Seuraa sähköpostitse

tiistai 1. marraskuuta 2016

Hyötysuhde-argumentti ohjaa energiakeskustelua harhaan

Energiamuotoja on vertailtava esimerkiksi CO2-päästöjen ja kustannusten kannalta. Usein keskustelu kuitenkin kääntyy hyötysuhteeseen, joka ohjaa keskustelua sivuraiteelle ja voi ohjata tekemään vääriä päätöksiä. Tämä kirjoitus tarjoaa esimerkkejä kokonaisvaltaisemmasta ajattelusta energiajärjestelmien suhteen. 




Usein energiamuotojen puolesta tai vastaan argumentoidaan niiden hyötysuhteen perusteella. Tässä on kuitenkin suuri vaara mennä metsään, varsinkin jos ei tunne eri hyötysuhteiden määrittelyjen eroja. Esimerkiksi öljylämmityksellä voidaan sanoa olevan hyötysuhde noin 80 prosenttia eli varsin korkea, mutta silti öljylämmitys on hyvin tehotonta öljyn käyttöä (perustelen jäljempänä tämän tarkemmin). Öljykattiloita voi verrata keskenään näin määritellyn energiahyötysuhteen perusteella, mutta ei öljyn käyttöä eri tarkoituksiin. Energiajärjestelmiä voi ja pitää verrata toisiinsa hiukan monimutkaisemmin määritellyn ns. eksergiahyötysuhteen perusteella. Eksergiahyötysuhde öljylämmityskattilalle on alle 5 prosenttia, mikä ei kuulostakaan kovin suurelta. Öljykattiloita verrattaessa toisiinsa hyötysuhde voi olla lähes sata prosenttia, mutta öljyn käytön kannalta öljykattilan hyötysuhde on alle 5 prosenttia.

Hyötysuhde voidaan määritellä kahdella eri tavalla, joista energiahyötysuhde on yleisempi, mutta energiajärjestelmien ja energiamuotojen vertailun kannalta valitettavasti huonompi. Tämä yleisimmin käytetty hyötysuhde määritellään termodynamiikan 1. pääsäännön eli energian säilymisperiaatteen mukaan. Esimerkiksi jos lämmitysöljyn poltosta vapautuvasta lämmöstä 80 prosenttia päätyy lämmitettävään veteen, on hyötysuhde 80 prosenttia. Uusien, pakokaasusta vesihöyryä kondensoivien öljykattiloiden hyötysuhde voi jopa ylittää 100 prosenttia (kun lämpöarvo määritetään alemman lämpöarvon mukaan) (ks. esim. täällä). Tarkoittaako korkea energiahyötysuhde, että omakotitalon lämmitys kannattaa hoitaa öljykattilalla? Ei tarkoita. Jos pitäydymme argumentin vuoksi siinä, että öljyä on pakko käyttää, niin kannattaisi mieluummin polttaa öljy yhdistettyä sähköä ja lämpöä tuottavassa voimalaitoksessa (CHP-laitos). Öljy palaa yli 1000 asteen lämpötilassa, jolloin voidaan voidaan tehdä ensin korkean lämpötilan ja paineen höyryä. Tällä höyryllä voidaan tehdä sähköä ja sen jälkeen "jätelämpö" käyttää kaukolämpönä. Ei ole sattuma, että kaukolämpö on yleinen lämmitysmuoto Suomen kaupungeissa, sillä sen 2. pääsäännön mukainen (se, jolla on järjestelmän tehokkuusvertailun kannalta merkitystä) eksergiahyötysuhde on paljon suurempi kuin öljykattilalla toteutetun lämmityksen.

Lämpöpumpun mielekkyyden lämmityksessä ovat havainneet sadat tuhannet suomalaiset ja ruotsalaiset kotitaloudet. Karkeasti voimme esimerkin vuoksi ajatella, että öljystä voidaan saada sähköä 55 prosentin hyötysuhteella kombivoimalaitoksessa ja päälle syntyy vielä lämpöä. Jos laskemme, että lämpöpumppu tarvitsee kolmanneksen sähköä tuottamaansa lämpöenergiaan nähden, niin saamme lämmitettyä 1,7-kertaisesti per lämmitysöljylitra tekemällä öljystä sähköä ja käyttämällä sähköllä lämpöpumppuja verrattuna talokohtaiseen "huipputehokkaaseen" öljykattilaan. Tämän päälle saadaan vielä kaukolämpöä. Selvästikään yli 100 prosentin energiahyötysuhteen (öljyn alemmasta lämpöarvosta laskien) omaava öljykattila ei siis ole öljyn käytön kannalta optimaalinen ratkaisu. Tämä karkea esimerkki ei ota kaikkea huomioon, mutta marginaali vertailujen välillä on niin suuri, että tulos on selvä. Eksergiahyötysuhteen laskeminen ei ole aivan suoraviivaista, joten menen suoraan esimerkkulukuarvoihin. Öljykattilan eksergiahyötysuhde on luokkaa 4-5 %, mutta lämpöpumpuilla päästään noin 15 prosentin eli yli kolminkertaiseen eksergiahyötysuhteeseen. Energiahyötysuhde on lämpöpumpuille laskennallisesti luokkaa 300 % (jos yhdellä yksiköllä sähköä saadaan tuotettua yhteensä kolme yksikköä lämpöä), minkä pitäisi jo soittaa hälytyskelloja, sillä hyötysuhde on huonosti määritelty jos se voi olla yli 100 prosenttia. Lämpöpumppujen tehokkuutta mitataankin energiahyötysuhteen sijaan tavallisesti ns. COP-luvulla, joka kertoo kuinka monta yksikköä saadaan lämpötehoa per käytetty sähkötehon yksikkö. Mitä suurempi COP-luku koko vuotuisen käyttöajan yli laskettuna, sitä vähemmän tarvitaan sähköä suhteessa tuotetun lämmön määrään.

Edellä oli öljykattilaesimerkki, jossa käytettiin öljyn alempaa lämpöarvoa hyötysuhteen laskennassa vaikka prosessi on suunniteltu ottamaan suuri osa polttoaineen ylemmän ja alemman lämpöarvon erotuksesta talteen. Polttoaineen alempi lämpöarvo tarkoittaa, että polttoaineen polttamisessa syntynyt vesihöyry jää tiivistymättä nestemäiseksi vedeksi prosessissa. Ylempi lämpöarvo puolestaan tarkoittaa tilannetta, jossa vesihöyryn höyrystämiseen kulunut lämpöenergia saadaan prosessissa talteen kun vesihöyry tiivistetään eli lauhdutetaan vedeksi. Jos laskennassa käytetään alempaa lämpöarvoa, mutta suuri osa vesihöyrystä tiivistyy prosessissa, päästään yli sadan prosentin hyötysuhteeseen. Tällöin voidaan sanoa, että hyötysuhde oli tarkkaan ottaen väärin määritelty. Tehokkuusmittarien huono määrittely ei rajoitu energiaprosesseihin. Esimerkiksi meetvurstipaketissa voidaan lihapitoisuuden väittää olevan yli sata prosenttia, jos kuiva-ainepitoisuuden eli kääntäen vesipitoisuuden eroja prosessin alussa ja lopussa ei huomioida kuivumisen myötä.

