Energiakäänne: faktoja, väärinkäsityksiä, ratkaisuja - - kommentti fysiikan kannalta

käännös, alkuperäinen artikkeli:
https://www.physi.uni-heidelberg.de/energiewende/belege/files/Energiewende_Web_2019.pdf

15.07.2019

Energiakäänne: faktoja, väärinkäsityksiä, ratkaisuja - - kommentti fysiikan kannalta

Energiakäänteen on määrä pysähdyttää ripeästi kasvava ilmastonmuutos. Tätä varten Saksa on sitoutunut Euroopan Unionin ilmastosopimuksessa vähentämään ilmastoa haittaavat kaasut vuoteen 2050 mennessä 80-90-prosenttisesti. Väliaikatavoitteena Saksan ympäristöministeriön pitää vähentää 40% päästöistään vuoteen 2030 mennessä, siis noin kymmenessä vuodessa.

Huomaa: kaikkien näiden tietojen lähde löytyy excel-taululosta osoitteesta  https://www.physi.uni-heidelberg.de/energiewende/Quellenangaben_Web_2019.xls

Faktat

Jotta voitaisiin arvioida, miten realistinen tämä 40% välitavoite on, täytyy ensin  katsoa taaksepäin: mitä ilmastoasioissa saatiin aikaan samassa ajassa, siis viimeisen kymmenen vuoden aikana, kun tuuli- ja aurinkovoimaan investoitiin suuressa mittakaavassa? Vastaus on suorastaan järkyttävä – ilmastolle haitallisia kaasuja pääsee ilmaan yhtä paljon kuin ennenkin – pieniä satunnaisia vaihteluja lukuunottamatta.

Kuvassa 1 nähdään valtiovarain- ja energiaministeriön CO2-tilastot. (Hiilidioksidi muodostaa suurimman osan eli 88% ilmaston kannalta haitallisista kaasuista.)

Kuva 1.  CO2-päästöt viimeisen 10 vuoden aikana. Vuoden 2009 arvo astettiin lukuun 100%. Lähde: Saksan valtiovarainministeriö.

CO2-päästöt ovat kylläkin Saksojen yhdistymisen jälkeen  hieman laskeneet (n. 25%), mistä syystä vuosi 1990 otetaan usein viitevuodeksi. Vähennys kuitenkin johtuu etupäässä uusien osavaltioiden teollisuuden vähentymisestä. Kuvassa näkyvä vuoden 2018 heikko lasku johtuu edellisestä leudosta talvesta, mutta silti sitä hehkutettiin mediassa suuresti.

Jotta voitaisiin ymmärtää, miksi hiilidioksidipäästöt eivät vähene suurista ponnisteluista huolimatta, on tärkeää ottaa huomioon koko energiantuotannon kehitys. Se antaa täysin väärän kuvan, jos – kuten tavallisesti tehdään – otetaan huomioon vain sähkö, koska se on vain 18% kokonaisenergiasta. Lisäksi sektorien välillä on suuria muutoksia, ja jos halutaan arvioida, onko tällainen muutos mahdollinen (esimerkiksi kun siirrytään käyttämään sähköautoja bensiiniautojen sijaan), on tarkasteltava koko järjestelmää.

Kuvassa 2 on esitetty eri energialähteiden osuus energiantoimituksesta samoin kymmenen viime vuoden aikana. Kuvion neljä ensimmäistä laajaa raitaa näyttävät kivihiilen, öljyn ja maakaasun eli fossiilisten polttoaineiden osuuden. Niistä tulee suurin osa energiasta ja ne ovat tärkein hiilidioksidipäästöjen lähde.

Kuva 2.  Eri energiallähteden osuus energiahuollosta. Vuoden 2009 arvo astettiin lukuun 100%. Lähde: Saksan valtiovarainministeriö.

Kuvion 2 alareunassa olevat viisi kapeaa raitaa esittävät ei-fossiilisia energialähteitä ydinvoimasta aurinkoenergiaan, jotka eivät rasita hiilidioksiditasapainoa. Sittemmin näiden ei-fossiilisten energialähteiden osuus kyseisen vuoden kokonaisenergiasta (20%) ei ole käytännössä muuttunut, vaikka Saksa sitoutui nostamaan osuuden vähintään 30 prosenttiin vuoteen 2030 mennessä (edellä mainitun 40 hiilidioksidi laskuprosentin lisäksi). Absoluuttisesti tämän CO2-vapaa energian määrä on jopa vähentynyt hieman vuodesta 2009 (1%).

Muut kuin fossiiliset energialähteet: Ydinenergia, jota oli 6,5 prosenttia vuonna 2018, on määrä lopettaa kokonaan vuoteen 2022 mennessä, mikä lisää hiilidioksidin määrää. Vesivoimaa, joka on tuskin lainkaan näkyvä kaaviossa, on pysynyt muuttumattomana 0,5 prosentissa vuosikymmenien ajan, ja sitä on tuskin mahdollista laajentaa tässä maassa. Biomassan osuus (puu, jätekaasu, biodiesel jne.) on viime aikoina hieman vähentynyt, sen osuus on 9%. Tuulivoiman osuus on 3%, aurinkosähkö ja luonnollisten lämpölähteiden 2% (1,3% plus 0,7%). Luonnollisia lämpölähteitä ovat lämpöpumput sekä aurinko- ja geogerminen energia.

Kuvassa 2 esitettyä energiaa käytetään lämmityksen / jäähdytyksen ja kuuman veden lämmitykseen (32% vuonna 2018) ja prosessilämpönä teollisuudessa (24%). Suuri osa siitä menee mekaaniseksi energiaksi tieliikenteelle (38%). Loput 5% menevät suunnilleen yhtä suurin osuuksin valaistukseen ja liikenteeseen.

Väärinkäsityksiä

Kuvassa 2 näkyvät 2% tuulivoimaa hämmästyttävät meitä hieman. Eikö jo yksi ainoa voimala tuota sähköä yli tuhannelle taloudelle, kuten aina sanotaan? Jos kaikki 30.000 tuulivoimalaa tuottavat sähköä jokainen yli tuhannelle taloudelle, niin energiakäänne on saavuttanut yli 30 miljoonaa olemassaolevasta 41 miljoonasta taloudesta.

Eikö energiakäänne ole silloin jo saavutettu, eikö tämä ole ristiriidassa kuvan 2 tuloksesta? 

Ei ole. Tässä näkyy ensimmäinen väärinkäsitys. Jos kaikki taloudet Saksassa saisivat sähkönsä uusiutuvista lähteistä, se olisi vasta 6% tavoitteesta, joka siis on 80% vuoteen 2050 mennessä. Tuulivoiman osuus näyttää vain suurelta, koska se ilmoitetaan “pienissä yksiköissä” eli talouksien sähköntarpeessa. (Sivumennen sanoen: yksityistalouksien sähköntarve on 25% kokonaissähkön tarpeesta, ja se puolestaan on 18% kokonaisenergiasta, ja 25% näistä 18% suhteutettuna 80% tavoitteeseen tekee 6%.)

Seuraava väärinkäsitys, yleensä mediassa, on että kun aurinko- ja tuulivoimaa verrataan perinteisiin energiantuotantolähteisiin, ilmoitetaan vain asennettu teho eikä todellisuudessa tuotettua tehoa. Kun voimala toimii ympäri vuoden, tuulivoimalan oikeasti tuottama energia on vain neljännes ja aurinkovoimalan vain kahdeksasosa asennetusta tehosta. (Aurinkokennojen asennettu teho saadaan, kun lasketaan aurinkon paistavan kirkkaalta taivaalta suoraan kennoon, ja tuulivoimalat pysäytetään, kun tuulen voimakkuus on 10, siis myrsky, jotta siivet eivät vahingoittuisi. Asennettu teho kiinnostanee turvallisuudesta vastaavaa insinööriä, mutta tuotannon kannalta sillä ei juurikaan ole merkitystä.)

Siis kuten nähdään, tuuli- ja aurinkovoimasta voidaan ilmoittaa monenlaisia hienoja menestyslukuja. Jos kaikkien tuulivoimaloiden asennettu teho esimerkiksi suhteutetaan kaikkien talouksien sähköntarpeeseen, saadaan luku, joka on 4/6% = 70 kertaa suurempi kuin se mikä oikeasti kokonaisenergiassa kiinnostaa eli tuotettu teho. Näistä esimerkeistä näkee, miksi tähänastisen energiakäänteen tulos on niin surkea.

Kuvassa 2 ei ole otettu huomioon, että tuuli- ja aurinkovoimaa ei nyt eikä ennustettavissa olevassa tulevaisuudessa voida käyttää täysimittaisesti. Tämä johtuu erityisesti tuulen ja auringon voimakkaista kausivaihteluista ja päivittäisistä vaihteluista. Koska emme voi mitään sille, että aurinko ei paista tai ei tuule, on joka tapauksessa ylläpidettävä vastaavaa määrää fossiilisia voimaloita korvaamaan tuuli- ja aurinkovoimalat. Tämä pätee, kunnes keksitään riittävä energian varastointi, mutta siitä ei ole vielä tietoakaan.

Ratkaisuja

Lisää samaa ei tule muuttamaan CO2-päästöjen määrää. Seuraavassa esitämme muutamaa vaihtoehtoa nykystrategialle.

Alustavia huomioita

-   - Jotta demokraattisessa prosessissa voidaan tehdä oikeat päätökset, on tärkeää esittää suurelle yleisölle oikeat luvut. Väärin tietoihin ja valikoituihin lukuihin perustuva optimismi johtaa virheellisiin investointeihin ja pettymyksiin.

-  järkevän lähestymistavan on oltava avointa etsimään ratkaisuja, eikä seurata etukäteen määriteltyjä tuloksia. Erityisesti ei pidä vain seurata teollisuuden toiveita: teollisuus haluaa kalliita ratkaisuja niin kauan kuin suuri yleisö ne maksaa.

-  Jätetään CO2-hinnoittelun tärkeät kysymykset talousasiantuntijoille.

Energiansäästö

-   Energiansäästö säästää rahaa, eikä energiaa pidä käyttää turhaan. Jos esimerkiksi liikenteessä käytettäisiin 12% vähemmän polttoainetta, säästyisi enemmän enegiaa kuin mitä kaikki tuulivoimalat yhteensä tuottavat. Vertailun vuoksi: rekisteröityjen uusien autojen määrä on lisääntynyt viimeisten 10 vuoden aikana 11%, niiden teho keskimäärin 18%, ja autokanta on kasvanut kuuden vuoden aikana 8%.

-  Säästettyä rahaa voisi käyttää esimerkiksi energiatehokkaiden asuntojen rakentamiseen tai ilmastonmuutoksen vaikutusten lieventämiseen.

Tulevaisuuden energiahuolto

-   Saksassa on voimakkaita vaihteluja vaihtoehtoisissa ja ennen kaikkea aurinkoenergian toimituksissa, vaikka niitä voidaan tasapainottaa kansainvälisen verkostoitumisen avulla. Mutta aurinkoenergiaa maailmanlaajuisesti on paljon ja sitä tulisi hyödyntää paremmin. Maapallon päiväntasaajan alueilla aurinkovoimaloihin voisi käyttää suuria alueita, ja myös tuulienergialle on olemassa huomattavasti parempia sijainteja kuin suhteellisen vähätuulinen Saksan sisämaa.

-    Ydinvoiman vaaroja (ydinfissio tai ydinfuusio) olisi arvioitava verrattuna ilmastonmuutoksen vaaroihin. Lisäksi on hyvä muistaa, että eri teollisuusmaissa kehitetyt hyötöreaktorit tuottavat paitsi hiilidioksiditonta, myös uusiutuvaa sähköä.

Loppuhuomautuksia

Eri viranomaisten ja virastojen tutkimuksissa todetaan, että vuoteen 2050 mennessä tuuli- ja aurinkoenergia yhdessä sähköautojen käytön kanssa voi vähentää ilmastolle haitallisia hiilidioksidipäästöjä 95 prosentilla, jopa silloin, kun liikenne ei vähene. Ovatko nämä suunnitelmat realistisia, on jokaisen päätettävä itse: tuulivoimaloita olisi asennettava kaupunkeihin ja maaseudulle aina 2,5 kilometrin etäisyydelle toisistaan ja lisäksi aurinkokennoja yli tuhannen neliökilometrin alueelle.

Joka tapauksessa on vaikea kuvitella, että nykyiset energiantarpeet voidaan täysin kattaa uusiutuvilla energialähteillä. Energiansäästön kaikilla alueilla on siksi oltava etusijalla. Tässä asiassa Saksan on korkean teknologian maana näytettävä esimerkkiä.

Huomaa: Tarvittava energia on laskettu kulutuksen ja väestön mukaan henkeä kohti. Vaikka on selvää, että Saksassa kulutuksen asukasta kohden on laskettava huomattavasti, väestön vähenemistä tässä maassa pidetään katastrofina. Koko maailman väestön kasvukysymyksestä tulisi keskustella puolueettomasti - muuten luonto kyllä tietää, miten itseään puolustaa. Energiankulutustamme ei kuitenkaan mitenkään voida laajentaa vain kymmeneen tai viiteen miljardiin ihmiseen.

                                                   

Prof. Dr. Dr. h.c. Dirk Dubbers, Prof. Dr. Johanna Stachel, Prof. Dr. Ulrich Uwer, Physikalisches Institut der Universität Heidelberg.
(Heidelbergin yliopiston fyysiikan laitos)

Liite

Kiinnostuneelle maallikolle vielä muutama luku energiakäänteestä.

Bioenergia:
Biomassaa on käytetty energiantuotantoon aina muinaisista ajoista asti, ja se tuottaa Saksassa keskimäärin 1,5 wattia viljeltyä neliömetriä kohti.

Aurinkoenergia:
Aurinkopaneeli voi tuottaa 120–140 wattia neliömetriltä keskipäivällä keskipäivän voimakkaassa auringonpaisteessa, mutta Saksassa keskimäärin vuodessa se tuottaa vain 15–20 wattia / m2.

Suuruusluokista:
Hiustenkuivaajan tai sähkölämmittimen virrankulutus on tyypillisesti 2000 wattia (2 kW). Heidelbergin "aurinko"-laiva Neckarsonne tarvitsee 54 kW täydellä nopeudella kulkemiseen, mutta sillä on vain noin 20 neliömetriä aurinkokennoja, joihin valo ei osu suoraan, mikä tuottaa parhaimmillaan 1 kW, mikä tuskin riittää keittiön tarpeisiin. Siksi aurinkolaiva saa käytännössä kaiken energian julkisesta sähköverkosta.

Tuulivoima:
Keskimäärin tuulivoimalan vuotuinen asennettu kapasiteetti on 1900 kW, todellinen teho on 440 kW. Siitä 350 kW saadaan kuluttajalle.

Näin saat käsityksen numeroiden suuruudesta:
Uuden rekisteröidyn auton suorituskyky on nykyisin Saksan ajoneuvokeskuksen mukaan keskimäärin 111 kW. Tyypillisellä 30%: n hyötysuhteella täydessä kuormituksessa auto tarvitsee siis tehoa 111 kW / 30% = 370 kW. Tietenkään kaikki autot eivät aja jatkuvasti huippunopeudella, mutta keskimäärin kolmellesadalle sähköautolle tarvitaan yksi tuulivoimala (mukaan laskien autot, jotka ovat talleissa). Nykyisille 46 miljoonalle autolle tämä vaatisi yli 100.000 tuulivoimalaa lisää. Vihreää sähköä voidaan kuitenkin käyttää vain kerran, ja se on jo käytettävä korvaamaan ydinvoima. Siksi sähköautot tulevat myös pitkällä tähtäimellä saamaan sähkön lähinnä vain tavanomaisista fossiilisista voimalaitoksista. (Usein mainittu sähkömoottorin hyötysuhteen noin kolminkertainen lisä verrattuna bensiinimoottoriin häviää fossiilisen energiantuotannon alhaisen 30%: n hyötysuhteen vuoksi.) Vaikkakin sähköauto houkuttelisi, ei sillä siis ole käytännössä energiakäänteen onnistumiseen mitään vaikutusta.