Fornybar energi har et plassproblem

Hundre prosent fornybar energi vil kreve langt større plass enn dagens energisystem, men det nevnes knapt i studier eller planer for overgangen til framtidas energisystem.

Hundre prosent fornybar energi er målet til praktisk talt alle land og selskaper med strategier for å kutte CO2-utslipp og venne seg av med bruken av fossil energi. Uansett om det er EUs Grønne Deal, USAs New Green Deal, den svenske energioverenskomsten, eller det er teknologigiganter som Google, Facebook og Sony, så er det et smalt spekter av energiteknologier som skal stå for framtidas energiforsyning.

Det er mange aspekter av denne overgangen som diskuteres, først og fremst hva det vil koste, hvor raskt det kan gå og hvor realistisk det er. I Norge diskuteres arealbruksendringer først og fremst knyttet til utbygging av vindkraft.

Du leser innlegg fra den ene siden om at hyttebygging tar mer plass enn vindmøller, og derfor er man på ett eller annet vis avskåret fra å kritisere utbygging av vindkraft. I andre innlegg får en inntrykk av at ei vindmølle i Oslo ville ha påvirket alt areal opp til Minnesund.

Egentlig er det litt rart at areal-debatten kommer allerede nå i Norge. Vi er et stort land med relativt lav befolkningstetthet, vindressurser i verdensklasse og masse plass. Og vi skal i første omgang ikke bygge ut så veldig mange TWh vind heller - ikke målt opp mot behovet dersom all vår energibruk skal bli fornybar.

Systemendring er arealkrevende

Men det er også mange energiskolerte folk som har spådd at denne konflikten ville komme på ett eller annet tidspunkt i en overgang til fornybar energi. Den helt elementære årsaken er at et fornybart energisystem vil ta langt mer plass enn det energisystemet vi har i dag. Si hva du vil om fossil energi, men vi mennesker har koblet oss inn på helt ekstremt konsentrerte energistrømmer gjennom å utnytte biomasse oppmagasinert over millioner av år.

For selv om det er mange åpenbare fordeler med teknologier som sol og vind - de fører ikke til partikkelutslipp, de kan bygges i de fleste land og regioner, og de fortsatt relativt populære, så er det et fundamentalt problem med fornybare energistrømmer; de er diffuse. Energien er spredt utover et stort areal. Det igjen betyr at infrastrukturen som må bygges opp for å høste denne energien må spres utover et stort areal.

Du skal imidlertid ikke diskutere arealproblematikk lenge med fornybarentusiaster før de viser et bilde av en liten firkant i Sahara som kan dekkes med solceller, og vips! så er hele klodens energiforbruk visstnok dekket.

Om en skal ta dem på alvor ignorerer de da en del ting, først og fremst at vi alle ikke bor rundt denne firkanten i Sahara. Energitilførsel, og spesielt elektrisitet som brukes i samme sekund som den produseres, har hittil vært og vil nok i lang tid være, et nasjonalt anliggende, selv om det også kan være i nasjonens interesse å ha litt utveksling med naboene.

Vi kunne også teoretisk sett klemt alle mennesker inn på et areal like stort som en mellomstor amerikansk delstat, men det er heller ikke spesielt aktuelt. Vi må nesten ta hensyn til hvordan verden faktisk ser ut, hvordan vi bruker energi og til hva.

Morgendagens verden, som kanskje blir 100 prosent fornybar, vil arve mye av dagens industri, byer, boliger, infrastruktur og bosettingsmønster.

Watt per kvadratmeter

Spørsmålet som bør stilles er; hvordan ser verdens energisystem ut i dag, og hvordan kan et fornybart energisystem se ut i framtida? Det har den kanadiske professoren Vaclav Smil gjort i boka Power Densities fra 2015. Der summerer han opp et livslangt arbeid med å dokumentere hvordan det moderne energisystemet leverer effekt, og hvordan vi mennesker bruker denne effekten.

I energidebatten er det mulig å bli helt ør i hodet av alle måleenhetene som blafrer forbi; terrawattimer, primærenergi, joule, BTU, gigawatt og fat oljeekvivalenter, for å nevne noen. Så la meg introdusere en måleenhet til; watt per kvadratmeter.

Hva er det den sier oss og hvorfor er den viktig? Jo, den forteller oss noe om hvor mye energi vi bruker og hvor mye effekt og energi vi kan hente ut av et gitt areal. Når vi ser på historiske trender, har endring i watt per kvadratmeter vært helt avgjørende for hvordan den moderne sivilisasjonen har utviklet seg.

Men la oss starte med noe mer konkret. I huset jeg bor i bruker vi i underkant av 20000 kWh per år. Det meste av strømmen går til varmekabler på stua og badet, i tillegg til oppvarming av vann. I tillegg selvsagt til induksjonstopp, ovn, kjøkkenutstyr, klesvaskemaskin, oppvaskmaskin, ventilasjon, lys, internett og streaming av Tiger King.

Delt på 8760 timer i året blir det i gjennomsnitt en effekt på 40 watt per kvadratmeter fordelt på husets grunnflate (runda opp fra 36 watt/m2). Noen ganger vil effektbehovet være langt større, som på vinteren når varmekablene går for fullt. Noen ganger på sommeren vil det være langt lavere.

Hvis min lille families effektbehov skal dekkes av en energikilde som i snitt yter en effekt på 40 watt/m2, vil altså vårt fotavtrykk her i verden dobles. Vi bor på 60 kvadratmeter grunnflate. Og så må 60 kvadratmeter et annet sted settes av til energiproduksjon.

Men 40 watt produsert per kvadratmeter er faktisk ganske mye. I nesten hele menneskehetens historie har vi vært låst inn i en energiproduksjon som yter en effekt på under 1 watt per kvadratmeter. Denne energiproduksjon kalles fotosyntesen.

Den industrielle revolusjon endret på dette fastlåste forholdet på 1 watt per kvadratmeter. Ved å ta i bruk maskiner som omsetter kjemisk energi i biomasse oppmagasinert over millioner av år (som vi kaller kull, olje og gass) til en regulerbar effekt som vi kan nyttiggjøre oss, brøyt vi denne grensa på 1 watt per kvadratmeter. Og vi gjorde det til gangs.

Smil finner at energisystemet som er bygd opp de siste 200 årene henter opp drivstoffet av bakken, transporterer det, omsetter det i termiske kraftverk og leverer det til brukerne med en energitetthet som er 10, ofte 100 og i noen tilfeller 1000 ganger større enn energibruken per areal i verdens urbane områder, som er der størstedelen av verdens befolkning bor og bruker energi.

Vi starter altså med ekstremt konsentrerte energistrømmer som så fordeles ut til brukerne.

Arealeffektivt fossilt - og kjernekraft

Men så var det produksjonen. Hele det fossile energisystemet fra borrerigger og dagbrudd, olje- og gassrørledninger til termiske kraftverk, overføringslinjer, og trafoer, leverer jevnt over mellom 1000 og 2000 watt per kvadratmeter, selv om det er stor variasjon.

Det finnes eksempler på uthenting av kull fra dagbrudd med betydelig lavere energitetthet, ned mot 350 watt/m2. I andre enden av skalaen finner vi eksempelvis oljeproduksjon i Saudi Arabia på 40 000 watt/m2.

Kjernekraft ligger i det samme området, noen store kraftverk med mange reaktorer på et sted som bruker kjølevann fra sjøen leverer så mye som 7000 w/m2, uran-gruvedrift inkludert. Andre kraftverk, kanskje bare med en reaktor, der de har blitt nødt til å demme opp elver for å lage reservoar for kjølevann, har lavere effekttetthet, ned mot 200 w/m2.

Arealkrevende fornybare

Energitettheten* til den største kilden til fornybar elektrisitet, vannkraft, varierer helt ekstremt. Energitetthet på godt under 1 watt/m2 der enorme kunstige innsjøer er oppdemmet i lavlandet. Smil viser blant annet til Churchill Falls Generating Station i Canada der de har demt opp og laget en innsjø på nesten 7000 kvadratkilometer og henter ut 0,8 watt/m2.

I den andre enden av skalaen finner vi vannkraftverk med større fallhøyde og dypere reservoar, som Grande Dixence Dam i Sveits med 56,5 watt/m2. I snitt finner Smil at vannkraft leverer rundt 3 watt/m2. Vannkraft er imidlertid et spesielt tilfelle, da det ikke bare er en energikilde, men også gjør en jobb med å regulere vann og vassdrag, og forhindrer skader fra flom og sterkt varierende vannførsel.

Solceller installert i store solparker har energitetthet på mellom 3 og 9 watt/m2, skriver Smil. Det kan tenkes at noen anlegg nå har høyere energitetthet, grunnet bedre solceller, men om vi ser eksempelvis til solcelleparken i Lerchenborg på Sjælland, som var Skandinavias største da den ble bygd på 800 dekar åker i 2016, yter den en effekt på 8,6 watt/m2. I snitt ligger solparker på rundt 5 watt/m2, selv om det tallet nok er i ferd med å krype oppover.

Variasjoner er det også i hvor mye effekt som kan leveres ut av et areal der vi bygger vindturbiner. Vind oppstår som følge av at litt av energien som treffer jorda fra sola går med til å oppvarme atmosfæren. Det gjør nødvendigvis at vind har en lavere effekttetthet enn solceller. Korrigert for avstanden mellom turbiner og korrigert for hvor ujevnt vinden blåser, finner Smil at USAs vindkraftverk leverer rundt 1 watt/m2. Men også her er det variasjoner.

Om vi ser på vindkraftverk som nå bygges i Norge leverer de langt høyere effekt per m2. Om vi ser kun på planområdet til Storheia Vindpark på kysten av Trøndelag vil de 80 turbinene i snitt levere 3 watt/m2 som følge av større turbiner og gode vindressurser.

Biomasse kommer dårligst ut. Smil beregner at tilveksten i en skog i Europa er på rundt 1 tonn per dekar per år, noe som gir oss 0,6 watt/m2. Brenn denne skogen i et termisk kraftverk, og vi sitter igjen med 0,2 watt/m2.

Det samme gjelder for etanol og biodiesel fra mais og raps som, høye avlinger i moderne landbruk til tross, kommer inn på henholdsvis 0,26 watt/m2 for mais-etanol i USA og 0,12 watt/m2 biodiesel fra raps i Europa. EUs dieselforbruk kun dekket med biodiesel fra raps ville med andre ord krevd at et areal tilsvarende det dobbelte av all dyrkamark i EU ble konvertert utelukkende til raps, beregner Smil. I snitt finner han at biomasse og biodrivstoff produserer rundt 0,3 watt/m2.

For energikilder klassifisert som fornybare finner vi altså energitetthet fra 10 watt per kvadratmeter for solceller, ned til 0,3 watt per kvadratmeter for biomasse.

Arealbehovet eksploderer

For å gå tilbake til mitt eget hus igjen så trenger jeg altså i snitt 40 watt per kvadratmeter. Skulle denne effekten vært levert av solceller, ville det ha krevd et areal fem ganger større enn grunnflata på huset mitt. Med vindmøller kreves et areal 40 ganger større. Med biomasse 133 ganger større.

Store byer har i dag en energitetthet på mellom 10 og 30 watt per kvadratmeter i snitt, altså litt lavere enn mitt bolighus. Men enkelte områder kan det være langt høyere. Smil viser til eksempler på høyhus i Manhattan eller høyblokker i Sørøst Asia på 30 til 40 etasjer der grunnflata oppsummert har energitetthet på opp mot 1000 watt per kvadratmeter. Samme gjelder industriområder og høyt trafikkerte veier.

Ser vi globalt på det, ville et fornybart energisystem som leverer den samme effekten til brukerne som dagens system gjør krevd et areal som er mellom 100 og 1000 ganger større enn arealet satt av til energiproduksjon i dag.

Et fornybart energisystem skal altså oppmagasinere og høste diffuse energistrømmer og så levere dem konsentrert inn til der energien brukes. Du skal altså snu opp/ned på hele systemet. Og det vil kreve areal.

Og dette er det viktige her. Ikke at en liten firkant i Sahara teoretisk sett kan levere all energien vi trenger fra solceller. Det er at vi har et energisystem i dag, som vi nå skal bytte ut, og det vi bytter det i vil kreve langt større areal enn vi bruker i dag.

Tettsteder, byer, veier, industri og tilhørende infrastruktur dekker ikke mer enn tre prosent av klodens isfrie areal, og det faktisk bebygde arealet med tett overflate er ikke mer enn 1 prosent. Fotavtrykket fra kull, gass, olje, vannkraft og kjernekraft i 2010 beregner Smil totalt til å være i underkant av 0,2 prosent av verdens isfrie areal. Mesteparten av det arealet igjen (over 90 prosent) er vannreservoar, kraftgater og olje/gass rørledninger.

Hvor mye ekstra trenger vi?

Men hvor mye areal vil så et 100% fornybart energisystem bruke, kontra det vi har i dag? Vel, det avhenger av ganske mye. Hvor mye energi vil framtidas samfunn måtte trenge? I dag opererer vi globalt på et snitt på 18 TW (terrawatt) fordelt ekstremt ujevnt ut på litt over 7 milliarder mennesker.

Men mye av denne primærenergien går tapt i energioverganger før vi får brukt den til det vi faktisk trenger. Gjennom varmetap i forbrenningsmotoren tapes 70 prosent av den kjemisk bundne energien i bensin, energi som altså ikke blir nyttiggjort i forflytningen fra A til B. Sånn er det også for den kjemisk bundne energien i kull eller gass som går inn i et kraftverk, der også vil flere titalls prosent av energien forsvinner opp pipa uten at vi kan nytte den på noe vis.

Dette har ledet enkelte til å mene at vi totalt sett i framtida vil bruke mye mindre energi enn i dag, da solceller og vindmøller produserer strøm direkte og energitapet i en bil med elektrisk motor er mye lavere. Kanskje kunne vi ha redusert 18 TW til det halve, bare fordi vi slutter å omsette olje, gass og kull til elektrisitet eller framdrift i biler, båter og fly. Og dette vil nok tildels skje.

Men det undervurderer igjen det energitapet som unektelig vil begynne å melde seg den dagen vi nærmer oss et 100% fornybart energitap. På ett eller annet tidspunkt må vi begynne å mellomlagre enorme mengder energi fra solceller og vindmøller i form av hydrogen eller i batterier, slik at vi har energi og effekt når vi trenger det og ikke bare når sola skinner og vinden blåser. Da re-introduserer du energitapet vi får i energioverganger. Mest sannsynlig vil ikke dette tapet være like stort som tapet vi har i dag, men det vil ikke være null heller.

Stadig flere elforbrukere

En annen giga-trend undergraver også håpet om lavere energiforbruk i framtida: Det er stadig økende elektrisitetsforbruk, for stadig flere folk i verden. Det er i dag rundt en milliard mennesker som praktisk talt er uten tilgang på noe form for energi annet enn biomasse, eller ved som det kalles på folkemunne.

Det er et par milliarder mennesker som ikke har tilgang på mer strøm enn hva kjøleskapet mitt bruker i året, og tilgangen er i tillegg ekstremt varierende gjennom døgnet og året. Det er minst et par milliarder mennesker som ikke er født enda som innen 2050 også bør ha tilgang på å varme opp og kjøle ned huset sitt, koble opp kjøleskap og fryseboks, få tilgang på internett for å finne ut om Carole Baskin tok livet av mannen sin og ikke minst å lyse opp kvelden og natta.

Teknologiutvikling er en annen variabel; hvor effektive kan solceller bli, hvor høye kan vindmøller bygges? Hvor mye kan bygges til havs? Hvor mye kan integreres i eksisterende infrastruktur? Hvordan skal materialproduksjon elektrifiseres og må vi bruke masse energi på karbonfangst? Skal deler av landbruket, eksempelvis produksjonen av grønnsaker, elektrifiseres med lys og oppvarming? Hvilket ambisjonsnivå skal vi legge oss på med tanke på å frigjøre trekkdyr og menneskelig arbeidskraft som fortsatt utgjør en stor del av arbeidet som utføres i den tredje verden? Og ikke minst; hvilket ambisjonsnivå vil de legge seg på?

Antakelsene som må bygges inn i en modell som skal spå framtidig energimiks og arealbruk er nesten uendelige. Men hovedtrekkene er helt åpenbare. Det har i grunn ikke så mye å si at du taper 70 prosent av energien i olje hvis olje kan utvinnes med en energitetthet på 40 000 watt per kvadratmeter. Sitter du igjen med 12 000 watt per kvadratmeter som kan utnyttes, er det fortsatt 12 000 ganger mer enn hva vindkraft klarer eller 1200 ganger mer enn de beste solparkene.

Systemet vi har bygd opp de siste 200 årene, og som i stor grad må erstattes, har vært ekstremt arealeffektivt, og systemet som vi nå ønsker å erstatte det med vil ta langt større plass.

Kjernekraft en del av løsningen

Det er imidlertid kun en energikilde som leverer både på lavt CO2-utslipp og lavt fotavtrykk: kjernekraft. Kraftverk som omdanner masse til energi har ikke behov for store lagerbygg for drivstoff, trenger ingen rørledninger med olje eller gass og de trenger ikke aske- og slagghauger.

Forsmark Kjernekraftverk i Sverige okkuperer et areal på rundt 4 kvadratkilometer, og leverer over 7000 watt per m2. Hvilket vil si at Forsmark som ble bygd for 40 år siden fortsatt den dag i dag klarer å levere mer effekt ut av hver kvadratmeter enn hva vi mennesker bruker noe sted.

Med et Forsmark-basert energisystem ville vi altså kunne redusert arealet som kreves til energiproduksjon til en tiendedel eller en hundredel av hva vi bruker i dag. Eller til godt under en tusendel av hva et fornybart system kan klare.

Ny bevissthet om arealbruk

Vi har aldri vært spesielt bevisst på vår arealbruk her i verden. Det virker som vi alltid tror det er et eller annet stort tomt landområde langt ute i vest, der hvor Kevin Costner danser med ulver, der vi kan bre ut våre vinger og realisere våre drømmer.

Og når en leser store studier på 100% fornybare energisystemer har de som oftest ikke beregnet hvor mye plass infrastrukturen vil ta. Et eksempel kom i fjor vår da en gruppe tyske og finske energiøkonomer presenterte en studie av hvordan verden kunne bli 100 prosent fornybar innen 2050. Ikke bare var det enkelt, det var billig i tillegg: Likes og shares i alle sosiale medier. Hvor mye areal skulle dette opplegget bruke? Nei, det hadde de ikke regna ut.

Basert på veldig optimistisk teknologiutvikling med langt høyere watt per kvadratmeter enn dagens teknologi, så vil planen deres kreve at land som Frankrike, Tyskland og Storbritannia dekker flere titalls prosent av landarealet sitt med solceller og vindmøller. I tillegg vil planen kreve biomasseproduksjon på et areal som tilsvarer 50 prosent av all dyrkamark i verden.

Nå er det mulig dette ikke blir noe problem. Det mulig at vi mennesker bare på 30 år kan snu opp/ned på hele energisystemet vi har bygd opp siste 200 år og oppmagasinere diffuse energistrømmer kontra å fordele ut konsentrerte energistrømmer.

Kanskje tenker folk når de flyr inn mot store flyplasser rundt om i verden at det ikke hadde vært noe problem å bygge ut infrastruktur som er både to og tre ganger større enn den som allerede er der. Jeg gjetter imidlertid på at det kommer til å stoppe lenge før vi når målet om 100 prosent fornybar energi. 100 prosent fornybar energi bytter også om målet med midlet. Målet bør være 100 prosent utslippsfri energi.

Og vi bør med samme intensitet som sol og vind har vært utviklet siste 30 år, utvikle kjernekraft, slik at vårt fotavtrykk her på kloden kan bli mindre, ikke større.

* Jeg har med viten og vilje brukt uttrykket «energitetthet», selv om jeg veit det er feil. Jeg skriver her om watt per kvadratmeter, og watt er en benevnelse på effekt, ikke energi. Men effekttetthet (som ville vært mer korrekt) gir absolutt ingen mening for folk flest, meg selv inkludert. Watt per kvadratmeter er egentlig en benevnelse på energifluks, men også det gir ingen mening. Så jeg brukte «energitetthet» som bedre gir en idé om hva vi snakker om. Selv om det altså er feil. Rart med det.