"Gratis" energi kostar fruktansvärt mycket

Varje gång som någon nämner vind- eller solkraft som lösningen på vårt behov av energi, så borde du se framför dig en miljard eller fler döende och svältande barn. Om du ännu inte förstår varför, så är det förlåtligt. När du har kommit till slutet av den här artikeln har du försetts med begrepp och fakta som gör att du både kan förstå denna fula sanning, och agera för att förhindra den.

Börja med detta. För att den nuvarande världsbefolkningen ska kunna komma i åtnjutande av något som liknar en modern levnadsstandard på 2000-talet behövs det en produktionskapacitet på elkraftsidan på minst 3 till 5 kilowatt per capita. I dag är det bara USA, Japan och ett fåtal länder i Västeuropa som kommer i närheten av en sådan produktionskapacitet. Vi ska försöka förklara detta närmare, innan vi går över till den viktiga frågan om hur vi ska producera denna kraft som världen så desperat behöver.

Kilowatt är ett mått på elektrisk kraft, den mängd arbete som kan uträttas per tidsenhet. Ett av de första sätten att mäta kraft var att jämföra det med kraften hos en arbetshäst. Det som vi nu kallar en hästkraft motsvarar ungefär 750 Watt elektricitet. Det betyder att det behövs 750 Watt elektricitet, som driver en motor eller apparat av något slag, för att uträtta samma mängd arbete som en normal arbetshäst. En kilowatt (1.000 Watt) elektricitet motsvarar då det arbete som c:a 1,33 arbetshästar kan uträtta. Men en häst kan inte arbeta dygnet runt, utan kanske bara en tredjedels dygn, om man drar ifrån tid för utfodring och vila. En produktionskapacitet på en kilowatt, som finns där dygnet runt, kan således uträtta lika mycket arbete som 3 gånger 1,33 hästar, vilket är lika med 4 hästar.

I USA har vi tillgång till en produktionskapacitet på 3 kilowatt per capita - mycket mindre än vi behöver för att vara en riktigt produktiv ekonomi men fortfarande något som större delen av världen inte kommer i närheten av. Vi kan alltså säga att varje person i USA varje timme på dygnet har tillgång till i genomsnitt 12 hästars arbete, i form av elektricitet. Utan elektriciteten måste dessa tysta hästars arbete utföras av män och kvinnor, som får pumpa vatten för hand, bära tunga vattenkrus på huvudet, ägna en hel dag åt att tvätta kläder och nästa dag åt att hetta upp järn på elden för att stryka dem, bara därför att man saknar så enkla ting som vatten- och avloppssystem, kylmöjligheter, till och med glödlampor. Sådan, eller värre, ser tillvaron ut för en majoritet av världsbefolkningen - för de ca 1,7 miljarder människor som helt saknar elektricitet och de ytterligare flera miljarder som bara har tillgång till elektricitet ibland och för lite.

Kina till exempel, som tillverkar en stor del av produkterna som konsumeras i USA, hade 2005 en produktionskapacitet på elkraftsidan på bara 0,3 kilowatt per capita, vilken 2008 steg till c:a 0,5 kilowatt. Mer än hälften av denna elkraft går åt till att driva den kinesiska industrin, som producerar mestadels för export. Mängden som finns tillgänglig för användning i Kina är därmed mindre än 0,25 kilowatt per person, ungefär en tredjedels hästkraft. Utslaget på hela dygnet kan man säga att genomsnittskinesen har tillgång till en hästs arbete, att jämföra med amerikanens tolv hästar. De flesta industritillverkade produkter som säljs i USA kommer från det lågavlönade arbete som utförs av miljontals kineser, många från familjer som inte ens har tillgång till elektriskt ljus. I Indien, Egypten, större delen av övriga Afrika och stora delar av Sydamerika är det mycket värre. I Mexico, en annan stor leverantör till den amerikanska marknaden, är den tillgängliga elektriciteten per capita ungefär densamma som i Kina. Dessa orättvisor kan inte fortsätta länge till. Hur ska vi då rätta till dem?

Ingen kan på allvar hävda att bristen på energi i världen kan lösas med vindsnurror och solpaneler. Förespråkarna för dessa system har aldrig brytt sig om hela världens energibehov, annat än att komma med så dumdryga och löjliga förslag som soldrivna kylanläggningar i afrikanska byar, som bara fungerar när solen skiner, om ens då. Men förslagen att använda solpaneler och vindsnurror i de utvecklade länderna är också en fantasi. Trots att enorma summor har lagts ut i form av skatteförmåner och olika bidrag har man ändå inte lyckats få dem ekonomiskt eller tekniskt hållbara.

