Miksi ydinvoimalan hukkalämpöä ei kannata hyödyntää

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.

Advertisements

2 vastausta to “Miksi ydinvoimalan hukkalämpöä ei kannata hyödyntää”

  1. simpe Says:

    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.

  2. Aki Suokko Says:

    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.


Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: