Oppgrader til nyeste versjon av Internet eksplorer for best mulig visning av siden. Klikk her for for å skjule denne meldingen
Ikke pålogget
{{session.user.firstName}} {{session.user.lastName}}
Du har tilgang til Idunn gjennom , & {{sessionPartyGroup.name}}

Bærekraftig utvikling og energi

Jan S. Vaagen er født 1945 i Haugesund. Professor emeritus (dr. philos). Han arbeider ved Universitetet i Bergen med teoretisk fysikk, og da spesielt teori for kjernereaksjoner, og atomkjernens grenseland.

Laszlo P. Csernai er født 1949 i Budapest. Professor (Ph.D.). Han arbeider ved Universitetet i Bergen med teoretisk fysikk, og spesielt med urstoffet kvark-gluon plasma.

Ordet bærekraftig, oftest i kombinasjonen bærekraftig utvikling og forbundet med klodens utvikling, benyttes daglig i media for å gi ulike typer argumentasjon overbevisningskraft. Begrepsinnholdet er heller vagt, lite presist definert, og fokus er på uheldige sider ved vår livsform og spesielt vår bruk av energi og naturressurser. To fysikere prøver i denne artikkelen å flytte fokus fra en etisk undertone til en mer praktisk-realistisk forståelse. Med forankring i fysikkbegrepet entropi, «grad av orden», spør vi hva fysikken og naturlovene kan lære oss om bærekraftig utvikling og energi.

Bærekraftig utvikling

Begrepet bærekraftig utvikling brukes ofte og upresist til forskjellige formål. Her vil vi minne om rollen og betydningen til fysikkens grunnleggende lover og begreper. Gjennom eksempler med fokus på energi viser vi hvordan disse lovene og begrepene kan brukes kvantitativt til å belyse naturlige, teknologiske, økonomiske og sosiale prosesser.

I forrige århundre ble befolkningen i verden firedoblet. Bruken av fossil energi har vokst mer enn 10 ganger, og den økonomiske produksjonen av varer har økt med en faktor på tjue. Spørsmålet er hvordan vi, menneskeheten, med økende levestandard, men med begrenset territorium og begrensede materialreserver, kan møte behovene til den voksende befolkningen. Hvordan kan vi «begrense» denne utviklingen, og fremdeles tilfredsstille etterspørselen etter en verdensomfattende økende levestandard?

Et positivt utgangspunkt er at vi i prinsippet har nok energi tilgjengelig ved bruk av, både direkte og indirekte, energi fra solen (solstråling, vind, vann og fossile materialer), gravitasjonsenergi fra tidevannet, og kjernefisjon og kjernefusjon. Kan vi gjøre bruk av dette uten at vårt samfunn drastisk trenger å endre sine verdier og mål? Vi er av den optimistiske oppfatning at bærekraftig utvikling kan opprettholdes med begrensede materielle ressurser og territorium basert på videreføring av den teknologi vi allerede (og til enhver tid) kjenner. Bærekraftig utvikling er definert generelt i rapporten fra Brundtland-kommisjonen (1987), der det heter: «Bærekraftig utvikling er utvikling som imøtekommer dagens behov uten å ødelegge mulighetene for kommende generasjoner til å inngå kompromisser for å få dekket sine behov.» Teknologi og sosial organisasjon skal styrke vår evne til å møte både dagens og fremtidige behov. Noen, også organisasjoner, hevder at dette kun kan oppnås gjennom alvorlige begrensninger av teknologi og livsnormer. Her gir Brundtland-definisjonen lite konkret hjelp. Definisjonen angir ikke hva behovene til fremtidige generasjoner er. Disse kan ikke være de samme som for de foregående generasjonene, for da ville utviklingen være regressiv. For å skjule denne situasjonen, foretrekker noen å bruke begrepet bærekraft etisk/retorisk i sammenheng med ideelle og urealistiske ideer om utviklingen. Dette er ikke et nytt problem.

En av kvantefysikkenes fedre, Erwin Schrödinger, adresserte allerede dette temaet i sin bok What is Life? (Schrödinger 1944), hvor han drøftet utviklingen av begrensede materielle ressurser og begrenset plass. Han kom til den konklusjon at bærekraftig utvikling bare er mulig i retning av økende kompleksitet (han brukte begrepet orderliness – grad av orden), som svarer til avtagende entropi (S). Entropi er et kvantitativt konsept i fysikk, som beskriver andelen av realiserte tilstander i forhold til alle «mulige» tilstander. Høy entropi karakteriserer mange realiserte tilstander, mens lav entropi svarer til svært få eller bare en av mange «mulige» tilstander.

Schrödinger påpekte at utvikling bare er mulig hvis den er basert på allerede komplekse (velordnede) materielle forhold som deretter konverteres (videreutvikles) til nye og enda mer komplekse forhold. Disse utviklingsprosessene er ofte forbundet med andre prosesser som medfører vekst av entropi. Produkter som øker denne entropien bør fjernes fra de mer komplekse systemene. Schrödinger kunne ikke vise og beregne hvordan disse prosessene er realisert, men nå har vi nok kunnskap. I en nylig publisert artikkel viser vi kvantitativt hvordan denne utviklingen foregår når en særlig tar hensyn til den kjemiske og biologiske utviklingen (Csernai mfl. 2017).

Kvantitativt mål for utviklingen

Vi kan kvantitativt vise retningen til utviklingen, og hvilke systemer som favoriseres, i henhold til den fysiske mengden av entropi. Dette kan anvendes for alle systemer, ikke bare på enkle materialer, men også på kompliserte molekyler opptil DNA og på sammensatte organer, det menneskelige nervesystem, og industrielle og tekniske konstruksjoner. Man kan til og med utvide bruken av dette konseptet til levende vesener, sosiale organisasjoner, økonomiske strukturer og intellektuelle produkter.

Tabell 1

Utviklingen av kompleksitet (grad av orden) for ulike stoffer, representert kvantitativt ved avtagende entropi for 1 kg av stoffet. Se Csernai mfl. (2017) for en mer fullstendig beskrivelse.

Materiale eller vevEntropi, S, for 1 kg [ J/K°]
H2 – ideell gass hydrogen58,3 × 103
H2O – vanndamp, ideell gass8,24 × 103
H2O – vann, T = 100 C°4,43 × 103
H2O – vann, T = 0 C°3,12 × 103
H2O – vann is, T = 0 C° 1900,2
UF6 – Uran-heksa-fluorid, ideell gass513,2
C60 – Fulleren, ideell gass263,2
DNA molekyl* for Candidatus Carsonella ruddii (CCr)1,79 × 10–96 105
Menneskets DNA3,96 × 10–1 974 000 000
En tilstand til menneskets hjernevev~ 10–301 000 000 000 000

*DNA molekyl for de minste bakterier, med bare N = 159 662 basepar.

Som Schrödinger allerede viste, bør bærekraftig utvikling være basert på det høyeste utviklingsnivået oppnådd til enhver tid og det endelige utviklingsnivået bør ikke begrenses (en slik begrensning fører vanligvis til ytterligere entropiproduksjon).

Selv om det gjøres velmente forsøk på å begrense våre behov og krav til utvikling, er disse ofte feilaktige da de peker mot et tidligere lavere utviklingsstadium. Denne holdningen er vanligvis forbundet med mistillit til forbedring av teknologi og innovasjon. Historien har vist at mindre utviklede, men progressive land overtok nærliggende samfunn som stagnerte ved å begrense egen utvikling over en lengre periode. I historien førte dette i de fleste tilfeller til at disse rikene ble visket ut. Et eksempel er det gamle romerske imperiet.

Trenger vi nye naturlover for å forklare utviklingen? Schrödinger registrerte og diskuterte dette spørsmålet og kom til den konklusjonen at det finnes mekaniske systemer som unngår økning av entropi i svært lange perioder. Han brukte mekaniske klokker som eksempel. Han kom til den konklusjon at nye fysiske lover ikke er nødvendige for å beskrive utviklingen mot økt kompleksitet, det vil si redusert entropi.

Hva forårsaker utviklingen?

Som hoved eksempel vil vi nå adressere den økende kompleksiteten og den avtagende entropien på jordkloden. Er dette en ny, uvanlig prosess, eller har den alltid vært helt i tråd med fysikkens lover? Ifølge vår hverdagserfaring forverres systemene med tiden, deres entropi øker, det vil si forstyrrelsene eller uregelmessighetene øker.

Figur 1 Jordens energi- og entropibalanse.

Den grunnleggende ideen om entropi er nært knyttet til energi E og temperatur T, og diskutert intensivt og omfattende i fysikken. I fysikkens definisjon er endringen av entropi ΔS gitt av mengden energi som absorberes av systemet, ΔE, dividert med den absolutte temperatur: ΔS = ΔE / T. Dette forklarer at utviklingen på jorden er bestemt av ytre betingelser: Den innkommende energi fra solen og utstrålte energi fra jorden er nesten den samme, men temperaturen på den innkommende solstråling er høy, T inn ≈ 6000 K, mens temperaturen på strålingen tilbake til universet fra jorden er mye lavere, T ut ≈ 300 K. Således er endringen i Jordens entropi ΔS = ΔE / T inn − ΔE / T ut < 0, det vil si negativ, og vi har altså en nedgang i entropien. Dette skyldes de eksterne forholdene på planeten vår, det at jorden har en atmosfære, med vann på overflaten i tre faser: is, vann og damp. Dette fungerer som en termostat som holder temperaturen på jorden stabil. Den reflekterte strålingen ved lavere temperatur kan utstråle mer entropi enn den som kommer fra solen (Csernai mfl. 2016). Disse fordelaktige fysiske forholdene muliggjør reduksjonen av jordens entropi, og derfor en økt kompleksitet. Nye lover er derfor ikke nødvendig. Schrödinger diskuterte ikke disse kosmiske forholdene i sin bok, men fysikerne visste dette: Den såkalte «varmedøden» (død på grunn av overoppheting av jorden) ble diskutert i den tidlige utviklingen av termodynamikken, men ble forkastet. Andre planeter uten en slik atmosfære reflekterer solstråling uten temperaturendring, slik at liv ikke kan utvikle seg på dem. I tillegg gir de daglige og nattlige temperaturene ikke konstante forhold for en slik utvikling.

På jorden er den høyeste kompleksiteten representert av liv og kvantitativt av det menneskelige nervesystemet (Csernai mfl. 2017). I teknologi er den høyeste kompleksiteten demonstrert av dagens datateknologi og nanoteknologi. Likevel er den mest omfattende utviklingen på bakken koblet til produksjon av energi, eller mer presist, omforming av energi til en form som er egnet for våre formål. Mesteparten av energien vi bruker kommer fra solen, de såkalte «fornybare energier» ved solcellepaneler, vindturbiner og vannkraft, de fossile brensler fra solstråling fra tidligere tidspunkt i jordens historie, og biodrivstoff fra solstrålene de siste årene. I tillegg bruker tidevannskraftstasjoner tyngdekraft, men deres rolle er liten. En viktig kilde er også menneskeprodusert fisjonskraftverk og fusjonskraftverk (under utvikling), og i naturlig form i bruk av geotermisk energi. De fleste av disse energikonverteringsprosessene er entropiøkende prosesser, med svært få unntak som fotosyntese og nukleær fusjon. I de to siste prosessene er det en økende kompleksitet i den primære reaksjonen, men der er flere relaterte prosesser, og for en riktig evaluering må den grunnleggende generasjonsprosessen, samt alle relaterte prosesser, analyseres for hele livssyklusen av materialene som brukes.

Energi og bærekraft

Når det gjelder energiomformingsprosesser, er prosessens effektivitet det avgjørende aspektet, og ikke nødvendigvis økningen i kompleksiteten. Likevel, med bakgrunn i en kvantitativ analyse, må vi i energiproduksjon unngå ødeleggelse av svært komplisert materiale. Derfor kan brenning av såkalte biodrivstoff ikke betraktes som bærekraftig energiproduksjon. Dette er en prosess som helt strider mot regelen Schrödinger fastsetter, at komplekse materialer skal være grunnlaget for videreutvikling til enda mer komplekse materialer. Brenningen av slike materialer er ikke en bærekraftig utvikling. Man bør ikke bruke biologiske materialer som kan tjene som mat, dyrefôr eller gjødsel.

Et annet, energirelatert grunnspørsmål er forskjellen mellom varme (varmeenergi) og mekanisk energi. Den mekaniske energien kan omdannes til varme med 100 % effektivitet, mens varmen ikke kan omdannes til mekanisk energi uten tap. Derfor er den mekaniske energien mer verdifull for oss. Begrepet «mekanisk» dekker selvsagt flere energiformer, for eksempel elektrisk energi, vannkraft, osv. Av historiske årsaker bruker den dominerende energiproduksjonen eller energitransformasjonen fossile brensler, og kan ha opptil 30–40% effektivitet. Alle forbrenningsprosesser har Carnot-virkningsgrad på 30–40%, så resten av energien er omvandlet til entropi! Det gjelder for hydrogen, naturgass, bensin, olje, kull, ved, det vil si all brensel. Mekaniske energiformer har varierende virkningsgrad og entropiproduksjon. Den beste er vannkraft. En kompakt 423 MW Pelton-turbin er installert i Bieudron-kraftstasjonen i Sveits, diameter til løpehjul er 4,63 meter, effektiviteten er 90–95 %. Følgelig er entropiproduksjonen veldig liten.

Blandingen av brukbare energiressurser varierer fra land til land og er nå et svært viktig politisk problem. Vurderingen av bærekraft blir en utfordring – et vanskelig problem. Det er ingen generelt best mulig løsning siden forholdene i landene og regionene er forskjellige.

Hva er så de grunnleggende prinsippene for kvantitativ evaluering av bærekraftig utvikling for en gitt systemkonfigurasjon eller prosess? Vi må ta hensyn til de viktigste konsekvensene eller funksjoner (i fysikk kalles dette de dominerende frihetsgrader), og vurdere hva mulighetene er for å kombinere disse. Dette er vanligvis et veldig stort antall. For å telle dem, må vi bestemme hva enheten (Kvantum) er i en gitt funksjon. Dette er ikke alltid lett. Det neste trinnet er å bestemme hvilke konfigurasjoner som er realiserte, testet og brukt, eller hvilke som har vist seg å være best og mest bærekraftige. Kanskje er det noen få slike konfigurasjonsalternativer. Hvis vi prøver å vurdere enkelte konfigurasjoner som ennå ikke eksisterer eller ikke har vært virkelig testet, så kan dette være et ganske vanskelig problem. Hvis vi vet alt dette, kan vi vurdere kompleksiteten av allerede realiserte eller realiserbare konfigurasjoner.

Strømforsyningen er et eksempel på et slikt problem. Vi har mange forskjellige måter å produsere elektrisk energi på; fra ulike typer «fornybar energi», «fossilenergi», kjernefysisk energi og andre kilder i forskjellige størrelser og effektiviteter som kan tilpasses etterspørselen. Dette er nødvendig fordi store mengder energi ikke lett kan lagres (med unntak av steder med stor vanntilførsel som Norge). Et annet alvorlig problem er at noen «fornybare energiressurser» er uregelmessige (slik som vind- eller solenergi), fordi de ikke kan bli styrt til å følge endringer i etterspørselen. Andre former for energiproduksjon kan lett reguleres på meget kort tid (for eksempel vann- eller gassturbiner) for å kompensere for slike uregelmessige energiressurser. Noen andre energikilder, slik som kjernefisjonsreaktorer, kan ikke i det vesentlige reguleres, men er gode for permanent base-produksjon. En tredje mulighet er overføring av elektrisk energi, selv om det er kostbart på grunn av tap i overføringskablene. Her kan en bruke ressursene til nabolandet eller naboregionen for å balansere produksjon og etterspørsel. Hvis nabolandene er i stand til å skaffe denne balansen, kan dette være en løsning. Men mottaker kan ikke være sikker på at denne muligheten vil være tilgjengelig hele tiden.

Energiforsyningen

Et eksempel på dette problemet er Tyskland, der den installerte vindkraftkapasiteten er 41 GW (2015), og hvor den installerte solcellekapasiteten for solcellepanel er 39 GW (2015). Den totale etterspørselen (eller belastningen) er rundt 97 GW. Vindturbiner og solceller ble installert med store subsidier, noe som resulterte i en dobling av elektrisitetsprisen for kundene. Denne uregelmessige energiforsyningen dekker en svært stor andel (~ 80 %) av etterspørselen, og medfører behov for nok reserveenergi. Selv om utlandet er involvert i kompensasjonen, trenger Tyskland rundt 30 GW reservekraft. I dag er brunkull-kraftverk i konstant drift det billigste alternativet. På grunn av kontinuerlig fyring, fører dette til ytterligere forurensning av miljøet. Samtidig er utslippsfrie atomkraftverk slått av, noe som øker behovet for kompensasjonskraft. Dette er tydeligvis ikke en stabil og bærekraftig organisasjon, verken økonomisk eller når det gjelder miljø. Politiske preferanser førte til en utilstrekkelig konfigurasjon. Det ville være et betydelig og utfordrende arbeid å kvantitativt vurdere bærekraftsnivået her, men dette er i utgangspunktet mulig, basert på de grunnleggende prinsipper fra Schrödinger, som nevnt i begynnelsen.

Et vellykket eksempel er systemet i Norden. Norge med 96 % vannkraft som kan styres innenfor vide grenser, og Sverige med 10 atomreaktorer som gir grunnbelastning, er et mye mer fungerende system med lavere strømpriser og en godt fungerende NordPool Spot økonomisk markedsorganisasjon. I dag fører dette til forskjellige regionale priser. Selvfølgelig er de geografiske naturforholdene i avgjørende grad også ansvarlige for denne fordelaktige situasjonen.

EU er i ferd med å prøve å danne en «Energy Union», men for tiden er denne utviklingen politisk dominert, og på flere måter styrt av de største landene, som dominerer i EU. En grunnleggende og vitenskapelig forsvarlig analyse av bærekraftig forståelse og bærekraftig utvikling vil være til stor nytte for hele EU og nært omkringliggende land som Norge.

Bølgene omkring Statistisk Sentralbyrås metoder har ennå ikke lagt seg, og viser interessen for og etterspørselen etter sikre beregninger av framtiden. I sommer fikk EU-kommisjonen rapporten Financing a Sustainable European Economy fra en ekspertgruppe. Her lærer vi at Europa de neste 20 år må investere 180 milliarder euro ekstra i året (totalt mer enn fire Oljefond) for å oppfylle sine forpliktelser i Parisavtalen for å beskytte klimaet (Nilsen 2017).

EU spør hvor pengene skal komme fra.

Norge er samtidig opptatt av økt sikkerhet for sine Oljefond-investeringer, og har luftet planer om å fjerne oljeaksjer fra Oljefondet; «et skudd som høres over hele verden», ifølge media. Statoil snakker om en vei framover via vindmølleparker til havs. Det blir heller ikke billig med stykkpris på 1/2 milliard kroner, og behov for tilpasset og tilgjengelig produksjons- og utplasseringskapasitet.

Veien videre blir ikke til ved deklarasjoner og selvgode drømmer som hos Ibsens Peer Gynt, (nå 150 år), men ved fortsatt godt arbeid innenfor naturlovenes begrensninger og en realistisk energiforståelse.

Takk

Vi takker M. Sc. Susanne F. Spinnangr og amanuensis emeritus Arvid Erdal for gode bemerkninger. Artikkelen er delvis støttet av Institute for Advanced Studies, Kőszeg, i Ungarn.

Referanser og videre lesning

Csernai LP, Papp I, Spinnangr SF og Xie Y. 2016. Physical Basis of Sustainable Development, Journal of Central European Green Innovation 4: 39–50. arXiv: 1612,06439.

Csernai LP, Spinnangr SF og Velle S. 2017. Quantitative assessment of increasing complexity, Physica A 473: 363–376. arXiv: 1609,04637.

Nilsen JS. 2017. Tar fra grønt skifte. Klassekampen, s14–15, 27. november. Kilde: Financing a Sustainable European Economy, rapport for EU-kommisjonen.

Schrödinger E. 1944. What is life? – The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge University Press. Basert på forelesninger som ble levert i regi av Trinity College, Dublin i februar 1943.

Idunn bruker informasjonskapsler (cookies). Ved å fortsette å bruke nettsiden godtar du dette. Klikk her for mer informasjon