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.
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 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 eli kWh.
(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. 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.
Summattuna 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) auto voi kulkea noin 2
kilometriä. Eli ”joule” ei aina välttämättä ole yhtä kuin ”joule” eikä voimalasta
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.