Täyttäkää maa, meret ja katot

with 4 kommenttia

Aurinkosähkö tehotiheys

 Pohjanmaa virtaa kohti. Punamultaiset kaksfooninkiset talot valkoisine ikkunanpielineen, peltoja silmän kantamattomiin. Muutama tuhat vuotta sitten tämä oli kaikki meren pohjaa.

Horisonttiin kurottautuvaa peltolakeutta reunustaa tumma metsäraja. Peltoa, metsää ja kohta hieman tuonnempana merta. 

Saaristo jatkuu vielä kymmeniä kilometrejä ennen avointa merta.

Suomi on saari, kuulee toisinaan sanottavan. Se on osittain totta. Suurelle osalle suomalaisia lähin naapurimaa on Itämeren rehevien lahtien toisella puolen. Tämä on totta myös energian näkökulmasta. Suomeen tuodaan energiaa laivoin, putkin ja voimalinjojen kautta.

Jotta meidän ei tarvitsisi niin suurissa määrin käyttää kitsaasta kotimaasta riipimäämme hyvää ulkomaisten hyödykkeiden ostoon, on useissa eri yhteyksissä ehdotettu energian tuottamista maamme rajojen sisäpuolella. Energia maksaa, ja itse tehtynä sen arvataan olevan kansantaloudelle edullisempaa, muista hyödyistä puhumattakaan.

Mutta millä tuottaa? Onko toinen tapa parempi kuin toinen?

Kyllä on.

Seuraava kuva esittelee useimmin esitetyt vaihtoehdot, joita voisimme käyttää myös vuosikymmenten kuluttua, niin ettei tarvitsisi heti vaihtaa. Vertailun mittarina on hankala tekninen termi tehotiheys (eng. power density), joka kuvaa kuitenkin yksinkertaisesti, kuinka paljon mikroaaltouunien voimanlähdettä kukin ehdokas saa aikaan per neliömetri pallomme pinta-alaa.

Ydinvoima ei ole mukana kuvassa, koska se on ylivoimainen eikä mahdu skaalaan. Ydinvoiman tehotiheys on luokkaa 100 W/m2. Samoin vanhojen fossiilisiin polttoaineisiin perustuvien voimalaitosten tehotiheys on luokkaa 1000 W/m2. [1] Valitettavaa on, että fossiilisilla tuotetun energian haitat ovat niin suuret, ettei niitä voida jatkossa ainakaan ilman hiilidioksidin talteenottoa käyttää. Niitä on myös rajallinen määrä tarjolla. Ydinvoima riittää paljon pidemmälle, mutta missään vakavasti esitetyssä skenaariossa se ei ole ainoa vaihtoehto.

Tehotiheys energiantuotantoKuvaajan tietojen lähde: Sustainable Energy Without Hot Air [2]

Kullankeltaiset palkit edustavat teknologioita, joilla voimme tuottaa energiaa Suomessa. Valitettavasti meillä ei ole niin paljon suoraa auringon säteilyä, että keskittävä aurinkovoimalaitos olisi järkivalinta – niitä käytetään esimerkiksi aavikoilla. Vesivoimaa Suomeen ei juurikaan voi enää rakentaa lisää – pitkään puhuttujen tekoaltaiden tehotiheys ei yllä varsinaisen vesivoiman tasolle. Vuorovesien vaihtelu Itämeren rannoilla taas ei ole merkittävää.

Kuvaajasta nähdään, että aurinkosähkö on myös Suomessa yllättävän hyvä tapa tuottaa energiaa. [3] Itse asiassa näistä vaihtoehdoista se vie vähiten pinta-alaa.

Miksi tällä on mitään väliä?

Kun lähdetään pohtimaan, millä Suomen pellot ja metsät täytetään tulevaisuuden energianälän tyydyttämiseksi, kannattaa vilkaista tuota kuvaajaa. Toki kaikki eivät ole toisiaan poissulkevia. Tuulivoimalat voivat nousta metsän keskelle, eikä mikään estä rakentamasta aurinkovoimaa tuulivoimapuiston yhteyteen.

Tietenkään pelkkä keskimääräinen teho per pinta-ala ei yksinään voi ratkaista mikä on paras tapa tuottaa energiaa. Kuitenkin esimerkiksi Suomen tai miksei koko maailman energiatulevaisuutta miettiessä kannattaa keskittyä ratkaisuihin, joilla on mahdollisuus taklata mahdollisimman suuri osuus urakasta. 

Meillä on valtava määrä metsää. Suomen metsistä saatava energia voisi edellä esitetyin luvuin olla lähes kolme kertaa Suomen energiankulutus. Toisaalta 0,5 W/m2 on Suomen metsille hieman optimistinen lukema. Lähteemme [2] sivulla 43 arvioidaan metsänhoidolla saatavan energiamäärän olevan kenties lähempänä 0,25 W/m2 - puolet aiemmin arvioidusta globaalista biomassan keskimääräistyksestä.

Realistisemmalla arvolla laskettu teoreettinen maksimi Suomen metsien energiantuotannolle olisi jonkin verran yli suomalaisten energiankulutuksen. Tietenkään suomalainen mänty ei muutu polttoaineeksi tai sähköksi ilman häviöitä. Lisäksi olen ymmärtänyt, että puuta halutaan käyttää energian lisäksi muihin tarkoituksiin. Biotalouden rajoitteet ovat ilmeisiä, kuten muidenkin energiavaihtoehtojen. [4]

100% uusiutuvaa energiaa

Paljonko Suomi sitten kuluttaa energiaa? Noin 0,124 wattia per neliömetri. Edellisestä taulukosta voidaan huomata, että esimerkiksi tuulivoimaa täytyisi rakentaa vain pieni osa Suomen pinta-alasta, jotta energiantarpeemme olisi tyydytetty. Helppo homma! Suomen ei tarvitsisi rakentaa kaikkia peltoja tuulivoimapuistoiksi tai kaikkia kattoja aurinkopaneeleiksi saati polttaa kaikkia metsiä energiaksi.

Kaikki eivät ole yhtä onnekkaita. Esimerkiksi Saksa on melko tarkkaan Suomen kokoinen maa, mutta siellä suurempi asukasmäärä aiheuttaa kymmenkertaisen energiankulutuksen pinta-alaa kohden - 1,15 W/m2. Periaatteessa saksalaiset siis voisivat kuitenkin peittää puolet maapinta-alastaan tuulivoimaloilla ja saada kaiken käyttämänsä energian tuulesta, mutta vaikka maa olisi 100% metsää, ei bioenergia enää edes teoriassa voisi riittää.

Mitä luulet, voisiko suunnilleen Suomen kokoinen Japani tuottaa kaiken tarvitsemansa sähkön aurinkovoimalla? Tai tuulella? Suomi nimittäin voisi.

Lisäys 14.9.2015
"Tietysti metsien käytön on kaikissa tilanteissa oltava kestävää, jotta hommassa on järkeä."
Lue myös blogi biomassan ympäristövaikutuksista.


Lähteet:

[1] Robert Wilson kirjoittaa erinomaisesti tehotiheyden merkityksestä, ja arvioi mm ydinvoiman tehotiheyttä.
http://www.theenergycollective.com/robertwilson190/257481/why-power-density-matters

[2] Kuvaajan suuntaa-antavat arvot on poimittu teoksesta Sustainable Energy Without Hot Air, David J.C. MacKay, 2006. Suosittelen ehdottomasti lukemaan kirjan, jos aihe kiinnostaa. Linkki ilmaiseen .pdf-tiedostoon löytyy täältä: Sustainable Energy Without Hot Air.

Suomen 220 000 km2 metsäala voisi edellä esittämäni 0,5 W/m2 eli 0,5 MW/km2 mukaan tuottaa 110 GW tehoa, eli 936 TWh energiaa vuodessa. Tämä on jo reilusti enemmän kuin Suomen energiankulutus. Realistisemmalla arvolla laskettu teoreettinen maksimi Suomen metsien energiantuotannolle olisi alle 500 TWh ennen jatkojalostusta.

[3] Itse asiassa aurinkosähkön tehotiheys voi Suomessa olla edellisen lähteen antamaa Pohjois-Eurooppaan tarkoitettua arvoa suurempi. Hehtaari on 10 000 neliömetriä. Parasta aikaa Raumalle suunniteltavan, teholtaan 8,7 MW aurinkovoimalalle on suunniteltu noin 20 hehtaarin eli 200 000 m2 aluetta. Ilmoitettu vuosituotto voimalle on 10,5 GW. Tehotiheys voimalalla on näillä lähtötiedoilla laskettuna melko tarkasti 6 W/m2. Laskin tehotiheyden jakamalla vuosituotannon vuoden tuntien määrällä, sekä voimala-alueen pinta-alalla saaden keskimääräisen tehon per m2. Referenssiksi voidaan laskea myös voimalan huipunkäyttöaika. Voimalasta saadaan noin 14% tuotantoa nimellistuotannosta, mikä tarkoittaa noin 1200 tunnin huipunkäyttöaikaa. Huipunkäyttöaika lasketaan tuotanto jaettuna nimellisteholla, eli 10,5 GWh jaettuna 8,7 MW.
http://www.rauma.fi/ajankohtaista/rauman-lakarin-kupeeseen-suomen-suurin-aurinkovoimala

[4] Suomen ja maailman metsien pinta-alat Tilastokeskuksen sivuilla. http://www.stat.fi/tup/tietoaika/tilaajat/ta_01_03_metsat.html

[5] Valtioiden pinta-alat ja Saksan energiankulutus: Wikipedia. 1 ja 2