Ilmastonmuutoksen ekologiset ja taloudelliset vaikutukset -luento

Pidin Ilmastotiedon edustajana esitelmän Tieteen Ystävien Seuran (ry) pyynnöstä 30.5.2017 aiheesta ilmastonmuutoksen ekologiset ja taloudelliset vaikutukset sekä niihin varautuminen Metsätalolla, Helsingin Unioninkadulla.

Keppelbleaching

Esityksen kalvot voi ladata täältä: TYS_Luentokalvot 30.5.2017

Energian aika -kirjan esipuhe (Alf Rehn)

Kaksi Ilmastotiedon kirjoittajaa, Aki Suokko ja Rauli Partanen, ovat kirjoittaneet ilmastonmuutosta käsittelevän kirjan, Energian aika. Kirjan kustantaa WSOY ja se julkaistaan 14.2.

Kirja on laaja-alainen katsaus talouden, yhteiskunnan ja energian keskinäisiin riippuvuussuhteisiin. Julkaisemme alla kirjan esipuheen, jonka on kirjoittanut professori Alf Rehn.

9789510423462_frontcover_draft

Yllättävän suuren osan maailman kaikista talousajattelijoista voi jakaa kahteen leiriin – materialisteihin ja immaterialisteihin. Näitä käsitteitä ei tietenkään käytetä, eivätkä kaikki talousajattelijat ja -kommentoijat niitä välttämättä edes tunnistaisi. Talousajattelussa on varsin kiintoisa rajapyykki aineellisen ja aineettoman välillä ja täten myös mitattavan ja mittaamattoman, rajallisen ja rajattoman välillä.

Viime vuosikymmeninä on etenkin rajaton ja aineeton ollut talousajattelun kaikkein muodikkain ja rakastetuin osa. Suitsutamme ideoita, yrittäjyyttä, innovaatiota. Puhumme tietoyhteiskunnasta ja datasta uutena öljynä. Viittaamme käsitteisiin, kuten teknologiaan, kehitykseen ja globalisaatioon, jotka kuulostavat aineellisilta mutta jotka ajatellaan rajattomiksi ja aineettomiksi. Niin, ja sitten tietenkin puhutaan »digitalisaatiosta», joka keskustelun perusteella mitä ilmeisimmin on ääretön, rajaton ja ihan kaiken muuttava pysäyttämätön voima.

Tähän kenttään kuuluvat myös heppoiset heitot, joissa vain todetaan »luovuudella Suomi nousuun» tai »digitalisaatio rikkoo vanhat mallit» ja jotka sinänsä ovat varsin rajallisia. Vaikka ideat ja digitalisaatio ovat tärkeitä ja kannatettavia asioita, nekin vaativat aineellisia asioita, rajallisia resursseja ja energiaa.

Tämä kirja ottaa kantaa juuri tähän. Se huomioi tärkeän mutta usein unohdetun tosiasian, nimittäin sen, että vaikka kuinka ihannoimme innovaation kaltaisia asioita, talous palaa aina juurilleen. Ja nämä juuret ovat riippuvaisia esimerkiksi raaka-aineista ja kenties ennen kaikkea energiasta. Yrittäjyys ilman toimivaa energiainfrastruktuuria on mahdottomuus, ja vaikka luovuutta voi löytää keskeltä korpeakin, ideoiden luominen kehittämisestä puhumattakaan helpottuu ihmeellisesti, jos voi nauttia myös sähköstä ja lämmöstä.

Startup-yrittäjien kannettavat tarvitsevat energiaa puhumattakaan digitalisaation vaatimista jättimäisistä konesaleista. Biotalous ja clean techovat luonnollisesti osa energiataloutta mutta eivät itsessään sen valmiita ratkaisuja eivätkä siitä erillään olevia osia. Vaikka on kovin helppoa viitata epämääräisiin lupauksiin siitä, että kehitys, teknologia tai tiede ratkaisee energiatalouden ongelmat ja rikkoo sen nykyiset rajat, olisi varsin vaarallista vain luottaa siihen.

Aki Suokko ja Rauli Partanen ovat heittäytyneet tämän ongelman kimppuun, ja heidän kirjansa on tärkeä ja laaja-alainen katsaus talouden, yhteiskunnan ja energian keskinäisiin riippuvuussuhteisiin. Se ei rakenna olkinukkeja vaan analysoi niitä monia tapoja, joilla energiasta ja sen taloudesta puhutaan tai ollaan puhumatta, ja esittää vakuuttavan kuvan niistä haasteista, jotka meillä on edessämme.

