Energiantuotanto ja kestävä kehitys

Tarvitsemme energiaa kaikkeen mitä teemme liikkumisesta ja lämmityksestä kulutustavaroiden valmistukseen ja katujen valaisuun. Niin ”energiankäyttö” kuin ”energiantuotantokin” ovat siinä mielessä harhaanjohtavia termejä, että energian säilymislain mukaisesti energiaa ei synny eikä häviä näissä prosesseissa. Oleellista on miten energiaa saadaan paikasta toiseen ja muodosta toiseen.

Käymme seuraavassa läpi tärkeimpiä käytössä olevia energiantuotantotapoja sekä joitain tulevaisuuden mahdollisuuksia. Jokaisella tuotantotavalla on omat hyvät ja huonot puolensa ja näiden punnitseminen on tärkeä osa nykypolitiikkaa ja tulee vaikuttamaan merkittävästi ihmiskunnan tulevaisuuteen. Etenkin ilmastonmuutos ja luonnon monimuotoisuuden väheneminen ovat tämän vuosisadan merkittävimpiä näkyvissä olevia ihmisten hyvinvointiin kohdistuvia uhkia ja energiantuotannon uudistaminen on keskeisessä osassa niiden torjumisessa.

Lähes kaikki (ulkoisesti) käyttämämme energia on joko lämpöenergiaa tai sähköverkon energiaa. 1800-luvun aikana tapahtunut sähkön löytymisestä seurannut vallankumous on mahdollistanut lukemattoman määrän teknisiä sovelluksia ja tuonut uusia tapoja kuljettaa energiaa loppukäyttäjälle. Tutustumme sähköön ja sähköverkkoihin tarkemmin sähköopin kurssilla ja sähköenergian tuotannossa tarvittavaan sähkömagneettiseen induktioon sähkömagnetismin kurssilla.

Lämmön tuottaminen on usein yksinkertaisempaa kuin sähköenergian tuotanto. Asunnon lämmittäminen onnistuu esimerkiksi puuta tai fossiilisia polttoaineita polttamalla, jolloin niiden kemiallista energiaa muuttuu lämmöksi. Modernimmatkaan lämmitysmenetelmät eivät ole juuri mutkikkaampia: mitä syvemmälle Maan kuoreen mennään, sitä korkeammaksi lämpötila nousee, joten asuntoa voi lämmittää myös esimerkiksi poraamalla riittävän syvän kaivon ja ohjaamalla veden kiertämään kaivon ja asunnon välillä.

Sähköenergiaa on helppo muuttaa lämpöenergiaksi esimerkiksi sähkövastusten avulla. Lämpöenergian muuttaminen sähköksi on hieman mutkikkaampaa ja monet sähköntuotannon tekniset ratkaisut ovatkin käytännössä vastauksia tähän ongelmaan.

Polttoaineita polttamalla muutetaan niiden kemiallista energiaa lämpöenergiaksi, jota voidaan suoraan käyttää esimerkiksi asuntojen lämmitykseen. Suomessa lämmönsiirtoon esimerkiksi hiilivoimaloista kotitalouksiin käytetään kaukolämpöverkkoa. Fossiilisten polttoaineiden lisäksi voidaan (ainakin periaatteessa) käyttää esimerkiksi ydinvoimaloissa käytettävää uraania.

Sähköenergian tuottamiseen käytetään sähkögeneraattoria, joka muuntaa pyörimisenergiaa sähköverkon energiaksi sähkömagneettisen induktion avulla (tähän palataan myöhemmällä kurssilla). Generaattoria täytyy siis pyörittää sähkön tuottamiseksi. Yksinkertaisimmillaan tämä onnistuu tuulivoimaloissa, joissa tuulen liike-energia muutetaan pyörimisenergiaksi voimalan siipien avulla

Vesivoimaloiden toimintaperiaate muistuttaa tuulivoimaloita. Korkealta putoavan veden potentiaalienergiaa muuttuu veden liikeenergiaksi, joka muutetaan edelleen pyörimisenergiaksi generaattoria varten. Vesi voisi periaatteessa pyörittää tuulimyllyn lapoja, mutta se olisi tehotonta, joten tähän tarkoitukseen käytetään turbiinia. Turbiini pyörii nesteen tai kaasun liike-energialla ja kytkettynä generaattoriin muuttaa niitä sähköenergiaksi.

Koska turbiinia voi pyörittää myös esimerkiksi vesihöyryllä, on tarjolla myös yksinkertainen tapa tuottaa sähköenergiaa polttoaineiden kemiallisesta energiasta. Höyrystämällä vettä polttoaineita polttamalla voidaan korkeapaineista höyryä käyttää turbiinin pyörittämiseen. Esimerkiksi hiilivoimalat ja ydinvoimalat toimivatkin juuri tällaisella periaatteella.

Energianlähteet jaetaan uusiutuviin ja uusiutumattomiin sen mukaan, muodostuuko niitä merkittävästi lisää ihmiselle relevantissa ajassa. Esimerkiksi aurinkoenergian ja vesivoiman lähteet uusiutuvat jatkuvasti, kun taas esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden uusiutumisajat vaihtelevat turpeen noin 10000 vuodesta kivihiilen satoihin miljooniin vuosiin.

Jako uusiutuviin ja uusiutumattomiin energialähteisiin ottaa lähtökohtaisesti kantaa vain energianlähteen riittävyyteen - uusiutumattomat energialähteet loppuvat väistämättä jossakin vaiheessa. Energiatuotantotapoja vertailtaessa olisikin usein hyödyllisempää tarkastella niiden pidempiaikaisia vaikutuksia ihmiselle ja ympäristölle kestävän kehityksen näkökulmasta, eli miten nykyisille ja tuleville sukupolville saadaan parhaiten taattua hyvät elämisen mahdollisuudet.

Energian tuotantotavat voidaan jakaa useilla erilaisilla tavoilla. Tässä jaottelemme ne sen mukaan saadaanko sähköenergiaa jotakin polttoainetta polttamalla vai ilman polttoainetta. Jos polttoainetta ei tarvita, on prosessi hieman yksinkertaisempi, joten käsitellään polttoaineettomat tuotantotavat ensin. Jako on lähes sama kuin jako uusiutuviin ja uusiutumattomiin tuotantomuotoihin, ainoana poikkeuksena uusiutuvat biopolttoaineet ovat nyt jälkimmäisessä osiossa.

Tuulivoima on yksi edullisimmista tavoista tuottaa energiaa, eikä siitä synny juurikaan kasvihuonepäästöjä. Tuulivoiman vastustus keskittyy esteettisiin haittoihin, sekä koettuun meluhaittaan. Haitallisia terveysvaikutuksia tuulivoimalla ei ole osoitettu olevan laajoista tutkimuksista huolimatta.

Tuulivoimaloiden teoreettinen maksimihyötysuhde on noin 59% voimalaan osuvan tuulen liike-energiasta, käytännössä päästään tavallisesti noin 30 − 40% lukemiin. Ehtymättömänä luonnonvarana hyötysuhteella ei kuitenkaan ole samanlaista merkitystä kuin polttoaineiden poltosta saatavalla hyötysuhteella

Vesivoima on lähes päästötön uusiutuvan energian muoto, mutta siihenkin liittyy omat ongelmansa. Ensinnäkin voimalaitoskäyttöön soveltuvia jokia on rajallinen määrä, joten vesivoiman järkevä lisärakentaminen hankaloituu jatkuvasti. Toiseksi vesivoimalat muovaavat luonnonjokia ja estävät esimerkiksi vaelluskalojen pääsyn kutupaikoille. Osa vähemmän energiaa tuottavista vesivoimalakäytössä olleista joista onkin ennallistettu takaisin kalojen käyttöön. Vesivoima on tällä hetkellä ylivoimaisesti suurin uusiutuva energialähde maailmassa noin 13% osuudellaan kaikesta sähköntuotannosta, joskin tämä osuus on ollut jo pidempään laskusuunnassa.

Toinen vielä kehitteillä oleva tapa käyttää veden liike-energiaa sähköntuotannossa on aaltovoima. Aaltovoimaloissa aaltojen jaksollista liikettä muutetaan generaattorin avulla sähköenergiaksi. Esimerkiksi Euroopan ja Pohjois-Amerikan rannikoille saapuvissa aalloissa arvioidaan olevan riittävästi energiaa lähes koko maanosan sähköntarpeen kattamiseen, mutta toistaiseksi toteutetut projektit eivät ole onnistuneet tyydyttävällä tavalla. Aaltovoimaloiden mahdollisista haittavaikutuksista esimerkiksi merieliöille tiedetään vasta vähän, joskin vedenalaisen melun arvellaan häiritsevän useita lajeja.

Auringon säteilemää lämpöenergiaa otetaan talteen aurinkokeräimillä (ne eivät siis tuota sähköä). Aurinkokeräimissä järjestelmässä kiertävä neste lämpenee keräimessä ja lämmittää esimerkiksi lämminvesivaraajaa, josta saadaan lämmintä käyttövettä tai sitä voidaan käyttää asunnon lämmitykseen.

Auringon lämpösäteilyyn perustuvat myös aurinkolämpövoimalat, joissa Auringon valo keskitetään peilijärjestelmällä siten, että lämpötila nousee riittävästi veden höyrystämiseen. Höyryllä voidaan pyörittää turbiinia, joka on kytketty generaattoriin ja sähköverkkoon.

Muita tuotantomuotoja korkeamman hinnan lisäksi aurinkoenergialla on vain vähän huonoja puolia. Ainoaksi energialähteeksi se soveltuu huonosti, sillä se on luonnollisesti sääriippuvainen. Jonkin verran aurinkoisina päivinä kerättyä sähköä voidaan varastoida ladattaviin akkuihin, mutta parhaiten aurinkoenergia toimii täydennettynä muilla tuotantomuodoilla energiansaannin tasaamiseksi.

Tuotantolaitoksia on eri kokoisia yhden omakotitalon lämmitykseen suunnitelluista pienlaitoksista aina massiivisiin kymmeniä tuhansia kotitalouksia lämmittäviin laitoksiin. Sijainnistaan johtuen Islanti on geotermisen lämmön tuotannon kannalta otollisella alueella ja tuottaakin sillä lähes 90% tarvitsemastaan lämpöenergiasta. Sähköntuotannostakin geotermisellä energialla on Islannissa noin 26% osuus ja kun käytännössä kaikki muu energiantarve katetaan vesivoimalla, ei Islannin energiantuotannossa käytetä käytännössä lainkaan fossiilisia polttoaineita.

Polttoaineiden kemiallista energia muutetaan aina ensin lämpöenergiaksi. Kun halutaan tuottaa sähköenergiaa, muutetaan lämpöenergia edelleen turbiinin ja generaattorin avulla sähköverkon energiaksi. Laskemme tässä myös esimerkiksi ydinvoimalaitosten käyttämän uraanin polttoaineeksi, vaikka ydinvoimaloissa ei tapahdukaan palamista, kuten alla näemme.

Mitä tahansa polttoainetta polttamalla voidaan kasvattaa sopivassa astiassa olevan veden sisäenergiaa ja höyrystää vettä. Korkeapaineinen höyry johdetaan pyörittämään turbiinia, joka pyörittää generaattoria.

Lauhdevoimalaitoksissa työnsä tehnyt vesihöyry viilennetään lauhduttimessa, mutta ylijäänyttä lämpöä ei oteta talteen ja ohjata kaukolämpöverkkoon. Vastapainevoimalaitoksissa myös turbiinia pyörittäneen höyryn energia otetaan talteen, jolloin voimalaitoksen hyötysuhde paranee merkittävästi. Ydinvoimalat ovat tyypillisesti lauhdevoimaloita ja niiden hyötysuhde on parhaimmillaankin noin 40%, kun taas vastapainevoimalaitosten lämmön ja sähkön yhteistuotannossa päästään jopa 90% hyötysuhteeseen.

Fossiilisia polttoaineet koostuvat orgaanisista yhdisteistä, jotka ovat hyviä polttoaineita: niitä on helppo kuljettaa, niillä on hyvä lämpöarvo ja niitä on ollut historian saatossa suhteellisen edullista louhia. Niitä poltettaessa syntyy kuitenkin kasvihuonekaasuja (erityisesti hiilidioksidia), jotka vastaavat suurinta osaa ilmastonmuutosta aiheuttavista päästöistä. Tämän vuoksi niille etsitään nyt aktiivisesti korvaajia, mutta vielä vuonna 2019 fossiilisten polttoaineiden arvioitiin vastaavan noin 84,3 % globaalista energiankulutuksesta.

Kivihiili on ollut energiakäytössä jo pronssikaudella ja on ollut mahdollistamassa teollistuvaa yhteiskuntaa aina 1700-luvulta lähtien. Merkittävä osa esimerkiksi Helsingin kaukolämmöstä perustuu edelleen kivihiilen polttoon, joten pikaiset uudistukset ovat tarpeen, sillä kivihiilen käyttö energiantuotannossa kielletään Suomessa 1.5.2029 alkaen.

