Hiili- ja ydinvoimalan päivän polttoaineet

Videolla nähdään juna, jossa on 127 vaunullista hiiltä.

Jokaisessa vaunussa noin sata tonnia hiiltä, yhteensä 12700 tonnia. Määrä riittää 1000 MW:n hiilivoimalan polttoaineeksi noin 36 tunniksi.

Samassa ajassa 1000 MW IFR-laitos kuluttaisi polttoainetta 4 kilogrammaa. Määrä mahtuu tähän:

Kumman ekologinen jalanjälki mahtaa olla suurempi? Entä kumman polttoainelogistiikka rasittaa ympäristöä enemmän? Nykyinenkin ydinvoimala toimii vuoden yhdellä tai kahdella rekkakuormallisella polttoainetta.

Se osa poltetusta hiilestä, mikä ei päädy ilmakehään, vähintään 10 %, on tuhkaa. Se sisältää mm. arsenikkiä, berylliumia, kadmiumia, bariumia, booria, kromia, kuparia, lyijyä, elohopeaa, magnesiumia, molybdenia, nikkeliä, radiumia, seleniä, toriumia, vanadiinia, sinkkiä, strontiumia, ja uraania. Uraania niin paljon, että sen erottamista ydinpolttoaineeksi on harkittu.

Nykyään suurin osa tästä tuhkasta saadaan talteen ja käytetään sementtiteollisuudessa, maanrakennukseen tai läjitetään kaatopaikalle, mutta pieni osa karkaa aina voimalan piipun kautta ympäristöön.

Jos hiili vaihdetaan metsähakkeeseen, tarvitaan yhden junan sijasta kymmenen junaa. Tarvittavan hakkeen massa on kaksinkertainen ja tilavuus kymmenkertainen hiileen verrattuna.

Kiitokset juttuvinkistä: Rod Adams

20 thoughts on “Hiili- ja ydinvoimalan päivän polttoaineet

  1. Huisia! Ja helppoa ja nopeaahan hiilen polttaminen on verrattuna sen keräämiseen/poistumiseen ilmasta, ihmisen tai luonnon toimesta.
    Näin sitä sahataan oksaa jolla me kaikki istumme.

    Tykkää

  2. Hei,

    Onko lähteitä saatavilla?
    Lähinnä kiinnostaa kohdat:
    ”Määrä riittää 1000 MW:n hiilivoimalan polttoaineeksi noin 36 tunniksi. Samassa ajassa 1000 MW IFR-laitos kuluttaisi polttoainetta 4 kilogrammaa.”
    ja
    ”Jos hiili vaihdetaan metsähakkeeseen, tarvitaan yhden junan sijasta kymmenen junaa.”

    Tykkää

  3. 1000 MW:n tehon tuottava voimala tuottaa energiaa 8,64*10^13 joulea päivässä. Wikipedian ”Coal” -sivun perusteella poimin hiilen lämpöarvoksi 30000 kJ/kg j eli 3*10^7 joulea/kilo. Kun ensimmäinen jaetaan toisella, saadaan 2880000 kiloa, eli 2880 tonnia. Tämä on siis teoreettinen hiilitarve 1000 MW:n voimalassa.

    Koska hyötysuhde ei oikeasti ole 100%, tarvitaan enemmän kuin teoreettinen minimimäärä hiiltä. 2880 / 12700 = 23 %, mikä kuulostaa minusta varsin uskottavalta hyötysuhteelta. Siispä esitetyn 12700 tonnin on oltava ainakin oikeassa kokoluokassa, tai ainakaan paljon vähempi ei voi riittää.

    Tykkää

  4. Jonni

    1000MW sähköä uudenaikaisessa laitoksessa hyötysuhteella 42%, hiilen energia sisältö 24MJ/kg ja 36h

    1000MWe 42% hyötysuhteella = 2381 MWt

    2381MWt / 24MJ/kg = 99,2kg/s

    36 x 3600 x 99,2 = 128 563kg

    oikein hyvin jos käy niin hyötysuhde on lähellä 44% ja hiili lähellä 30MJ/kg, mutta esim tällä 600MWe laitoksella hyötysuhde on n35% ja hiili on 18MJ/kg…

    ”Se osa poltetusta hiilestä, mikä ei päädy ilmakehään, vähintään 10 %, on tuhkaa. Se sisältää mm. arsenikkiä, berylliumia, kadmiumia, bariumia, booria, kromia, kuparia, lyijyä, elohopea, magnesiumia, molybdenia, nikkeliä, radiumia, seleniä, toriumia, vanadiinia, sinkkiä, strontiumia,ja uraania. ”

    Tarkoitushakuista! Noita kaikkia alkuaineita ei ole koskaan samaanaikaan samassa hiilessä ja hiili voi olla alle 5% tukaa sisältävää, kuten myös yli 55%. Usein raskasmetalleja on paria kolmea tuhkassa ja määrät ovat ppm tasolla.

    ”Jos hiili vaihdetaan metsähakkeeseen, tarvitaan yhden junan sijasta kymmenen junaa. Tarvittavan hakkeen massa on kaksinkertainen ja tilavuus kymmenkertainen hiileen verrattuna.”

    Siis 20 junaa tuolla kaavalla. Kannattaa opetella matematiikan alkeet! Lämpösisältö hakkeela on tyypillisesti 25% (massaa tarvitaan 4x) ja tiheys n. 20% (tilavuutta tarvitaan 5x) hiileen verrattuna. Mutta päädytään samaan 20 junaan.

    Tykkää

  5. Harri, laskut näyttää hyvältä, ja itse tosiaan tein virheen kun unohdin että tuo määrä on 36 tunniksi eikä vuorokaudeksi. Oikein laskemalla saan omilla luvuillani hyötysuhteeksi 34%. Yhä uskottava luku! Pointti ei toki ollut mikään muu kuin arvioida vähän sinnepäin eikä pohtia esim. hiilien eroja. Vastasin aiemmalle joka peräsi lähteitä – minusta näiden laskelmien lisäksi ei muuta lähdettä tarvitse.

    Tottakai yo. kirjoitus on tarkoitushakuinen mutta pitäytynee silti totuudessa =). Silti pointti hiilen uraanisisällöstä on aiheellinen ja jotain mitä olen itsekin miettinyt toisinaan. Uraania on wikipedian ”Uranium”-sivun mukaan maa-aineksessa keskimäärin 2-4 ppm. JOS olettaa että hiilessä on 2 ppm, niin jutun 12700 hiilitonnissa olisi n. 25 kiloa uraania. Siis hiilivoimalasta kulkisi jatkuvasti läpi kuusinkertainen määrä uraania verrattuna samantehoiseen ydinvoimalaan.

    E.L.Zodrow et al 1985:n abstraktin perusteella tosin uraaniköyhässä hiilessä on keskimäärin 0.5 ppm. Toisen lähteen mukaan ainakin 10-15 ppm uraania sisältävää hiiltä on myös poltettu – silloin laitoksen läpi kulkisi samalla teholla 100-150 kiloa uraania 36 tunnissa. Hiilivoimalasta poistuvan tuhkan seassa on yleensä <2 ppm uraania. Lähde jälkimmäisille Trace-element geochemistry of coal resource development related to environmental quality and health, 1980.

    Se että määrät on ppm-tasolla ei lohduta jos päivässä poltetaan miljoonia kiloja. Ainakaan siis jos pelkää uraania, josta on toki aiheellista mainita eri isotoopit – ei siis voi suoraan verrata ydinvoimalan polttoaineeseen.

    Puuhakekaavassa ei ollut virhettä. Jos massa on kaksinkertainen ja tilavuus kymmenkertainen, silloin kutakin junanvaunua kohden tulee vain viidesosa siitä massasta mitä kivihiiltä kuljettaessa, juna varmaan yhä kykenee siihen!😉. Tuo 20x mihin itse päädyit voi olla totta sekin, en ota kantaa noihin lukuihin.

    Tykkää

  6. Täällä olikin jo vastauksia Joonaksen kysymyksiin, kiitos niistä. Koska tulin itsekin luonnostelleeksi vastauksia, laitan ne tähän jatkoksi.

    Priaatteisiini kuuluu, etten väitä mitään mitä en pysty perustelemaan. Jos en anna lähteitä, niitä voi aina kysyä, niin kuin nyt tehtiin. Jos esitän omia mielipiteitä joille ei ole lähteitä, teen heti selväksi, että kyse on omasta mielipiteestäni.

    Tähän en antanut lähteitä, koska laskin nuo ”päässäni” ulkomuistista. Ne ovat suuruusluokka-arvioita. Ei tarkkoja lukuja, mutta haen yleensä asialle kuin asialle jotain konkretiaa, jotta niitä voi käsitellä oikeassa mittasuhteessa. Mutta tässä tarkennusta:

    Määrä riittää 1000 MW:n hiilivoimalan polttoaineeksi noin 36 tunniksi.

    Meillä on siis 12 700 tonnia, eli 12 700 000 kg hiiltä, jonka lämpöarvo on 27 MJ/kg (lähde). Hiiltä on monenlaista, mutta tämä arvo kelpaa tähän esimerkkiin. Laitoksen teho 1000 MW, toisin sanoen 3 600 000 MJ/h. Tästä lasketaan

    3 600 000 MJ/h  / 27 MJ/kg = 133 333 kg/h

    Näin olisi, jos hyötysuhde olisi 100 %, mutta käytännössä se on 35..45 % laitoksen iästä ja tekniikasta riippuen. Käytetään esimerkissä lukemaa 40 %.

    133 333 kg/h / 0,4 = 333 333 kg/h = 333 tonnia tunnissa

    12 700 tonnia riittää tällä kulutuksella siis 12700 t / 333 t/h = 38 h.

    Kahden tunnin virhe suuruusluokka-arviossa sallittaneen?

    Samassa ajassa 1000 MW IFR-laitos kuluttaisi polttoainetta 4 kilogrammaa.

    1000 MW:n IFR-laitoksen uraaninkulutusta valottaa Barry Brook artikkelissa IFR FaD 2 – fuel use. Kulutus sen mukaan on 1000 kg vuodessa, eli 1000 kg / 8760 h = 0,114 kg/h. 36 tunnissa kulutus on siten 0,114 kg/h x 36 h = 4,2 kg.

    Uraanin tiheys on 19 100 kg/m3 (lähde), eli 4,2 kg on tilavuudeltaan

    4,2 kg / 19 100 kg/m3 = 0,0002 m3 = 0,2 l = 2 dl.

    Kuvan pahvimuki on 1,7 dl, eli menee vähän kukkuralleen, mutta kyllä mahtuu.

    Jos hiili vaihdetaan metsähakkeeseen, tarvitaan yhden junan sijasta kymmenen junaa.

    Hakkeen lämpöarvo on pienempi kuin hiilen, samoin sen tiheys. Täältä löytyy kätevä taulukko, jossa eri polttoaineiden ominaisuuksia on verrattu toisiinsa. Tehollinen lämpöarvo löytyy sekä suhteessa massaan että tilavuuteen:

    Hake            2,0 – 4,0 MWh / t
    Kivihiili         7,0 – 9,0 MWh / t

    Hake             0,4 – 1,6 MWh / m3
    Kivihiili         5,0 – 8,0 MWh / m3

    Nyt voidaan verrata kahta tilannetta: paras hiili – huonoin hake, ja huonoin hiili – paras hake.

    Vertailu suhteessa massaan:

    9 MWh/t / 2 MWh/t = 4,5
    7 MWh/t / 4 MWh/t = 1,7

    Yhtä hiilitonnia kohti tarvitaan 1,7..4,5 tonnia haketta.

    Vertailu suhteessa tilavuuteen:

    5,0 MWh/m3 / 1,6 MWh/m3 = 3,125
    8,0 MWh/m3 / 0,4 MWh/m3 = 20

    Yhtä hiilikuutiometriä kohti tarvitaa 3..20 kuutiota haketta. Hajonta on suuri. mutta vastaavissa arvioissa käytetään yleisesti vertailukerrointa 10, mikä osuu hyvin alueen puoliväliin.

