Eri energiamuotojen ja energiankantajien energiasisällöillä on usein sama mittayksikkö, vaikka niiden laatu ja varsinkin arvo saattaa olla aivan eri. Tämä aiheuttaa helposti sekaannusta vertailtaessa vaikka sähköautoa bensiinikäyttöiseen. Voimaloiden hukkalämpö sisältää paljon energiaa, jonka laatu on alhainen ja hyödyntämispotentiaali pieni.
Yläkoulun fysiikan tunneilla opetetaan, että energia säilyy. Valitettavasti tämä on vain osatotuus, sillä usein energian laatu heikkenee kun sitä muutetaan muodosta toiseen ja toisaalta eri energiankantajien sisältämä energia ei aina ole yhtä arvokasta. Jos esimerkiksi auton bensatankin ajaa tyhjäksi, niin bensan sisältämä kemiallinen energia päätyy lopulta lämmittämään ympäristöä kitkan ja ilmanvastuksen seurauksena. Eli energia todella säilyy, mutta sen laatu heikkenee samalla. Ympäristön lämpötilaan hajaantuneen energian saamiseksi hyötykäyttöön ei ole tehtävissä mitään vaikka se energia siellä onkin. Poikkeus tästä esimerkistä on se, että jos auto pysäköidään korkeammalle merenpinnasta kuin lähtiessä, niin tällöin osa bensiinin sisältämästä kemiallisesta energiasta, joka siis voidaan vapauttaa polttamalla, on varastoituneena maan vetovoiman aiheuttamaan ”painovoimakenttään”. Tätä ”potentiaalienergiaa” voidaan käyttää mäkilähdössä hyväksi, kuten vanhoilla hyvillä autoilla ajavat kenties hyvin tietävät… Polttoaineiden kemiallista energiaa ei voida koskaan muuttaa täydellisesti potentiaalienergiaksi tai miksikään muuksi työtä tekemään kykeneväksi energiaksi vaikka energia sinänsä toki säilyy.
Aina silloin tällöin näkee vaadittavan esimerkiksi yleisönosastokirjoituksissa, että ydinvoimaloiden hukkalämpö pitäisi ottaa talteen. 1000 MW:n voimalasta tulee hukkalämpöä 2000 MW (jos hyötysuhde on vaikkapa ydinvoimalalle realistinen 33,3 %). Tätä hukkalämpöä ei voida ottaa helposti talteen työtä tekevänä energiana tai lämpönä, sillä vaikka kyseisen voimalaitoksen lauhduttimen teho on valtava, niin tämän energian laatu on heikko. Energia on sitä arvokkaampaa mitä korkeammassa lämpötilassa se saadaan hyödyksi. Esimerkiksi megajoule 10-asteista kylpyvettä ei ole kovin käyttökelpoisessa muodossa kylpemiseen, mutta megajoule 40-asteista kylpyvettä on huomattavasti laadukkaampaa.
Lämpövoimakone (auton moottori, voimalaitos…), jolla voidaan tehdä esimerkiksi sähköä, tarvitsee aina ympäristön, johon energialähteen energiasta ”loppusijoitetaan” se osa, joka ei päädy lämpövoimakoneen työksi (kuvan 1 lämpövoimakone ei voi toimia ilman ympäristöä eli vihreätä nuolta ei ole olemassa ilman sinistä nuolta ja matalan lämpötilan ”ympäristöä”). Tuntematta tuota ympäristön lämpötilaa ei voida ottaa kantaa kuinka arvokas kulloinenkin energiasisältö (yksikkönä joule, kilowattitunti…) on. Voidaan kuitenkin sanoa, että ympäristön lämpötilan ja muiden tekijöiden pysyessä samoina on korkeamman lämpötilan omaava energia aina arvokkaampaa ”per joule”. Paperitehtaan käyttöinsinööri on luultavasti valmis maksamaan enemmän 100-asteisesta prosessivedestä kuin 50-asteisesta, jos hänelle naapuritehtaat yhtä suuria energiamääriä tällaisia tarjoavat.
| Kuva 1. Lämpövoimakone. Mitä korkeampi lämpötila on lämmönlähteessä (korkea lämpötila) ja mitä alhaisempi on ympäristön (matala) lämpötila, sitä suurempi osa lämmönlähteen energiasta voidaan saada työksi. |
Syy siihen, miksi sitä ydinvoimalan (tai hakevoimalan yms., tässä mielessä eroa ei ole) hukkalämpöä ei kannata ottaa talteen on seurausta termodynamiikan toisesta pääsäännöstä: eristetyn systeemin prosessi etenee aina suurempaan todennäköisyyteen. Kahvikuppi jäähtyy ympäristön lämpötilaan, mutta kylmä kahvikuppi ei palaudu kuumaksi itsestään, ilman ulkoista työtä tai lämmönlähdettä. Kännykän akkua ladattaessa kuluu aina enemmän sähköenergiaa kuin tuosta akusta saa purettaessa. Eli kansanomaisemmin sanottuna energialla on aina laatutekijä. Lämpöenergian laatu on alhainen, jos tämä on alhaisessa lämpötilassa ympäristöönsä nähden (muista kylpyvesiesimerkki).
Voimalaitoksen lauhduttimelta tulevan veden lämpötila on tyypillisesti luokkaa 25 ˚C ja ympäristön lämpötila 15 ˚C. Ideaalitilanteessakin vain noin 3 % tuon 25-asteisen veden lämpöenergiasta voitaisiin saada talteen lämpövoimakoneella jos ympäristö on 15-asteista. Tällaisen ”lämpövoimakoneen” mitoistakin tulisi niin suuret, että siinä ei olisi teknistaloudellisesti mitään järkeä. Mitä suuremmat lämpötilaerot, sitä pienemmät laitteet tarvitaan niiden hyödyntämiseen ja sitä pienempiin kustannuksiin päästään laitteiden hankinnassa. Jos puolestaan on käytettävissä 95-asteista vettä (ympäristön, jonne ”hukkalämpö” päätyy, lämpötila on edelleen sama 15 astetta), niin teoriassa 22 % energiasta eli yli kuusinkertainen osuus voi päätyä hyötykäyttöön. Rationaalinen lämpöinsinööri voi siten olla valmis maksamaan yli kuusinkertaisen hinnan 95-asteisesta vedestä verrattuna 25-asteiseen kun ympäristön lämpötila on 15 astetta, vaikka joulemääräisesti myytäisiin sama määrä energiaa. Jos ympäristön lämpötila nousee 24 asteeseen, niin 95-asteinen vesi on jo yli 50-kertaisesti arvokkaampaa per joule kuin 25-asteinen vesi. Näin ”raaka” on termodynamiikan toinen laki, jonka mukaan mitä pienempi lämpötilaero lämmönlähteellä ja ympäristöllä on, sitä pienempi on teoreettisesti mahdollinen energiantuotannon hyötysuhde.
Eli kun jouleja lasketaan yhteen tai vertaillaan, niin energian laatutekijää ei sovi unohtaa. Energian laatu heikkenee muutettaessa sitä muodosta toiseen lämpövoimakoneen avulla (ainakin jos ei käytetä ulkoista energiaa avuksi). Esimerkiksi kivihiilen sisältämä joule on arvokkaampaa kuin kivihiilivoimalan lauhduttimisesta läheiseen vesistöön päätyvä joule. On hiukan harhaanjohtavaa, että eri energiamuodoilla on sama yksikkö, joule, silllä kyse on usein suurista laadullisista eroista. Jos käyttää sähkömoottoria, jolla vesipumppu toimii, niin 1 kilowattitunti (kWh) kemiallista energiaa etanolin muodossa ei ole kovinkaan arvokasta, mutta 1kWh sähköä voi sitä olla. Joissakin tapauksissa voi olla järkevää verrata eri energiamuotoja toisiinsa erilaisia laatukertoimia käyttäen, mutta tämä vaatii ymmärrystä siitä mitä ollaan tekemässä. Usein näin ei ole, mikä on osittain ollut pontimena tälle kirjoitukselle.