Raakaöljystä jalostetaan eri käyttökohteisiin sopivia polttoaineita kuten bensiiniä sekä erilaisia muovien raaka-aineita. Raakaöljyn merkitys kasvoi voimakkaasti 1900-luvulla polttomoottorilla toimivien autojen yleistyessä. Vaikka esimerkiksi muovit tarvitsevat nekin raakaöljyä, voidaan sanoa, että öljyn kysyntä on seurannut autojen jatkuvasti kasvavaa määrää.

Kasvihuonepäästöjen lisäksi öljyn tuotantoon on aina liittynyt myös geopoliittisia ongelmia. Suurin osa fossiilisista polttoaineista on aina käytetty länsimaissa, kun taas suuri osa maailman raakaöljyvarannoista sijaitsevat maissa, joiden hallinnot ovat viimeisen sadan vuoden aikana olleet epävakaita tai länsimaille vihamielisiä. Öljyn tuonnille ei ole kuitenkaan löydetty vaihtoehtoa ja monimutkaisen tilanteen seurauksena on vuosien varrella syntynyt sekä eriasteisia öljykriisejä että useita öljyntuottajamaissa syntyneitä aseellisia konflikteja.

Myös jätteenpoltto vähentää fossiilisten polttoaineiden tarvetta. (Tosin silloinkin täytyy pitää mielessä, että poltettavien jätteiden alkuperäinen tuotanto on aiheuttanut vieläkin enemmän päästöjä.) Palavista jätteistä saadaan suoraan lämpöenergiaa, kun taas biojätteen talteenotto mahdollistaa siitä syntyvän metaanin polton. Metaani on hiilidioksidia huomattavasti voimakkaampi kasvihuonekaasu, joten sen talteenotosta saatava hyöty on ilmaston kannalta moninkertainen.

Biomassasta on myös mahdollista jalostaa muita polttoaineita, kuten bensiiniä ja dieseliä. Euroopan unioni on linjannut, että liikenteen polttoaineista vähintään 12 % tulisi olla biopohjaisia vuoteen 2030 mennessä. Tämäkään ei ole ongelmatonta, sillä soveltuvien raakaaineiden, erityisesti palmuöljyn, kysyntä on aiheuttanut valtavia sademetsähakkuita esimerkiksi Indonesiassa. Metsän kaataminen palmuöljyplantaasien tieltä on käytännössä poistanut biopolttoaineista saatavan päästöhyödyn. Biopolttoaineiden kohdalla korostuukin tarve ajatella energiantuotantomuotojen koko elinkaarta, ei ainoastaan sen viimeisiä vaiheita.

Ydinvoima perustuu atomiytimissä vaikuttavan vahvan vuorovaikutuksen hyödyntämiseen. Vahva ydinvoima sitoo ytimen protonit ja neutronit toisiinsa, ja tätä sidosenergiaa vapautuu, kun ytimet muuttuvat toisiksi ytimiksi (samaan tapaan kuin kemiallista energiaa vapautuu aineiden muuttuessa toisiksi aineiksi palamisessa). Palaamme fuusioon ja fission sekä niissä vapautuvaan energiaan FY7-kurssilla.

Ydinvoima tarjoaa lähes päästöttömän tavan tuotaa sähköenergiaa suhteellisen edullisesti. Fissiovoimaan liittyvät riskit ovat kuitenkin vähentäneet ydinvoiman suhteellista osuutta maailman sähköntuotannosta viimeisen 30 vuoden aikana. Viime aikoina ydinvoimaintoa on vähentänyt myös tuuli- ja aurinkovoiman halventuminen, tuulivoimaa tuotetaan nykyään paikoin jopa edullisemmin kuin ydinvoimaa.

Jo pitkään kehitteillä ollut fuusiovoima käytännössä ratkaisisi ydinvoimaloihin liittyvät haasteet ja mahdollistaisi lähes päästöttömän energiantuotannon pitkälle tulevaisuuteen. Maanpäällinen fuusiovoimala jäljittelee Auringossa tapahtuvia reaktioita, jotka vaativat erittäin korkean lämpötilan ja paineen. Näiden olosuhteiden ylläpitäminen riittävän pitkän ajan on vielä toistaiseksi kaupallisesti järkevien fuusiovoimaloiden esteenä, mutta tulevaisuudessa fuusiovoima on todennäköisesti osa kestävää energiantuotantoa.