Kuinka ison kasan polttoainetta voimala kuluttaa puolessa vuodessa?

Ilmalaiva-artikkeli herätti keskustelua varmuusvarastojen koosta.

Pikainen laskelma siitä, minkä tilavuuksinen on yhden tunnin polttoainevarasto eri polttoainetyypeillä 100 MW voimalassa (= 100 MWh/h): [1 s. 9]

m³/100 MWh
Kevyt polttoöljy 10
Kivihiili 17
Puupelletti 30
Koivuhalot 66 (pino-m³)
Jyrsinturve 111 (irto-m³)
Maakaasu 10000 (ei LNG)

Tiiveimpään tilaan menee kevyt polttoöljy, kivihiili vie tilaa lähes kaksi kertaa niin paljon. Kivihiili kuitenkin on selvästi toiseksi paras energiavarasto tilavuuteen nähden. Se on myös ainoa, jonka voi varastoida huoletta kasaan ulos. Pienimpään tilaan menevä biopolttoaine puupelletti vie kolme kertaa öljyn verran tilaa. Koivuhalot vievätkin sitten tilaa 7 kertaa enemmän ja jyrsinturve 11 kertaa enemmän. Ei-nesteytetty maakaasu on sitten omassa sarjassaan tuhatkertaisella tilavuudellaan.

Tämä aika kauniisti selittää sen, miksi Suomen huoltovarmuusvarastot ovat 80% öljyä ja 20% kivihiiltä eikä sitten muuta.[3]

100 MW vastaa noin Keravan kokoisen kaupungin voimalan tuotantoa. Helsingin voimaloissa kulutus pitää kertoa noin viidellä.

Jotkut kunnanäidit ovat hakoteillä kuvitellessaan, että hiilikasat pienenevät, kun siirrytään enimmäkseen biopolttoaineisiin. [2] Ei ihmeessä. Huoltovarmuusvarastot ovat varmasti tulevaisuudessakin kuuden kuukauden (*) kokoiset. Jos joudutaan varastoimaan jyrsinturvetta kivihiilen sijaan, kasan koko nousee yli kymmenenkertaiseksi (ja tuota kasaa on koko ajan kasteltava tai kuivattava – ja se voi räjähtää).

Tässä vielä kuuden kuukauden varaston koko eri polttoainetyypeillä tuhansina kuutioina ja kokoa vastaavan varastokuution sivun pituutena:

1000 m³/6 kk varasto 100 MW kulutuksella

1000m³/100 MWh
Kevyt polttoöljy 43
Kivihiili 77
Puupelletti 133
Koivuhalot 288 (pino-m³)
Jyrsinturve 480 (irto-m³)
Maakaasu 43200 (ei LNG)

Kuution muotoisen varaston sivun pituus (m)
6 kk varasto 100 MW kulutuksella

m/100 MWh
Kevyt polttoöljy  35
Kivihiili  43
Puupelletti 51
Koivuhalot 66 (pino-m³)
Jyrsinturve 78 (irto-m³)
Maakaasu 350 (ei LNG)

Pikkuvoimalan puolen vuoden maakaasuvarasto olisi Suomen korkeimman radiomaston korkuinen kuutio. [4] Jyrsinturvevarastokuutio olisi hieman korkeampi kuin Puijon torni eli myös samaa luokkaa kuin Suomen korkein asuinrakennus Cirrus Vuosaaressa (26 kerrosta). Koivuhalkovarastokuutiokin olisi vielä korkeampi kuin yksikään vesitorni Suomessa. Puupellettivarastokuutio olisi Linnanmäen korkeimman laitteen, Panorama-tornin korkuinen. Kivihiilikasa olisi Kerimäen kirkon kellotapulin korkuinen kuutio. Kevyt polttoöljysäiliö olisi vain kymmenkerroksisen kaupunkikerrostalon kokoinen (esim. samaa luokkaa kuin Sanomatalo Helsingissä).

Isolle voimalalle varaston koko kerrotaan ainakin viidellä. Olkiluoto kolmea vastaa 15 kertaa näin suuri polttoaineenkulutus. Ruotsista koko ajan tuotava sähkö vastaa 27 kertaa näin suurta polttoaineenkulutusta.

(*) Huomasin lopussa, että varmuusvarastojen vaadittu koko on 5 kuukautta, josta kolme kuukautta voimalassa. Pidin kuitenkin luvut kuudessa kuukaudessa.

[1] Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. Eija Alakangas, 2000, VTT Energia tiedotteita 2045. http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2000/T2045.pdf

Ilmalaiva kuljettamaan puuhiiltä

Usein sanotaan, että Suomessa pitäisi käyttää enemmän biopolttoaineita. Pikainen laskutoimitus osoittaa kuitenkin, että se on melko mahdotonta. Voimalaitosten tuottama lämpö kannattaa hyödyntää, jolloin voimalaitokset ovat ensisijaisesti keskellä kaupunkeja. Ja jos voimalaitokset kuluttaisivat puuta täydellä tehollaan, iso kaupunkivoimala tarvitsee kymmenen minuutin välein rekkakuormallisen puuta.(*)

Tällainen määrä puutavararekkoja aiheuttaisi melkoisen ruuhkan kaupunkiin. Kuljetusmatkat olisivat myös paljon pidempiä kuin paperitehtaille viennin keskimäärin 95 kilometrin kuljetusmatka – paperitehtaat eivät todellakaan ole suurkaupunkien keskustoissa. Lisäksi yksi puutavararekka kuluttaa tietä yhtä paljon kuin 86 000 kaupunkiautoa. (**)

Ideani on, että voisimme kuljettaa puuhiiltä ilmalaivalla voimalaitokselle.

Voisimme kuljettaa puita mahdollisimman hankalasta paikasta mahdollisimman hankalaan paikkaan: tiettömästä metsästä suoraan kaupungin keskustaan.

Koska Suomen energiantuotanto on joka tapauksessa kriisissä, voimme unohtaa hiilidioksidipäästöt, ja ottaa käyttöön kehitysmaissa hyväksi koettu keino: puuhiili. Voimme polttaa puut jo metsässä hiileksi ja kuljettaa vain paljon enemmän energiaa samassa painossa sisältävää hiiltä. Nyrkkisääntö sanoo, että puolet energiasta jää puuhiileen. Puuhiili kuitenkin painaa paljon vähemmän ja tuottaa palaessaan paljon vähemmän tuhkaa. Puuhiilen poltossa saadaan myös talteen arvokasta puuöljyä.

USA:ssa testataan 66 tonnin kantavuuksisia alumiinisia kuljetusilmalaivoja. [5]

Puuhiilen lämpöarvo on 30-35 MJ/kg eli noin 9 kWh/kg. [1, s. 78] Se on yli kaksinkertainen kuivan puun lämpöarvoon. Metsässä polttamisessa myös selvitään puun kuivauksen ja haketuksen ongelmasta.

66 tonnin ilmalaiva vastaa yli kolmea tukkirekkaa. Mielenkiintoiseksi tämä tulee, jos pystytään toteuttamaan suunnitelmissa oleva 500 tonnin kuorman ilmalaiva. Silloin yksi hiililastissa oleva ilmalaiva vastaa 25 tukkirekkaa. Ilmalaivoja tarvitaan kuitenkin yhä yksi hiililastillinen aina neljän tunnin välein.

Mikäli puuta ei polteta hiileksi, lasteja tarvitaan kaksinkertainen määrä ja puu on kuivattava ja haketettava kuluttaen energiaa.

Ilmalaiva olisi mielenkiintoinen vaihtoehto, koska tiestö ei kuluisi, kaupunkeihin ei tulisi ruuhkia, puuta voitaisiin hakea tiettömistä metsistä samalla kustannuksella kuin tien vierestä, ja ilmalaiva ei tarvitse energiaa pysyäkseen ilmassa. Ilmalaivan kulut ovat hyvin lähellä sen pääomakulut – mutta ilmalaivan hinnasta kenelläkään ei ole vielä mitään käsitystä. Kuten tuulivoimaloiden rakentajat ovat huomanneet, Suomi on hyvä paikka ilmalaivoille, koska täällä tuulee ja myrskyää kansainvälisesti katsoen vähän.

(*) Puu joudutaan jossain kuivaamaan ja ehkä hakettamaan, mutta jos oletamme, että kuljetettava puu on koivua, joka tuodaan kuivattuna (10-20% kosteus) voimalaan, koivun polttoarvo on 4,15 kWh/kg [1 s. 73] eli 41 tonnin hyötykuorman polttoarvo on 170 MWh. Yhdellä kuormalla 170 MW voimala toimisi tunnin 100% hyötysuhteella. Esimerkiksi Hanasaaren voimala Helsingissä on sähköteholtaan 220 MW ja lämpöteholtaan 420 MW. Tuollainen voimala tarvitsee 4-6 puutavararekkaa tunnissa. Nyt voimala suunnittelee käyttävänsä tulevaisuudessa 5% pellettejä, mikä on jo aikamoinen kuljetusrumba.[3]

(**) Auto kuluttaa tietä suhteessa (akseli)painonsa neljänteen potenssiin. [4, ”Generalized Fourth Power Law”] Täysikokoinen puutavararekka painaa 60 tonnia (hyötykuorma 41 tonnia), ja on seitsemänakselinen [2] eli yksi tukkirekka kuluttaa tietä yhtä paljon kuin (60/(7/2))⁴ = 86 tuhatta tonnin painoista kaupunkiautoa (kaksi akselia). Tukkirekka kymmenen minuutin välein vastaa 12 miljoonaa kaupunkiautoa vuorokaudessa tuhoamassa tiestöä.

[1] Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. Eija Alakangas, 2000, VTT Energia tiedotteita 2045. http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2000/T2045.pdf

[2] Puutavaran autokuljetus, Metsätehon opas, Metsäteho, 1997. http://www.metsateho.fi/files/metsateho/Opas/Puutavaran_autokuljetus_opas.pdf

[3] http://blogi.helen.fi/siilot-valmiina-salmisaaressa/

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/AASHO_Road_Test

[5] http://gizmodo.com/the-aluminum-airship-of-the-future-has-finally-flown-1301320903

Huoneilma ja kosteus

Pohdiskelen sovellusta, joka auttaisi tekemään huoneilmasta parempaa näin helteellä.

Tällä hetkellä kotonani on 25 astetta lämmintä ja 72% kosteus. Ulkona on 25 astetta ja suhteellinen kosteus 71%. Hyvä hetki tuulettaa, mutta tuuletus ei auta tällä kertaa parantamaan sisäilman miellyttävyyttä.

Mitä tapahtuu, jos pistän ilmastoinnin päälle, ja se pudottaa sisäilman 22 asteeseen? Kosteus sisällä nousee, mutta kuinka paljon? Olisiko se itse asiassa epämiellyttävämpää kuin 25 astetta?

Suhteellisen kosteuden laskeminen on hankalaa ja siinä on käytettävä apuna taulukkoa ja laskinta. Suhteellinen kosteus on aina se, kuinka monta prosenttia ilmassa on vettä siitä vesimäärästä, että tuo vesi tiivistyisi kasteeksi. Tuo tarvittava vesimäärä kuitenkin on aivan eri riippuen lämpötilasta – eikä tuo vesimäärä käyttäydy mitenkään yksinkertaisesti eri lämpötiloissa. Tarvitaan siis jonkinlainen suhteellisen kosteuden laskin.

Hyvää tuollaista laskinta erityisesti tähän tarkoitukseen ei kuitenkaan tietääkseni ole saatavissa.

Kuinka tuo aiempi esimerkki sitten pitäisi laskea?

Ensinnäkin ilmassa oleva vesimäärä pysyy vakiona lämpötilasta riippumatta. Tuota vesimäärää hieman epäloogisesti kuvataan lämpötilalla: kastepisteellä. Kastepiste kertoo lämpötilan, jossa ilmassa oleva vesimäärä muuttuu vedeksi ja kastelee pinnat.

Wikipediaa lainaten, ihminen tuntee kosteuden seuraavasti: [1]

20 °C Ankaran painostava
18 °C Tukala
16 °C Kostea
13 °C Mukava
10 °C Virkistävä

Kastepistelaskimella (esim. [2]) voimme laskea, että 25 astetta lämmintä ja 72% kosteus tarkoittaa kastepistettä 19 astetta eli ”tukalan” ja ”ankaran painostavan” välillä”.

