perjantai 29. kesäkuuta 2012

Energia

Ensin mainitsen, että sain Osmo Soininvaaran uusimman kirjan Vihreä Politiikka postissa vasta eilen, joten en ole pettänyt lupaustani arvioida sitä mahdollisimman ennakkoluulottomasti. Hän sivuaa, pikaisella vilkaisulla aika pinnallisesti, energiapolitiikan itse mielenkiintoisimmaksi kokemaani aihetta eli ydinvoimaa. Kirjoitan tästä erikseen joskus myöhemmin, kun kirjoitan kirjasta pidemmän arvion.

Olen tajunnut viimeaikoina, että minulla on tiettyjä, sanoisinko epätyypillisiä neurologisia piirteitä, ja yksi niistä on kummallinen viehtymys erilaisiin skaaloihin ja suuruusluokkiin. Tämä kiinnostus on luonteeltaan neurologista, eikä siihen liity mitään savant-tyyppistä erityislahjakkuutta tai taitoa. Se vastaa lähinnä joidenkin ihmisten lähes morbidia kiinnostusta juniin.  Sanon tämän varoituksena; siinä mitä alla kirjoitan, voi olla jopa suuruusluokkavirheitä, koska luvut joita käytän ovat peräisin ympäri verkkoa löytämistäni arvioista. Lisäksi huomautan, että tässä puhutaan vain energiasta, ikäänkuin se olisi itsetarkoitus. Se ei ole sitä, vaan se on proxy, mutta pitkän aikavälin proxynä se on riittävän tarkka.

Lähdetään Kardashevin asteikosta, joka voidaan approksimoida seuraavalla kaavalla:
K = log10(MW) / 10
Kaavassa  "MW" on siis tehontuotanto megawatteina. Merkitsen tätä yksinkertaisuuden vuoksi funktiona K(E), siis se on pelkkä tehon skaalausfunktio. Koska asteikko on logartminen, se ei ole additiivinen, eli jos meillä on kaksi tehonlähdettä x ja y, niin ei ole mitään yksinkertaista keinoa ilmaista suuretta K(x+y). Sensijaan skaalaaminen muuttuu yhteenlaskuksi, ja tällä funktiolla K(10*E) = K(E) + 0.1, eli kun asteikko siirtyy 0.1 pykälää, niin teho kymmenkertaistuu.

Maailman energiankäyttö on tällä hetkellä karkeasti arvioiden 100 000 TWh vuodessa. Tämä tarkoittaa keskimäärin 11415525 MW, eli karkeasti 11*10^6 MW energiantuotantoa. Huipputehon tuotantokapasiteetti on varmasti huomattavasti suurempi, mutta sivuutan sen. Kardashevin asteikolla tämä on melkein tarkalleen 0.7. Vertailun vuoksi auringon  säteilyenergia maapallon poikkileikkauksen yli on noin 1.740*10^11MW, mikä vastaisi K arvoa 1.1.

Olettaen että sukupolvemme energiainvestointien tähtäimessä on energiamäärä E niin, että K(E) on vähintään 0.8. Tämä arvo vastaisi siis 10^8 MW tuotantoa. Surullisenkuuluisa Olkiluoto III tuottaa noin 1600MW, joten tämä tarkoittaisi, että 0.8 sivilisaatio tarvitsisi 62500 vastaavankokoista voimalaa. On ilmeistä, että tämä on epärealistista lyhyellä aikavälillä; maailmassa on tällä hetkellä muutamia tuhansia reaktoreita, tutkimuskäyttöön tarkoitetut mukaanluettuna.

Mutta verrataan tätä vaikkapa tuulivoimaan. USA:ssa on maailman suurin tuulivoimapuisto, Alta Wind Energy Center. Sen kapasiteetti on 1000MW, ja pinta-ala 36 neliökilometriä. k = 0.8 tasoisen energiantuotannon toteuttaminen tuulivoimalla vaatisi siis karkeastiarvioiden Suomen maapinta-alan verran tuulivoimapuistoja maailmaan. Tämä kuulostaa epärealistiselta, mutta maailmasta kyllä löytyy aavikkoa jne aivan riittävästi. Suurempi ongelma on vaadittavien raaka-aineiden määrä.

Palataan ydinvoimaan, ja erityisesti Toriumiin. Teknologiset ratkaisut toriumin suhteen eivät ole vielä tyydyttäviä, joten vielä tämä ei ratkaise ongelmia. Yksi merkittävä syy sille, että tähän teknologiaan on investoitu hyvin vähän on, että torium-polttoainesyklistä ei synny ydinaseisiin käyttökelpoisia isotooppeja. Tämä näyttää "hyvältä" puolelta, mutta se on siinä mielessä huono puoli, että ydinaseista kiinnostuneet valtiot eivät ole olleet halukkaita panostamaan. Yksi lupaavimpia ratkaisuja näyttäisi olevan LFTR- tyyppiset reaktorit, joita voidaan rajoitetusti hyödyntää jo olemassaolevan käytetyn polttoaineen tuhoamisessa ja muuttamisesa vaarattomammiksi isotoopeiksi. Toriumin yleisyydestä ja lupaavuudesta kertoo jotain se, että graniitissa on toriumia yleensä noin 13ppm. Tämä tarkoittaa, että tonni graniittia sisältäisi 13 grammaa toriumia. Tästä saatava energia vastaa 50 tonnia hiiltä. Kun ydinvoimaa vastustetaan sillä argumentilla, että "louhinta aiheuttaa kauheasti vahinkoa", niin kannattaa skaalata: Louhimalla graniittia saman verran kuin nykyisin louhitaan hiiltä, saadaan energiaa 50 kertainen määrä!

Ydinvoiman vastustuksen argumenteissa ikävin puoli onkin suurusluokkien täydellinen katoaminen. Miljoonan ja miljardin ero ei ole mitään; koska säteilyä ei voi nähdä (ikäänkuin hiilinanopartikkelit eli noen voisi nähdä), sitä pitää vastustaa. Esimerkiksi Risto Isomäki on esittänyt kirjoissaan täysin suhteettomia skenaarioita siitä, miten vaarallista ydinvoima ja erityisesti hyötöreaktorit ovat. Hänen kovasti kannattamansa palmuöljy: Neliökilometri palmuöljypeltoa tuottaa noin 500 tonnia öljyä vuodessa. Biodieselin energiapitoisuus on noin puolitoistakertainen hiileen verrattuna, mutta koska prosessin hyötysuhde on melko huono, voidaan arvioida tämä yhtä energiapitoiseksi kuin hiili. Eli tämä vastaa noin 10 tonnia graniittia. Graniitin tiheys on 2.6 tonnia kuutiometrille. Eli tämä on neljä kuutiometriä graniittia. Jos neliökilometrin kokoisesta kalliosta louhitaan tasaisesti 4 mikrometriä, niin saadaan 4  kuutiometriä kiveä.  4 mikrometriä vuodessa tarkoittaa 4 millimetriä 1000 vuodessa, mikä on vähemmän kuin normaali kallioperän eroosio.

Yksi ongelma kuitenkin on pitkälle aikavälille: Vaikka nykyinen energiantarve voitaisiinkin toriumenergialla tuottaa, olennainen kysymys on paljonko toriumia tarvittaisiin k=0.8 tasolla? 10^8MW tarkoittaa 8760 000 TWh vuodessa. Koska tonni toriumia riittää noin terawattituntiin, niin, tämä tarkoittaisi että toriumia tarvitaan 8.8 megatonnia vuodessa. Graniitti ei tähän piisaa, koska 13ppm pitoisuuksilla tämä tarkoittaisi että graniittia pitäisi louhia 673 000 Gt vuodessa. Kuutiokilometri painaa 2.5 Gt, joten liki 270 000 kuutiokilometriä. Vuodessa. Ei ole kovin realistista. (Huom: Olen voinut tehdä pilkkuvirheen tässä. Ja lisäksi huomautan, että toriumia kyllä löytyy useita kertaluokkia suuremmissakin pitoisuuksissa. Pitkällä aikavälillä tosin tämä on vähemmän olennaista)

Tästä voimme päätellä aivan suoraan, että vähänkään pidemmän aikavälin ratkaisuja on vain kaksi: Aurinkoenergia avaruudesta tai fuusio. Nykyisen tason ylläpitämiseksi ydinvoima kyllä on ihan varteenotettava vaihtoehto, torium riittää kymmeniksi tuhansiksi vuosiksi niistä lähteistä joita on nykyisellään halpaa hyödyntää. Mutta täytyy tähdätä korkeammalle, koska aivan ilmeisesti fissiovoima on ns. siirtymävaiheen energiamuoto. Siistymävaihe tosin voi kestää pitkään.

Teknologialle olisi käyttöä todennäköisesti myös esimerkiksi avaruudessa, sillä LFTR-reaktorit ainakin periaatteessa skaalautuvat melko pieniksikin. Tätä ei kuitenkaan koskaan tule tapahtumaan, jos ydinvoimaan ja erityisesti uudentyyppisiin voimaloihin suhtaudutaan negatiivisesti.

20 kommenttia:

H-baari kirjoitti...

Mikähän matikkaliitännäinen tuon kaavan näkymiseen tarvitaan? Hämärää suttua siinä vain näkyy, Musings näkyy taas edelleen hyvin.

http://golem.ph.utexas.edu/~distler/planet/

Tomi kirjoitti...

Jälleen hyvää pohdintaa.
Fuusioenergia on saanut paljon takaiskuja viime aikoina, silti uskon, että saamme toimivan fuusioreaktorin (jopa kaupallisen) sadan vuoden sisällä.

Tiedemies kirjoitti...

Joo, kaava ei taida näkyä. Ompas surkeata. Kopioin sen Wikipediasta. Korjaan asian käsin.

jjh kirjoitti...

Fuusioenergian tekniset ongelmat noin ympäripyöreästi esitettynä taitavat mennä jotenkin seuraavasti (ollen siis ratkaisematta toistaiseksi) ovat siinä, että pitäisi luoda voimakenttä joka tekee samanaikaisesti aika montaa eri asiaa:

- Ylläpitää fuusioon suurella todennäköisyydellä johtavia olosuhteita.
- Estää reagoimattomia hiukkasia pakenemasta
- Ohjaa uuden reaktiomateriaalin sinne, missä fuusion halutaan tapahtuvan
- Kuljettaa reaktiotuotteet mahdollisimman ripeästi pois häiritsemästä ja juuri siihen paikkaan, jossa niiden energia voidaan kerätä talteen.

Lisähaastetta tulee 10^8 K suuruusluokkaa olevista lämpötiloista, ja siitä että lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden massat ja sähkövaraukset eivät ole samoja. Lähtömateriaali voi koostua kahdesta eri (-massaisesta ja -varautuneesta) aineesta, ja osa reaktiotuotteista ei ole varattuja jolloin niitä ei edes voi ohjata sähkömagneettisesti.

Vuosikymmen sitten istumillani plasmafysiikan luennoilla kerrottiin tämän olevan äärimmäisen ikävä magnetohydrodynaaminen ongelma jo ihan vaan mallintamisen kannalta, toteuttamisesta puhumattakaan.

Tomi kirjoitti...

Jep, plasma on osoittautunut äärimäisen epästabiiliksi. Magneettikentät täyttyy ohjata äärimäisen tarkasti, jotta plasma olisi vakaa.

Plasmakammion korroosio on kanssa yksi ongelma. Myös plasman suuri lämmön johtavuus on paha ongelma, plasma jäähtyy liian nopeasti.

Tiedemies kirjoitti...

jjh, en epäile lainkaan ongelman vaikeutta. Lähtömateriaalissa on käsittääkseni tarkoitus olla tritiumia ja deuteriumia. Deuteriumin ja alfahiukkasten varaus/massa on melkein sama, tritiumilla taas massa on isompi suhteessa varaukseen.

Onko siinä merkittäviä määriä muita varauksettomia hiukkasia kuin neutroneja? (OK, neutriinoja kai, mutta ne eivät liene minkään sortin ongelma)

Tomi kirjoitti...

Käsittääkseni Saksassa ovat yrittäneet rakentaa energiaa tuottavaa fuusioreaktoria parisenkymmentä vuotta.

Jo itse magneettikentän simulointi on tuottanut äärimäisiä ongelmia ja simulaatioiden pohjalta rakennettava magneetit ovat monimutkaisen muotoisia ja sijoittelun täytyy olla tarkkaa.