Energiantuotantomuotojen hyötysuhteita ei ole myöskään järkevää verrata toisiinsa. Ei siis ole mielekästä verrata tuulivoimalan ja kivihiilivoimalan hyötysuhdetta toisiinsa, sillä edellisen ”polttoaine” on ilmaista, joten sen käyttöä sinänsä ei kannata optimoida. Optimoinnin kohteena tuulivoimalalla mielekkäämpää on tuotetun sähkön hinta per kilowattitunti. (Edes tämä ei ole täydellinen mittari, koska tuulivoimala ei toimi tyynellä säällä ja myrskyn aikana suojatoiminto ajaa tuotannon alas. Lisäksi tuotannon ennustevarmuus heikkenee nopeasti mitä pidemmästä aikajaksosta on kyse. Hiilivoimalakin on jollakin todennäköisyydellä ajettuna alas ja pois tuotannosta vaikkapa turpiinin rikkoutumisen vuoksi). Edes kahden periaatteessa samankaltaisen hakevoimalan hyötysuhdetta ei välttämättä kannata verrata toisiinsa, mikäli toinen kykenee polttamaan huonompilaatuista (halvempaa) haketta niin, että tuotetun sähkön kustannus on alhaisempi. Yleissääntönä voidaan sanoa, että mitä kalliimpi polttoaine, niin sitä korkeampi hyötysuhde yleensä kannattaa valita. Toki jossakin vaiheessa materiaalien kalleus ja mitoituskysymykset alkavat rajoittaa hyötysuhteen optimoinnin järkevyyttä. Mikäli haluaa verrata esimerkiksi sähköauton ja bensiiniauton paremmuutta toisiinsa nähden, niin hyötysuhde ja primäärienergian (kokonaisenergian) kulutus eivät siis ole hyödyllisiä mittareita vaan parempia ovat esimerkiksi euromääräinen kustannus per kilometri (pääomakulut huomioiden) ja hiilidioksidipäästöt per kilometri koko elinkaari huomioiden.
Kaukolämpöä ydinvoimalasta
Voimalaitoksen teoreettinen hyötysuhde on, kuten aiemmin todettiin, sitä korkeampi, mitä korkeampi on höyryn lämpötila ja mitä alempi on lauhduttimen lämpötila. Mikäli voimalaitos tuottaa myös kaukolämpöä on sähköntuotannon hyötysuhde aina alempi kuin pelkästään sähköä tuottavassa lauhdevoimalassa, koska ympäristön (lauhduttimen) lämpötila nousee kaukolämmön tuotannon myötä. Jos ydinvoimalasta halutaan ottaa kaukolämpöä, niin sähköteho alenee huomattavasti enemmän verrattuna muihin vaihtoehtoihin. Tämä johtuu siitä, että ydinvoimalassa höyryn lämpötila on turvallisuussyistä alempi kuin muissa lämpövoimalaitoksissa eli tyypillisesti noin 300 celsiusastetta, kun esimerkiksi useissa Suomessa käytössä olevissa kivihiilivoimaloissa höyryn lämpötila on noin 550 astetta. Mikäli otetaan esimerkiksi 110-asteista kaukolämpöä, niin lauhduttimen lämpötila ei voi olla tätä matalampi. Esimerkkimme ydinvoimalaitoksen teoreettinen sähköntuotannon hyötysuhde putoaa 16 prosenttiyksikköä kun kivihiililaitoksessa hyötysuhde putoaa ”vain” 11 prosenttiyksikköä.Näin ollen lähtökohtaisesti ydinvoimalasta otettava kaukolämpö aiheuttaisi suuremmat menetykset sähköntuotannossa kuin muissa lämpövoimalaitoksissa. Kuten aiemmin todettiin, ei eri polttoainetta käyttäviä voimaloita kuitenkaan pidä verrata vain hyötysuhteen osalta. Tietyissä tilanteissa voi olla taloudellisesti järkevää tuottaa kaukolämpöä ydinvoimaloissa. Esimerkiksi tuntuva hiilivero kaukolämmön tuotannossa käytetylle kivihiilelle kallistaisi vaakakuppia ydinkaukolämmön suuntaan kivihiilivoimalan kustannuksella. Talvella lauhdevoimalaitoksissa päästään hiukan parempaan sähköntuotannon hyötysuhteeseen kuin kesällä, sillä kylmempi jäähdytysvesi lauhduttimessa mahdollistaa höyryn paisumisen alempaan paineeseen turbiinissa.
Yhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että joule energiaa A ei välttämättä ole yhtä arvokasta kuin joule energiaa B. Esimerkiksi bensiiniauton omistaja ei tee kilowattitunnilla sähköenergiaa liikenteessä mitään, mutta yhdellä kilowattitunnilla bensiiniä (noin 1 desilitra) tyypillinen auto voi kulkea noin 2 kilometriä. Eli ”joule” ei aina välttämättä ole yhtä kuin ”joule” eikä voimalassa saadaan koskaan hyödynnettyä 100 % polttoaineen sisältämästä kemiallisesta energiasta. Mikäli voimalaitoksen ”hukkaan” päätyvän lämpöenergian lämpötila on alhainen, sillä ei ole käyttöarvoa vaikka energiavirta sinänsä olisi suuri.