Mitä siis tapahtuu, jos viilennämme sisäilman kolmella asteella ilman, että kosteutta poistetaan tai ilmaa vaihdetaan? Kastepiste säilyy samanan 19 asteena, joten suhteellinen kosteus nousee  72%:sta 84%:iin. Homehtumisvaara nousee tuosta aika rajusti.

Lisäksi aina kannattaa muistaa, että jos 19 asteen kastepisteisen ilman viilentään 19 asteiseksi, suhteellinen kosteus nousee 100%:iin ja kaikille pinnoille tiivistyy kosteutta. Tuo pilaa puurakenteet melkoisen nopeasti ja peruuttamattomasti.

Milloin siis kannattaa pistää ikkuna auki, kun ulkoilman olosuhteet parantaisivat sisäilmaa ja milloin taas huonontavat? Milloin kannattaa pistää ilmastointi päälle ja milloin vain kosteuden poisto? Näihin kysymyksiin voisi antaa vastaukset sopivat kännykkäsovellus. Tuollaista tällä hetkellä pohdiskelen.

Ideoita otetaan vastaan kiitollisuudella…

[1] http://fi.wikipedia.org/wiki/Kastepiste
[2] http://www.dpcalc.org/

Kuva: CC-BY 2.0 Flickr jenny-pics

Oikea tapa laskea uusiutuvan energian tuotanto asuntojen tarpeisiin: yksi ihminen kuluttaa asumiseen yhden kilowatin

Usein, kun puhutaan uudistuvasta energiasta kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta esiintyy mystinen laskentayksikkö ”kuinka monen asunnon tarpeisiin”.

Ensinnäkin tietysti kumpikaan energiantuotantomenetelmä ei kelpaa yhdenkään suomalaisen asunnon sähköntuotantoon yksin, koska niiden tuotanto on satunnaista, kenelläkään ei ole mahdollisuutta varastoida sähköä, eivätkä ne kunnolla edes kompensoi toistensa puutetta (ks. [1]). Mutta unohdetaan tämä pikkujuttu tässä laskelmassa.

Asuntolaskelmassa viitattu asunto on joskus rivitaloasunto, mutta useimmiten kyseessä on kaukolämmössä oleva kerrostaloyksiö. Se, mitä keskivertomummon muutamalla 40 watin kattolampulla ja jääkaapilla on tekemistä keskimääräisen lämmitettävän suomalaisen asunnon tyypillisellä energiankulutuksella on aika vähän.

Paljon parempi mittari on se, kuinka paljon energiaa ihminen oikeasti tarvitsee asumiseen ja kuinka monen ihmisen asuminen katetaan voimalaitoksen tuotolla. Tämä on yllättävän helppoa laskea. Ja vastaus on yksi kilowatti henkeä kohden.

Keskimääräisellä suomalaisella on käytettävissään neljäkymmentä neliötä asuntoa. Tämä on tilastofakta [2].

Asuminen vie sekin hyvin ennustettavan määrän energiaa vuodessa neliötä kohden.[3] Kaikkein pahin ennen vuotta 1970 rakennettu talo kuluttaa kaikkineen (lämmitys, talotekniikka, lämmin vesi, kotitaloussähkö) 350 kWh/m² vuodessa. Kaikkein pihein passiivitalo kuluttaa 60 kWh/m² vuodessa. Aivan valtavassa enemmistössä Suomessa olevista taloista asuminen kuluttaa korkeintaan noin 200 kWh/m²/vuosi. Voimme pitää sitä erittäin hyvänä keskiarvona, jonka virhe on enintään joitakin kymmeniä prosentteja.

Tämä siis tarkoittaa, että yksi ihminen kuluttaa asumiseen 8000 kWh/vuodessa. Tällä ylläpidetään tämän ihmisen vaatima 40 neliömetrin tila, estetään sen tuhoutuminen kosteusvaurioihin, lämmin suihku ja erilaiset sähköhärvelit.

Vuodessa on 8766 tuntia, eli

yhden ihmisen asumiseen kuluttama teho = 8000 kWh / 8766 h = 912 W ≈ 1kW

Yksi ihminen kuluttaa asumiseensa joka hetki yhden kilowatin.

Tämänhetkisellä sähkön hinnalla tämä maksaa kymmenen senttiä tunnissa, 900 euroa vuodessa.

Jos siis mietimme esimerkiksi

  • 2 MW jättikokoinen tuuliturbiini täysillä ollessaan tuottaa sähkön 2000 ihmisen asumiseen
  • 2 kW aurinkopaneelisto (noin 13 m², [4]) tuottaa parhaalla auringonpaisteella sähkön kahden ihmisen asumiseen (mutta tuotanto ja kulutus eivät kohtaa)
  • Tätä kirjoitettaessa tuulivoimaa tuotetaan Suomessa Fingridin tilannekuvan mukaan mukavasti 107 MW. Tämä tuottaa tarpeeksi energiaa 107000 ihmisen asumiseen (eli noin Suomen kahdeksanneksi suurimman kaupungin Kuopion asukkaiden asumistarpeisiin). Tämä on noin 2% Suomen asukkaista.

Ns. kotitaloussähkö ei ole ihmisen asumisen energiankulutuksesta Suomessa kuin 10-20%.[3] Ei siis ole realistista säästää energiankulutuksessa siitä, varsinkin koska suurin osa kotitaloussähköstä muuttuu perimmiltään lämmöksi ja vähentää varsinaisen lämmitysenergian tarvetta.

Edellä lasketun asumiskulutuksen lisäksi tulevat liikenne, kauppa, teollisuus ja muut työpaikat.

Jos ihminen haluaa tinkiä energiankulutuksestaan, merkittävin tapa on vähentää asumisneliöitä. Mikäli asumisenergiankulutuksesta tingitään, tämä johtaa asuntojen tuhoutumiseen hyvin nopeasti kosteusvaurioihin. Asumisenergiankulutuksen osakulutukset (lämmitys/viilennys, talotekniikka, lämmin vesi, sähkölaitteet) ovat toisistaan riippuvaisia, ja yhdestä tinkiminen tarkoittaa toisen kulutuksen kasvua.

[1] http://www.sahkolamppu.com/2014/06/aurinko-tuuli-kaksi-kolmasosaa.html
[2] http://www.stat.fi/til/asas/2008/asas_2008_2009-12-15_kat_001_fi.html, http://www.stat.fi/til/asas/2013/asas_2013_2014-05-21_tau_003_fi.html
[3] http://www.vtt.fi/liitetiedostot/cluster5_metsa_kemia_ymparisto/Nieminen.pdf
[4] http://www.yinglisolar.com/assets/uploads/products/downloads/YGE_60_Cell_Series_EN.pdf

Aurinko + Tuuli = kaksi kolmasosaa maksimista

Maalaisjärkikin sen sanoo, että harvoin tuulee ja on aurinkoista yhtä aikaa. Siispä aurinkosähkön ja tuulisähkön yhteenlaskettu tuotanto onharvoin maksimissaan yhtä aikaa. Tai itse asiassa ei koskaan.
Saksan alkuvuoden sähköntuotantotilastosta [1] selviää mielenkiintoinen seikka, että tuulisähkön ja aurinkosähkön tuotanto ei ole ikinä ollut enempää kuin 2/3 yhteenlasketusta maksimituotannosta.
Kun Saksassa maksimi aurinkoenergiantuotanto on 20 GW ja tuulisähköntuotanto 25 GW eli yhteensä 45 GW, yhdessä ne eivät ole koskaan olleet enempää kuin 30 GW.
Kuvan mukaan on melko tavallista, että on aurinkoista mutta tuuletonta. Kuitenkaan kuvassa ei ole sellaista hajontaa, joka viittaisi siihen, että tuuli ja aurinkoenergiat kompensoisivat hyvin toisiaan. Suurin osa pisteistä on lähellä nollaa kummallakin akselilla.

Windfall

Kun nyt hallitus luopui lopulta windfall-verosta, on aika muistuttaa siitä, mistä on kysymys.

Aivan lyhyesti Suomen windfall-vero oli suunnitelma verottaa niitä sähköntuotantotapoja, jotka eivät tarvitse päästöoikeuksia.

Näitä hiilidioksidia tuottamattomia sähköntuotantotapoja ovat vesi- ja atomivoima.

Onko sitten järkevää kompensoida EU:n haittaveron vaikutuksia omalla verolla? No ei.

Aiemmat artikkelit valoittavat asiaa:

4.7.2013: Päästöoikeudet, windfall ja tukipelleily
4.2.2013: Mikä ihmeen windfall?