    Tykkää

  7. harri:

    Tarkoitushakuista!

    Mitä järkeä olisi kirjoittaa vailla tarkoitusta?

    Noita kaikkia alkuaineita ei ole koskaan samaanaikaan samassa hiilessä ja hiili voi olla alle 5% tukaa sisältävää, kuten myös yli 55%. Usein raskasmetalleja on paria kolmea tuhkassa ja määrät ovat ppm tasolla.

    Ei ehkä aina kaikkia, mutta keskimäärin kyllä. Tässä raportissa kerrotaan lentotuhka-analyysien tuloksia Intiassa, ja verrataan niitä muualle maailmaan:

    Analysis of fly ash heavy metal content and disposal in three thermal power plants in India

    Mitattu on alkuaineet Cr Mn Pb Zn Cu Ni Co, joita esiintyi kaikissa näytteissä. Monet voimalaitokset polttavat ”blendejä”, jotka tehdään useiden kaivosten hiilistä. Näin pitoisuudetkin tasoittuvat. Ne ovat tietenkin edelleen ppm:miä, mutta niin ovat raja-arvotkin. Valtioneuvoston asetus antaa raja-arvot raskasmetalleille lentotuhkan hyötykäytössä. Ne nähdään esim. tästä Ruduksen ohjeesta:

    http://www.rudus.fi/Download/24255/Lentotuhka-ohje.pdf

    Tykkää

  8. Oikein hyvä lähde kivihiilen radionuklidipitoisuuksista on: ”ORNL review vol 26, number 3&4: Coal Combustion: Nuclear danger or resource?”

    Asiasta on olemassa myös STUK:in papeilla julkaisema ”Turvesoiden ja polttoturpeen radionuklidit. (STUK-A143)”

    ORNL toteaa suoraan että väestön kokonaisaltistuminen radionuklideille kivihiilenpolton takia ylittää moninkertaisesti altistuksen ydinvoiman takia. Vieläpä niin että saman etäisyyden sisällä eri tyyppisistä laitoksista kivihiilen polttajat levittävät paljon enemmän radioaktiivisuutta.

    Eikä ole kotimainen turve tai puuhakekaan radionuklidivapaata.
    Kuiva-ainemäärissä ollaan samoissa pitoisuuksissa kivihiilen kanssa.

    Resurssipuolesta:

    ”Consequently, the energy content of nuclear fuel released in coal combustion is more than that of the coal consumed! Clearly, coal-fired power plants are not only generating electricity but are also releasing nuclear fuels whose commercial value for electricity production by nuclear power plants is over $7 trillion, more than the U.S. national debt.”

    http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev26-34/text/colmain.html
    http://www.stuk.fi/julkaisut/stuk-a/a143.html

    Tykkää

  9. Kiitos, tämä on (taas) mainio havainnollistaja. Siltä varalta, että asiaa tarvitsee levittää laajemmalle – esim. flyereinä🙂 – otin vapauden pyöräyttää aiheesta graafisen esityksen.

    Muutin ajanjakson 24 tunniksi, ja otin mukaan OL3-tyyppisen modernin ydinlaitoksen uraaninkulutuksen (laskin kylmästi uraaninkulutuksesta 32 tU/a).

    Isompikin versio löytyy, jos esim. printtailla haluaa🙂.

    http://yyyy.puheenvuoro.uusisuomi.fi/59979-kuinka-kuljettaa-gigawatti-paivassa

    Tykkää

  10. Mielestäni jokaiselle sähköntuotantotavalle on paikkansa.

    Tuo hiilen ja turpeenpoltto ei ole ehkä kaikkein järkevintä. Tällä laitoksella jossa olen parhaillaan, näkyy kaikki huonoimmat puolet. Kaivos, avo sellainen, on tuossa vieressä, josta valtava pöly leviää kaikkialle, päivittäiset räjäytykset aiheuttavat minimaanjäristyksiä, satojen kuorma-autojen armeija rahtaa hiiltä yötäpäivää satamaan josta hiili laivataan ulos, tämä voimalaitos on kiinalaista (huonoa) tekniikkaa, jonka päästöt ja hyötysuhde saataisiin parannettua lähes ilmaiseksi, vain optimoimalla prosessia. Ei tarvittaisi kymmenien miljoonien eurojen panostuksia muutaman prosentin parannuksiin, kuten Euroopassa. Tähän kehittyvien maiden prosessien optimointiin pitäisi kiinnittää huomattavasti enemmän huomiota.

    Kuitenkin olen vähiten huolissani säteilymääristä. Tuhkapöly, ja muukin pöly, on se mistä uskon olevan eniten terveyshaittoja.

    Tykkää

  11. Blogikirjoituksissa, ehkä niiden lyhyyteen ja iskevyyteen kannustavan formaatin vuoksi, tulee aika usein oltua vähän turhankin jyrkkiä ja ehdottomia. Luulen kuitenkin, että varsin harva ydinvoimamyönteinen varsinaisesti vastustaa muita energianlähteitä (paitsi ainakin minä ja ilmeisesti blogin isäntä pidämme kyllä tavoitteena hiilivoiman korvaamista), enemmänkin kyse on siitä, että niitä ei pidetä riittävinä ratkaisuina.

    Olen itse ollut usein maailman suurimmaksi avolouhokseksi nimetyllä hiilikaivoksella. Tuli aika selväksi, että pahinkaan ydinturma ei pysty aiheuttamaan sellaista hävitystä, mikä hiilen kanssa puljatessa on business as usual.

    Mutta hiili tulee silti todennäköisesti pysymään kehittyvien maiden energianlähteenä. Ikävää, ja noita tehokkuusparannuksia pitäisi kyllä edistää.

    Hiilen sisältämä säteily ei tosiaankaan ole terveyshaitta, mutta siihen on hyvä viitata ydinvoiman ”säteilevyydestä” puhuttaessa. Sen sijaan nuo hiilen raskasmetallit ovat todellinen ongelma: esimerkiksi Itämeren kalojen elohopeapitoisuus on alunperin suurelta osin hiilivoiman ansiota.

    Tähän kai sopisi ajatukseksi, että fossiilisten polttaminenhan on haudanryöstöä, ja haudanryöstöstä perinteisesti lankeaa kirous.

    Tykkää

  12. Aivan. On tärkeää muistuttaa, että radioaktiivisia isotooppeja esiintyy kasveissa luonnostaan. Tämän monet helposti unohtavat.

    Satuin olemaan Säteilyturvakeskuksella assarina ja nuorempana tutkijana dramaattisina vuosina 86-88. Silloin tuli tutuksi sekä luonnon oma säteily, ydinasekokeiden laskeumat ja varsin ydinvoimalaonnettomuuden seuraukset.

    Chernobylin jälkeen monet, kuten minäkin, olivat kauan ydinvoimakielteisiä. Teknologia on kuitenkin muuttunut ja on viimein aika karistaa perusteeton ydinvoiman pelko ihmisten mielistä.

    Muita enegialähteitä kuin fossiilisia (mukaan lukien turve) ei ole yleensä mitään syytä vastustaa, mutta on aika kaikkien myöntää, että ne eivät voi olla lopullinen ratkaisu.

    Vesivoima on myös monesti ongelmallinen ympäristösyistä.

    Tykkää

  13. Mainioita laskelmia.

    Eikö ydinpolttoaineen valmistusprosessi kuitenkin ole myös melko energiaintensiivinen? Montako hiilivaunua tarvitaan tuon neljän uraanikilon rikastamiseen?

    (Jos kuvitellaan kaivokset suurin piirtein yhtä tuhoisiksi ja energiaa vaativiksi.)

    Tykkää

  14. hannuoskala,

    Hyvä pointti.

    Kuluu sitä energiaa kivihiilen louhimiseen ja kuljettamiseenkin. Mahdoitko tätä tarkoittaakin:

    ”(Jos kuvitellaan kaivokset suurin piirtein yhtä tuhoisiksi ja energiaa vaativiksi.)”

    Eli kun vertaillaan kivihiilen ja uraanin kulutusta, molempiin pitää lisätä tuotannon aiheuttama lisä.

    Tykkää

  15. Suurin osa uraanipolttoaineesta tuotetaan seuraavasti:

    – kaivos
    – murskaus
    – liuotus
    – konvertointi yellowcakeksi (U3O8)
    – konvertointi uraaniheksafluoridiksi (UF6) rikastusta varten, tai uraanioksidiksi (UO2) luonnonuraanireaktoreita varten, tai konvertointi metalliksi IFR:ää/vast. varten
    – rikastus
    – polttoainenippujen valmistus

    Näistä rikastus on ylivoimaisesti energiaintensiivisin osuus. Kokonaisuutena, nykyaikaisen ydinvoiman energiatase näyttää olevan jotakuinkin luokkaa 17-19,5, tarkoittaen että prosessista saadaan ulos 17-19,5 kertaa enemmän energiaa kuin siihen tarvitaan. Tämä riippuu kuitenkin valtavasti oletuksista, sillä esimerkiksi polttoaineen jälleenkäsittely muuttaisi pelin luonteen oleellisesti.

    Ranskassa polttoaineen valmistus- ja jälleenkäsittelylaitos pyörii kokonaan kahdella kolmasosalla Tricastinin ydinvoimalan (4 x 915 MW, 25 TWh/vuosi) tehosta, eli noin 16,5 TWh:lla. Sen tuottamalla ja jälleenkäsittelemällä polttoaineella ruokitaan Ranskan 425,8 TWh ydinvoimaa, ja lisäksi vielä koko joukko saksalaisia ja muunmaalaisia reaktoreita. Taitaapa OL3:n alkulatauskin tulla sieltä. Eli näin äkkipäätä laskettuna, 1600 MW-päivän polttoaineen tuottaminen nykyisille reaktoreille veisi 62 MW-päivää, eli semmoiset vajaat 8 vaunua hiiltä.

    Ja sitten on IFR ja muut luonnon- ja köyhdytettyä uraania käyttävät reaktorit. Koska rikastus jää pois, ja koska uraania yksinkertaisesti käytetään valtavan paljon tehokkaammin, energiataseen pitäisi olla selkeästi ylivoimainen mihin tahansa muuhun vaihtoehtoon nähden. En ole nähnyt laskelmia, mutta energiataseen 100-kertaistuminen olisi varmaan suuruusluokaltaan oikeansuuntainen, kun raakamateriaalia tarvitaan noin 160 kertaa vähemmän eikä sitä tarvitse rikastaa.

    Tykkää

  16. Kiitos J. M.

    Piirroksesi biopolttoainekuva oli kyllä hyytävä. Käytännössähän tuo tarkoittaa sitä, että biopolttoaineita käytettäessä energian tuotannon on pakko olla hajautettua, koska puun roudaaminen Pohjois-Karjalasta etelään muuttaisi koko homman taseen negatiiviseksi.

    Tykkää

  17. Hannu, olet oikeassa – keskustelu esimerkiksi Helsingin lämmittämisestä biopolttoaineilla on nähdäkseni koko lailla todellisuudesta irtautunutta utopismia. Suurin ongelma ei edes ole kuljetuksen energiankulutuksessa, vaan siinä, että biomassan laajamittainen käyttö tuhoaa lyhyellä tähtäimellä metsän kykyä sitoa hiiltä.

    Nettovaikutus risupaketista näyttääkin olevan, pahimmassa tapauksessa, päästöjen lisääminen viidelläkymmenellä prosentilla verrattuna siihen, ettei tehtäisi mitään. Vähintäänkin päästövähennykset jäävät hyvin pieniksi toivottuun verrattuna.

    http://yyyy.puheenvuoro.uusisuomi.fi/60193-risuja-risupaketille-ja-ehka-tuulivoimallekin

    Tykkää

  18. 1986 Tsernobylin jälkeen sementin lisäaineena käytetty turvevoimala tuhka jouduttiin kieltämään radioaktiivisen säteilyn takia.
    Jonkin aikaa kuitenkin silloin tehtiin betonia ja valettiin elementtejä, rakennuksia jotka säteilevät edelleenkin..
    Terveyttä ja pitkää ikää vaan! t. betonilaborantti

    Tykkää

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