Om vi ska komma upp i en produktionskapacitet på bara 1,5 kilowatt elektricitet per capita, för hela den nuvarande världsbefolkningen på 6,7 miljarder människor, behöver vi bygga en produktionskapacitet på 6.000 gigawatt (6 miljoner kilowatt). Den enda framkomliga vägen att uppnå det målet är att omedelbart sätta i gång och bygga massor med kärnkraftverk, med användning av vår för tillfället begränsade kapacitet, men siktande på att bygga upp en kapacitet för serietillverkning av den fjärde generations kärnreaktorer, heliumkylda högtemperaturreaktorer och andra reaktorkonstruktioner.

Finns det någon möjlighet att sol- eller vindkraft skulle kunna avhjälpa bristen på energi i världen? Den största existerande solkraftsanläggningen, en solkoncentrator vid namn Nevada Solar One, producerar mindre än 15 MW, i snitt utspritt över dygnet. Den största solkraftsanläggningen med fotogalvaniska paneler finns i Jumilla i sydöstra Spanien. Den har en påstådd maxkapacitet på 23 megawatt. Dela detta med fyra, och den faktiska genomsnittsproduktionen blir mindre än 6 megawatt! En enda stor kärnkraftsreaktor kan producera 1.000 megawatt (1 gigawatt) eller mer elektrisk kraft. Den kan göra det dygnet runt alla dagar på året, inte bara när solen skiner, och på en yta som är många hundra gånger mindre än motsvarande solkraftsanläggning eller vindkraftspark.

Vad är energitäthet?

Men vind- och solkraft är "gratis" säger folk: Energin bara finns där, som en gåva från naturen, vi behöver bara använda den. Men så fort man analyserar ett sådant påstående ser man att det är en meningslös lek med ord. Kol, olja och uran är också "gratis" i den meningen. En viss mängd arbete fordras för att bryta dem och transportera dem till platsen där de ska konsumeras, men arbete måste också utföras för att nyttiggöra sol och vind, väldigt mycket arbete jämfört med den nytta man får ut av det.

I stället för detta vårdslösa språkbruk kan vi titta närmare på de två viktigaste begreppen i bedömningen av en kraftkälla, energitäthet och energiflödestäthet. Med energitäthet menar vi mängden nyttigt arbete som kan utvinnas ur en given mängd av ett bränsle eller en kraftkälla. Med energiflödestäthet menar vi omvandlingskraften som kan erhållas från denna bränslekälla.

Låt oss titta på det första begreppet först, och se vad vi kan lära oss av det.

I mänsklighetens historia har energitätheten i de använda bränslena hela tiden ökat. Övergången från ved till kol (kol är nästan fyra gånger energitätare än ved) skedde i Europa på 1700-talet. Med koleldning fick man högre temperaturer och möjligheter till reglering som gjorde att man kunde införa ny teknik för att smälta malm, för stålframställning och annan teknik. Fram till 1950-talet var kol den huvudsakliga energikällan för industri och transporter, och det är fortfarande det viktigaste bränslet för kraftproduktion i USA.

Olja är ungefär en och en halv gång energitätare än kol. Oljans fördelar framför kol som bränsle för framdrivning av ångfartyg blev en geopolitisk faktor vid det förra sekelskiftet, då den brittiska flotten ställdes om från kol- till oljeeldade ångpannor. Det faktum att oljan vägde mindre och var lättare att hantera, inga eldare behövdes för att kontinuerligt skyffla på bränsle, gjorde att krigsfartygens räckvidd och effektivitet ökade. De lättare petroleumprodukterna, som bensin, bensen och fotogen, hör till de mest energitäta bränslena i flytande form, vilket gör dem attraktiva som drivmedel för transporter - så länge de varar.

Men alla dessa förbättringar i energitäthet hos olika bränslen brädades av upptäckten av atomenergin. Ett uranbränslekorn som är så litet att det nästan inte syns, avger vid en fullständig kärnklyvning energi som motsvarar 4.470 liter eldningsolja (4,5 ton), 6,5 ton kol eller 23,5 ton torr ved. Ser man till vikten avger uranbränsle 11,5 miljoner gånger mer energi än ved, 3 miljoner gånger mer energi än kol och 2,2 miljoner gånger mer energi än olja.

