Energikilde

Skjematisk fremstilling av verdens energikilder i 2010
Kilde: REN21 Renewables 2012 Global Status Report

Verdens totale primære energiproduksjon (rød kurve med skala til venstre) og de fem områdene i verden med høyest produksjon (skala til høyre). (Kvadrillion Btu. 1 Btu = 1055 J.) Kilde: International Energy Statistics

Energikilde eller energikjelde, eller energiressurs, er et begrep for alle de tilgjengelige primære og sekundære former av energi som kan utnyttes til menneskelig aktivitet. Primære energikilder er energiformer som finnes i naturen og som ikke har blitt omdannet eller transformert. Sekundære energiformer derimot, er energi som er blitt omdannet eller transformert (foredlet) for et formål. Begrepet brukes innenfor energiteknikk og i samfunnsvitenskapelige sammenhenger der en arbeider for å gjøre tilstrekkelige energimengder tilgjengelig for å møte samfunnets behov. Energiproduksjon er basert på konvensjonell energi, alternativ energi og fornybar energi, samt gjenvinning av spillvarme og generell gjenbruk av energi. Energisparing og forbedring av virkningsgraden ved energiproduksjon og i prosesser (industri, produksjon, oppvarming og lignende) er viktige bestrebelser for å utnytte energikilder. Reduksjon av virkninger av energibruk kan ha fordeler for samfunnet på grunn av kostnadsreduksjoner og mindre miljøbelastning.

Moderne industrisamfunn bruker primære og sekundære energikilder for transport og vareproduksjon. I industrilandene er det stort omfang av kraftproduksjon og tjenesteyting for energidistribusjon og nyttiggjøring for sluttbrukere. Denne energien blir nyttiggjort av mennesker med en levestandard som gjør at de kan tilpasse seg ulike klimatiske forhold ved oppvarming, ventilasjon og/eller air conditioning, til transport og indirekte ved kjøp av varer og tjenester. Forbruket av energi er forskjellig både mellom nasjoner og mellom mennesker i samme land, og er avhengig av faktorer som inntekt, ønske om bekvemmelighet, effektiviteten i energibruken, nivået av trafikkaos, forurensning og tilgjengeligheten av energikilder til bruk i husholdningene.

Den konvensjonelle energisektoren omfatter oljeindustrien (oljeselskaper, petroleumsraffinerier, transport av drivstoff og sluttbrukersalg av bensin), gassindustrien (utvinning av naturgass, produksjon, samt distribusjon og salg) og elektrisitetssektoren (kraftproduksjon for distribusjon og salg av elektrisk kraft), kullindustrien, og kjernekraftindustrien.

Kartlegging og utvinning av fossile brensler skjer kontinuerlig, i stort omfang og innbefatter leteboring (dypvannsboring, horisontal boring og fracking). Verdens energibehov øker stadig, noe som har sammenheng med økonomisk vekst, spesielt i utviklingsland som Kina og India. Den aller største delen av verdens energibehov dekkes av fossile energikilder. Forbrenning av kull, olje og naturgass i verdens kraftverk og for transport fører til utslipp av blant annet karbondioksid (CO₂) noe som fører til endringer av atmosfærens sammensetning av gasser. Denne endringen fører ifølge FNs klimapanel (IPCC) til global oppvarming som kan få langsiktige og svært alvorlige følger. Bruk av energikilder er direkte knyttet til dette problemet. Dermed er energibruk og utvikling av nye energikilder noe som blir viet stor oppmerksomhet. Alt fra land til bedrifter og organisasjoner inngår avtaler for å motvirke klimaendringer, og arbeidet med å utvikle kilder for alternativ og fornybar energi får stadig større omfang. Nye energinæringer omfatter fornybar energi, som innbefatter alternativ og bærekraftig produksjon, distribusjon og salg av alternative drivstoff.

Begrepsavklaring

I dagligtale og i populære fremstillinger blir ofte begrepene energi, energibærer og energikilde brukt som synonymer. I energiteknikken gjøres det derimot forskjell på disse, og hver av dem har dermed en distinkt betydning. Energi er «evnen til å utføre arbeid», hvor arbeid i klassisk mekanikk er definert som kraft anvendt over en strekning. En energikilde er vanligvis den delen i et lukket system som frembringer energi ved overgang fra en energiform til en annen. En energibærer er enten et stoff eller et fenomen som kan brukes til å produsere mekanisk arbeid, varme, eller å drive kjemiske eller fysikalske prosesser. Denne energien kan nyttiggjøres senere eller på et annet sted.

Energityper

En energikilde er vanligvis del av et lukket system, der et element avgir energi ved omdannelse fra en annen energiform. Imidlertid kan systemet også være del av et åpent system. Illustrerende for dette kan være energi fra solen, som med sin kjernefysiske fusjon er den «viktigste» energikilden for jorden og som avgir sin energi i form av stråling.

Alt stoff i den materielle verden eksisterer i former som kan konverteres til nyttbar energi og er ressurser som samfunnet kan bruke til å skaffe energi for å produsere blant annet varme, lys og bevegelse. Energikilder kan deles inn i følgende grupper etter sine egenskaper:

• Primære, som finnes i naturen; noen eksempler er vind, vann, sol, ved, kull, olje og kjernekraft.
• Sekundære, som hentes fra primære energikilder, som for eksempel elektrisitet og gass skapt ved industrielle prosesser.

Klassifisert i henhold til energireserver fra energikilders grad av fornybarhet:

• Fornybar: Når energikilden som brukes fritt regenereres, og det finnes praktisk talt ubegrensede reserver. Et eksempel er solenergi, som er energi fra solen, eller vind brukt som en energiressurs. Fornybare energiformer er:
  • Opprinnelig solenergi
  • Vind (atmosfæriske strømninger)
  • Geotermisk energi
  • Oseanisk tidevannskraft
  • Vannkraft
  • Naturlig bioenergi som papir og tre
  • Dyr brukt som trekkdyr, eller stoffer fra dyr som voks og fett
• Ikke-fornybare: De som kommer fra energi fra begrensede kilder på jorden, og derfor vil brukes opp. De ikke-fornybare energikilder omfatter:
  • Fossile kilder: petroleum, naturgass og kull
  • Opprinnelige mineraler/kjemiske stoffer: uran, skifergass

Eksempelvis er skifergass en sekundær ikke-fornybar energikilde, mens vindkraft er en primær fornybar energikilde. Figuren over viser verdens fornybare og ikke-fornybare energikilder.

Kjemikeren Antoine Lavoisier oppdaget prinsippet om massens bevarelse, som også gjelder for energikilder, nemlig at ingenting blir skapt ved frigjørelse av energi. Dermed er energiproduksjon egentlig bare en transformasjon av energiformer som uansett har sin opprinnelse i universet. I tillegg til loven om massens bevaring, er det også i naturen en kobling mellom masse og energi, som fysikeren Albert Einstein oppdaget. I et kjernekraftverk utnyttes denne sammenhengen i praksis.

For eksempel blir en sykkeldynamo drevet av kinetisk energi (bevegelsesenergi) fra bevegelse som syklisten skaper og omdannet til elektrisk energi via induksjon. Den elektriske energien blir overført til glødetråden i lyspæren i lykten, hvor den kraftige oppvarmingen fører til avgivelse av varme og lys (elektromagnetisk stråling). Den kinetiske energien som syklisten bidrar til er i seg selv biokjemisk energi som utvikles i kroppens muskelceller. Denne energien er igjen transformasjon av kjemisk energi i sukkerarter som er syntetisert av planter som har vokst ved hjelp av energi fra solen (elektromagnetisk stråling). (Prosessen er noe mer komplisert om syklisten ikke er vegetarianer. Spiser syklisten mat som er rik på proteiner og animalsk fett, representerer dette energi fra dyr som fra før har spist plantemateriale, eventuelt andre dyr.) Sollyset er igjen transformasjon av atomenergi produsert ved fusjon av hydrogenatomer. Og som nevnt over er dette igjen overgang fra materie til energi.

Fossile brensler

Konvensjonelle fossile brensler

Moss Landing kraftverk i California, USA bruker både olje og naturgass for å produsere elektrisk energi.

Foto: David Monniaux

Boring etter naturgass i Texas i USA.

Foto: David R. Tribble

Utdypende artikler: Fossil energi og Peak oil

Fossilt brensel (primær ikke-fornybar fossil energikilde) er kull og andre hydrokarboner som ved forbrenning avgir sin kjemiske energi. Dette er restene etter nedbryting av planter og dyr som har skjedd for millioner av år siden. Det er tre hovedtyper av fossilt brensel: kull, petroleum og naturgass. Et annet fossilt brensel, flytende petroleumsgass (LPG), er hovedsakelig avledet fra produksjonen av naturgass. Varmeenergi fra forbrenning av fossilt brensel brukes direkte til romoppvarming og prosessvarme, den omdannes til mekanisk energi i kjøretøyer og i andre industriell prosesser. En annen stor del omformes til elektrisk energi i kraftverk.

De fossile drivstoffene er basert på karbonkretsløpet. Dette er et lager av historisk solenergi som forbrukes uten å bli fornyet. I 2011 ble 81,6 % av verdens primære energibehov dekket fra fossile kilder.

Fossile brensler utgjør hoveddelen av verdens nåværende primære energikilder. Petroleum har en energitetthet i volum og masse som i dag er mer gunstig enn den som andre energikilder har. Petroleum kommer også bedre ut som energibærer enn den kapasiteten som elektriske batterier har (for eksempel i elektriske biler). Dette er økonomiske og praktiske forhold som gjør at disse energikildene blir foretrukne løsninger for drift av for eksempel biler, fly og skip. Fossilt brensel er økonomisk gunstig, og egnet for desentralisert bruk.

Import av fossilt brensel fra visse geografiske regioner eller land (særlig Midtøsten og Russland) skaper sikkerhetsrisiko for avhengige land. Oljeavhengighet har ført til kriger, finansiering av radikale grupper, monopolisering, og sosiopolitisk ustabilitet. Fossilt brensel er hverken en fornybar eller bærekraftig ressurs, noe som etterhvert vil føre til en nedgang i produksjonen og etter en tid bli uttømt med de konsekvenser det kan få for samfunn som er avhengige av dem, om ikke da andre energikilder kommer som erstatning. Fossilt brensel blir kontinuerlig formet, men forbruket er betydelig raskere enn dannelsen. Utvinning av fossile energikilder blir stadig mer krevende etter hvert som verden bruker de mest tilgjengelige kildene. Dermed er utviklingen av energikilder ved gruvedrift blitt stadig mer intensiv, og oljerigger må bore stadig dypere og lengre ut i havet. Utvinning av fossilt brensel fører til forurensning og naturødeleggelser, for eksempel ved utvinning av kull i dagbrudd.

Drivstoffeffektivitet er en form for termisk virkningsgrad, som er et mål for effektiviteten av en prosess som omdanner kjemisk energi i en energibærer (brennstoff) til kinetisk energi eller arbeid. En moderne bensinmotor har en maksimal termisk virkningsgrad på ca. 25–30 % når den brukes til å drive en bil. Med andre ord vil motoren selv om den kjøres under forhold som gir maksimal termisk effektivitet, og dermed kan nyttiggjøre seg drivstoffet mest mulig optimalt, avgi ca. 70–75 % av tilført energi som varme uten å bli omformet til nyttig arbeid ved å drive bilen fremover.

Konvensjonell produksjon av olje har i henhold til konservative anslag allerede nådd toppen i et av årene mellom 2007 til 2010. Noen mer forsiktige prognoser anslår at olje har, eller vil, nå sin topp mellom 2010 til 2025, mens andre studier fastslår at det aldri vil oppstå noen topp. Tidspunktet for hele verdens peak oil-produksjon har vært debattert mye, men dette har kanskje allerede skjedd i flere land. I 2010 ble det anslått at en investering i ikke-fornybare ressurser på 8 billioner USD ville være nødvendig for å opprettholde dagens produksjonsnivå for de neste 25 årene. Det samme året ble det tilsammen i verdens stater brukt 500 milliarder USD på subsidier av fossile energikilder. Globalt var subsidiene til fossilt drivstoff 700 milliarder USD i 2022 eller 7,1 % av verdens bruttonasjonalprodukt, dette i henhold til en årlig rapport fra det internasjonale pengefondet (IMF).

Kull er blant de viktigste energikildene for verdens energibehov. Et dagbrudd for brunkull i Nordrhein-Westfalen i Tyskland.

Foto: Raimond Spekking

Ineffektiv forbrenning av fossilt brensel i biler, bygninger og kraftverk bidrar til at det oppstår en såkalt varmeøy over tettbefolkede områder. Forbrenning av fossilt brensel fører også til forurensning av atmosfæren. De fossile brensler er i hovedsak basert på organiske karbonforbindelser. De er i henhold til IPCC årsakene til global oppvarming. Ved forbrenning med oksygen frigjøres varmeenergi og karbondioksid. Avhengig av sammensetning og renhet av det fossile brenselet fører dette også til at andre kjemiske forbindelser som for eksempel nitrogenoksider (NOx), sot og fint støv frigjøres. Typisk vil et kullkraftverk slippe ut store mengder med karbondioksid, svoveldioksid, små luftbårne partikler, nitrogenoksider, ozon, smog, karbonmonoksid (CO), hydrokarboner, flyktige organiske forbindelser (VOC), kvikksølv, arsen, bly, kadmium, andre tungmetaller og spor av uran.

Ikke-konvensjonelle fossile brensler

Skifergass

Per 2013 er det bare USA og Canada som produserer skifergass i kommersiell skala. I disse to landene er skifergass blitt en viktig del av gassforsyningen

Diagram av: U.S. Energy Information Administration (EIA)

Skifergass er naturgass som er funnet innkapslet i formasjoner bestående av leirskifer i berggrunnen. Gassen brukes til kraftproduksjon i gasskraftverker, og erstatter da konvensjonell naturgass. Skifergass har blitt en stadig viktigere gasskilde i USA siden begynnelsen av 2000-årene, og interessen har spredt seg til potensielle skifergassforekomster i resten av verden. I 2000 utgjorde skifergass bare 1 % av amerikansk gassproduksjon, men innen 2010 utviklet det seg til å utgjøre over 20 %. Den amerikanske regjeringens Energy Information Administration har anslått at innen 2035 vil 46 % av USAs vil naturgasstilførsel komme fra skifergass.

Noen analytikere forventer at skifergass i stor grad vil utvide den globale energiforsyningen og spille en viktig rolle i fremtidens energiforsyning. Kina er anslått å ha verdens største reserver av skifergass. En studie av Baker Institute of Public Policy ved Rice University konkluderte med at økt produksjon av skifergass i USA og Canada kan bidra til å forhindre Russland og landene rundt Persiabukten fra å diktere høyere priser for gassen de eksporterer til land i Europa.

Utslippene av drivhusgasser fra skifergass ser ut til å være like store som fra konvensjonell naturgass, men er allikevel mye mindre enn utslippene fra kull. Utvinning og bruk av skifergass kan påvirke miljøet gjennom lekkasje av kjemikalier som brukes ved utvinningen, noe som kan gi forurensning av vannforsyningen og skape problemer for lokalsamfunn. Andre problemer er avgivelse av klimagasser under utvinning og forurensning forårsaket av feilaktig behandling av naturgass.

Oljesand

Ukonvensjonell oljeressurser er større enn de konvensjonelle.

Utdypende artikkel: Oljesand

Oljesand er en type ukonvensjonell petroleumsforekomst som ofte består av løs sand, leire og vann som er mettet med en type petroleum kalt bitumen. Bitumen i oljesand er ekstremt tyktflytende, og ofte kalles dette stoffet for tjæresand på grunn av at den har utseende, lukt og farge som tjære. Det er funnet spesielt store mengder med oljesand i Canada. Andre store reserver ligger i Kasakhstan og Russland. Forekomstene i Orinocobeltet i Venezuela blir noen ganger beskrevet som oljesand, men disse forekomstene inneholder ikke bitumen, og faller i stedet inn i kategorien «tung eller ekstra tung olje» på grunn av lavere viskositet. De antatte forekomster av olje totalt i verden er mer enn to billioner fat (320 milliarder kubikkmeter), og mye av dette utgjøres av oljesand. Disse anslagene består også av forekomster som ikke er oppdaget. Bare i provinsen Alberta i Canada er det anslått at ressursene av oljesand til sammen utgjør 174,5 milliarder fat, noe som utgjør to tredjedeler av Saudi-Arabias påviste reserver på 262 milliarder fat.

