Kasvihuoneilmiö ja ilmastonmuutos

Ilmaston lämpeneminen on yksi suurimmista ihmiskunnan hyvinvointia uhkaavista ilmiöistä. Jo muutaman asteen muutos lämpötilassa tulee aiheuttamaan äärimmäisten sääilmiöiden lisääntymistä ja voimistamaan eläin- ja kasvilajien sukupuuttoaaltoa. Esimerkiksi kuivuuden lisääntyminen haittaa ruokasatoja ja saattaa aiheuttaa hallitsematonta muuttoliikettä.

Käynnissä oleva ilmastonmuutos on pääosin seurausta ihmisen aiheuttamista kasvihuonekaasupäästöistä, joiden nimi juontuu kasvihuoneilmiöstä. Vaikka todellisuudessa ilmiö on monimutkainen, on sen perusperiaate ymmärrettävissä yksinkertaisen mallin avulla.

Auringosta Maan pinnalle saapuu säteilyä kaikilla valon aallonpituuksilla. Osa säteilystä heijastuu suoraan takaisin avaruuteen ja osa absorboituu Maan pintakerroksiin ja lämmittää niitä ja ympäröivää ilmaa. Mitä lämpimämpi Maan pinnasta tulee, sitä enemmän se säteilee lämpösäteilyä takaisin avaruuteen. Tietyssä lämpötilassa Auringosta tulevaa ja Maasta poispäin säteilevää energiaa on yhtä paljon ja saavutetaan termodynaaminen tasapaino, jossa lämpötila pysyy vakiona.

Kasvihuoneen seinät päästävät Auringosta tulevan korkeaenergisen säteilyn paremmin lävitseen kuin Maasta hehkuvan lämpösäteilyn. Jos siis Maa suljettaisiin kasvihuoneeseen, heijastuisi osa lämpösäteilystä takaisin Maahan. Tasapaino löytyisi uudelleen, mutta nyt aiempaa korkeammasta lämpötilasta.

Kasvihuonekaasujen vaikutus on samanlainen. Ne absorboivat Maan säteilemää lämpösäteilyä ja lähettävät siitä osan takaisin Maan pinnalle. Tämä siirtää termodynaamista tasapainoa lämpimämpään suuntaan. Absoirbointikyky on erilainen eri molekyyleille ja sen vaikutus ilmaston lämpenemiseen riippuu myös siitä millä korkeudella kaasut ovat ilmakehässä. Kasvihuonekaasuja on aina ollut ilmakehässä ja maapallon lämpötilaksi kokonaan ilman niitä on arviotu −18º C, kun se nyt on noin +14º C - kasvihuonekaasuista on siis myös hyötyä! Ongelmallista on niiden nopea lisääntyminen, joka nostaa lämpötilaa sellaisella vauhdilla, ettei luonto ehdi sopeutumaan muutokseen.

Ilmaston kannalta merkittävimmät kasvihuonekaasut ovat:

• Vesihöyry (H2O)

• Hiilidioksidi (CO2)

• Metaani (CH4)

• Dityppioksidi (N2O)

• Otsoni (O3)

• CFC-yhdisteet, eli freonit

• HFC-yhdisteet, eli fluorihiilivedyt

Näiden kaikkien rakenne on sellainen, että Maasta tuleva lämpösäteily saa ne värähtelemään. Mitä enemmän molekyyli vuorovaikuttaa lämpösäteilyn kanssa, sitä voimakkaammin se kiihdyttää ilmaston lämpenemistä. Esimerkiksi ilmakehään päästetty metaani on 20 vuoden aikajänteellä lähes sata kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu.

Energiantuotanto Suomessa ja maailmalla

Maailmanlaajuisesti energiankulutus on ollut lähes yhtäjaksoisessa kasvussa niin kauan kuin sitä on tilastoitu. Kun vuonna 1990 kokonaisenergiankulutuksen arvioidaan olleen noin 102 PWh, oli se vuonna 2017 jo noin 162 PWh. Samassa ajassa sähkönkulutus kasvoi vieläkin jyrkemmin 10 PWh → 22 PWh. Suurten energiamäärien yksikkönä käytetään useimmiten wattituntia (Wh), joka voidaan tarvittaessa aina muuttaa jouleiksi:

1 Wh = 3600 J

Vuonna 2019 kokonaisenergiasta noin 84,3 % tuotettiin fossiilisilla polttoaineilla, 11,4 % uusiutuvilla energiamuodoilla ja noin 4,3 % ydinvoimalla. Alueelliset erot sekä tuotantotavoissa että energian kokonaistarpeessa ovat huomattavia. Viime vuosien suurin muutos on Kiinan siirtyminen ylivoimaiseen tilastokärkeen sekä sähkönkulutuksessa että kokonaisenergian kulutuksessa

Maailman sähköntuotannossa tilanne oli vuonna 2019 hieman valoisampi, sillä vain noin 54% kaikesta sähköstä tuotettiin fossiilisilla polttoaineilla ja noin 28% uusiutuvilla. Uusiutuvien osuus on lisäksi tasaisessa kasvussa.