Tämä ei tarkoita, etteivätkö Suokko ja Partanen myös ottaisi kantaa. He esittävät väkevän argumentin sokean kasvunpalvonnan kyseenalaistamisen puolesta ja pyrkivät osoittamaan energian todelliset kustannukset eivätkä vain sen hetkellistä hintaa. Nämä ovat vaikeita kysymyksiä, joita ei vieläkään tajuta tarpeeksi hyvin yhteiskunnassamme, ja olisikin hienoa, jos ainakin pari päättäjää kirjan luettuaan oivaltaisi hieman paremmin, mitä talous- ja energiapolitiikkaa tehtäessä tulisi ymmärtää.

Ennen kaikkea olisi toivottavaa, että kirja herättäisi laajemman keskustelun siitä, mitä uskomme tietävämme ja mitä tiedämme uskovamme – taloudesta, energiasta ja siitä, miten siirrymme tulevaisuuteen. Kenelläkään ei ole varaa olla tietämätön energiataloutemme kustannuksista ja niistä haasteista, joiden edessä yhteiskuntamme on.

Joten puhutaan vain aineettomista asioista. Puhutaan innovaation voimasta ja innostuksen tärkeydestä. Puhutaan ideoista ja fiiliksestä, eikä usko kehitykseen ole sekään huono asia. Mutta tätä ei tulisi tehdä yksisilmäisesti vaan ymmärtäen, miten tärkeitä energia, energiatalous ja energiapolitiikka ovat rakentaessamme uutta, uljasta talouttamme.

Turussa 30.11.2016

Professori Alf Rehn

Ilmastotieto Itä-Suomen yliopiston valintakokeessa

Ilmastotiedon kirjoitus kiertotaloudesta oli vuoden 2015 valintakokeiden aineistokokeena Itä-Suomen yliopistossa niillä hakijoilla, jotka pyrkivät opiskelemaan ympäristötiedettä luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa.

prepare-exams

Ilmastotiedon blogia seuraavat hakijat saattoivat saada pientä etua haussa. Etu on kuitenkin ollut pieni ja pelkästään Ilmastotiedon blogia seuraamalla tuskin valittiin montakaan tulevaa opiskelijaa, sillä alkupisteiden ohella valintakokeeseen sisältyivät Ilmastotiedon kirjoitukseen perustuvan aineistokokeen ohella biologian ja kemian valintakokeet.

Ympäristötieteen opinnoista kiinnostuneiden kannattaakin Ilmastotiedon blogin seuraamisen ohella panostaa lukion opintoihin tai opiskella lukion opintosisältö soveltuvin osin.

Kirjoitus, johon aineistokoe perustui, löytyy täältä. Aineistokokeen kysymykset ja mallivastaukset löytyvät täältä.

Ilmastotieto suhtautuu jatkossakin positiivisesti aineistonsa käyttöön valintakokeissa. Yhteyden meihin saa esimerkiksi sähköpostitse. Sähköpostiosoite löytyy esittely-kohdasta.

Energiatrendejä 2000-luvulla – kivihiilen paluu?

British Petroleum julkaisi kesän aikana jokavuotiseen tapaansa maailman energiankäytön tilastonsa Statistical Review of World Energy 2014. Tässä kirjoituksessa nostetaan noista ja osin muistakin tilastoista esille 2000-luvun alun energiatrendejä. 

Vuosimuutokset ovat yleensä pieniä ja alttiita erilaisille vaihteluille, joten pääpaino tässä on 2000-luvun (vuodet 2000-2013) alun trendeissä. Joissakin datasarjoissa tarkastellaan pidempiäkin aikoja. Sekä vuonna 2012 että 2013 fossiilisen energian osuus kaikesta energiankäytöstä oli 87 %. Mikäli muuta ei mainita, lähteenä on käytetty BP Statistical Review of World Energy 2014 -tilastoja, joista voi ladata koneelleen .xlsx-tiedoston.

