Öljynkulutushuippu 70-luvun lopussa: syitä ja seurauksia?

Kuva 1: Maailman öljyntuotanto 1965-2007

Jos tarkkailemme maailman öljyntuotantoa (kuva 1), näemme siinä kummallisen notkahduksen 80-luvun alussa.  Notkahdus oli suuruudeltaan noin 10 miljoonaa öljytynnyriä (1.6 miljardia litraa järkevissä yksiköissä) päivässä ja öljynkulutus nousi takaisin 70-luvun lopun tasolle vasta 90-luvun puolivälissä.  Toinen tapa ymmärtää tuon notkahduksen suuruus on todeta, että 10 miljoonaa tynnyriä päivässä vastaa ehkä noin 600-700GW jatkuvasti päällä olevaa primäärienergiatehoa. Ensimmäinen öljykriisi oli jo vuonna 1973, mutta pientä notkahdusta lukuunottamatta öljynkulutus jatkoi kasvuaan 70-luvun loppuun asti. Öljynhinnan raju nousu (kuva 2) ei siis aikaansaanut merkittävää välitöntä kulutuksen pienenemistä.

Kuva 2: Öljynhinta

Mitä tuolloin tapahtui? Oma epäillykseni on se, että tämän dynamiikan selittää öljyn käytön raju väheneminen sähköntuotannossa. OECD maissa (kuva 3) öljyn osuus sähköntuotannosta ennen öljykriisiä oli noin 25%, mutta 80-luvun puolivälissä selvästi alle 10% ja siitä se on edelleen laskenut. On yksi asia toivoa öljyn korvaavaa energianlähdettä ja toinen asia korvata öljy oikeasti. Öljylle tarvittiin myös toimiva vaihtoehto. Mikäli öljy olisi korvattu muilla fossiilisilla, niiden hinnat olisivat nousseet, joten oli  onnekasta, että 70-luvun alussa ydinvoima oli kehittynyt tasolle missä se saattoi korvata muita energianlähteitä merkittävissä määrin.80-luvun puoliväliin mennessä maailmaan oli rakennettu noin  150GWe edestä ydinvoimaloita ja tästä suurin osa OECD maihin (kuva 4).

Kuva 3: Öljyn osuus OECD maiden sähköntuotannosta

Tämä oli enemmän kuin tarpeeksi syrjäyttämään öljyn OECD maiden sähköntuotannosta. Kun öljynkysyntä tämän seurauksena putosi rajusti, hinnat romahtivat 80-luvun alussa. Silloin ydinvoimalat oli kuitenkin jo rakennettu (tai päätetty rakentaa) eikä öljy hinnanlaskusta huolimatta enää palannut merkittäväksi osaksi sähköntuotantoa.

Kuva 4: Ydinvoimakapasiteetin kehitys

En tietenkään väitä, että ydinvoima olisi ollut tämän kuvion ainut merkittävä tekijä. Esimerkiksi autojen polttoainetehokkuus parani tuona aikana ja vaikka liikenteen öljyn kulutus ei sen takia juuri laskenutkaan, se saattoi rajoittaa kysynnän kasvua jonkin verran. Uskallan kuitenkin väittää, että merkittävin tekijä oli öljyn savustaminen ulos sähköntuotannosta ydinvoiman avulla.

On myös kiinnostavaa pohtia mitä geopoliittisia seurauksia tästä öljyn kulutuksen laskusta oli. Jotkut ovat esittäneet hauskan salaliittoteorian siitä, että USA ja Saudi-Arabia olisivat tarkoituksella torpedoineet Neuvostoliiton talouden romahduttamalla öljyn hinnan. Tämä teoria ei vaikuta täysin uskottavalta, koska 80-luvun alussa suurin kärsijä öljynhinnan laskusta oli juuri Saudi-Arabia (kuva 5). Hinnat romahdutti kysynnän lasku eikä se, että Saudit olisivat avanneet öljyhanansa. Saudi-Arabian oma tuotanto romahti, koska he ilmeisesti yrittivät ylläpitää korkeaa öljyn hintaa (…ja siis näin “auttaa” Neuvostoliittoa). Vasta 13 syyskuuta 1985 he saivat tarpeekseen ja nostivat nopeasti tuotantonsa suunnilleen sille tasolle missä se oli ollut 70-luvun lopussa. Tämä varmasti vaikutti siihen, että öljyn hinta pysyi alhaalla pidempään, mutta syynä tuskin oli taloudellinen sota Neuvostoliittoa vastaan vaan kyllästyminen siihen, että he jäivät ainoaksi maksajaksi öljyn kysynnän laskusta. Jos tässä kuviossa haluaa sotaa nähdä, niin ehkä ydinvoiman rakentamista voi pitää OECD:n sotatoimena OPEC:ia vastaan, jonka sijaiskärsijäksi Neuvostoliitto jäi.

Kuva 5: Saudi-Arabian öljyntuotanto

Jos kaivamme kristallipallon esiin, mitä voimme nähdä tulevaisuudessa? Venäjän vienti on tänä päivänä yhtä raaka-aine- ja energiakeskeistä kuin ennenkin. Heidän reilun 400 miljardin dollarin vientituloista ehkä noin 100 miljardia on peräisin öljyn myynnistä ja ehkä noin 180 miljardia maakaasun myynnistä EU:n markkinoille. (En tiedä ihan tarkkaan venäläisen maakaasun hintaa, mutta oletin 10$/MMBTU eli noin 9.5$/GJ) Nykyään öljy kuluu lähinnä liikenteessä ja sieltä sitä on vaikeaa syrjäyttää. Sen sijaan ydinvoiman mahdollisuus riippuu maakaasun tuottajien yllä kuin Damokleen miekka. 180 miljardilla voitaisiin rakentaa ehkä noin 50GWe ydinvoimaa joten vaadittu pääoma maakaasun korvaamiseksi EU:n sähköntuotannossa on paljon vähemmän kuin 10 vuoden maakaasulasku Venäjälle. Rohkenen arvioida, että on Venäjän intresseissä jarruttaa ydinvoimaa EU:ssa, koska maakaasun tuomien vientitulojen katoaminen romahduttaisi Venäjän talouden. Sen sijaan heille voi olla hyvinkin järkevää rakentaa lisää ydinvoimaa kotimaahan, koska näin he voivat säästää maakaasua vientiin. Samoin heidän kannattaa viedä ydinvoimaa sinne minne heidän olisi joko vaikeaa viedä maakaasua tai missä energiankulutuksen kasvu on niin voimakasta, että kaikille energianlähteille on tilaa (Kiina ja Intia?). Olisi varmasti kaikkien intresseissä mikäli Venäjän talous olisi vähemmän riippuvainen fossiilisten polttoaineiden myynnistä, mutta valitettavasti tästä kehityksestä on vähän merkkejä ilmassa ja se luo aivan uusia huolenaiheita myös ilmastopolitiikkaan. Epäonnistunut ilmastopolitiikka EU:ssa on nimittäin nykyisen Venäjän vakauden ennakkoehto.

Ehkä tästä historiasta voisi myös oppia jotain. Esimerkiksi sen, että fossiilisia korvaavien vaihtoehtojen tulee olla aidosti parempia vaihtoehtoja, koska muuten niiden taloudellinen pohja saattaa romahtaa fossiilisten hinnan laskiessa kysynnän hiipuessa? On myös lohdullista havaita kuinka nopeasti merkittäviäkin muutoksia voidaan saada aikaan silloin, kun poliittinen tahto on yhdistettynä teknisesti toimivaan vaihtoehtoon.

Till & Chang: “Plentiful energy”

Image via Wikipedia

Charles Till ja Yoon Il Chang ovat kirjoittaneet kiinnostavan kirjan “Plentiful Energy”. Kirjassa keskustellaan nopeisiin neutroneihin perustuvasta hyötyreaktorista IFR (Integral fast reactor) mikä oli kehitetty lähes valmiiksi, kun Clinton päätti yllättäen katkaista sen rahoituksen vuonna 1994. Ottaen huomioon ilmastonmuutoksen ja kasvavat riskit fossiilisten polttoaineiden ehtymisestä, Clintonin väite siitä, että tätä teknologiaa ei tarvittu oli absurdi. USA:n hallinto ryhtyi jopa toimiin estääkseen sen, että tutkijat olisivat keskustelleet teknologiasta julkisuudessa. Tässä lyhyitä huomioita itse kirjasta.

Hyvää:

• Kirja on hyvin yksityiskohtainen esitys IFR:n historiasta ja mm. syistä mitkä johtivat erilaisiin valintoihin suunnittelussa. Erityisesti mieleeni iskostui hyvin vahva kuva siitä miksi metallinen polttoaine yhdistettynä “electrorefining” jälleenkäsittelyyn on järkevää. Kirjassa myös selitettiin hyvin selkeästi se kuinka erilainen IFR:n käyttämä prosessointi  (avainsanat: pyroprocessing ja electrorefining ) on verrattuna perinteisempään PUREX tekniikkaan. IFR:ssä prosessointi voidaan tehdä paikan päällä paljon pienemmässä mittakaavassa eikä prosessi voi tuottaa materiaalia, josta kukaan täysjärkinen yrittäisi tehdä atomipommin.
• Keskustelu proliferaatio-ongelmista oli erinomaista. Tämän aiheen tiimoilta on paljon disinformaatiota, mutta tämän kirjan keskustelu aiheesta oli ilmeisen asiantuntevaa.
• IFR:n turvallisuusominaisuuksista keskusteltiin huolella ja erityisen vaikuttavaa olivat oikeassa maailmassa EBR-II:ssa tehdyt testit passiivisesta turvallisuudesta. Näissä testeissä reaktorin  jäähdytysjärjestelmät sammutettiin, kun reaktori kävi täydellä teholla. (Fukushimassa näimme mitä ongelmia tämä voi aiheuttaa kevytvesireaktorissa.) EBR-II reaktori sammutti itsensä ilman ulkopuolista apua perustuen vain fysiikan lainalaisuuksiin.
• Kirjassa oli paljon itselleni uutta tietoa esim. USA:n politiikasta käytetyn polttoaineen suhteen.
• Osin keskustelu oli itse asiassa hiukan liiankin tiivistä. Esimerkiksi luku polttoaineen jälleenkäsittelyn  yksityiskohdista meni itseltäni suurelta osin yli hilseen,  koska pohjatietoni eivät olleet riittäviä. Ylipäätään kirja ehkä vaatii lukijaltaan vähintäänkin ydintekniikan perusteiden tuntemusta. Sartre ja Marx pohjalta tätä kirjaa ei luultavasti pysty lukemaan ymmärryksellä.

Huonoa:

• Ilmastonmuutoksesta puhuttiin hyvin lyhyesti. Tämän argumentin ydinvoiman puolesta olisi voinut lausua voimallisemminkin.
• Kirjoittajat perustelivat laajasti IFR:n, ylivoimaisuutta kevytvesireaktoreihin nähden sillä, että EPA:n (Environmental protection agency) ja NRC:n (Nuclear Regulatory Commission) sääntöjä käytetyn polttoaineen loppusijoituksesta on helpompaa noudattaa IFR:lla. Tämä on hölmöä, koska ensin pitäisi kysyä mitkä säännöt ovat ylipäätään järkevästi perusteltuja. Ihmisten tekemät säännöt muuttuvat silloin, kun ihmiset haluavat niitä muuttaa. Esimerkkinä sääntelystä, joka on jokseenkin älytöntä mainitsen heidän sääntönsä, ettei kukaan saa saada käytetystä polttoaineesta korkeampaa kuin 0.15 mSv annosta vuodessa seuraavan 10000 vuoden aikana. (Nähtävästi sääntöjä on hiukan rukattu oikeuden päätöksen  takia niin, että aikajänne on venytetty miljoonaan vuoteen, mutta niin, että 10000 vuoden kohdalla säännöt muuttuvat löysemmiksi.)  Samaan aikaan toisaalla esimerkiksi kivihiilituhkaa markkinoivat tahot kertovat ylpeinä kuinka heidän tuotteensa ovat turvallisia, koska ne eivät aiheuta korkeampaa kuin noin 0.28 mSv annosta vuodessa! Ts. fossiilisen teollisuuden ei tarvitse pitää huolta omista radioaktiivisista päästöistään edes yhtä vuotta vaikka he aiheuttavat korkeampaa altistumista kuin tuo EPA:n käytetylle ydinpolttoaineelle asettama raja. Tämän kaltainen sääntely ei ole muuta kuin fossiilisten polttoaineiden suosimista sääntelyn keinoin eikä paranna kenenkään turvallisuutta. (Tällainen on varmasti  mahdollista siksi, koska fossiilisen teollisuuden lobbaajat kykenevät niin suurella menestykseellä estämään heihin kohdistuvaa sääntelyä ja luultavasti jopa edistämään kilpailijoihin kohdistuvaa sääntelyä).
• Till ja Chang sanovat muuten myös, että missään ole sovittu siitä mitä kevytvesireaktoreiden käytetylle polttoaineelle tehdään. Tämä tuli suomalaiselle hiukan yllätyksenä.
• Till ja Chang sivuuttavat toriumin mahdollisuudet lähes tyystin. He jopa sanovat, että nopea reaktori on ehdottoman välttämätön mikäli etsimme ehtymätöntä resurssipohjaa polttoaineelle. Tämä ei tietenkään pidä paikkaansa maailmassa missä toriumiin perustuvat termiset reaktorit ovat mahdollisia ja uskon heidän tietävän tämän itsekin. Mielestäni IFR:iä kannattaa rakentaa samalla, kun kehitämme esim. LFTR tekniikkaa ym. vaihtoehtoja. Paras reaktori voittakoon markkinoilla.

En osaa sanoa:

• Monet hyötyreaktoreita ajavat käyttävät uraanin loppumista yhtenä argumenttinaan ja niin myös Till ja Chang. Toki on selvää, että pitkällä tähtäimellä tämä on relevantti asia, mutta en ole lainkaan varma siitä onko se argumentti relavantti seuraavien vuosikymmenien aikana. Uraania on toistaiseksi löytynyt aina, kun sitä on vaivauduttu etsimään. Uraani ei ole järin harvinainen alkuaine. Esimerkiksi tinaa esiintyy maankuoressa suunnilleen yhtä paljon ja sen kumulatiivinen tuotanto ylittää tällä hetkellä tunnetut konventionaaliset uraanivarat moninkertaisesti eikä tinantuotanto näytä mitään merkkejä vähenemisestä.  Hopea on melkein 40 kertaa harvinaisempaaja silti sitä tuotetaan vuosittain noin 40% uraanin tuotannosta ilman, että tuotanto olisi taantumassa. Hyötyreaktorit ovat perusteltuja monin eri syin, mutta vetoaminen  uraanin loppumiseen ei ole perustelu parhaasta päästä.

Aiheeseen liittyen:

• Plentiful Energy – The book that tells the story of the Integral Fast Reactor (bravenewclimate.com)
• We cannot wish Britain’s nuclear waste away (guardian.co.uk)
• IFR FaD 10 – Metal fuel and plutonium (bravenewclimate.com)
• “Integral Fast Reactor: A future source of nuclear energy”, Southon R. (www.osti.gov)
• lisää luettavaa hakemalla esim termillä IFR täältä
• SNE 2060 – are uranium resources sufficient? (bravenewclimate.com)

Kapasiteettikertoimen muutos ja sen vaikutus energiapaletissa

Olen taas oppinut yhtä sun toista mitä en aikaisemmin tiennyt tai jos tiesin, en osannut arvostaa. Olen aikaisemmin ymmärtänyt intuitiivisella tasolla, että kasvava satunnaisten energialähteiden rooli pienentää perusvoiman osuutta energiapaletista  ja suosii alhaisemman pääomakustannusten fossiilisia, koska ne sietävät paremmin alhaisia kapasiteettikertoimia.

Kun luin Oswaldin ja Langin kirjoituksia ymmärsin, että tämä sama mekanismi toimii tietenkin myös fossiilisten vaihtoehtojen välillä. Esimerkiksi tehokkaammat ja pienipäästöisemmät kaasuturbiinit ovat ns. combined-cycle turbiineja (CCGT). Niillä polttoaine muuttuu sähköksi kenties yli 50% hyötysuhteella. Kun tästä turbiinityypistä poistetaan joitain palikoita, jäljelle jää yksinkertaisempi ja tehottomampi open-cycle turbiini (OCGT). Näiden hyösuhteet ovat jossain 35% nurkilla ja päästöt tuotettua kilowattituntia kohden vastaavasti suurempia. Koska tämä turbiini rakennetaan alhaisemmin pääomakustannuksin,  se sietää CCGT:ä paremmin alhaista kapasiteettikerrointa. Hiilivoimaloidenkin kohdalla päästöt voivat poiketa hyvinkin paljon toisistaan, mutta järjestään ne tehokkaammat laitokset vaativat enemmän pääomia ja edellyttävät siis korkeampaa kapasiteettikerrointa ollakseen kannattavia.

Tein pikku harjoituksia tästä nähdäkseni kuinka tämä toimii käytännössä. Oletin kulutuksen seuraavan Iso-Britannian kulutusta (heinäkuu 2010- kesäkuu 2011) mutta niin, että keskimääräinen teho oli 10GW. Tuulivoiman tuotantoprofiili taas on vanha tuttu kombinaatio Irlannin, BPA:n, ja Australian todellisista tuotantotiedoista. Lähdetään ensin liikkeelle tilanteesta missä tuulivoimaa ei ole lainkaan. Ensimmäinen kuva näyttää jokseenkin järkevän esimerkin ydinvoiman, CCGT:n ja OCGT:n kustannuksista kapasiteettikertoimen funktiona. Käytetyt parametrit ovat tästä maailmasta (tosin ydinvoiman pääomakustannuksena käytin mielestäni pessimististä arviota 4000$/kW…kyllä tuota parempaan pystytään, jos niin halutaan). Olennaista on huomata, että käyrät leikkaavat toisensa. Ydinvoima on edullisinta silloin kun kapasiteettikerroin on korkeampi kuin noin 72%, kun taas OCGT tulee halvemmaksi kuin CCGT, kun kapasiteettikerroin putoaa 11% nurkille.

Kuva1: Ydinvoiman, CCGT:n ja OCGT:n kustannus voimalan kapasiteettikertoimen funktiona.

Kuva 2:Pysyvyyskäyrä ilman tuulivoimaa ja niin, että tuulivoiman osuus oli 20 tai 30% kokonaiskulutuksesta.

Millainen kokoelma voimaloita on taloudellisesti perustelluin? Yksinkertainen tapa saada tästä summittainen kuva on käyttää pysyvyyskäyrää (load duration curve). Seuraavan kuvan yläosa esittää kulutuksen pysyvyyskäyrän. Siitä näkee millainen tehotaso on milläkin kapasiteettikertoimella. Näemme siitä (x-akselilla kohdasta 1) esim. että teho ei koskaan putoa noin 6GW:n alle. Elämme siis yhteiskunnassa, joka kuluttaa paljon energiaa myös keskellä yötä. Näemme myös, että noin 50% ajasta tehotaso on 10GW ja joskus harvoin teho nousee aina 16GW:n tasolle asti.

Punaisilla viivoilla olen merkinnyt ne tehotasot, jotka vastaavat pisteitä missä ydinvoima tulee CCGT:ä edullisemmaksi (katkoviiva) ja missä OCGT tulee CCGT:ä edullisemmaksi (kiinteä viiva). Summittaisesti voimme siis arvioida, että huokeimmassa vaihtoehdossa on noin 8.7 GWe ydinvoimaa, 4.1 GWe CCGT ja 3.2GWe OCGT. (Tässä unohdamme toimintahäiriöiden varalle tarvittavat laitokset ja emme keskustele teknisistä haasteista mitä vaadittavat tehonmuutokset aiheuttavat. Ne ongelmat ovat itselleni suurelta osin tuntemattomia.) Tässä sekoituksessa ydinvoima tuottaa 83% kulutuksesta. Se joka ei pidä ydinvoimasta voi kenties korvata ydinvoiman osuuden CCGT laitoksilla ja saavuttaa noin 450 g CO2/kWhe päästötason, kun unohdamme metaanivuotojen kontribuution. Minä pääsen tuolla omalla vaihtoehdollani tasolle 80 g CO2/kWh. Siitä alemmas tietenkin päästään (ja pitää päästä), mutta silloin tarvitsemme korkeampia polttoainekustannuksia fossiilisia polttavissa voimalaitoksissa, alhaisempien pääomakustannusten ydinvoimaloita, CO2 maksuja tai tukiaisia.

Lisätään sitten tuulivoimaa verkkoon 20-30% kokonaiskulutuksesta. (Tämä on taso missä tuulivoiman integraatio-ongelmat ja kustannukset alkavat nopeasti kasvamaan.) Pysyvyyskäyrät mistä on vähennetty tuulivoiman tuotanto on esitetty alemmassa kuvassa. Koska tuulivoimatuotanto voi hävitä kokonaan, ei käyrän vasemmalle laidalle tapahdu juuri mitään. Tarvitsemme yhä saman maksimitehon kuin ennenkin. Sen sijaan pysyvyyskäyrä painuu oikealla (korkeat kapasiteettikertoimet) alas. Kun tuulta on lisätty (tukiasten voimalla) verkoon 20%, “optimaalinen” sekoitus olisi noin 6.4 GWe ydinvoimaa, 4.7GWe CCGT ja 4.9GWe OCGT. (Tuotannosta 18% CCGT, 1% OCGT, 61% ydinvoimaa, 20% tuulivoimaa.)

Taloudellisesti perusteltu ydinvoiman määrä on siis nyt pudonnut pari GWe ja tarvittava kaasuvoimaloiden määrä on NOUSSUT 1.3 GWe. Tämä nousu on taas keskittynyt kaikkein tehottomimpiin kaasuvoimaloihin. Tuulivoima on siis tuottanut jonkin verran päästövähennyksiä verrattuna täysin fossiiliseen vaihtoehtoon, mutta samalla se on muuttanut kannattavuuslaskelmia muualla energiasektorilla niin, että muu sähköntuotanto kannattaa rakentaa enemmän saastuttavien fossiilisten voimalaitosten varaan.

Liian harva vaivautuu tarkastelemaan energiainfrastruktuuria kokonaisuutena. Usein tuntuu riittävän etsiä syntipukkeja ja olla “hyvän puolella pahaa vastaan”. Unohtaa, että se “hyvä” on rakennettu toimimaan “pahan” varassa. Samoin liian moni tuntuu pitävän kosmeettisia parinkymmenen prosentin vähennyksiä riittävänä kontribuutiona. Logiikka tuntuu olevan, että sitä suuremmat päästövähennykset ovat seuraavan sukupolven ongelma eikä meidän päätöksillämme ole vaikutusta siihen kuinka helppoa niitä suurempia päästövähennyksiä on myöhemmin aikaansaada. Tämä oletus on väärä ja lähtökohtakin on eettisesti arvelluttava.

Aiheeseen liittyvää luettavaa:

1. Gaia blogissa on ollut paljon asiallista keskustelua tähän liittyvistä aiheista
2. Peter Lang on kirjoittanut näistä paljon. Brave New Climate blogissa mm. tämä: http://bravenewclimate.com/2009/08/08/does-wind-power-reduce-carbon-emissions/
3. James Oswald et al., “Will British weather provide reliable electricity?”, Energy Policy 36, 3212 (2008).
4. Herbert Inhaber, “Why wind power does not deliver the expected emissions reductions”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 2557 (2011).
5. MIT:n symposium “Managing Large-Scale Penetration of Intermittent Renewables.” Julkaisi aihetta sivuten raportin missä on paljon hyvää materiaalia http://web.mit.edu/mitei/research/reports/intermittent-renewables.html