Energiasiirtymä

Tähän saakka energiamurroksen painopiste on ollut uusiutuvissa energialähteissä, mutta nyt myös muilla sektoreilla ollaan siirtymässä kohti fossiilitonta energiaa.

Tästä voit lukea kaiken tarvitsemasi tiedon energiamurroksesta sekä energiatekniikasta ja hankkeista, jotka tekevät sen mahdolliseksi.

Julkaistu: 2022-05-03 Viimeksi päivitetty: 2022-09-16 Lukuaika: min

Sisällysluettelo

Sisällysluettelo
Luku 1

Energiamurroksen tärkeys

Kestävän kehityksen kannalta energiamurros ja siirtyminen fossiilittomaan energiaan ovat ratkaisevia, sillä fossiilisten polttoaineiden käyttö synnyttää kasvihuonekaasuja, jotka vaikuttavat kielteisesti maapallon keskilämpötilaan.

Termiä energiamurros käytetään kuvaamaan siirtymistä nykyisestä fossiilisia polttoaineita käyttävästä yhteiskunnasta yhteiskuntaan, joka on vapaa fossiilisista polttoaineista, kuten hiilestä ja öljystä, ja jossa sen sijaan luotetaan sataprosenttisesti uusiutuvaan energiaan, esimerkiksi tuuli- ja vesivoimaan sekä aurinkoenergiaan.

Fossiilisilla polttoaineilla on ollut tärkeä rooli kehityksessämme. 1800-luvun teollisesta vallankumouksesta lähtien länsimaat ovat rakentaneet yhteiskuntaa ja hyvinvointia öljyn, hiilen ja maakaasun avulla. Ratkaisut, joita aikanaan pidettiin onnistuneina, ovat maksaneet maapallolle paljon elämää uhkaavan ilmastonmuutoksen, ympäristötuhojen ja kielteisten terveysvaikutusten muodossa. Huomio on nyt siirtynyt energiamurrokseen, jolla pyritään hidastamaan kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttamia kielteisiä vaikutuksia ilmastoon.

Sähköistäminen mahdollistaa fossiilisista polttoaineista luopumisen

Suomen tavoitteena on olla hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä ja ensimmäinen fossiilivapaa hyvinvointiyhteiskunta. Tämä edellyttää nopeutettuja päästövähennyksiä kaikilla sektoreilla sekä hiilinielujen vahvistamista.

Teollisuudessa ja kuljetusalalla on meneillään useita hankkeita nykyisten fossiilisten polttoaineiden käytöstä luopumiseksi. Sähköistäminen on ainoa vaihtoehto, joka laajemmassa mittakaavassa pystyy korvaamaan fossiiliset polttoaineet energiaa vaativissa prosesseissa. Seuraavassa käymme läpi joitakin näistä hankkeista.

Lue lisää sähköistämisestä ja tulevaisuuden energiamarkkinoista: 

> Jos emme onnistu sähköistämisessä, emme onnistu siirtymässä vähähiiliseen yhteiskuntaan

 

Luku 2

Fossiiliton ja uusiutuva energia

Varmistaaksemme kestävän tulevaisuuden meille ja planeetallemme meidän on siirryttävä sataprosenttisesti uusiutuvaan energiaan ja lopetettava kokonaan fossiilisten polttoaineiden, kuten hiilen, öljyn ja kaasun, käyttö. Se on ainoa tapa. Investoinnit uusiutuvaan energiaan, energiatehokkuuteen ja vähentyneeseen kuljetustarpeeseen vievät kohti tulevaisuuden ilmastoneutraalia yhteiskuntaa.

Mitä eroa on fossiilittomalla ja uusiutuvalla energialla?

Kysymyksen voi ajatella olevan itsestään selvä, mutta mikä ero on fossiilittoman ja uusiutuvan energian välillä? Yksi esimerkki fossiilittomasta mutta uusiutumattomasta energiasta on ydinvoima - se perustuu alkuaine uraaniin, jonka lasketaan loppuvan 50 - 100 vuoden sisällä. Se ei siis ole uusiutuvaa. Ydinvoima on fossiilitonta, koska sen tuotannossa ei käytetä fossiilisia polttoaineita. Esimerkiksi tuulivoima on uusiutuvaa energiaa, jota tuotetaan energialähteestä, jonka lasketaan riittävän vielä miljardeiksi vuosiksi eteenpäin. Muita esimerkkejä uusiutuvista energialähteistä ovat vesivoima, biopolttoaineet ja aurinkoenergia. Uusiutuva energia on siis kestävin vaihtoehto.

Lue myös:

<Uusiutuva energia on tulevaisuutta 

Luku 3

Ilmastoneutraalius

Yhä useammat yritykset pyrkivät ilmastoneutraaliuteen, ja siitä on tullut tärkeä kysymys monilla sektoreilla.

Mitä ilmastoneutraalius tarkoittaa?

Ilmastoneutraalius tarkoittaa, että toiminnalla ei ole minkäänlaisia vaikutuksia ilmastoon. Toisin sanoen henkilö, yritys tai koko maa voi muuttua ilmastoneutraaliksi eikä aiheuta lainkaan kasvihuonekaasupäästöjä.

Suomen tavoitteena on olla hiilineutraali vuonna 2035 ja hiilinegatiivinen nopeasti sen jälkeen. Tämä tehdään nopeuttamalla päästövähennystoimia ja vahvistamalla hiilinieluja.

Lataa oppaamme:

5-steg-mot-klimatneutral-elkonsumtion-cta-fi

Luku 4

Vety

Vety on viime vuosina ollut eräs tärkeimmistä vaihtoehtoista, joilla on suuri potentiaali hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä eri teollisuudenaloilla ja sektoreilla. Vetyä voidaan tuottaa täysin fossiilivapaasti, mutta toistaiseksi on jäljellä joitakin haasteita.

Vetyä voidaan käyttää moniin eri tarkoituksiin – ajoneuvojen polttoaineena, maakaasuverkossa tai raakamateriaalina teollisissa prosesseissa jalostamoissa, terästehtaissa, lannoitetuotannossa ja monilla muilla aloilla. Keskipitkällä aikavälillä sitä voidaan käyttää sekä vetypohjaisena synteettisenä polttoaineena että voimalaitosten polttoaineena.

Miten fossiilivapaata vetyä tuotetaan?

Vedyn tuotanto on suhteellisen yksinkertainen prosessi, jossa vettä ja sähköä käytetään elektrolyysilaitoksessa. Elektrolyysilaitoksessa vesi jaetaan alkuaineikseen eli vedyksi ja hapeksi. Niin kutsuttujen polttoainekennojen avulla vedyn sisältämä kemiallinen energia muunnetaan sähköenergiaksi. Kun vetyä ja happea muunnetaan polttokennoissa, syntyy silkkaa puhdasta vettä. Koska vedyn valmistusprosessi vaatii paljon sähköä, on erittäin tärkeää, että käytettävä sähkö on fossiilivapaata.

Nykyään vedyn valmistaminen sähköllä on erittäin kallista. Siksi tekniikkaa on kehitettävä ja edellytykset sille ovat hyvät. Pohjoismaiden lisäksi muun muassa Saksa ja Englanti panostavat elektrolyysikapasiteetin kehittämiseen.

Lue lisää Vattenfallin aloitteista ja hankkeista

Lue myös: > Miksi vetyteknologia ei kehity nopeammin                                               

Luku 5

HYBRIT

Teräksellä on tärkeä rooli nykyaikaisessa yhteiskunnassa, ja teräksen kysynnän odotetaan kasvavan maailman väestömäärän noustessa. Teräksentuotanto aiheuttaa kuitenkin merkittäviä hiilidioksidipäästöjä. Terästeollisuuden osuus globaaleista hiilidioksidipäästöistä on noin 7 prosenttia. Nämä päästöt on saatava pienemmiksi, jotta voisimme hillitä ilmastonmuutosta.

Mikä on HYBRIT?

HYBRIT on SSAB:n, LKAB:n ja Vattenfallin yhteinen hanke, jonka tavoitteena on ottaa käyttöön fossiilivapaa teräksentuotantoprosessi vuoteen 2035 mennessä. HYBRIT tulee sanoista Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology. Tämä on suurin muutos teräksentuotannossa yli 1000 vuoteen, ja saattaa poistaa terästeollisuuden päästöt lähes kokonaan.

Fossiilivapaa teräksen valmistus vuonna 2035

Vuonna 2016 Vattenfall, SSAB ja LKAB käynnistivät HYBRIT-teollisuushankkeen, ja seuraavana kesänä nämä kolme yhtiötä perustivat yhteisyrityksen. Tavoitteena on saavuttaa fossiilivapaa teräksentuotantoprosessi vuoteen 2035 mennessä. Se tarkoittaa, että perinteisesti teräksentuotannossa käytettävät hiili ja koksi korvataan vedyllä. Näin teräksenvalmistusprosessissa syntyy vettä hiilidioksidin sijaan. Tuloksena on fossiilivapaa teräksenvalmistustekniikka, joka ei käytännössä aiheuta lainkaan hiilidioksidipäästöjä.

Perinteinen teräksenvalmistusprosessi verrattuna HYBRIT-menetelmään

Masuuni on perinteisesti ollut rautatehtaan sydän ja se on ollut valtamenetelmä raudan valmistuksessa. Perinteisessä prosessissa raudasta ja hapesta koostuva rautamalmi muutetaan pelkäksi raudaksi poistamalla happi rautamalmista masuuneissa. Masuuneissa rautamalmiin lisätään hiiltä, joka toimii "liimana" ja johon happi tarttuu ja muodostaa hiilidioksidia. Raudan lisäksi prosessista muodostuu paljon hiilidioksidia.

HYBRIT-menetelmässä ”liimana” käytetään vetyä koksin ja hiilen sijaan. Tuloksena on vettä hiilidioksidin sijaan. Käytettävä vety valmistetaan fossiilivapaalla sähköllä.

Vetyä voidaan helposti tuottaa vedestä ja sähköstä elektrolyysilaitoksessa ja sitä voidaan käyttää moniin eri tarkoituksiin – ajoneuvojen polttoaineena, maakaasuverkossa tai raakamateriaalina teollisissa prosesseissa jalostamoissa, terästehtaissa, lannoitetuotannossa ja monilla muilla aloilla. Keskipitkällä aikavälillä sitä voidaan käyttää sekä vetypohjaisena synteettisenä polttoaineena että voimalaitosten polttoaineena.

Vattenfall_fossilemissionillustration_ny-1

HYBRIT-projekti on jaettu kolmeen vaiheeseen

2016 - 2017 Ennakkotutkimukset
Vuonna 2016 käynnistettiin esitutkimus, jonka tarkoituksena oli valmistella tutkimusprojektin perusdataa. Vuoden 2018 alussa tutkimusvaihe päättyi ja tutkimus esiteltiin.