Oljesandreservene har inntil nylig ikke vært inkludert i prognoser og oversikter for verdens oljereserver, men høyere oljepriser og ny teknologi gjør det mulig med lønnsom utvinning og foredling. Bitumen i oljesanden er en tykk, klebrig form av råolje, så tung og tykkflytende at den ikke vil flyte med mindre den blir oppvarmet og/eller fortynnet med lettere hydrokarboner, slik som lett råolje eller naturgasskondensat.

Utvinning av oljesand er kontroversielt, mye på grunn av de store energi- og vannmengdene som er nødvendige. Oljesand tas ut i dagbrudd, og for å gjøre bitumen eller råoljen flytende, brukes damp eller kjemiske løsningsmidler. Det kan derfor være fare for at jordsmonnet skades ved erosjon og miljøskader. Prosessen frem til for eksempel bensin eller diesel er kompleks og energikrevende. Det er også fare for å ødelegge vannressurser på grunn av de store vannmengder som brukes, og stor innsats av energi for blant annet oppvarming av vann fører til ekstra CO₂-utslipp i forhold til konvensjonell oljeutvinning. Et tredje problem er at en lang rekke miljøskadelige tungmetaller som for eksempel kvikksølv, nikkel og vanadium er naturlig til stede i oljesand. Disse kan bli konsentrert under utvinningen og komme ut i miljøet.

Karbonfangst og -lagring

Schwarze Pumpe kraftverk i Tyskland har en ytelse på 1600 MW og bruker brunkull. I kraftverket ble det installert testutstyrt for karbonfangst i 2008. Dette skulle bli verdens første CO₂-frie kraftverk, men i 2014 ble prosjektet avsluttet på grunn av høye kostnader og fordi energien som kreves for å drive prosessen gjør konseptet ulønnsomt.

Utdypende artikkel: Karbonfangst og -lagring

Karbonfangst og lagring vil si at CO₂ fra røykgasser fra et varmekraftverk via kjemiske prosesser fanges opp og lagres i jordskorpen. På engelsk kalles dette «Carbon Capture and Storage» (CCS) og er blitt et internasjonalt begrep. Hensikten er å unngå utslipp av drivhusgasser til atmosfæren. Prosessen med karbonfangst er allerede utviklet og kommersielt tilgjengelig for å kunne håndtere CO₂ i stor skala. Lagring av karbondioksid må være permanent, det må skje i geologisk stabile formasjoner i jordskorpen og en ser på dype geologiske formasjoner, blant annet i dyphav. Lagring i form av mineralske karbonater blir også undersøkt.

Noen kjente pilotanlegg for slik teknologi er Schwarze Pumpe kraftverk i Tyskland og Mountaineer kullkraftverk i Vest-Virginia i USA, men i begge disse er karbonfangstprosessen avsluttet. I Mountaineer-kraftverket var det mulig både å fange CO₂ og injisere det i jordskorpen like ved, men dette pilotanlegget ble stoppet på grunn av manglende statlig støtte. Når det gjelder Schwarze Pumpe, ble pilotanlegget avviklet fordi en mente at teknologien var for lite lønnsom. Her ligger utfordringene med karbonfangst i at anleggene bruker energi for å drive prosessen og at investeringene er store. En annen utfordring er lagring av CO_2, som er lite utprøvd når formålet er en sikker og permanent løsning.

Et annet konsept for lagring av CO₂ er såkalt biokull som dannes ved oksygenfattig forbrenning av biomasse. Halm og trevirke er eksempler på biologiske materialer som brukes i denne prosessen, og biokullet som dannes lagres i jordsmonnet. Biokullet vil representere en stabil lagring av CO₂ i flere hundre år, samtidig virker det som jordforbedringsmiddel.

Kjernekraft

Fisjon

De amerikanske atomdrevne skipene fra øverst til nederst: USS «Bainbridge», USS «Long Beach» og USS «Enterprise». USS «Enterprise» er det lengste marinefartøyet noensinne og det første atomdrevne hangarskipet i verden. Bildet er tatt i 1964 under en rekordlang reise på 26 540 nautiske mil (49 190 km) rundt om i verden i 65 dager uten noen påfylling av drivstoff.

Foto: US Navy

Den russiske atomdrevne isbryteren «Yamal» under en vitenskapelig ekspedisjon med National Science Foundation i 1994.

Foto: National Science Foundation

Modell og snitt av Tokamak-reaktoren for forskning på kjernefysisk fusjon ved International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) i Frankrike. Det ventes ikke at noen fusjonsreaktor skal kunne produsere nyttbar elektrisk energi før tidligst 2050. Om forskningen lykkes vil kraftverk bygget på dette prinsippet kunne gi svært store energimengder uten nevneverdig forurensning og uten bruk av kostbart drivstoff.

Utdypende artikkel: Kjernekraft

Atomkraft, eller kjerneenergi, er bruken av eksotermiske kjerneprosesser for å generere nyttig varme for elektrisitetsproduksjon. Begrepet omfatter fisjon, radioaktivitet og fusjon. I dag er det fisjon av grunnstoffene tilhørende aktinoidserien i det periodiske system som produserer det aller meste av den atomenergien som nyttiggjøres, først og fremst i form av kjernekraft og indirekte ved bruk av geotermisk energi, resten av bruken er meget begrenset. Energi fra atomkraftverk, med unntak av bidraget fra atomdrevne skip, utgjør om lag 5,7 % av verdens energibruk og rundt 13 % av verdens elektrisitetsproduksjon i 2012. Det internasjonale atomenergibyrået (IAEA) rapporterte i 2013 at det er 437 operative atomreaktorer, i 31 land, men ikke alle reaktorene produserer elektrisitet. I tillegg er det ca. 140 atomdrevne marinefartøyer i drift, drevet av rundt 180 reaktorer.

Debatten om kjernekraft

Det har vært en langvarig og intens debatt om kjernekraft rundt om i verden. Tilhengere som for eksempel World Nuclear Association, IAEA og Miljøvernere for Nuclear Energy hevder at kjernekraft er en trygg bærekraftig energikilde som reduserer verdens karbonutslipp. Motstandere av kjernekraft, som Greenpeace og Nuclear Information and Resource Service, hevder at kjernekraft utgjør en stor trussel mot mennesker og miljø.

Ulykker i kjernekraftverk

Noen av de største kjernekraftulykkene som har funnet sted, er Three Mile Island-ulykken (1979), Tsjernobyl-ulykken (1986) og Fukushima-ulykken (2011). I tillegg har det også inntruffet noen ulykker i atomdrevne ubåter. Målt i form av tapte liv per enhet produsert energi har analyser fastslått at kjernekraft har forårsaket mindre dødsfall per enhet produsert energi enn de andre viktige energikildene. Dette har sin årsak i at regnestykkene ser på både luftforurensning og ulykker ved utvinning, videreforedling og produksjon. Imidlertid er de økonomiske kostnadene ved kjernekraftulykker høye, og en kjernefysisk nedsmelting kan kreve flere tiår med opprydning. De menneskelige kostnadene ved evakuering fra berørte områder og tapt livsgrunnlag er også betydelige.

Sammen med andre bærekraftige energikilder skjer elektrisitetsproduksjon ved kjernekraft ved lave karbonemisjoner. Litteraturen som er tilgjengelig om emnet som ser på livssyklusanalyser for utslippsintensiteten sier at den er lik andre fornybare kilder ved sammenligning av utslipp av klimagass per enhet energi produsert. Kommersialiseringen av kjernekraft startet i 1950-årene. Fra 1970 har denne energiformen erstattet fossile energikilder og forhindret utslipp av ca. 64 gigatonn med CO2-ekvivalenter.