Tilastotiedot vaihtelevat hieman lähteestä riippuen. Tärkeintä on hahmottaa lukujen suuruusluokat sekä aiempi ja tuleva kehityssuunta.

Tekstissä on käytetty lähteinä öljyyhtiö BP:n energiakatsausta, johon voit tutustua osoitteessa:

www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html

sekä kansainvälisen energijärjestö IEA:n tilastoja:

www.iea.org/reports/electricity-information-overview

Katso animaatio energiankulutuksen kehityksestä alueittain:

ourworldindata.org/grapher/energy-use-per-capita

Uusiutuvien energialähteiden osuus on kasvussa erityisesti sähköntuotannossa.

Suomessa tilanne on muun maailman keskiarvoa parempi ensisijaisesti puupolttoaineiden hyvän saatavuuden ja runsaan vesivoiman käytön ansiosta. Tilastokeskuksen mukaan vuonna 2018 Suomen sähkönkulutus oli noin 67,5 TWh, josta 46 % tuotettiin uusiutuvilla energianlähteillä ja vain 21 % fossiilisilla polttoaineilla (mukaanlukien turve). Ydinvoiman osuus 33 % on selvästi muun maailman keskiarvoa suurempi. Lämmöntuotannossa tilanne on vielä hieman parempi, sillä uusiutuvilla energialähteillä katetaan jo yli puolet Suomen lämmöntarpeesta.

Huomionarvoista on, että Suomen käyttämästä sähköstä peräti 23% on nettotuontia muista pohjoismaista, Venäjältä ja Virosta.

Energian käyttö sektoreittain

Kolme suurinta energiankäyttösektoria ovat teollisuus, liikenne ja rakennusten lämmitys. Näiden osuudet vaihtelevat maittain esimerkiksi ilmaston vuoksi, mutta myös siksi, että paljon energiaa käyttävää teollisuutta on joissakin maissa muita maita enemmän.

Luvut ovat Tilastokeskuksen tuottamia. Paljon lisädataa kiinnostuneille on tarjolla osoitteessa:

https://pxhopea2.stat.fi/sahkoiset_julkaisut/energia2019/html/suom0000.htm

Suomessa rakennusten lämmityksen osuus energiankäytöstä on keskimääräistä suurempi ja liikenteen sekä teollisuuden prosentuaalinen osuus pienempi kuin maailmassa keskimäärin.

Nämä tilastot antavat valitettavasti vain suuntaa-antavaa tietoa suomalaisten energiankäytöstä, sillä esimerkiksi suurin osa kuluttamistamme tavaroista on tuotettu muualla ja niiden vaatima energia näkyy siten muiden maiden tilastoissa. Samoin esimerkiksi kaikki Suomessa tuotetun paperin tuotantoon käytetty energia päätyy Suomen tilastoihin, vaikka tuotteet käytetään pääasiassa muualla.

Energiantuotannon ja -käytön tulevaisuus

Maailmanlaajuisesti energiankulutus jatkaa kasvuaan ja valtaosa tästä energiasta tuotetaan tällä hetkellä fossiilisilla polttoaineilla. Tämä kasvattaa ilmakehässä olevien kasvihuonekaasujen määrää ja nostaa sitä kautta ilmakehän lämpötilaa. On selvää, että kestävä energiantuotanto edellyttää fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämistä. Parhaiten tämä onnistuu kääntämällä energian kokonaiskulutus laskuun samalla kun vähäpäästöisten energianlähteiden käyttöä lisätään. Tämä tulee kuitenkin tehdä tavoilla, jotka eivät aiheuta muita ongelmia ihmisten hyvinvoinnille esimerkiksi kiihdyttämällä luonnon monimuotoisuuden vähentymistä.

On hyvinkin mahdollista, että tulevaisuudessa nämä ongelmat onnistutaan ratkaisemaan fuusiovoimaloiden kaltaisten uusien teknologioiden avulla. Tällaisten tuotantotapojen kehitys tulee kuitenkin kestämään niin kauan, ettei niistä ole apua akuuttiin ilmastokriisiin, vaan muutoksia olemassa oleviin rakenteisiin täytyy tehdä jo nyt.

Euroopan uniossa päästöjä ollaan vähentämässä sekä tiukentamalla fossiilisiin polttoaineisiin liittyvää lainsäädäntöä että taloudellisesti tukemalla vähäpäästöisiä tuotantomuotoja. Esimerkiksi tuulivoimaan tehtävät investoinnit ovat jyrkässä kasvussa nyt, kun sen tuotantokustannukset on saatu lähelle tai jopa alemmas kuin muilla tuotantomuodoilla tuotetun sähköenergian.

Koska sähkön myynnistä saadaan tuotantomuodosta riippumatta käytännössä sama hinta, on taloudellisesti kannattavaa investoida kokonaiskustannuksiltaan edullisimpiin sähköntuotantotapoihin. Esimerkiksi Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa 2017 tehdyn tutkimuksen mukaan Suomeen rakennettujen voimaloiden kokonaistuotantokustannuksia vertailtaessa maalle rakennetun tuulivoiman hinnaksi arvioidaan 56 e/MWh , kun uuden ydinvoimalan vastaavat kustannukset ovat 55 e/MWh ja hiilivoimalan jo selvästi suuremmat 76 e/MWh . Tilannetta ovat kääntäneet tuulivoiman eduksi tuuliturbiinien parantunut tekniikka sekä EU-maiden välinen päästökauppajärjestelmä.

Ota selvää miten päästökauppajärjestelmä toimii.

Ilmastonmuutoksen vastaisessa taistelussa aivan erityinen merkitys on Kiinalla, jonka osuus maailman kasvihuonepäästöistä on miltei kolmannes. Tällä hetkellä näyttää siinä mielessä hyvältä, että vaikka Kiinan päästöt ovatkin edelleen kasvussa, myös panostukset uusiutuviin energianlähteisiin ovat merkittäviä. Kiinan investoinnit vähäpäästöisiin energiantuotantoihin hyödyttävät kaikkia, sillä ne hidastavat ilmastonmuutosta. Samalla Kiina vahvistaa asemaansa maailmanpolitiikassa ottamalla johtavan roolin strategisesti tärkeässä tulevaisuuden energiatuotannossa

Kestävän kehityksen edistämiseksi täytyy ottaa huomioon paljon muitakin tekijöitä kuin kasvihuonepäästöt ja tilanteesta tulee siten huomattavan monimutkainen. Ihmisten hyvinvointi koostuu monista osa-alueista, jotka tulee kaikki ottaa huomioon, eikä yksittäiseen osa-alueeseen voi keskittyä muiden kustannuksella. Esimerkiksi puhdasta juomavettä tulisi riittää kaikille, samoin kuin riittävän perustoimeentulon mahdollistavaa työtä.

Monimutkaista keskustelua voidaan helpottaa puhumalla erilaisista jalanjäljistä, esimerkiksi hiili- tai vesijalanjäljestä, ja etsiä keinoja näiden tuomiseksi kestävälle tasolle. Voit arvioida omia jalanjälkiäsi esimerkiksi Sitran laskurilla: https://elamantapatesti.sitra.fi/

Ekologisesta näkökulmasta ylivoimaisesti paras keino kestävämpään suuntaan olisi energian kokonaiskulutuksen pienentäminen. Tämä tarkoittaisi uusien teknologioiden kehityksen ja käyttöönoton lisäksi myös kokonaiskulutuksen vähentämistä. Tällä puolestaan olisi todennäköisesti negatiivinen vaikutus bruttokansantuotteeseen ja seurauksena saattaisi olla lisääntynyttä työttömyyttä. Näin kestävän kehityksen kysymyksistä tulee poliittisia kysymyksiä, joissa joudutaan väistämättä tekemään arvovalintoja. Oikeita vastauksia ei ole kellään, mutta on koko yhteiskunnan kannalta tärkeää, että pystymme käymään tällaisista monimutkaisista ja tärkeistä aiheista faktoihin perustuvaa järkevää keskustelua.

Tehtävät

Klikkaa tehtävää nähdäksesi vastauksen.

1. Listaa ilmastonmuutoksen kannalta merkittävimmät kasvihuonekaasut.

  • Vesihöyry

  • Hiilidioksidi

  • Metaani

  • Dityppioksidi

  • Otsoni

  • CFC-yhdisteet, eli freonit

  • HFC-yhdisteet, eli fluorihiilivedyt

2. Selitä ilmiö kasvihuoneilmiiö mahdollisimman tarkasti tarkastellen maapalloa systeeminä, joka lämpenee.

Auringosta Maan pinnalle saapuu säteilyä kaikilla valon aallonpituuksilla. Osa säteilystä heijastuu suoraan takaisin avaruuteen ja osa absorboituu Maan pintakerroksiin ja lämmittää niitä ja ympäröivää ilmaa. Mitä lämpimämpi Maan pinnasta tulee, sitä enemmän se säteilee lämpösäteilyä takaisin avaruuteen. Tietyssä lämpötilassa Auringosta tulevaa ja Maasta poispäin säteilevää energiaa on yhtä paljon ja saavutetaan termodynaaminen tasapaino, jossa lämpötila pysyy vakiona.

Jos maapalloa ja sen ilmakehää ajatellaan kasvihuoneena voidaan ajatella, että tämän valtavan kasvihuoneen seinät päästävät Auringosta tulevan korkeaenergisen säteilyn paremmin lävitseen kuin Maasta hehkuvan lämpösäteilyn. Kasvihuonekaasut absorboivat Maan säteilemää lämpösäteilyä ja lähettävät siitä osan takaisin Maan pinnalle. Tällöin termodynaaminen tasapaino siirtyy lämpimämpään suuntaan ts. maapallo lämpenee.

3. Täytä oheinen Maailman sähköntuotanto 2019-kaavio puuttuvilla sähköntuotantotavoilla ja niitä vastaavilla prosenttiosuuksilla.

Katso mallivastaukset.

4. Ota kantaa. Mihin suuntaan osuuksien olisi syytä muuttua ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi?

Ilmastonmuutosta kiihdyttäviä kasvihuonekaasuja syntyy eniten maakaasun, öljyn ja kivihiilen poltosta. Täten jos maailman sähköntuotannon prosenttiosuuksia kasvattaisi ydinvoiman, vesivoiman, aurinko, tuuli ja geotermisen energian osalta ja biopolttoaineiden hillitsisi se varmasti ilmastonmuutosta. Tässä ei oteta nyt kantaa sähköntuotannon tapojen muihin aspekteihin kuten ydinvoiman riskeihin yhteiskunnille.

5. Suomen valtion kokonaisenergian kulutus vuonna 2018 on Motivan (valtion kestävän kehityksen yhtiö) mukaan noin 1 380 PJ = 1,380 ·10¹⁸ joulea. Tästä noin 29%:n osuus menee rakennusten lämmittämiseen. Kuinka monta kiloa koivua tulisi Suomen valtion polttaa saavuttaakseen vuoden 2018 rakennusten lämmittämistarpeensa? Arvioi määrää tämän hetkiseen puuenergian tuottamiseemme.

3, 24 · 10 kg

Tämänhetkinen puuenergiantuotto kattaisi noin kymmenesosan tarvittavasta lämpöenergiantarpeesta.

6. Mitä tarkoitetaan kun energiataloudellisiin ja kestävän kehitykseen liittyvien kysymysten sanotaan olevan poliittisia?

Kestävän kehityksen edistämiseksi täytyy ottaa huomioon paljon muitakin tekijöitä kuin kasvihuonepäästöt tehden kestävän kehityksen edistämisestä erittäin monimutkaisen tavoitteen. Ihmisten hyvinvointi koostuu monista osa-alueista, jotka tulee kaikki ottaa huomiooon, eikä yksittäiseen osa-alueeseen voi keskittyä muiden kustannuksella.

Ekologisesta näkökulmasta ylivoimaisesti paras keino kestävämpään suuntaan olisi energian kokonaiskulutuksen pienentäminen. Tämä tarkoittaisi uusien teknologioiden kehityksen ja käyttöönoton lisäksi myös kokonaiskulutuksen vähentämistä. Tällä puolestaan olisi todennäköisesti negatiivinen vaikutus bruttokansantuotteeseen ja seurauksena saattaisi olla lisääntynyttä työttömyyttä.

Huomataan, että kestävän kehityksen kysymykset, kuten miltein kaikki muutkin yhteiskuntaamme koskettavat kysymykset, ovat poliittisia. Fysiikan tarjoama niin kutsuttu kvantitatiivinen näkökulma tarjoaa kallisarvoisen näkökulman useisiin meitä kaikkia koskettaviin poliittisiin kysymyksiin, joista polttavimpia tällä hetkellä ovat varmasti juuri kestävän kehitykseen ja ilmastonmuutokseen liittyvät kysymykset.