2018-2024 Toteutettavuustutkimus ja pilottilaitoskokeilut
Kaksi pilottilaitosta, toinen Luulajaan ja toinen Malmbergetiin, rakennetaan uraauurtavan tekniikan kehittämiseksi.

Ensi vaiheessa on tarkoitus verifioida pienimuotoisissa laboratoriokokeissa saadut tulokset mittakaavassa, joka vastaa pitkälti tulevaa teollista prosessia. Se on edellytys, jotta paremmin ymmärretään, mitä tapahtuu yhteenkytketyssä teollisessa järjestelmässä ja miten tehokas tuotantoprosessi luodaan.

Yhdessä laitosyksikössä tutkitaan metodeja, joilla valmistetaan terästä vedyn avulla kivihiilen sijaan. Tämäntyyppinen prosessi on ilmaston kannalta suotuisa, koska prosessissa syntyy vesihöyryä hiilidioksidin sijaan. Vedyn valmistuksessa tarvitaan puolestaan merkittäviä määriä sähköä, ja tässä Vattenfallin asiantuntemus astuu kuvaan.

Toisessa pilottiyksikössä on tarkoitus kehittää fossiilivapaa tekniikka rautamalmipellettien tuottamiseksi mahdollisimman ilmastofiksulla tavalla.

Pilottivaiheen on suunniteltu päättyvän vuonna 2024.

2025 - 2035 Demonstraatiovaihe
Testejä suoritetaan kymmenen vuoden ajan demonstraatiolaitoksessa. Vuoden 2035 tavoitteena on, että teräksen tuotanto on toiminnassa ja kaupallisesti kannattavaa.

Lue lisää HYBRIT-hankkeesta:

Fossiilittoman terästuotannon yhteistyö etenee suunnitelmien mukaan

Fossiilivapaa teräs vaatii nopeaa lupakäsittelyä

HYBRIT: maailman ensimmäinen fossiilivapaa teräs, valmiina toimitukseen

Luku 6

Fossiiliton lentäminen

Lentäminen aiheuttaa tällä hetkellä 2-3 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Siksi fossiilittomien polttoaineiden kehittäminen on erittäin tärkeää energiasiirtymälle ja lentoteollisuudelle. Vattenfall on tästä syystä aloittanut yhteistyön SAS:n, Shellin ja LanzaTechin kanssa tutkiakseen mahdollisuuksia tuottaa synteettistä lentopolttoainetta, jota kutsutaan myös sähköpolttoaineeksi.

Sähköpolttoaineen valmistaminen

Sähköpolttoaine on yksi kestävän lentopolttoaineen eli SAF:n (Sustainable Aviation Fuel) muunnos. Sähköpolttoaineen tuotannossa käytetään vain fossiilitonta sähköä, kierrätettyä hiilidioksidia ja vettä. Sähköä käytetään vedyn tuottamiseen, ja prosessissa, jota kutsutaan elektrolyysiksi, vesi hajotetaan sähkön avulla hapeksi ja vedyksi.

Seuraavassa vaiheessa hiilidioksidi ja vety voidaan LanzaTechin prosessin avulla muuntaa etanoliksi. Etanolia käytetään sitten LanzaJet ”Alcohol to Jet” -prosessissa fossiilittoman sähköpolttoaineen valmistamiseksi. Vetyä voidaan joissakin tapauksissa käyttää suorana energianlähteenä, ja sen merkityksen ennustetaan kasvavan yhä suuremmaksi tulevaisuudessa. Vedyn muuntaminen nestemäiseen olomuotoon sähköpolttoaineeksi mahdollistaa sen käytön lentokoneiden ja muiden nestemäistä polttoainetta polttoainetta käyttävien ajoneuvojen voimanlähteenä.

Hiilidioksidia kaukolämpölaitoksilta

Hiilidioksidi on peräisin kaukolämpölaitoksesta, jossa sen sijaan, että se pääsisi ilmaan, se kerätään talteen ja käytetään sähköpolttoaineen tuotantoon. Tätä kutsutaan hiilidioksidin talteenotoksi ja käytöksi (Carbon Capture Usage eli CCU).

Raaka-aineena tullaan käyttämään fossiilitonta sähköä Ruotsin sähköverkosta ja kerättyä hiilidioksidia Vattenfallin lämpövoimalasta Uppsalasta, mistä voidaan vuosittain ottaa talteen noin 200 000 tonnia hiilidioksidia.

Lentokoneet on tällä hetkellä sertifioitu käyttämään enintään 50-prosenttisesti kestävää lentopolttoainetta, esimerkiksi sähköpolttoainetta. Vuosittainen suunniteltu 50 000 tonnin kestävän lentopolttoaineen tuotanto on noin 30 prosenttia lentopolttoaineesta, jota tarvitaan Ruotsin fossiilittomien kotimaanlentojen tavoitteen saavuttamiseksi tai 25 prosenttia SAS:n maailmanlaajuisesta kestävän lentopolttoaineen tarpeesta.

Luku 7

Valtavat tuuliturbiinit

Tuulivoima on energiantuotantomuoto, jota kehitetään jatkuvasti. Tehokkaampia voimaloita kehitettäessä kaikilla parametreillä on merkitystä, kun turbiinia valitaan. Yhdessä Vattenfallin kaikkien aikojen suurimmassa sijoituksessa uusiutuvaan energiaan valittiin Siemens Gamesan 8 MW:n turbiinit kolmeen uuteen tuulivoimapuistoon, jotka ovat Kriegers Flak Itämerellä sekä Vesterhav Syd ja Nord Pohjanmerellä.

Tanskan vesille pystytetyissä uusissa tuulivoimaloissa roottorin halkaisija on vaikuttavat 167 metriä. Ne ”piirtävät” ilmaan ympyrän, joka on 18 prosenttia toimittajan aiempien voimaloiden siipiväliä suurempi. Tämä kokoero vastaa lähes puolen jalkapallokentän pinta-alaa. Jos halut tietää lisää Kriegers Flakista, lue tämä artikkelimme.

Näissä tuulivoimapuistoissa alkaa vuosien 2020 ja 2022 välillä pyöriä yhteensä 113 uutta tuulivoimalaa, ja yhdessä Horns Rev 3 -tuulivoimapuiston kanssa, jota Vattenfall rakentaa parhaillaan Pohjanmerellä, nämä kolme puistoa tulevat tuottamaan lähes 1 400 MW uutta uusiutuvaa kapasiteettia. Niiden energiantuotanto vastaa sähkömäärää, joka riittää lähes 1,5 miljoonan kotitalouden energiankulutuksen kattamiseen.

Vattenfall investoi yhteensä yli 20 miljardia Tanskan kruunua kiihdyttääkseen kestävän energiantuotannon kehitystä Tanskassa vuoteen 2022 mennessä. Energia-alan organisaation Dansk Energin mukaan tuulivoima tulee muutaman vuoden kuluttua kattamaan 60 prosenttia Tanskan sähkönkulutuksesta. Se on merkittävä lisäys vuoden 2017 tilanteeseen, jolloin lukema oli 45 prosenttia.

Näin tuulivoima toimii

Tuulivoimalat muuntavat tuulen sähköksi. Ne sijoitetaan usein ryhmiin, ns. tuulivoimapuistoihin, joko maalle tai avomerelle. Tuuli pyörittää turbiinin lapoja ja napaa, jotka muodostavat roottorin. Turbiiniakseli on kytketty tornin yläosassa olevaan generaattoriin. Roottorin ja generaattorin välissä on tavallisesti vaihdelaatikko, joka muuntaa roottorin hitaan pyörimisnopeuden generaattorille suotuisaksi, suuremmaksi pyörimisnopeudeksi.

Automaattisen järjestelmän ansiosta turbiini kääntyy tuulen suuntaan. Näin tuulta voidaan hyödyntää tuulensuunnasta riippumatta. Roottorin lavat valmistetaan yleisimmin hyvin kestävästä lasikuituvahvistetusta muovista ja joskus myös vahvistetusta hiilikuidusta. Roottorin siivissä on sisäänrakennettu salamasuoja (UV-valo).

wind_1200

Tuulivoimapuistot

Suuri tuulivoimapuisto voi koostua useasta sadasta yksittäisestä tuuliturbiinista, jotka kytketään yhteen sähkönsiirtojärjestelmään. Tuulivoimapuiston turbiinien etäisyyden on oltava 4–10 roottorinhalkaisijaa, tuuliolosuhteista riippuen. Tällä tavoin minimoidaan tehohävikit.

Merellä sijaitsevat tuulivoimalaitokset on liitetty sisäisellä verkolla offshore -muuntaja-asemaan, jossa jännitettä kasvatetaan sähkön siirron tehostamiseksi pitkien etäisyyksien päähän. Muuntaja-asemasta sähkö johdetaan maalla sijaitsevaan käyttökeskukseen ja siitä edelleen sähköverkkoon.

Tuulivoima vaatii vähintään 3,4 m/s tuulennopeuden

Kun ei tuule tai tuulee liian kovaa, tuulivoimalat eivät tuota sähköä. Tuulennopeuden kasvaessa (noin 4 m/s), turbiini käynnistyy automaattisesti. Täysi teho saavutetaan, kun tuulen nopeus on noin 12–14 metriä sekunnissa. Voimakkaalla tuulella (yli 25 m/s) turbiini pysäytetään tarpeettoman kulumisen ehkäisemiseksi.

Jotta tuulivoimapuisto olisi kannattava, vaaditaan hyvät tuuliolosuhteet. Kun mahdollinen sijoituspaikka on löydetty, tehdään perusteellinen tutkimus maantieteellisestä alueesta, olemassa olevista teistä, sähköverkoista, asuinrakennusten läheisyydestä, kasvistosta ja eläimistöstä sekä mahdollisista alueista, joihin on rajoitettu pääsy. Joskus paikallisten asukkaiden hyväksynnän saaminen uuden tuulivoimapuiston rakentamiselle voi olla kaikkein suurin haaste.

Tulevaisuuden tuulivoimala

Tutkimus- ja kehitystyö suuntautuu lähinnä tuulivoimapuistojen optimointiin ja niiden luotettavuuden, ympäristöystävällisyyden ja käyttöasteen parantamiseen.

Tekniikka on kehittynyt suuresti sen jälkeen, kun ensimmäiset tuulivoimalat rakennettiin 1970-luvun lopussa. Nykyisin siivet ovat 16 kertaa suurempia ja tuulivoimapuistot tuottavat 100 kertaa enemmän sähköä.

Tuulivoimaa rakennetaan enemmän merelle

Yhtenä syy turbiinien koon kasvuun on tuulivoimatuotannon suuntautuminen yhä enemmän merelle. Merelle rakentamisen etuna on, että merellä tuulee enemmän ja ristiriidat paikallisten asukkaiden kanssa ovat vältettävissä.

Tutkimus- ja kehitystyö suuntautuu lähinnä tuulivoimapuistojen optimointiin ja niiden luotettavuuden ja kustannustehokkuuden parantamiseen. On myös projekteja, joissa pyritään vähentämään tuulivoimalaitosten riippuvuutta huollosta ja helpottamaan asennusta. Huollon ja tietojenkäsittelyn standardisointi ja digitalisointi tulee myös olemaan tärkeää.

Painopiste luotettavuudessa

Tärkeänä haasteena on tehdä tuulivoimaloista luotettavia. Tuuliturbiinin käyttöaika on noin 20 vuotta, ja ollakseen kannattava sen pitää tuottaa sähköä suurimman osan tästä ajasta. Kaikki häiriöt pitää minimoida. Kaikki korjaukset ja vaihdot vähentävät käyttöaikaa ja vaikuttavat suoraan kannattavuuteen.

Laaja tutkimus kohdistuu myös tulevaisuuden sähköverkkoihin, sillä lisääntynyt sähköntuotanto tuulivoimalla asettaa uusia vaatimuksia verkolle. Tuulivoimapuistojen rakentaminen ja käyttö edellyttävät erittäin korkeiden turvallisuusstandardien noudattamista. 

Lue lisää tuulivoimamasta artikkelistamme:

Uusi jättiturbiini muuttaa kestävän energian pelikenttää 

Luku 8

Aurinkoenergia

Tiedemiehet, tutkijat ja yritykset työskentelevät maailmanlaajuisesti tehdäkseen tulevaisuuden aurinkoenergiasta parempaa, halvempaa ja helppokäyttöisempää.

Aurinkokennojen hyötysuhde paranee jatkuvasti. Nykyiset kaupalliset aurinkokennot pystyvät sitomaan 18–20 % auringonvalosta.

Aurinkokennojen hyötysuhde on parantunut tasaisesti siitä lähtien, kun niitä alettiin kehittää, ja suuntaus jatkuu positiivisena myös tulevaisuudessa. Lisäksi aurinkoenergian käyttötapa jokapäiväisessä elämässämme laajenee uusien teknologioiden ja sovellusten kehittymisen myötä.

Miten aurinkokennot toimivat

Kun auringonsäteet osuvat aurinkokennoihin, aurinkokennon etu- ja takaseinän välille syntyy sähköinen jännite. Kytkemällä johto kennon etu- ja takasivun välille muodostetaan tasavirta. Jotta sähköä voidaan käyttää esimerkiksi kiinteistössä, käytetään vaihtosuuntaajaa, joka muuttaa tasavirran vaihtovirraksi.

Aurinkokennojärjestelmä muuntaa noin 15 % auringon säteilyenergiasta sähköksi. Aurinkokennojärjestelmää ei ole kytketty mihinkään akkuun, eikä se siksi voi varastoida sähköä. Sen sijaan ylijäämäsähkö syötetään sähköverkkoon, ja se voidaan myydä Vattenfallille, joka vuorostaan myy sen edelleen muille sähkönkäyttäjille.

Aurinkopaneelit eivät edellytä aktiivista kunnossapitoa, koska niissä ei ole liikkuvia osia, joihin voi tulla vika. Aurinkopaneeleita ei tarvitse puhdistaa, koska lika vaikuttaa niiden tehoon hyvin vähän. Aurinkopaneelit ovat äänettömiä ja vaativat minimaalista kunnossapitoa.

Aurinkopaneelit eivät varastoi sähköä

Niin kauan kuin aurinko paistaa aurinkopaneeleihin, saat energiaa. Kun aurinko ei enää paista paneeleihin, energian tuotanto loppuu. Aurinkopaneeleilla ei voi varastoida ylijäämäsähköä, mutta paneeleja voidaan täydentää akuilla, jolloin energiaa on käytettävissä myös auringon laskettua. Ylijäämäsähköä on mahdollista myös myydä. Syöttämällä ylijäämäsähkö sähköverkkoon se voidaan myydä sähköyhtiölle, joka vuorostaan myy sen edelleen muille sähkönkäyttäjille.

solpaneler-ppa

Energianvarastointiratkaisuja

Aurinkoenergian etuna on, että sähköä tuotetaan päiväsaikaan, jolloin sähköä tarvitaan eniten. Haluamme kuitenkin pystyä käyttämään aurinkoenergiaa myös pimeinä vuorokaudenaikoina. Teknisestä näkökulmasta korkeita käyttöhuippuja energiaverkossa tulisi välttää erittäin aurinkoisina (ja tuulisina) päivinä. Tämä onnistuu luotettavilla ja edullisilla energian varastointiratkaisuilla, jotka ovat olennaisia aurinkoenergian onnistumisen kannalta.

Chalmersin tutkijaryhmä on äskettäin luonut molekyylin, joka voi varastoida aurinkoenergiaa lähes 18 vuotta. Seuraava vaihe projektissa on tekniikan siirtäminen suurempaan mittakaavaan.

Tulevaisuudessa energiaa varastoidaan varmaankin monella eri tavalla. Kyseessä voi olla hajautettu ratkaisu kodissasi, sähköautossasi, tai keskitetty ratkaisu, esimerkiksi aurinkovoimapuiston akku tai hiilineutraalia ammoniakkia käyttävä ”superakku” lähellä tuulivoimapuistoa tai voimalaitosta. Akkutekniikka menee nopeasti eteenpäin, ja se on on vain yksi monista käyttöalueista.

Entistä edullisempaa sähköä aurinkoenergialla

Kehittynyt teknologia ja alentuneet tuotantokustannukset tekevät aurinkoenergiasta entistä kilpailukykyisempää. Aurinkoenergialla odotetaan olevan ratkaiseva rooli tulevaisuuden energiamaisemassa.

Siitä lähtien, kun aurinkokennojen kehittäminen alkoi, tuotantokustannukset ovat laskeneet tasaisesti. 

Aina kun aurinkokennojen tuotantokapasiteetti kaksinkertaistuu, kustannukset laskevat noin 20 prosenttia. Tätä ilmiötä kutsutaan ”Swansonin laiksi”, ja sen vaikutus on ollut, että keskihinta huippuwattia (watt-peak, Wp) kohden on laskenut 70-luvun 100 dollarista nykyään selvästi alle yhden dollarin. Tämän seurauksena aurinkovoimasta on tullut käyttökelpoista suurelle yleisölle. ja se on otettu kaupalliseen käyttöön.

Koska tämän kehityksen ennustetaan jatkuvan tulevina vuosikymmeninä, on odotettavissa, että aurinkoenergian kustannukset laskevat edelleen. Jokainen kustannusten alentuminen kiihdyttää tekniikan käyttöönottoa, mikä puolestaan painaa hintoja alemmas. Nämä vaikutukset tukevat toisiaan.

Kansainvälisen energiajärjestön arvion mukaan vuoteen 2050 mennessä keskimääräiset kustannukset ovat laskeneet 5-8:aan Yhdysvaltain senttiin/kWh, mutta jo nyt aurinkoenergiaa tuotetaan halvemmalla joissakin (aurinkoisissa) paikoissa ympäri maailmaa. Joka tapauksessa voimme olla varmoja siitä, että aurinkoenergia on yksi tärkeimmistä energialajeista tulevaisuudessa.
 

Luku 9

Kuinka ydinvoima toimii

Ydinvoimalassa syntyy energiaa atomiytimen haljetessa. Prosessia kutsutaan fissioksi, ja se lämmittää vettä, jolloin muodostuu höyryä. Höyry pyörittää turbiinia, joka puolestaan käyttää sähköä tuottavaa generaattoria. 

Fissio tapahtuu reaktorissa. Prosessin aikana uraaniatomiytimet halkeavat atomiin törmäävien neutronien aiheuttamana. Kun atomiydin halkeaa, se lähettää liikkeelle uusia neutroneja, jotka voivat halkaista uusia atomiytimiä. Näin syntyy ketjureaktio.

Ydinpolttoaineena käytetään yleensä uraanin isotooppia U-235. Prosessin hallitsemiseksi käytetään erityyppisiä säätösauvoja vapautuvien neutronien absorboimiseksi siten, että fission vauhti hidastuu tai fissio keskeytyy kokonaan.

Ydinreaktorityyppejä on useita, mutta yleisimpiä ovat painevesi- ja kiehutusvesireaktorit.

Painevesireaktori

Asset 1-1.jpg fi

Reaktori sisältää vettä ja uraania. Kun uraaniatomit hajoavat, vesi lämpenee 325 °C:een. Korkeaa painetta reaktorin sisällä säädellään paineastian avulla, ja se estää veden kiehumisen.

Reaktorista lämmin vesi siirretään höyrygeneraattoriin, joka on suuri lämmönvaihdin. Höyryä muodostuu, koska paine on täällä pienempi, ja höyry johdetaan seuraavaksi turbiiniin. Höyryn paine saa turbiinin siivet pyörimään. Turbiini käyttää sähköä tuottavaa generaattoria. Sen jälkeen höyry johdetaan lauhduttimeen, joka koostuu lukuisista pienistä putkista. Putkien läpi pumpataan merivettä, ja kohdatessaan kylmät putket höyry kondensoituu ja muuttuu jälleen vedeksi. Merivesi pumpataan takaisin mereen, missä se on keskimäärin 10 °C lämpimämpää kuin lauhduttimeen mennessään.

Vesi pumpataan höyrygeneraattorista takaisin reaktoriin, missä se jälleen lämpiää. Vesi kiertää reaktorissa siis suljetussa kierrossa siten, että höyrygeneraattorin vesi tai jäähdytykseen käytettävä merivesi eivät kumpikaan joudu kosketuksiin reaktorin sisällä olevan veden kanssa.

Kiehutusvesireaktori

Asset 3-1.jpg fi

Reaktori sisältää vettä ja uraania. Uraaniatomien haljetessa vapautuu energiaa, joka saa reaktoriastiassa olevan veden kiehumaan ja höyrystymään. Höyry johdetaan edelleen turbiiniin. Höyryn paineen johdosta turbiinin siivet alkavat pyöriä. Turbiini käyttää höyrygeneraattoria, joka tuottaa sähköä. Sähkö kuljetetaan voimajohtoja pitkin käyttäjille.

Kun höyryn energia on siirtynyt turbiiniin, se siirretään edelleen lauhduttimeen, joka koostuu ohuista putkista. Putkien läpi pumpataan merivettä, ja kun höyry kohtaa putken ulkopinnan, se jäähtyy ja kondensoituu, eli siitä tulee vettä. Merivesi pumpataan takaisin veteen, missä se on 10 °C lämpimämpää kuin silloin, kun se otettiin sisään.