Tomi kirjoitti...

Varautumattomia hiukkasia ovat toki ionisoimattomat lähtöaineet. Ne karkaavat ulos, joten en tiedä kuinka suuri ongelma ne ovat.

H-baari kirjoitti...

Kukaan kuullut mitään mielenkiintoista tästä? http://en.wikipedia.org/wiki/S-PRISM

jjh kirjoitti...

Tiedemies, laskin tässä varauksettomiksi reaktiotuotteiksi myös fotonit.

Fuusiovoimalan syntynyt energia on siis käytännössä fotoneita ja massallisten reaktiotuotteiden liike-energiaa. Molempien talteenotto koordinoidusti on välttämätöntä tehokkaan hyötykäytön kannalta.

Ari kirjoitti...

Minulla oli joskus kans mieltymys laskea back of the envelope laskuja (Suomen) energiantuotannon suhteen.

In any case, LFTR kuulostaa hienolta, mutta minun "LFTR isn't about energy" -detektorini värähtää, koska olen kuullut tästä vähän kaikissa piireissä. Juu olen katsonut tämän LFTR-kaverin esitelmän, ja näin prima facie se kuulostaa hyvältä. Ydinteollisuuden suhteen kuitenkin maallikkona myönnän, että asiat ovat vain niin monimutkaisia kustannusten ja toteutuksen suhteen, että on mahdoton sanoa kuinka tämä käytäntö sitten on.

Muistaakseni Yhdysvallat teki kokeilumielisen molten salt reaktorin 1960-luvulla, josta tuli helvetin kallis.

In any case, koska LFTR:lle ei voi käydä oikein Chernobylit ja Fukushimat se voisi olla näin signalointipeliteoreettisesti järkevä ratkaisu marginaalilla. Uraani taitaa olla toistaiseksi vielä halvempaa ihan jo kiinteiden kustannusten takia, mutta jos toinen Fukushima räjähtää jossain tulee poliittisesti hyvin vaikeaksi rakentaa uraanivoimaloita olisi sitten järkevää tai ei.

Parashan olisi, että korjattaisiin ulkoishaitat ja annettaisiin markkinoiden ratkaista tilanne. Ei valita voittajia, vaan luodaan pelisäännöt. Ongelmahan on, että massiivisen R&D ja aikaskaalojen takia markkinat eivät ole välttämättä ilman apua kovin tehokkaat ydinvoiman suhteen. Kun valtio tulee tukemaan R&D:tä alkaa helposti poliittinen kähmintä, futurismi ja rahojen polttelu. Tämäkin on yksi esimerkki missä oikeista kannustimista olisi mukavasti hyötyä.

Ainakin Toriumia tosiaan riittäisi, mikä tekisi siitä keskipitkällä tähtäimellä melko houkuttelevan ratkaisun.

Fuusio olisi kiva, mutta sitä saatamme odotella kyllä pitkän, pitkän hetken.

Vinkki: tumma teksti valkoisella on minusta silmälle parempi.

Tiedemies kirjoitti...

Tässä siis otin LFTR-reaktorin esimerkiksi siksi, että se näyttää teknologioista lupaavimmalta hyötämisen ja skaalautumisen osalta. Molten Salt-reaktorit ovat kalliimpia kuin perinteiset, mutta jos/kun niiden tekniset ongelmat ratkaistaan, niin niiden pitäisi olla pidemmän aikavälin ratkaisu.

Uraani on vielä todella halpaa. Olen tehnyt näitä "tupakkiaskin kanteen"-laskelmia vähän, ja näyttäisi siltä, että fissiovoima on lyhyen tulevaisuuden paras ratkaisu, mutta ei mikään syvän tulevaisuuden ratkaisu. Paljon on kiinni diskonttauksesta. ITER ja fuusiot ovat kuitenkin optimistisestikin luokkaa 100 vuoden päässä, LFTR voi olla realistinen parissa vuosikymmenessä tms.

En yritä tässä puffata mitään voittajien valintaa, tarkoitus on skannata vaihtoehtoja ja heitellä ideoita. Toisaalta, voittajat valitaan jotenkin, yleensä markkinoilla. Jos eksternaliteetit ovat kovia, markkinat voivat valita "väärin". Tässä austrot ja anarkot eivät yleensä taivu, mutta joku ryhmäbias, verkostovaikutus ja siihen liittyvä sattuma, markkinointi + lock in, jne voivat saada aikaan deadweightlosseja.

Mittakaava jossain energiapolitiikassa on mieletön. Jos mietitään jotain sähköautoja, ne olivat kilpailukykyisiä 1900-luvun alkupuolella, mutta kun infra + markkinapenetraatio on verkostoeksternaliteetti, niin on paha mennä edes post hoc sanomaan, että oliko polttomoottori oikeasti parempi.

Fissiovoiman kohdalla uraanireaktorit, erityisesti ne mallit joissa on matala burnup, eli joista saa pihalle plutoniumia olivat astronomisen kalliita, mutta valtiot (USA + NL) valitsivat ne voittajiksi koska plutoniumista saa ydinpommeja. Jenkit ovat olleet fuusiossa välillä Tokamak-mallin sijaan enemmän joidenkin laser-systeemien kannalla, koska siitä uskotaan olevan enemmän sotilasteollista hyötyä.

Jne, ja kun verkostovaikutus on pelissä, niin pienikin nykäisy johonkin suuntaan voi viedä tasapainon heikkoon suuntaan. Tämä ei ole argumentti intervention puolesta, mutta on argumentti sen puolesta, että pidetään silmällä mitä intressiä näissä on mukana. Joku VHS vs Betamax on ihan merkityksetön, mutta Torium vs plutonium ei ole.

Ari kirjoitti...

Juu, kuten sanoin marginaalilla LFTR kuulostaa kivalta.

Tomi kirjoitti...

Nykyaan ei taida jenkeilla olla silla mitaan merkitysta, etta tokamak on alunperin NL:sta. Kylman sodan aikana saattoi ollakin.

Touko Apajalahti kirjoitti...

World Nuclear Associationin (WNA) mukaanmaailman ydinvoimakapasiteetti vähintään viisinkertaistuu, mutta voisi massiivisen kehitystyön avulla jopa 30-kertaistua tämän vuosisadan kuluessa. Lisäksi oletetaan, että ydinpolttoaineen saatavuus ei kasvua rajoittaisi.

Tällä hetkellä maapallon energiankulutuksesta noin kuusi prosenttia tuotetaan ydinvoimalla. WNA:n arviossa maapallon energiankulutus kolminkertaistuu vuoteen 2100 mennessä. Ydinvoimakapasiteetin viisinkertaistaminen tarkoittaisi siis ydinvoiman osuuden nousemista noin 10 prosenttiin ja 30-kertaistaminen noin 60 prosenttiin kokonaiskulutuksesta. Samaan aikaan ilmastonmuutoksen aiheuttamien vahinkojen pitäminen kurissa vaatisi vähintään hiilidioksidipäästöjen puolittamista vuoden 1990 tasosta vuoteen 2050 mennessä ja pienentämistä kolmasosaan vuoteen 2100 mennessä. Edes tilanteessa, jossa ydinvoiman määrä 30-kertaistettaisiin vuosisadan kuluessa, ei sillä vielä olisi ratkaisevaa merkitystä ilmastonmuutoksen kannalta, sillä edelleen lähes 40 prosenttia energiantarpeesta tulisi kattaa jollain muulla hiilidioksidipäästöttömällä tuotantotavalla. Puhumattakaan jo paljon realistisemmasta arviosta, jossa ydinvoiman määrä esimerkiksi kymmenkertaistettaisiin vuosisadan loppuun mennessä.

Itse olen vetänyt näistä mittakaavoista johtopäätöksen, että ensisijaisen tärkeää on varmistaa, että energiankulutuksen kasvu toteuttaisi laadittujen skenaarioiden alimpia arvioita - eli taloudellista tuottavuutta energiayksikköä kohti parannettaisiin mahdollisimman paljon. Toiseksi näen, että ydinvoiman avulla ei edes suurin panostuksin (jotka minusta vaikuttavat pragmaattisesti katsoen markkinataloudessa ja maailman poliittisessa ilmastossa mahdottomilta) päästä riittävään ratkaisuun ilmastonmuutoksen kannalta.

Ja jos ydinvoimalobbarien parhaan skenaarionkin mukaan 60 % energiasta pitäisi tuottaa uusiutuvilla, olisi meillä käytännössä oltava sellainen teknologia, joka skaalautuisi lopunkin 40 % tuottamiseksi - todennäköisesti siis pääosin aurinkovoimalla.

Minusta uusiutuvien vähättelyn argumenteissa ikävin puoli on dissata nykyteknologian mahdollistamia skaaloja ja samalla tarjota vaihtoehdoksi 50 vuoden päästä mahdollisesti tulevaa ydinteknologiaa,

Tomi kirjoitti...

Touko, mutta vihreiden tarjoamat uusiutuvat ovat melkkein järkeään epäonnistuneet.

Bioenergiakokeilut ovat olleet rahatuhlausta. Ruokohelpiin on tungettu valtavat summat rahaa ja se on ollut täydellinen epäonnistuminen.

Aurinkovoima ei Suomessa tule kysymykseen. Tuuli- ja vesivoima jää jäljelle. Tuulivoimasta ei ole ratkaisuksi ainakaan ilman massiivisi subventioita ja vesivoimalla on vihreidenkin mielestä paljon ongelmia.
Toki, jos ei välitetä vesivoiman ekosysteemin tuhoavuutta, se on yksi ratkaisu.

Jos on tosiaan niin, että ydinvoimasta ei ole ratkaisuksi, niin fossiilisia ei korvaa mikään.

Tomi kirjoitti...

Touko lisään vielä, kun laskeskelette uusiutuvien energiaosuuksia kokonaistuotannosta, kannattaa muistaa, että uusiutuvasta energiasta tuotetaan n. 75-80% vesivoimalla, jota te vihreät vastustatte.

Touko Apajalahti kirjoitti...

Tomi: Energiantuotannossa ei kannata jumiutua yhden valtion sisälle - ongelma on globaali ja myös sen ratkaisujen pitää olla globaaleja.

Itse pidän näitä ensimmäisen polven bioenergiakokeiluja monilta osin haitallisena - ne ovatkin olleet lähinnä kepun aluepolitiikkaa. Järkevämpiä biopolttoaineita ovatkin jo esimerkiksi levät tai muut sellaiset raaka-aineet, joiden tuotanto ei kilpaile ruoantuotannon resursseista eikä heikennä luonnon monimuotoisuutta.

Yleisesti ottaenhan on aika turhaa, että kysymys edes on poliittinen. Siihen pakottaa tällä hetkellä oikeastaan erityisesti se, että ulkoisvaiktusten hinnoittelu ei energiantuotannossa ole lainkaan kohdillaan. Jos näin olisi, voisimme vain antaa markkinoiden ratkaista ongelma. Lisähankaluuden tuo myös investointien pitkä aikaskaala ja tekniikan nopea kehitys, mutta tämä on ongelma myös poliittisessa keskustelussa.

Tomi kirjoitti...

Touko, tuossa olet oikeassa, että ratkaisun tulee olla globaali. Maalle kuitenkin riippuvuus ulkomaisesta energiasta voi olla poliittinen ja taloudellinen riski.

Tiedemies kirjoitti...

Jos luit tekstin tarkkaan, niin huomaat, että en pidä tuulivoimaa epärealistisena isonkaan mittakaavan ratkaisuna. Se tarvitsee tilaa, ja paikan jossa tuulee. Kirjoitan tuulesta ja auringosta erikseen.

Ne eivät ole huonoja, mutta haasteet liittyvät tuotannon sijaintiongelmista. Aurinko paistaa ja tuuli puhaltaa wygiwyg- periaatteella. Ennustettavuus on paikallisesti huono, joten tuotanto on stokastista. Kulutuspuolen joustaminen tässä auttaa vain rajallisesti (toisin kuin tasapaksussa ydinvoimassa), joten se tarvitsee tuekseen isoja verkkoja joissa siirto on halpaa pitkien matkojen yli tai massiivisia energiavarastoja.

Hienoa tekniikkaa, ja ilman muuta hyvä juttu. Kuitenkin, poliitikkojen ei pitäisi poimia voittajia. Saharaan aurinkoa, suomeen ydinvoimaa.