Definition av energi

Det är svårt att definiera energi. Energi är en fysikalisk storhet. Energi kan uppträda i många former och omvandlas mellan dessa, men har den inherenta egenskapen att den bevaras. Energi är sparad förmåga att utföra arbete.

Former av energi och energikvalitet

Energi kan uppträda i många former och det går att jämföra mellan dessa, till exempel mellan elektricitet och värme. Möjlighet att omvandla från en form till en annan begränsas emellertid av diverse naturlagar, vilket gör att en eftersträvad process som utifrån energibevarande verkar vara möjlig ändå inte alls fungerar, eller gör det bara med en mycket dålig verkningsgrad. Utifrån möjligheten att använda en form av energi för olika ändamål, eller omvandla den till en annan form med bra verkningsgrad kan en energiform tillskrivas dess energikvalitet.

• hög energikvalitet -- elektricitet, mesta former av mekanisk energi, vissa former av kemisk energi (laddade ackumulatorer)
• lagom energikvalitet -- värme med hög temperatur (förbränning), kärnenergi, vissa former av kemisk energi (bränslen, föda), riktad strålning med lämplig frekvens
• låg energikvalitet -- värme vid låg temperatur (spillvärme), vissa former av kemisk energi, övrig strålning

Efter att ha en elektrisk värmare med en effekt på en kilowatt påslagen under en timme har en förbrukat en kilowattimme, och temperaturen i rummet har ökat lite grann. Högkvalitativ elektrisk energi har omvandlats till lågkvalitativ energi i form av värme vid låg temperatur. Att köra denna process baklänges, alltså plocka värme från rummet och mata el till elnätet är omöjligt. Så småningom sticker denna värme genom väggarna, och blandar sig med "vinterkylan". Hela energin finns visserligen kvar, den bevaras ju, men energikvaliteten är borta, och denna nyss dyrbara energi har blivit oanvändbar.

En del vattenkraftverk är belägna mellan två vattenmagasin och utrustade med pumpfunktion. Under sen eftermiddag då det går många tåg (väl inte i Norrland, men på vissa ställen längre söderut), folk lagar mat, duschar med mera är elförbrukningen hög. Vatten strömmar genom turbinerna från det högre belägna magasinet till det nedre, och mekanisk energi omvandlas till el. Senare under kvällen och efter midnatt har folk lagt sig, elförbrukningen är låg, medan kolkraftverk och kärnkraftverk fortsätter gå på max. Då minskar och till sist stänger vattenkraftverket sitt vattenflöde genom turbinerna. Men vissa vattenkraftverk kan gå ännu längre, och börja köra processen baklänges genom att pumpa vatten upp från det lägre belägna magasinet till det övre, och då omvandlas el till mekanisk energi. Att det går att göra så beror på faktumet att både mekanisk energi och elenergi har en hög kvalitet. Nästa eftermiddag kan vattenkraftverket låta vatten strömma ner igen. Energiförluster finns självklart, men de är relativt ringa.

Den här geniala maskinen kan omvandla el till mekanisk energi eller tvärtom, och med viss optimering kan en verkningsgrad på över 90% uppnås. (by ''Phil Parker'' CC-BY 2.0)

Effekt och energi

Effekt och energi är två olika storheter som det gäller att hålla isär. Effekt är energi dividerad med tid. Effekt beskriver en pågående process, medan energi beskriver en avgränsad eller avslutat process. Att dra ett betongblock med en given massa upp med en lyftkran med en viss hastighet kräver en viss efekt. Ingen distans och ingen tid förekommer. Dubbel hastighet skulle kräva dubbel effekt. Att dra ett betongblock med en given massa upp med en lyftkran 10 meter uppåt kräver en viss mängd energi. Igen tid förekommer. Ifall det tog en timme att verksälla jobbet, skulle energiförbrukningen vara fortfarande samma. Men kanske skulle byggbolaget vilja ha en lyftkran med högre effekt. För att framföra ett visst tåg med 200 Km/h på ett horisontellt spår (för enkelhets skull) krävs det en viss effekt, kanske 2 MW. Ingen distans och ingen tid förekommer. Lejonparten av denna effekt går åt att övervinna luftmotståndet. För att köra ett visst tåg från Hörnefors till Nordmaling (22 Km) krävs det en viss mängd energi. Luftmotståndet gör att denna mängd i högsta grad beror på hastigheten. Luftmotståndet växer kvadratiskt med hastigheten, är ett stort bekymmer för all transport, och gör det svårare att hålla isär effekt och energi vid det senare exemplet med tåg. Men energi beskriver i alla fall en avgränsad process, tåget går från Hörnefors till Nordmaling, kommer fram, en viss mängd energi har förbrukats under denna resa, slut. Luftmotståndet finns även vid exemplet med lyftkranen, men kan försummas på grund av den låga hastigheten och höga massan på betongblocket.

Enheter och beräkning

Enheten på effekt är watt (W). Ofta används större enheter såsom kilowatt, megawatt etc. En watt är samma sak som en joule per sekund (joule dividerad med sekund). Effekt kan beräknas på flera sätt beroende på vilken form av energi som överförs:

• spänning gånger ström (för elektrisk energi)
• hastighet gånger kraft (till exempel lyftkran eller lokomotiv)
• volymflöde gånger tryckdifferens (till exempel vattenkraftverk eller pump)

Enheten på energi är joule (J). Ofta används större enheter såsom kilojoule, megajoule etc. En joule är samma sak som en wattsekund (watt multiplicerad med sekund). Energimängd kan beräknas på flera sätt beroende på vilken form av energi det gäller:

• spänning gånger ström gånger tid (för elektrisk energi)
• sträcka gånger kraft (till exempel lyftkran eller lokomotiv)

Kilowattimme (KWh) är en enhet för energi och lika med 3'600'000 joule. Detta beror på att en kilowatt har 1000 watt, och en timme dröjer 3600 sekunder. Terawattimme (TWh) är självklart också en enhet för energi och inget annat.

Terawattimme per år (TWh/a) är en (onödigt krånglig) enhet för effekt, eftersom energi har dividerats med tid. Terawattimme per år framhäver att det handlar om genomsnittlig effekt som troligen har varierat under året, men det är en effekt i alla fall. En terawattimme per år är lika med ca 114 megawatt. 1 TWh/a = 114'077'116 W =ca= 114 MW. Att skryta med uttalanden av typ "Den nya batterifabriken kommer att förbruka 2 TWh." ^[46] är felaktigt. Som skriven säger denna mening nämligen att fabriken kommer att tas i drift, förbruka 2 TWh, och sedan stängas. Slut. Avsett var troligen "Den nya batterifabriken kommer att förbruka 2 TWh per år.", en stor skillnad.

Vid granskning av den "gröna omställningen" och dess storhetsvansinne i fråga om elförbrukning är det av ytterska vikt att ha full koll på både multiplikativa prefix (K, M, G, T, P, ...) och skillnaden mellan effekt och energi. Terawattimme per år (TWh/a) kan jämföras med gigawatt, och då gäller 1 TWh/a =ca= 0.114 GW. Terawattimme (TWh) kan jämföras med gigawattimme, och då gäller 1 TWh = 1000 GWh.

En gigawatt är en hög effekt. Nyare kärnreaktorblock från 1980-talet ger omkring 1 GW elektrisk effekt. Effekten på reaktorblocket O3 i Oskarshamn höjdes mellan 1990 och 2010 genom flera upprustningar från ursprungligen 1 GW till 1.4 GW ^[47], och denna reaktor är därmed än idag en av de starkaste i världen. I östra Europa, nära Zaporija vid Östfronten står 2 stora kraftverk bredvid varandra som förr i tiden gav totalt ca 10 GW el från 6 kärnreaktorblock och 7 värmepannblock, men nu ger de ingenting. Men på andra ställen i världen står det kraftverk som fortfarande ger omkring 10 GW totalt från flera block, och några ska bli ännu större snart.

En terawattimme är mycket energi. Under året 2026 förväntas Sverige producera ungefär 170 TWh el. Därav exporteras ca 40 TWh, och ca 5 TWh går åt serverhallar som står i Sverige. Elproduktionen förväntas öka långsamt, medan serverhallars förbrukning ökar kraftigt. Det tillkommer de "nya industrierna" och elbilar. Exporten måste då oundgängligen sjunka, eftersom energi bevaras, och energi går till skillnad från pengar inte heller att skapa ur ingenting eller låna.

GÅTA: Ett lokomotiv drar ett godståg med 108 Km/h och 100 KN kraft i kopplet. Hur stor effekt drar det från kontaktledningen?

SVAR: För att se svaret, markera texten härifrån ... För att beräkna effekten på kopplet multiplicerar vi hastigheten med kraften. 30 m/s (obs inte i Km/h) gånger 100 KN ger 3000 KW = 3 MW. Effekten som dras från kontaktledningen kommer att vara lite högre på grund av omvandlingsförluster i lokomotivet, liksom luftmotståndet som lokomotivet självt är också utsatt för. ... ända hit.

GÅTA: Det sägs att reaktorblocket O3 i Oskarshamn levererade 4.58 TWh el under året 2025. Går detta att omvandla i megawatt?

SVAR: För att se svaret, markera texten härifrån ... Visst går det. TWh/a är en enhet för effekt, och en TWh/a är lika med ca 114 MW, 4.58 TWh/a är ca 522 MW genomsnittlig effekt, alldeles lite jämfört med utlovade 1.4 GW. Reaktorn låg väl nere under en stor del av året. ... ända hit.

Bevarande

Energi bevaras. Den del energi som inte gör någon nytta försvinner inte, utan omvandlas till en "värdelös" form, allra oftast är detta värme vid låg temperatur kallad för spillvärme. Buller utgör en form av mekanisk energi, men en som har låg kvalitet, och i sin tur blir till värme kort tid senare.

GÅTA: Polisen begärde husrannsakan i en byggnad med anledning av misstanken att det skulle finnas en olaglig cannabisodling där inne. Polisen styrkte detta med påvisade två typiska tecken på sådan verksamhet, nämligen hög elförbrukning, och mycket spillvärme som förs bort genom ventilation, synliggjord medelst infrarödkamera. Avsaknad av cannabislukt förklarade polisen genom att odlarna väl skulle ha en bra filtrering [48] [49]. Bör domaren bevilja husrannsakan utifrån dessa två indicier på brottslig verksamhet?

SVAR: För att se svaret, markera texten härifrån ... NEJ. Energi bevaras. Hög elförbrukning och mycket spillvärme vid denna bygnad är två delar av samma energiflöde. Att elen skulle långfristigt ackumuleras inne i byggnaden, eller lämna den på något annat sätt är teoretiskt möjligt, men synnerligen osannolikt i sammanhanget. Under sommaren då uppvärmningen inte är på är inkommande elektrisk effekt ungefär lika med värmeeffekt som går ut med ventilationsluften (en del går ut genom väggarna, och det kan komma in solstrålning). Undersökningen med infrarödkamera var redundant, och polisen levererade inte två indicier, utan bara ETT. ... ända hit.

Maskinen som drar el ... och kanske levererar cannabis ... eller kryptovaluta ... polisen vet nu. (by ''Gzen92'' CC-BY-SA 4.0)

Verkningsgrad och energieffektivitet

Verkningsgrad är en enhetslös storhet som beskriver hur bra en process eller maskin omvandar energi. Verkningsgrad beräknas från effekten eller energimängden, genom att dividera den utgående nyttiga effekten med den ingående effekten, eller den levererade nyttiga energimängden med den införda energimängden eller den maximala energimängd som kan förväntas kunna tas ut. Verkningsgrad ligger typiskt mellan NOLL och ETT, eller i procent uttryckt mellan 0% och 100%. Men ibland kan verkningsgraden vara negativ (kylskåp) eller över ETT (vissa typer av värmerpannor, värmepumpar använda för uppvärmning) vilket härrör från att det kan finnas olika sätt att definiera vad som är ingående effekt eller den maximala energimängd som går att ta ut.

Det är önskvärt att en process eller maskin ska ha en så hög verkningsgrad som möjligt. Så är en dieselmotor med en verkningsgrad på ca 40% mindre dålig än en tvåtaktmotor med en verkningsgrad på bara ca 20% (dessutom bränner den senare nämnda blyföreningar och smörjmedel). Men verkningsgraden bör ses i hela kontexten, att bara jämföra två siffror som beskriver två isolerade maskiner eller processer kan leda till falska slutsatser.

GÅTA: En solpanel (som levererar el) har en verkningsgrad på ca 15%. En dieselmotor har ca 40%. Vilken är bättre?

SVAR: För att se svaret, markera texten härifrån ... Det är frestande att hävda att dieselmotorn är bättre med en stor marginal, men detta är fel. ... ... ända hit.

Serverhallar förbrukar mycket el. Levererar de något? (by ''Theodore Christopher'' Public Domain)

GÅTA: En välrenommerad källa hävdar att 98% av all inkommande elenergi i serverhallar går till spillo i form av spillvärme med låg temperatur (låg energikvalitet) [50]. 98% slöseri är ju bortom all reson. Kan denna siffra stämma?

SVAR: För att se svaret, markera texten härifrån ... NEJ. Siffran är garanterat fel, det rätta värdet är 100%. Hur kan vi veta det? Serverhallar sysslar med lite olika uppgifter såsom kryptominering dvs tillverkning av digitala valutor, artificiell dumhet, dokumenhantering, fillagring, speciella medier, streaming av ljud och video, kryptoanalys dvs försök att knäcka krypteringar, bankverksamhet med mera. Det som är gemensamt för dessa typer av byte är att inget av dem utgör en energibärare. Mängden energi som kommer ut är tyvärr exakt lika NOLL. Skribenten av denna text har väl mindre koll på energi. Det är mindre meningsfull att att hantera verkningsgraden hos serverhallar, eftersom den är alltid NOLL. Det skulle gå att definiera serverhallarnas energieffektivitet, men då måste det sättas något värde (annat än energi) på deras verk. Till exempel skulle det gå att jämföra hur mycket el det går åt att tillverka en BitCoin, eller hur mycket effekt det löpande dras för att löpande leverera väderprognoser. ... ända hit.