David Graeber: Debt: The First 5,000 Years

Luin amerikkalaisen antropologin David Graeberin kirjan “Debt: The First 5,000 Years” ja suosittelen sitä lämpimästi. Kirjoittaja on anarkisti pienellä a:lla ja (mutta?) hyvin järkevä. Tämä oli niitä kirjoja, joiden koin avartavan mieltäni mukavasti. Lähtökohtaisesti Graeber ei kuvia kumartele eikä epäröi todeta esimerkiksi monia taloustieteen lähtökohtia utopistisiksi myyteiksi. Oli erityisen hienoa, kun hän kertoi velan, rahan ja yhteisön yhteyksistä muissa kulttuureissa. Kun elämme omassa kulttuurissamme, opimme pitämään monia asioita niin itsestäänselvyyksinä, että emme edes huomaa kuinka erikoisia ne ovat. Silloinkin, kun kyseenalaistamme asioita niin nämä “itsestäänselvyydet” asettavat omat reunaehtonsa sille millaisessa viitekehyksessä kaikki keskustelu tapahtuu.

Debt: The First 5,000 Years by David Graeber

My rating: 4 of 5 stars

Wow! This one was really good, but read carefully since it might broaden your mind. He discusses very clearly not only history of debt, but also of money, power, and how perceptions on these issues have been strongly shaped by cultural backgrounds. Many things that he points out have become so “obvious” to us that we no longer even see how strange they actually are.

View all my reviews

Musings on wind power, supergrid, energy storage

I usually write this blog in finnish, but since issues discussed here might be of some interest also to english speaking audience, I decided to write this one in english.For quite some time I have been troubled by the difficulty of finding open and sensible discussions on energy scenarios where erratic energy sources such as wind and (somewhat less erratic) solar provide the bulk of the power produced. Proponents of such alternatives routinely talk as if scaling such energy sources up to significant levels poses no insurmountable challenges or costs that the society cannot afford. One can often read claims such as:

“By aggregating power generation from wind farms spread across the whole (North Sea) area, periods of very low or very high power flows would be reduced to a negligible amount. A dip in wind power generation in one area would balanced by higher production in another area.” European renewable energy council and Greenpeace (page 34).

Strangely, proponents feel comfortable in making such statements, but show a noticeable lack of interest in actually demonstrating whether the statements are true. Why is this? In science the burden of proof falls upon the claimant and it would be desirable if the same  principle were to apply to discussions about energy policies. (Notice by the way, that EREC+GP are not even satisfied with claiming that wind speeds in different parts of the North Sea are uncorrelated, but actually claim that speeds are anti-correlated.)  Why is it, that an amateur like me feels the need to do his own computations to figure out such issues rather than just being able to read proper studies online?

So as it appears hard (certainly outside academic journals) to find detailed numbers on how strongly, for example, wind power actually relies on fossil fuels, I decided to do some estimates myself. I am not primarily interested in cosmetic amounts of wind power production, but will take the ambitious renewable visions seriously and study scenarios where wind power would be enough to power the entire society. I want to understand to what extent electricity production in such scenarios still relies on reliable energy sources and what kind of energy storage is required to enable wind power to stand on its own feet. Since hydropower capacity at a global level is limited, I will mostly use the term “reliable energy source” as an euphemism for fossil fuels. Not to be too parochial and allow for massively distributed generation,  I will assume a “super(duper?)grid” coupling wind power sources from three different continents together.

As a starting point I want to create a production profile based on real wind power production data. As sources I choose south-Eastern Australia, Ireland, and the Bonneville Power Administration in Oregon. Each has roughly comparable amounts of wind power installed, but I will scale the capacity of each to 3333MW so that the combined capacity will end up being 10GW. Data for BPA and Australia is given every 5 minutes while the Irish data is every 15 min. To get the datasets to match I will make a linear interpolation of the Irish data. Furthermore, since my chosen time period for the Australian data (1.8.2010-30.7.2011) is a bit different from the other two (1.7.2010-30.6.2011), I will fold the Australian data onto itself from the end to generate few missing datapoints. I take the consumption profile from the BPA load, but reserve the right to change its scale to suit my purposes. As a result, I get a combined wind power production from three massive clusters of wind turbines on three different continents. (Note: Slight bias might be caused by increasing capacity over the year.) In Figure 1, I show the power distribution for the individual clusters and for the combined system. The distributions look a bit different from each other presumably because the Australian turbines are most distributed geographically. The combined system has about 7% probability to produce less than 10% of the installed capacity.

Figure 1: Wind power distribution for different clusters together with the combined system.

Figures 2 and 3 show how production and consumption relate to one another during one randomly picked week in two different scenarios. In the Figure 2, the minimum consumption is the same as the maximum production so that no wind power has to be wasted. In the Figure 3, the wind power produces the same amount of electricity in a year as the society consumes. Because in neither case does the consumption match the production, some reliable source of energy must bridge the difference. For now I assume that this reliable source of energy can be turned on instantaneously in response to changes in wind production. This assumption is typically wrong and eventually I will make few remarks as to how serious this assumption is.

Figure 2: Maximum wind power is less than the minimum consumption.

Figure 3: Wind power production over the year equals the electricity consumption.

For the scenario in Fig. 2 it turns out that 74% of the electricity is produced with fossil fuels and the capacity of the reliable power plants must be 92% of the peak demand. The CO2 reductions in this scenario are nowhere close to what is required and the entire wind capacity has been build to work in tandem with power plants burning fossil fuels. This modest tinkering of electricity supply is quite close to what is being practiced today in many countries.

In the ambitious scenario presented in Figure 3, some of the wind power ends up wasted and periods of low production must be covered with fossil fuels. It turns out that the capacity factor of wind power drops from around 30% to around 24%. Power plants burning fossil fuels cover about 21% of demand and their capacity must be 88% of peak demand. If we take the threat of climate change seriously, even this rate of emissions is excessive considering that electricity production is not the only source of green house gases and that the global electricity consumption will most likely rise. Importantly, it should also be noted that in this scenario the reliable power plants are running at a capacity factor of only 15% which increases the cost of their power dramatically. Under this scenario one would quite likely (and perversely) end up paying subsidies to the owners of the power plants burning fossil fuels.

(As an aside,  a leaked European Commission document apparently includes a 50% wind scenario by 2050. Based on the above approach this would imply a need for reliable power plants that can account for 92% of the peak demand. Capacity factor for these plants would be around 35%. Since solar PV production almost never peaks during peak demand and is reliably off during most of the day… CSP with storage might be theoretical possibility, but to be able to contribute to next days peak demand and compensate for the cloudy days they will need large storage. Solutions where CSP plants are backed up with fossil fuels are clearly not satisfactory.)

That these scenarios rely fundamentally on fossil fuels does not feel right to someone seriously concerned about climate change. This dependency can be broken if wind power during periods of high production could be stored somewhere. How much storage would be needed? I will now assume that: (i) (only) 20% of the energy is lost during the transfer of wind-generated energy to and from the storage, (ii) storage doesn’t “leak”, (iii) there are no limits on the storage input-output powers, and (iv) that the storage is arbitrarily large. Only type of storage that might approach these conditions even to some extent, appears to be pumped-hydro storage.

In Figure 4 I show how the energy content in the storage varies over the year. I choose the consumption to such a level that the storage at the end of the year is about the same as in the beginning of the year. It turns out, that the entire electricity consumption (95% of wind production) could be covered with wind power if the storage amounts to about 9% of the yearly production or 2.5 million MWh. In practice about this amount of energy would be released when the water from a 90km^2 lake that is 20 meters deep drops 500 meters. Naturally this (fresh) water would also have to be stored at lower elevation to await pumping back into the mountains. However, this scenario appears somewhat unrealistic in that it requires that we can store energy at a power 5.1GW and release it at 4.3GW. These figures are massive relative to the maximum demand of 4.7GW.

Figure 4: Content of the energy storage over the year.

So let us proceed to make things perhaps a bit more realistic by throttling the storage input-output power to “just” 1GW. In this case some of the wind power is again lost and dependence on fossil fuels reappears. Consumption can now be 89% of yearly wind power production and storage must be sufficient for about 5% of production. 4.5% of consumption would be covered by reliable power plants running with a capacity factor of just 5%. However, their capacity must still be 63% of peak demand. If we throttle the storage power further, the need for fossils fuels increases.

What if we just store energy for few days? If the storage is for 5 days peak production and we throttled its power like before, about 9% of consumption must be covered with reliables. Their capacity must be 70% of peak demand and the capacity factor is 8%. If we are to remove reliables entirely from the picture, the consumption must drop drastically to the average level of about 900MW. Naturally, this implies a drop in the winds capacity factor to less than 9%.

So far I have assumed that reliables can react instantaneously to changes in wind power production. Let us add a delay of 10-30 minutes to the scenario of Fig. 3, where most electricity was from wind. I.e. I assume that if the reliable source was turned off, it takes 10-30 minutes for it to start producing power again. In Figure 5 I show the resulting difference between production and demand. As is clear, even with only 10 minutes delay more than 600MW mismatch can appear. Smaller discrepancies appear regularly over the year and their frequency increases as the reliables response becomes more sluggish. These observations presumably set some constraints on the amount of reliable power plants which must either be constantly spinning no matter what the wind conditions are or be able to react very rapidly to changing wind conditions (hydro probably).

Kuva 5: Mismatch between delivered and needed power for few different delays.

It is of interested to check what did we actually gain by combining Irish, Australian, and BPA productions with the “super grid”. If we only use the production data from Australia for the wind dominated scenario, 24% of the electricity would come from reliables (21% with the “supergrid”) , required reliable capacity would be 92% (vs. 88%), and the reliables capacity factor would be 17% (vs. 15%). Therefore, it seems that distributing wind turbines over an area larger than around 1 million square kilometers provides only modest additional benefits. These benefits should naturally be balanced against the additional costs.

In all the above I have taken the consumption pattern to be fixed. In  principle, using smart grids the consumption could change. However, not only does the required change have to be very rapid, but it also has to be potentially a very large fraction of the total demand. It is naturally partly a political and ideological question whether it is desirable to force the society to adapt to failures of the chosen technology rather than demanding that the technology adapts to way people behave. (The way I phrased it, makes it quite clear where I stand.) In fact it is curious how eagerly proponents of, for example, wind power wish to rely on smart grids even though the most obvious use of smart grids seems to be almost diametrically opposed to their vision.

Sending more detailed pricing signals to consumers, has the potential advantage of lowering peak demand and perhaps inversely increasing night time demand. Under such circumstances the difference between average and peak demand is reduced and the share of the baseload power actually increases. In the extreme limit we would end up with an electricity supply entirely made out of baseload power plants (coal or nuclear typically). Not only would this lower the cost of average kWh, but it would also seem to simplify the design and maintainance of the energy infrastructure. I.e. used in this way, a smart grid seems to be a really smart idea! However, the way proponents of unreliables intend to use smart grids is quite different. For them smart grid is a way to lower demand not when demand is necessarily high, but when their favored energy supply is failing. Smart grid is then transformed into a system of managing blackouts. Then it is about giving consumers the choice between very costly energy and a blackout. Managed blackout is certainly better than unmanaged one, but how is it exactly better than not having blackouts is unclear.

For the reasons above, I think it is clear that it is very difficult to base the electricity supply on erratic sources of energy. As soon as we start estimating the required storage capacity or the capacity of reliable backup power, we end up with massive figures, implying huge escalations in costs, or an unacceptable reliance on fossil fuels. Getting the production and demand to match each other becomes ever more complicated, and I cannot help myself thinking that the resulting device starts to, more and more, resemble a Rube Goldberg device.

Here is the scenario you end up with: If wind power is too variable, build a supergrid and then connect it to smart grid. Then combine everything to solar power on the other side of continent, which will be smoothed with wave power coupled to geothermal, and as an icing on the cake build large number of microlevel bio, natural gas,and hydro power plants across the continent. If the goal is to create a reliable voltage difference, is there no easier way? If the goal is to redistribute common resources to those who manufacture pieces of the device, however,  then there is unarguably some internal logic. Also, if the real goal is to maintain de facto dependence on fossil fuels, this approach is eminently sensible.

Figure 6: Rube Goldberg device comes in handy when you need to brush your teeth.

Unfortunately, this kind of confusion makes it harder to understand how the whole system works (or doesn’t work) and also harder to understand the final costs and emission levels involved. (Sometimes I get the feeling that proponents for unreliables prefer it that way.) Such visions do not become more convincing when one observes the politics involved. Each part of the device is constructed with scant regard for other parts, with multitude of different national (especially in the European Union) subsidy schemes. Many parts of the device also seem to be more like rhetorical tools, to divert attention from the shortcomings of the activity under spotlight. For example, supergrids are often evoked as a tool that would make huge fluctuations of wind power at national level disappear. As we have seen from this analysis, not only is this assumption unjustified, but it also seems unclear who exactly is supposed to pay for such grids. It is certainly not included in the typical cost estimates for wind power. Also, how are the small nations around Germany, some of which have no need for wind power, supposed to balance the wind power of 80 million Germans? Would Germany pay for the construction of wind turbines in, and transmission cables from, another country? Not likely.

Only scenarios which are based on reliable energy sources from the beginning seem to avoid the problems discussed here. Scenarios based on unreliable sources become progressively harder as their share of electricity supply increase. Reducing GHG emissions sufficiently requires, in practice, total decarbonization of the electricity supply, and the emissions reductions achieved by the time erratic sources run into trouble are far too low. I cannot avoid the conclusion that approaches based on renewables will mainly, at a very large expense, end up delaying the real decisions we must eventually make to lower emissions to acceptable levels. The alternative zero-carbon baseload source seems rather obvious…

(This posting appeared as a guest post in Brave New Climate and you should read the discussion there.)

Tuulivoima, supergrid ja energian varastointi: osa 2

Aikaisemmassa kirjoituksessani aloitin muodostamalla eri tuulivoimalaryppäiden todellisista tuotantotiedoista semifiktiivisen maan, jonka sähköntuotannosta merkittävä osa oli peräisin tuulivoimasta. Halusin ymmärtää kuinka paljon luotettavia (yleensä fossiilisia) energianlähteitä vielä tarvitaan ja kuinka tästä riippuvuudesta voisi päästä eroon energiaa varastoimalla. Jatkan nyt siitä mihin jäin.

Jos haluamme sähköntuotannon, joka on täysin vapaa fossiilisista vaadittava energiavaraston koko on herkästi liki 10% tuulivoiman vuosituotannosta. Koska näin massiivinen varasto vaikuttaa suhteellisen epärealistiselta, katsotaan mitä tapahtuu, jos varaston kokoa pienennetään ja puuttuva osa sähköntuotannosta yksinkertaisesti katetaan “luotettavilla” energianlähteillä. Jos varastoon mahtuu 5 päivän huipputuotanto ja sen in-out tehot rajataan aikaisemmin mainittuun 1000 MW:iin osoittautuu, että luotettavaa tuotantoa tarvitaan noin 9% kokonaiskulutuksesta. Laitosten teho olisi 70% maksimikulutuksesta ja kapasiteettikerroin 8%. Tuulivoiman kapasiteettikerroin laskisi nyt 25% tasolle. Jos taas haluamme poistaa nämä luotettavat energianlähteet kokonaan pois kuvioista, on kulutusta laskettava rajusti. 5 päivän varastolla keskikulutuksen on pudottava noin 870MW tasolle jotta riippuvuus katoaa. Tämä tarkoittaa luonnollisesti tuulivoimaloiden kapasiteettikertoimen laskua alle 9%.

Jos pienennämme varastoa entisestään ainoastaan 2 päivään (katso kuva 1) ja oletamme lisäksi, että varasto purkautuu 2 päivän puoliintumisajalla (ehkä realistista paineilmaan perustuvissa visioissa?), luotettavalla voimalla katetaan 12 %, niiden tehon on oltava 80% huipputehosta ja kapasiteettikerroin on 9%. Pienentämällä varastoa entisestään fossiilisten osuus nousee ja niiltä vaadittava huipputeho kasvaa.

Kuva 1: 2 päivän varasto joka purkautuu 2 päivän puoliintumisajassa.

Näissä skenaariossa olen olettanut, että luotettavat vaihtoehdot voivat seurata tuulivoiman tehon vaihteluita välittömästi. Koska näin ei useinkaan ole, niin tarkastellaan vielä sitä mitä viive varavoiman käynnistämisessä aiheuttaa. Kuvassa 2 esitän tuotannon ja kulutuksen erotuksen muutamalla eri viiveellä. Näissä esimerkeissä on siis tehty oletus, että mikäli varavoimalaitos on ollut poissa päältä kun tuuli tyyntyy, sen päälle saaminen kestää kuvassa mainitun ajan. Kuvasta huomaa, että kulutuksen ja tuotannon välille voi vuoden aikana syntyä jopa yli 600 MW:n ero (20% keskikulutuksesta) vaikka varavoiman käynnistys kestäisi vain 10 minuuttia. Pienempiä satojen megawattien heittoja tapahtuu toistuvasti ja niiden määrä kasvaa, kun varavoiman käynnistys hidastuu. Tämä antanee osviittaa siitä määrästä luotettavaa voimaa, joka on vaihtoehtoisesti koko ajan päällä tuulitilanteesta riippumatta tai mikä voidaan käynnistää välittömästi, kun tuulivoiman tuotanto muuttuu (ehkä vesivoima?).

Kuva 2: Tuotannon ja kulutuksen erotus, kun varavoiman käynnistyy vaatii 10-30 minuuttia.

On myös ehdotettu, että tuulivoimaa varastoitaisiin lyhyemmäksi aikaa esimerkiksi vauhtipyöriin (flywheels). Tämä ei voi poistaa riippuvuutta luotettavasta varavoimasta, mutta voisi auttaa tuottamalla energiaa sen aikaa, kun varavoimaloita käynnistetään. (Jos muuten kustannus on 10000$/kWh, niin varasto joka voi toimittaa 5000MW 30 minuutin ajan maksaisi enemmän kuin asennetut tuulivoimalat. Ellei teknologia tule rajusti halvemmaksi niin jopa akut ovat selvästi halvempia.) Tällaisissa skenaarioissa on kuitenkin syytä pitää mielessä se, että varaston on oltava aina käyttövalmiina.  Jos nimittäin varastoa täytetään vain hyvien tuuliolosuhteiden vallitessa, on olemassa riski siitä, että tuuli ensin tyyntyy, aloitamme käynnistämään varavoimaa ja puramme varastoja. Varasto tyhjenee, mutta sitten tuuli taas voimistuu. Päätämme sammuttaa varavoimalat, mutta sitten tuuli taas tyyntyy ilman, että varastot voivat enää tuottaa mitään ja valot sammuvat. Toinen relevantti asia on se aika missä varasto purkautuu. Jos sinne varastoidaan energia E=Pt, niin se hukkuu teholla  Pt*ln(2)/puoliintumisaika. Ainut tapa pitää tämä hukkateho pienenä on käyttää varastoa missä t/puoliintumisaika on hyvin pieni. Jos vauhtipyörät varastoivat energiaa vain esim. pariksi tunniksi ja haluamme varastoida energiaa vastaamaan 30 minuutin tarvetta, niin varaston hukkateho on jo huomattava osa kulutuksesta. Vauhtipyörät eivät tämän perusteella vaikuta kovin lupaavilta.

On myös kiinnostavaa tarkistaa mitä Irlannin, BPA:n ja Australian tuotantojen yhteenliittämisessä itse asiassa voitettiin. Mikäli tyydymme rakentamaan saman tuulivoimakapasiteetin kaakkois-Australiaan (silmämääräisesti noin miljoonan neliökilometrin alue) ja tuotamme tuulivoimalla kulutusta vastaavan sähkömäärän ilman varastointia, fossiilisilla tuotettaisiin 24% sähköstä (“supergrid” tulos oli 21%), tarvittava luotettava kapasiteetti olisi 92% huippukulutuksesta (supergridillä 88%) ja kapasiteettikerroin 17% (supergridillä 15%). Vaikuttaa siis siltä, että tuulivoimaloiden yhteenkytkeminen yli miljoonan neliökilometrin yli ei muuta tilannetta kovin olennaisesti. (Pohjoismaiden pinta-ala on enemmän kuin miljoona neliökilometriä.)

Aikaisempaa kirjoitustani kommentoitiin huomauttamalla vesivoiman roolista. Vesivoima on ylivoimaisesti merkittävin uusiutuva energianlähde. Skenaariot joissa tuulivoimaa varastoidaan joiksikin päiviksi ja jäljelle jäävää tarvetta katetaan luotettavilla energianlähteille voitaisiin osin pohjata myös nykyisten vesivoimaloiden käyttöön. Ongelma näissäkin vaihtoehdoissa on mm. vaadittava luotettavan huipputehon määrä mikä  on merkittävä osa huippukulutuksesta ja sellaista tehoa olemassa olevista voimalaitoksista ei saa.

Kulutus voi myös periaatteessa joustaa, mutta semifiktiivisen valtiomme energiantuotanto oli niin satunnaista, että vuoden aikana tapahtuvien satunnaisten kulutusjoustojen tarve on merkittävä osa koko kulutuksesta. Vaadittava jouston määrä ei ole ainoastaan suuri vaan sen pitää myös tapahtua hyvin nopeasti, koska tuotantoteho vaihtelee merkittävästi jopa 5 minuutin aikana. Kulutusjoustojen toteuttaminen älykkäiden verkkojen avulla on varmasti monessa tapauksessa järkevää, mutta sen hyöty on suurempi melko hyvin ennustettavan kulutusprofiilin tasoittamisessa kuin tuotannon satunnaisuuden kompensoimisessa kulutuksen satunnaisuutta lisäämällä. Kulutuksen tasoittaminen pienentää tarvetta voimaloihin, jotka kytketään  päälle vain kulutuspiikkejä varten. Tällöin suurempi osa tuotannosta voi olla jatkuvasti päällä olevaa halvempaa perusvoimaa.  Tämä ei ainoastaan alenna keskimääräisen kWh:n  suoria kustannuksia vaan tekee koko infrastruktuurin suunnittelun ja pyörittämisen helpommaksi (ja halvemmaksi).

Kun jousto kohdistuu nykyisen kulutusprofiiliin tasoittamiseen sekoittamisen sijaan, jouston ennustettavuus tekee myös kustannusten minimoimisen helpommaksi. (Kulutusjouston toteuttaminen  esimerkiksi silloin, kun kaikki ovat töissä on varmasti vaikeaa. Sanotaanko silloin työntekijöille, että riippumatta lomasuunnitelmistanne nyt teillä onkin puolipäivää vapaata paitsi siinä tapauksessa, että tuotanto taas kasvaa, jolloin ryntäätte takaisin töihin? Ei tarvitse olla perheellinen todetakseen tuollaisen tilanteen sietämättömyyden.) Samoin moni tulevaisuudessa edessä oleva asia voi lisätä sähkönkulutusta öisin ja näin ollen pienentää kulutuspiikkien roolia. Äkkiseltään mieleeni tulevat sähköautojen akkujen lataus, vedyn valmistus, kenties liikennepolttoaineiden valmistus ja meriveden desalinointi. Kaikki nuo ovat prosesseja, joita voidaan pyörittää ihmisten nukkuessa.

Kulutusjoustoissa on myös kyse osin ideologisista mieltymyksistä. Itse en pääsääntöisesti usko ylhäältä tapahtuvan sosiaalisen manipuloinnin (social engineering) tehokkuuteen. Evoluutio tuottaa parempia tuloksia kuin revoluutio. On helpompaa ja oikeampaa saada tekniset ratkaisut mukautumaan ihmisten mieltymyksiin kuin pakottaa ihmiset mukautumaan valittuihin teknisiin ratkaisuihin. On vaikeaa nähdä mitä lisäarvoa epäluotettavasti toimivaan energiainfrastruktuurin mukautuminen ihmisille tuottaa.

Näissä kirjoituksissa käsitellyistä syistä johtuen minusta on ilmeistä,  että sähköntuotantoa on hyvin vaikeaa saada pohjautumaan satunnaisiin uusiutuviin. Kun arvioimme vaadittavia varastointimääriä tai tarvittavaa luotettavan tehon määrää, päädymme hyvin herkästi massiivisiin lukuihin. Näissä visioissa  kulutuksen ja tuotannon saaminen tasapainoon vaatii yhä eriskummallisempia  virityksiä joille on englannin kielessä termi “Rube Goldberg device“.  Ts. laite joka tekee jotain todella yksinkertaista hyvin monimutkaisella tavalla. Jos tuulivoima on liian satunnaista, rakenna supergrid ja kytke se älykkääseen verkkoon. Sitten kytke koko järjestelmä aurinkovoimaan, jota tasoitetaan aaltovoimalla, joka kytketään geotermiseen lämpöön ja kaikki kruunataan paikallisilla mikrotasolla maanosan ylitse yhteen kytketyillä (lähi-demokraattisilla?) bio- maakaasu- ja vesivoimaloilla. Ta-daa! Valmista tuli ja töpselissä on jännite-ero! Jos tavoitteena on jännite-ero töpselissä, eikö tuota voi tehdä yhtään helpommin? (Jos tavoitteena on uudelleen ohjata yhteisiä resursseja tukiaisiin kutakin laitteen osaa valmistavalle yritykselle, visiossa on oma sisäinen logiikkansa. Samoin siinä on oma järkensä mikäli todellisena tavoitteena on ylläpitää fossiilisiin pohjaavaa  energiantuotantoa.)

Kuva 3: Rube Goldberg laite avustaa hampaiden pesussa

Tällainen sekamelska ei ainoastaan hankaloita  todellisen järjestelmän toiminnan ja kustannusten ymmärtämistä vaan myös järkevää keskustelua prioriteeteistä ja lopullisista kustannuksista. Visioiden uskottavuus ei myöskään parane siitä, kun tarkastelee kuinka tällaista energiainfrastruktuuria ajetaan politiikassa. Kutakin järjestelmän osaa näperrellään toisista irrallaan, voimaloita asennellaan minne sattuu lukemattomien erilaisten kansallisten  tukiaisvirtojen innostamina. Monet laitteen osat tuntuvat vielä usein olevan pikemminkin retorisia keinoja johdattaa keskustelua pois kulloisenkin harrastuksen rajoituksista samalla, kun energiainfrastruktuurista tulee yhä pahempi tilkkutäkki,  joka nojaa  entistä voimakkaammin siihen osaan tuotantoa johon voi  luottaa — eli fossiilisiin.

Ainoat skenaariot, joista tämä eskaloituminen puuttuu ovat niitä, jotka nojaavat jo lähtökohtaisesti luotettaviin  energianlähteisiin ja joiden rinnalla satunnaiset uusiutuvat ovat “pieni” tekijä. Haasteena on kuitenkin se, että mikäli ilmastonmuutokselle halutaan tehdä jotain on energiantuotanto muutettava liki täysin vapaaksi fossiilisista. Skenaariot joissa rakennetaan vaikkapa tuulivoimaa luottaen siihen, että sen satunnaisuus kompensoidaan fossiilisilla polttoaineilla johtavat meidät päästövähennysten ja kustannusten kannalta umpikujaan viimeistään siinä vaiheessa, kun tuulivoiman  huipputeho alkaa merkittävä osa kaikesta tehonkulutuksesta. Itseäni fossiilisista riippuvat ratkaisut eivät suuremmin kiinnosta vaan pidän parempana keskittyä vaihtoehtoihin, jotka voivat uskottavasti skaalautua kattamaan  100% ihmiskunnan energiankulutuksesta ilman näissä kirjoituksissa mainittuja ongelmia. Kun meillä on uskottava tie tuonne 100% tasolle, niin voimme alkaa kinastelemaan siitä millä viimeiset 10-20% katetaan. Kestävä pitkän tähtäimen ratkaisu ei voi pohjata ongelmien lakaisemiseen maton alle tai toiveeseen siitä, että nykyinen riippuvuus fossiilisista haihtuu ilmaan kuin paha uni.

Pieni lisäys— Financial Times lehdessä kerrottiin Euroopan komissiosta vuotaneesta raportissa, jossa yksi skenaario EU:n sähköntuotannosta vuonna 2050 pohjautui 50% tuuleen. Jos oletamme, että kulutus pysyy nykyisellä tasolla niin oheinen kuva simuloi mahdollista kulutusta ja tuulivoimatuotantoa. Osoittautuu, että ilman varastointia luotettavilla lähteillä on tällöin kyettävä kattamaan 92% huippukulutuksesta ja niiden kapasiteettikerroin olisi 35%.

Kuva 4: Simuloitu EU:n sähkönkulutus ja miten se suhtautuu simuloituun tuulivoiman tuotantoon, kun tuulivoimalla tuotetaan 50% sähköstä.

Tuulivoima, supergrid ja energian varastointi: osa 1

Olen kirjoittanut aikaisemmin huomioistani Oregonin BPA:n tuulivoimatuotannosta ja tuulivoimasta Tanskassa ja Irlannissa perustuen todellisiin tuotantotietoihin. Näissä kirjoituksissa olen arvioinut kuinka paljon maantieteellinen hajauttaminen todellisuudessa  tasoittaa tuulivoiman satunnaisuutta kuten myös sitä kuinka paljon voimme luottaa sääennusteiden paranemisen helpottavan tilannetta olennaisesti. Päätin nyt palata asiaan hiukan korkeammalla kunnianhimolla.

Seuraavissa kirjoituksissa aion analysoida hiukan tarkemmin todellisiin tuotantotietoihin perustuvaa fiktiivistä valtiota, jonka tarvitsemasta energiasta suuri osa tuotetaan tuulivoimalla, joka on jakautunut kolmelle mantereelle: Irlantiin, Oregoniin (USA) ja kaakkois-Australiaan. Valitsin nämä otokset osin naurettavan suurien välimatkojen vuoksi ja osin siksi, että näistä paikoista löysin tarkat tuulivoiman tuotantotiedot helposti. Koska kirjoituksesta näyttää tulevan melko pitkä, jaan sen kahteen osaan. Tässä ensimmäisessä osassa pohjustan tulevaa muodostamalla näistä kolmesta klusterista yhteenlasketun tuulivoimatehon. Tältä pohjalta arvioin vielä vaadittavaa fossiilisiin polttoaineisiin perustuvaa energiantuotantoa. En jää kuitenkaan tälle “supergrid” tasolle vaan jatkan arvioimalla tarvittavaa  energianvarastoinnin määrää mikäli haluamme oikeasti luopua fossiilisista. Haluan myös ymmärtää mitä varaston rajoitukset (koossa ja tehoissa) aiheuttavat. Seuraavassa osassa seuraa mitä sylki suuhun tuo, koska aion jatkaa siitä mihin tässä jään ja mihin kiinnostukseni nyt silloin sattuukaan suuntautumaan.

No niin…ryhdytäänpä töihin. Irlannin, Bonneville Power Administrationin ja kaakkois-Australian tuulivoiman tuotantotiedot löytyvät netistä. BPA:n ja Irlannin tiedot ovat ajanjaksolta 1.7.2010-30.6.2011 ja kaakkois-Australian ajanjaksolta 1.8.2010-30.7.2011. Siinä missä muut antavat tietonsa 5 minuutin välein Irlannin tiedot onnetaan 15 minuutin  välein ja jotta saan heidän datasettinsä samankokoiseksi BPA:n kanssa, teen lineaarisen  interpolaation annettujen tietojen välille. Australian datan ajankohta poikkeaa myös hiukan  muista ja sen vuoksi sen koko on hiukan BPA:n settiä lyhyempi. Taitan  heidän datasettinsä lopusta takaisin päin ja generoin näin puuttuvat pisteet. Skaalaan kunkin klusterin kapasiteetin yhtäsuureksi niin, että yhteenlaskettu kapasiteetti on 10GW. Jos jotakin kiinnostaa leikkiä datalla, niin semifiktiivisen valtiomme tuotanto- ja kulutustiedot ovat tässä.

Ensimmäisessä kuvassa näytän todennäköisyysjakauman tuuliteholle. x-akselilla on teho suhteessa asennettuun kapasiteettiin. Jakaumat eri paikoissa näyttävät erilaisilta luultavasti lähinnä sen vuoksi, että alueiden sisällä tuulivoimalat on jaettu eri kokoisille alueille niin, että kaakkois-Australian kapasiteetti on selvästi hajautetuin. Parempi hajautus aikaansaataisiin, jos kaikkien tuulivoimalat olisivat yhtä levällään kuin kaakkois-Australiassa, mutta melko hyvin levitettynä tätäkin tuotantoa voitaneen pitää. Eri lähteiden yhteenlaskeminen alensi pienien tuotantotehojen todennäköisyyttä (alle 10% asennetusta kapasiteetista 7% todennäköisyydellä), mutta standardipoikkeama on vielä 14% ja jakauma on selvästi ei-normaali. Keskimääräinen tuotantoteho on melko korkea eli noin 30% asennetusta tehosta. Pitäen mielessä, että tämä tulos on laskettu tuhansien eri mantereilla olevien turbiinien todellisten tehojen summana uskon, että tuulivoimaloiden tuotannon yhdistäminen  esim. EU:n kokoisella alueella tuskin tuottaa tässä nähtyä tasaisempaa tuotantoprofiilia. Käytännössähän jopa tällaisen yhteenliittämisen esteenä ovat toisaalta korkeat kustannukset sähköverkoista, jotka ovat suuren osan ajasta tyhjillään ja toisaalta voimaloiden jakautuminen epätasaisesti niin, että niiden sijoittelu seuraa enemmänkin kyseisen maan väkilukua, vaurautta ja tukiaisia kuin optimaalista tuotantotehojen tasaamista.

Kuva1: Tuulivoiman tuotantojakaumat

Seuraavat kuvat esittävät esimerkit tämän fiktiivisen maan tuulivoimatuotannosta yhdessä sähkön kulutuksen kanssa. Kulutuksen muodon otan BPA:n kulutustiedoista, mutta skaalaan sitä tarvittaessa ylös ja alas. (Esitän kuvissa vain yhden satunnaisesti valitun viikon tiedot.) Kuva 2 esittää tilanteen missä kulutus on mitoitettu niin, että tuulen maksimituotanto on aina alhaisempi kuin minimikulutus. Tämä takaa sen, että tuulivoimaa ei tarvitse varastoinnin puutteen vuoksi “hukata” tuotannon ollessa kulutusta korkeampi. Toisaalta tässä skenaariossa kulutuksen ja tuotannon erotus on katettava jollain  luotettavalla energianlähteellä. Tämän tyyppinen tilanne on vallalla nyt, kun esim. tuulivoimatehot ovat selvästi alhaisempia kuin fossiilisten voimalaitosten tehot. (Jatkossa toimin niin, että tämä “luotettava energianlähde” on vain kiertoilmaus sanalle “fossiilinen”.)

Kuva 2: Tuulivoimantuotanto aina kulutusta pienempi

Kuva 3 taas olettaa, että keskimääräinen kulutus on sama kuin tuulivoiman keskimääräinen tuotanto. Ts. vuoden aikana tuulivoimalat tuottavat tismalleen saman määrän sähköä kuin mitä ihmiset kuluttavat.

Kuva 3: Keskikulutus sama kuin tuotanto

Koska kysyntä ja tarjonta eivät kummassakaan tapauksessa (Kuvat 2-3) vastaa toisiaan emmekä elä yhteiskunnassa joka sietää yllättävää sammumista, tarvitaan erotuksen  kattamiseen fossiilisia. Kuinka paljon? Teen rajun yksinkertaistuksen ja oletan, että fosiilisen kapasiteetin tehoa voidaan säätää välittömästi vastaamaan tuulivoiman ja kysynnän vaihteluja. Tämä ei tietenkään pidä paikkaansa, mutta olen blogia kirjoittava fyysikko ja teen mitä minua huvittaa. (On suotavaa, jos insinöörit tekevät tällaiset laskut kunnolla…ainakin töissä ollessaan.)  Kuvan 2 tapauksessa fossiilisilla tuotetaan 74% sähköstä ja tarvittava   fossiilinen huipputeho on 94% kulutushuipusta.  Mieleni tekee kutsua tätä skenaariota viherpesuksi, koska yhteiskunta ja tuulivoima on siinä rakennettu toimimaan fossiilisten varassa ja tuulivoiman tuottaa lähinnä hyvää mieltä eikä niinkään energiaa. Missään nimessä sillä saatavat päästövähennykset eivät ole lähelläkään sitä mitä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi tarvitaan.

Kuvan 3 tapauksessa suurin osa energiasta tuotetaan jo tuulivoimalla. Fossiilisilla tuotetaan yhä 21% sähköstä ja tarvittava fossiilinen huipputeho on 88% maksimikulutuksesta. Tässä skenaariossa tuulivoiman kapasiteettikerroin  on 24% (koska osa tehosta menee harakoille) ja fossiilisten 15%. Kustannukset aiheutuvat siis tuulivoimaloista, supergridistä ja fossiilisista voimalaitoksista, jotka voivat toimittaa melkein kaiken tarvittavan tehon. Vaihtoehtona voisi olla esimerkiksi nykytilanne,  jossa on lähinnä pelkkiä fossiilisia polttavia voimalaitoksia. Laitokset itsessään maksaisivat suunnilleen yhtä paljon kuin tuossa yllä olevassa skenaariossa, mutta polttoainekustannukset olisivat korkeampia. Toisaalta aikaisemmin mainittu alhainen 15% kapasiteettikerroin tarkoittaa, että ollakseen kannattavia dominoivan tuulivoiman rinnalla on fossiilisesta energiasta pyydettävä markkinoilla merkittävästi nykyistä korkeampaa hintaa. (LCOE on ainakin kaksinkertainen, jos kapasiteettikerroin kaasuvoimalalla on 15% 70% sijaan.) Tällaisessa tilanteessa voimme joutua maksamaan fossiilisten voimalaitosten omistajille tukiaisia siitä, että he ylläpitävät  infrastruktuuria johon tuulivoimalat nojaavat. Tästä on itseasiassa jo alettu keskustelemaan Saksassa  heidän energia “vallankumouksensa” yhteydessä.

Nämä skenaariot kuitenkin nojaavat edelleen fossiilisiin mikä ei vaikuta järkevältä mikäli oikeasti pitää ilmastonmuutosta ongelmana. Tämä riippuvuus voidaan poistaa mikäli ylijäämä  tuulivoimaa voitaisiin varastoida myöhempää käyttöä varten. Kuinka paljon varastoa vaaditaan? Oletan nyt optimistisesti, että varastoinnin ja purun yhteydessä 20% sähköstä hukkuu, että varasto ei vuoda, että varaston täytön ja purkamisen tehossa ei ole rajoituksia ja että varasto voi olla mielivaltaisen suuri. Ainut varastointitapa, joka edes hiukan saattaisi lähestyä näitä reunaehtoja on energian varastointi korkealla sijaitseviin vesialtaisiin. (Unohdetaan akut, koska niillä varastoinnin kustannukset ovat astronomisia ilman, että tarvitsee edes keskustella niiden materiaalivaatimuksista tai ympäristövaikutuksista.)

Kuvassa 4 näytän kuinka varaston energiasisältö käyttäytyy vuoden aikana tilanteessa missä energiankulutusta on alennettu niin, että loppuvuonna varasto on suunnilleen samalla tasolla kuin missä se oli vuoden alussa. Nyt koko energiankulutus voidaan kattaa tuulivoimalla ja varastoa tarvitaan noin 9% tuulivoiman vuosituotannosta eli 2.5 miljoonaa MWh. Käytännössä tuo energiamäärä voisi olla esim. 500 metrin (Norjan keskikorkeus) korkeudella olevassa  20 metrin syvyisessä 90km^2 kokoisessa järvessä. Jos yritämme tehdä vastaavan varaston Suomessa niin esimerkiksi Saimaan tyhjentäminen merenpinnan tasolle vapauttaa suunnilleen saman määrän energiaa. (Saimaan vesi pitäisi sitten varastoida jonnekin meren lähelle odottamaan takaisin pumppaamista vielä saman vuoden aikana, koska eihän järveen voi suolavettä pumpata.) Tässä skenaariossa keskikulutus on 95% keskimääräisestä tuotannosta (ei hullummin itse asiassa), mutta meidän olisi kyettävä pumppaamaan energiaa varastoon 5.1GW teholla ja purkamaan sitä 4.3GW teholla. Kun ottaa huomioon, että muun yhteiskunnan maksimikulutus on noin 4.7GW tämä vaikuttaa melko epärealistiselta.

Kuva 4: Tuotanto, kulutus ja varasto

Tämän vuoksi edetään seuraavaan ehkä hiukan realistisempaan skenaarioon, missä  varaston syöttö- ja purkuteho rajataan  yhteen gigawattiin. (Tämä on toki edelleen  massiivinen luku, sillä tällöin vesipumput vaatisivat suhteessa saman sähkötehon kuin koko metsäteollisuus Suomessa.) Koska joudumme nyt rajaamaan osan tuulivoimaloiden tuotannosta ulos, tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin laskee ja  voimme tarvita fossiilisia voimalaitoksia kattamaan hetket jolloin tuulee vähän, kulutus on korkea ja varaston maksimiteho ei ole riittävän korkea. Osoittautuu, että nyt kulutuksen on oltava 89% keskituotannosta ja varastoa vaaditaan noin 5% tuulivoiman vuosituotannosta. Fossiilisilla katetaan 4.5% kulutuksesta ja vaadittava fossiilinen huipputeho on 63% huippukulutuksesta. Tämä tarkoittaa, että fossiilisten voimalaitosten kapasiteettikerroin on 5% (LCOE yli nelinkertainen) ja tuulivoiman kapasiteettitekijä on laskenut 26% tasolle. Mikäli kuristamme varaston tehoja vielä alemmas tarvittava fossiilinen kapasiteetti nousee ja tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin laskee.

Tämä riittäköön tällä kertaa. Jatkan myöhemmin luultavasti keskustelemalla skenaarioista missä varastointikapasiteetti on rajoitettu korkeintaan joihinkin päiviin. Samoin aion analysoida hiukan sitä mitä varaston vuotaminen aiheuttaa ja miten tulos riippuu siitä käytämmekö supergridillä yhteen liitettyjä voimaloita vai emme. Varaston vuotaminen vaikuttaa nimittäin relevantilta silloin, jos pitää ottaa kantaa energianvarastointiin esimerkiksi vauhtipyöriin tai paineistettuun ilmaan. Näissä molemmissa tapauksissa varastoitu energia hukkuu suhteellisen nopeasti tuntien tai päivien kuluessa. Itse asiassa tällöin voi osoittautua tarpeelliseksi lisätä realistisempi viive tuulivoiman muutoksen ja fossiillisen kapasiteetin reaktion välille. Stay tuned…

Seuraava osa on valmis ja luettavissa täällä.