Ilmastotieto 
12.8.2014 0.07
Mitenkäs, jos ydinvoimalan hukkalämpöä jalostetaan lämpöpumpulla laadukkaammaksi? Tämä tietysti kuluttaa jonkin verran energiaa, mutta pumppulaitoksen hyötysuhde on valtavan paljon parempi, kun kylmän piirin lämpötila on +25 kuin että se on nollassa tai jopa sen alapuolella. Maalämpöpumppuja Suomessakin on käytössä monenkokoisia. Äkkiseltään voisi kuvitella, että rahalla saisi jopa 2000 MW:n paketteja.
12.8.2014 8.29
Kiitos kommentista, simpe! Kaukolämmön ”priimaus” lämpöpumpulla voi olla hyvinkin järkevää. Tällöin kaukolämpöveden voi antaa jäähtyä kaukolämpökierrossa hiukan kylmemmäksi ja sen lämpötilaa korotetaan lämpöpumpulla vastaavasti paluupuolella. Tällöin jo olemassa olevasta lauhduttimesta saadaan suurempi lämpöteho tai uutena lauhdutin voidaan mitoittaa pienemmäksi. Ekokem kertoi viime vuonna investoivansa höyrykäyttöisiin absorptiolämpöpumppuihin, joilla (kaksi kappaletta) saataisiin lauhduttimesta lisätehoa 9 MW. Laitteet painavat yhteensä 100 tonnia ja ovat 8 metriä pituudeltaan. Koska 9 MW lämpötehoa vaatii 100 tonnia materiaalia, niin ainakin minulle herää kysymys, että olisiko tällainen sittenkään skaalattavissa gigawattiluokkaan vaikka olettaisimme skaalahyötyjä niin, että teho/paino-suhde olisi suuressa kokoluokassa huomattavasti parempi. Varsin pikainen haku aiheesta antoi ymmärtää, että käytössä olevat suuret absorptiolämpöpumput ovat kooltaan tyypillisesti 2-15 MW eli nuo Ekokemin 4,5 MW:n laitteet vaikuttaisivat olevan suhteellisen suuret kokoluokaltaan.
8.9.2019 7.43
50 000 suomalaista on asentanut taloonsa maalämpöpumpun, koska heidän laskelmiensa mukaan kallioreijästä saatavan 4-10 -asteisen veden lämpötila on riittävän suuri, jotta sitä kannattaa hyödyntää maalämpöpumpun avulla tapahtuvassa rakennusten lämmityksessä.
Mutta tämän jutun kirjoittajan mukaan ydinvoimalan 10-24 asteisena vaihtelevan lauhdutusveden lämpötila on liian alhainen, jonka vuoksi sitä kannata hyödyntää maalämpöpumpun avulla tapahtuvassa rakennusten lämmityksessä.
Mielipiteet menevät ristiin! Mikä mahtaa olla totuus tässä asiassa ?
1.7.2020 12.40
Syynä on lauhdeveden radioaktiivisuus. Täysin hullu ajatus ettei muka nykytekniikalla saataisi ydinpommin raaka-ainetehtaan lauhdevesistä energiaa talteen esim. kaukolämpöön.
11.9.2020 8.36
Voimaloissa ei rikasteta uraania, eikä sen n. 2-7% U-235 -rikastusaste riitä lähimainkaan ydinaseisiin (>90%). Käytetty polttoaine, eli jäte taas on n. 0,72% aktiivista ainesosaa.
Voimaloiden lauhdeveden radioaktiivisuus oli Suomessa keskimäärin 0,00005 millisievertiä vuonna 2007. Suodatustekniikat ovat kehittyneet tuosta jo puolitoista vuosikymmentä ja raja-arvoksi STUK on asettanut 0,1 mSv. Taustasäteilyä suomalaiset saavat osakseen keskimäärin 1 mSv p.a., lentohenkilöstö jopa 6 mSv p.a.
Voisi luulla, että kivihiilivoimalankin lauhdevesi on radioaktiivisempaa, kun tiedämme polttoaineen sisältävän noin 0,8-4 ppm uraania ja saman verran toriumia. 2016 kulutus Suomessa oli 3,3 Mt hiiltä, eli lyhyellä matikalla hiilivoimalat polttivat tuolloin ilmakehään 2,6-13,2 tonnia uraania sekä saman verran toriumia. Nopealla googlailulla en löytänyt yhtäkään mainintaa moisten vaikutuksista lauhdeveteen.