I ärlighetens namn ska påpekas att dessa siffror bygger på antagandet att allt klyvbart uran i bränslekornet har bränts ut (fullständig kärnklyvning). Utbränningsgraden i många reaktorer som nu är i drift kan ligga på bara runt 4 procent, även om den är högre i mer avancerade reaktorkonstruktioner. De ovan angivna siffrorna kan alltså behöva divideras med 25, vilket ger kärnkraften, i sämsta tänkbara fall, ett övertag i energitäthet över ved, kol och olja med bara 88.000 till 460.000. Med upparbetning av kärnbränslet, en form av återvinning, ökar utbränningsgraden högst markant. Tack vare produktionen av extra neutroner i klyvningsreaktionen kan nytt bränsle skapas genom transmutation samtidigt som det gamla bränslet bränns ut. Hela kärnbränslecykeln, med upparbetning och bridning av nytt bränsle, är en i det närmaste obegränsad cykel. Kärnbränslet är det enda bränslet som återskapar sig självt när det bränns ut.

Energiflödestäthet

För att kunna gå vidare från begreppet energitäthet till energiflödestäthet behöver man ha en djupare förståelse av begreppet arbete. I läroboken i fysik är energi detsamma som arbete. En av 1800-talsfysikens stora bedrifter var att man kunde visa att värme, elektricitet och mekanisk rörelse är ekvivalenta, och mäta alla dessa (och andra) former av energi (arbete) med samma mått. Den tekniska definitionen av energiflödestäthet skulle då helt enkelt vara den energimängd som passerar över en given yta på en tidsenhet. Ett exempel på högre energiflödestäthet skulle vara en vass kniv, jämfört med en slö kniv. Handen utför samma arbete men med den vassa kniven koncentreras kraften på en mindre yta. Energiflödestätheten blir större och den vassa kniven förmår skära där den slöa går bet.

Med detta sätt att räkna kan man visa att den energiflödestäthet man får genom klyvningen av en enda uranatom är 20 miljoner till 20.000 biljoner gånger större än den man får genom förbränning av en molekyl av ett energitätt bränsle, som t.ex. naturgas. Men inte ens detta enorma numeriska övertag kan fånga den grundläggande skillnaden. För att kunna greppa energiflödestäthet i samband med den fysiska ekonomin behövs en mer avancerad syn på arbete. Det räcker inte med att betrakta arbete, som vi gör inom fysiken, som bara energiåtgång mätt i kalorier, joule, kilowattimmar eller elektronvolt. När vi tittar på en fysisk ekonomi måste vi titta på arbetets omvandlingskraft. Någonting liknande yrkesarbetarens motto ”don’t work hard, work smart” (ung. "använd huvudet, inte benen") kan vara ett sätt att närma sig begreppet. Tanken är att om man använder huvudet kan samma energiåtgång göras mera effektiv, kanske genom att använda ett annat verktyg, eller genom att improvisera ett nytt verktyg, eller genom att lägga upp arbetet på ett annat sätt. Kärnprocesser, till skillnad från kemiska eller mekaniska processer, handlar om en innovation av en högre ordning. Här har vi att göra med införandet av en ny upptäckt av en allmängiltig fysikalisk princip, den revolutionering av den fysikaliska kemin som började med Curies separering av det första grammet radium, och fortsatte med klarläggandet av den radioaktiva sönderfallsprocessen, nukleär transmutation, sambandet energi-massa, atomkärnan, neutronen, acceleratorn, upptäckten av kärnklyvningen, kedjereaktionen o.s.v.

Bortsett från frågan om kostnader och effektivitet ligger det bedrägliga i påståendet att sol och vind kan fås att alstra elektricitet, precis som kärnkraften kan, i att man glömmer bort den omvandlingskraft som blir möjlig genom tillämpningen av denna nya fysikaliska princip. Kärnenergin arbetar smartare, väldigt mycket smartare än sol, vind eller fossila bränslen någonsin kan göra. Förklaringen är inte bara dess överlägsna energiflödestäthet, mätt i kalorimått, utan framför allt att den kan åstadkomma en omvandling av hela den fysisk-ekonomiska processen.