Per 2012 var det i henhold til IAEA på verdensbasis 68 sivile kjernekraftreaktorer under bygging i 15 land, hvorav ca. 28 i Kina. I USA er to nye reaktorer av generasjon III under bygging ved Vogtle. Amerikanske tjenestemenn for atomindustrien forventer fem nye reaktorer i bruk innen 2020, alle ved eksisterende anlegg. I 2013 ble fire eldre og ineffektive reaktorer permanent nedlagt.

Fukushima-ulykken i 2011 skjedde i en generasjon II-reaktor fra 1960. Hendelsen fikk mange land til å revurdere sikkerheten rundt sine atomkraftverk og lage nye lover rundt sikkerheten. Tyskland besluttet å stenge alle sine reaktorer innen 2022, og Italia har forbudt kjernekraft. Etter Fukushima-ulykken har Det internasjonale energibyrået (IEA) halvert sitt anslag for ytterligere utbygging av kjernekraft frem mot 2035.

Økonomiske forhold for kjernekraft

Økonomien i nye atomkraftverk er et kontroversielt tema, spesielt fordi investeringene utgjør flere milliarder amerikanske dollar. Kjernekraftverk har vanligvis høye kapitalkostnader ved bygging, men lave direkte drivstoffkostnader.

I de senere årene har det vært en nedgang i veksten i etterspørselen etter elektrisk energi. I tillegg har finansieringen blitt vanskeligere, noe som har innvirkning på bygging av kjernekraftverk som er meget store prosjekter. Atomkraftverk har svært store kostnader tidlig i prosjektet og har i tillegg lang byggetid, noe som betyr at prosjektene støter på et stort spekter av risikoer. I Øst-Europa er det en rekke oppstartede prosjekter som sliter med å finne finansiering, særlig Belene i Bulgaria og de ekstra reaktorene som bygges for Cernavoda-atomkraftverket i Romania. Her har flere potensielle støttespillere trukket seg ut. I land hvor billig gass er tilgjengelig, og dens fremtidige forsyning relativt sikker, utgjør dette også et stort problem for prosjekter for kjernekraft.

Analyser for investeringer i kjernekraft må ta hensyn til hvem som bærer risikoen for fremtidige usikkerheter. Hittil har alle kjernekraftverk blitt bygget av statseide virksomheter, eller de har vært bygget innenfor regulerte monopoler hvor mange av de risikoene som er forbundet med byggekostnader, driftskostnader, prisen for uran og andre faktorer har blitt båret av forbrukerne og ikke av kraftprodusentene. Mange land har nå liberalisert sitt kraftmarked. Det betyr at disse risikoene, samt risikoen for at billigere konkurrerende energikilder oppstår før kapitalkostnadene blir tilbakebetalt, må tas av utbyggere og operatøren. Dette har ført til en vesentlig annerledes vurdering av økonomien for nye atomkraftverk.

To av de fire trykkvannsreaktorene som er under bygging i Finland og Frankrike er betydelig forsinket og store kostnadsoverskridelser har oppstått. Som følge av Fukushima-ulykken vil kostnadene trolig gå opp for eksisterende og nye atomkraftverk. Dette først og fremst på grunn av strengere krav til behandling av drivstoffet på stedet og et forhøyet krav til utforming for å motstå de mest sentrale risikoene ved kjernekraftproduksjon.

Fusjon

I 2013 ble det oppnådd en netto energigevinst ved forsøksreaktoren Joint European Torus fra en kjernefysisk fusjon. Dette er et pågående forskningsprosjekt ved International Thermonuclear Experimental Reactor. Mer enn 60 år etter at de første forsøkene ble foretatt er det fortsatt usannsynlig at kommersiell kraftproduksjon fra fusjonsprosesser kan komme i gang før 2050.

Fornybare energikilder

Utdypende artikkel: Fornybar energi

Vind, sol, og biomasse er tre fornybare energikilder.

Fornybar energi er generelt definert som energi som kommer fra ressurser som blir naturlig fornyet på en menneskelig tidsskala som for eksempel sol, vind, vann, tidevann, bølger og jordvarme. Fornybar energi erstatter konvensjonelt drivstoff innenfor fire forskjellige områder: kraftproduksjon, varmt vann og romoppvarming, drivstoff og frittstående kraftsystemer (altså kraftsystemer som er autonome, for eksempel på hytter og fjellhoteller).

Rundt 17–18 % av det globale sluttforbruket av energi i dag kommer fra fornybare ressurser, med 10 % av all energi fra tradisjonell biomasse som hovedsakelig brukes til oppvarming og 3,4 % fra vannkraft. Nye fornybare energikilder (småkraftverk, moderne biomasse, vind, solenergi, jordvarme, og biodrivstoff) står for en andel på 3 % og er raskt voksende. På nasjonalt nivå finnes det per 2011 minst 30 land rundt om i verden som allerede har fornybar energikilder som bidrar med mer enn 20 % av energiforsyningen, og i noen land er dette så høyt som 50 %. De nasjonale fornybare energimarkedene forventes å fortsette å vokse sterkt i de kommende tiår og utover. For eksempel vokser vindkraft med 20 % årlig per 2011, med en verdensomspennende installert kapasitet på 238 GW.

De fornybare energiressursene finnes over store geografiske områder, i motsetning til andre energikilder, som er konsentrert i et begrenset antall land. Rask distribusjon av fornybar energi og effektiv energibruk resulterer i energisikkerhet, og det er et klimatiltak som kan gi økonomiske fordeler. I internasjonale opinionsundersøkelser er det sterk støtte for å fremme fornybare energikilder som solenergi og vindkraft.

Mens mange fornybare energiprosjekter er storskala-anlegg, er fornybare teknologier også egnet til rurale og avsidesliggende områder i utviklingsland der tilgang på energi ofte er avgjørende for menneskelig utvikling. FNs generalsekretær Ban Ki-moon har sagt at fornybar energi har evnen til å løfte de fattigeste landene opp til nye velstandsnivåer.

Vindkraft

Verdens samlede installerte ytelse for vindkraft (mai 2011).
Se også: WWEA

Burbo Bank Offshore Wind Farm ved innløpet til Mersey, Liverpool i Nordvest-England.

Foto: Steve Fareham

Utdypende artikkel: Vindkraft

Vindkraft (primær, fornybar og naturlig) utnytter energien i vinden for å drive bladene på vindmøller som igjen driver en generator. Vindmøller er vanligvis bygget sammen på et større område og danner da en vindpark. Vindkraft er mye brukt i Europa, Kina og USA. Flere land har oppnådd relativt høye nivåer av vindkraft i sin energisammensetning (på engelsk energi mix), for eksempel kommer 21 % av all stasjonær elektrisitetsproduksjon fra vindkraft i Danmark i 2010. Samme år ble det oppnådd 18 % i Portugal, 16 % i Spania, 14 % i Irland og 9 % i Tyskland Tyskland hadde den 18. april 2013 rundt midt på dagen en produksjon på 35,9 GW fra sol- og vindkraft, dette var den høyeste produksjonen fra disse kildene noen gang. Dette førte til at 50 % av den elektriske kraftproduksjonen ble dekket opp fra disse kildene. Siden 2010 har det skjedd en økning og i Spania kom 23,1 % av all elektrisk kraftproduksjon fra vindkraft i 2013, og i Portugal kom over 70 % av all energi fra vind og andre fornybare kilde i første kvartal av 2013. I 2011 var det 83 land rundt om i verden som får dekket en del av sin kraftproduksjon fra vindkraft på kommersiell basis. Mange av de største operative vindparker på land befinner seg i USA. Per august 2013 er London Array i Storbritannia verdens største offshore vindpark med en ytelse på 630 MW. Denne er etterfulgt av Greater Gabbard Wind Farm (504 MW), også i Storbritannia. Gwynt y Mor vindpark (576 MW) er det største prosjektet som er under bygging.

Vannkraft

Utdypende artikkel: Vannkraft

De tre kløfters demning med en samlet nominell ytelse på 22,5 GW i Kina er det største vannkraftverket i verden, og samtidig verdens desidert største kraftverket uansett kategori.

Vannkraft som begrep omfatter elektrisitetsproduksjon ved utnyttelse av den potensielle energien som rennende vann på landjorden har på grunn av gravitasjonskraften. Det er den mest brukte formen for fornybar energi og sto for 16 % av verdens elektrisitetsproduksjon eller 3427 TWh. Produksjonen forventes å øke med om lag 3,1% hver år de neste 25 årene.

Vannkraft blir produsert i 150 land, med Asia som den verdensdelen med det største bidraget med 32 % av global vannkraft i 2010. Kina er den største vannkraftprodusenten med en produksjon på 721 TWh i 2010, som forsyner rundt 17 % av strømforbruket til husholdningene. Det er nå tre vannkraftverk i verden som er større enn 10 GW: De tre kløfters demning i Kina, Itaipu-demningen på grensen mellom Brasil og Paraguay, og Guri-demningen i Venezuela.

Kostnadene for vannkraft er relativt lave, noe som gjør det til en konkurransedyktig kilde til fornybar elektrisitet. Den gjennomsnittlige kostnaden for elektrisitet fra et vannkraftanlegg større enn 10 MW er 3 til 5 US cent per kWh. Vannkraft er også en fleksibel kilde til elektrisitet siden pådraget (produksjonen) kan reguleres opp og ned svært raskt for å tilpasse seg endringer i effektbehovet. Denne energikilden har også sine ulemper ved at oppdemming avbryter elver og kan skade lokale økosystemer. Bygging av store demninger og reservoarer innebærer ofte at mennesker, planter og dyreliv blir fortrengt. Når et vannkraftverk er bygget, produseres imidlertid ingen direkte avfallsstoffer eller forurensninger.

Solkraft

Utdypende artikkel: Solkraft

En del av Solar Energy Generating Systems med en samlet ytelse på 354 MW i California i USA.

Foto: USA Gov - Bureau of Land Management (BLM)

Andasol Solar Power Station i Spania er en solpark som benytter parabolske speil og er et solvarmekraftverk med en ytelse på 150 MW. Kraftverket har tanker med smeltet salt for lagring av energi slik at kraftproduksjonen kan fortsette også etter at solen har gått ned.

Solcellepanel i Frankrike som ladder opp elektriske bilder som parkeres under.

Solenergi er emittert lys og varmestråling fra solen, og blir utnyttet ved hjelp av en rekke nye teknologier i stadig utvikling som solvarme, solceller, solvarmekraftverk og kunstig fotosyntese, samt bygninger med integrert teknologi for nyttiggjøring av solenergi. Teknologi for solenergi er grovt karakterisert som enten passiv- eller aktiv solenergi avhengig av konseptet som brukes for å fange opp, omforme og distribuere solenergi. Aktive teknikker for solenergi omfatter bruk av fotoelektriske celler og forskjellige typer av solfangere til å utnytte energien. Passive teknikker for utnyttelse av solenergi vil si å orientere en bygning mot solen, valg av materialer med høy varmekapasitet eller som har lyse dispergeringsegenskaper, samt utforming av rom i bygninger som naturlig sirkulerer luften.

I 2011 uttalte IEA at «utvikling av rimelige, uuttømmelige og rene solenergiteknologier vil ha store langsiktige fordeler. Det vil øke landenes energisikkerhet gjennom avhengighet av en innenlandsk, uuttømmelig og for det meste en ressurs som ikke behøver å importeres, som vil forbedre bærekraft, redusere forurensning, redusere kostnadene ved å dempe klimaendringer, og holde prisene på fossilt brensel lavere enn ellers. Disse fordelene er globale. De ekstra kostnadene ved bruk av denne teknologien på et tidlig stadium i utviklingen må sees på som investeringer i læring. Denne teknologien må bli klokt brukt og trenger å bli mye delt»

Solceller er en bærekraftig energikilde. Ved utgangen av 2011 var det installert en ytelse i verden på totalt 71,1 GW, tilstrekkelig til å generere 85 TWh per år, og ved utgangen av 2012 var det installert hele 100 GW og en milepæl var passert. Solceller er etter vannkraft og vindkraft nå den tredje viktigste fornybare energikilden regnet etter globalt installert kapasitet. Mer enn 100 land benytter solpaneler. Installasjoner for solceller kan være egne bakkemonterte installasjoner eller de kan være innebygd i tak eller veggene på bygninger (ofte som bygningsintegrerte solceller).

Utviklingen innen teknologi og økning i produksjonskapasiteten har ført til at kostnadene for solceller har sunket jevnt og trutt siden de første solceller ble produsert. Levetidskostnadene for elektrisitetsproduksjon fra solceller er konkurransedyktige med de konvensjonelle kildene for kraftproduksjon i et stadig voksende antall geografiske regioner. Økonomiske incentiver, for eksempel tariffer som gir fortrinnsrett for elektrisitet fra solenergi, har støttet bygging av fotocelleanlegg i mange land. Med dagens teknologi vil solceller hente inn den energien som trengs for å produsere dem i løpet av tre til fire år. Forventet teknologisk utvikling vil kunne redusere tiden dette tar til ett til to år.

Biodrivstoff

En buss drevet av biodiesel

Foto: U.S. Department of Energy

Utdypende artikkel: Biodrivstoff

Biodrivstoff inneholder energi fra geologisk karbonfiksering. Disse brenslene er produsert fra levende organismer og eksempler på hvor karbonfiksering forekommer er planter og mikroalger. Disse brenslene er laget ved en konvertering av biomasse (biomasse viser til nylig levende organismer, oftest plantemateriale). Denne biomassen kan konverteres til anvendbar energi som inneholder energirike stoffer på tre forskjellige måter: termisk konvertering, kjemisk konvertering, og biokjemisk konvertering. Konverteringen kan gi brensel i fast-, væske- eller gassform. Denne kunstig fremstilte biomassen kan anvendes som biodrivstoff. Biodrivstoff har økt i omfang på grunn av stigende oljepris og behovet for energisikkerhet.

Bioetanol er en alkohol produsert ved gjæring, for det meste fra karbohydrater produsert fra sukker eller stivelse fra mais eller sukkerrør. Biomasse kan komme fra cellulose fra egne avlinger som ikke brukes til mat, for eksempel blir trær og gress foredlet som et råstoff for etanolproduksjon. Etanol kan benyttes som drivstoff for kjøretøyer i ren form, men det er vanligvis brukt som et tilsetningsstoff til bensin for å øke oktantallet og forbedre kjøretøyets utslipp. Bioetanol er mye brukt i biodrivstoff i USA og Brasil. Nåværende anlegg er ikke designet for å konvertere lignindelen av planteråvarer til drivstoffkomponenter ved fermentering.

Biodiesel er laget av vegetabilske oljer og animalsk fett. Biodiesel kan brukes som drivstoff for kjøretøyer i ren form, men det benyttes vanligvis som tilsetningsstoff i diesel for å redusere nivåene av partikler, karbonmonoksid og hydrokarboner fra dieseldrevne biler. Biodiesel blir produsert fra oljer eller fett ved hjelp av transesterifisering og er det mest vanlige biobrenselet i Europa.

I 2010 var verdens biodrivstoffproduksjon på 105 milliarder liter, som var en økning på 17 % fra 2009. Den globale produksjon av etanoldrivstoff nådde 86 milliarder liter i 2010, med USA og Brasil som verdens fremste produsenter som til sammen stod for 90 % av verdensproduksjonen. Verdens største biodieselprodusent er EU, som sto for 53 % av all produksjon av biodiesel i 2010. IEA har et mål for at biodrivstoff skal stå for mer enn én fjerdedel av verdens etterspørsel etter drivstoff for veitransport innen 2050. Dette for å redusere avhengigheten av olje og kull. En kritikk av biodrivstoff er at landbruksareal et knapphetsgode og at denne produksjonen går på bekostning av verdens matproduksjon.

Geotermisk energi

Damp stiger opp fra Nesjavellir kraftverk på Island.

Foto: Gretar Ívarsson

Utdypende artikkel: Geotermisk energi

Geotermisk energi eller jordvarmeenergi er varmeenergi som blir dannet og akkumulert i jordens indre. Geotermisk energi fra jordskorpen stammer fra den opprinnelige dannelsen av planeten (20 %) og fra pågående radioaktive prosesser i mineraler (80 %). Den geotermisk gradienten, som er forskjellen i temperatur mellom jordens kjerne og overflaten, driver en kontinuerlig strøm av varmeenergi mot overflaten.

Temperaturer på grensen mellom kjernen og mantelen kan nå over 4000 °C. Den høye temperaturen og trykket i jordens indre er årsaken til at en del av steinen smelter og får mantelen til å oppføre seg plastisk, noe som resulterer i at deler av mantelen strømmer oppover (oppdrift) siden den er lettere enn omkringliggende stein. Disse prosessene forårsaker at stein og vann varmes opp i jordskorpen, og noen ganger oppnås en vanntemperatur på 370 °C.

Geotermisk energi fra varme kilder har vært brukt til bading siden paleolitikum og til romoppvarming siden romertiden, men geotermisk energi blir nå også brukt til kraftproduksjon. På verdensbasis var den totale installerte ytelsen på 11,4 GW for geotermisk kraftproduksjon i 24 land i 2012. Ytterligere er 28 GW fra direkte jordvarme installert for fjernvarme, romoppvarming, spa, industrielle prosesser, avsalting og landbruksformål per 2010.

Geotermisk kraft er kostnadseffektiv, pålitelig, bærekraftig og miljøvennlig, men har historisk sett vært begrenset til utnyttelse i områdene i nærheten av tektoniske plategrenser. Nyere teknologiske fremskritt har dramatisk utvidet mulighetene og størrelsen for kostnadseffektiv ressursutnyttelse. Spesielt til formål som boligvarme har det skjedd mye de siste årene, noe som har gitt et potensial for utbredt utnyttelse. Geotermiske brønner har fått stor utbredelse og bruker en varmepumpe for å utnytte varmeenergien som finnes noen hundre meter ned i bakken. Disse forårsaker en del utslipp av drivhusgasser som er fanget dypt i jorden, men disse utslippene er mye lavere per energienhet enn de som kommer fra en tilsvarende energimengde av fossilt brensel.

Jordas geotermiske ressurser er teoretisk mer enn tilstrekkelig for å forsyne menneskehetens energibehov, men bare en svært liten andel kan bli lønnsomt utnyttet. Boring og leting etter dyptliggende ressurser er svært kostbart. Prognoser for fremtiden for geotermisk kraftproduksjon avhenger av forutsetninger for teknologi, energipriser, subsidier, og renter. Pilotprogrammer som «EWEBs customer opt in Green Power Program» viser at kundene ville være villig til å betale litt mer for en fornybar energikilde som jordvarme. Som et resultat av statlig assistert forskning og bransjeerfaring, har kostnadene for å generere geotermisk kraft blitt redusert med 25 % i løpet av de siste to tiårene.

Kraftproduksjon fra geotermiske kilder i stor skala går ut på å pumpe vann med stort trykk ned i et borehull langt ned i jordskorpen. I et borehull parallelt og noe lengre unna kan damp tas opp og brukes til å drive en dampturbin som igjen driver en generator. Energipotensialet er stort om borehullene kan komme ned på 6,5 km dyp, men enda dypere vil være ønskelig og kunne by på enda større energimengder.

100 % fornybar energi

Ønsket om 100 % fornybar energi i forbindelse med elektrisitetsproduksjon, transport eller total primær energitilførsel har vært motivert av global oppvarming, økologiske og økonomiske utfordringer. Kommersialisering av fornybar energi har vokst mye raskere enn noen kunne forventet. FNs klimapanel har sagt at det er noen grunnleggende teknologiske grenser for å kunne integrere en portefølje av fornybare energiteknologier for å møte verdens totale energibehov. På nasjonalt nivå er det minst 30 nasjoner rundt om i verden der fornybar energi allerede bidrar med mer enn 20 % av energiforsyningen. Professorene S. Pacala og Robert H. Socolow har utviklet en rekke «stabiliseringskiler» som kan tillate menneskeheten å opprettholde livskvalitet og samtidig unngå katastrofale klimaendringer. De samlede fornybare energikildene utgjør det største antallet av deres «kiler».

Mark Z. Jacobson sier at et mål om at all ny energiproduksjon skal skje med vindkraft, solenergi og vannkraft i 2030, er gjennomførbart og at eksisterende kilder for energiforsyning kan erstattes innen 2050. Barrierer for å implementere fornybar energikilder er «først og fremst sosiale og politiske, ikke teknologiske eller økonomiske». Jacobson sier at energikostnadene med vindkraft, solenergi, vannkraft bør være lik dagens energikostnader.

Tilsvarende har det uavhengige National Research Council i USA bemerket at «tilstrekkelige nasjonale fornybare ressurser eksisterer for å tillate fornybare energikilder å spille en betydelig rolle i fremtidig kraftproduksjon og dermed bidra til å utfordre problemene knyttet til klimaendringer, energisikkerhet, og opptrappingen av energikostnader [...] Fornybar energi er et attraktivt alternativ fordi fornybare ressurser er tilgjengelig i USA, om dette gjøres kollektivt kan disse kildene levere betydelig større mengder elektrisitet enn det totale nåværende eller estimerte fremtidige innenlandske etterspørselen.»

Kritikere av målet om 100 % fornybar energi er Vaclav Smil og James Hansen. Smil og Hansen er bekymret for den variable tilgangen av solenergi og vindkraft, men mange andre forskere og ingeniører har analysert denne ulempen og mener at kraftsystemene kan takle dette.

Økt energieffektivitet

Utdypende artikkel: Effektiv energibruk

En moderne sparepære som har stor utbredelse i Europa.

Foto: Armin Kübelbeck, CC-BY-SA, Wikimedia Commons

Effektivisering av energibruken kan bli vurdert under temaet energikilder, fordi det gjør at eksisterende energikilder utnyttes bedre. Effektiv energibruk, også kalt energiøkonomisering (ENØK), er et mål for å arbeide for å redusere mengden energi som kreves for å levere produkter og tjenester. Et eksempel er etterisolering i bygninger for å redusere energibruken til oppvarming eller kjøling. Et annet eksempel er sparepærer eller naturlig lys fra takvinduer som reduserer mengden energi som kreves for å oppnå samme nivå av lys som tradisjonelle lyspærer. Sparepærer bruker en tredjedel av energien og kan vare 6 til 10 ganger lenger enn glødelamper. Energieffektivisering oppnås oftest ved å innføre en mer effektiv teknologi eller produksjonsprosess.

Det finnes ulike motivasjoner for å forbedre energieffektiviteten. Å redusere energibruken reduserer energikostnadene og kan føre til en kostnadsbesparelse for forbrukerne hvis energibesparelsene oppveier eventuelle ekstra kostnader ved å implementere en energieffektiv teknologi. Reduksjon av energiforbruket blir også betraktet som en viktig løsning på problemet med å redusere utslipp. Ifølge IEA kan forbedret energieffektivitet i bygninger, industriprosesser og transport redusere verdens energibehov i 2050 med en tredjedel, og hjelpe med å kontrollere de globale utslippene av klimagasser.

Energieffektivitet og fornybar energi er sagt å være «de to pilarene» for bærekraftig energipolitikk. I mange land er energiøkonomisering også betraktet som en strategi for nasjonal sikkerhet fordi det kan gi reduksjon av energiimport fra utlandet, samt at det kan bremse hastigheten som de innenlandske energiressurser forbrukes med.

Overføring av energi

En del av et stort rørsystem gjennom Alaska i USA.

Foto: United States Department of Transportation

Mens nye energikilder kun unntaksvis blir gjort tilgjengelig av ny teknologi, er det en kontinuerlig utvikling av teknologi for distribusjon av energi. Bruken av brenselceller og batterier i biler er eksempler på hurtig utvikling av den eksisterende teknologien. Et annet eksempel er flerfaseteknologi der flerfase rørstrømning utnyttes for å overføre blant annet olje og gass i samme rør. Dette blir sett på som svært viktig for utnytting av oljefelter til havs der overføring av petroleum i rør på havbunnen skjer. Oljefelter som ellers ikke vil være lønnsomme, kan utnyttes takket være denne teknologien. Dette kapittelet presenterer de ulike historisk viktige teknologiene for energioverføring. De teknologier som nevnes nedenfor, er alle viktige for bruken av energikildene som er nevnt ovenfor.

Frakt og rørledninger

I dag blir kull, petroleum og derivater av disse transportert med skip, jernbane eller på vei. Petroleum og naturgass kan også leveres via rørledninger, og kull kan transporteres med en såkalt slurry-rørledning. Naturgassrørledninger må opprettholde et visst minimumstrykk for å kunne fungere. Denne transportformen er vanlig over meget store avstander. Et eksempel på en slik rørledning er Langeled på havbunnen mellom Norge og Storbritannia. Etanolens korrosive egenskaper gjør det vanskeligere å bygge rørledninger for etanol. De høyere kostnadene ved etanoltransport og -lagring gjør ofte denne energikilden upraktisk og uoverkommelig.

Energioverføring via kraftnettet

Utdypende artikkel: Overføringsnett

En kraftlinje krysser en motorvei (Autobahn) ved Paderborn i Tyskland.

Foto: Manfred&Barbara Aulbach

Overføringsnettet er et elektrisk nettverk som brukes til overføring og distribusjon av elektrisk energi fra produksjonskildene til sluttbrukerne, og muliggjør at avsender og mottager kan være hundrevis av (eller flere tusen) kilometer unna. Kraftverk som atomkraftverk, kullkraftverk, og mange andre typer er tilknyttet overføringsnettet. I systemet inngår understasjoner (sekundærstasjoner) med transformatorer for overgang mellom forskjellige spenningsnivåer. Ofte er overføringsnettet et maskenett, det vil si at det er flere parallelle veier fra kraftstasjonene til forbrukerne, noe som er med på å øke overføringssikkerheten. Dette gjør at en feil ikke nødvendigvis fører til at kraftoverføringen stanses, men at andre kraftlinjer tar over mer av strømmen som skal overføres til forbrukerne.

For å overføre elektrisk kraft over store avstander velges høye spenningsnivåer for å redusere overføringstapene og spenningsfallet. Dette fordi elektrisk effekt er et produkt av spenning og strøm i lederen, dermed vil det for samme effekt som skal overføres ved en høyere spenning føre til at strømmen reduseres tilsvarende. Redusert strøm fører i sin tur til mindre spenningsfall (etter Ohms lov) og at tapene for overføringen reduseres med kvadratet av strømmen. Dermed vil oppgradering av kraftlinjer til et høyere spenningsnivå føre til mindre tap i overføringsnettet, og være et energiøkonomiserende tiltak. Alle elementer i kraftnettet, som kraftlinjer, turbiner og generatorer i kraftstasjoner og transformatorer i understasjoner, har en maksimal grense for belastningen. Om samfunnets kraftbehov skulle overstige hva som er tilgjengelig er feil eller endog systemkollaps uunngåelig. For å unngå fullstendig kollaps i kraftsystemet er rasjonering siste og eneste utvei.

Land som Canada, USA, Australia og flere europeiske land, og spesielt Skandinavia, har et meget høyt strømforbruk. Målt etter strømforbruk per innbygger er forbrukere av elektrisitet i disse landene det høyeste i verden. Dette er mulig på grunn av et omfattende elektrisk distribusjonsnett.

Energilagring

Llyn Stwlan-dammen ved Ffestiniog pumpekraftverk i Wales. Kraftstasjonen har fire vannturbiner som kan levere en effekt på 360 MW. Dette er et eksempel på lagring og konvertering av energi.

Foto: Adrian Pingstone

Alle former for energi er enten potensiell energi (som for eksempel kjemisk energi, elektrisk energi, elektrokjemisk energi, termisk energi og så videre) eller kinetisk energi (som for eksempel vann i en elv). Noen teknologier gir bare kortvarig energilagring, mens andre kan tilby svært langvarig energilagring, slik som for eksempel hydrogen- eller metangass. Varmebrønner er et borehull i bakken der geotermisk energi fra jordskorpen kan nyttiggjøres med varmepumpe. En tar opp geotermisk energi i vintersesongen for oppvarming av rom, men en kan også bruke varmebrønnen til avkjøling av bygninger fordi prosessen kan gå motsatt vei. Dette skjer ved at varmepumpen kan hente varme fra inneluften i et bolighus eller kontorbygg om sommeren og transportere denne energien ned i berggrunnen. (Varmepumpen virker da som et klimaanlegg og kjøler ned bygningen.)

Et vannkraftverk med en reguleringsdam er et energilager ved at det magasinerte vannet kan brukes lang tid etter at det ble samlet opp i reservoaret. To norske eksempler er Blåsjø og Storglomvatnet som begge er såkalte flerårige magasiner. Et islager er en tank som lagrer is (termisk energi i form av latent varme) om natten for å dekke behovet for kjøling om dagen. Fossilt brensel som kull og bensin er som nevnt lagret energi fra sollys som har vært livgivende for organismer som senere døde, ble begravet i jordskorpen og over tid ble omgjort til kull og råolje. Også mat kan betraktes på samme måte (siden den er oppstått ved de samme prosessene som fossilt brensel) og er en form for energi som er lagret i kjemiske sammensetninger.

Historisk utvikling for energikilder

Gamle og nye anlegg for energiproduksjon side om side: Vindmøllen Scheldemolen fra 1600-tallet og Doel kjernekraftverk bygget i 1970-årene.

Foto: Friedrich Tellberg

Helt siden forhistorisk tid, da menneskeheten oppdaget at ild kunne brukes for å varme opp og steke mat, gjennom middelalderen da en begynte å bygge vindmøller for å male korn og i moderne tid med elektrisitetsproduksjon fra kjernekraft, har en utrettelig jaktet på nye energikilder. En motivasjon for dette har vært profitt, og de fossile brenslene har stått sentralt. Disse har vært helt avgjørende for industrialiseringen. I denne epoken som startet så smått på slutten av 1700-tallet har kull vært brukt til drivstoff for dampmaskiner, tog og industri. Olje og dens derivater har vært brukt i kjøretøyer fra slutten av 1800-tallet. De gamle energiformene som vindkraft, vannkraft og biomasse har vært brukt i mindre skala gjennom denne epoken, sammenlignet med de fossile energiformene. Denne utvikling har imidlertid vært basert på utnyttelse av ressurser som er skapt over perioder på millioner av år og som det vil være umulige å opprettholde dagens forbruk av i overskuelig tid. Jakten på energikilder som er uuttømmelige, kan utnyttes i stor skala og samtidig redusere avhengigheten av fossilt brensel har ført til anvendelse av atomenergi. Store vannkraftverk er også eksempel på storskala energiproduksjon, men bare noen få land i verden har tilstrekkelige vannfall.

Siden begynnelsen av den industrielle revolusjon, har spørsmålet om fremtiden for energiforsyningen vært viet stor oppmerksomhet. I 1865 publiserte Stanley Jevons The Coal Question (direkte oversatt: «kullspørsmålet») hvor han så at reservene av kull ville bli oppbrukt og at olje var en ineffektiv erstatning. I 1956 utledet geofysikeren M. King Hubbert at USAs oljeproduksjon ville nå toppen mellom 1965 og 1970 (toppen ble nådd i 1971 for konvensjonelle ressurser). Dette er kjent som Peak oil-teorien. Den britiske petroleumsgeologen Colin Campbell kom i 1989 med et anslag om at peak oil for hele verdens oljeproduksjon ville komme i 2007. Dette vil få svært store konsekvenser og har vært viet stor oppmerksomhet, men også blitt tilbakevist av andre eksperter. Etter 2004 har OPEC anslått at med store investeringer er det mulig å nesten doble oljeproduksjonen innen 2025.

I 1896 utga den svenske fysikeren og kjemikeren Svante Arrhenius en artikkel med tittel On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, eller på norsk «Om sammenheng mellom atmosfærens innhold av karbondioksid og jordoverflatens temperatur». I denne og andre artikler var han den første til å beskrive en sammenheng mellom jordens temperatur og atmosfærens sammensetning av gasser, altså drivhuseffekten. Arrhenius påpekte at verdens forbruk av olje og kull kunne komme til å påvirke jordens klima. I dag er dette kjent som global oppvarming. I henhold FNs klimapanel (IPCC) fører det til klimaendringer som kan få langsiktige og svært alvorlige følger.

Bærekraft

Utdypende artikkel: Klimapolitikk

Energiforbruk i verden mellom 1989 og 1999.