Maailmanlaajuinen öljynkulutus on kasvanut noin 18 %, maakaasun 39 % ja kivihiilen kulutus noin 63 % vuosien 2000 ja 2013 välillä. Vuonna 2013 uusiutuvan energian osuus energian kulutuksesta oli maailmanlaajuisesti 8,9 %. Niin sanottujen uusien uusiutuvien eli tuulivoiman, aurinkovoiman, geotermisen ja aaltoenergian, biomassan ja jätteen osuus oli 2,2 % viime vuonna. Vesivoima on suurin yksittäinen uusiutuvan energian muoto ollen yli kolme kertaa niin suuri kuin muut uusiutuvat yhteensä. Ydinvoiman osuus primäärienergiasta oli 6,3 % vuonna 2000 ja 4,4 % vuonna 2013. Sähkönkulutus on maailmalla kasvanut 3,2 %:n vuosivauhtia 2000-luvulla. Hiilidioksidipäästöt kasvoivat 38 % vuosina 2000-2013 eli keskimäärin 2,5 % vuodessa. Uudet uusiutuvat energiamuodot (uusiutuva energia poislukien vesivoima) kasvaa kaikkein nopeimmin, mutta sen osuus kasvaa hitaasti, koska sen klähtötaso on alhainen. Vuonna 2012 tämän uusiutuvan, josta vesivoima on poistettu, osuus oli 1,9 % ja vuonna 2013 se oli 2,2 %

Osuudet maailman energiankulutuksesta energialähteittäin olivat alla olevan taulukon mukaiset vuonna 2013. 

  

Upota

Taulukko 1. Energiankantajien osuudet primäärienergiasta ja vuotuinen keskimääräinen kasvuvauhti 2000-2013. Lähde: BP.

Talouskasvun hiilidioksidipäästö-intensiteetti

Kansainvälisen valuuttarahaston (IMF) tilastojen mukaan maailman talous (BKT) kasvoi keskimäärin 5,6 % vuosien 2000 ja 2013 välillä. Maailman talouden koko on kaksinkertaistunut 2000-luvulla.  Kuvasta 1 nähdään, että talouskasvu ei ole irtikytkeytynyt hiilidioksidipäästöistä. Mikäli tehdään pienimmän neliösumman sovitus 2000-luvun aineistolle (kuva 2), niin prosentin talouskasvu korreloi 0,66 prosentin hiilidioksidipäästöjen kasvun kanssa (kuvan 2 suoran kulmakerroin on noin 2/3, selitysaste noin 0,58 eli kohtalainen). On hyvä muistaa, että syy-seuraussuhdetta ei tästä voi päätellä, vaan luultavasti kulkee molempiin suuntiin ja on erittäin vaikea asia tutkia. 

BKT ja CO2

Kuva 1. Hiilidioksidipäästöt ja talouden koko 2000-luvulla. Lähteet: BP ja IMF.

 Kuva 2. Hiilidioksidipäästöt ja talouskasvu 2000-luvulla

Kuva 2. Hiilidioksidipäästöt ja talouskasvu 2000-luvulla. Lähteet: BP ja IMF.

Kivihiili nousemassa tärkeimmäksi energianlähteeksi öljyn ohi

Kivihiili on jo varsin lähellä öljyn osuutta energiankäytössä ja sen käyttö on kasvanut viimeisten 13 vuoden aikana lähes neljä kertaa öljyn käyttöä nopeammin. Mikäli trendi jatkuu, niin ei mene kauan kun kivihiili on jälleen ihmiskunnan tärkein energialähde määrällä mitattuna. Kuten alla olevasta ns. Fisher-Fry -kuvaajasta (huomaa logaritminen asteikko) nähdään, niin öljy nousi kivihiilen ohi toisen maailmansodan jälkeen. Jos 2000-luvun alun trendi jatkuu, niin olemme pian jälleen ”kivihiilikaudella”. Kuvasta huomaa myös, että kivihiilen rooli ihmiskunnan energiapaletissa laski lähes 100 vuoden ajan, mutta on nyt siis nousussa.

Kuva 3. Energiankantajien ja -lähteiden osuus maailman energiankäytöstä 1800-2008. Lähde: Vaclav Smil.

Kuva 3. Energiankantajien ja -lähteiden osuus maailman energiankäytöstä 1800-2008. Lähde: Vaclav Smil, 2010.

Kiina käyttää yli puolet kivihiilestä

Kiina käytti viime vuonna yli puolet maailman vuotuisesta kivihiilestä. Kiinan osuus maailman bruttokansantuotteesta vuonna 2013 oli arviolta noin 15 %, joten tämä kehitys ainakin osin heijastanee Kiinan roolia OECD-maiden ”savupiippuna”. Kiinan tuotannon osuus maailman hiilidioksidi-päästöistä oli 27 % vuonna 2013, mutta jos tarkastelemme asiaa kulutuksen perusteella, niin Kiinan päästöistä voidaan kohdistaa iso osa OECD-maihin.

