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
Advertisements