Tavallisesti käytetty energiahyötysuhde huomioi kulloinkin tarkasteltavan laitteen häviöt hyvin, mutta sen heikkous on siinä, että se olettaa laite- tai prosessivalinnan optimaaliseksi. Energiajärjestelmissä on paljon esimerkkejä, joissa laitteen hyötysuhde (1. pääsäännön mukaan määriteltynä) on korkea, mutta prosessi itsessään on epäoptimaalinen. Omakotitalon öljykattila on hyvä esimerkki, mutta ongelmallinen hyötysuhde-argumentin käyttö ei suinkaan rajoitu tähän. Esimerkiksi eksergiahyötysuhde voi olla hyödyllinen pohdittaessa, että kumpi on tehokkaampaa: käyttää biomassaa sähkön tekemiseen ja käyttää saatua sähköä sähköauton liikkumiseen vai valmistaa biomassasta biopolttoainetta ja käyttää sitä polttomoottoriauton tankissa. Energiahyötysuhdetta ei kannata käyttää kahden erilaisen energiajärjestelmän vertaamiseen (vaikka siihen törmääkin silloin tällöin). Varmempaa on vertailla ja kustannuksia ja CO2-päästöjä (jos nämä tiedetään) sekä tarpeen mukaan muita tunnuslukuja keskenään.

Minusta hyötysuhdetta ei kannata käyttää argumenttina energiakeskustelussa jos ei ole tietoinen sen rajoituksista. Minusta energiahyötysuhde on huono paitsi energiajärjestelmien välisiin vertailuihin, myös polttoaineettoman energiantuotannon, kuten tuulivoiman, aurinkopaneelien ja ydinvoimankin hahmottamiseen. Esimerkiksi voidaan ottaa mainittu aurinkopaneeli. Auringosta tulee tuhansia kertoja energiaa ihmiskunnan tarpeeseen nähden. Ei ole mielekästä optimoida aurinkopaneelia käyttämään auringon säteilyä mahdollisimman tehokkaasti sinänsä. Mieluummin pitää optimoida alhaiset kustannukset, alhaiset CO2-päästöt tuotantoketjussa, alhainen vaihtoehtoisessa käytösssä olevan pinta-alan käyttö jne. Pinta-alan vaihtoehtoiskäytöllä tarkoitan sitä, että on esimerkiksi seinä- ja kattopintoja, joilla ei ole muuta käyttöä, mutta vaikkapa sademetsää ei kannata kaataa aurinkopaneelien käyttöä varten. Teknisemmin ilmaistuna sademetsä on esimerkki pinta-alan käytöstä, jonka vaihtoehtoiskustannus on suuri hiilen sidonnasta ja suuresta luonnon monimuotoisuudesta eli biodiversiteetistä johtuen, Jos aurinkopaneelin auringonsäteilyn käytön tehokkuuden parannus auttaa järkevien tavoitteiden saavuttamisessa, on siinä tietenkin järkeä.

Yksittäisten laitteiden vertailussa energian säilymisen mukaan määritelty energiahyötysuhde on usein paikallaan, mutta siinäkin on rajoituksia. Itse en esimerkiksi valitsisi hyötysuhteeltaan kaksinkertaista aurinkopaneelia, jossa sillä tuotetun sähkön hinta ei ole edullisempi (euroissa ja CO2-päästömielessä) kuin verrokkinsa ja pinta-ala johon paneeli asennetaan ei ole rajoitteena. Tuotetun energian hinta ja päästöt per tuotettu energia ovat usein tärkeämpiä kriteereitä kuin hyötysuhde. Usein hyötysuhteen parantuminen on hyvä asia, sillä esimerkiksi materiaaleja tarvitaan tällöin vähemmän per haluttu keskimääräin teho, mutta se ei ole järkevää hinnalla millä hyvänsä. Laitteita suunnittelevat ja kehittävät insinöörit osaavat optimoida oikeita kohdefunktioita. Ongelmallinen hyötysuhteen käyttö vaivaa lähinnä yhteiskunnallista keskustelua. Yhteiskunnallinen keskustelu kuitenkin määrittelee jossain määrin sitä, että valitsemmeko parhaimmat järjestelmät. On tärkeää, että emme käytä keskustelussa huonoja argumentteja, jotka eivät edistä tasokasta keskustelua ja kenties ohjaavat kohti vääriä valintoja.



P.S. Öljyä ei enää oikeasti kannata teollisuusmaassa juurikaan käyttää sähköntuotannossa, mutta argumentoinnin oletin esimerkissä näin. Kombivoimaloissa käytetään yleensä maakaasua ja kivihiiltä.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti