Seuraa sähköpostitse

maanantai 28. heinäkuuta 2014

Miksi ydinvoimalan hukkalämpöä ei kannata hyödyntää

Energiamuodoilla ja energiankantajilla on usein sama mittayksikkö, vaikka niiden laatu ja varsinkin arvo saattaa olla aivan eri. Tämä aiheuttaa helposti sekaannusta. Tämä kirjoitus pyrkii havainnollistamaan, että miksi eri tilanteissa joulea ei aina voi verrata jouleen eikä kilowattituntia toiseen.




Yläkoulun fysiikan tunneilla opetetaan, että energia säilyy. Valitettavasti tämä on vain osatotuus, sillä usein energian laatu heikkenee kun sitä muutetaan muodosta toiseen ja toisaalta eri energiankantajien sisältämä energia ei aina ole yhtä arvokasta. Jos esimerkiksi auton bensatankin ajaa tyhjäksi, niin bensan sisältämä kemiallinen energia päätyy lopulta lämmittämään ympäristöä kitkan ja ilmanvastuksen seurauksena. Eli energia todella säilyy, mutta sen laatu heikkenee samalla. Ympäristön lämpötilaan hajaantuneen energian saamiseksi hyötykäyttöön ei ole tehtävissä mitään vaikka se energia siellä onkin. Poikkeus tästä esimerkistä on se, että jos auto pysäköidään korkeammalle merenpinnasta kuin lähtiessä, niin tällöin osa bensiinin sisältämästä kemiallisesta energiasta, joka siis voidaan vapauttaa polttamalla, on varastoituneena maan vetovoiman aiheuttamaan ”painovoimakenttään”. Tätä ”potentiaalienergiaa” voidaan käyttää mäkilähdössä hyväksi, kuten vanhoilla hyvillä autoilla ajavat kenties hyvin tietävät… Kemiallista energiaa ei voida koskaan muuttaa täydellisesti potentiaalienergiaksi tai miksikään muuksi työtä tekemään kykeneväksi energiaksi vaikka energia sinänsä toki säilyy.

Aina silloin tällöin näkee vaadittavan esimerkiksi yleisönosastokirjoituksissa, että ydinvoimaloiden hukkalämpö pitäisi ottaa talteen. 1000 MW:n voimalasta tulee hukkalämpöä 2000 MW (jos hyötysuhde on vaikkapa ydinvoimalalle realistinen 33,3 %). Tätä hukkalämpöä ei voida ottaa helposti talteen työtä tekevänä energiana tai lämpönä, sillä vaikka kyseisen voimalaitoksen lauhduttimen teho on valtava, niin tämän energian laatu on heikko. Energia on sitä arvokkaampaa mitä korkeammassa lämpötilassa se saadaan hyödyksi. Esimerkiksi megajoule 10-asteista kylpyvettä ei ole kovin käyttökelpoisessa muodossa kylpemiseen, mutta megajoule 40-asteista kylpyvettä on huomattavasti laadukkaampaa. Mitä korkeampi lämpötila esimerkiksi lauhduttimelta saatavalla vedellä on, sitä pienemmällä lämmönvaihtimella siitä voidaan ottaa lämpöä talteen.

Lämpövoimakone (auton moottori, voimalaitos…), jolla voidaan tehdä esimerkiksi sähköä, tarvitsee aina ympäristön, johon energialähteen energiasta ”loppusijoitetaan” se osa, joka ei päädy lämpövoimakoneen työksi (kuvan 1 lämpövoimakone ei voi toimia ilman ympäristöä eli vihreätä nuolta ei ole olemassa ilman sinistä nuolta ja matalan lämpötilan ”ympäristöä”). Tuntematta tuota ympäristön lämpötilaa ei voida ottaa kantaa kuinka arvokas kulloinenkin energiasisältö (yksikkönä joule, kilowattitunti...) on. Voidaan kuitenkin sanoa, että ympäristön lämpötilan ja muiden tekijöiden pysyessä samoina on korkeamman lämpötilan omaava energia aina arvokkaampaa ”per joule”. Paperitehtaan käyttöinsinööri on luultavasti valmis maksamaan enemmän 100-asteisesta prosessivedestä kuin 50-asteisesta, jos hänelle naapuritehtaat yhtä suuria energiamääriä tällaisia tarjoavat.

Kuva 1. Lämpövoimakone. Mitä korkeampi lämpötila on lämmönlähteessä (korkea lämpötila) ja mitä alhaisempi on ympäristön (matala) lämpötila, sitä suurempi osa lämmönlähteen energiasta voidaan saada työksi.
Syy siihen, miksi sitä ydinvoimalan (tai hakevoimalan yms., tässä mielessä eroa ei ole) hukkalämpöä ei kannata ottaa talteen on seurausta termodynamiikan toisesta pääsäännöstä: eristetyn systeemin prosessi etenee aina suurempaan todennäköisyyteen. Kahvikuppi jäähtyy ympäristön lämpötilaan, mutta kylmä kahvikuppi ei palaudu kuumaksi itsestään, ilman ulkoista työtä tai lämmönlähdettä. Eli kansanomaisemmin sanottuna energialla on aina laatu, joka on hyvin alhainen, mikäli kyseessä olevan energian lämpötila on alhainen ympäristöönsä nähden (muista kylpyvesiesimerkki).

Voimalaitoksen lauhduttimelta tuleva veden lämpötila on tyypillisesti luokkaa 25 ˚C ja ympäristön lämpötila 15 ˚C. Ideaalitilanteessakin vain noin 3 % tuon 25-asteisen veden energiasta voitaisiin saada talteen jos ympäristö on 15-asteista. Tällaisen ”lämpövoimakoneen” mitoistakin tulisi niin suuret, että siinä ei olisi teknistaloudellisesti mitään järkeä (mitä suuremmat lämpötilaerot, sitä pienemmä laitteet ja pienemmät kustannukset). Jos puolestaan on käytettävissä 95-asteista vettä (ympäristön, jonne ”hukkalämpö” päätyy, lämpötila on edelleen sama 15 astetta), niin teoriassa 22 % energiasta eli yli kuusinkertainen osuus voi päätyä hyötykäyttöön. Rationaalinen lämpöinsinööri voi siten olla valmis maksamaan yli kuusinkertaisen hinnan 95-asteisesta vedestä verrattuna 25-asteiseen kun ympäristön lämpötila on 15 astetta, vaikka joulemääräisesti myytäisiin sama määrä energiaa. Jos ympäristön lämpötila nousee 24 asteeseen, niin 95-asteinen vesi on jo yli 50-kertaisesti arvokkaampaa per joule kuin 25-asteinen vesi. Näin ”raaka” on termodynamiikan toinen laki, jonka mukaan mitä pienempi lämpötilaero lämmönlähteellä ja ympäristöllä on, sitä pienempi on teoreettisesti mahdollinen energiantuotannon hyötysuhde.

Eli kun jouleja lasketaan yhteen tai vertaillaan, niin energian laatutekijää ei sovi unohtaa. Energian laatu heikkenee muutettaessa sitä muodosta toiseen lämpövoimakoneen avulla (ainakin jos ei käytetä ulkoista energiaa avuksi). Esimerkiksi kivihiilen sisältämä joule on arvokkaampaa kuin kivihiilivoimalan lauhduttimisesta läheiseen vesistöön päätyvä joule. On hiukan harhaanjohtavaa, että eri energiamuodoilla on sama yksikkö, joule, silllä kyse on usein suurista laadullisista eroista. Jos käyttää sähkömoottoria, jolla vesipumppu toimii, niin 1 kilowattitunti (kWh) kemiallista energiaa etanolin muodossa ei ole kovinkaan arvokasta, mutta 1kWh sähköä voi sitä olla. Joissakin tapauksissa voi olla järkevää verrata eri energiamuotoja toisiinsa erilaisia laatukertoimia käyttäen, mutta tämä vaatii ymmärrystä siitä mitä ollaan tekemässä. Usein näin ei ole, mikä on osittain ollut pontimena tälle kirjoitukselle.

Energiantuotantomuotojen hyötysuhteita ei ole myöskään järkevää verrata toisiinsa. Ei siis ole mielekästä verrata tuulivoimalan ja kivihiilivoimalan hyötysuhdetta toisiinsa, sillä edellisen ”polttoaine” on ilmaista, joten sen käyttöä sinänsä ei kannata optimoida. Optimoinnin kohteena tuulivoimalalla mielekkäämpää on tuotetun sähkön hinta per kilowattitunti. (Edes tämä ei ole täydellinen mittari, koska tuulivoimala ei toimi tyynellä säällä ja myrskyn aikana suojatoiminto ajaa tuotannon alas. Lisäksi tuotannon ennustevarmuus heikkenee nopeasti mitä pidemmästä aikajaksosta on kyse. Hiilivoimalakin on jollakin todennäköisyydellä ajettuna alas ja pois tuotannosta vaikkapa turpiinin rikkoutumisen vuoksi).  Edes kahden periaatteessa samankaltaisen hakevoimalan hyötysuhdetta ei välttämättä kannata verrata toisiinsa, mikäli toinen kykenee polttamaan huonompilaatuista (halvempaa) haketta niin, että tuotetun sähkön kustannus on alhaisempi. Yleissääntönä voidaan sanoa, että mitä kalliimpi polttoaine, niin sitä korkeampi hyötysuhde yleensä kannattaa valita. Toki jossakin vaiheessa materiaalien kalleus ja mitoituskysymykset alkavat rajoittaa hyötysuhteen optimoinnin järkevyyttä. Mikäli haluaa verrata esimerkiksi sähköauton ja bensiiniauton paremmuutta toisiinsa nähden, niin hyötysuhde ja primäärienergian (kokonaisenergian) kulutus eivät siis ole hyödyllisiä mittareita vaan parempia ovat esimerkiksi euromääräinen kustannus per kilometri (pääomakulut huomioiden) ja hiilidioksidipäästöt per kilometri koko elinkaari huomioiden.

Yhteenvetona voidaan todeta, että joule energiaa A ei välttämättä ole yhtä arvokasta kuin joule energiaa B. Esimerkiksi bensiiniauton omistaja ei tee kilowattitunnilla sähköenergiaa liikenteessä mitään, mutta yhdellä kilowattitunnilla bensiiniä (noin 1 desilitra) tyypillinen auto voi kulkea noin 2 kilometriä. Eli ”joule” ei aina välttämättä ole yhtä kuin ”joule” eikä voimalassa saadaan koskaan hyödynnettyä 100 % polttoaineen sisältämästä kemiallisesta energiasta. Mikäli voimalaitoksen ”hukkaan” päätyvän lämpöenergian lämpötila on alhainen, sillä ei ole käyttöarvoa vaikka energiavirta sinänsä olisi suuri.