Ny Teknik - Säkrad Hållbarhet?

Några strategiska ”tekniska” och ”strukturella” utvecklingar på väg mot miljömässig och samhällelig hållbarhet.

Birger Flygare

Anförande vid Exergigruppens Samtalsdag den 22 november på Sigtunastiftelsen



Ny Teknik - säkrad hållbarhet? 

Mänskligheten står med rådande livsstil och oaktsamhet med jordens resurser inför ett allvarligt hot. Kan vi med hjälp av tekniska och strukturella utvecklingar, som dels minskar energianvändningen dels reducerar utsläppen av växthusgaser, nå miljömässig och samhällelig hållbarhet? Det är en frågeställning som jag skall försöka belysa under de närmaste 25 minuterna.

De samlade utsläppen från bilar, flyg, fartyg - civila såväl som militära - d.v.s. jordens samlade transporter, svarade år 2000 för 13,5 % av människans globala utsläpp:

Transporter
 13,5 % 
Elektricitet och värme
24,5 %
Skogsavverkning
18,2 %
Jordbruk
 13,5 %
Industri
 13,8 %
Sopor och avfall              
3,6 %
Övrigt 12,9 %

1. Förutsättningen för bilismens utveckling var oljan och den var billig (i ekonomiska termer) och fanns i ”obegränsad” tillgång. Nu vet vi att det förhåller sig annorlunda, och att oljan dels är en ändlig resurs dels är föremål för stigande priser. Detta tvingar oss och då inte minst bilindustrin till att finna ersättningsteknik för framdrivning av fordon.

2. Ett annat scenario att fundera kring är de koleldade kraftverken där kolen är så billig att den svårligen låter sig ersättas av alternativa bränslen, som det ser ut just nu. De största utsläppen från kolkraftverk står Kina och U.S.A. samt så småningom Indien för.

50 % av USA:s elenergi är genererad av kolkraft, och det byggs ständigt nya kolkraftverk
80 % av Kinas elenergi genereras av kolkraft vilket svarar för 40 % av jordens samlade kolkraftanvändning.
Skogsavverkningens och industrins andel av utsläppen ökar också ständigt.

Låt oss börja med ett exempel på hur resurser förslösas, från den största industrin, bilindustrin.

En Volvo tillverkad med el från vattenkraft innehåller lika mycket exergi som en Volvo tillverkad med el från olja. Skillnaden är en minskning av insats av just resursen olja. Den är viktig men den i sammanhanget stora förlusten av exergi ligger i bearbetningen av materialet till Volvon. Endast en liten bråkdel finns kvar i Volvon. Resten av exergin har gått förlorad och denna förlust (exergikostnad) uppenbarar sig i form av värmeförluster, skrot, mer eller mindre giftiga kemikalier mm, d v s avfall (exergifattig materia, f d råvaror) samt värme (exergifattig energi).

 Slutsats: Detta är inte hållbart. Här krävs enorma förbättringar. Vi vet idag hur effektiviteten kan ökas 4 - 10 gånger. Men inte ens det räcker, eftersom processerna alltid förbrukar mera exergi än de producerar. Möjligen kan tid vinnas. Ett uthålligt samhälle förutsätter teknik som tillför det livsuppehållande systemet åtminstone lika mycket exergi som det själv förbrukar. Detta förutsätter i sin tur processer som hämtar mer exergi från solljuset än de själva förbrukar.
                                                               
Jag vill därför gå igenom en del tekniska utvecklingar för alternativa energiintag och för sparande av drivmedel och effektiviserande av processer vilket leder till mindre koldioxid i atmosfären eller till att i varje fall ökningen av koldioxidhalten går långsammare.

Låt oss börja med ett bättre tillvaratagande av solinstrålningen. I Sverige gör vi av med drygt 400 terawattimmar (TWh) exergi varje år. Samtidigt strålar enorma mängder solenergi över jorden varav vi globalt använder en tiotusendel. Den solenergi som träffar vårt land innehåller åtminstone 400 000 TWh dvs. 1000 ggr mer än vad vi gör av  med.

Om vi bara kunde fånga en bråkdel av den exergin och omvandla exergifattiga avfall till exergirika resurser vore problem med ändliga resurser och skadliga energikällor och utsläpp borta.

I dag utvecklas många olika tekniker för att ta till vara solens energi, och alla projekt bedrivs med kraftfull förbättring som målsättning.

1.Solceller baserade på kisel arbetar med ljusets påverkan på elektroner -  men är alldeles för dyra.

2. Solceller gjorda av elledande plastmaterial har utvecklats. Priset blir så mycket lägre att de kan få en större spridning.

3. Det finns andra nya idéer för alstring av elenergi ur solceller, exempelvis så kallade  Grätzelceller där man kopierar naturen genom en process med känsliga färgämnen som agerar som klorofyll. Effektiviteten i processen kan konkurrera med Kisel, men fr.a. kommer cellerna att kunna framställas till en kostnad  som möjliggör en helt annan spridning av solceller än vad som är fallet i dag.

4. En annan produktutveckling använder nanoteknik i form av nanorör sammansatta av enbart kolatomer. Sparar material och har hög effektivitet.

5. Dessutom finns det tidigare beprövad men numera  ny teknik för solfångare som använder exergi från solljuset för att värma upp vatten till höga temperaturer som sedan genererar el genom ångturbiner..  I Australien skall en sådan anläggning, världens största för solenergi byggas. Genom parabolspeglar leds strålarna direkt till ett kraftverk.

Personligen tror jag att dessa ”solar-thermal” anläggningar är lösningen för världens energi.

I dagens system förloras massor av exergi i omvandlingen från solens strålar till el. Därför är det viktigt att finna ett system som både fångar in exergin och lagrar den utan stora förluster. Växterna kan detta och utgår från oändliga, förnyelsebara råvaror: vatten, exergifattig materia som koldioxid och diverse  utspädda salter.

En sammanslutning av forskare från Uppsala och Lund i konsortiet för Artificiell Fotosyntes försöker nu göra samma sak som växterna -omsätta exergifattig materia till exergirikare materia, d v s resurser, med exergirik energi från solen - alltså härma fotosyntesen. Om konsortiet lyckas - förhoppningsvis inom relativt överskådlig tid - är det ett stort framsteg som ger energi i form av vätgas och syrgas,  som kan användas som bränsle och då endast avger vatten som restprodukt.

Vätgas plus syrgas är liksom el exergirikt och kan användas till att driva fordon och värma upp hus. Genom framställning av dessa gaser genom sönderdelning av vatten går exergi från solen att lagra, vilket andra solenergisystem inte klarar i dag. 
Förhoppningen är att man skall ha färdiga system om ca 10 år och det är intressant att konstatera att vätgasen passar som hand i handske med bränsleceller.

Nanosolceller, Grätzelceller, vätskebaserade/våtkemiska celler, molekylära solceller, nanokristallina solceller, nanokristallina färgämnessensiterade solceller, nanokristallina elektrokemiska solceller, fotovoltaiska celler och nanostrukturerade solceller. Alla är de beteckningar för tredje generationens solceller där energi utvinnes på ett sätt som liknar växternas fotosyntes. Och, här ser jag det största hoppet för framtida energi, förutsatt att produktionen av sådana solceller kan ske med en vettig exergibalans.

Vidare har vi Geotermisk energi som allt efter tillgång finner mer lokala tillämpningar.
Vindkraftstekniken har standardiserats och nått optimalt effektuttag men är ändå föremål för förbättringar,.

Vågkraften är föremål för ett flertal utvecklingsprojekt av vilka jag gärna nämner ett  Chalmersprojekt och ett vid Uppsala universitet där energi produceras genom en kolv som rör sig i vertikalled samt ett antal andra som den här Sjöormen som vrids upp och ned, och rörelsen driver en hydraulisk pump i varje led som i sin tur driver en generator. Likaså Vågdraken och dessa tre (fyra snabba bilder)

För dessa tekniker liksom i exemplet från bilindustrin gäller att vi innan uttaget av el, i vår kalkyl måste ta med den förlust av exergi som ligger i tillståndsförändringen av och bearbetningen av materialet till ett färdigt vind- eller vågkraftverk, som omvandlar exergirika råvaror till exergifattiga avfall förutom den önskade produkten.

Är detta hållbart? Jag återkommer till den frågan.

Teknik att minska energianvändningen, egentligen exergiförbrukningen och därmed reducera användningen av fossila bränslen

Belysning, uppvärmning och transporter skiljer sig från andra industriella processer genom att inte i någon större utsträckning förbruka andra resurser, d v s exergi från andra resurser än exergin i själva drivmedlet.

Det är glädjande och hoppfullt att se hur mycket tillämpad forskning som i dag bedrivs i fr.a. U.S.A. och Asien för att få fram energibesparande produkter för hushåll och industri.
Av dessa vill jag ägna några minuter åt utvecklingen av LEDs (Light Emitting Diods eller lysdioder) som vi känner igen från alla typer av elektriska och elektroniska produkter där de under flera decennier använts som indikatorer.

Globalt används 20 % av all producerad elektricitet för belysning. Den klassiska Edison glödlampan avger endast 5 % av den exergi som förbrukas som ljus; resten försvinner som onödig, d v s  exergifattig värme. De fluorescerande ljusrören som är fyllda med Kvicksilverånga är grovt räknat fyra gånger mer effektiva. LEDs är redan mer effektiva än ljusrören.

 Hittills har LEDs begränsning varit att de inte avgivit vitt ljus - till att börja med endast rött - och att de varit för dyra för allmän belysning. Genom ett antal utvecklingssteg har man lyckats skapa först blått, därpå grönt och gult och slutligen vitt LED-ljus.  LED lampor kommer i färdigutvecklat skick att avge mellan 90 och 100 % av den energi de tillförs som ljus och förväntas så småningom halvera det globala behovet av elektricitet för belysning
vilket möjliggör enorma ekonomiska besparingar och en avsevärd reduktion av exergiförbrukningen, miljönedsmutsningen och växthusutsläppen.
Den amerikanska regeringen har sponsrat ”Next Generation Lighting Initiative” som har finansierat mer än 70 olika LED-projekt med målsättningen att öka effektiviteten i belysningstekniken med 300 % inom 10 år. Även här kommer Nanotekniken in där nanotrådar förväntas fungera som lysdioder, och där Sverige håller sig framme genom Qunanoprojektet i Lund.

Teknik för att reducera bränsleåtgång och utsläpp i transportindustrin
Jag brukar försöka tänka bort bilar och blicka tillbaka till 40- och 50 talen då min generation växte upp och vi klarade oss utmärkt utan bilar, och där de lokala transporterna företogs per cykel och spårvagn och de längre resorna per tåg och fartyg. Utan bil- eller flygtransport hade jag själv, innan jag fyllt 20 sett halva Sverige samt både U.S.A. och ett flertal länder i Europa.

Den förändring vi fått genomleva beror naturligtvis på den billiga oljan och storskalig produktion av transportmedel för land- och lufttransport. Även om vi irriteras av utsläppen har vi svårt att avvara den delen av vår levnadsstil.

Det är viktigt att särskilja två huvudscenarier när det gäller vårt beroende av oljan, det ena där oljan fortfarande finns, det andra där oljan har tagit slut.
Eftersom oljan beräknas finnas i ytterligare 40-50 år, måste vi fråga oss om vi under denna tid kommer att få tillgång till alternativa bränslen som kan framställas till lägre totalkostnad, med mindre exergiförbrukning och mindre skadeverkan för miljön och växthuseffekten.

Jag tror inte att så är fallet. Möjligen kan vätgas bli ett sådant alternativ men har ännu inte brutit igenom den marknadsekonomiska barriären.
Återstår således att tillsvidare leva med oljan eller drömma om och planera för en värld där vi kan cykla eller hybridcykla och åka förarlös spårtaxi lokalt och i övrigt vara hänvisad till spårbundna tåg för de längre transporterna. Den här strukturförändringen kommer på medellång sikt att ta form även innan oljan tar slut, eftersom det som alltid är en fråga om ekonomi. Oljan kommer att nå prisnivåer som framtvingar sådana alternativ
Även om oljan inte skulle ”ta slut” så är det oljebaserade samhället ohållbart! Om insikten om detta hade funnits hade vi inte behövt vänta på att prisnivån framtvingar en omorientering - en reengineering.

Inom personbilsindustrin sker utvecklingen efter ett antal huvudspår, effektivare dieselmotorer, hybridmotorer bensin/el, diesel/el, bränsleceller samt vätgas eller biobränslen som drivmedel. Vi översköljes med information om dessa tekniker i dagspressen.

Intressant att följa är också det som sker inom utveckling av dieselmotorer för lastvagnsindustrin vilket är en stark anledning till det drama som f.n. utspelas i media med MAN:s bud på Scania. Båda företagen ligger i täten och kan klara kommande utsläppsgränser. Men Scania - till skillnad från MAN klarar sig utan partikelfilter som kräver underhåll. Scanias forskare har i det här avseendet kommit längst i världen. Eftersom i bakgrunden ligger de Californiska kraven är min bedömning att denna teknik kommer att ha en avsevärd betydelse för framdrivningssystem för alla typer av fordon.

En annan intressant utveckling står Volvo Lastvagnar för genom utvecklingen av en bränslecell som skall försörja fordonet med el när det står parkerat i stället för att dieselmotorn körs på tomgång.
Generellt räknar lastvagnsbranschen med att ha bränsleceller för drivning av fordon 2010-2011 vilket också gäller personbilar.

Jag vill även nämna den radiobaserade Telematiken som erbjuder många möjligheter för att optimera motorstyrka och därmed bränsleåtgång för olika situationer. Jag skall ge ett par exempel.

En lastvagnsoperatör kommer till exempel att ha ett avtal med leverantören av lastvagnen om en nominell motorstyrka om 300 Hk, medan han för relativt plan trafik bara behöver använder och betalar för 150Hk. När han kommer till en brant backe kan han lägga till det han behöver och betala för tillägget.

Samma upplägg finns för exklusiva personbilar, där man kan åka omkring med en tredjedel av sin motorstyrka i stadstrafik men sedan allt efter vägarna vilja ta ut mer effekt och då abonnera tillfälligt på den högre motorstyrkan vilken är den nominella i avtalet.

Även inom trafikflyget görs stora ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen. Volvo Aero ansvarar för integrering av värmeväxlare i flygmotorer inom EU-projektet Newac med målsättningen att närmast minska utsläppen med 6 %. SAS och Luftfartsverket testar sedan början av året ”gröna inflygningar med hjälp av ett nytt system, där man kommer att spara 100-200 kilo bränsle per landning.

Även om vi lyckas hålla förbrukningen av olja oförändrad eller t.o.m. minska den vid bilkörning kvarstår den oerhörda exergiförbrukningen för produktionen av bilarna som är en följd av tillväxten av biltrafiken, och - som jag ser det - står för den allra väsentligaste exergiförbrukningen. För mig framstår produktionen av bilar som huvudfrågan.  Mina framtidsförhoppningar om en minskning av exergiförbrukningen mot bakgrund av att nu också Kina och Indien, Brasilien m.fl. länder exploderar industriellt är ytterst klena.

Det är heller inte tillrådigt att producera etanol genom skogs- och åkerprodukter, eftersom förutom höga produktionskostnader exerginettot blir marginellt, eller t o m negativt. Med stigande oljepriser blir i och för sig framställningskostnaden för etanol inte problematisk. Men förbrukningen av exergi från levande organisk materia blir ett desto större problem. Vid oförändrad biltrafik och nuvarande teknik skulle 300 000 kvkm produktiv skogs- och åkermark gå åt bara i Sverige. Vad finns då kvar för spannmål, papper, träprodukter etc.? Dessutom förbrukar produktion av etanol till fordonsbränsle mer fossilt bränsle än att använda denna olja direkt till fordonsbränsle. Många energislukande moment på vägen till färdig produkt gör att det blir så. Detta skulle också ganska snabbt, för att få ned produktionskostnaden till en acceptabel nivå, leda till att vi skulle tvingas ta skog och gräs från t e x Amazonas och Afrika.

Allt pekar, enligt min mening på att vi måste skära ned på det som ”inte går att skära ned på” nämligen tillväxten av biltrafiken, men inte ens det räcker.

Teknik för att minska vådorna av elkraftproduktion
Stora investeringar görs idag världen över i teknik och processer för att minska, infånga och lagra koldioxid ner under jorden direkt vid elproduktionen från olje- såväl som kolkraftverk. Närmast är det bekant för oss genom Vattenfalls pionjärsatsning, men mindre känt är att Kina här inte bara har medvetandet och ambitionen utan även initierat ett stort antal projekt av det här slaget. Även i Australien sker detta och stora investeringar görs i projekt för tillvaratagande av koldioxiden från Kraftverken. Två beteckningar används för den här tekniken; Oxyfuel och Carbon Sequestration.

Strukturella förbättringar av våra livsstilsbeteenden
Jag ser strukturella förbättringar i perspektiv av balansen mellan exergifixering och exergiförbrukning i det livsuppehållande systemet. Hur påverkar våra beteenden denna balans?
Om vi utgår från att vi hypotetiskt fortfarande har en chans att förhindra den katastrof som hotar på grund av växthuseffekten, vad kan vi i så fall göra? Klarar människan av, trots ett ständigt expanderande samhälle, att själv förändra sin livsstil på ett sådant sätt att hon genom ett antal åtgärder kan medverka till att reducera exergiförbrukningen och öka exergifixeringen i det livsuppehållande systemet och därmed bidra till att skapa en bättre balans i det ekologiska systemet.

Jag vill svara ett obetingat ja på den frågan. Vi har många möjligheter att förändra våra vanor i hemmet, på arbetet och vid val av transport. I hemmet och i industrin finns hundratals möjligheter att ändra beteendet när det gäller användning av el och vatten och övriga resurser
genom så enkla åtgärder som att stänga av elektriska och elektroniska apparater när de inte används. Vidare kan vi med enkla regler mer än halvera vårt användande av vatten.
Om vi också kommer att meningsfullt kunna påverka det enorma exergislöseriet vid produktion och distribution av livsmedel/mat är för mig en öppen fråga men av största vikt för alla nationer att lösa.

En annan möjlighet har vi vid val av transporter. Om vi måste köra bil, är motorstyrka, bränsleekonomi och storlek på bilen något vi definitivt kan påverka. Om vi sedan väljer kommunala transportmedel, råder vi inte helt över det valet eftersom tillgången bestäms av politiker, och här har vi ett problem som vi snart måste lösa men som samtidigt erbjuder en mycket stor möjlighet.

Trots all makt som politiker i ett område som t ex Storstockholm har finns ingen riktig insikt om hur man skall få människor att ändra sina transportvanor. Ett praktexempel i närtid har vi upplevt med det s.k.Trängselförsöket där man lägger ned 3.6 miljarder på utrustning och administration men fullständigt ignorerar behovet av alternativa transporter.

Summering
Om vi invånare på planeten Jorden kunde fås att inse att banketten är över och anpassa vår livsstil till andra värderingar än de som idag råder vore mycket vunnet.

Av de två alternativen, vad som är möjligt respektive omöjligt att förändra, vill jag begränsa mig till att försöka bedöma vad som är möjligt att på kort sikt förändra i vår livsstil:

  • ändring av vårt val av kommunikationer med reducering av bilkörande
  • neddragning av elanvändning i hushåll och industri
  • ändrade konsumtionsmönster
  • omställning till förnyelsebara energiformer
  • varsamhet med biosystemet ,växter och djur som förutom att förse oss med föda också spelar rollen som aktiva komponenter i det livsuppehållande systemet. Genom deras optimala samverkan (biologisk mångfald) optimeras också det livsuppehållande systemets exergifixerande - resursförnyande förmåga.
                                                                         

Konklusion
Jag tror att vi har goda möjligheter att skapa teknik, struktur och ett visst medvetande om problemen, men drivmedelsanvändningen är bara en liten del av problemet med uthålligheten i det livsuppehållande systemet och samhället. Alla de processer, industriella och andra, som drivs med dessa drivmedel, effektiva eller inte, förbrukar exergi. Denna exergi hämtas från det livsuppehållande systemet i form av råvaror och andra naturresurser, d v s exergirik materia, för att sedan omvandlas till exergifattiga avfall, som återbördas till det livsuppehållande systemet och förorenar detta. Detta sker om inte förr så genom konsumtionsprocessen. Resultatet ser vi i form av rök, aska, sopor på tippen och diverse andra s k utsläpp, som ändrar livsbetingelserna för allt levande i systemet. Exergiförbrukningen måste minskas och exergitillförseln ökas för att de skall bli lika stora och balans uppnås.

Det behövs därför ett mera verklighetsanknutet sätt för att varsebli och redovisa vilka kostnader vår verksamhet åsamkar det livsuppehållande systemet. Det är här som redovisning i exergitermer kommer in i bilden. Det sättet att redovisa ger oss också möjligheter att registrera och mäta det livsuppehållande systemets intäkter, vilket inte låter sig göras med gängse ekonomi och pengar. Det beror på att den ekonomiska teorin, i Adam Smiths efterföljd, utgår från att naturen - det livsuppehållande systemet - är en outtömlig källa för fria nyttigheter. Det är detta antagande - ”ekonomiska axiom” -som inte stämmer med verkligheten och som medför att den gängse ekonomiska teorin är verklighetsfrämmande.

Men, eftersom utvecklandet av teknik för ett hållbart samhälle kommer att kräva stora investeringar, måste ändå en utbuds/marknadsekonomi med klara gränsdragningar vara förhärskande.
På grund av segheten i den politiska processen men även på grund av den press som starka industriella och sysselsättningsrelaterade intressen kan utöva på politiker är min bedömning att allt efter den utveckling och de konsekvenser som växthuseffekten kommer att ha, vi inte kommer att behålla våra möjligheter att handla på frivillig väg utan att vi till slut tvingas att handla under galgen. I ett sådant läge, där valfriheten är synnerligen begränsad, kommer nödvändig beslut att tas, och vi kan då bara hoppas att det trots allt sker i tid.