd.
Mer information
Wikipedia-länkar (annars är det lätt att söka själv):
- Energi
- Termodynamik
- World energy supply and consumption (bra, men data från 2021)
Engelska Wikipedia är oftast bättre än svenska (byt språk).
Tom Murphy
Ladda ner och läs Energy and Human Ambitions on a Finite Planet av Tom Murphy. Den är mycket bra! Mycket i denna post är taget från den. Avancerad fysik, men det borde räcka med gymnasiematte. Man kan kolla Appendix A “Math and Equations” för en bra repetition.
tags: energi