Diagram av: Shahyar Ghobadpour (SG)

Miljøbevegelsen har lagt vekt på bærekraft når det gjelder bruken og utviklingen av energikilder. Fornybar energi er bærekraftig på den måten at de vil være tilgjengelige i overskuelig fremtid. Når en sier at disse er bærekraftig vil det si at det skal være muligheten for miljøet å takle avfallsprodukter, og da spesielt luftforurensning. Kilder som ikke har noen direkte avfallsprodukter (for eksempel vind-, sol- og vannkraft) er fremholdt som spesielt gunstige. Den globale etterspørsel etter energi vokser, og behovet for å finne og ta i bruk ulike nye energikilder er dermed sentralt. Energiøkonomisering er både et alternativ og et supplement til nye energikilder.

Fleksibilitet i energiforsyningen

Verdens energiforbruk per capita i 2001. Røde områder indikerer økning og grønn en reduksjon gjennom 1990-årene.

I 2008 hevdet Andrew Grove (styreformann og forhenværende konsernsjef i elektronikkselskapet Intel) at fullstendig uavhengighet av energiimport ikke er hensiktsmessig gitt det globale markedet for energi. Han beskriver energifleksibilitet som evnen til å tilpasse seg avbrudd i tilførselen av energi. For dette formål foreslår han at USA skal gjøre enda større bruk av elektrisitet. Elektrisitet kan produseres fra en rekke kilder, og en variert energiforsyning vil bli mindre påvirket av avbrudd i tilførselen av noen av disse kildene. Han pekte på at en annen fordel med større grad av bruk av elektrisitet er at den ikke overføres til andre kontinenter. Ifølge Grove vil en viktig del av å fremme elektrifisering og energifleksibilitet være å konvertere den amerikanske bilparken fra bensindrevet til elektrisk-drevne kjøretøyer. Dette i sin tur vil kreve modernisering og utvidelse av strømnettet. Organisasjoner som The Reform Institute har påpekt at fremskritt knyttet til utvikling av Smart Grid vil lette muligheten for overføringsnettet til å kunne forsyne kjøretøyer i stor skala som kobles til for å lade sine batterier. Konseptet med smart grid blir også utviklet i Europa, og Norge er det landet i Europa der det selges flest elektriske biler, som den populære Tesla Model S.

Nåtid og fremtid

Utvikling og estimat for verdens energiforbruk (2011).

Diagram av: U.S. DOE Energy Information Administration

En stigende andel av verdens energiforbruk forventes å skje i utviklingslandene. Kilde: Energy Information Administration: «International Energy Outlook 2004».

Ekstrapolering fra dagens kunnskap om energibruk og utvikling fremover vil kunne gi et utvalg av fremtidige scenarier. Estimatene er paralleller til Malthus' befolkningslov som gir svært pessimistiske utsikter. Det finnes tallrike komplekse modellsimuleringer baserte på forskjellige scenarioer, og forskningsrapporten Limits to Growth var et av pionerarbeidene innenfor feltet, utviklet ved det verdensledende Massachusetts Institute of Technology. Modellering innebærer måter å analysere betydningen av valg av forskjellige strategier, og forhåpentligvis finne en vei til rask og bærekraftig utvikling for menneskeheten. Også energikriser på kort sikt er en bekymring for energiforsyningen. Fremskrivninger mangler troverdighet vil mange kritikere hevde, spesielt når de spår en kontinuerlig økning i oljeforbruket.

Energiproduksjon krever vanligvis også en investering i energi. Oljeboring eller produksjon av vindmøller krever energi. De fossile ressurser som er igjen er ofte stadig vanskeligere å hente ut og omforme. De kan dermed kreve stadig høyere energiinvesteringer. Hvis investering er større enn den energi som produseres er de ikke lenger en egentlig energikilde. Dette betyr at ressurser som avfall fra industri og husholdninger egentlig ikke blir brukt effektivt til energiproduksjon. Slike ressurser kan utnyttes økonomisk for å produsere råvarer (til for eksempel plast- og gjødselproduksjon). De blir da omskapt til vanlige materialreserver. Selv om ressurser fra avfall er økonomisk gunstig å utvinne er det allikevel ikke energikilder som gir et netto positivt bidrag. Ny teknologi kan avbøte dette problemet hvis en kan redusere energibruken som kreves for å trekke ut og konvertere ressursene, men til slutt vil grunnleggende fysiske lover setter grenser som ikke kan overskrides.

Mellom 1950 og 1984 kom den grønne revolusjon som forvandlet landbruket rundt om i verden og økte verdens kornproduksjon med 250 %. Energien for den grønne revolusjon kom fra fossilt brensel i form av kunstgjødsel (naturgass), pesticider (olje), og vanning (som krever energi).. Et fall i verdens produksjon av fossile brensler (peak oil) kan føre til betydelige endringer og fallende matvareproduksjon. En visjon for en bærekraftig energiframtid går ut på å ta i bruk såkalt kunstig fotosyntese (bruk av sollys for å omforme vann som en kilde til hydrogen og absorbere karbondioksid for å lage gjødsel), og utvikle denne til å bli mer effektivt enn den naturlige prosessen som skjer i planter.

Moderne romindustris økende aktivitet med fartøyer som går i bane rundt jorden eller utover, har fått forskere til å overveie mulighetene for rombasert solenergi, ved at et solkraftverk i en satellittbane over jorden brukes til å samle inn energi. En forventet fordel med et slikt system er en høyere energitetthet enn det en kan oppnå på jordoverflaten, dette fordi en unngår jordens atmosfære som svekker solstrålene. En annen fordel er at slike satellitter kan gå i bane slik at de alltid ligger over jordens dagside. Mellom 1978 og 1986, ga den amerikanske kongressen i oppgave til det amerikanske energidepartementet og NASA å utrede dette konseptet. Dermed ble «The Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program» skipet. Denne studien er til dags dato den mest omfattende studien utført hittil, med et budsjett på 50 millioner USD.

Nyttiggjøring av solenergi fra rommet forskes på og utredes fremdeles i flere land og romfartsorganisasjoner. Problemene med strømbrudd under overføring, de store utgiftene og vanskeligheten med å sette sammen store matriser av solfangere i verdensrommet kan virke nesten uoverkommelig. European Aeronautic Defence and Space Company (EADS) annonserte slike planer i 2010, og samme år kunngjorde Japan planer om å sette en liten demonstrasjonssatellitt for solenergi i bane innen 2015. Dette systemet baserer seg blant annet på overføring av energi til jorden ved hjelp av mikrobølger. I 2012 tok Kina et initiativ ovenfor India om et samarbeid i rommet for slik energioverføring.

Dagens realiteter (per 2014) når det gjelder investeringer i fornybare energikilder og energiøkonomisering er etter IEAs oppsummering i rapporten «World energy investment outlook» at disse hverken er store nok eller hurtige nok. For å nå et mål om en økning av verdens gjennomsnittlige globale temperatur på ikke mer en 2 °C, trengs det investeringer på 53 billioner USD frem til 2035. For at slike investeringer skal kunne skje, behøver man tydeligere politiske mål og signaler til markedene. Rapporten sier at FNs klimakonferanse i Paris i 2015 må gi et gjennombrudd for at disse investeringene skal bli en realitet.

Se også

• Råvare
• Resirkulering
• Energiøkonomisering
• Fornybar energi
• Jevons paradoks

Litteratur

• Serra, J: Alternative Fuel Resource Development, Clean and Green Fuels Fund, (2006).
• Bilgen, S. and K. Kaygusuz: Renewable Energy for a Clean and Sustainable Future, Energy Sources 26, 1119 (2004).
• Energy analysis of Power Systems, UIC Nuclear Issues Briefing Paper 57 (2004).
• Silvestre, B. S., Dalcol, P. R. T: Geographical proximity and innovation: Evidences from the Campos Basin oil & gas industrial agglomeration — Brazil. Technovation (2009), doi:10.1016/j.technovation.2009.01.003

Eksterne lenker

• Energypedia en wiki om fornybar energi i sammenheng med utviklingssamarbeid.
• Omfattende side hos Nationalgeographic om energikilder.
• Det internasjonale energibyråets internettside.
• Det amerikanske Energidepartementet med omfattende statistikk for verdens energikilder og bruk.