Kuva 4. Kiinan osuus maailman kivihiilen kulutuksesta. Lähde: BP.

Kuva 4. Kiinan osuus maailman kivihiilen kulutuksesta. Lähde: BP.

Öljyn reaalihinta korkeimmillaan yli sataan vuoteen

Öljyn reaalihinta on ollut viime vuosina korkeammalla kuin öljykriisien aikaan. 1970-luvun korkea hinta johtui OPECin tuotantokiintiöiden pienentämisestä geopoliittisista syistä, mutta nyt ei ole mitään yksittäistä ”helppoa” syytä öljyn korkealle hinnalle. Kansainvälisen energiajärjestö IEA:n mukaan perinteisen, alhaisten tuotantokustannusten öljyn tuotantohuippu oli vuonna 2006. Halpaa, perinteistä öljyä korvautuu kalliilla.

Kuva 5. Öljyn hinta 1900-2013. Vuoden 2013 dollareina. Lähde: BP.

Kuva 5. Öljyn hinta 1900-2013. Vuoden 2013 dollareina. Lähde: BP.

Kehittyvien maiden öljynkulutus ohitti teollisuusmaat ensi kerran

Öljynkulutuksen painopiste on yhä enemmän siirtymässä kehittyviin maihin. Mielenkiintoista on seurata, että kuinka pysyvää tämä trendi on. OECD-maissa talouskasvu on ollut hidasta viime vuosina ja monissa maissa on ollut taantumia, mikä lienee suurin selittäjä tässä laskevassa öljynkulutuksessa. Ainut tekijä se ei ole, sillä öljynkulutus lähti laskuun OECD-maissa jo 2005 eli vuosia ennen finanssikriisin puhkeamista.

Öljyn hinta on nyt ensi kertaa korkealla silloin kuin suurissa länsimaissa on kärsitty taantumista. Onko tämä yksi tekijä siinä, että talouskasvu ei ole OECD-maissa palannut potentiaaliselle uralleen sitten vuoden 2008 huolimatta nollakoroista ja muutenkin kevyestä rahapapolitiikasta? Öljyn hintaa seuraavat monien muidenkin energiankantajien markkinat. (Energiankantajalla tarkoitetaan tässä esimerkiksi maakaasua ja kivihiiltä, jotka eivät itsessään tuota energiaa vaan vain ”kantavat” sitä. Tässä linkissä on enemmän energiankantajan ja energialähteen eroista.)

Kuva 6. Öljynkulutus OECD- ja kehittyvissä maissa 1965-2013. Lähde BP.

Kuva 6. Öljynkulutus OECD- ja kehittyvissä maissa 1965-2013. Lähde BP.

Öljyntuotannossa investoinnit kasvaneet nopeammin kuin tuotanto

Öljyntuotanto on kasvanut selvästi hitaammin vuoden 2005 jälkeen ja vuonna 2006 oli ns. perinteisen öljyn tuotantohuippu (tämän julisti kansainvälinen energiajärjestö IEA vuoden 2010 raportissaan). BP:n tilastointitapa ei ole kovin hyvä öljyntuotannon tarkastelun kannalta, sillä se laskee öljyksi tilavuuden mukaan myös erilaisia polttonesteitä, joiden energiasisältö tilavuutta kohti on pienempi kuin raakaöljyn. Se tilastoi öljyksi myös jakeita, jotka eivät kelpaa sellaisenaan öljynjalostamoiden raaka-aineeksi. Etaani, jota tulee maakaasun sivutuotteena, on esimerkki tällaisesta. Öljyn hinta oli hämmästyttävän vakaa vuosina 2011-2012. Tästä huolimatta etaanin maailmanmarkkinahinta putosi 75 % vuosien  2011 ja 2012 aikana (Kuvat 1 ja 3 (järjestyksessä ylhäältä alas) täällä). Mikäli kolme neljäsosaa putoaa pois jonkin polttonesteen hinnasta vaikka öljynhinta ei muutu, niin onko perusteltua tilastoida tämä polttoneste öljyksi?

Tarkempaa öljyntuotannon tilastoa löytyy Yhdysvaltain energiaviranomaisen (EIA) tilastoista – hiukan vaivaa näkemällä tosin, sillä sekin tilastoi kuten BP, mutta eri jakeet saa omiin excel-tiedostoihinsa mikäli lataa ne erikseen. Kuvasta 7 nähdään, että varsinaisen raakaöljyn (sisältää myös sellaisenaan öljynjalostamoille kelpaavan ”lease condensate” osuuden) tuotanto on kasvanut varsin vähän vuoden 2005 jälkeen. Varsin suuri lisäys on tullut maakaasun sivutuotteena tulevien hiilivetyjen (kuten etaani ja propaani) tuotannosta (kuvassa NPGL). Huomaa, että tämän kuvaajan pystyakseli ei ala nollasta, jotta nuo perinteisen raakaöljyn lisäksi öljyksi tilastoitavat muut jakeet näkyisivät kuvassa paremmin.