Lauhduttimesta tuleva vesi pumpataan takaisin reaktoriin, missä se jälleen lämpiää, jolloin alkaa uusi kierto. Reaktorijärjestelmässä oleva vesi muodostaa suljetun kiertokulun, eikä merestä otettava jäähdytysvesi siksi joudu koskaan kosketuksiin reaktorista peräisin olevan höyryn kanssa.

Useita esteitä ja turvajärjestelmiä

Fissioprosessin aikana reaktorissa syntyy ionisoivaa säteilyä. Jotta säteilystä ja radioaktiivisista aineista ei aiheutuisi haittoja ympäristölle, voimaloissa on käytössä useita toisistaan riippumattomia esteitä ja turvajärjestelmiä.

Itse polttoaine on yksi este, koska keraamiset uraanipelletit liukenevat heikosti veteen ja ilmaan (verrattuna siihen, että veteen liuotettaisiin tiiliskivi). Se myös sitoo radioaktiivisia aineita. Pelletit sulavat vasta 2 800 °C:n lämpötilassa.

Uraanipelletit on suljettu kapseliputkiin, jotka on valmistettu zirkaloy-nimisestä metalliseoksesta, jolla on hyvin reaktorikäyttöön sopivat ominaisuudet. Putket ovat täysin kaasutiiviitä.

Kolmannen esteen muodostavat reaktoriastia ja siihen kuuluva putkisto. Reaktoriastia on valmistettu 15 - 20 cm paksusta teräksestä ja painaa noin 400 tonnia.

Reaktoria ympäröi reaktorin suojarakenne, joka muodostuu metrin paksuisesta betonista ja valetusta, kaasunpitävästä teräslevystä.

Viides este on itse rakennus, joka on rakennettu kestämään suuria voimia sekä sisältä että ulkoa päin.

Esteiden lisäksi käytössä on useita turvajärjestelmiä reaktorin sydämen jäähdyttämiseksi ja radioaktiivisten aineiden leviämisen estämiseksi.

Asset 34-1.jpg fi


 

Turvasuodatin antaa lisäsuojaa

Vaikka kaikki turvajärjestelmät lakkaisivat toimimasta, radioaktiivisuus ei saa levitä ympäristöön. Siksi käytössä on erikoissuodattimia, jotka huolehtivat vähintään 99,9 prosentista radioaktiivisia aineita.

Jos paine reaktorikuoren sisällä nousee liian suureksi, joudutaan ehkä päästämään kaasuja ja höyryjä suodattimeen. Suodattimen tärkein tehtävä on radioaktiivisten hiukkasten ja radioaktiivisen jodin päästöjen minimoiminen.

Sen jälkeen höyry ja kaasut pestään suodatinaltaassa, niin sanotussa neutralointiyksikössä. Radioaktiiviset hiukkaset jäävät neutralointiyksikön veteen, kun taas puhdistetut kaasut päästetään ulos kivisuodattimen kautta.

Ydinjätteen loppusijoitus

Käytetty ydinpolttoaine pitää varastoida eristettynä erittäin pitkäksi ajaksi. Radioaktiivinen jäte jaetaan tavallisesti kolmeen luokkaan: matala-aktiiviseen, keskiaktiiviseen ja korkea-aktiiviseen jätteeseen.

Matala-aktiivinen jäte on riittävän turvallista, jotta sitä voidaan käsitellä tavallisena jätteenä, kun se on lajiteltu ja pesty. Se koostuu lähinnä esimerkiksi käytetyistä suojavaatteista ja suodattamista.

Keskiaktiivinen jäte pitää eristää ja säteilysuojata noin 500 vuoden ajan, ennen kuin sitä voidaan pitää vaarattomana jätteenä.

Korkea-aktiivinen jäte koostuu käytetystä ydinpolttoaineesta. Sen tyyppinen jäte muodostaa vain noin viisi prosenttia ydinjätteen kokonaismäärästä, mutta se vastaa 99 prosentista säteilyä. Korkea-aktiivista jätettä on vain 5 % ydinjätteistä, mutta ne sisältävät 95 % ydinjätteiden radioaktiivisuudesta. Ydinpolttoaineen säteilyn eristämiseen tarvitaan useita metrejä vettä tai useita desimetrejä terästä. Radioaktiivisten aineiden puoliintumisajat (aika, jossa radioaktiivisen materiaalin radioaktiivisuus pienenee puoleen alkuperäisestä) vaihtelevat äärimmäisen paljon – alle sekunnista miljooniin vuosiin – ja jäte pitää eristää erittäin pitkäksi aikaa. Jotkut laskelmat osoittavat, että jätettä on varastoitava vähintään 100 000 vuotta.

Eri ratkaisuja eri maissa

Jokainen maa huolehtii omasta ydinjätteestään. Erityyppisiä ratkaisuja käytetään eri maissa ja loppusijoitus on edennyt eri tahtiin. Ruotsissa valittu ratkaisu on sijoittaa käytetty ydinpolttoaine ensi vaiheessa syvälle vesialtaisiin vähintään 30 vuodeksi, kunnes säteily on vähentynyt noin 90 prosenttia.

Sen jälkeen käytetty ydinpolttoaine toimitetaan edelleen geologiseen loppusijoitukseen. Jäte suljetaan suojakapseleihin, joiden materiaalina on muun muassa kupari ja rauta. Bentoniittisaven ympäröimät kapselit sijoitetaan sitten kivikammioihin tai tunneleihin, jotka on porattu 400-1000 metrin syvyyteen.

Useat maat ovat valinneet samanlaiset strategiat kuin Ruotsi, ja vastaavantyyppistä loppusijoitusta suunnitellaan useille alueille, mutta sitä ei ole vielä otettu käyttöön. Joissakin muissa maissa on kuitenkin edelleen epäselvää, miten loppusijoitus tullaan järjestämään.

Neljännen sukupolven ydinvoima

Sukupolven I reaktorit kehitettiin 1950-luvulla. Kun reaktorit 1970- ja 80-luvuilla kasvoivat ja standardisoitiin, ryhdyttiin puhumaan sukupolvesta II. Nykyiset reaktorit, joissa on modernimmat laitokset ja parempi turvallisuus, luetaan usein sukupolveen III tai III+.

Seuraavan sukupolven ydinvoimaa kutsutaan sukupolveksi IV. Termi viittaa ydinvoimajärjestelmään, joka voi tuottaa rajoittamattoman määrän kestävää energiaa jättämättä pitkäaikaista jätettä

Ydinpolttoainetta voidaan käyttää huomattavasti tehokkaammin käyttämällä polttoaine yhä uudelleen. Menetelmää, jolla ydinpolttoaine hyödynnetään kokonaan, kutsutaan polttoainekierroksi ja se tarkoittaa, että uutta polttoainetta luodaan uraanista, joka nykytekniikalla ei ole käyttökelpoista.

Järjestelmän on myös oltava taloudellisesti kilpailukykyinen verrattuna nykypäivän ydinvoimaan ja muihin energialähteisiin. Suunnitteluvaatimuksiin kuuluu, että sekä itse reaktori että muut tilat on suunniteltava niin, että vakavat onnettomuudet eivät voi vaikuttaa niihin.

Toinen vaatimus on, että halkeamiskelpoista materiaalia ei ole mahdollista ohjata aseiden tuotantoon. Halkeamiskelpoisen materiaalin laadun pitää olla riittävän korkea reaktoreissa käytettäväksi mutta liian heikko aseiden valmistukseen.

Vattenfall on mukana pienydinvoimalan esitutkimuksessa Virossa. Siitä voit lukea täältä.

SMR voi edustaa ydinvoiman tulevaisuutta

Luku 10

Vesivoima

Vesivoima on taloudellisesti houkuttelevaa ja toimitusvarmaa, ja sen hiilidioksidipäästöt ovat erittäin vähäiset. Joustavalla vesivoimalla on tärkeä merkitys energiajärjestelmässä, joka yhä suuremmassa määrin koostuu tuuli- ja aurinkovoimasta. Vattenfallilla on vuosisataiset perinteet vesivoimatuotannosta.

Tasapainottava voima

Vesivoimalaitoksia voidaan käyttää sekä perusenergian tuottamiseen (jatkuvasti tarvittavan sähkön tuottamiseen) että säätövoimaksi (sähköntuotantoon, jolla voidaan nopeasti vastata kysynnän muutoksiin).

Sähkön ongelma on, ettei sitä voida suuressa määrin varastoida. Vettä sen sijaan voidaan. Patoaltaat vesivoimaloiden vieressä ovat kuin suuria akkuja. Energiaa voidaan varastoida niinä vuodenaikoina, jolloin veden virtaus on suurta ja sähkönkulutus matalalla, ja käyttää sitten, kun sen kulutus on korkeimmillaan.

Joustava vesivoima voi tarjota varastoaltaitaan valtavana "vihreänä" akkuna sekä Pohjoismaihin että kansainvälisesti. Pohjoismaiden vesivoimaloiden varastoaltaissa on 50 % Euroopan vesivoiman varastoinnin kokonaismäärästä, mikä tuo ainutlaatuista joustavuutta kaikille tarvittaville aikaväleille - sekunneista kuukausiin - ja tarjoaa lisäksi kantaverkon vakauspalveluja Pohjoismaissa.

Hydra Vattenkraft boden

Miten vesivoima vaikuttaa ympäristöön?

Vesivoima on EU:n johtava uusiutuva energialähde, eikä siitä aiheudu juuri lainkaan ilmastoon tai ympäristöön vaikuttavia päästöjä koko tuotantovaiheen aikana. Päästöjä syntyy kuitenkin voimalaitosten rakentamisen ja kunnossapidon yhteydessä. Niiden seuraamiseksi Vattenfall on tehnyt elinkaarianalyyseja (LCA) jo yli 20 vuoden ajan. Näitä elinkaarianalyyseja on hiottu vuosien kuluessa, ja pystymme nyt tarjoamaan asiakkaillemme tarkemman analyysin ympäristökuormituksestamme ympäristöselosteen (EPD) muodossa.

Olemme mukana monissa hankkeissa, joilla pyritään vähentämään vesivoiman negatiivisia vaikutuksia ekosysteemeihin ja luonnon monimuotoisuuteen pyrkimyksenä ekologisen edun maksimointi samalla, kun minimoidaan vaikutus sähköntuotantoon. Näiden toimien joukossa on tutkimuksia kalojen vaelluksesta alavirtaan Ruotsin Älvkarlebyn-tutkimuslaitoksessamme, toimia lohen ja meritaimenen vaelluksen parantamiseksi Stornorrforsin vesivoimalan alueella sekä uusien keinojen kehittäminen kalojen houkuttelemiseksi kalareiteille varmistamalla tehokkaat kulkureitit.

 

Mietityttääkö jokin? Kysy meiltä.

Jos haluat lisätietoa jostain energiaan liittyvästä, kysy meiltä. Olemme sinua varten.