Miksi uusiutuva energia tulee aina maksamaan hiiltä enemmän

Pohjustan tämän blogikirjoituksen toteamalla keskeisen tosiasian, jonka ympärillä monet sitä seuraavat huomiot pyörivät. Yhden gigawatin hiilivoimala maksaa runsaat miljardi euroa. Tähän päälle tulevat  vielä polttoaine yms. kustannukset, mutta tämä luku pohjustaa sitä mihin ei-fossiilisten vaihtoehtojen tulee tähdätä mikäli aikovat vakasti kilpailla hiilellä tuotetun energian kustannusten kanssa.Vähän tarkemmin…mikäli valitsemme 5% diskonttokoron, hiilivoimalan hinnaksi 1.2 miljardia euroa/GW, 70% kapasiteettitekijän  ja eliniäksi 50 vuotta, hiilivoiman kustannus asettuu välille 3-4 senttiä/kWh. Samalla eliniällä ja kapasiteettitekijällä varustettu hiiletön voimalaitos, jonka polttoaine ja huoltokustannukset ovat häviävän pieniä, ei saisi maksaa enemmän kuin 4 miljardia/GW. Mikäli hiilettömän vaihtoehdon kapasiteettitekijä on 90% ja elinikä 60-vuotta (uusi ydinvoima), voi voimalaitoksen  hinta olla lähempänä viittä miljardia ennen kuin kilpailukyky hiiltä vastaan katoaa. Uusiutuvilla sekä kapasiteettitekijä, että elinikä ovat merkittävästi lyhyempiä, joten paljon miljardia enempää ne eivät saisi maksaa. Miksi en usko, että uusiutuvan energian hinta koskaan putoaa tälle tasolle?

1.  Alhainen energiatiheys: Uusiutuvilla energianlähteillä energiatiheys on hyvin alhainen mikä tarkoittaa, että tietyn tehon tuottamiseksi vaaditaan suuri pinta-ala. Kun rakennusurakka leviää laajalle, sekä materiaali-, että työvoimakustannukset nousevat. Suurempi määrä betonia ja terästä maksaa enemmän kuin pieni määrä ja suuremman betoni- ja teräsmäärän käsittely vaatii enemmän työtä. Lisäksi materiaalien ripottelu laajalle alueelle on työläämpää kuin sen kasaaminen yhteen läjään ja huollon järjestäminen moneen pieneen yksikköön on hankalampaa kuin yhteen suureen. Tekninen kehitys voi alussa alentaa kustannuksia merkittävästi, mutta ennemmin tai myöhemmin tämä perustavaa laatua oleva rajoitus tulee väistämättä vastaan. Tavallaan tässä on kyse samasta asiasta kuin siinä, että puolen litran maitotölkissä pakkauksen osuus on suurempi suhteessa sisältöön kuin litran tölkissä.
2. Tuotanto, joka ei vastaa kulutusta: Se, että aurinko ja etenkin tuulivoima on satunnaista aiheuttaa rajuja lisäkustannuksia, kun yhteiskunnalle tuotetaan sellaista energiaa mitä se oikeasti käyttää. Tuotannon satunnaisuus pakottaa joko kapasiteetin rakentamiseen kahteen kertaan (tyypillisesti kerran uusiutuvilla ja toisen kerran fossiilisilla) tai energian varastointiin. Nykyään uusiutuvat nojaavat fossiilisiin, koska sähkön varastointi on hyvin kallista eikä tähän ole odotettavissa suuria muutoksia. Esimerkkinä energianvarastoinnista mainitsen Andasolin keskittävän aurinkovoimalaitoksen, jossa energiaa varastoidaan 7.5 tunniksi suliin suoloihin. Tämä siis riittää illaksi, mutta ei yöksi saati sitten seuraavaksi aamuksi. Suoloja tarvitaan noin 700 m^3/MW ja niiden markkinahinnat ovat sen suuntaisia, että pelkkä materiaalikustannus suoloista yhden gigawatin laitoksessa on yli miljardin. Koska aineen kemialliset ominaisuudet määräävät varastointikapasiteetin, noihin materiaalivaatimuksiin tuskin on luvassa suuria muutoksia.
3. Uusiutuvat voimalaitokset ovat alttiina säälle: Tämä on sekä tuuli- ja aurinkovoiman yhteinen ominaisuus. Tavalliset voimalaitokset sijaitsevat sisällä ja niiden toimintaympäristö on vakio. Uusiutuvat voimalaitokset ovat taas määritelmänsä nojalla alttiina kuivuudelle, sateelle, kuumuudelle, kylmyydelle, hiekalle, suoloille, tuulenpuuskille ja myrskyille. Osin tämän vuoksi niiden elinikää on varmasti hankala saada vertailukelpoiseksi  suojassa oleviin voimanlähteisiin verrattuna. Mahdotonta se ei ole, mutta se vaatii enemmän työtä ja rahaa.
4. Aurinkosähkö tuottaa tasavirtaa, mutta verkossa kulkee vaihtovirtaa. Ts. aurinkosähkö tarvitsee muuntajia ja nämä taas voivat maksaa 500 miljoonaa asennettua gigawattia kohden ja niiden elinikä on 5-10 vuotta. Pieniä edistysaskelia muuntajissa voidaan varmasti tehdä, mutta edes alan teollisuus ei lupaa mitään suurta läpimurtoa.
5. Aurinkosähkö ja tuulivoima eivät tuota lämpöä, jota yhteiskunta kuitenkin tarvitsee. Fossiilisilla ja ydinvoimalla tätä ongelmaa ei ole.
6. Uusiutuvilla verkkokustannukset ovat korkeampia: Tämä johtuu monesta syystä joista ei päästä teknisellä kehityksellä eroon. Ensinnäkin monta siellä täällä sijaitsevaa pientä yksikköä vaatii kilometreinä enemmän kaapelia kuin yksi suuri yksikkö (vrt. kohta 1.). Toiseksi, koska tuotantoteho vaihtelee nollan ja maksimikapasiteetin välillä satunnaisesti, kaapeli on suuren osan ajasta tyhjillään. Kolmanneksi, parhaat paikat aurinko- ja tuulivoimalle eivät yleensä sijaitse siellä missä ihmiset asuvat. Periaatteessa toinen tässä mainituista syistä voisi kadota mikäli energiaa varastoidaan voimalaitoksen yhteyteen. Ensimmäinen ja kolmas kuitenkin jäävät. (Esimerkki: Rakennetaan 1GW toimittava tuulivoimapuisto 100 km päähän Helsingistä. 2MW:n voimaloita tarvitaan noin 1500, kun oletetaan korkeahko 30% kapasiteettitekijä ja puiston pinta-ala olisi noin 40x40km^2. 3GW:n siirtävää kaapelia tarvitaan siis 100 km, itse puistossa 2MW:n kaapeleita noin 30000km. Tanskan ja Norjan välisen Skagerrak 4:n kustannuksista arvioin hintaluokaksi noin 2200 euroa/(km MW). Kustannus voisi olla siis suunnilleen 700 miljoonaa euroa.  Vastaavalla etäisyydellä oleva tavallinen voimalaitos voi toimia noin kolme kertaa korkeammalla kapasiteettitekijällä ja sille riittää 1GW:n kaapeli. Ylimääräistä kustannusta siis ehkä noin 500 miljoonaa toimitettua GW:a kohden. Super-grid visioissa siirtoetäisyys voi olla yli tuhat kilometriä. Esimerkki lisätty 3.7.2011)

Nämä kaikki tekijät ovat ylimääräisiä kustannuksia aiheuttavia tekijöitä, joista fossiiliset energianlähteet (tai ydinvoima) eivät kärsi. Nämä kaikki ovat myös tekijöitä, jotka eivät poistu teknisellä kehityksellä. Periaatteessa voisi olla mahdollista, että korkea fossiilisen polttoaineen hinta kompensoisi nämä haitat, mutta valitettavasti hiiltä on maailmassa aivan liikaa sellaiseen hintapiikkiin. Itse vedän tästä pohdiskelusta sen johtopäätöksen, että vaihtelevien ja alhaisen energiatiheyden uusiutuvien  kustannukset tulevat teknisestä kehityksestä huolimatta jäämään merkittävästi hiilivoiman  kustannuksia korkeammiksi.

Onko tällä väliä? On. Uusiutuviin pohjaavat päästövähennysskenaariot nojaavat tyypillisesti oletukseen siitä, että uusiutuvien hinnat tulevat kilpailukykyisiksi hiilen kanssa.  Massiivisia tukiaisia nyt motivoidaan lupauksella siitä, että tämän seurauksena uusiutuvan energian hinta putoaa kilpailukykyiseksi fossiilisten kanssa. Tuulivoiman kohdalla tässä kirjoituksessa keskusteltuihin rajoituksiin on jo törmätty.  Maalle asennetun tuulivoiman kustannukset ovat nykyään korkeammat kuin vuonna 2004. Vuonna 2004 tuulivoimateollisuuden lobbausjärjestö EWEA (European wind energy association) lupasi fakta paperissaan (sivu 10) seuraavaa:

“With a doubling of total installed capacity, the cost of production per kWh on new wind turbines will fall by between 9% and 17%. Assuming that this doubling occurs over a five year period, as projected by EWEA, the cost of production from a coastal turbine could be as low as 3.1 c€/kWh by 2010.”

Tämän lupauksen jälkeen tuulikapasiteetti lähes kolminkertaistui viidessä vuodessa, mutta kustannukset ovat nouseet  40% tai enemmän. Tällä hetkellä EWEA lupaa sivuillaan, että “Looking ahead, by 2010 the cost of production from a medium-sized turbine (up to 1.5 MW) at a coastal site could be as low as 5 to 6.5 € cents/kWh.” (Tuo kustannusarvio ei muuten pidä sisällään niitä investointeja joita vaaditaan tuulivoiman satunnaisuuden kompensoimiseen. EWEA olettaa, että ne maksaa joku muu.) Tämän esimerkin perusteella on vaikeaa uskoa siihen, että teollisuus itse tunnistaisi (tunnustaisi?) saavuttaneensa sen kustannustason mistä kustannusten alentaminen entisestään on vaikeaa.

Mitä teemme, jos uusiutuvan energian kustannukset eivät putoa hiilen alle?  Uskooko joku, että ihmiskunnan  enemmistö maksaa energiastaan korkeampaa hintaa ihan vain sen vuoksi, että se tuotetaan tavalla, joka on ideologisesti hyväksyttyä toisille? Tähän ei ole suurta intoa edes rikkaissa maissa ja suuri osa ihmiskuntaa elää maissa missä ihmiset tuskin tietävät millä ruokkivat lapsensa seuraavana päivänä. He elävät maissa missä puhdas vesi, koulut, terveydenhuolto, eläkkeet jne. eivät ole itsestään selvyyksiä. Heillä on paljon kiireellisempiäkin ongelmia kuin vuosikymmenien aikana etenevä ilmastonmuutos. Oletus siitä ettei kustannuksilla ole väliä tulee vieläkin epärealistisemmaksi, kun huomaamme, että rikkaiden maiden oma energiantuotanto nojaa nykyisillä trendeillä fossiilisiin niin pitkälle kuin silmä kantaa. Ts. vaadimmeko oikeasti vakavalla naamalla köyhiä maita nojaamaan satunnaisiin, hankaliin ja kalliisiin energianlähteisiin samalla, kun itse ylläpidämme omaa vaurauttamme fossiilisilla energianlähteillä?

Olisiko kuviteltavissa, että rikkaat maat maksavat köyhemmille maille tukiaisia, jotka kattavat erotuksen uusiutuvan energian ja hiilienergian välillä? Ihmiskunnan energiankulutus nyt on noin  500 EJ vuodessa. Tästä alle puolet kulutetaan OECD:ssa (rikkaiden maiden klubi). Tukiaisia tarvittaisiin siis pönkittämään vähintään 100 EJ kulutusta köyhemmissä maissa. Tällä tasolla  kukin sentti kilowattitunnin hinnassa maksaa 280 miljardia euroa/vuosi. Tämä on moninkertaisesti OECD maiden kehitysavun suuruus tai esimerkiksi Kreikan viime vuotisen pelastuspaketin suuruus. (Suomi muuten kuluttaa vuodessa noin 400 TWh energiaa joten yhden sentin energianhinnannousu, maksaa kansantaloudessa noin 4 miljardia eli enemmän kuin ne säästöt mistä äsken päättyneissä hallitusneuvotteluissa kinasteltiin.) Ilmastopolitiikan rakentaminen tällaisten skenaarioiden varaan on minusta vastuutonta ajan haaskaamista elleivät visionäärit perustele huolellisemmin uskoaan siihen, että uusiutuvien kustannukset putoavat fossiilisten alle. Eksponentiaalisten hinnanalennusten ekstrapoloiminen niin pitkälle tulevaisuuteen kunnes haluttu kustannustaso on saavutettu, ei ole järkevä argumentti.

Entä voimmeko nostaa hiilen hintaa poliittisin päätöksin? Tämä on varmasti periaatteessa mahdollista ja kannatan toki haittaveroja kasvihuonekaasupäästöille, mutta kuinka siihen vaadittava globaalikonsensus aikaan saadaan? Ilman globaalia konsensusta vaarana on vain päästöjen siirtely paikasta toiseen ilman mainittavaa ilmastohyötyä. Lisäksi kuinka vakaa tällainen järjestelmä olisi? Mikäli energianhinta nousee sen seurauksena merkittävästi, poliitikoille tulee rajut paineet vesittää järjestelmää ja keskittyä kosmeettisiin ilmastostuntteihin. Lisäksi mitä korkeammaksi haittaverot nousevat sitä voimakkaammaksi käy houkutus niiden kiertämiseen ja sitä enemmän systeemi vuotaa. En siis jaksa uskoa, että haittaverot olisivat riittävän luotettava keino ilmastonmuutoksen jarruttamiseksi. Nähdäkseni ainut keino kiertää nämä kustannusten aiheuttamat poliittiset ongelmat on tähdätä energianlähteisiin,  jotka pystyvät tuottamaan kaiken sen energian mitä ihmiskunta kuluttaa ja tekemään sen  hiiltä halvemmalla.Tällä hetkellä on vain yksi energianlähde, jolla tämän saavuttaminen on realistista.

Vasemmalla oleva pala toriumia voi tuottaa saman energiamäärän kuin oikealla olevat 600 aurinkopaneelia 20 vuodessa (korkealla 20% kapasiteettitekijällä). Hökötys painaa 120 tonnia ja materiaalivaatimukset ovat monta kymmentä kertaa korkeammat kuin vanhassa kevytvesireaktorissa.

Lisää eri energiamuotojen rajoituksista mm. seuraavilta sivuilta:

•  http://www.withouthotair.com/
•  http://bravenewclimate.com/renewable-limits/
•  http://bravenewclimate.com/2011/06/18/greenpeaces-plan-for-india/
•  http://nucleargreen.blogspot.com/2011/06/why-renewable-energy-is-so-expensive.html

Huolimattomuutta IPCCssä?

Itseäni kummastutti IPCC:n tapa julkistaa lehdistötiedote uusiutuvan energian erikoisraportistaan ilman, että itse raportti oli saatavilla kuin yli kuukautta myöhemmin. Koko raportti on muhkea lukupaketti ja siinä on paljon hyvääkin asiaa. Se ei ole tietenkään kattava esitys ilmastonmuutoksen aiheuttamista teknisistä haasteista, koska esim. ydinvoima ja CCS on rajattu tarkastelun ulkopuolelle sivulla -1. Koko erikoisraportin tarve on luultavimmin siinä, että toiset haluavat raportin josta ideologisesti väärät vastaukset on siivottu pois. Aikaisemmissa raporteissaan IPCC on käsitellyt myös ydinvoimaa ja todennut sen halvimmaksi tavaksi alentaa CO2 päästöjä. (Ihan purematta näitäkään raportteja ei voi lukea.Niissä mm. siteerataan Storm van Leeuwenin ja Smithin tuloksia ydinvoiman elinkaaripäästöistä, mikä on naurettavaa asiaa tunteville. Tokihan siellä siteerataan myös asiallisempia lähteitä.)

Nyt kun koko raportti on julkistettu, on paljastunut (luin tästä Mark Lynasin blogista), että lehdistötiedotteessa mainittu skenaario perustuu nähtävästi Greenpeace aktivisti Sven Tesken työhön yhdessä euroopalaisen uusiutuvia edistävän teollisuuden lobbausjärjestön kanssa. Teske on myös IPCC raportin pääkirjoittajia joten hän on ollut itse arvioimassa oman työnsä uskottavuutta ja siis edistämässä omaa työtään IPCC:n varjossa. Tällainen ei valitettavasti edistä IPCC:n uskottavuutta mainittavasti. Sääli… Kun tiede politikoituu, tuloksena on huonoa tiedettä. Kun huonoa tiedettä käytetään politiikassa, tuloksena on huonoa politiikkaa. Kaikki kärsivät.

Lisättäköön vielä, että en ole sitä mieltä, että Greenpeacen, muiden järjestöjen tai teollisuuden lobbaajien kontribuutiot pitäisi sysätä automaattisesti syrjään.Mikäli niiden tieteellinen taso on riittävä,ne tulee hyväksyä harkittavaksi siinä missä akateemisetkin tutkimukset. Mutta se, että raportin pääkirjoittajana on ilmeisen sitoutunut taho, ei ole hyväksyttävää. Samoin se, että tiedotustilaisuudessa raportoitiin suureen ääneen juuri Tesken skenaariota kymmenien muiden sijasta, ei osoittanut hyvää harkintaa. Tämä skenaario on kuitenkin “outlier” ja suurin osa muista skenaarioista päätyy huomattavasti alhaisempaan uusiutuvan energian potentiaaliin. Kun tiedoitus hoidettiin näin, monelle jäi varmasti käsitys, että IPCCn mielestä 80% ihmiskunnan energiantarpeesta voidaan tuottaa uusiutuvilla vuoteen 2050 mennessä. Suurin osa skenaarioista ei päätynyt tähän lopputulokseen. Konsensus oli, että uusiutuvilla voi olla huomattavasti nykyistä suurempi rooli, mutta yksin niillä ei päästä vaadittaviin päästövähennyksiin.Yli puolet tarkastelluista 164:stä skenaariosta päätyi siihen, että ei-uusiutuvilla katetaan vuonna 2050 yli 70 prosenttia ihmiskunnan energiantarpeesta.

Navarren alueen päästökehitys :-(

Janne Korhosen mainio blogi kirjoitus, josta kannattaa kiinnittää huomiota erityisesti Espanjan Navarren alueen päästökehitykseen. Jos Euroopan johtava uusiutuvien energianlähteiden alue on kasvattanut päästöjään yli 80% vuodesta 1990, mitä syytä on suhtautua kovin positiivisesti uusiutuvien energianlähteiden päästövähennyspotentiaaliin?
Tämän kaltaiset huomiot ovat erityisen tärkeitä, koska kontrasti lupausten ja todellisuuden välillä on tulossa yhä räikeämmäksi. Esimerkiksi Saksassa ympäristöministeriö raportoi pokkana kuinka Saksassa uusiutuviin pohjaava energiantuotanto välttää vuosittain 120 miljoonaa tonnia CO2 päästöjä. Jotain on pielessä, koska Saksan CO2 päästöt olivat vuonna 2010 jokseenkin samalla tasolla kuin 10 vuotta aikaisemmin eli runsaat 800 miljoonaa tonnia. Samaan aikaan Saksan energiankulutus on kuitenkin pysynyt jokseenkin vakiona. 120 miljoonan tonnin päästövähennyksen pitäisi jo näkyä selvästi, jos se olisi siellä. Samanlainen ongelma on Tanskan kohdalla, jonka todellisissa CO2 päästöissä ei näy 1990 alusta vahvaa asennetun tuulivoimakapasiteetin kanssa korreloivaa signaalia. Rutiininomaisesti väitetyt päästövähennykset ovat niin suuria, että kyllä niiden pitäisi Tanskassakin näkyä.  (Huom. puhun todellisista CO2 päästöistä en “adjusted” luvuista joita Tanskalaiset mielellään itse siteeraavat. Ilmastonmuutos aiheutuu kuitenkin oikeista CO2 molekyyleistä eikä poliittisesti miellyttävimmistä adjusted-CO2 molekyyleistä. 1990-2007 “adjusted” luku oli todellista korkeampi vain viitenä vuotena,mutta erityisen raju ylöspäin justeeraus tapahtuu Kioton sopimuksen referenssivuonna 1990.)

Oma arvaukseni Saksan päästöjen kehityksestä

Saksassa ollaan suuressa viisaudessa päätetty sammuttaa kaikki maan ydinreaktorit vuoteen 2022 mennessä. Tämä poistaa heiltä hiiletöntä energiantuotantokapasiteettia jolla on tuotettu noin 150TWh sähköä vuosittain. Mitä tämä tarkoittaa Saksan CO2 päästöjen  kannalta? Tässä oma arvaukseni.

Saksassa on maaliskuussa sammutettu arviolta noin 8GW edestä ydinvoimatehoa. Normaalisti Saksa on ollut keski-Euroopassa sähkönviejä (keskimäärin n. 1.4GW:n teholla vuonna 2007), mutta ydinvoimaloiden sammutus teki siitä sähköntuojan. Nyt Saksa tuo sähköä noin 2 GW teholla. Tuon osuuden CO2 päästöt lasketaan nyt muiden synniksi, mutta noin 6GW:n edestä ydinvoimaa korvataan muilla lähteillä. Oma arvaukseni on, että korvaava energianlähde on ensisijaisesti hiili. Oli miten oli käytän nyt korvaavan energianlähteen päästöarviona hiukan alhaisempaa 800g CO2/kWh arvoa. Jos  energiankulutus pysyy vakaana (Saksassa se on ollut melko vakaa viimeiset 10 vuotta),  tänä vuonna Saksa siis tuottaa ydinvoimaa korvaavaa tuotantoa noin 40TWh edestä mikä tarkoittaa noin 32 miljoonaa tonnia CO2:a. Prosentteina tuo tarkoittaa CO2 päästöjen nousua noin 4% vuoden 2010 tasosta. Jos sähköntuonti pysyy ensi vuonna samalla tasolla,  päästöt nousevat noin 5% vuoden 2010 tasosta tämän päätöksen seurauksena. Mikäli Saksa käynnistää uutta kapasiteettia niin, että he palaavat omavaraiseksi puhutaan ehkä uusista noin 56 miljoonan tonnin  päästöistä eli 6-7% noususta vuoteen 2010 verrattuna.

Jos loputkin ydinvoimalat suljetaan, päästönousu Saksassa voi olla 120 miljoonan CO2 tonnin luokkaa eli noin 15% Saksan tämän hetkisistä päästöistä. Vertailun vuoksi mainitsen, että vuonna 2000 Saksan päästöt olivat noin 835 miljoonaa tonnia, kun ne viime vuonna olivat 826.5 miljoonaa tonnia. Ts. edessä oleva päästöjen nousu on massiivisempi kuin ne kosmeettiset päästövähennykset mitä Saksa on viimeisen 10 vuoden aikana saavuttanut.

Monia asioita voi tietenkin tapahtua, jotka sotkevat näitä arvioita. Jos esim. finanssikriisi sotkee maailmantalouden uudelleen, voivat Saksan vientikoneen päästöt pudota samalla tavalla kuin mitä nähtiin vuonna 2009 jolloin Saksan bruttokansantuote laski melkein 5%. Ilman uutta kriisiä Saksan BKT ylittänee tänä vuonna finassikriisiä edeltäneen tason. Viime vuoden liki neljän prosentin BKT:n kasvu nosti Saksan päästöjä melkein 5%, joten suotuisa talouskasvu voi nostaa päästöjä vielä tässäkin blogikirjoituksessa arvioitua enemmän.