Ydinvoimaloiden läpi taas kulki 2017 vajaat 500 tonnia uraania, josta voidaan arvioida vaikkapa 5% (7% – 0,72% = 6,28% eli noin 5%) kuluvan fissioon. Tämä tarkoittaa noin 25 tonnin aktiivisen aineen kulutusta.
Ylempi kommentoija kuulostaa olevan vähän astrologiaan päin kallellaan, mutta olen aina avoin perustelluille korjauksille…
26.10.2020 1.58
Lukekaa juttu loppuun asti ja kommentoikaa vasta sitten. Ongelma ei ole 25 asteen lämpötila kaukolämmön kohdalla, en tiedä mistä sen edes keksitte, että olisi. Eikä se että onko olemassa tarpeeksi suurta lämmönvaihdinta (ilmalämpöpumppu). Lisäksi jonkun mainitsema maalämpö on aivan eri asia. Jostain syystä kuvitellaan yleisesti ottaen (kuten maalämpökommentistakin huomaa) että energia loppuu 0 asteessa, tai ettei asuntoa voi lämmittää ilmalla joka on alle huoneen lämpötilan-> väärin. Tietenkin voi. Otetaan vain siitä 4 celcius asteen maalämmöstä energia talteen, ja pumpataan se huoneilman joukkoon. ->> Vaan ongelma syntyy jo siinä, että ydinvoimallas turbiinille menevän höyryn lämpötila on huomattavasti alhaisempi kuin muissa voimalatyypeissä. -> tästä prosessin kautta joka lukee tuossa jutussa juontuu taas se, että saatava energia on huonolaatuista / ei sopivaa kaukolämpöön sekä siitä että se pudottaisi itse voimalaitoksen hyötysuhteen vain noin puoleen nykyisestä, joka sekin on jo huono (noin 16% noin ~33,3%:sta (ydinvoimalassa keskimäärin tuotetusta energiasta vain noin 1/3 saadaan muutettua sähköksi)) Ikäänkuin väkisin nyt koitettaisiin taistella perus termodynamiikan lakeja vastaan, ihan vain mututuntumalla. Insinöörikoulussa opetettiin ensimmäisenä jokaisen opettajan toimesta, että tekniikan asioissa kannnattaa olla hissunkissun jos ei tiedä oikeaa vastausta-> koska ei ole kuin oikeita ja vääriä vastauksia, ja mutu-tuntuma näkyy välittömästi, kuten näissä kommenteissa. Pahoittelen suoraa puhettani.
9.8.2021 3.21
Ydinlaitoksen hyötysuhde ei ole alkuunkaan niin hyvä kuin joissain kirjoituksissa esiintyy – se 1/3. Tosiasia on, että niitten lämpökuorma ympäristöön on aivan eri luokassa ja asia on aika helpostikin pääteltävissä, kun ajattelee niitten höyrystettäviä vesimääriä ja höyryn lämpötilaa.
Ydinvoima onkin yksin melkein kokonaan syyllinen liikaan lämpöön ilmastossa. Siksi ihmetyttää nämä ”tieteelliset” vastaväitteet vaikka EU:n komissiosta.
16.10.2021 20.05
”Ydinvoima onkin yksin melkein kokonaan syyllinen liikaan lämpöön ilmastossa”
Voisitko kertoa. mitä ym tarkoittaa?
12.9.2022 9.44
Artikeklin mukaan reaktorista lähtee 300 asteinen höyry (lämpöenergia) turbiiniin, se on turbiniinin jälkeen edelleen n. 300 asteista ja menee lauhduttimeen. Vasta lauhduttimen jälkeen se on n. 25 asteista ja matkaa takaisin reaktoriin. Miksei siitä voi ottaa lämpöä talteen turbiinin ja lauhduttimen välissä? Lauhdutin lämmittää pelkkää merivettä, miksei myös koteja?
Ja loppuun vielä tuhannen taalan kysymys, miksi sitä höyryä ylipäänsä lauhdutetaan niin paljon ja heti perään kiehauttetaan uudestaan? Eikö olisi kätevämpää uudelleenlämittää jo valmiiksi melkein tavoitelämpötilassa olevaa höyryä, jolloin voitaisiin ajaa useampaa tubiinia?