Optimaalinen vaihtelevien uusiutuvien määrä

Lion Hirth (Potsdam Institute for Climate Impact Research) on kirjoittanut kiinnostavan artikkelin (pdf tässä), jossa hän tutkii sitä millainen tuuli- ja aurinkovoiman määrä optimoi hyvinvoinnin (ekonomistien käyttämässä merkityksessä). Hän mallintaa tätä käyttäen todellisia säätietoja, kulutusprofiileja yms. GAMS pohjaisella työkalulla “Electricity Market Model EMMA”, joka on itse asiassa saatavilla Creative Commons lisenssillä. Malli vaikuttaa myös aika hyvin dokumentoidulta ja sieltä on helppo käydä tarkistamassa esimerkiksi oletetut parametrit eri teknologioiden hinnoille. En huomannut, että sinne olisi kätketty mitään kummallista. Hirth käytti mallissaan 7% korkoa investoinneille. Malli minimoi kokonaiskustannukset annettujen teknisten reunaehtojen puitteissa. Hirth näyttää tietävän mitä tekee ja mallinnus on paljon perinpohjaisempaa kuin mihin minun kaltaiseni harrastelija pystyisi.

Kun hän olettaa, että tuulivoiman hinta putoaa 30% nykyisestä tasolle 50€/MWh, optimi tuulivoiman osuus luoteis-Euroopassa (sisältää Saksan lisäksi myös esim. Ruotsin ja Norjan) olisi noin 20%. Jos kustannukset ovat nykyisenlaiset, optimi olisi n. 2%. Aurinkovoiman kohdalla tilanne on vielä masentavampi. Vaikka hän olettaisi kustannusten putoavan 60% tasolle 70€/MWh, optimi aurinkovoiman osuus on noin nolla prosenttia. Näitä osuuksia rajoittaa nimenomaan tuotannon satunnaisuus ja osuudet nousevat vain hiukan esimerkiksi lisäämällä vesivoimavarastointia tai laajentamalla verkkoja. Tämä tulos siis tuskin muuttuu olennaisesti teknisen kehityksen seurauksena. (Tuulivoiman varastoinnista hänellä on myös kiinnostava pointti. Varastointi altaisiin toimii nähtävästi yleensä niin, että altaat pumpataan täyteen noin 8 tunnissa, kun taas tuulivoiman vaihtelevuuden kompensointi vaatii pidempia ajanjaksoja ja varastointiteknologiaa, jossa energia/teho suhde on suurempi. Siitä vain miettimään missä sellainen varastointiteknologia on.)

Kiinnostavasti hän myös huomaa, että hiilidioksimaksujen korottaminen kasvattaa vaihtelevien uusiutuvien osuutta korkeintaan vain n. 25% tasolle. Jos maksut nousevat korkeammalle kuin noin 40 €/tCO₂, tuulivoiman osuus laskee. Tämä siksi, koska tuon tason yläpuolella käynnistyvät investoinnit ydinvoimaan ja hiilentalteenottoon.

Kuva 1: Optimiosuus tuuli- ja aurinkovoimalle hiilidioksidimaksun funktiona. (Hirth 2015 Energy Journal 36, 127-162.)

Jos ydinvoima kielletään, kustannukset ja päästöt nousevat rajusti siitä mitä ne olisivat muuten olleet. Nämä ovat siis teknofetissien ulkoisia kustannuksia. Hirthin sanoin….

“However, the unavailability of nuclear and CCS comes at the price of increased emissions and welfare losses: CO2 emissions increase by 100-
200% (depending on VRE cost reductions), the electricity price increases by 15-35%, and total system costs by 13-25%. In absolute terms, welfare is reduced by 15-30 €bn per year, which would increase if the assumption of price-inelastic demand was relaxed“

Ainoa tapa kasvattaa tuulivoiman osuutta edes 40% tasolle oli asettaa yli 100 €/tCO₂ maksu päästöille, kieltää ydinvoima ja olettaa tuulivoimalle merkittävästi nykyistä alhaisempi hinta. On tietenkin sanomattakin selvää, että myös 40% osuus on koomisen riittämätön ilmastotavoitteita silmälläpitäen.

On myös kiinnostavaa huomata mitä Hirth ei tehnyt. Hän keskittyi nimenomaan tuulivoiman osuuden kasvattamiseen eikä esimerkiksi päästöjen minimointiin. Hän ei siis kertonut mikä on optimaalinen sähköntuotantotapa, kun tavoitteena on minimoida kustannukset sillä reunaehdolla, että päästötaso on riittävän alhainen. (Tuolla EMMA mallilla tämän voisi varmaan tehdä helposti, mutta valitettavasti minulla ei ole GAMS lisenssiä. Tämä projekti jää siis toistaiseksi pilkkeeksi silmäkulmaan.) Koska haittamaksun nosto ajoi investoinnit ydinvoimaan ja hiilentalteenottoon, luen kuitenkin rivien välistä tähän vastauksen, joka ei ole saksalaisessa keskusteluympäristössä korrekti. Kuten olen itsekin moneen kertaan arvioinut (esim. täällä ja täällä), jos vaadimme rajuja päästövähennyksiä “heavy lifting” perustuu suurella todennäköisyydellä ydinvoimaan. Ennen kuin tämä itsestäänselvyys ymmärretään voimme nauttia nykyisestä tragikoomisesta ilmastopolitiikasta.

Bioenergia a’la Suomen WWF

WWF on julkaissut uuden raportin Suomen metsien hakkuista ja kuinka metsien monimuotoisuuden suojeleminen voitaisiin nivoa yhteen niiden taloudellisen hyväksikäytön kanssa. Raportin johtopäätöksenä on, että metsistä voidaan korjata hiukan nykyistä enemmän puuta mikäli samalla suojelualueita kasvatetaan, FSC-sertifiointia laajennetaan ja kantojen maasta repiminen lopetetaan. Energiapuun ekologistaloudellinen potentiaali voisi tämän jälkeen olla 3 miljoonaa kuutiota nykyistä suurempi. Tämä tarkoittaa primäärienergiassa noin 6 TWh, kun Suomen energian kulutus on n. 400 TWh. Ottaen huomioon kuinka vahvasti yksi jos toinen taho nojaa bioenergian käytön lisäämiseen omissa ilmasto- ja energiasuunnitelmissaan, tämän pitäisi soittaa hälytyskelloja.

Miten WWF:n arvio suhtautuu joihinkin esillä olleisiin vaihtoehtoihin? Näytän ensimmäisessä kuvassa summittaisen vertailun vaaditusta biomassan lisäyksestä eri visioissa.

1. WWF viittaa WWF:n tuoreeseen raporttiin. (Tilattu Gaia Consulting Oy:ltä)
2. Ilmastostrategia  viittaa kansalliseen energia- ja ilmastostrategiaan vuosimallia 2013
3. Vihreät A perustuu Vihreiden vaihtoehtoon Fennovoimalle
4. Metla viittaa Metlan arvioon taloudellisesti kestävästä hakkuupotentiaalista (poimin luvut WWF:n raportista)
5. Greenpeace A perustuu Greenpeacen “Energiavallankumousmalliin A” (vuoteen 2030 asti)
6. P. Lund 2007 viittaa artikkeliin, joka on Suomen energiapolitiikkaa kritisoineen professorijoukon taustamateriaalia.
7. Vihreät B perustuu Vihreiden Ilmasto- ja energiaohjelmaan. (Lisäsin siihen myös palkin flopiksi osoittautuneeseen ruokohelpeen, koska ilmeisesti sen jättämä aukko suunnitelmassa pitää paikata jollain.)

Kuva 1: Bioenergiasuunnitelmien vaatima biomassan määrä (miljoonaa kuutiota) nykyisen kulutuksen päälle. Ensimmäisenä WWF:n arvioima ekologistaloudellinen potentiaali (n. 3 miljoonaa kuutiota lisää). Palkeissa on epävarmuuttaa mm. sen osalta millainen puumäärä vaaditaan puusta tehtävän biokaasun tuotantoon. (Arvasin, että ilmastostrategian visioima n. 3TWh biokaasua vaatii n. 3 miljoonaa kuutiota puuta.)

Minä näen kuvassa tiettyjä ongelmia. Kaikkien esitettyjen vaihtoehtojen vaatima puumäärä on rajusti korkeampi kuin se mitä WWF arvioi ekologisin perustein kestäväksi. Laajamittaisen puunpolton järkevyys ilmastonmuutoksen torjunnassa taas on ollut kyseenalaista jo pitkään. Kansallisessa strategiassamme tätä teemaa käsitellään muuten seuraavasti:

41)Bioenergiaa koskevien kestävyyskriteerien valmistelussa pyritään varmistamaan, että kriteerit eivät muodostu sellaisiksi, että ne vaarantaisivat tai
estäisivät kestävien kotimaisten biomassojen käytön energiantuotannossa ja siihen liittyvissä tukitoimissa.

42) Lisäksi pyritään varmistamaan, että kestävän biomassan poltto on päästölaskennassa myös jatkossa hiilineutraalia.

Itse tulkitsen tämän seuraavasti. Kestävyyskriteerit rakennetaan sellaisiksi, että puunkäyttöä lisätään riippumatta siitä onko se ekologisesti tai ilmaston kannalta järkevää. Päästölaskennassa strategiana on taas ylläpitää denialismia bioenergian ilmastovaikutuksista. Olen ylpeä, kun maallani on näin hieno strategia #sarkasmia.

Laitan tähän loppuun vielä summittaisen arvion siitä kuinka vahvasti erilaiset esillä olleet vaihtoehdot nojaavat bioenergiaan. Kuten on ilmeistä, bioenergiapotentiaalin rajoittaminen WWF:n esittämälle tasolle romuttaa nämä visiot. (Greenpeacen skenaario nojaa suhteessa vahvemmin tuulivoimaan. Heidän ideanaan on, että melkein kaikki Suomen sähkö tuotetaan tuulivoimalla. Keskustelua tämän tuotannon integrointihaasteista tai -kustannuksista ei yllättävää kyllä heidän “vallankumouksestaan” löydy.)

Kuva 2: Summittainen paino mikä eri vaihtoehdoissa bioenergialle annetaan energian tuotantopäässä. Varoitus: tämä on summittainen arvio, jossa osassa on verrattu tuotettavaa sähkön määrää (TWh) ja osassa primäärienergiaa. Joissain lämpöpumput taas laskettiin energiatehokkuuden alle. Luvut eivät siis ole keskenään vertailukelpoisia ja antavat lähinnä indikaation siitä kuinka pahasti visio lässähtää, jos bioenergialle aletaan asettamaan ekologisia tai ilmastoon liittyviä reunaehtoja.

Päivitetty 23.2.2015: Tässä tuore Robert Wilsonin blogikirjoitus biomassan rooolista EU:ssa. Suurin osa EU:n uusiutuvasta energiasta on juuri biomassan polttoa ja tästä suurin osa on puuta. Kaikesta tuuli- ja aurinkovoimahypetyksstä huolimatta biomassan osuus ei edes ole laskenut viimeisen kymmenen vuoden aikana.

Päivitetty 12.3.2015: Kuvien P. Lund 2007 palkeissa on häikkää. Tuollaisena niihin on summattu yhteen paperin taulukossa 2 kerrotut primäärienergia potentiaalit eri biomassan lähteille. Sähköntuotannon osalta siellä kuitenkin tarkoitettiin, että kokonaispotentiaalista koottaisiin 10TWh lisäsähköä vuoteen 2020 mennessä. Tämä tarkoittaa, että etenkin kuvassa 2 P. Lund 2007:ssä punainen palkki on liian dominoiva ja palkin korkeus pitäisi laskea 18 TWh tasolle. Alla tältä osin (summittaisesti) korjatut kuvat.

Sähkön markkinahinta ja uusiutuvat Saksassa

Toistin aikaisemmin Tanskalle tekemäni arvion nyt myös Saksalle. Tiedot ovat vuodelta 2012. Saksassa markkinahinnan aleneminen on keskimäärin n. 60 €/MWh x tuuli- ja aurinkovoiman osuus kulutuksesta. Suhde on siis jyrkempi kuin Tanskassa. Voimme myös tarkastella kuinka sähkön tuonti ja vienti korreloivat uusiutuvien tuotannon kanssa. Samaan tapaan kuin Tanskassa myös Saksassa sähkön vienti tyypillisesti nousee, kun tuuli- ja aurinkovoiman määrä lisääntyy. Siinä missä aikaisemmin arvioin, että 78% Tanskan tuulivoimasta viedään Tanskan ulkopuolelle Saksan kohdalla osuus on alhaisempi. Kun siellä tuuli- ja aurinkovoiman tuotanto nousee 1GW, vienti kasvaa noin 300 MW. Ts. noin 30% Saksan tuuli- ja aurinkosähköstä dumpataan sen rajojen ulkopuolelle.

Tuuli- ja aurinkosähkön osuus kulutuksesta vs. sähkön spottihinta Saksassa vuonna 2012 (kuukauden kokoisina paloina).

Minulla on epäilys, että nämä kaksi asiaa eivät ole toisistaan riippumattomia. Tanska on pieni maa, jossa on paljon sähkönsiirtokapasiteettia naapurimaihin. Heillä on mahdollisuus dumpata suurin osa tuulisähköstään maan rajojen ulkopuolelle eivätkä ne samassa määrin romuta Tanskan konventionaalisen tuotannon tulosta. Tanska kykenee ulkoistamaan systeemitason kustannuksista leijonanosan muihin maihin. Saksa on sen sijaan suuri maa piempien naapurien keskellä eivätkä he kykene talikoimaan tuotantoaan samassa määrin naapureille. Heidän on integroitava tuotannosta suurempi osa omaan järjestelmäänsä ja tämä näkyy jyrkempänä markkinahinnan alennuksena suhteessa vaihtelevien uusiutuvien osuuteen kulutuksesta. Tämä tarkoittaa myös sitä, että Saksassa vaihtelevan tuotannon integrointiongelmat eskaloituvat nopeammin kuin Tanskassa.