När en urankärna klyvs frigörs många små enheter, som samtidigt är både partiklar och vågrörelser, med hastigheter som närmar sig ljushastigheten. Dessa partiklar/vågrörelser, som vi benämner neutroner, har förmåga att tränga in i en annan närbelägen atoms kärna och omvandla den till ett nytt grundämne, en process benämnd transmutation. Men det är bara början, för detta nya grundämne kan i sin tur spontant transmutera till ett annat, och ännu ett, och ge upphov till en hel familj av biprodukter (isotoper) vilka till slut slår sig till ro i en stabil form. Genom att bemästra kemin i dessa omvandlingar kommer vi att kunna framställa nya material, några kända och några som vi ännu inte har upptäckt, vilka kommer att bli till gagn för den framtida mänskligheten. Vi kan också ha nytta av den strålning som dessa isotoper avger, av minst tre olika typer, och var och en av olika styrka. Deras användning för diagnostisering och behandling av en rad farliga sjukdomar är bevisad, och varje dag öppnar sig nya möjligheter.

Kärnkraft för produktion av bränsle och vatten

I många delar av världen, varav några med en extremt hög befolkningstäthet, som t.ex. Indiens östkust, blir det allt mer ont om rent vatten. Brunnar förorenas när nivån på det fossila grundvattnet sjunker. Stora områden i USA, bl.a. södra Kalifornien och hela den sydvästra delen av landet, närmar sig också kritiska nivåer i sin vattenförsörjning. Att producera dricksvatten genom avsaltning av havsvatten är en beprövat lyckat metod. För närvarande produceras dagligen 40 miljoner kubikmeter vatten genom avsaltning, främst i Mellanöstern och Nordafrika. De mest använda metoderna är dels membranfiltrering, även kallad omvänd osmos, där eldrivna pumpar pressar saltvatten eller bräckt vatten genom ett specialtillverkat membran, dels sk. flash distillation. Avsaltning är emellertid en energikrävande process.

Redan för 40 år sedan kunde man, i det sovjetiska Kazachstan, visa att kärnkraften kunde användas för avsaltning i stor skala. Reaktorn i Aktau producerade varje dag i 27 års tid 80.000 kubikmeter sötvatten, och samtidigt dessutom 135 megawatt elektrisk kraft. I Japan har man i anslutning till kärnkraftverk drivit tio demonstrationsanläggningar för avsaltning och i Indien startades 2002 en demonstrationsanläggning för avsaltning vid ett kärnkraftverk i Madras med en produktion på 6.300 kubikmeter per dag. Vindsnurror och solpaneler kan inte leverera kraft på den nivå som behövs för att producera sötvatten i torra områden, men kärnkraftverk klarar det.

Kärnkraften erbjuder också en lösning på beroendet av importerad olja. Förklaringen är de två väteatomer som finns i varje vattenmolekyl. Vätgas är ett drivmedel, som kan användas som den är, eller förenas med kol för att få fram flytande bränslen som liknar dem vi nu använder. Vätgas kan framställas ur vatten antingen med hjälp av elektrolys eller genom termokemisk klyvning. De högre temperaturer som man får med den nya generationen heliumkylda reaktormoduler gör att båda dessa processer kan effektiviseras. Genom att kärnkraften kan producera vätgas och vätgasbaserade bränslen, och dessutom massor med elektricitet för eldrivna fordon, får man en stabil lokal produktion av de drivmedel som landet behöver. I stället för att berika den anglo-saudiska oljekartellen genom att forsla olja runt halva jordklotet kan vi framställa våra egna, renare bränslen vid inhemska kärnkraftverk, samtidigt som vi tillgodoser vårt behov av elektricitet och annat.

Detta är de saker som vi som en nation behöver. Det är också de saker som hela världen behöver. De är bara en del av de nu kända praktiska fördelarna med användningen av denna nya fysikaliska princip, som har revolutionerat vetenskapen. Många fler nya upptäckter ligger framför oss. Vissa genombrott, som t.ex. vår praktiska användning av fusionskraften, har vi nu nästan inom räckhåll. Andra väntar i framtiden. Att inte tillåta dess ekonomiska användning, och vrida kraftproduktionen tillbaka till de metoder som var i bruk på 1700-talet och ännu längre tillbaka i tiden, är att stoppa mänsklighetens utveckling.

Dokumentet tillhör dossiern: