Lappeenrannassa rakennelleen malleja joissa yhden jos toisen alueen sähköntarve katettaisiin täysin uusiutuvilla.

Kuva 1: 100% RE pukkaa...koetetaan sivuuttaa tuo energian ja sähkön sotkeminen.

Kuva 1: 100% RE pukkaa…koetetaan sivuuttaa tuo energian ja sähkön sotkeminen.

Olen kommentoinut tyytymättömyyttäni näihin ulostuloihin aikaisemmin (tässä ja tässä). Nyt ryhmä on tehnyt nettiin visualisoinnin jota kutsutaan vaatimattomasti nimellä “Internet of Energy” (jos voin ehdottaa, “IntREnet of energy” olisi vielä parempi). Tämä visualisointi kuulemma demonstroi tarkasti kuinka täysin uusiutuviin pohjaava sähköntuotanto toimii ja siksi meidän pitäisi vain alkaa rakentamaan. Olen erimieltä. Visualisointi ei lisää substanssia vaan nojaa pohjalla olevaan malliin. Mikäli malli on puutteellinen, ei sitä voi korjata visualisoinnilla. Lappeenrannan ryhmä osoittaa kuitenkin esimerkillistä avoimuutta jakamalla visualisoinnin yhteydessä siihen liittyvät data-tiedostot. Tiedostot ovat suuria Excel-tiedostoja, joista löytyy tuntikohtaiset tuotanto- ja kulutustiedot eri alueista (myös tiedot siitä kuinka varastoja täydennetään ja kuinka niitä puretaan). En ymmärrä miksi 100%RE -skenaarioita tehtaillaan juuri Excelillä, mutta näillä mennään. Seuraavaksi joitain poimintoja Euroopan alueen skenaariosta.

  • Miksi Norjan ja Islannin sähkönkulutuksen vuodenaikavaihtelu puuttuu?
  • Miksi Ruotsi tuottaa sähköä alle 80TWh, kun todellisuudessa heidän tuotantonsa on ollut noin 140TWh? Mallissa Ruotsi tuo sähköä noin 1800 kertaa enemmän kuin vie? Suomi tuottaa mallissa enemmän sähköä kuin Ruotsi.
  • Onko joku kysynyt haluavatko Ruotsin lisäksi esim. Sveitsi ja Benelux maat oikeasti tuoda noin paljon enemmän sähköä kuin vievät?
  • Miksi Norja tuottaa mallissa 265TWh, kun todellisuudessa he tuottavat noin 130TWh? Tällä hetkellä liki kaikki heidän tuotantonsa on vesivoimaa, mutta mallissa sitä ei ole kuin 96TWh. Häh?
  • Monessa maassa malli olettaa tuulivoiman kapasiteettikertoimen olevan noin 50%. Miksi näin? Toisaalta esimerkiksi Saksassa kerroin on mallissa noin 37%, kun toteutunut on 20-25% välillä. Tämä liioittelee tuotantoa merkittävästi. Suomelle malli olettaa n. 30% mikä on järkevämpää. (Ja ei, kyse ei ole siitä, että mallissa oletettaisiin suuria määriä esimerkiksi merituulivoimaa. Melkein kaikki tuulivoima on mallissa sijoitettu maalle.)
  • Iso-Britanniasta Ranskaan ja Benelux maihin oletetaan 26GW+17GW siirtokapasiteettia. Onko tämä järkevää, kun todellinen on käsittääkseni noin 2+1GW? Ylipäätään Iso-Britannia on mallissa massiivinen sähkönviejä. (Suomesta pitäisi muuten vetää Balttiaan 3GW piuha Ruotsiin menevän 3GW piuhan lisäksi.)

Muutama huomio myös tuulivoiman tuotantoprofiileista on paikallaan. Voimme helposti laskea todennäköisyysjakaumat sille, että tuulivoiman tuotanto on joku tietty osuus kapasiteetista. Seuraava kuva näyttää tuloksen Suomesta sekä mallin mukaan, että todelliseen tuotantotietoon perustuen ( vuosi 2016 tähän asti).

Kuva x: Jakauma Suomen tuulivoimatuotannosta. Kvalitatiivista yhteneväisyyttä havaittavissa, mutta mutta...

Kuva 2: Jakauma Suomen tuulivoimatuotannosta. Kvalitatiivista yhteneväisyyttä havaittavissa, mutta mutta…

Jotain kvalitatiivista yhdenmukaisuutta on havaittavissa, mutta huomaa kuinka LUT-mallin jakauma vaikuttaa huomattavasti toteutunutta leveämmältä. Se näyttää antavan merkittävästi suuremman todennäköisyyden korkeaan tuotantoon kuin mitä toteutunut antaa ymmärtää. Entä sama Tanskassa, joka on mallissa merkittävä sähkönviejä?

Kuva x: Sama Tanskalle yhdessä sen kanssa miltä jakauma oikeasti näytti vuonna 2015. Ööhh??? Miten tuollaisen jakauman saa? Honest question.

Kuva 3: Tuotannon jakauma Neocarbon-mallissa ja miltä se oikeasti näytti vuonna 2015.

??? Jakauma ei näytä juuri lainkaan siltä miltä todellinen tuotantojakauma näyttää. Mitä ihmettä tässä on tapahtunut? Vastaavia esimerkkejä on muitakin…tässä tulos Iso-Britannialle.

Kuva 4: Sama Englannista, joka on myös mallissa merkittävä sähkön viejä.

Kuva 4: Sama Briteistä, joka on myös mallissa merkittävä sähkön viejä.

Jakauma näyttää pikemminkin vastakkaiselta kuin se mikä on toteutunut. Todennäköisyys on mallissa suurin maksimiteholla. Missaanko nyt jotain olennaista? Päätäni alkaa taas särkeä.headache

Lopuksi on myös hyvä huomata, että tässä “100%RE”-mallissa on ympäri Eurooppaa yli 150GW kaasuturbiinikapasiteettia. Suomessakin näitä laitoksia olisi yli 6GW edestä. Sitä miksi näitä tarvitaan näkyy mallissa hienosti esimerkiksi Saksassa Joulun aikaan. Heidän tuotantonsa (ks. kuva) on yli 120 GW, mutta sitten alkaa päivä jota verkon vakaudesta vastuussa olevat pitäisivät varmasti jännittävänä haasteena. Noin 10 tunnin aikana uusiutuvasta tuotannosta katoaa yli 100 GW, kun heidän kulutuksena on jossain 70GW nurkilla. Kaikki vaipat heitetään polttouuniin, tuodaan mitä voidaan, mutta tämä ei silti riitä. He käynnistävät nopeasti yli 20GW edestä kaasuturbiineja, jotta Joulu ei menisi pilalle. Näitä kaasuvoimaloita on siis ympäri Eurooppaa ja niiden käyttäaste on maasta riippuen 3-22% (keskiarvo 12%). Mallissa ei kerrota mistä se kaasu ilmestyi, mutta mitään synteettisen kaasun tuotantoon liittyviä menoeriä en siitä löydä. Tulee siis luultavasti töpselistä.

Kuva x: Saksa Joulun alla. Hauska päivä verkon ylläpitäjillä?

Kuva 5: Saksa Joulun alla. Hauska päivä verkon ylläpitäjillä. (Vihreällä tuuli+aurinko+vesivoima, punaisella siihen on vielä lisätty tuonti, varastot ja bio- ja jätevoima. Ei riitä…)

Kuva x: höyryvoimalat ja kaasuturbiinit auttoivat Joulun tunnelmaan.

Kuva 6: 24GW kaasuturbiineja pelasti Joulun tunnelman.

Summa summarum. Yhtä sun toista korjattavaa mallissa löytyy ja ehkä kannattaa vielä odottaa hetki ennen kuin aloitamme vain rakentamaan.

Edit: Ilmeisesti kaasun on tarkoitus olla synteettistä, mutta en ymmärrä kuinka prosessin vaatima energia oli jyvitetty kulutusprofiileihin. Myös hyötysuhde on itselleni epäselvä.

aragorn_ev Tämä jatkaa siitä mihin viime viikkolla jäin.Viimeksi käsittelin sähköautoilla saavutettavia päästövähennyksiä ja nyt teemana on autoilun kustannukset kuten myös päästövähennysten kustannukset.  Vertaan tavallista autoa sähköautoon, joka vastaa aika tarkasti Nissan Leafiä. Tämä on keskeinen rajaus. Vieläkin naurattaa se UBS investointipankin läpyskä, jossa he kertoivat onnelliselle seurakunnalle kuinka sähköauton hinta on nyt kilpailukykyinen tavallisen auton kanssa. Tavalliseksi autoksi investointipankkiirit olivat häpeilemättä valinneet Audi A7:n. LOL. Sähköauton hinnaksi oletan siis 35000 €. Lyhyt listaus muista käytetyistä oletuksista löytyy postauksen lopusta. (En viitsi edes verrata Teslaan, koska sen suuret akut, suuri koko ja korkea hinta tarkoittavat sen nostavan päästöjä kaikille muille paitsi niille joiden päästöt olivat kohtuuttoman korkeat jo valmiiksi. Tällekin väestönryhmälle päästövähennyksen hinta olisi naurettava.)

Lasken päästövähennyksen kuten edellisessä kirjoituksessani. Kustannukset lasken kuten laskisimme esimerkiksi LCOE:n (levelized cost of electricity) sähkölle. Toisin sanoen diskonttaamme pääomakustannuksia, summailemme käyttökustannuksia ja jaamme tuloksen toimitetulla tuotteella (muista diskonttaus), joka on tässä tapauksessa ajetut kilometrit. Oletan kaikelle 10 vuoden “taloudellisen eliniän” ja käytän 5% korkoa. (Laskin myös 1% korolla, mutta en selvyyden vuoksi lisää niitä tuloksia tähän. Eivät muuta peruspointia.) Lasken mukaan autoverot yms. jotta voin tarkastella myös tilannetta, jossa niitä ei ole. Sivuutan ajoneuvoveron ja vakuutukset, koska olen laiska ja toivon niiden kumoavan toisensa riittävällä tarkkuudella. En ota myöskään huomioon erilaisia käyttötapoja (esim. jos ajaa lähinnä kaupungissa voivat keskimääräiset päästöt olla aika erilaisia kuin keskimääräiset) ja oletan kaikkien huijaavan about yhtäläisesti kulutusluvuissaan.  Autojen hinnat poimin trafin sivuilta.  Jälleenmyyntiarvoja, kierrätyksiä yms. voi olla, mutta sivuutamme tämän matopurkin seuraavan kertaluvun korjauksena, joka luo liikaa savua ja liian vähän valoa.

Ymmärrän myös, että ihmiset toki ostavat autoja muistakin syistä kuin kustannuksia minimoidakseen. Suurempi auto voidaan haluta, jotta ne lastenrattaat saadaan kyytiin ja koska siihen on varaa. Kalliimpi auto ostetaan, koska se putputtaa paljon putputimmin kuin kilpaileva vaihtoehto (kirjoittaja ei ole järin kiinnostunut autoista, jos ette arvanneet), mukinpitimiä on juuri oikea määrä yms. olennaista… hohhoijaa…sivuutan nämä. Jos  joku haluaa tutustua yksityiskohtiin ja kenties metsästää bugeja, kehotan kahlaamaan käyttämäni (matlab) tiedostot läpi. Ne aukevat tekstieditorilla ja logiikka on toivottavasti riittävän selvää käännettäväksi toisiin työkaluihin. Suurin osa komennoista liittyy loppujen lopuksi kuvaajien yksityiskohtien nysväämiseen.

Let’s get started. Ensimmäinen kuva siirtää meidät kartalle näyttämällä tavallisella autolla ajetun kilometrin hinnan vuosittaisten ajomäärien ja auton hinnan funktiona.

Kuva 1: Tavallisella autolla ajetun kilometrin hinta vuosittaisen ajomäärän ja auton ostohinnan funktiona.

Kuva 1: Tavallisella autolla ajetun kilometrin hinta vuosittaisen ajomäärän ja auton ostohinnan funktiona.

Huomaa muuten kuinka vähän ajavalle kilometri maksaa enemmän. Kaupungeissa julkinen liikenne ei ole ainoastaan helpompaa järjestää vaan yksityinen autoilu myös maksaa “enemmän”, koska kilometrejä joille pääomakustannukset jaetaan on vähemmän. Toki voi keskustella onko sen kilometrin arvo ajajalle sama maalla ja kaupungissa? Kilometri kaupungissa voi olla käyttäjälleen yhtä arvokas kuin 10 kilometriä maalla.

Seuraavaksi sähköautolla ajetun kilometrin hinta suhteessa tavalliseen autoon. Kuva 2 näyttää kuinka monta prosenttia kalliimmaksi sähköauto tulee.

Kuva 2: Kuinka monta prosenttia kalliimpi sähköautolla ajettu km on?

Kuva 2: Kuinka monta prosenttia kalliimpi sähköautolla ajettu km on? Muutaman oikean auton hinta merkitty kuvaajaan.

Tyypillisesti sähköautolla ajettu kilometri on useita kymmeniä prosentteja kalliimpi. Vähän ajavalla sähköauto voi tarkoittaa kenties yli kaksinkertaista hintaa.Enemmän ajaville sähköauto on kilpailukykyisempi vaihtoehto etenkin, jos vaihtoehtoisen auton hinta olisi ollut noin 30000 euroa tai enemmän. Nämä erot ajetun kilometrin hinnassa olivat itselleni yllättävän pieniä.

Entä jos poistamme verot? Kuva 3 näyttää tuloksen.

Kuva 3: Kuinka monta prosenttia kalliimpi sähköautolla ajettu km on ilman veroja?

Kuva 3: Kuinka monta prosenttia kalliimpi sähköautolla ajettu km on ilman veroja?

Nyt myös melko halvalla autolla noin 15000 km vuodessa ajava maksaisi sähköautolla ajetusta kilometristä noin kaksinkertaisen hinnan. Verotus suosii sähköautoja merkittävästi.

Sitten ilmastonäkökulmaan…kuinka paljon maksamme sähköautolla vältetystä hiilidioksiditonnista? Aikaisemmassa kirjoituksessani huomautin, että esimerkiksi omat liikkumistarpeeni ja -tapani ovat sellaisia, että päästöni nousisivat, jos vaihtaisin sähköautoon. Lasken nyt vain tilanteessa, jossa päästövähennyksiä voi saada eli kun “tavallinen” auto vaihdetaan sähköautoon, jossa on yksi 26.6 kWh akku. Kuva 5 näyttää tuloksen.

Kuva 5: Vältetystä hiilitonnista maksettu hinta. Punainen viiva vastaa 40 €/tonni hintaa eli "kahvikuppi" päivässä.

Kuva 5: Vältetystä hiilitonnista maksettu hinta. Punainen viiva vastaa 40 €/tonni hintaa eli “kahvikuppi” päivässä.

Halvan auton vaihtaminen sähköautoon voi tarkoittaa yli 2000 euron kustannusta hiilidioksiditonnista. Olettamalla kalliimman tavallisen auton hinta putoaa lopulta negatiiviseksi.  Merkitsin kuvaan punaisella viivalla 40€/tonni rajan. Tämä on esimerkiksi ilmastopaneelin professorin Lassi Linnasen arvio siitä kuinka paljon ilmastonmuutoksen torjunta maksaisi (“yhden kahvikupillisen verran päivässä”). Sähköautolla kustannukset olisivat valtavasti tuota korkeammat. (Mikä liikenteen dekarbonisointi maksaisi muuten noin vähän? Vaihtaminen julkiseen liikenteeseen ehkä, mutta se vaatisi elämäntapamuutoksia, joista “kaikki on helppoa ja kivaa” arvioissa ei juurikaan puhuta.)

Toisaalta tämä lasku oli verojen jälkeen eli toistetaan se vielä ilman veroja, jotta näemme arvion ilman “tukiaisia”.

Kuva 6: Vältetystä hiilitonnista maksettu hinta ilman veroja.

Kuva 6: Vältetystä hiilitonnista maksettu hinta ilman veroja.

Vau! Kun verot poistettiin, saimme noin tuhannen euron kustannuksen hiilitonnista myös kalliimmalla autolla. Meidän verorakenteemme on itseasiassa sellainen, että meillä on jo autoilussa hyvin korkea “efektiivinen” hiilivero.  Tämä on minusta hyvä asia, mutta toisaalta se on taas asia joka tehtiin suurelta osin muista syistä kuin ilmastopolitiikan vuoksi. Tavallisen auton omistaja maksaa herkästi 10 vuoden aikana  5000-10000 euroa enemmän veroja kuin sähköauton omistaja. Huomattavaa on se, että tästä korkeasta hiiliverosta huolimatta polttomoottorit dominoivat. Korkea verotus on saanut eurooppalaiset suosimaan pienempiä autoja kuin amerikkalaiset, mutta se ei ole johtanut esimerkiksi liikenteen sähköistymiseen. Tämä antaa ymmärtää, että autoilun dekarbonisointi tulee olemaan vaikeaa ja tuskin onnistuu “kahvikupin” hinnalla.