Kuva 7. Öljyksi tilastoitavien polttonesteiden tuotanto 2000-2013. Lähde: EIA. CC = perinteinen raakaöljy, refenery gains = jalostamisen tehostuminen, other liquids = mm. biopolttoaineet ja NPGL = maakaasun sivutuotteena syntyvät paineessa nesteytyvät keveät hiilivedyt.

Kuva 7. Öljyksi tilastoitavien polttonesteiden tuotanto 2000-2013. Lähde: EIA. CC = perinteinen raakaöljy, refenery gains = jalostamisen tehostuminen, other liquids = mm. biopolttoaineet ja NPGL = maakaasun sivutuotteena syntyvät paineessa nesteytyvät keveät hiilivedyt.

Pohjois-Amerikan liuskeöljyntuotannon viimeisenä markkinoille tulleen tynnyrin (ns. teknologinen tynnyri, marginaalinen tynnyri) tuotantokustannukset nousivat 28 % vuodesta 2011 vuoteen 2012 (lähde). Julkisesti noteeratuista yhtiöistä monet leikkaavat investointibudjettejaan (lähde).

Alla olevasta kuvasta (kuva 8) nähdään öljy- ja kaasuinvestointien raju nousu 2000-luvulla. Öljy- ja kaasuinvestoinnit ovat kohonneet vuodesta 2000 vuoteen 2015 jopa 135 %, mutta öljyn ja kaasun tuotanto 18-39 % riippuen painotuksesta öljyn ja kaasun välillä. Kuten kuvasta nähdään, nesteytetyn maakaasun eli LNG:n infran osuus investoinneista on ollut varsin pieni, joten se ei selitä kasvaneita investointeja. Mikäli investoinnit kasvavat paljon nopeammin kuin tuotanto, on katteiden pienennyttävä ja/tai hintojen noustava. Viive investoinneista tuotantoon on toisinaan pitkä öljyn ja kaasun tuotannossa, mutta investointien määrä on noussut lähes jokaisena vuonna eikä ole ainakaan erityisen painottunut viimeisimpiin vuosiin.

Luonnollinen selitys siihen, että investoinnit kasvavat nopeammin kuin tuotanto, on öljyesiintymien aleneva energiaylijäämä eli koko ajan joudutaan suurempi osa saadusta energiasta uhraamaan takaisin energian tuottamiseen. Yksinkertaisemmin sanottuna tuotannosta poistunut öljy korvautuu keskimäärin huonompilaatuisen esiintymän öljyllä eikä teknologinen kehitys ainakaan toistaiseksi kompensoi tätä kehitystä. 

Kuva 8. Globaalit fossiilisen energian investoinnit 2000-luvulla. Lähde: IEA WEIO 2014.

Kuva 8. Globaalit fossiilisen energian investoinnit 2000-luvulla. Lähde: IEA WEIO 2014.

Öljyn tuotannon haasteista kiinnostuneiden kannattaa lukea Kanava-lehdessä hiljattain ilmestyneet mainiot artikkelit. Linkit ovat tässä ja tässä.

Yhteenveto

Kehittyvien maiden energiankulutus kasvaa nopeasti. Kiina käyttää jo yli puolet maailman vuotuisesta kivihiilestä. Öljyn ja maakaasun investoinnit ovat kasvaneet tuotantoa nopeammin 2000-luvulla ja tuotantokustannukset nousseet, joten teknologinen kehitys ei näytä pysyvän esiintymien laadun heikentymisen tahdissa. Kalliin öljyn ja globalisaation vuoksi kivihiili on pian syrjäyttämässä öljyn ihmiskunnan tärkeimpänä energianlähteenä.

Lähteet

1. BP Statistical Review of World Energy 2014.

2. Energy Information Agency, EIA.

3. Kansainvälinen energiajärjestö IEA.

4. Kansainvälinen valuuttarahasto, IMF.

5. Financial Times.

6. Vaclav Smilin kirja Energy Transitions, 2010.

Kategoria(t): Uncategorized. 1 Comment »

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.

%d bloggers like this: