Mitä kun ei tuule?

Tämä on vastaus Oras Tynkkysen blogille ”Mitä kun ei tuule?

Tynkkyseltä kysytään usein hänen puhuessa energiasta: ”mitä tehdään silloin, kun ei tuule?

Tynkkynen vastaa:

Tuuli- ja aurinkovoimankin vaihtelu on pienempi pulma kuin äkkiseltään saattaisi luulla. Tuulta ja paistetta osataan ennakoida nykyään varsin hyvin, joten vaihteluihin pystytään varautumaan.

Ennen kuin jatketaan, pohditaan hetki, mitä kysyjä on tässä ajatellut. Onko hän

  1. ollut huolissaan sähkön riittävyydestä silloin, kun uusiutuvat eivät tuota
  2. ihmetteleekö hän miten vaihtelevatuottoisella uusiutuvalla voidaan korvata kaikki fossiiliset energiamuodot

Vaihtoehdot 1 ja 2 voidaan muotoilla toisin:

  1. miten maksimoidaan uusiutuvan energian osuus
  2. miten fossiilienergiasta päästään eroon

Tynkkysen blogia ovat jo monet ehtineet kommentoimaan mm. täällä, mutta tehdään nyt vielä yksi arvio. Näistä tulee helposti liian pitkiä, koska yhteen lyhyeenkin tekstiin mahtuu paljon käsitteitä ja väitteitä, joiden perusteellinen avaaminen vaatii pitkän vastineen. Aikaakin perusteellisuuteen menee mutta hektisessä nettikeskustelussa pitäisi reagoida nopeasti, mielellän heti. Kirjoitan kuitenkin mieluummin kattavasti ja sellaisia artikkeleita, jotka kestävät aikaa.

Bioenergialla voidaan periaatteessa tuottaa sähköä silloin, kun halutaan.

Voidaan periaatteessa, voidaanko käytännössä? Me tiedämme kokemuksesta, että Suomessakin tuulivoiman teho painuu toisinaan pariin prosenttiin kapasiteetista. Alla on pysyvyyskäyrä Suomen tuulivoiman tehosta viimeisen vuoden ajalta, eli elokuun 2016 lopusta elokuun 2017 loppuun.

Kuva 1. Suomen tuulisähkön pysyvyyskäyrä.

Kuvasta (aukeaa isompana klikkaamalla) nähdään esim. että tuulivoiman teho on alle 10% (140 MW, keltainen apuviiva) asennetusta tehosta kaikkiaan 1746 tuntia eli kuukautta vuodessa. Äärimmäinen tilanne, alle 2% (28 MW, valkoinen apuviiva) ilmenee 147 tuntia, kuusi vuorokautta vuodessa. Se ei ole paljon, mutta myös näinä aikoina sähköverkkoon tarvitaan kysyntää vastaava teho, joka voi talvisin olla lähellä 15000 MW. Tavalla tai toisella verkon on kyettävä sopeutumaan tuulivoiman vaihteluun, joka on alle kahdesta prosentista lähes sataan prosenttiin asennetusta tehosta.

Huomataan siis, että koko tuulivoiman teho on voitava tuottaa jotenkin toisin silloin kun ei tuule. Periaatteessa se voidaan tehdä bioenergialla, mutta pitääkö meidän rakentaa kokonaan uusi biovoimalaitoskanta tuulettomia aikoja varten? Sellaista kapasiteettia ei ennestään ole olemassa.

Viime vuonna Suomessa tuotettiin sähköstä tuulella 3,8 prosenttia. Samaan aikaan naapurissa Ruotsissa osuus oli 11,4, Romaniassa 12,5, Portugalissa 24,7 ja Tanskassa jo 36,8 prosenttia. Jos siis kymmenkertaistaisimme tuulisähkön osuuden, pääsisimme aikanaan suunnilleen samalle tasolle, jonka kanssa Tanska pärjää jo nykyään.

Tynkkysen mainitsema 3,8 % on Suomen keskitehosta n. 350 MW (punainen apuviiva), mikä asettuu pysyvyyskäyrän keskivaiheille. Se on tuulen keskimääräinen teho.

Mutta verrataan siis Suomea Tanskaan. Tanskassa sähköä tuotetaan tuulivoiman lisäksi hiilellä ja maakaasulla. Otetaan Tanskan tilastosta tuuli- ja fossiilisähkön teho vuodelta 2016 ja piirretään niistä pistekaavio, jossa vaaka-akselilla on fossiiliteho ja pystyakselilla tuuliteho. Mikäli Tanska pystyisi vähentämään fossiilituotantoa tuulen avulla, sen pitäisi näkyä tässä kaaviossa.

Kuva 2. Tanskan tuuli- ja fossiilisähkö, pistekaavio.

Pistejoukosta nähdään, että fossiilisähkön huipputeho on tuulisella säällä on pienempi kuin tuulettomalla, mutta korrelaatio muuten on vähäinen ja pistejoukko on satunnainen.

Piirretään toinen kaavio, jossa verrataan tuulivoiman tehoa sähkön vientiin ja tuontiin Tanskan rajojen yli.

Kuva 3. Tanskan tuulisähkö ja tuonti/vienti, pistekaavio.

Tässä on selvä korrelaatio. Kun tuulisähköä tuotetaan 4000 MW Tanska vie sähköä 2000 MW. Vastaavasti kun ei tuule yhtään, tanska tuo sähköä 2000 MW. Hajontaa on tässäkin kuvassa, mutta viennin ja tuonnin vaihteluväli on jokseenkin sama kuin tuulisähkön maksimiteho, joten Tanska siis hoitaa tuotannon tasaamisen lähes kokonaan tuonnin ja viennin avulla.

Voidaan todeta, että ”Tanska pärjää” tuulivoiman kanssa naapureidensa Saksan, Ruotsin ja Norjan avulla. Tanskan sähkönkulutus on pieni verrattuna naapurimaihin ja siksi Tanska voi tehdä näin. Lienee itsestään selvää, että kaikki maat eivät voi toimia samalla tavalla.

Suomessa kymmenkertainen tuulisähkön määrä tarkoittaisi 15000 MW huipputehoa. Suhteutettuna Tanskan käytäntöön siitä vietäisiin ulos 7500 MW. Tuulettomina aikoina tuotaisiin 7500 MW. Meillä ei ole noin paljon siirtolinjoja muihin maihin. Lisäksi, kun meillä tuulee, tuulee todennäköisesti Ruotsissakin, joten mahtuuko ylimäärä sinnekään? Vastaavasti kun meillä ei tuule, Ruotsissakaan ei välttämättä tuule, joten onko sieltä saatavissa se 7500 MW?

Ensinnäkin tuulivoimaloita kannattaa rakentaa eri puolille maata – ja vähän merellekin. Näin koko maan tasolla saadaan varmemmin tuotettua sähköä, vaikka jossain olisikin hetkellisesti tuuletonta.

Toiseksi laaja sähkömarkkina ja hyvät siirtoyhteydet auttavat ratkaisevasti. Jos Suomessa tuulee jollain hetkellä vähemmän, ehkä Ruotsissa tuulee vastaavasti enemmän. Jos Suomessa paukkupakkaset nostavat kulutuksen tappiinsa, ehkä Baltian puolella sattuu olemaan lauhempaa.

Kartassa nähdään nykyiset ja suunnitellut tuulivoimalat Suomessa.

Kuva 4. Suomen tuulivoimalat kartalla, 2014.

Voimalat on jo nyt hajautettu melko hyvin, joten tehon vaihtelu on se mikä jo alussa todettiin. Tässä vielä Suomen tuulisähkön tuotanto yhden kuukauden ajalta.

Kuva 5. Tuulivoiman tuotanto Suomessa, elokuu 2017.

Onko Pohjoismaiden alueelle hajauttaminen riittävä ratkaisu? Piirretään kaavioon tuulivoiman suhteelliset tehot Tanskasta, Norjasta, Ruotsista, Virosta ja Suomesta.

Kuva 6. Tuulivoiman vaihtelu pohjoismaissa, elokuu 2017.

Suhteellinen teho saadaan jakamalla hetkittäinen teho asennetulla teholla. Näin voidaan paremmin verrata tuuliolosuhteita sellaisten maiden välillä, jossa tuulivoiman asennettu teho on hyvin erisuuruinen. Kuvassa 6 on käytetty liukuvaa 12 tunnin keskiarvoa, koska muuten käyristä tulee liian syheröisiä eikä kuvasta saa mitään selvää. Kuvien 5 ja 6 ajanjakso on sama, elokuu 2017.

Alueen laajentaminen toki vähentää vaihtelua, mutta se on silti edelleen 6..58 %. Jos otetaan alueeksi koko Eurooppa, vaihtelu näyttää tältä.

Kuva 7. Tuulivoiman vaihtelu Euroopassa, elo- syyskuu 217.

Kuvassa 7 tuulivoima on hajautettu koko Euroopan alueelle. Silti tehon vaihtelu on suurta. Käytännössä näin laajalle alueelle hajauttaminen vaatisi nykyiseen verrattuna moninkertaisen määrän siirtoyhteyksiä.

Yksi maa on syytä nostaa erikseen esiin: Irlanti. Saarella tuotetaan sähköstä tuulella jo 27 prosenttia, vaikka siirtoyhteydet muualle ovat olleet vaatimattomia eikä maalla ole merkittäviä määriä vesivoimaa. Jos Irlanti on selvinnyt tuulen vaihtelusta näissä oloissa, eiköhän se onnistu myös Suomelta tulevaisuudessa.

Verrataan siis Suomea Irlantiin. Irlannin sähköntuotantoa pääsee tarkastelemaan tällä sivustolla. Otetaan sieltä kuva, jossa on sähkön kulutus ja tuulisähkön tuotanto viimeisen 30 vuorokauden ajalta.

Kuva 8. Irlannin sähkönkulutus ja tuulivoiman tuotanto, elo- syyskuu 2017.

Nähdään, että kulutuksen vuorokausivaihtelu on 2500…5000 MW. Tuulivoiman teho on kuukauden aikana vaihdellut nollasta 2500 megawattiin. Tästä kuvasta ei nähdä, miten Irlanti on samana ajanjaksona ”selvinnyt tuulen vaihtelusta”, mutta se voidaan päätellä seuraavasta kuvasta.

Kuva 9. Irlannin sähköntuotannon primäärienergianlähteet, elo- syysku 2017.

Tuulen osuus on siis ollut 19 %, hiilen 10 % ja maakaasun 67 %. Toisin sanoen, Irlanti selviää tuulen vaihtelusta polttamalla fossiilisia polttoaineita sen mukaan, kuinka paljon sähköä tuulen lisäksi tarvitaan. Tätäkö Tynkkynen pitää tavoittelemisen arvoisena asiana? Koska tuulisähkö Irlannissa toisinaan käy lähes nollassa, Irlanti tulee säilymään riippuvaisena fossiilisähköstä, rakensipa se tuulivoimaa miten paljon tahansa. Fossiilituotantoa pitää olla käytettävissä koko kulutuksen huipputehoa vastaava määrä, koska toisinaan tuulen teho painuu lähelle nollaa.

Kun tämän tästä nähdään uutisia siitä, miten tuulivoima on halvinta sähköä, niissä on aina tarkasteltu pelkästään tuulisähkön tuotantokustannuksia. Kuten Irlannin esimerkki osoittaa, tuotantokustannus on vasta puolet koko tarinasta. Irlanti joutuu ylläpitämään tuulivoiman vaihtelun vuoksi myös täyden tehon fossiilikapasiteettia. Jos tämä säätövoimateho lasketaan mukaan tuulivoiman kustannuksiin, se ei enää ole halpaa, eikä ilmastoneutraaliakaan.

Sama dilemma pätee yhtä lailla aurinkosähköön. Vaikka aurinkosähkö olisi ilmaista, tulee kustannuksia kaikista niistä järjestelyistä, joilla varmistetaan sähkön saanti aurinkosähkön tuotannonvaihtelusta huolimatta.

Ilmiö on hyvin nähtävissä myös ja etenkin Saksassa. Alla olevasta kuvasta nähdään eri sähköntuotantomuotojen asennettu teho Saksassa.

Kuva 10. Saksan sähköntuotantokapasiteetti, 2002-2017.

Huomataan, että 15 vuotta sitten maassa ollut tuuli+aurinkovoimakapasiteettia juuri ollenkaan. Nyt sitä on yhtä paljon kuin fossiilikapasiteettia. Fossiili+ydinvoimakapasiteettia on kuitenkin täsmälleen sama määrä kuin 15 vuotta sitten. Tämä johtuu siitä, että tuuli+aurinkovoima eivät kykene korvaamaan perinteisiä tuotantomuotoja, ainoastaan vähentämään niiden käyttötarvetta jonkin verran. Voidaan sanoa, että uusiutuvat tuottavat energiaa mutta eivät tehoa. Verkossa pitää olla kulutusta vastaava teho käytettävissä ja siksi Saksa on säilyttänyt fossiili+ydinkapasiteetin, vaikka on samaan aikaan rakentanut toisen mokoman tuuli+aurinkokapasiteettia. Itse asiassa, koska Saksassa on nyt vähemmän ydinvoimakapasiteettia kuin 15 vuotta sitten, fossiilikapasiteettia on vastaavasti enemmän. Näinkö Tynkkynen ajatteli, että asia on hyvä hoitaa?

Neljänneksi sähköä voidaan varastoida silloin, kun sitä on ylen määrin saatavilla – ja purkaa vastaavasti silloin, kun tarve on suurin. Tekniikoista tutuimpia ovat akut.

Akut ovat kyllä tutuimpia, mutta sähköverkon mittakaavassa mahdollisuutta akkuvarastointiin ei ole näköpiirissä. Akut ovat paitsi kalliita, toistaiseksi riippuvaisia ainakin litiumista ja koboltista. Litiumin riittävyydestä kirjoitin aiemmin, mutta ilmeisesti koboltin saatavuus on suurempi pullonkaula. Tuulettomat jaksot voivat kestää päiväkausia, joten tarvittava akkukapasiteetti ylittää kaikki mahdollisuuden rajat.

Koeteltu ratkaisu on myös pumppuvoimala. Laitos varastoi sähköä veden muodossa: vähäisen kysynnän aikana vettä pumpataan ylös, runsaan kysynnän aikana vastaavasti vapautetaan alas ja näin tuotetaan sähköä.

Pumppuvoimala on koeteltu ratkaisu ja idea on yksinkertainen. Ikään kuin ”ladattava” vesivoimala, jossa vettä voidaan pumpata ala-altaasta yläaltaaseen ja muuttaa energia takaisin sähköksi laskemalla vesi alas vesiturbiinin läpi. Näitä on rakennettukin useisiin maihin, jossa ne on tehty geologisesti sopiviin paikkoihin. Tarvittavat vesialtaat ovat valtavan kokoisia, eikä niitä yksinkertaisesti mahdu riittävästi mihinkään. Ei ole olemassa lähimainkaan riittävästi sellaisia geologisia muodostelmia, joihin pumppuvoimaloita voitaisiin rakentaa. Esimerkiksi Tanskan on täysin mahdotonta rakentaa pumppuvoimaloita, koska maassa ei korkeuseroja juuri ole. Tuulettomat jaksot voivat kestää päiväkausia, joten tarvittava pumppuvoimalakapasiteetti on järjettömän kokoinen.

Wikipediassa on luettelo maailman pumppuvoimaloista. Koko Euroopassa on pumppuvoimaa n. 18000 MW. Tehon lisäksi oleellinen tieto on kapasiteetti, eli kuinka paljon energiaa näihin voidaan varastoida. Se tieto Wikipedian artikkelista puuttuu. Pumppuvoimaloita käytetään tyypillisesti vuorokauden sisäiseen säätöön, eli joidenkin minuuttien, korkeintaan tuntien kulutushuippujen tasaamiseen.

Pohjoismaista korkeuserojen puolesta Norjaan voisi rakentaa paljonkin pumppuvoimaa, mutta mihin? Useimmissa Norjan vesivoimaloissa on yläallas, mutta ei ala-allasta, koska voimalat laskevat jokiin. Suoraan mereen laskevat vesivoimalat voisi muuttaa pumppuvoimaloiksi, mutta silloin jouduttaisiin pumppaamaan yläaltaaseen suolaista merivettä, mikä ei luonnon kannalta ole hyvä asia. Periaatteessa Norja voisi padota joitakin vuonoja ja rakentaa näin muodostuviin altaisiin pumppuvoimaloita. Minkä vuonon Norja olisi valmis uhraamaan?

Tynkkynen mainitsee yhtenä ratkaisuna kysyntäjouston. Sitä ei ole toteutettu vielä missään. Kuinka paljon sitä voidaan tehdä ja kuinka nopeasti, sitä ei tiedetä. Meillä teollisuus kuluttaa joka tapauksessa suuren osan sähköstä, ja rohkenen epäillä teollisuuden halukkuutta ajaa tuotantoaan alas ja ylös tuulisuuden mukaan. Koska tuulettomat jaksot voivat kestää päiväkausia…

Kuva 11. Saksan sähköntuotanto, viikko 11 vuonna 2014.

Kuva 11 esittää sähköntuotannon Saksassa yhden viikon ajalta. Arkipäivät ovat olleen tuulettomia. Oli ratkaisu tuulettomia aikoja varten mikä hyvänsä, sen on kyettävä paikkaamaan tuulen jättämää vajetta pitkiä aikoja. Päiväkausia vähintään.

Yhteenveto

Alussa esitin kysymyksen, kumpi on tavoitteena:

  1. miten maksimoidaan uusiutuvan energian osuus
  2. miten fossiilienergiasta päästään eroon

Tynkkysen kirjoituksesta päätellen hän vastaa kysymykseen 1, jolloin hän on vastauksessaan täysin oikeassa: Meillä on keinot paikata tuulivoiman vaihtelun aiheuttamat tehovajeet ilman, että sähköverkon käytettävyys siitä kärsii. Irlanti on tehnyt juuri näin. Itse olen etsimässä vastausta kysymykseen 2, jolloin Tynkkyset ratkaisut eivät päde.

Vuonna 2015 kirjoitin Antero Vartialle otsikolla:

Vihreiden etu ei ole kenenkään etu

Tähän hän vastasi videolla:

Myös Vartia on oikeassa siinä, että kuluttajan ei tarvitse olla huolissaan uusiutuvien lisääntymisestä, kyllä töpselistä tulee sähköä jatkossakin ja valotkin kyllä palavat.

Kumpikaan, Tynkkynen tai Vartia, eivät ole vastanneet kysymykseen:

Miten me vaihtelevatuottoisen uusiutuvan energian avulla lopetamme fossiilisten polttoaineiden käytön?

Sehän on kuitenkin tavoitteena. Vai onko?

Usein sanotaan, että tuulivoiman rakentaminen on ”askel oikeaan suuntaan”. Päästäänkö tällä tiellä perille? Jos mielimme Kuuhun, lähdemmekö liikkeelle lentokoneella ja toteamme, että se on askel oikeaan suuntaan? Alkumatka menee hyvin, pääsemme kilometri kilometrin perään lähemmäs kuuta, mutta pääsemmekö perille? Joudumme kenties palaamaan takaisin, rakentamaan kuitenkin sen raketin ja lähtemään uudelleen matkaan.

Sähköntuotannossa sen raketin nimi on ydinenergia. Lentokoneillekin on toki käyttöä, ja pääasia että nyt rakennetaan edes niitä, mutta vain niihin luottamalla matkanteko katkeaa ennen kuin kunnolla alkaakaan.

Suomessa sähköntuotanto on kuitenkin hyvällä mallilla ja sähkömme lukeutuu Euroopan puhtaimpiin, ollen selvästi puhtaampaa kuin vaikkapa Tanskassa ja Saksassa.

Mainokset

UUDET ENERGIAT JA TOTUUDENPUHUJAT

Puhtaan energian saaminen massiiviseen käyttöön on lähivuosikymmenten välttämättömin mutta myös vaikein tehtävä. Rinnastamme sen itse vaikeusasteeltaan Manhattan-projektiin, mutta ehkä kymmenen tai sata kertaa suurempana. Lisäksi Manhattan-projektin osallistujilla oli selkeä vihollinen, selkeä motivaatio, ja selkeä konkreettinen päämäärä jota haettiin. Massiivisten resurssien saaminen oli siis mahdollista, jopa helppoa.

Ilmastonmuutoksen torjunnasta puuttuvat kaikki ne edut jotka Manhattan-projektilla oli. Vihollista ei ole; selkeää konkreettista käsin nähtävää päämäärää ei ole; ja ihmisten motivointi uhrauksiin on vaikeaa. Juuri kukaan ei halua laskea elintasoaan, koska juuri kukaan muukaan ei näytä laskevan.

Tilanne voi silti olla edelleen ratkaistavissa, kunhan vain tilannekuva on koko ajan realistinen. Jos sen sijaan alalle alkaa tulla toimijoita, jotka väheksyvät tilanteen vakavuutta, olemme todellisissa vaikeuksissa. Mitä keinoja sitten esitetäänkin, niiden täytyy olla oikeasti toteutettavissa, eivätkä ne saa sisältää täysin järjettömiä oletuksia.

ONGELMA USA:SSA

USA:ssa Stanfordin yliopiston professori Mark Jacobson näyttää osoittautuneen toimijaksi, jonka kirjoitukset sisältävät perusteettomia oletuksia. Jacobson et al. väittivät vuonna 2015 osoittaneensa, että 100% vesi-,  tuuli- ja aurinkovoimaan perustuva energiaratkaisu olisi halvin tapa täyttää USA:n energiantarve. Artikkeli on saanut valtavasti julkisuutta, ja esimerkiksi Bernie Sanders on viitannut siihen politiikassaan.

Valitettavasti vertaisarviointi on hidas mutta vääjäämätön prosessi, ja vasta tänä kesänä  Clack et al. julkaisivat arvion, jonka mukaan Stanfordin ryhmän työ on lähinnä kuumaa ilmaa. Artikkelin abstrakti kannattaa siteerata kokonaan:

Previous analyses have found that the most feasible route to a low-carbon energy future is one that adopts a diverse portfolio of technologies. In contrast, Jacobson et al. (2015) consider whether the future primary energy sources for the United States could be narrowed to almost exclusively wind, solar, and hydroelectric power and suggest that this can be done at “low-cost” in a way that supplies all power with a probability of loss of load “that exceeds electric-utility-industry standards for reliability”. We find that their analysis involves errors, inappropriate methods, and implausible assumptions. Their study does not provide credible evidence for rejecting the conclusions of previous analyses that point to the benefits of considering a broad portfolio of energy system options. A policy prescription that overpromises on the benefits of relying on a narrower portfolio of technologies options could be counterproductive, seriously impeding the move to a cost effective decarbonized energy system.

Artikkelin supplementary materialissa käydään läpi ongelmia tarkemmin. Myös Jacobsonin vastine julkaistiin samassa lehdessä kuin Clackin kritiikki. Väittely käy edelleen kuumana, mutta Jacobsonin uskottavuus on kärsinyt joka tapauksessa pysyvän kolauksen. (Ks. mm. Scientific American, NY Times, Jetson).

Oma näkemyksemme on, että Jacobsonin ryhmä on osittain täysin oikeassa: jos halutaan päästä todella suuriin päästövähennyksiin, on sähköistettävä kaikki mahdollinen. Väärään suuntaan ryhmä menee siinä, että se on luonut itselleen dogmin siitä, että vain tietyt keinot kelpaavat tähän. Katastrofiksi ryhmän toiminta muuttuu sillä, että se ohittaa täysin kaikki todelliset ja merkittävät käytännön ongelmat, jotka sen esittämiin ratkaisuihin liittyvät.

Francois-Xavier Chevallerau on kaikkein parhaiten tiivistänyt, miksi Jacobsonin kaltaiset ylioptimistiset mallinnukset ovat niin vaarallisia.

There is obviously a natural tendency in Western societies, among policy makers and also in civil society, to wish that the transition to renewables can be done, that it can be done quickly, and that it can be done relatively painlessly, i.e. without affecting too much the essence of the social, political and economic setup we are used to, or the balance(s) of power that are ingrained in it. Hence a favorable disposition towards scientists coming up with seemingly robust models showing that a clear and quick pathway towards 100% renewable energy exists, and proposing a roadmap to get there. This is somehow reassuring, and this is actually what a lot of us want to hear and to believe.

Yet, scientific studies that focus solely or mostly on the technical feasibility of a full-scale transition to renewables are probably inherently misleading, as they are based on technical and economic assumptions and models that are likely to be made invalid, obsolete or irrelevant by the set of societal, economic, political and technical changes that the transition process itself will set in motion. These kinds of studies may in fact have the effect of obscuring rather than shedding light on the stakes of the transition, by drowning them into complex models and calculations that few outside very limited scientific circles can really comprehend and appraise.

Mitä hienompi malli, sitä mahdottomampi ulkopuolisen on sitä ymmärtää — ja sitä helpompi siihen on työntää oletuksia, jotka tuottavat täsmälleen niitä tuloksia joita kirjoittaja toivoo saavansa.

Tässä ei siis tarvitse edes olettaa, että tekijät olisivat epärehellisin ajatuksin liikkeellä. Todennäköisesti Jacobson uskoo täysin vilpittömästi omaan asiaansa — mutta tiede ei ole uskon asia.

ONKO ONGELMAA MYÖS SUOMESSA?

Nyt tiedeyhteisön olisi selvitettävä pikaisesti, onko meilläkin vastaavia toimijoita. Työ on syytä aloittaa Lappeenrannasta. Siellä (Lappeenrannan yliopiston ja VTT:n yhteinen) Neo Carbon Energy-ryhmä on ainakin ulkopuolisen silmin esittänyt aivan yhtä villejä tulevaisuusskenaarioita kuin Jacobsonkin, on siteerannut Jacobsonia laajasti, ja sen metodit ovat täysin samanlaisia kuin Jacobsonilla (ks. mm. Heard et al. 2017).  

Alaa tuntemattoman on vaikea tai mahdoton arvioida, onko myös näiden mallien pohja yhtä hutera kuin Jacobsonilla.

Neocarbon-ryhmälle on ollut tyypillistä esittää villejä lukuja joiden todellisia implikaatioita ei mietitä, esittää sisäisesti ristiriitaisen näköisiä väitteitä, ja kuitata kritiikki asenneongelmana.

Ylipäätään Neocarbon-ryhmän viestintä on äärimmäisen hypettävää. Milloin ryhmä aikoo ratkaista maailman nälänhädän tekemällä ruokaa sähköstä ja ilmasta; milloin ryhmä tekee Internet of Energyn joka näyttää miten koko maailma pyörii pian uusiutuvalla energialla; milloin ryhmä todistaa, että vuonna 2050 täysin uusiutuville perustuva energiajärjestelmä on Suomessa edullisin.

Suhtautuminen kritiikkiin on ollut varsin aggressiivista. Varsinkin ryhmän Twitter-tili kunnostautui pitkään kriitikoiden solvaamisessa, mutta on nyttemmin selkeästi rauhoittunut.

Toistaiseksi kritiikkiä ovat esittäneet yksittäiset bloggaajat (Mearns, Martikainen 1, Martikainen 2, Martikainen 3, ks myös juuri ilmestynyt Partanen). Varsinainen tiedeyhteisö on ollut hiljaa. Nyt tarvittaisiin siis tiedeyhteisön aktivoitumista.

KUKA LÄHTEE SELVITTÄMÄÄN?

Ryhmän viimeisimmässä julkaisussa (Child et al. 2017) on kenties kummallisin abstrakti, jota olemme itse missään tieteellisessä artikkelissa nähneet.

In terms of public policy, several mechanisms are available to promote various forms of RE. However, many of these are contested in Finland by actors with vested interests in maintaining the status quo rather than by those without confidence in RE conversion or storage technologies. These vested interests must be overcome before a zero fossil carbon future can begin.

Toisin sanoen: “me olemme oikeassa, mutta muilla on asenneongelmia tai piilotettuja motiiveja”. Tällaiset väitteet ovat aktivismia, eivät tiedettä.

Heitämme nyt suomalaiselle tiedeyhteisölle haasteen. Me maallikot voimme valittaa miten paljon tahdomme, mutta sillä ei ole arvoa. Tarvitaan vertaisarviointia, ja analyysi lienee syytä ulottaa myös tutkimusartikkeleista tehtyihin lehdistötiedotteisiin ja tulosten perusteella julkisuudessa esitettyihin politiikkasuosituksiin. Neocarbon-ryhmän tutkimuksille on tehtävä yhtä perusteellinen läpivalaisu kuin Jacobsonin tutkimuksille. Ryhmä on saanut niin paljon palstatilaa julkisuudessa, että sen tekemisiä ei voi ohittaa olankohautuksella. Jos tehty tiede ei ole asiallisessa suhteessa sen markkinointiin, toisilla tutkijoilla on eettinen velvollisuus tuoda se esille.

Child et al. 2017 saattaisi olla hyvä ja konkreettinen artikkeli arvioitavaksi, tai vaihtoehtoisesti hieman vanhempi mutta enemmän julkisuutta saanut Child and Breyer 2016.  

Kuka tiedeyhteisössä haluaa ottaa tämän tehtäväkseen?

Kirjoittajat: Jakke Mäkelä, Rauli Partanen, Kaj Luukko, Antti van Wonterghem, Heidi Niskanen, Jani-Petri Martikainen,Ville Tulkki, Markus Norrgran .

Kirjoitus julkaistaan samaan aikaan useiden kirjoittajien omissa blogeissa. Osa kirjoittajista on vuonna 2016 osallistunut Teraloop-yrityksen kriittiseen arviointiin.

Edit: Lisätty linkki Partasen uunituoreeseen blogikirjoitukseen.

Kuvalähde: Wikimedia Commons

Greenpeacen tilasto todistaa – ydinvoiman rakentaminen on nopeaa

Viime viikolla katselimme tutkielmaa, joka osoitti Greenpeacen ydinvoima-argumentit huonoiksi. Ehkä vähän yllättäen todisteita tämän havainnon tueksi ei tarvitse hakea kaukaa, koska sellainen löytyi äskettäin järjestön omasta dokumentista.

Yksi hyvin usein käytetty argumentti on, että ydinvoiman rakentaminen on niin hidasta ja kallista, ettei sillä saavuteta riittävän nopeita päästövähennyksiä. Esimerkkejä tämän argumentin käytöstä löytyy runsaasti.

Usein kysyttyä ydinvoimasta

Tuulivoimalan rakentaminen kuitenkin kestää vuoden siinä missä ydinvoimalaa pystytetään lähes vuosikymmenen ajan.

Energiankäytön tehostaminen ja erilaiset uusiutuvat energianlähteet ovat merkittävästi nopeampia ja riskittömämpiä keinoja vähentää päästöjä globaalisti.

Miksi Fortumin uudelle ydinreaktorille ei pidä myöntää lupaa?

Päästövähennyksiä myös tarvitaan heti, ei vasta kymmenen vuoden kuluttua. Ydinvoimalan rakentaminen on kuitenkin hyvin hidasta työtä, joka pitkittyy helposti kuten mm. Olkiluoto 3:n rakennusongelmat osoittavat.

Ydinvoimalle ei tarvitse antaa pikkusormea

Ydinvoiman rakentaminen on niin hidasta ja kallista, ettei sillä voida estää ilmastopäästöjä riittävän paljon ja riittävän nopeasti.

Viisi syytä, miksi Fennovoimalle ei pidä myöntää uutta lupaa

Uusiutuvan energian kapasiteettia on nopeampi rakentaa kuin uutta ydinvoimaa.

En ole koskaan nähnyt väitettä perusteltavan muulla kuin Olkiluoto 3 -projektin epäonnistumisella. Olkiluoto ei kuitenkaan ole kattava otos koko alasta, joten tällainen väite on kirsikanpoimintaa. Muualla maailmassa voimaloita on valmistunut jo yli 20, sellaisia, joiden rakentaminen aloitettiin OL3:n jälkeen. Keskimääräinen rakentamisaika on ollut viisi ja puoli vuotta. Siihen päästään, jos suunnitelmat ovat kunnossa ennen kuin aletaan rakentaa, ja kun projektit ovat hyvin johdettuja. Tekniikka ei aseta rajoituksia. Ennätys lienee Japanin Kashiwazakin–Kariwan yksikkö 6, jonka rakentaminen kesti kolme vuotta ja neljä kuukautta.

Äskettäin Greenpeace julkaisi tällaisen paperin.

Key energy numbers from China’s 2015 Statistical Communique

Pääasiana siinä on tilasto Kiinan CO2-päästöistä, jotka näyttävän kääntyneen laskuun. Hyvä uutinen, mikäli pitää paikkansa. Muut uutiset kyllä tukevat tätä tietoa, joten kuka ties se pitää paikkansa.

Maailman suurin hiiliteollisuus vaikeuksissa: 1,8 miljoonalle työntekijälle potkut

Tuossa samaisessa Greenpeacen paperissa nähdään myös muutokset Kiinan energiantuotannossa vuonna 2015.

Kuva 1. Kiinan päästöttömän sähköntuotannon kasvu 2015. Lähde: Greenpeace.

Kuva 1. Kiinan päästöttömän sähköntuotannon kasvu 2015. Lähde: Greenpeace.

Päästöttömistä eniten on kasvanut vesivoima, 54 TWh. Toiseksi eniten, oho, ydinvoima, 38 TWh. Se on kasvanut enemmän kuin tuuli- ja aurinkosähkö yhteensä. Alussa siteerattujen Greenpeacen kannanottojen perusteella tämän ei pitänyt olla mahdollista.

Katsotaanpa BP:n mainion energiatilaston avulla, miten tähän on tultu. BP:n tilasto päättyy vuoteen 2014, joten otetaan vuoden 2015 luvut Greenpeacen paperista. Katsotaan ensin, mitä ovat eri päästöttömän sähkön osuudet Kiinassa vuonna 2015.

Kuva 2. Kiinan päästötön sähköntuotanto 2015.

Kuva 2. Kiinan päästötön sähköntuotanto 2015.

Vesivoima on täysin eri kymmenluvuilla, 74 %. Tuuli- ja ydinvoima ovat liki tasoissa 11..12 %, ja aurinko vähäisin, 3 %.

Katsotaan seuraavaksi, kuinka paljon eri päästöttömät ovat vuosittain kasvaneet. BP:n tilasto alkaa vuodesta 1965.

Kuva 3. Kiinan päästöttömän sähköntuotannon vuosittainen kasvu.

Kuva 3. Kiinan päästöttömän sähköntuotannon vuosittainen kasvu.

Jälleen vesivoima erottuu selvästi muista, joten jätetään se tarkastelusta pois, ja katsotaan aikaa vuodesta 2000 vuoteen 2015.

Kuva 3. Kiinan päästöttömän sähköntuotannon vuosittainen kasvu ilman vesivoimaa.

Kuva 4. Kiinan päästöttömän sähköntuotannon vuosittainen kasvu ilman vesivoimaa.

Tuulivoima lähtee kunnolla kasvuun vuonna 2006, kasvu jatkuu nopeana vuoteen 2013, jonka jälkeen se on tasoittunut. Ydinvoimaa on rakennettu jo ennen tuulivoimaa, ja sen aikana. Vuonna 2014 kaikki kasvavat suunnilleen yhtä paljon, ja 2015 ydinvoima ylittää kaikki muut. Se saavutti melkein tuulivoiman huippuvuoden 2013. Ydinvoiman lisäys oli 38 TWh, mikä on vähän enemmän kuin tuuli ja aurinko yhteensä.

Kiinassa on rakenteilla 24 ydinvoimalaa. Jos niiden keskimääräinen rakentamisaika on vuotta, teho 1000 MW, kapasiteettikerroin 0,9 ja jos Kiina ylläpitää tätä rakentamistahtia, voidaan vuosittaisen lisäyksen arvioida olevan suunnilleen 34 TWh. Kuten tilastoista nähdään, se ei tarkoita, etteivätkö muutkin päästöttömät voisi jatkaa ja vielä lisätäkin kasvuaan. Kiinassa on niin paljon helposti säädettävää vesivoimaa, joten tuuli- ja aurinkovoiman lisäämien eivät aiheuta mitään säädettävyysongelmia vielä pitkään aikaan. Kaikki päästötön energiantuotanto on pois fossiilisista.

Katsotaan vielä, miten päästöttömien vuosituotannot ovat kehittyneet 90-luvun alusta viime vuoteen.

Kuva 5. Kiinan päästötön kumulatiivinen sähköntuotanto, lman vesivoimaa.

Kuva 5. Kiinan vuosittainen päästötön sähköntuotanto, lman vesivoimaa.

Ydinvoimalla oli pitkä etumatka, mutta tuuli ohitti sen 2011 tai 2012. Nyt ydinvoiman vauhti on kasvanut samalla kun tuulivoiman hidastunut, joten järjestys voi lähivuosina jälleen muuttua. Auringon kasvunopeus ei ole muutamaan viime vuoteen muuttunut, eikä ole lähelläkään muita.

Nyt voi lukea nuo alussa viitatut GP:n väittämät uudelleen ja miettiä, miltä ne näyttävät vallitsevassa todellisuudessa.

Geoterminen lämpö pintaa syvemmältä

St1 lähti muutama vuosi sitten ennakkoluulottomasti tavoittelemaan geotermistä lämpöä Suomen kallioperästä. Se, että  maankuoressa on lämpöä, on tiedetty jo kauan. Periaatteessa sekin on tiedetty, miten sitä voidaan hyödyntää. Ei tarvitse kuin porata reikä riittävän syvälle, niin reikään pumpattu vesi saadaan sieltä lämmenneenä ylös. Mitä syvemmälle mennään, sen kuumempi maankuori on. Maan ydin on jokseenkin yhtä kuuma kuin Auringon pinta. Siellä, missä geotermistä lämpöä jo hyödynnetään, lämpö on selvästi lähempänä pintaa kuin Suomessa. Täällä on mentävät syvälle, todella syvälle.

ST1_a

St1 tavoittelee n. 7 km syvyyttä, jossa lämpötila on reilut sata astetta. Sähköä siitä ei vielä saa aikaiseksi, mutta kaukolämmitykseen se riittää hyvin. Sähkön tuottamiseen tarvittaisiin toiset sata astetta lisää.

Lämpö on osittain peräisin Maan syntyajoista, osittain maankuoressa olevien radioaktiivisten aineiden hajoamisesta. Lauri Muranen luonnehtiikin WEC Finlandin blogissa geotermistä lämpöä osuvasti luomu-ydinvoimaksi. Osa Maan sisäisestä lämmöstä syntyy vuorovesi-ilmiön seurauksena. Auringon ja Kuun painovoimat vääntelevät maankuorta, jolloin se lämpenee. Tämä lämpö on enimmäkseen Maan pyörimisliikkeen kineettistä energiaa, joka muuttuu lämmöksi.

Radioactive decay accounts for half of Earth’s heat

ST1_b

Poraustekniikkaa on käytetty öljyn- ja kaasuntuotannossa jo pitkään, mutta näin syvällä operointi ei ole aivan arkipäivää. St1 Deep Heat -projektin työmaa sijaitsee Otaniemessä Fortumin lämpökeskuksen tontilla. Työmaan aidassa on havainnollisesti selitetty hankkeen pääperiaatteet.

Ensin porataan yksi reikä n. 7 kilometriin, tai missä nyt haluttu lämpötila tulee vastaan. Sen jälkeen kalliota reiän pohjalla säröytetään suuren paineen avulla. Seismisillä antureilla ”kuunnellaan” mihin suuntaan säröt lähtevät avautumaan. Toinen reikä porataan sinne. Poraa voidaan ohjata sivusuunnassa, joten toisen reiän alapää voi sijaita kilometrin päässä ensimmäisestä, vaikka reikien yläpäät ovat samalla tontilla.

ST1_c

Reikien seinämät vuorataan teräksellä yläosastaataan, jotta vesi ei karkaa matkalla. Toisesta reiästä pumpataan vettä sisään ja otetaan se takaisin toista reikää myöten. Matkalla se lämpenee reiluun sataan asteeseen. Tästä kiertovedestä lämpö siirretään lämmönsiirtimellä kaukolämpöveteen. Tehoksi tälle laitokselle on suunniteltu 40 MW. Pumppaus kuluttaa sähkötehoa parisen megawattia.

Kuulostaa helpolta, mutta mahdollisia ongelmia on runsaasti.

  • Taloudellinen kannattavuus. Menestyäkseen minkä tahansa toiminnan tulee olla kannattavaa ja kilpailukykyistä.
  • Saadaanko reiästä suunniteltu määrä tehoa, vai jäädäänkö tavoitteen alle, jolloin palataan kohtaan 1.
  • Pysyvätkö reiät auki, vai tukkeutuvatko ne?
  • Pysyvätkö kallioon avatut säröt auki?
  • Mitä kaikkea veden mukana tulee reiästä ylös? Aiheutuuko putkistoon korroosiota, tai kerrostumia, jotka voivat tukkia laitteet tai itse reiät? Voidaanko vettä käyttää uudelleen, joudutaanko sitä vaihtamaan, mitä jätevesille tehdään?
  • Kuinka suuresta kalliotilavuudesta lämpöä onnistutaan keräämään, eli kuinka nopeasti lämpötila putoaa? Se tiedetään, että lämpöä otetaan kalliosta nopeammin kuin sitä muodostuu ja/tai johtuu ympäröivästä kalliosta tilalle, mutta kuinka kauan lämpötila pysyy riittävän korkeana? Jos se jäähtyy oletettua nopeammin, palataan pian kohtaan 1, ja tarvitaan uusi reikä uuteen paikkaan.
  • Miten maankuori käyttäytyy jäähtyessään? Kaikissa aineissa tapahtuu lämpöliikettä. Jäähtyessään maankuori supistuu. Siitä aiheutuu vetojännitystä, jota graniitti kestää todella huonosti, eli teoriassa jännityksen purkautuessa voi syntyä jonkinlainen maanjäristys.

Tätä lämmöntuotantomenetelmää ei ole onnistuneesti aiemmin käytetty missään. Pariisissa on geotermistä kaukolämpöä käytössä, mutta siellä tilanne on täsmälleen päinvastainen. Huokoisessa maaperässä on kuumaa vettä, joka vain tarvitsee pumpata ylös, ja palauttaa sinne jäähdytettynä takaisin.

Yhdysvalloissa on rakennettu yli 3000 MW geotermistä sähköntuotantoa, yli 80 % siitä Kaliforniassa. Sielläkin maassa on valmiiksi kuumaa vettä, joka ylös noustessaan höyrystyy.

Sveitsissä oli tarkoitus tuottaa sähköä ja kaukolämpöä samalla menetelmällä kuin nyt Espoossa. Reikä oli porattu 4450 metriin, säröjä oltiin avaamassa korkeapaineisella vedellä, kun toiminnan seurauksena laukesi 3,5 magnitudin maanjäristys. Paine reiästä purettiin, mutta pienemmät järistykset jatkuivat alueella vielä seuraavan vuoden ajan. Projekti keskeytettiin. Henkilövahingoilta vältyttiin, mutta järistysten aiheuttamia omaisuusvahinkoja korvattiin kahdeksalla miljoonalla eurolla. Tapahtumasta löytyy runsaasti tietoa.

Deep in Bedrock, Clean Energy and Quake Fears

All seemed to be going well — until Dec. 8, 2006, when the project set off an earthquake, shaking and damaging buildings and terrifying many in a city that, as every schoolchild here learns, had been devastated exactly 650 years before by a quake that sent two steeples of the Münster Cathedral tumbling into the Rhine.

Swiss geothermal power plan abandoned after quakes hit Basel

It was supposed to be an environmentally friendly way of generating electricity. When geologists in Switzerland drilled deep into the ground, they planned to pump water into the shaft and use the steam generated by hot rocks to power 10,000 homes.

But the geothermal power plant had to be abandoned after a series of earthquakes, one registering magnitude 3.4, damaged properties in the city of Basel, a court heard today.

Baselin kaupunki on siirroslinjan päällä. Maankuoren säröytys laukaisi jo olemassa olevia jännityksiä. Suomessa ei tällaisia siirroslinjoja ole, joten riski on ehkä pienempi, mutta viimeistään kallioperän jäähtyminen aiheuttaa jännityksiä, jotka voivat laueta aiheuttaen järistyksiä.

Seismisen aktiivisuuden lisääntymistä on havaittu muuallakin geotermisten reikien yhteydessä, eli kyse lienee enemmänkin säännöstä kuin poikkeuksesta. Tämä artikkeli mainitsee havainnoista Saksassa.

Geothermal plans halted after earthquake

Seismic activity due to Geothermal drilling has been frequently reported elsewhere in the world, as can be see from cracks in the ground that appeared in the German town of Staufen. This seems to be one of the unavoidable disadvantage of obtaining renewable energy from the ground.

Lisää tietoa:
Geothermal power facility induces earthquakes, study finds
How Does Geothermal Drilling Trigger Earthquakes?
Induced seismicity in Base
Google-haku

Kuinka kauan reiästä sitten lämpöä riittää? St1 on tätä varmasti arvioinut. Yritetään nyt hahmottaa asiaa itse. Emme tiedä, miten suuresta graniittitilavuudesta lämpöä onnistutaan tuottamaan. Oletetaan tilavuudeksi yksi kuutiokilometri. Se voi olla suurempi tai pienempi, riippuen siitä, miten paljon säröjä kallioon onnistutaan avaamaan, ja miten ne pysyvät auki.

Granitin tiheys on 2650 kg/m3. Kuutiokilometrin massa on näin ollen 2650 miljoonaa tonnia. Graniitin ominaislämpö on 0,75 kJ/(K·kg). Tästä voidaan laskea, että jäähdytettäessä kuutiokilometriä graniittia 40 megawatin teholla, sen lämpötila laskee 0,6 astetta vuodessa, kuusi astetta kymmenessä vuodessa. Jos lähtölämpötila on sata astetta, 30 vuoden kuluttua jäljellä on 82 stetta. Jos vesikierto onnistuukin saavuttamaan vain puoli kuutiokilometriä kalliota, jäähtyminen on tuplasti nopeampaa.

Geotermisen lämmön sanotaan olevan uusiutuvaa. Kestää kuitenkin aikansa, ennen kuin jäähdytetty graniittikuutio lämpenee uudestaan lähtölämpötilaansa. Se tapahtuu sekä johtumalla, että radioaktiivisen hajoamisen seurauksena.

Graniitissa on keskimäärin 3 miljoonasosaa uraania ja 17 miljoonasosaa toriumia, jotka tuottavat lämpöä hajotessaan. Muutama miljoonasosa kuulostaa pieneltä, mutta graniittiahan on paljon. Kuutiokilometrissä graniittia on 7950 tonnia uraania ja 45050 tonnia toriumia. Uraanin puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta, toriumin 14,05 miljardia vuotta. Hajoamisketjujen energiat ovat: uraani 51,7 MeV, torium 42,6 MeV. Nyt lasketaan ensin näiden aineiden aktiivisuus kuutiokilometrissä graniittia, saadaan: uraani 98 TBq, torium 183 TBq. Näistä saadaan edelleen lämmöntuotoksi: uraani 814 W, torium 1248 W. Yhteensä uraanin ja toriumin lämmöntuotto kuutiokilometrissä graniittia on siis 2 kW. Jos kalliosta otetaan 40 MW, se on 20000 kertaa enemmän kuin sitä uraanin ja toriumin radioaktiivisuuden johdosta muodostuu. Jos laitosta käytetään 30 vuotta, kestää lämmön palautuminen pelkästään uraanin ja toriumin hajoamisen avulla kuusisataatuhatta vuotta, olettaen, että sitä ei tänä aikana poistu mihinkään.

Kaikki laskut lähdeviitteineen löytyvät tästä taulukosta.

Graniitissa on jonkin verran muitakin radioaktiivisia aineita kuin uraani ja torium, mm kaliumia. Lisäksi jäähtyneeseen tilavuuteen siirtyy johtumalla lämpöä ympäristöstä.

Wikipedian mukaan maankuoren lämpövuo alhaalta ylöspäin on mantereiden alueilla keskimäärin 65 mW/m2. Jos tämä teho saadaan graniittikuutiomme lämmittämiseen, ja lämmön ajatellaan siirtyvän kuutioon pohjan kautta, sen lämmitysteho on 65 kW. Mikäli otetaan huomioon myös sivuilta siirtyvä lämpö, ollaan lukemassa 325 kW. Todellisuudessa lämpöä johtuu jäähtyneeseen kohtaan varmasti reilusti enemmän, koska syntyy normaalia selvästi jyrkempi lämpötilagradientti. Hetkellisesti, koska se loivenee sitä mukaa kuin lämpöä siirtyy. Lopulta saavutettaisiin sama gradientti kuin maankuoressa pystysuunnassa normaalisti vallitsee, eli pitkällä aikavalillä jäähdytetty kilometrin graniittikuutio saa uutta lämpöä radioaktiivisen hajoamisen tuloksena 2 kW sekä lämpöä johtumalla alapuolelta 65 kW, noin suunnilleen, tämähän on pelkkä suurrusluokka-arvio. Toimiessaan 40 MW:n teholla laitos jäähdyttää graniittikuutiota 600 kertaa nopeammin kuin siihen lämpöä palautuu. Uusiutuvaa, kyllä, mutta äärimmäisen hitaasti. Geotermisen ”lämpökaivon” palautuminen uudelleen käytettäväksi kestää niin kauan, että käytännöllisesti katsoen sitä voi pitää uusiutumattomana. Kun se ehtyy, pitää porata uudet reiät toiseen paikkaan, kilometrin päähän edellisistä.

Nyt voidaan hahmottaa myös toiminnan aiheuttamaa lämpöliikettä graniitissa. Graniitin lämpöpitenemiskerroin on 8,3 x 10^-6/aste C. Kun kuutiokilometrin graniittikuutiota jäähdytetään 18 astetta (30 vuoden käyttöaika), kuutio supistuu joka suunnassa 15 senttimetriä. Graniitti kestää vetojännitystä hyvin huonosti. Jäähtyminen aiheuttaa vetojännitystä graniittiin. Jos jännitys ylittää vetomurtolujuuden, tapahtuu murtuminen, joka havaitaan maanjäristyksenä.

Mielipiteeni asiasta on, että tätä kannattaa ehdottomasti kokeilla, ja toivoa hankkeen onnistumista. Toimiessaan sillä voi olla paikallista merkitystä, mutta ihmeitä, edes ratkaisua päästöongelmaan siitä ei pidä odottaa.

Fysiikan dosentti Tom Murphy Kalifornian yliopistosta on päätynyt samankaltaiseen johtopäätökseen:

Do the Math: Warm and Fuzzy on Geothermal?

Aurinkosähkö voi lisätä päästöjä

Yritysjohtamisessa yksi keskeinen oppi on se, että sitä saadaan mitä mitataan. Sama pätee yhteiskunnassamme muuallakin. Mittareiden asettaminen on siis hyvin tärkeää. Yksi esimerkki tästä on energia- ja ilmastopolitiikassa jatkuvasti esillä oleva uusiutuvan energian määrän lisääminen. Uusiutuvasta energiasta ja sen lisäämisestä puhutaan oman subjektiivisen arvioni mukaan paljon enemmän kuin päästöjen vähentämisestä, jonka mielestäni pitäisi olla se varsinainen päämäärä. Uusiutuva energia on vain yksi keino, sen ei tulisi olla päämäärä.

Viimeksi toissa päivänä uutisoitiin Suomen uusiutuvan energian saavutuksista, mutta en muista, milloin yhtä näyttävästi olisi uutisoitu Suomen päästöjen vähenemisestä.

Todistaakseni, että uusiutuvan energian määrän ja päästöjen vähenemisen välillä ei ole suoraa yhteyttä, teen havainnollisen tarkastelun käytettävissä olevalla datalla.

Aurinkosähkön tuotanto ei aiheuta välittömiä päästöjä, mutta tarvittavan laitteiston valmistaminen ja asentaminen aiheuttaa. Siksi on tarkasteltava elinkaaripäästöjä. Tämän selvittämiseksi on tehty tutkimuksia, joista NREL on tehnyt yhteenvedon. Tietääkseni IPCC käyttää samansuuntaisia lukuja. Tulokset nähdään tässä.

20160127_PV_Emission

Kuva 1. Aurinkosähkön elinkaaripäästöt NREL:n tutkimuksen mukaan.

Tutkimus antaa aurinkosähkölle elinkaaripäästön mediaaniksi 45 g/kWh piipohjaisilla paneeleilla, ohutkalvopaneeleilla vähän vähemmän, joskin näitä arvioita on ollut käytettävissä selvästi vähemmän. Piipohjaisten paneelien tulos on saatu kymmenistä eri arvioista, jotka on harmonisoitu alla olevan taulukon parametrien mukaisesti.

20160127_PV_Harm_parameters

Kuva 2. NREL:n tutkimuksen harmonisoinnissa käytetyt parametrit.

Jotta tulos soveltuisi käytettäväksi Suomessa, harmonisoinnissa tulisi käyttää selvästi pienempää insolaatiota. On selvää, että kun valoa on vähemmän, aurinkopaneelit eivät ehdi oletetun eliniän aikana tuottaa yhtä paljon. Tutkimuksessa sanotaan:

Of the harmonization parameters investigated, adjusting reported results to a consistent solar irradiation assumption had the greatest impact on reducing the variability in estimated GHG emissions from c-Si PV technologies.

Suomessa insolaatio on keskimäärin 850 kWh/m2/yr, kun tässä harmonisoinnissa käytetty on yli kaksinkertainen. Jos tulokset harmonisoidaan Suomen olosuhteisiin, aurinkosähkön ominaispäästökin vähintään kaksinkertaistuisi. Tutkimuksessa todetaan vielä:

In the LCA literature on PV technologies, the assumed solar irradiation ranged from 900 to 2,200 kWh/m2 /yr.

Näissä kaikissa arvioissa on siis käytetty suurempaa insolaatiota kuin Suomen 850 kWh/m2/yr. Kuvasta nähdään, että tulosten vaihteluvälin yläraja on n. 200 g/kWh/yr. On hyvin mahdollista, että Suomessa aurinkosähkön ominaispäästö onkin lähempänä 200 kuin 45 grammaa. Jos joku tietää tästä tehdyn tutkimuksia, mielellään otan tiedon vastaan. Itse en löytänyt yhtäkään. Sen sijaan löysin muutaman oletuksen väliltä 30..50 grammaa, mitkä selvästikin ovat liian optimistisia. 45 grammaan pääsemiseksi täytyisi vähintään kasvattaa aurinkopaneelien elinikäodotetta 60 vuoteen, mikä lienee mahdotonta.

Suomen sähköntuotannon ominaispäästöt löytyvät tästä Energiateollisuuden tilastosta. Seuraavaan kuvaan on poimittu sähköntuotannon ominaispäästöt viimeisen kolmen vuoden ajalta.

20160127_Suomen_sähkön_ominaispäästö

Kuva 3. Sähkön ominaispäästö Suomessa kuukausittain vuosina 2013..2015.

Kuvasta nähdään, että päästöt ovat olleet laskussa kuluneen kolmen vuoden aikana. Viime vuoden kesä- ja heinäkuussa ominaispäästö oli 44 g/kWh. Toukokuusta elokuuhun ominaispäästö oli keskimäärin 58,75 g/kWh.

Energiateollisuuden päästötilastossa on mukana ”kasvihuonekaasuvelvoitteeseen kuuluvien polttoaineiden (fossiiliset miinus puu ja muu bio) aiheuttamat päästöt.” Jotta vertailu olisi täysin totuudenmukainen, pitäisi ottaa huomioon käytössä olevan tuotannon elinkaaripäästöt. Sellaista tilastoa ei taida olla olemassa? Se tuotanto on kuitenkin jo rakennettu ja suurin osa sen elinkaaripäästöistä on jo toteutunut. Jos rakennetaan lisää aurinkosähköä, sen elinkaaripäästöt toteutuvat rakennusvaiheessa ja saavutettava päästövähenemä toteutuu vasta oletetun eliniän aikana, joka on NREL:n harmonisoinnissa 30 vuotta.