Laitan vielä lopuksi hiukan positiivisemman tuloksen (tai siis negatiivisen). Jos vaihtaa sen tyypillisen auton pienempään 88g/km päästöiseen, voi säästää tuhansia euroja jokaista vältettyä hiilitonnia kohden. Vielä enemmän säästää luopumalla omasta autosta kokonaan mikä on monelle realistinen vaihtoehto kaupungeissa. Tämä tietenkin vaatii joitain elämäntapamuutoksia, jotka eivät ole kaikille helppoja.

Kuva 6: hiilitonnista maksettu hinta, kun normiauto vaihdetaan pieneen 88g/km tupruttavaan autoon.

Kuva 6: hiilitonnista maksettu hinta, kun normiauto vaihdetaan pieneen 88g/km tupruttavaan autoon. (Pikkuauton hinnaksi oletin 13800 €)

Summa summarum. Tänään on ilmastonmuutoksen torjunnan kannalta paljon tehokkaampaa suosia pienempiä autoja, kaupunkirakenteen tiivistämistä ja julkista liikennettä (ja sen sähköistämistä) kuin sähköautoja. Tämä ei kuitenkaan eliminoi autoilun päästöjä kokonaan eli pitkällä tähtäimellä tarvitsemme myös jäljellä olevan autoilun sähköistämistä. Sen aika ei kuitenkaan ole nyt. First things first. Saavutamme merkittävästi suuremmat päästövähennykset suuntaamalla resursseja muualle.

Oletuksia: sähkönhinta (sisältää verot ja siirtokustannukset) 11 senttiä/kWh, bensiinin hinta veroineen 1.3 €/litra, tavallisen auton huoltokustannukset 4.61 €/100km, sähköauton huoltokustannukset 1/3 tavallisen auton huoltokustannuksista (ensimmäinen luku, jonka löysin internetistä…on siis totta), autovero 17%, autovero sähköautolle 4.4%, bensiinistä veroja 58%, sähköstä veroja 30%, keskimääräisen auton päästöt 124 g/kWh, sähköauton kulutus 18.5 kWh/100km, sähköautossa yksi 26.6kWh akku.

Minua alkoi kiinnostamaan millaiset päästöt sähköautoilu aiheuttaa verrattuna vaihtoehtoihin ja kuinka paljon mahdolliset päästövähennykset maksavat. Kokoan tähän ensimmäiseen osaan oppimaani lähinnä päästöistä ja toisen osan säästän kustannuksille. Vaikka sähköauto ei polta bensaa sen käyttämä sähkö on osin tuotettu fossiilisilla. Kuinka suuri tämä osuus on riippuu maan sähköntuotannosta. Sähköauton valmistus aiheuttaa ilmeisesti lähinnä pattereiden valmistuksessa suuremmat päästöt kuin tavallinen polttomoottoriauto. Esimerkiksi tässä raportissa arvioitiin, että polttomoottoriauton valmistus aiheuttaa noin 40 g CO2 päästöjä ajetulle kilometrille, kun taas sähköauton valmistus aiheuttaa noin 70 g (elinkaaren aikana oletettiin ajettavan 200000 kilometriä). Ellingsen et al. arvioivat, että 26.6 kWh patterin valmistus aiheuttaa 4.6 tonnin hiilidioksidipäästöt. Toisaalta sähköauto aiheuttaa usein vähemmän päästöjä käytössä joten elinkaaren yli laskettuna päästövähennyksiä voi saada etenkin, jos autolla ajetaan paljon.

Kuva 1: Arvio sähköauton elinkaari hiilidioksidipäästöistä.

Kuva 1: Arvio sähköauton elinkaari hiilidioksidipäästöistä.

Mutta toisaalta tämä on itselleni liian abstraktia eikä suoraan relevanttia, koska arvioissa oletetaan itselleni täysin epärelevantti ajomäärä ja myös kilpaileva vaihtoehto. Tein siis arvion siitä miten paljon päästöissä on eroa kymmenen vuoden aikana ajomäärien ja polttomoottoriauton päästöjen funktiona. Rajasin ajan kymmeneen vuoteen, koska toisaalta yksilönä se olisi minulle relevantti aikaskaala ja toisaalta sähköautojen akkujen takuu ei taida sen kauemmas ulottua.

Seuraavat kuvat demonstroivat tuloksia. Merkitsin kuvaajaan pisteillä “itseni” ja “tyypillisen suomalaisen”. “Tyypillinen” suomalainen ajaa autollaan n. 15000 km vuodessa ja auton käyttö aiheuttaa päästöjä n. 124 g/km. Itse asun hyvien liikenneyhteyksien päässä lähellä työpaikkaa ja arvioin liikkumisen noin puoleen tyypillisestä. En omista autoa vaan liikun lähinnä bussilla tai junalla ja siksi laitoin päästötasoksi arvion bussin päästöistä per matkustaja eli 73 g/km.  Oletan ensin, että sähköautossa on yksi 26.6 kWh akku eli autolla ajaa ehkä korkeintaan hiukan alle 150 km latausten välillä.

Kuva 2: Päästöero sähköauton ja polttomoottoriauton välillä. Oletin sähköautoon yhden 26.6 kWh akun jolloin autolla voinee ajaa jonkin verran alle 150 km.

Kuva 2: Päästöero sähköauton ja polttomoottoriauton välillä. Oletin sähköautoon yhden 26.6 kWh akun jolloin autolla voinee ajaa jonkin verran alle 150 km.

Jos itse vaihtaisin sähköautoon päästöni nousisivat selvästi, mutta jos keskimääräinen autonajaja vaihtaisi tuollaiseen sähköautoon päästöt voisisivat alentua 10 vuoden aikana noin 7 tonnia. Mutta toisaalta hän voisi päästä samaan lopputulokseen vaihtamalla pienempään vähemmän bensaa polttavaan autoon. Esim. pikku Peugeotilla voisi päästä 88 g/km päästötasoon, joilloin päästöt olisivat noin samat kuin sähköautossa.

Korkeintaan 150 km ajoa voi toisissa aiheuttaa huolta ja he haluavat sähköautolleen noin 300 km ajomatkan. Sitä varten tuplaamme akkujen määrän ja lopputulos on seuraavan kuvan mukainen.

Kuva 2: Muuten sama kuin edellinen, mutta 2x26.6 kWh akkuja.

Kuva 2: Muuten sama kuin edellinen, mutta 2×26.6 kWh akkuja.

Ylimääräisten akkujen aiheuttamat päästöt eliminoivat suurimman osan tyypillisen autoilijan aikaisemmista päästövähennyksistä. Jos ei ole autoton, niin se vähän kuluttava polttomoottoriauto olisi nyt merkittävästi parempi vaihtoehto ja sillä toki ajaa pidemmälle kuin 300 km. Toistetaan harjoitus vielä lopuksi saksalaisella sähköllä. Siellä sähköauto 26.6 kWh akulla aiheuttaisi kymmenen vuoden aikan suuremmat päästöt kuin keskimääräinen polttomoottoriauto.

Kuva 4: Sama kuin kuva 2, mutta saksalaisella sähköllä.

Kuva 4: Sama kuin kuva 2, mutta saksalaisella sähköllä.

Mitä tästä opimme? Ehkä sen, että päästötase riippuu siitä kuinka paljon autoa oikeasti käyttää ja kuinka suuri akkujen käyttöaste on. Jos haluamme kannustaa suuriin päästövähennyksiin, olisi tehokkaampaa suosia julkista liikennettä ja sitä tukevaa kaupunkirakennetta. Sähköautot tulisi ehkä ensisijaisesti säästää niille, jotka ajavat paljon kuten esimerkiksi taksit. Ylisuuria akkuja tulisi välttää ja siinä mielessä hybridiauto pienellä akulla on viisaampi vaihtoehto kuin “puhdas” sähköauto. Jos haluaa ajaa pelkällä sähköllä, ehkä olisi syytä miettiä toimivia vuokraus- tai jakojärjestelmiä, jossa saa käyttöönsä toisen auton niitä harvoja kertoja varten, kun oikeasti tarvitsee sitä 300 km ajomatkaa.

Lisäys 9.10.2016: Suomen ekomodernistien Facebook sivulla on monia hyviä huomioita. Yksi huomio oli, että akkujen päästöt riippuvat jotenkin oletetusta sähkön päästötasosta. Ylläoleva arvio perustui noin maakaasua vastaavaan päästötasoon. Ellingsen et al. antavat myös muita arvioita. Dekarbonisoidulla sähköllä akkujen valmistus aiheuttaa hiukan alle 2 tonnin päästöt. Jos sähkö tuotetaan hiilellä (esim. Kiina), niin päästöt olisivat noin 6.5 tonnia per akku.

Skeptical-Thinking-gifKesän aikana selvitin hiukan syvemmälle oletuksia mitä Sitran raportin ytimessä olevaan malliin (MESSAGE) oli laitettu. Suomen osuus rakentui Global Energy Assessment (GEA) Skenaarioiden pohjalle ja niihin liittyvän tietokannan löydät täältä. Minulle tuli (taas) järkytyksenä massiivinen bioenergian lisäys ja jäin ihmettelemään miten moinen on voitu perustella. Mallintajien lähteenä potentiaalille oli VTT:n tutkijoiden artikkeli (Arasto et al. “Bio-CCS: Feasibility comparison of large scale carbon-negative solutions”).

Artikkelin kirjoittajat arvioivat, että teknispoliittinen (techno-political) maksimi bioenergialle hiilensidonnalla on 45 Mt hiilidioksidia vuodessa ja tämä on arvio mitä Sitran raportin tekjät ovat käyttäneet. Kirjoittajien arviota seuraavia varoituksia ei kuitenkaan kerrota. He kertovat mm. että maksimipotentiaali vaatii kaiken kasvun valjastamista hiilen talteenottoon eikä se ole kustannustehokas ja arvioivat realistisemman potentiaalin olevankin jossain 10 Mt nurkilla.

Reaching these magnitudes (45 Mt CO2/a) of emission reduction stated above would require use of nearly all sustainable forest growth in addition to all forest residues available in Finland. The raw material availability in relation to cost of raw material will most likely limit the exploited potential to the range of 10 MtCO2/a.

Termi sustainable taas tässä yhteydessä tarkoittaa vain puiden kasvua eikä minkäänlaista arviota aiheutetusta ekologisesta vahingosta tai vaikkapa maaperän hiilitaseesta ole itse asiassa tehty. Tämän valossa olisikin kiinnostavaa nähdä ne ympäristönsuojelijat, joiden mielestä Sitran raportin tiekartta on seuraamisen arvoinen, koska Pariisin ilmastosopimus niin “vaatii”. Fyysikot tekevät mielellään idealisointeja esimerkiksi olettamalla yksinkertaisuuden vuoksi vaikkapa pallon muotoisen lehmän. Tällä on paikkansa, mutta idealisointi näyttää skenaariotehtailussa karanneen käsistä. Luontoarvoja mitataan vain sidotun hiilen avulla eikä muiden aspektien anneta häiritä mallinnusta.

Entä mitä MESSAGE malliin sisältyi? Keskityn parhaiten esillä oleviin “illustrative pathways” vaihtoehtoihin. Ensinnäkin siellä on itse asiassa kolme skenaarioiden pääluokkaa. Supply-skenaarioissa energiankulutus kasvaa ja rakennetaan melkein mitä vain. Efficiency-skenaariot ovat lienee perinteisten ympäristöjärjestöjen unelmia. Niissä energiankukutus laskee, ydinvoima ajetaan alas ja uusiutuvat dominoivat energiantuotantoa. Sitran raporttiin on ilmeisesti valittu vain tuo “Efficiency”-pääluokka ilman, että muita vaihtoehtoja edes mainitaan. Kuka teki valinnan, miksi ja miksi sen pohjalla olevista syistä ei keskustella? Nyt jollekin voi tulla se väärä käsitys, että ikäänkuin asiantuntijat olisivat osoittaneet jonkin politiikan oikeammaksi vaikka todellisuudessa vaihtoehtojen olemassaolosta vaiettiin.

Laitan tähän alle joitain kuvaajia (vain vanha EU eli aluekoodi WEU), jotka loin tietokannan pohjalta.

Kuva 1: primäärienergian kulutuksessa tapahtuu sitä sun tätä.

Kuva 2: Vau! Katsokaa kuinka fossiilisten avulla tuotettu vety dominoi Supply-skenaariota vuosisadan lopulla. Yksi uusi vallankumous muiden lisäksi.

Kuva 3: Sähkön kulutus nousee kaikissa skenaarioissa…eli ehkä voisi unohtaa sen “emme tarvitse lisää sähköä”-argumentin?

Kuva 4: Tuulta lisää. Vähiten tuulta Efficiency-skenaariossa.

Kuva 5: Aurinkosähköä lisää. Taas vähiten Efficiency-skenaariossa.

Kuva 6: Ydinvoima.Omituisuutta vuosisadan puoliväliin asti. Sitten massiivinen kasvu yhden sukupolven aikana paitsi Efficiency-skenaariossa missä ydinvoima päätettiin ajaa alas.

Kuva 7: Hiiltä ajetaan alas, mutta sitten…kreivin aikaan… CCS pelastaa sen vuosisadan loppupuolella Supply-skenaariossa.

Miten näihin eri tuloksiin päädytään? Tulosten hajonta tietenkin johtunee siitä, että mallintajat arvaavat sisäänmenevät oletukset eri tavalla. Jos sinulla on kokemus, että energiankulutus kasvaa ja CCS on hauskaa, he näpyttelevät sellaiset oletukset, että toiveesi toteutuu. Jos kaipaat energiatehokkuutta ja uusiutuvia, tässä sinun toiveisiisi sopivat oletukset. Tämä on tietenkin osin ymmärrettävää, mutta muuttuu arvelluttavaksi, kun ensin fantasioidaan toivotut kustannukset ja vaaditut teknologiat jonnekin tulevaisuuteen ja sitten matkustetaan aikakoneella takaisin nykypäivään ja todetaan kuinka olemme nyt osoittaneet, että visio, josta me pidämme on taloudellisesti ja teknisesti kaikkein paras ja siksi yhteiskunnan resursseja tulisi siirtää meille. On muuten myös kiinnostavaa huomata, että GEA mallien kustannusoletukset näyttävät olevan ristiriidassa esimerkiksi yleisesti (väärin) käytetttyjen oppimiskäyräargumenttien kanssa. Katsokaapa esim. seuraavaa kuvaajaa aurinkosähkön oletetuista pääomakustannuksista.

Kuva 8: Aurinkosähkön pääomakustannukset.

Supply-skenaariossa rakennettiin eniten aurinkovoimaa joten eikö sen pääomakustannusten tulisi silloin olla alhaisimmat? Koska mallintajat olettavat erilaisen asymptoottisen kustannuksen, pääomakustannukset voivat poiketa toisistaan tekijällä 5 eli olla käytännössä mitä sattuu. (Tällä hetkellä Efficiency-käyrä on lähinnä toteutunutta.) Jos vastaavaa tehtäisiin ydinvoiman kohdalla, yhdessä skenaariossa sen pääomakustannus voisi olla 5000$/kW ja toisessa 1000 $/kW. Ihan miten vain asian koet. Ydinvoiman kohdalla tätä ei tietenkään tehdä vaan kustannukset on oletettu konservatiivisesti haarukkaan 3824-6170 $/kW niin, että kustannuksissa ei vuosisadan aikana tapahdu suuria muutoksia..mitä nyt kustannukset jonkin verran nousevat Efficiency-skenaariossa. Sen sijaan mallintajat kyllä olettavat rajuja hinnanalennuksia fossiilisia polttaville voimalaitoksille etenkin Supply-skenaarioissa. Miksi näin?

Globaalilla tasolla mallintajat haaveilevat muuten noin 15Gt edestä negatiivisia päästöjä vuosisadan lopulla, mutta ällös pelkää. Länsi-Eurooppalaisilla päästöt painetaan vain nollaan ja nämä negatiiviset päästöt aikaansaadaan ennen kaikkea Latinalaisessa Amerikassa ja Afrikassa. Pohjois-Amerikassa, entisessä Neuvostoliitossa ja Kiinassa puhutaan myös gigatonnitason negatiivisesta päästöistä. Afrikassa noin gigatonnin päästöt tällä hetkellä maankäytön muutoksista korvautuvat maagisesti yli 1.5 Gt hiilidioksidin sidonnalla vuosisadan loppuun mennessä samalla, kun väkiluku yli tuplaantuu ja bioenergian määrä kasvaa noin tekijällä kymmenen (josta noin puolet olisi varustettu hiilidioksidin talteenotolla). Mutta kun kerran malli näin vaatii, niin varmastihan niin tulee tapahtumaan. Latinalaisessa Amerikassa bioenergian määrän olisi myös tarkoitus noin kuusinkertaistua eli voipi olla syytä pitää sademetsistä kiinni, kun mallintajat ovat lähistöllä.

On myös kiinnostavaa huomata mitä skenaarioiden välillä ei varioida. Kaikissa malleissa talous kasvaa tismalleen samalla tavalla. Eli mallin sisään laitettu oletus on, ettei harjoitettu energia-politiikka vaikuta talouskasvuun mitenkään. Onko jossain joku, joka pitää tätä järkevänä oletuksena? Kaikki mallit myös kasvattavat bioenergian määrän EU:ssa noin nelinkertaiseksi nykyisestä tasosta (liki kaikki varustetaan hiilen talteenotolla). Eli jos mallin bioenergiapainotus vaikuttaa järkyttävältä Suomessa, se on vielä kamalampi muualla eikä tälle tarjota vaihtoehtoa. Tästä Arasto et alilla onkin varoituksen sana.

Forest biomass is the biggest biomass raw material stream in Europe. As one sixth of European forest biomass is utilised in Finland and the maximum Bio-CCS potential is 45 Mtons/a it is difficult to imagine the European potential for Bio-CCS would be proportionally a lot higher. 45Mt/a is a large amount, but this highlights the need of revising some of the Bio-CCS potential estimates presented in the public.

Tällainen häiritsevä nyanssi on siivottu Sitran raportista pois. Tuloksista on poimittu vain se numero jota kaivataan ja muu keskustelu sivuutetaan. Hallelujaa! Negatiiviset päästöt bioenergiasta hiilentalteenotolla vaaditaan, jotta lämpötilatavoitteisiin päästään vuosisadan lopussa (säteilypakote olisi maksimissaan vuosisadan puolivälin tienoilla) ja tämä monomania pakottaa vaihtoehdottomuuden skenaarioihin riippumatta siitä mitä haittavaikutuksia tällä oikeasti olisi. Kun vain yksi ongelma tunnistetaan, ei ole yllättävää, jos ehdotetut vaihtoehdot aiheuttavat valtavia riskejä siellä mihin mallintajat eivät halunneet katsoa.

Lisäys 19.8.2016: Vieläkin täytyy ihmetellä. Mallintajat siis oikeasti kokevat helpommaksi rusikoida oletuksensa niin, että hiili ja sen talteenotto halpenevat sillä seurauksella, että vuosisadan lopussa poltamme massiivisesi enemmän hiiltä kuin nyt, kuin olettaa esimerkiksi oppimiskäyrät ydinvoimalle niin, että sitä rakennetaan merkittävästi halvemmalla. Tämä tietenkin on saksankielisessä maailmassa valitettavan yleinen sekopäinen prioriteetti. Väärää vaihtoehtoa ei saa edes esittää, ettei ihmisille tule hassuja ajatuksia.

Climate analytics: ilmastonsuojelua tavalla mitä et ole ennen nähnyt

Climate analytics: ilmastonsuojelua ihan uudella otteella

Sitra oli palkannut Climate Analyticsin tekemään raportin siitä mitä Pariisin ilmastotavoiteet tarkoittaisivat Suomelle. Sitra kutsuu tahoa riippumattomaksi, mutta en tiedä mitä se tarkoittaa. Heitä rahoittaa mm. Saksan valtio ja Greenpeace ja tietenkin tämän raportin osalta Sitra.Poimin tähän ehkä keskeisimmät kuvaajat. Ensinnä mallintajien visio Suomen energiapaletista.

Suomen energiapaletti Climate analyticsin mukaan. Valtavasti puunpolttoa ja siitä suurin osa hiilentalteenotolla.

Suomen energiapaletti Climate analyticsin mukaan. Valtavasti puunpolttoa ja siitä suurin osa hiilentalteenotolla.

Sitten vision edellyttämät investoinnit energiainvestointeihin EU:n ulkopuolella.

Investointeja toisten maiden energiajärjestelmiin enemmän kuin omiin ja valtavasti enemmän kuin nykyään maksetaan kehitysyhteistyöstä? Reilua ehkä, mutta...

Investointeja toisten maiden energiajärjestelmiin enemmän kuin omiin ja valtavasti enemmän kuin nykyään maksetaan kehitysyhteistyöstä? Reilua ehkä, mutta…

EU:n pitäisi siis vuona 2050 investoida pari prosenttia BKT:sta ilmastotoimiin EU:n ulkopuolella. Tuo on käsittääkseni enemmän kuin mitä investoimme tällä hetkellä omaan energiainfrastruktuuriimme. Se on myös hurjan paljon enemmän kuin mitä EU maat tällä hetkellä käyttävät kehitysyhteistyöhön. Itse pidän tämänsuuntaisia investointeja kyllä puolustettavina, mutta pahoin pelkään, että tuo on poliittisesti täysin epärealistista.

Entä tuo ensimmäinen kuva? Tässä vakavasti ehdotetaan, että poltamme noin 0.6EJ (0.675 EJ itse asiassa. Kuvasta lukeminen oli hiukan epätarkkaa.) bioenergiaa vuodessa. Jos kuutiossa puuta on noin 2000 kWh energiaa, tuo tarkoittaa noin 90 miljoonaa kuutiota puuta vuodessa. Suomen metsien vuosikasvu on hiukan yli 100 miljoonaa kuutiota, josta suurin osa käytetään jo nyt joko metsäteollisuudessa tai energiana. Raportin neropatit haluavat pistää haloiksi noin kaksi kertaa enemmän puuta kuin mitä nyt käytämme ja valtavasti enemmän kuin edes puunpolttomyönteiset tahot täällä ovat ehdottaneet. Eli onko ajatus ajaa meidän metsäteollisuutemme alas ja valjastaa liki koko luonto ihmisen energiantarpeen tyydyttämiseksi? Käsi ylös ne ympäristönsuojelusta kiinnostuneet joiden mielestä tämä on hyvä ajatus. Minkäänlaista arviota ehdotetun politiikan ympäristövaikutuksista ei ole vaivauduttu tekemään (ei ilmeisesti kuulunut Sitran antamaan toimeksiantoon?).

Hupaisasti suurin osa bioenergiasta olisi myös varustettu hiilentalteenotolla, jotta voisimme saavuttaa negatiivisia päästöjä. Ilman näitä ilmastotavoitteissa ei pysytä. Hiilen talteenotto alkaa ensi vuosikymmenellä mikä varmaan tulee yllätyksenä kaikille biovoimaloita omistaville. Raportissa ei kerrota käytettyjä oletuksia esimerkiksi pääomakustannuksista eikä siitä minne suomalaiset hiilidioksidin pumppaavat. Täällähän ei siihen sopivaa geologiaa taida juuri olla. Malli (MESSAGE) kuulemma kuitenkin antaa kustannustehokkaimman lähestymistavan. Olen kuitenkin tutustunut näihin mallinnuksiin riittävän paljon ollakseni skeptinen tämän väitteen paikkaansapitävyydestä. Mallit heijastelevat sisään annettuja oletuksia ja mallintajilla on valitettavan usein taipumus ujuttaa omat mieltymyksensä taustaoletuksiin joita he eivät raporteissaan selkeästi kerro. Tästä voit lukea hiukan lisää esimerkiksi tästä aikaisemmasta kirjoituksestani. Toivottavasti tämän raportin mallinnuksen taustaoletukset julkaistaan.

Ottaen huomioon kuinka älyvapaa skenaario on, voin vain vetää (taas) sen johtopäätöksen, että emme voi pysyä liturgian esittämissä lämpenemisrajoissa. Tämä raportti on tuore esimerkki siitä kuinka monomaaninen fokus lämpötilarajoihin aiheuttaa aktiivista haittaa. Se tuottaa painetta politiikkaan, jolla sivuutetaan muut tärkeät asiat mm. ympäristönsuojelussa. Se saa ihmiset ajamaan luonnon tuhoamista samalla, kun ratsastavat sen suojelun nimissä. No ulkomaalaiset konsultit eivät ehkä tunne sitä kuinka paljon metsämme kasvavat, kuinka paljon niitä käytetään tai millaisia ekologisia haasteita tähän liittyy. Sitra varmastikin huomautti siitä, että visio ei ole meillä valitettavasti toteuttamiskelpoinen? Think again! He lukevat tämän osoittavan tarvetta nostaa kunnianhimoa.

EU:n ja Suomen vuosien 2030 ja 2050 päästötavoitteiden kunnianhimoa pitää nostaa selvästi nykyisestä, mikä edellyttää hallitukselta entistä kunnianhimoisempaa energia- ja ilmastostrategiaa.” Sitra.  #facepalm

Laitan vielä tähän loppuun aikaisempia mallinnuksen tuloksia MESSAGE:ia käyttäen. Tässä siis vanhojen EU maiden ydinvoimakapasiteetti tämän vuosisadan aikana optimaalisessa 450ppm skenaariossa. Seuraavan sukupolven aikana taantumaa (miksi?) jota seuraa valtava kapasiteetin kasvu vuosisadan toisella puoliskolla (paitsi skenaariossa missä ydinvoima tukahdutettiin mallintajan toimesta). Mitä oletuksille on tapahtunut näiden skenaarioiden ja Sitran raportin välillä?Screenshot from 2016-06-10 12:49:48

Lisätty 20.6.2016: Minusta on muuten myös erikoista kuinka skenaariossa ei erotella energiapaletin kohtaa “renewables”. Eiköhän mallissa aurinko- ja tuulivoima ole kuitenkin erillään ja olisi voinut luulla, että “kustannusoptimaalinen” tekniikoiden optimointi olisi tuottanut kiinnostavia arvioita esim. siitä kuinka paljon eri teknologioita kannattaa rakentaa. Miksi tämä tieto oli jätetty raportista pois?

Many celebrated the Paris climate meeting as being a turning point and were extatic of the new “ambitious” 1.5 degrees warming target. This target will be quickly reached and then exceeded massively. I think it is a cynical move to avoid acknowledging the colossal failure of the policies during past decades. If we are to have a reasonable change to stay below 1.5 degrees, cumulative emissions should stay below approximately 1000G tons. We have already emitted about 600 and are adding more at a rate of about 40 Gt per year so the “ceiling” will be crossed in short order.

NGO:s have been especially excited on the new target and for example Greenpeace kindly suggests their own plan (+GWEC+SolarPower Europe lobby groups) as a way forward.
We will push our beautifully simple solution to climate change – 100% renewable energy for all – and make sure it is heard and embraced. From schoolyards in Greece, to the streetlights of India, to small Arctic communities like Clyde River in Canada, we will showcase the clean, renewable solutions that are already here, and pressure our governments to make them available for everyone, fast.Kumi Naidoo

However, since GP plan implies much greater warming than 1.5 degrees, it is unclear why this plan should be followed. Let me elaborate.

Energy [R]evolution scenario is in fact quite critical of bioenergy. While this doesn’t often translate to consistent behavior at the organizations grass root level at least some understanding does exist. Report says:

  • Any bioenergy project should replace energy produced from fossil fuels. considering the entire production chain, above- ground and below-ground carbon stock changes and any indirect land use changes (ILUC), the net greenhouse gas emission reduction of such a project must be at least 50% compared to a natural gas reference, 60% compared to an oil reference and 70% compared to a coal reference. This net emission reduction must be realized within 20 years.
  • “Greenhouse gas emissions as a result of indirect land use change (ILUC) must be integrated in the greenhouse gas calculation methodology of crops (including trees) for bioenergy, grown on agricultural land, by determining crop- specific ILUC-factors.”

They continue…”Despite this, all bioenergy is accounted for as climate neutral leading to an enormous carbon accounting error. Therefore, carbon accounting schemes should stop assuming ‘carbon neutrality’ of bioenergy and account for the net direct and indirect greenhouse gas performance of bioenergy as outlined in the sustainability criteria for bioenergy presented in this document.” (As an aside for my Finnish readers I would like to point out that GP sustainability criteria effectively exclude pretty much all forrest bioenergy here. It remains to be seen how long it takes for this realization to diffuse into local Greenpeace and other NGO:s.)

This is great and I agree! But then… why is that on pages 317-318, where E[R] scenario numbers are given, climate impacts of  bioenergy and biofuels are absent?

Emissions also from outside energy sector

Emissions also from outside the energy sector.

The report is also very silent on the emissions outside energy sector. For example, large fraction of the GHG emissions are due to agriculture. If we add the GHG emissions that Greenpeace+friends do not count, this would probably add roughly 10Gt of CO2 emissions a year.

I conclude with a short movie summarizing what Greenpeace+GWEC+SolarPower Europe figures actually imply. The first two columns are based on CO2 emissions reported in E[R] scenario. Third one adds 10G tons of GHG emissions that the report seemed to brush aside. It has always been clear that Greenpeace scenarios are widely unrealistic (for large number of reasons), but as is clear, E[R] scenarios are also inconsistent with the 1.5 degree target they celebrate. In fact, given that large fraction of emissions are unaccounted for the scenarios are unlikely to be consistent even with the earlier 2 degrees target. Other scenario builders typically add massive amounts of CCS with bioenergy to get negative emissions later on the century. Greenpeace is opposed to CCS (well of course) so we can safely assume the cognitive dissonance will only get worse.  Since the substance is lacking on NGO proposals, should we really be outraged if substance is also missing from the official policies? Is anybody actually serious about this?

Estimate of the cumulative emissions in Greenpeace E[R] scenarios. (3rd column adds 10Gt of yearly GHG emissions from missing bioenergy emissions, agriculture etc.) Last column indicates the level below which we have reasonable chance to stay below 1.5 degrees.

Note added 2.5.2016: Careful commenter pointed out few stupid mistakes in the original post. There was a confusion between C and CO2 on the one hand and on the other the earlier limit for cumulative emissions was too high. The mistakes had a tendency to cancel each other out. Now the underlying data is fixed accordingly. E[R] advanced scenario has some change of staying below 2 degrees by 2050, but as mentioned before it leaves out a large fraction of existing GHG emissions and thus cannot be used to estimate actual climate impacts.

Some months ago The Ecologist (among others) was hyping a “battery breakthrough” with Lithium-air batteries. Revolution was imminent. Oil was doomed. The usual stuff. We will just have to wait maybe 10 years.

Any day. now!

As it turns out, serious doubts have been raised about the hyped study and the revolution is thus postponed.

That was fast

Of course ten years is a disappointingly long time for renewable energy enthusiasts to wait. But significantly, it’s about the length of time it takes to build a nuclear power station. Indeed, if you include all the time spent in preparation for new nuclear, it’s considerably quicker.

Few months is the time-scale for the Ecologist predictions to fail? Actually given that the paper seems to have degenerated into anti-GMO, anti-medicine, anti-nuclear etc. brain dead website, this is perhaps too generous. Currently, they seem to feature Chris Busby on their front page, which indicates the depth of their intellectual bankruptcy #facepalm.

Undoubtably this failure will not have any impact on the people contributing to the Ecologist. Failed predictions will simply be replaced by new ones predicting exactly the same.

Raindrop sandRecently a study about a solar cell that also works in the rain crossed news threshold. Authors start modestly “All-weather solar cells are promising in solving the energy crisis.” Why this statement would be true, they do not tell. Stories about the paper seemed to spread widely in the geek press. Some samples…

Rain is normally a solar energy cell’s worst nightmare, but a team of Chinese scientists could make it a tremendous ally. They’ve developed a solar cell with an atom-thick graphene layer that harvests energy from raindrops, making it useful even on the gloomiest days. Jon Fingas (Endgadget)

Solar energy panels that can also generate power from raindrops have been been designed, offering a possible solution for UK homeowners looking to invest in renewable energy.  The all-weather solar panels that can create electricity from light on sunny days and rain on cloudy days could be the perfect solution for the UK“:  Cara McGoogan (The Telegraph)

Most of the bad press solar panels get has to do with their limited efficiency in bad weather. Sure, they might be great in New Mexico, but you wouldn’t use them as much in England. Well, a new innovation might soon change that. Chinese scientists have developed a way for solar panels to produce electricity using rain water.Alfredo Carpineti (IFLScience)

Rain means clouds and clouds mean less sunlight. That’s bad news for most solar cells, but a new design can actually make use of rain drops that fall on its surface, allowing it to generate electricity even when the weather’s bad.Jamie Condliffe (Gizmodo)

This all seemed very silly to me. It is very important to grasp which things are large and which are small if you aim to have viewpoints worth listening to. Notice that two critical questions are not raised by anyone.

  1. How much energy is there in rain water?
  2. How much of the energy the gadget harvests?

Both questions are simple enough to answer if the curiosity is there to raise the questions. How much energy is there in rain and how does this compare with the power produced by a solar panel? Take UK which is not known for great weather. It rains roughly 1 meter/year on each square meter of the country. The terminal velocity of water drops depend on their size, but if I estimate 4 m/s I am probably fairly accurate. This means that kinetic energy of rain contains about 8000 Joules which means on average about 0.25 mW power hitting at a surface over the year. This is almost 100000 times smaller that average electrical power from a solar panel in the same spot. Harvesting this seems like a waste of time if your goal is to “solve the energy crisis”.

Well there is this thing about ions in the raindrops working some miracles together with graphene…Maybe I should actually glance at the paper. So their “raindrops” turn out to contain 0.6-2M of NaCl i.e. table salt. Sea water contains about 35 grams of salt per liter i.e. about 0.6M. Authors “raindrops” actually contained as much salt as seawater or more. Compared to sea water, rain water contains essentially no salt (give or take tiny amounts of impurities). What happens if we replace authors sea water raindrops with something more like the real thing? Nothing…that is what happens as demonstrated by the figure 5 authors had hidden in the supplementary.

Ok, well let us just spread salt all over clouds, because solar power. How much power was actually generated? Next figure shows that. When they dropped a drop every 10 seconds, they got about 40 picowatts in a pulse lasting maybe 100 ms. If they dropped water faster, power was reduced although since they had more events, the overall average power was probably about constant…so more rainfall didn’t end up as higher output. Kind of strange and makes UK screwed I guess (see McGoogan earlier).

Energy in each of those pulses was few picojoules (pico=10-12). How does that compare with the kinetic energy of a raindrop? Let us say we have a raindrop with a radius of 2 mm and velocity 4m/s. Then it will have a kinetic energy of about 0.3 mJ or roughly 100 million times more than the energy authors extracted from their seawater drops. Authors probably observed a tiny electrical effect due to small variation in ion concentrations and then proceeded to hype the result till kingdom come with the kind assistance from the media.

To make it more clear how tiny the effect is, let us say we want to generate that 20W/m2 with this thing. So 20 ml/h gave about 0.4 pW on average.  To get 20 Watts we need a flow rate of about 300000 m3/s or about 100 Niagara Falls through 1 m2 area. Not at all crazy. (Incidentally, I am pretty sure I can come up with ways to extract more than 20W even from a single Niagara Fall. I know it sounds arrogant, but there you go…) Did I already tell you that the pointless device deteriorated after having experienced one drop every 4 second for about 1000 seconds? That is after 250 drops in about 15 minutes. We are saved!

100 of these through one square meter. Vested interests are the only reason we are not doing that already.

I conclude with a short (slightly vulgar, sorry) language lession. Finns have a jingoistic concept “Venäläinen perseensuristin“. I have noticed that the term doesn’t translate well and often with foreigners it takes awhile before it sinks in. Direct translation is “Russian ass buzzer”. It is an answer to a question: “What is it that doesn’t buzz and which you cannot fit into your ass.” It is an unnecessary product which doesn’t even work. Many Finns are of the opinion that Soviet Union excelled at producing such products. I will file this “solar panel in the rain” into the category “perseensuristin” and I am happy to observe that such products seem to be a universal human skill.

I have written before how IEA sometimes hides politically inconvenient results in their reports. Now IRENA has published a new report “REmap: Roadmap for A Renewable Energy Future: 2016 Edition”. It naturally has a myopic focus on renewables which is the purpose of the organization. Nevertheless I was somewhat interested in their cost and capacity figures. In the next 15 years their REmap plan calls for a total investment of about 6000$ billion into wind and solar.
Costs

What does this spending buy? According to IRENA it buys about 1600 GW of wind power capacity, 1585 GW of PV capacity, and an explosion of installations into concentrated solar power so that its capacity would increase from about 4GW today to 110 GW at 2030.

Capacities

If we assume an average global capacity factor for wind power to be about 25%, for PV about 15%, and CSP about 40%, we find that added wind and solar production corresponds to about 690 GWe of continuous production over the year. With 25 year lifetime, this means an electricity production of about 151 PWh. So without discounting etc. we would pay about 8.7$ billion/GWe for delivered (average) power. Capital costs would imply (without discounting and other expenses) about 4 cents/kWh cost of electricity.

IPCC 5th assessment report median nuclear overnight costs 4300$/kW. Let me again ask the naughty question since IRENA refused to compare options (1,5). What could we get, if we were to plough the money IRENA desires to spend for wind and solar into nuclear? I will round the cost to 5000$/kW for nicer figures. It really doesn’t matter. We could buy 1200GW of capacity which implies about 1100GW production at 90% capacity factor. Much more than than the 690GW IRENA bought. With 60 year lifetime, the actual production and reduced emissions are larger by a factor of about 4 and correspondingly the cost per kWh from non-discounted capital costs is around 1 cent. Estimates are so far apart that fiddling with details is not going to change anything.

Savings from external costs according to IRENA

Savings from external costs according to IRENA


IRENA also finds that their plan costs more than reference scenario (which is also not a cost minimizing option), but makes it alright by assigning externalities to the reference case (10,11, and 12). Outdoor and indoor pollution would be reduced by poor people burning less dung and biomass and some (smaller) savings also appear from reduced CO2 emissions. These are all savings that can just as well be assigned to the nuclear build-up sketched here except that savings would be considerably higher by hundreds of billions every year. Just sayin… (Of course I understand that at this point rules must somehow be changed.)

IRENA also states:

“Avoided investments in non-renewable power capacity alone are estimated at USD 1.5 trillion to 2030, or about USD 100 billion per year on average in the 15-year time period. Almost half of these savings would come from not building coal-fired power plants; another 30% from nuclear investments seen as no longer necessary. “

Mind boggles. No longer seen as necessary since authors proved themselves willing to impose additional costs on others? You do see that in the plan I outlined we would get much more savings in avoided investments than in the IRENA plan? Why settle for lower emission reductions? Have we been reducing emissions too rapidly? If you want to promote wind and solar, that is fine with me. But could you please make a case that somehow makes sense? Claiming that plans are economical even when it is manifestly clear they are anything but, undermines your message outside your echo chamber. Hopefully the plan is not dependent on everybody living in the same chamber. Not really my cup of tea. I rather stand in the rain outside.

P.S. Justifying climate action with external costs from indoor biomass burning and outdoor pollution is a dubious idea. Most of those costs can also be avoided by switching from dung and biomass to fossil fuels especially if appropriate pollution controls are used. Implicitly IRENA et al. base their logic on things NOT improving outside their chosen set of tools. This makes no sense.

Voisiko Teraloopin energiaa varaava liikkuva massa kannatella itse itseään? Teimme laskelmat ja esittelemme ne tässä.

Haluaisimme uskoa, että Teraloopin konsepti voisi toimia. Tämä jo siksi, että valtio on antanut yhtiölle 260 000 euroa Tekes-lainaa, ja olisi hienoa saada sille rahalle vastinetta. Olemme aiemmin analysoineet konseptia läpi fysiikan kannalta ja tehneet myös yksinkertaisen laskurin, jolla realismin rajoja voisi arvioida. Teki laskut miten tahansa, ne tuntuvat päätyvän aina samaan lopputulokseen: konsepti ei toimi, ellei fysiikan lakeja muuteta.

Päätimme antaa Teraloopin idealle vielä yhden mahdollisuuden. Moni on keskusteluissa esittänyt, että jos Teraloop olisi junavaunujen sijasta kiinteä rengas, se ei tarvitsisi ehkä magneetteja muuhun kuin levitointiin. Materiaali voisi ehkä kannatella itse itseään. Tämä ehdotus ei ole Teraloopin julkaistun toimintaidean mukainen, mutta toisaalta yhtiö on itsekin todennut että sen konsepti on todellisuudessa täysin erilainen kuin julkisuudessa olleet tiedot. Ehkä tämä on se suuri oivallus, joka mahdollistaa ajatuksen?

Lisää matematiikkaa…

Tasapainossa pyörivän renkaaseen muodostuu keskeiskiihtyvyyden johdosta kehän suuntainen jännitys, joka voidaan laskea kaavasta

s = ω2* ρ * ( R12 + R1*R2 + R22) / 3

Missä s:n yksikkö on Pa (= N/m2), ω on kulmanopeus (rad/s) ja ρ on aineen tiheys (kg/m3), joka teräksellä on 7800 kg/m3. R1 ja R2 ovat renkaan ulko- ja sisäsäde.

Koska renkaan kehän poikkipinta-ala suhteessa renkaan säteeseen on hyvin pieni ja käytännössä R1≈R2≡R, voidaan kaava muuttaa yksinkertaisempaan muotoon.

s = ρ * ω2* R2

Olemme tehneet tällekin tehtävälle laskurin, jossa arvoja voi pyöritellä. Voimme myös piirtää kuvan, josta nähdään jännitys suhteessa renkaan kehänopeuteen. Renkaan säde tai kehän poikkipinta-ala eivät vaikuta tulokseen, yllä oleva kaavio pätee kaiken kokoisille teräsrenkaille, joiden kehän halkaisija suhteessa renkaan säteeseen on vähäinen, kuten Teraloopin tapauksessa. Kuten alempana lasketaan, rengas murtuu jos kehäjännitys ylittää 640 MPa arvon, mikä rajoittaa kehänopeutta erittäin rajusti.taraloop_pyorivan_terasrenkaan_jannitys

Terästen lujuusrajoitteet

Jännityksen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on Pascal (Pa), eli N/m2. Terästen lujuus ilmoitetaan Pascalin pienuudesta johtuen yleensä Megapascaleina, MPa. 1MPa vastaa noin 100 tonnin painoa yhden neliömetrin alueella. Teräkselle määritellään erikseen myötölujuus ja murtolujuus. Jos valmistamme lujuusluokan 8.8-pulttimateriaalista teräslangan, jonka poikkipinta-ala on 1 mm2, sen varaan voisi ripustaa 64 kg:n massan, ilman, että langassa tapahtuu pysyvää muodonmuutosta, eli ilman, että ns. myötölujuus (640 MPa) ylittyy. Yli 80 kg:n massalla lanka katkeaa, koska aineen murtolujuus (800MPa) ylittyy. Myötö- ja murtolujuuden välissä teräkseen jää pysyvä muodonmuutos, joten rakenteet tulee mitoittaa myötölujuuden mukaan. Tämä esimerkiksi valittu koneenrakennusteräs on noin kaksi kertaa lujempaa kuin tavallinen rakenneteräs.

Laskurin avulla on mahdollista hahmottaa joitakin ratkaisuja, jotka saattaisivat olla kokonaisuutena teoriassa lähes saavutettavissa. Esimerkiksi teräsrengas (tiheys 7800 kg/m3) jonka sisäsäde on 1,8 metriä ja renkaan säde 250 metriä, tuottaa 290 m/s nopeudella seuraavanlaisia arvoja: energia 1,5 GWh, g-voimat 34 g, kokonaispaino 125 tuhatta tonnia, ja jännitys 660 MPa. Energia on siis kymmenesosan siitä arvosta, jota Teraloop mainoksissaan lupaa, ja siitä huolimatta jo tämäkään rengas ei tule kestämään murtumatta kovin kauan.

Tunnelin sädettä kasvattamalla päästään hiukan suurempiin energioihin, mutta energia kasvaa kuitenkin vain suhteessa säteeseen. Esimerkiksi 2500-metrinen tunneli tuottaa noilla arvoilla vain 20 GWh patenttihakemuksen lupaaman TWh:n sijaan.

Venymäongelma

Kokonaan toinen kysymys on, miten tuollainen rengas voitaisiin valmistaa. Se ei voi olla pelkkää terästä, koska siinä pitää olla maglev-tekniikka yms. massaa, joka ei kanna kuormaa. Mitoituksessa ei muutenkaan voi mennä noin lähelle myötörajaa. Mitoitus pitää tehdä väsyttävälle kuormalle, sillä laitteen pitää kestää lukuisia lataus- ja purkukertoja. Sallittu jännitys jäisi käytännössä huomattavasti tässä laskettua teoreettista maksimia pienemmäksi, kun kaikki mitoitukseen vaikuttavat tekijät otetaan huomioon.

Läheskään aina lujuusmitoituksissa ei tarvitse laskea rakenteen venymiä. Teräs nimittäin venyy kun sitä kuormitetaan. Koska Teraloop on valtavan suuri rakennelma, lasketaan varmuuden vuoksi myös renkaan venymä. Tähän käytetään Hooken lakia:

s = E * є

missä s on jännitys, E on kimmokerroin (teräksellä 210 GPa) ja є on suhteellinen venymä. Koska haluamme laskea venymän, muutetaan kaava muotoon:

є = s / E

є = 0,64 GPa / 210 GPa = 0,003

Renkaan kehän pituus ja sen myötä renkaan halkaisija venyvät 0,3 % sen saavuttaessa myötörajan. Patenttihakemuksessa renkaan halkaisija oli 5000 metriä. Sen kokoinen teräsrengas venyisi täydellä pyörimisvauhdilla peräti 5000m * 0,003 = 15 metriä. “Donitsi” siis leviäisi täydessä vauhdissa kohti tunnelin ulkoseiniä 7,5 metriä joka suuntaan, ja hidastuessaan kutistuisi taas normaaliin kokoonsa. Kuten normaalilla mielikuvituksella varustettu lukija voi kuvitella, tästä aiheutuu jälleen korillinen lisäongelmia.

Pienempi 500-metrinen prototyyppi venyisi 1,5 metriä. Tämän kokoinen vaihtelu saattaisi teoriassa, ehkä, juuri ja juuri, olla siedettävissä esimerkiksi sähkömagneeteilla, mutta kiinteät magneetit eivät tähän kykene.

Venyminen antaa käytännössä kovan ylärajan sille, kuinka suureksi Teraloop-tyyppinen systeemi voitaisiin rakentaa. Vaikka 250-metrinen pilotti onnistuisi jollakin keinolla juuri ja juuri, sitä suuremmaksi laitetta ei juurikaan voi enää kasvattaa. Nopeus ei myöskään voi näistä arvoista nousta juuri ollenkaan.

Voimme toki ajatella korvaavamme teräksen jollain toisella materiaalilla, mutta jätämme lukijoiden haasteeksi keksiä materiaali, joka olisi tähän tarkoitukseen terästä parempi ja jonka kustannus on riittävän alhainen.

Teräskään ei tässä ole aivan ilmaista. Jotta energiaa saisi vähänkään järkeviä määriä, massan pitää olla yli 100 000 tonnia. Teräksen hinta vaihtelee suuresti, mutta on tyypillisesti satoja euroja/tonni. Pienenkin Teraloopin vaatiman raakateräksen hinta olisi siis vähintään 10 miljoonan euron paikkeilla. Koska terästä joudutaan käytännössä prosessoimaan, loppuhinta olisi useita kertoja suurempi — olettaen, että tällaista rengasta edes pystyisi todellisuudessa valmistamaan.

Tässä kirjoituksessa esitettyjä arvioita voi toki tarkentaa mallintamalla Teraloopin tukirakenteita yms. tarkemmin, mutta tämä ei tule muuttamaan mitään olennaista. Valitettavasti fysiikan lait iskevät rajusti vastaan tässäkin tarkastelussa.

Yhteenveto

Kiinteä rengas ei näytä pelastavan konseptia, vaikka löytyykin konfiguraatioita jotka ovat ainakin hiukan sinnepäin. Jos renkaaseen halutaan varastoida merkittäviä määriä energiaa, sen pitää pyöriä todella lujaa. Tällöin renkaaseen kohdistuu suuria jännityksiä, ja se venyy ja supistuu pyörimisvauhdin mukana. Tällöin metalliin voi muodostua myös väsymisvaurioita.

Maailmalla on esitetty konsepteja, joissa suuri määrä energiaa varastoidaan valtavan suuriin massoihin (ks esim täältä). Nämäkään ratkaisut eivät ole suuresti edenneet, ja ne ovat silti kertaluokkaa helpompia toteuttaa kuin Teraloop.

Teraloop on sinällään yrittämässä ratkaista aivan olennaista ja tärkeää ongelmaa; valitettavasti sen ehdottama ratkaisu ei näytä toimivan millään tasolla. Energiaa on tällä hetkellä erittäin vaikea varastoida erittäin suuria määriä. Tällä alueella tehdään maailmalla koko ajan monipuolista tutkimus- ja kehitystyötä, ja tutkimusta kannattaisi ehdottomasti tukea myös Suomessa. Tuki täytyisi kuitenkin osata kohdentaa sellaisiin hankkeisiin, joissa on edes jotakin realismia takana.

Tämän kirjoituksen on tehnyt ryhmä fysiikan ja tekniikan alan ammattilaisia kollektiivisesti. Kirjoitus julkaistaan yhtä aikaa omissa blogeissamme. Kirjoittajat aakkosjärjestyksessä: Kaj Luukko (Gaia-blogi), Jani-Petri Martikainen (PassiiviIdentiteetti-blogi), Jakke Mäkelä (Zygomatica-blogi), Rauli Partanen (Kaikenhuippu-blogi), Aki Suokko (Palautekytkentöjä-blogi), Ville Tulkki.

Follow me on Twitter

Goodreads

Amnesty international

Punainen risti

Unicef