Suomalainen kaukolämpöreaktori vuonna 2028?

VTT yllätti eilen ja julkaisi tiedotteen, jonka mukaan se käynnisti kaukolämmön tuotantoon tarkoitetun pienydinreaktorin kehitystyön. Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto on vastaavasta puhunut jo aiemmin.  Minkälainen laite on kyseessä, sitä emme vielä tiedä, mutta haluan tässä artikkelissa esittää yhden skenaarion siitä, millainen se voi olla, ja miksi sellaisen voi sijoittaa kaupunkialueelle, lähelle kaukolämmön kuluttajia.

Vaikka erilaisia reaktoritekniikoita on tulossa perinteisen kevytvesireaktorin lisäksi muitakin, on kevytvesitekniikka edelleen toistaiseksi ainoa, jota käyttämällä ydinkaukolämpölaitos voidaan rakentaa vaikka heti. Mitään perustutkimusta ei tarvita, ei tutkimista sopivien materiaalien löytymiseksi yms. koska kaikki osataan ja tiedetään jo vuosikymmenien kokemuksella.

Jos tarvitaan lämpöä, reaktorin ei tarvitse tuottaa höyryä, ja jos ei tarvita yli sadan asteen lämpötilaa, ei tarvita myöskään painetta, joten ei tarvita paineastiaakaan. Mahdollisia rakenteita on kaksi: perinteinen paineastia, mutta hyvin pienellä paineella, sekä allas. Oma suosikkini on allas, ja syy selviää tästä artikkelista.

Kuva 1. Allasreaktorin periaate.

Yritetään ensin hahmottaa mittasuhteita. Vertailukohdaksi otetaan tietenkin surullisen kuuluisa Olkiluoto 3. Sen sähköteho on 1600 MW ja sen reaktori tuottaa 4300 MW lämpötehon. Tästä tehosta 4300-1600=2700 MW päätyy lauhdutushäviönä mereen. Reaktori tuottaa siis vuodessa 34 terawattituntia (TWh) lämpöenergiaa. Koska Helsingin kaukolämmityksessä käytetään vuodessa n. 7 TWh, lämmittäisi Olkiluoto 3:n tuottamalla lämpömäärällä viisi Helsinkiä!

Alla olevasta kuvasta voidaan hahmottaa, mistä pienessä kaukolämpöreaktorissa pohjimmiltaan on kysymys.

Kuva 2. Olkiluoto 3 EPR verrattuna pieneen kaukolämpöreaktoriin.

Taustalla on Olkiluoto 3. Kuvasta on helppo ymmärtää, miten suuri ja monimutkainen laitos se on. Me otamme siitä pelkän reaktorisydämen. Sen, mikä on reaktoripaineastian sisällä, ja siirrämme sen avonaiseen vesialtaaseen, nuoli 1. Sen jälkeen pienenämme sitä sata kertaa pienemmäksi, nuoli 2. Päädymme n. 50 megawatin lämpötehoon. Teho voi olla periaatteessa mitä vain välillä 20…200 MW, oleellista kuitenkin, että se on enintään vain muutaman prosentin OL3:n tehosta. Mitään muita härveleitä emme esikuvasta tarvitse.

Reaktorin lämpötilaa voidaan jopa nostaa hieman yli sadan asteen rakentamalla niin syvä allas, että sen pohjalla on riittävästi hydrostaattista painetta estämään veden kiehuminen. Vesi eristää toimivan reaktorin tuottaman säteilyn niin hyvin, että altaassa voi sen puolesta turvallisesti vaikka uida. Allas on myös helppo mitoittaa niin suureksi, että siinä oleva vesi riittää jäähdyttämään reaktorin kaikissa mahdollisissa häiriötilanteissa. Jäähdytykseen ei tarvita minkäänlaista automatiikkaa, pumppuja, venttiileitä, tai edes sähköä, koska vesi on siinä altaassa jo valmiiksi ja se pystyy sitomaan kaiken reaktorin sulkemisen jälkeen tuottaman jälkilämpötehon.

Ihan pelkkä sydän ja allas eivät sentään riitä. Tarvitsemme lisäksi muutaman pumpun, vähän putkistoa ja lämmönsiirtimiä, sekä lentokoneen törmäyksen kestävän kaasutiiviin rakennuksen ympärille. Lopullinen kokonaisuus voisi näyttää suunnilleen samalta, mikä tässä Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston hahmotelmassa kaukolämpöreaktoriksi.

Kuva 3. LUT-konseptireaktori.

Sijoittamalla laitos maan alle, se saadaan suojatuksi lentokoneen törmäykseltä ja muulta ulkoiselta väkivallalta. Tässä julkaisussa

Design of SES-10 Nuclear Reactor for District Heating

on esitetty hahmotelma 10 MW kaukolämpölaitoksesta, allasreaktorilla toteutettuna. Julkaisu on Sveitsistä vuodelta 1991. Nämä eivät siis ole uusia ideoita.

Näitä allas-tyyppisiä reaktoreita on rakennettu satoja kappaleita tutkimuskäyttöön. Se on tutkimusreaktorin yleisin rakenne, koska avoimeen altaaseen on helppo sijoittaa erilaisia tutkimusvälineitä. Polttoainetta voidaan helposti vaihtaa, sydämeen voidaan asettaa koekappaleita säteilytettäväksi, niissä voidaan helposti valmistaa lääketieteessä tarvittavia radioaktiivisia isotooppeja, jne. Sellainen reaktori on Suomessakin, Otaniemessä Espoossa. Nyt jo käytöstä poistettu Triga-tutkimusreaktori otettiin käyttöön vuonna 1962 ja se on siitä asti sijainnut keskellä kaupunkirakennetta. Se on toki pieni, vain 250 kW, mutta laitteena periaatteessa hyvin samanlainen kuin nyt suunnitelmissa olevat kaukolämpöreaktorit.

Maailmalla näitä tutkimusreaktoreita on satoja ja useimmat niistä sijaitsevat yliopistojen yhteydessä asutuksen keskellä. Tässä kuva Alankomaissa sijaitsevasta Delft-yliopiston tutkimusreaktorista.

Kuva 4. Delftin yliopiston koereaktori.

Kuten nähdään, allas on päältä avoin, pohjalla on sinisenä hohtava reaktorisydän. Sen teho on 2 MW ja se sijaitsee keskellä asutusta, Haagin ja Rotterdamin kaupunkien välissä.

Kuva 5. Delftin yliopostin reaktorin sijainti.

Toisena esimerkkinä MIT Nuclear Research Reactor, Massachusettsin teknillisen yliopiston koereaktori. Se sijaitsee Cambridgessä, Massachusettsissa, aivan kaupunkirakenteen keskellä, vain kolmen kilometrin päässä Bostonin keskustasta.

Kuva 6. MIT kuuden megawatin koereaktorin sijainti.

Tästä reaktorista löytyy myös erittäin hyvä ja mielenkiintoinen esittelyvideo, jossa pääsemme katsomaan laitoksen sisään.

Tämän reaktorin teho on 6 MW. Se on pienempi kuin kaukolämmitykseen kaavaillut koot, mutta tehon kasvattaminen esimerkiksi nelinkertaiseksi olisi jo 24 MW, mikä on hyvin moneen kaukolämpöverkkoon täysin riittävä koko. Isompiin verkkoihin niitä voisi asentaa useampia. Tai sitten kokoluokka voisi olla n. 100 MW, jolloin esimerkiksi Hanasaaren lämpötehon korvaamiseksi riittäisi neljä reaktoria.

Vastaavia esimerkkejä löytyy vaikka kuinka paljon. Tutkimusreaktoreita on rakennettu useita satoja eri puolille maailmaa.

Suosikkini fossiilittoman kaukolämmön tuotantoon on siis allasreaktorilla toteutettu, maan alle rakennettu, miehittämätön, kauko-ohjattu, kotimaassa suunniteltu ja valmistettu ydinlämpölaitos. Se on yksinkertainen ja suhteellisen edullinen rakentaa. Vastaavista on kokemuksia vuosikymmenien ajalta ja niitä on jo nyt sijoitettu suurkaupunkien alueille asutuksen keskelle. Voimme soveltaa samaa tekniikkaa lämmitykseen kuin aiemmin on käytetty tutkimustarkoituksessa, sen kummemmasta tästä ei ole kysymys. Kaikki tietämys ja osaaminen on jo olemassa, täytyy vain laatia suunnitelma, joka täyttää asetetut vaatimukset ja rakentaa se laadukkaasti. Kun rakennamme laitosta, jonka teho on vain muutaman prosentin perinteisen, suuren ydinvoimalan tehosta, se on teknisenä haasteenakin vain murto-osan aiemmista projekteista.

Kuinka paljon sitten tarvitaan aikaa tällaisen suunnitteluun ja rakentamiseen? Ydinvoimala perustuu uraanin fissioon. Tämä ilmiö löydettiin vasta vuonna 1938 ja sitä selittävä teoria esitettiin vuotta myöhemmin. Ensimmäiset ydinreaktoriin perustuvat käytännön sovellukset, Obninskin ydinvoimala Neuvostoliitossa ja sukellusvene Nautilus Yhdysvalloissa, aloittivat molemmat toimintansa 1954. Aikaa laboratoriosta valmiiseen sovellukseen tarvittiin 16 vuotta, mikä on todella lyhyt aika minkä takansa tekniikan kohdalla itse ilmiön keksimisestä käytännön sovellukseen. Nyt meillä on tekniikasta yli 60 vuoden kokemus, yli 2000 toiminutta reaktoria on rakennettu ja 52 on rakenteilla, meille pitäisi hyvin riittää puolet tuosta edellä mainitusta kuudestatoista vuodesta. Jos nyt päätämme tuollaisen suunnitella ja rakentaa, se on toiminnassa kahdeksan vuoden kuluttua. Teknistä estettä tälle aikataululle ei ole.

Tammikuu 2020 oli ennätyslämmin Kaisaniemessä

Ilmatieteenlaitoksen avoimesta datasta voimme havaita, että kuluvan vuoden tammikuu on Kaisaniemen mittausasemalla ollut ennätyslämmin. Kaisaniemen mittausdataa on ladattavissa vuodesta 1882 lähtien. Tammikuun keskilämpötila vuonna 2020 oli kolme astetta. Kuvassa 1. on mittausdataa kymmenen minuutin välein.

Kuva 1.

Lämpimintä, 8,2 astetta, oli 21.1. klo 7:40.

Kylmintä, -4,2 astetta, oli 5.1. klo 15:10.

Verrattuna muihin tammikuihin, tämä oli lämpimin selvällä erolla muihin.

Kuva 2.

Punainen viiva on 30 vuoden liukuva keskiarvo. Siitä nähdään, miten tammikuut ovat lämmenneet noin 2,5 astetta viimeisen sadan vuoden aikana.

Tammikuun keskilämpötila on ollut plussan puolella vain viisi kertaa aiemmin.

Kuva 3.

Lämmin talvi näkyy luonnossa monella tavalla. Erikoisen lämpimässä tammikuussa on mm. havaittu punkkeja, lepän kukintoja ja leskenlehtiä. Näitä omituisia talvi-ilmiöitä tulemme jatkossa näkemään yhä useammin, koska ilmaston lämpeneminen tulee jatkumaan suunnilleen sillä trendillä, mikä kuvassa 2. näkyy punaisella viivalla.

Ensi vuoden tammikuun lämpötila voi taas olla reilusti pakkasen puolella, sitä emme vielä tiedä, mutta keskimäärin pitkällä aikavälillä lämpötilat ovat nousussa. Joulukuun lämpötilan nousutrendi on myös ollut selvä. Päättynyt vuosikymmen oli ensimmäinen, jolloin joulukuun keskilämpötila Kaisaniemessä oli plussan puolella.

 

Geoterminen lämpö pintaa syvemmältä, osa 2.

Kirjoittelin St1:n Otaniemen geotermisestä lämpövoimalaprojektista liki neljä vuotta sitten:

Geoterminen lämpö pintaa syvemmältä

Poraus on edennyt siten että ensimmäinen reikä on 6,4 km syvyydessä valmis ja toista ollaan viimeistelemässä. Sen pitäisi valmistua helmikuussa 2020.

Hahmottelin tuollon, liki neljä vuotta sitten, että jos porauksella onnistutaan saamaan vesi virtaamaan yhden kuutiokilometrin kokoisen graniittitilavuuden läpi, reikä jäähtyy aiotulla 40 megawatin teholla 0,6 astetta vuodessa. Jos lämpötila alussa on sata astetta, se on 30 vuoden kuluttua 82 astetta. Sen lämpeneminen takaisin sataan asteeseen kestää 18000 vuotta.

Äskettäin tuli vastaan Helsingin yliopistolla tehty gradu:

Kaiu Piipponen, Enhanced Geothermal Systems: Modelling Heat and Mass Transfer in Fractured Crystalline Rock.

Siinä on matemaattisesti mallinnettu geotermisen lämpökaivon toimintaa, tehden parhaita mahdollisia oletuksia siitä, miten veden saa virtaamaan kahden reiän välillä. Tutkimuksen lopputulema on tyrmäävä:

Calculations of power production show that with the reservoir parameters presented in Table 4.1 the power possibly produced from the system is around 1 MW (Equation 3.2). This is similar to 1.5 MW of Soultz, but falls short from estimated 40 MW that the energy company ST1 has been promoting (ST1 Deep Heat project website).

Aiotun 40 MW sijaan laskelmat osottavat, että reiästä saadaankin vain 1 MW lämpöteho. Lisäksi reikä jäähtyy huomattavan nopeasti.

Laskelma on laskelma, joten odottakaamme hankkeen valmistumista ja koekäyttöä. Laskelma on kuitenkin huolella ja asiantuntemuksella tehty ja on erittäin todennäköisesti parempi arvio kuin St1:n oletus 40 MW tehosta.

Tämä on huono uutinen kaikille, jotka toivoimme tehokasta, edullista ja päästötöntä lämmönlähdettä löytyväksi tämän uuden tekniikan avulla. Lämpöä on Maan sisässä yllin kyllin vaikka koko Suomen lämmittämiseksi, mutta sen esiin saaminen vähäistä suuremmassa kokoluokassa Suomen olosuhteissa voi lopulta osoittautua mahdottomaksi.

Maakaasuvuotojen vaikutus ilmastoon

Maakaasun energiakäyttöä puolustellaan usein sillä, että kaasun polttamisen hiilidioksidipäästö on pienempi kuin muilla polttoaineilla. Tämä pitää periaatteessa paikkansa, mutta kaasulla on varjopuolensakin, josta ei kovin usein kuule puhuttavan. Maakaasu on suurimmaksi osaksi metaania, joka on itsessään voimakas kasvihuonekaasu. Pienetkin vuodot maakaasun tuotantoketjussa heikentävät huomattavasti kaasun paremmuutta muihin fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Varsinkin lyhyellä aikavälillä vuodot saattavat mitätöidä polton pienemmät CO2-päästöt kokonaan.

Selvitetään laskemalla, kuinka paljon kaasusta saa vuotaa raakana ilmakehään, ennen kuin vuoto mitätöi kaasun polton pienemmän CO2-päästön.

Metaani säilyy ilmakehässä lyhemmän aikaa kuin hiilidioksidi, joten sen kasvihuonevaikutus myös vähenee ajan myötä. Kasvihuonekaasuille ilmoitetaan CO2-ekvivalentti. Se on lukuarvo, joka ilmoittaa, mikä kaasun kasvihuonevaikutus on hiilidioksidiin verrattuna, hiilidioksidin lukuarvon ollessa tasan yksi. Esimerkiksi yleisen jääkaappikylmäaineen R134a luku on 1300, ja viime aikoina uutisiinkin nousseen rikkiheksafluoridin arvo on peräti 23500. Toisin sanoen, yksi kilogramma rikkiheksafluoridia ilmakehässä aiheuttaa yhtä suuren kasvihuonevaikutuksen kuin 23500 kilogrammaa hiilidioksidia.

Koska metaani poistuu ilmakehästä suhteellisen nopeasti, sen CO2-ekvivalentti riippuu tarkastelujakson pituudesta. Yleisesti vertailuissa käytetään kahta jakson pituutta: 20 vuotta ja 100 vuotta. Vastaavat CO2-ekvivalentit ovat 85 ja 30. Nämä arvot löytyvät vuoden 2013 IPCC-raportista (Table 8.A.1), mutta ne saattavat vielä tutkimuksen edetessä muuttua.

Vertailu kivihiileen lämmöntuotannossa

Metaanin alempi lämpöarvo on 50 MJ/kg (13,9 kWh/kg). Metaanin CO2-päästökerroin on 2,77, eli kun poltetaan 1 kg metaania syntyy 2,77 kg hiilidioksidia. Kivihiilen vastaavat arvot riippuvat paljon hiilen laadusta. Käytetään tässä esimerkissä tilastokeskuksen taulukossa POLTTOAINELUOKITUS 2019 antamia lukuja 24,8 MJ/kg (6,89 kWh/kg) ja päästökertoimena 2,3.

Kun tuotetaan yksi megawattitunti lämpöenergiaa, täytyy polttaa:

  • Maakaasua: 1000 kWh / 13,9 kWh/kg = 72 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 199 kg.
  • Kivihiiltä: 1000 kWh / 6,89 kWh/kg = 145 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 334 kg.

Kaasulla saadaan siis sama lämpömäärä 73 kg (50%) vähemmällä polttoaineella ja 135 kg (40%) pienemmillä CO2-päästöillä.

Kasvihuonekaasuna 135 kg hiilidioksidia vastaa 20 vuoden tarkastelujaksolla 135/85 =  1,6 kg metaania. Jos metaania tuotetaan 73,6 kg, josta poltettavaksi päätyy 72 kg ja ilmakehään vuotaa 1,6 kg (1,6/73,6 = 2,2 %), on metaanivuoto mitätöinyt kaasun pienemmän CO2-päästön. Jos vuodon määrä on suurempi kuin 2,2 %, kaasun kasvihuonevaikutus on suurempi kuin hiilellä.

Näin olleen lämmöntuotannossa maakaasun kivihiiltä pienemmät CO2-päästöt mitätöytyvät kokonaan, jos kaasusta vuotaa raakana ilmakehään:

    • 20 vuoden tarkastelujaksolla 2,2 %
    • 100 vuoden tarkastelujaksolla 5,8 %

Vertailu öljyyn lämmöntuotannossa

Raskaan polttoöljyn lämpöarvo on 42 MJ/kg (11,7 kWh/kg) ja päästökerroin 3,2.

Kun tuotetaan yksi megawattitunti lämpöenergiaa, täytyy polttaa:

  • Maakaasua: 1000 kWh / 13,9 kWh/kg = 72 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 199 kg.
  • Raskasta polttoöljyä: 1000 kWh / 11,7 kWh/kg = 86 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 274 kg.

Kaasulla saadaan sama lämpömäärä 14 kg (16%) vähemmällä polttoaineella ja 75 kg (27%) pienemmillä CO2-päästöillä.

Kasvihuonekaasuna 75 kg hiilidioksidia vastaa 20 vuoden tarkastelujaksolla 75/85 =  0,9 kg metaania.

Lämmöntuotannossa maakaasun öljyä pienemmät CO2-päästöt mitätöytyvät kokonaan, jos kaasusta vuotaa raakana ilmakehään:

    • 20 vuoden tarkastelujaksolla 1,2 %
    • 100 vuoden tarkastelujaksolla 3,4 %

Vertailu kivihiileen sähköntuotannossa

Sähköntuotannossa tilanne on hiukan monimutkaisempi. Hiili poltetaan höyrykattilassa, jonka tuottamalla höyryllä ajetaan höyryturbiinia. Kaasu soveltuu kaasuturbiinin polttoaineeksi, jolloin voidaan käyttää kombiprosessia. Siinä osa sähköstä tehdään kaasuturbiinilla. Turbiinin kuumat pakokaasut johdetaan pakokaasukattilaan, josta saadaan vielä höyryä höyryturbiinille. Tällaisen kombiprosessin hyötysuhde on huomattavasti parempi kuin pelkän höyryprosessin.

Käytetään tässä esimerkissä molempien prosessien parhaita hyötysuhteita, jotka ovat hiilivoimalalle 47 % ja kaasuvoimalalle 63 %.

Sähköntuotannossa, kummallekin polttoaineille parhailla käytettävissä olevilla teknologioilla, kaasun pienemmän CO2-päästön mitätöivät vuotomäärät ovat seuraavat:

  • 20 vuotta 4 %
  • 100 vuotta 10 %

Jos vain suoraan vaihdetaan hiilikattilan polttoaine maakaasuksi, hyötysuhde ei muutu ja ero polttoaineiden välillä on sama kuin lämmöntuotannossa.

Vertailu polttoöljyyn laivakäytössä

LNG-laivoja on nyt alkanut tulla liikenteeseen, koska laivojen pakokaasupäästöjä on haluttu saada pienemmiksi. Maakaasu on teknisesti hyvä polttoaine myös mäntämoottoriin. Moottorin hyötysuhteet molemmilla polttoaineilla ovat jokseenkin samat, joten hyötysuhde ei vaikuta tulokseen. Parhailla mäntäkoneilla voidaan saavuttaa noin 50 % hyötysuhde.

Laivakäytössä kaasun pienempi CO2-päästö mitätöityy vuotomäärillä:

  • 20 vuotta 1,2 %
  • 100 vuotta 3,4 %

Kaasumoottorit päästävät pienen määrän metaania raakana läpi pakoputkeen. Tämä ”metaanislippi” on ominaista Otto-moottoreille, joissa kaasu syötetään palotilaan ilman mukana imutahdin aikana ja sytytetään sytystulpalla tai sytyspolttoaineella, joka ruiskutetaan sylinteriin puristustahdin lopussa. Palotilassa on paikkoja, jonne kaasu pääsee ”piiloon”, jolloin se ei osallistu palamiseen. Näitä ovat mm. rako männän ja sylinterin välissä ylimmän männärenkaan yläpuolella, sekä kannen ja sylinteriputken välinen rako kannentiivisteen sisäpuolella. Toinen syy on epätäydellinen palaminen. Metaanin palaminen vaatii yli 600 °C lämpötilan. Palotilan seinämien lähellä lämpötila voi laskea tämän alle, jolloin palaminen estyy ja osa metaanista jää palamatta. Tätä esiintyy etenkin osatehoilla ajettaessa.  Metaani on myös itse asiassa melko vaikea saada syttymään, koska sen syttymisraja on hyvin kapea. Metaania pitää olla ilmassa 5…15 %, muuten se ei syty. Jos sitä on vähemän kuin 5 % tai enemmän kuin 15 %, se ei syty. Tämä on turvallisuusmielessä hyvä asia, mutta polttoteknisesti huono.

Raportissa GHG and NOx emissions from gas fuelled engines todetaan (Table 1.1), että suositusrajat vuoden 2010 jälkeen valmistetujen laivamoottoreiden metaanipäästöille ovat moottorityypistä riippuen 25,4 tai 43,2 g/kg polttoainetta (=4,1 tai 6,9 g/kWh). Prosenteissa ilmaistuna slippirajat ovat 2,5…4,3 %, joten tämä pelkkä metaanislippi mitätöi pienemmän CO2-päästön 20 vuoden tarkastelujaksolla (1,2 %) ja voi tehdä sen myös sadan vuoden jaksolla (3,4 %).

Toisaalla tekstissä todetaan:

LPDF gas engine optimised for low methane slip by improved process control and minimise dead space in combustion chamber by design, can reduce the methane slip to a level of 3,0 – 4,0 g/kWh. This means that ships operating LPDF gas engines can give a net reduction of greenhouse gases (GHG) including methane. How large the reduction of GHG can be is depending of operation profile and the fuel in comparison, a reduction range 5-10% is achievable compare to diesel oil operation.

Optimoimalla moottori kaasukäytölle, metaanislippi voidaan siis pudottaa tasoon 3,0…4,0 g/kWh, mikä vastaa 1,7…2,3 %. Huomataan, että tämä on enemmän kuin 20 vuoden tarkastelujaksolle sallittu 1,2 % mutta vähemmän kuin 100 vuoden tarkastelujaksolle sallittu 3,4 %. Kun otetaan huomioon myös maakaasun tuotannon, kuljetuksen, nesteytyksen sekä varastoinnin metaanipäästöt, on hyvin todennäköistä, että maakaasun käyttö laivojen polttoaineena ei vähennä meriliikenteen kasvihuonekaasupäästöjä, vaan voi jopa lisätä niitä. Muut päästöt maakaasulla ovat toki pienemmät kuin raskaalla polttoöljyllä.

On myös kaasudieselmoottoreita, joissa kaasu syötetään palotilaan suurella paineella puristustahdin lopussa. Näissä moottoreissa metaanislippiä ei esiinny juuri ollenkaan, koska kaasu palaa ennen kuin se ehtii paikkoihin, jossa se jäisi palamatta. Kaasu ei kuitenkaan syty itsestään, kuten dieselpolttoaine, vaan moottori tarvitsee kaasun lisäksi pienen määrän polttoöljyä sytytyspolttoaineeksi. Tällaisen moottorin polttoainejärjestelmä on kallis, eivätkä ne ilmeisesti sen vuoksi ole yleistyneet.

Yhteenveto

Käyttökohde, korvattava polttoaine 20 vuotta 100 vuotta
Lämpö, kivihiili 2,2 % 5,8 %
Lämpö, raskas polttoöljy 1,2 % 3,4 %
Sähkö, kivihiili 4 % 10 %
Laivapolttoaine, polttoöljy 1,2 % 3,4 %

Tulokset ja laskukaavat Google-taulukkona. Voit ladata itsellesi Exceliin ja kokeilla erilaisia tapauksia. Taulukossa on valmiiksi laskettuna muutama muu tapaus tässä esiteltyjen lisäksi.

Maakaasua vuotaa jonkin verran tuotantoketjun kaikissa vaihessa, tuotannossa, kuljetuksessa, varastoinnissa ja käytössä, sekä myös suljetuista kaasulähteistä. Tarkkoja vuotomääriä ei ole tiedossa, eikä niihin tässä artikkelissä syvennytä. Liitteenä kuitenkin joitain linkkejä (lähteet 10-14). Lähde 10, Alvarez et al. 2018, totetaa Yhdysvaltojen kaasuntuotannon vuotojen olevan 2,3 %. Suljettujen ja käytöstä poistettujen porausreikien vuotoja ei tiedetä. Venäjän kaasuntuotannon vuodoista ei varmasti ole mitään tarkkoja tietoja. Voidaan kuitenkin olettaa vuotomäärien olevan venäjällä suurempia kuin Yhdysvalloissa.

Voitaneen pitää mahdollisena, että ainakaan 20 vuoden tarkastelujaksolla maakaasu ei ole kasvihuonekaasupäästöjen osalta haitattomampi polttoaine kuin muut hiilivetypolttoaineet, kivihiili mukaan lukien. Sadan vuoden tarkastelujaksolla se voi sitä joissain tapauksissa olla, mutta ero muihin hiilivetypolttoaineisiin voi olla vähäisempi kuin yleisesti oletetaan. Koska päästöjen vähentämisen pitäisi alkaa nyt eikä yli 20 vuoden kuluttua, herää kysymys, kannattaako ylipäätään mitään polttoaineita vaihtaa maakaasuksi vain kasvihuonekaasujen vähentämisen toivossa, vai onko tehokkaampaa jättää tämä välivaihe pois, kunnes ollaan valmiita siirtymään lopulliseen, päästöttömään energialähteeseen?

Biokaasu on myös metaania, jota varmasti vuotaa tuotannon ja käytön eri vaihessa yhtälailla kuin maakaasua.

Muut fossiiliset polttoaineet

Myös muiden fossiilisten polttoaineiden tuotannossa vapautuu metaania ilmakehään. Jotta vertailu oli oikeudenmukainen, tämä pitäisi vertailussa ottaa huomioon, koska se tekee maakaasusta vähän tässä esitettyä vähäpäästöisemmän polttoaineen suhteessa muihin polttoaineisiin. Se ei johdu siitä, että maakaasu olisi tässä esitettyä parempi, vaan siitä, että muut foossiiliset polttoaineet ovat yleistä käsitystä pahempia.

Kaikenkaikkiaan oljyn JA kaasun tuotannon metaanuovuotojen on arvioitu olevan 6% koko energiasektorin kasvihuonekaasupäästöistä. Kivihiilen tuotannon metaanipäästöistä käytetään termiä ”Emission factor” jonka yksikkö on m3CH4/tonni tuotettua hiiltä. IPCC on käyttänyt tässä esitettyjä lukuarvoja, joskin kooste on jo jonkin verran vanha ja mahdollisesti parempaakin tietoa löytyy. Kaivoshiilen metaanipäästöt ovat noin kymmenkertaiset avolouhoksista saatavaan hiileen verrattuna, vaihteluvälin ollessa 10…25 m3CH4/tonni. Sen lisäksi tulee käsittelyn ja kuljetuksen aikaisen päästöt 0,9…4 m3 CH4/tonni. Kun nämä lasketaan yhteen, saadaan vaihteluväliksi 10,9…29 m3CH4/tonni. Jos näiden keskiarvo 20 m3CH4/tonni  muutetaan CO2-ekvivalentiksi ja listätään hiilen CO2 päästöön kohdan ”Vertailu kivihiileen lämmöntuotannossa” esimerkissä, saadaan tulokseksi, että päästö onkin 334 kg sijasta 20 vuoden tarkastelujaksolla 469 kg ja 100 vuoden jaksolla 366 kg. Vastaavat kaasun pienemmät CO2-päästöt mitätöivät metaanivuodot ovat 20 vuotta 4,2 % ja 100 vuotta 7,2 %, kun ne ilman kivihiilen metaanin huomioon ottamista olivat 2,2 ja 5,8 %.

Polttoaineiden tuotannon päästöt ovat enemmän tai vähemmän arvioita, koska suoria mittauksia on lähes mahdotonta tehdä. Myös erot eri alueiden, jopa eri kaivosten välillä ovat suuria.

Näissä laskelmissa käytettiin CO2-päästökerrointa. Sama asia voidaan ilmaista myös ominaispäästönä, joka voi olla helpompi hahmottaa. Tässä havainnollinen kaavio eri polttoaineiden ominaispäästöistä, mutta kuten todettiin, tämä ei ole koko totuus. Kun tuotannon, varastoinnin, kuljetukset ja käytön päästöt otetaan mukaan, ovat kaikkien polttoaineiden päästöt suurempia kuin kaaviossa esitetyt, ja niiden järjestyskin voi poiketa esitetystä.

Metaani ilmakehässä

Metaanin määrä ilmakehässä on kasvussa.

Se on heti hiilidioksidin jälken[1] merkittävin kasvihuonekaasu, jonka säteilypakote on n. 0,48 W/m2 kun hiilidioksidilla se on 1,46 W/m2.

Metaanin päästölähteitä on paljon muitakin, joista osa on luonnollisia, mutta polttoaineiden aiheuttamat metaanipäästöt ovat sen verran suuria, että ne on syytä tiedostaa nykyistä paremmin, myös maakaasun osalta, joka mielletään muita polttoaineita vähäpäästöisempänä ja ympäristöystävällisempänä vaihtoehtona.

[1] Ilmaston kannalta merkittäväin kasvihuonekaasu on vesihöyry. Se ei kuitenkaan ole antropogeeninen kasvihuonekaasu. Sen elinikä ilmakehässä on hyvin lyhyt, sen pitoisuus riippuu ilman lämpötilasta eikä ihmistoiminta vaikuta ilmakehän vesihöyryn määrään suoraan kuin korkeintaan paikallisesti.

  1. Maakaasu, käyttöturvallisuustiedote
  2. POLTTOAINELUOKITUS 2019
  3. Natural Gas Composition
  4. Chemical Composition of Natural Gas
  5. IPCC AR5 / Climate Change 2013: The Physical Science Basis / Anthropogenic and Natural Radiative Forcing / Appendix 8.A: Lifetimes, Radiative Efficiencies and Metric Values / Table 8.A.1
  6. Who Has the World’s Most Efficient Coal Power Plant Fleet?
  7. Most efficient combined cycle power plant
  8. CO2 Emission Factors for Fossil Fuels / 7 Selected fuel-related CO2 emission factors
  9. GHG and NOx emissions from gas fuelled engines
  10. Assessment of Methane Emissions from the U.S. Oil and Gas Supply Chain
  11. CALLING NATURAL GAS A ‘BRIDGE FUEL’ IS ALARMINGLY DECEPTIVE
  12. Pennsylvania Oil and Gas Emissions Data
  13. Assessment of methane emissions from the U.S. oil and gas supply chain
  14. Wikipedia: Atmospheric methane
  15. Methane emissions from oil and gas
  16. Methane Emissions in the Oil and Gas Industry
  17. Fracking boom tied to methane spike in Earth’s atmosphere
  18. CH4 EMISSIONS: COAL MINING AND HANDLING
  19. Nesteytetyn maakaasun piti torjua ilmastonmuutosta – Uusi tutkimus tyrmää ilmastohyödyn kokonaan

Tapaus Greta Thunberg ja setämies Lehtinen

Lasse lehtinen kirjoitti 25.8.2019 jokseenkin tökerön kolumnin Ilta-Sanomiin Greta Thunbergistä ostikolla:

Ilmastosodan söpö soturi

Greta purjehtii Atlantin yli, koska ei halua lentää. Kaikkine oheistoimintoineen purjehduksen välilliset päästöt saattavat olla suuremmat kuin lentäen olisi ollut, mutta se on oikeastaan yhdentekevää. Mitä Atlantin ylitykseen meriteitse tulee, jokaisen pitäisi se kokea. Planeettamme näkeminen siitä perspektiivistä on pelkästään terveellistä. Se olisi sitä myös Lehtiselle.

Lehtinen jaarittelee monenmoista Ruotsin historiasta. Siitä, miten Ruotsi on sanonut yhtä ja tehnyt toista. Ruotsin ydinvoiman kansanäänestyksestä, ja, no, lukekaa itse. En ymmärtänyt, miten nuo liittyivät koko asiaan.

Pari viimeistä kappaletta kolumnista:

Tyttönen Greta ei voi olla kovin hyvin perillä ilmastotieteen monista ristiriitaisistakin väittämistä, mutta lopun uskossa hän epäilemättä on. Maailman sivu lahkojen johtajat ovat käyttäneet keskenkasvuisia tarkoituksiinsa.

Gretasta on jo tullut yhdenlainen Shirley Temple, jolla vanhemmat rahastivat Hollywoodin kultaisina vuosina. Onko hän vaarassa kasvaa myös tämän ajan Petra Kellyksi, jolle tarkoitus pyhitti mitkä tahansa keinot?

Myöhemmin Ilta-Sanomat julkaisee lukijoiden mielipiteitä, ilmeisesti Lasse Lehtisen puolesta ja Greta Thunbergiä vastaan.

greta_lasse

Ruman setämies Lehtisen ja lukijoiden mielestä siis söpö Greta-tyttönen ei oikein ole perillä ilmastotieteen väittämistä, mutta joutunut hyväksikäytetyksi lahkojohtajien tai vanhempien toimesta.

Nämä vain muutamia esimerkkejä joidenkin ihmisten tavasta suhtautua tulevaisuudestaan huolestuneeseen ihmiseen. Usein muistetaan myös mainita hänen Asperger-diagnoosista tavalla, joka antaa ymmärtää sen tekevän hänestä jotenkin mielenvikaisen. Aspergerin oireyhtymä kuuluu autismikirjoon. Autismi tuntuu monelle olevan synonyymi tyhmälle.

Itsekin jonkinlaisena puoli-aspergerina näen asian toisin. Aspergerit ovat usein hyvin älykkäitä ja heidän mielestään kaikki ”terveet” ovat jotenkin omituisia. Asperger-oireyhtymä ei ole sairaus, josta pitäisi parantua. Se on ominaisuus, kokoelma luonteenpiirteitä, joita kenties vain toinen Aspergeri voi täysin ymmärtää. Monet historian suurhenkilöistä ja taiteilijoista ovat olleet Aspergereja. Yksi tyypillinen As-luonteenpiirre on taipumus kiinnostua jostain, usein aika erikoisestakin asiasta, ja pakonomaisesti tutkia ja opiskella siitä ”kaikki”. Ei liene epäselvää, mikä se Gretan kohdalla on?

Söpö 16-vuotias Asperger-tyttönen voi siis olla erittäin hyvin perillä maailman asioista. Paremmin kuin setämies Lehtinen sekä nimettömät kommentaattorit ja selkääntaputtajat. Paljon paremmin kuin Amerikan presidentti (no se ei paljoa vaadi…). Greta on voinut ihan itse, omassa päässään, omilla aivoillaan ajattelemalla, ilman yhdenkään aikuisen johdattelua päätyä kysymään, miksi hänen pitäisi opiskella omaa tulevaisuuttaan varten, jos aikuiset sedät ja tädit eivät tee mitään sen tulevaisuuden pelastamiseksi.

Lehtisen ja muiden epäilijöiden kannattaa käyttää 11 minuuttia elämästään katsomalla Gretan Tukholmassa pitämä TEDx-puhe.

Videon katsottuaan voisi lukea sen kolumninsa uudelleen ja miettiä, oliko sen kirjoittaminen nyt ihan viisasta. Voisi miettiä, mitä itse teki 15-vuotiaana. Tai edes sitä, mitä itse vastaavassa tilanteessa puhuisi ihmisille. Riittäisikö rohkeus nousta TED-talksin lavalle tietäen yleisön odottavan jotain poikkeuksellisen fiksua? Tuskin.

Lasten koululakosta olen sitä mieltä, että kaikkien maailman lasten pitäisi mennä lakkoon ja pysyä lakossa niin kauan, kunnes ilmastokokousten puhuvat päät oikeasti saavat jotain konkreettista aikaiseksi. Niin kauan, että politiikka on saatettu tielle, joka tulee johtamaan päästöjen vähentämiseen tavalla, jonka ilmastotutkijat ovat todenneet välttämättömäksi. Silloin Greta ja muutkin kokevat jälleen tulevaisuuteensa panostamisen mielekkääksi.

Juttua kirjoittaessani huomasin muidenkin päätyneet mättämään Lehtistä turpaan:

LASSE LEHTINEN VS. GRETA THUNBERG

Pari sanaa Greta Thunbergia kiusaavasta Lasse Lehtisestä ja kiusaamisesta noin yleensäkin

 

Uusi nopea reaktori Yhdysvaltoihin

PRISMYdinvoiman tutkimuksessa ja kehityksessä tapahtuu nyt sen verran paljon, että ei tahdo perässä pysyä. Tämä oli ainakin minulta mennyt kokonaan ohi, vaikka hanketta on suunniteltu jo jonkin aikaa.

Yhdysvalloissa on päätetty panostaa nopeiden reaktorien tutkimukseen, ja koska maassa ei tällä hetkellä ole tarkoitukseen soveliasta koelaitosta, sellaista ollaan suunnittelemassa. Jonkinlainen aiesopimus GE Hitachin kanssa on olemassa PRISM-reaktorin rakentamisesta Idahoon.

IFR – Integral Fast Reactor – kehitettiin Yhdysvalloissa lähes valmiiksi vuosina 1984–1994. Suunnitelmat kattoivat reaktorin lisäksi suljetun polttoainekierron samassa laitoskompleksissa. Kokeissa käytettiin pientä 60 megawatin koereaktoria EBR II. Seuraava vaihe olisi ollut rakentaa täysimittainen demonstraatiolaitos, mutta Bill Clintonin ensimmäinen hallinto keskeytti projektin vuonna 1994. Se tiettävästi oli Clintonin vaalilupaus mm. ympäristöväelle ja maakaasuteollisuudelle, että ”turhat” ydinvoiman tutkimushankkeet lopetetaan. Rahoitus lopetettiin, projekti jäi pahasti kesken ja koelaitteisto määrättiin purettavaksi.

PRISM perustuu pääasiassa IFR:n ja myös joidenkin muiden vastaavien tutkimusprojektien aikana kehitettyyn tekniikkaan. Se on natriumjäähdytteinen nopea reaktori, jossa polttoaine on metallina, ei oksidina, kuten useimmiten on tapana.

Nopealla reaktorilla voidaan hyötää polttoainetta tai sillä voidaan polttaa ydinjätettä. Hyötämisellä tarkoitetaan reaktoripolttoaineeksi kelpaamattoman uraani-isotoopin U-238 muuttamista fissiokelpoiseksi plutonium Pu-239 –isotoopiksi. Koska maasta kaivetussa uraanissa on vain 0,7 % polttoaineeksi suoraan kelpaavaa U-235 –isotooppia, hyötämällä U-238 Pu-239:si, voidaan louhitun uraanin hyödynnettävissä oleva energiamäärä noin 200-kertaistaa. Vaikka uraanista ei tällä hetkellä olekaan pulaa ja hinta on varsin alhainen, hyötöreaktoritekniikka tekee ydinenergiasta käytännöllisesti katsoen ehtymätöntä. Koska polttoaineen kustannus vähenee 200 osaan entisestä, voidaan kannattavasti hyödyntää hyvinkin niukkoja esiintymiä. Talvivaaran kaivos voi tuottaa n. 200 tonnia uraania vuodessa. 200 tonnilla uraania voisi hyötöreaktoritekniikkaa käyttäen sähköistää koko Suomen 20 vuoden ajan.

Käytetty polttoaine sisältää lyhytikäisiä ja pitkäikäisiä radionuklideja. Lyhytikäiset hajoavat olemattomiin noin kolmessasadassa vuodessa. Pitkäikäiset sen sijaan pysyvät radioaktiivisina kymmeniä tuhansia vuosia. Nopeassa reaktorissa pitkäikäiset isotoopit voidaan ”polttaa”, jolloin nekin muuttuvat lyhytikäisiksi. Näin tehden käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen tarvittavaa aikaa voidaan lyhentää kymmenistä tuhansista vuosista muutamaan sataan vuoteen.

Sekä hyötäminen että pitkäikäisten isotooppien polttamien ovat jo tunnettua tekniikkaa. Molempia voidaan haluttaessa tehdä, ja tehdäänkin, niissä muutamassa nopeassa reaktorissa joita maailmalla on toiminnassa.

Yhdysvalloissa on nyt suunnitelmissa rakentaa nopea reaktori tutkimuskäyttöön, siihen ei ole suunnitelmissa rakentaa edes turbiinia perään. Energiaministeri Rick Perry sanoo:

This cutting edge Advanced Reactor will give American companies the ability they currently lack to conduct advanced technology and fuels tests without having to go to our competitors in Russia and China.

Oltiinpa Trumpista mitä mieltä hyvänsä, tässä asiassa nykyinen hallinto toimii hyvin. Ymmärretään, että jos ei elvytetä oman maan ydintutkimusta, alan toimijat hakeutuvat Venäjälle ja Kiinaan, joissa tutkimus on jatkunut keskeytyksettä ja joissa ollaan tällä hetkellä Yhdysvaltoja edellä monessa asiassa.

Kohtalon ivaa tavallaan on se, että IFR:n tekniikkaan perustuva PRISM on tarkoitus rakentaa juuri Idahoon, samaan paikkaan jossa purkumääräyksen saanut IFR sijaitsi.
Jos IFR-projektia ei olisi kriittisessä vaiheessa keskeytetty, tekniikka olisi ollut valmis kaupallistettavaksi vuonna 2010. Projektin keskeyttäminen lienee teollisen ajan suurin yksittäinen munaus. Emämunaus.

Lähteitä:

  1. Experimental Breeder Reactor II
  2. GW-Hitachi PRISM
  3. PRISM selected for US test reactor programme
  4. GE Hitachi and PRISM Selected for U.S. Department of Energy’s Versatile Test Reactor Program
  5. USA launches test reactor project
  6. The Integral Fast Reactor – Summary for Policy Makers
  7. IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?
  8. ”Ydinvoimassa vielä paljon kehitettävää”

Two questions about new generation of nuclear power

I was asked about the new generation of nuclear power. I decided to publish the answers here so others can benefit from them too.

The new generation of nuclear power is widely accepted to be the same as the Small Modular Reactors, or SMR’s. So I will answer assuming this is the case.

Question one:

What is the stage of planning new generation nuclear power plants? Where the planning/building of them has been the most advanced?

The first SMR plant is almost ready. China has built FOAK (First of a Kind) helium cooled pebble bed reactor called HTR-PM (High Temperature Reactor – Pebble bed Modular). It was meant to start within 2018 but difficulties in manufacturing the steam generators have led to some delays. They are now ready and the startup should happen any time soon.

The first modular reactor in the USA is the design of NuScale. Licensing process with the local authorities is almost ready. Construction works of the first 12 module power plant in Idaho will start within a few years and it should achieve commercial operation in 2026. Relatively short construction time will be achieved by doing most of the manufacturing works in a factory instead of on the site as usual.

Canadian based Terrestrial energy is designing a molten salt reactor called IMSR, Integral Molten Salt Reactor. Terrestrial energy have told entering the markets within two years.

I gave here three examples of the recent stage of SMR technology. There are several more vendors aiming to enter the market within the next decade. Here are two links I recommend to read if you want to find more information about SMR’s.

World Nuclear Association: Small Nuclear Power Reactors

Wikipedia: Small modular reactor

Question two:

What are the risks of next generation nuclear power?

The most important thing to understand about advanced nuclear is the difference in safety principles compared with traditional nuclear power plants. A big nuclear power plant is safe. The safety has been achieved with many different safety systems which are all designed to cool down the core in a case of emergency. For example, the new Olkiluoto 3 has four different emergency cooling systems. One system out of four is enough to keep the core in a safe condition. So three out of four systems could fail and the plant will still remain in a safe condition.

Small SMR’s are inherently safe without any extra safety systems. They rely on passive systems to cool the core. For example, NuScale will place the reactor modules in a large pool of water. In a case of emergency, the water already in place is enough to keep reactor cores safe. This happens with no efforts from the plant personnel and even without electricity or any active safety systems.

At some point, the water in the pool starts to boil. Outgoing steam transfers the heat produced by decay heat of the core. When all of the water has boiled off, decay heat has reached a level low enough to be air-cooled for an indefinite amount of time.

Conclusion: Both traditional big nuclear power plants and SMR’s are safe. However, the small size of SMR’s makes it possible to design them to be inherently safe without any separate safety systems. This is better in a situation when all power at the plant is lost. For example, the Fukushima accident would not have happened with an inherently safe nuclear power plant. What happened was that electricity at the site was lost so cooling water pumps did not work and the reactor cores melted.

Inherently safe is often called ”walk away safe”. It means that the personnel could walk away from the plant and it remains safe by its own.

I think the biggest risk with next-generation nuclear power is, that it will not be built fast enough. That we don’t succeed to make people and politicians understand, that we really don’t have enough alternatives to produce low carbon electricity and heat in a reliable way without nuclear power. A total climate change is a far more serious risk than nuclear power could ever be.

  1. HTR-PM steam generator passes pressure tests
  2. Current status and technical description of Chinese 2 × 250 MW th HTR-PM demonstration plant
  3. NuScale
  4. NuScale: ENHANCED SAFETY
  5. Terrestrial energy