Koska Suomessa suurin osa aurinkosähköstä saadaan niiden neljän kuukauden aikana, jolloin sähkön ominaispäästö on alle 60 g/kWh, ja aurinkosähkön elinkaaripäästö todennäköisesti selvästi enemmän kuin tässä viitatun tutkimuksen ilmoittama 45 g/kWh, voidaan perustellusti sanoa, että aurinkosähkön lisääminen Suomessa ei oleellisesti vähennä päästöjä. Epävarmuudet huomioon ottaen aurinkosähkön ominaispäästö voi Suomessa olla selvästi yli 60 g/kWh. Näin ollen on mahdollista, että aurinkosähkön lisääminen myös lisää päästöjä.

Luonnollisesti paneelien valmistustekniikan kehittyminen muuttaa tilannetta aurinkosähkölle edullisempaan suuntaan.

Tämän yksinkertaisen ja nopeasti tehdyn tarkastelun tulos on joka tapauksessa sellainen, että me emme voi vetää yhtäsuuruusmerkkiä uusiutuvan energian lisäämisen ja päästöjen vähenemisen välille. Aurinkosähkön tapauksessa asiaa tulisi ehdottomasti tutkia perusteellisemmin, jotta tiedetään varmasti mitä ollaan tekemässä, ja mahdollisilta virheinvestoinneilta vältytään. Aurinkosähkön tehonvaihtelun luonteesta johtuen tarvitaan tuntitasolle menevä systeemitason tarkastelu, sekä Suomen oloihin harmonisoitu selvitys aurinkopaneelien elinkaaripäästöistä.

Aurinkolämpö on Suomen oloissa todennäköisesti päästövähennyksessä huomattavasti kustannustehokkaampi vaihtoehto.

Sähkönkulutuksen uusi ennätys 15 238 MW

15000 MW:n raja Suomen sähkönkulutuksessa meni rikki eilen iltapäivällä vähän klo 16 jälkeen. Tehopulaa ei ole, koska oma tuotanto ja tuonti toimivat. Kulutus oli jo hiukan pudonnut tämän kuvan aikaan klo 17:42, mutta oli edelleen yli 15000 MW.

Voimajärjestelmän tila

Kuva 1. Voimajärjestelmän tila 7.1.2014 klo 17:42

Tuotannon rakennetta voidaan havainnollistaa kaaviolla.

Suomen sähköntuotannon rakenne 7.1.2015 klo 17:42

Kuva 2. Suomen sähköntuotannon rakenne 7.1.2015 klo 17:42

Tässä on tarkasteltu vain sähkön kulutusta. Luonnollisesti lämmön kulutus on myös nyt huipussaan, ja vain osa siitä tuotetaan sähköllä. Lämmön kulutuksesta ei vastaavia teholukemia ole saatavissa.

Tuulivoiman keskiteho on viimeisen kahden vuorokauden (6.1. – 7.1.2016) aikana ollut n. 12 % asennetusta tuhannen megawatin tehosta. Pienimmillään tuuliteho kävi 6.1.2015 klo 15 ollen silloin 65 MW. Fingridin tuulivoimatilasto ei tätä kirjoitettaessa toimi, mutta tiedot löytyvät täältä.

Suvilahden aurinkovoimalan keskiteho on tammikuun alun parhaana päivä ollut 0,8 kW. Eilen se oli 0,25 kW.

Suvilahden tuotanto vuoden ensimmäisella viikolla.

Kuva 3. Suvilahden tuotanto vuoden ensimmäisella viikolla.

Lämpimämmän talven aikana tilanne on vähän helpompi, mutta uusiutuvien, tuulen ja auringon osalta, oleellista eroa ei ole, ja kulutuskin ylittää säännönmukaisesti ainakin 13000 MW. Vaikka tuuli tuottaa keskimäärin (=MWh) talvella enemmän kuin kesällä, järjestelmä on mitoitettava huippukulutuksen tehon (=MW) mukaan.

Aika monet tahot ovat sitä mieltä, että nyt ja tulevaisuudessa pitää rakentaa ainoastaan uusiutuvaa energiaa. Kysyisinkin nyt, miten tämän kaltaiset tilanteet pitäisi hoitaa, mikäli käytössä olisi vain uusiutuvaa energiaa? Vastaukseksi ei kelpaa tuonnin lisääminen, koska pitää voida olettaa, että myös muualla rakennetaan tästä lähtien vain uusiutuvaa energiaa.

Haluaisiko esimerkiksi Antero Vartia vastata?

Keskuspuisto lämmittäisi Helsingin kolme viikkoa

Helsinki haluaa eroon fossiilienergiasta. Yli 90% Helsingin rakennuksista lämpiää kaukolämmöllä, jota vuonna 2014 käytettiin 6900 GWh. Siitä 91% tuotettiin yhteistuotannolla kaupungin omissa voimalaitoksissa kivihiilellä ja maakaasulla. Jos tämä fossiilikaukolämpö korvattaisiin puuta polttamalla, kuinka paljon puuta tarvittaisiin?

Kuva 1. Helsingin keskuspuisto, metsää xx km2.

Kuva 1. Helsingin keskuspuisto, metsää 700 hehtaaria.

Aloitetaan selvittämällä, kuinka monta kuutiometriä puuta on yhdellä hehtaarilla täysi-ikästä metsää. Tästä ei löytynyt oikein hyviä lähteitä.

Tässä Metlan paperissa sanotaan:

Metsämaalla kasvavan puuston keskitilavuus on nykyisin 113 kuutiometriin hehtaarilla, kun se vielä 1970-luvun alkupuolella jäi 75 kuutiometriin.

Useissa nettikeskusteluista mainitaan tätä selvästi korkeampi arvoja, tosin aina ei selviä, tarkoitetaanko kiinto-, pino- vai mitä kuutiometrejä.

Tästä paperista löytyy taulukko, josta voidaan silmämääräisesti päätellä käypäiseksi keskiarvoksi 250 kuutiota hehtaarille. Käytetään sitä.

Yhdessä kuutiossa puuta on 2 MWh energiaa. Hehtaari metsää sisältää siten 500 MWh energiaa.

Helsingin kaukolämmön vuosikulutuksesta voidaan laskea, että kaukolämmityksen yhteistuotantolämmön keskiteho on 700 MW. Näin ollen hehtaari metsää palaisi neljässäkymmenessä minuutissa.

Helsingin keskuspuiston metsäpinta-ala on 700 hehtaaria. Energiaa siinä on 350.000 megawattituntia. Se riittäisi Helsingin lämmittämiseen 500 tunniksi, 21 vuorokaudeksi, eli kolmeksi viikoksi – keskimäärin. Talvipakkasilla ehkä viikoksi.

Samalla laskentatavalla koko vuoden lämmitystarpeeseen tarvittaisiin metsä, jonka pinta-ala on 125 neliökilometriä. Se on 60% Helsingin maapinta-alasta.

Kuva 2. 125 neliökilometriä.

Kuva 2. 125 neliökilometriä.

Jos metsän kasvu täyteen mittaansa kestää 80 vuotta, pinta-alaa tarvittaisiin yhteensä 10.000 neliökilometriä, jotta tarvittavan sadon voi kerätä joka vuosi. Tämän kokoisen neliön muotoisen metsän sivun pituus on sata kilometriä. Tietenkin metsämaalta voi saada paremman sadon harvennushakkuilla, valikoiduilla puulajeilla ja kasvatusmenetelmillä, mutta tämän artikkelin tarkoitus on hahmottaa mittasuhteita, ei hakea absoluuttista tarkkuutta.

Kuva 3. Kaksi sinkkiämpäriä.

Kuva 3. Kaksi sinkkiämpäriä.

Metsän polttamisen sijasta Helsinki voidaan lämmittää polttamalla uraania. Jos tuotetaan pelkkää lämpöä hyötöreaktorilla, uraania kuluu 300 kilogrammaa vuodessa. Määrä mahtuu kuvan 3. kahteen ämpäriin.

Tässä vähän mittakaavaa Helsingin ilmastotalkoisiin.