Mark Z. Jacobson’s less than stellar paper

Mark Z. Jacobson has a new paper ” Impacts of Green New Deal Energy Plans on Grid Stability, Costs, Jobs, Health, and Climate in 143 Countries” and I made some comments on it in Twitter.  I wasn’t impressed. The thread can be found here.

Integrated assessment models from outer space

I have earlier expressed my dissatisfaction with the integrated assessment modeling in the context of climate change. Way too many modelers hide insane and poorly justified assumptions into models and then pretend the outcome is “science”. Recent Nature energy paper by Grubler et al. titled “A low energy demand scenario for meeting the 1.5 °C target and sustainable development goals without negative emission technologies” seems to provide another example of this. I read the paper with interest, but then noticed something in small print on the last page.”Estimates for present-day and mature technology  costs are from the GEA and World Energy Outlook. Assumptions for granular technologies, which include solar PV, small-scale hydrogen production, fuel cells  and heat pumps, and distributed energy storage, such as batteries or fuel cells,  were updated from SSP2 to reflect the more dynamic storyline of the LED scenario.”

Hmmm…granular…dynamic storyline…sounds suspicious. Maybe I have to read the supplementary as well. Then from the page 80 of the 122 page supplementary I find the actual cost assumptions. Grubler et al. assume solar PV installed cost of 50$/kW post 2050! This is around 30 times lower than the current costs. (Who cares if its a factor 20 or 40?) Obviously if you wish to make a claim that scenario with lots of solar is economical it helps to invent your own costs so that you get whatever you desire as an outcome. To illustrate how extreme their assumption is, below I compare it with some other projections. (“Breyer” refers to numbers Christian Breyer, a solar advocate from Lappeenranta University of Technology, uses. Greenpeace report was written together with European Photovoltaic Industry Association.)  Grubler et al. assume costs that are an order of magnitude lower than even EPIA+Greenpeace project. Even Breyer’s (finnish equivalent of Mark Jacobson) most optimistic dreams imply around 6 times higher costs.

I am sorry. You assumed what?

To me the cost assumption does not even seem consistent with learning curves (which should be treated with caution in any case).

If one makes such extreme assumptions one would expect extensive discussion and justifications for this. Certainly one should present result with and without such assumptions to see how sensitive results are for those funny assumptions. However, in the Grubler et al. paper this was done quietly and hidden in the supplementary where it is justified with…”The technology portfolio choice in MESSAGE is informed by modifying particular granular and economies‐of‐scope technologies for the LED scenario (Supplementary Table 28) whose stationary cost trends in the original SSP2 scenario was judged non‐compliant with the LED scenario storyline. All other technologies not listed in Supplementary Table 28 have been retained at their original (quite conservative) SSP2 values (e.g. for the year 2050: wind 500 $/kW, nuclear 2600 $/kW, biomass power plants 1200 $/kW, etc.), an assumption in line with keeping LEDs emphasis on efficiency and demand, and granular, decentralized supply options and new organizational IT and digital economy models of combining supply and demand, e.g. in grid‐to‐vehicles but also vehicles‐to‐grids options or other distributed storage options (e.g. hydrogen based).”So basically there is no other reason than authors narrative desires. Adding buzzwords “granular”, “organizational IT” etc. does nothing to strengthen the argument. If someone would make a scenario where nuclear power in 2050 would cost 170$/kW (from about 5000$/kW today), he would be laughed at. Probably most outraged would be nuclear engineers with actual understanding of the matters. You do the same with renewables and instead facing ridicule you land your paper in Nature Energy. Hopefully this example does not reflect the intellectual standards of the IAM community.

P.S. I encourage you to have a look at the numbers in their database as well https://db1.ene.iiasa.ac.at/LEDDB. I do not understand those cost assumptions. Sometimes coal prices are negative, sometimes positive, sometimes they are positive in the south, negative in the north…sigh. Also, 4Gt sink seems to magically appear from afforestation. Big if true.

Added 19.10.2018: Bizarre, but this scenario has now become one of the four illustrative pathways in the IPCC Global warming of 1.5 degrees special report. If we were to use 20% cost reduction for each doubling of capacity, reaching 50$/kW level would require about 15 doublings. With current installation rate that would take approximately 100000 years. (If we use the 11% rate which is maybe more defensible as it contains also the currently dominant balance of system costs, it takes more than billion years.) The IPCC scenario database sadly doesn’t contain capital costs for most 1.5 degrees scenarios. Here it is hidden in the 122 page supplementary of the article.

Added 23.10.2018: Accidentally clicked also at the forestry section of the scenario database. What is going on with those residues? First collapse and then huge increase when underlying forestry production increased only by about 40%.

Modest increase throughout the century

What?

Kuinka paljon oljissa onkaan energiaa?

Tämä on yksi niistä postauksista mitä en olisi uskonut tarpeelliseksi, mutta aina oppii uutta. Kummallisen moni näyttää elävän siinä käsityksessä, että maanviljelyksen “jätevirrat” voivat olla merkittävä energianlähde. Olen kirjoittanut tästä ennenkin, mutta palataan nyt tähän. Kertaus on opintojen äiti.

Kestävä bioenergian potentiaali

Suomessa mm. Neocarbon projekti ja Vihreät väittävät peltobiomassassa piilevän yli 20 TWh:n aarteen. Lähteenä tälle on Vihreillä Hannu Mikkolan väitöskirja.  Jos oikein sitä luen, mitään ympäristövaikutusten arviointia ei oikeastaan ole siinä tehty tai verrattu esimerkiksi vaihtoehtoisia toimintatapoja toisiinsa. Siellä ei siis ole pohdittu olisiko esimerkiksi metsittäminen parempi vaihtoehto tai sitä voidaanko näitä energiaplantaaseja tarvita tulevaisuudessa ruuantuotantoon.  On laskettu hehtaareja ja hehtaarikohtaisia tuottoja mm. ruokohelppiplantaaseilta ja päädytty tulokseen, että oljessa olisi energiaa ehkä 8 TWh ja että ruokohelvestä voisi saada ehkä 12 TWh. Noita voi verrata esimerkiksi Suomen energian kulutukseen, joka on lähempänä 400 TWh:a, mutta onko todellinen potentiaali likimainkaan edes tuon suuruinen? Rohkenen epäillä, että ei ole.

ECOFYS arvioi sivuvirtojen kuten oljen kestävää potentiaalia EU:ssa. He siis arvioivat myös sitä, että osalle näistä sivuvirroista on muutakin käyttöä ja kaikkea niistä ei voi ekologisin perustein hyödyntää (oljesta osa on jätettävä maaperään). He eivät antaneet arvioita Suomelle, mutta Tanskaa kyllä käsiteltiin. Oljen kestäväksi potentiaaliksi arvioitiin noin 3.2 miljoonaa tonnia “märkää massaa” (wet matter). Tästä määrästä osaa tarvitaan esim. karjan kasvatuksessa, mutta 1.4 miljoonaa tonnia arvioitiin potentiaaliksi energiantuotannossa. Jos energiatiheys on noin 9MJ/kg, tuo tarkoittaa noin 3.5 TWh energiaa. Tuo määrä on Tanskassa käytössä jo nyt eli lisäyspotentiaalia ei ole muuten kuin kestävyysnäkökulmat sivuuttaen (mitä 100%RE visionäärit valitettavasti tekevät).

Miten tuo arvio Tanskalle suhtautuu meihin? Arvio Tanskalle oli siis, että oljista 3.5TWh, kun taas Mikkolan väitöskirjassa oli Suomelle 8TWh. Tanska tuottaa viljoja vuodessa reilut 9 miljoonaa tonnia, kun taas me noin 3.6 miljoonaa tonnia. Kaiken järjen mukaan meidän kestävä potentiaalimme oljelle on alhaisempi kuin Tanskan, koska olkea syntynee vähemmän? Mikkolan väitöskirjan luku lienee vain arvio kaiken pelloilla kasvavan biomassan (jyvät poislukien) energiasisällöstä. Realistinen potentiaali liikkunee TWh suuruusluokassa. Onko sen käytössä mitään järkeä kun kustannukset ja vaadittava työ otetaan huomioon onkin sitten toinen kysymys. Pääpointti on kuitenkin se, että näistä jätepuroista puhuminen on korvikepuuhaa todellista dekarbonisaatiota odotellessa.

 

Renewables poll finds inadequate faith

Renewables industry lobby group REN21 has published a new report “Renewables Global Futures Report 2017“. The report is written by Sven Teske who used to write similar reports together with the industry lobby groups for Greenpeace (some content has been copied from there). For this new report Teske et al. interviewed a bunch of “renowned energy experts” who were selected by asking for suggestions from…REN21! As a result of this careful selection process, they created a nice safe space of experts whose interests and preferences likely align well with the objectives of REN21. Success guaranteed!

Weird…

Strangely they then explain how they ranked each candidate according to their level of faith, but as far as I can see, nowhere do they either explain what their ranking was or how it was used. There is some discussion that seems to indicate that faith was strong mainly among europeans and among these germans and greens seemed to be strangely well represented. Go figure.

Increased demand. Those thinking demand will be lower in 2050 are outliers.

Now it is not too surprising that those interviewed have a relatively high level of faith in renewables, but it is more interesting to explore how their expectations actually align with serious climate policies. This report ignores actual emissions implication almost entirely and one can only wonder why? It is not, however, difficult to see the implications. First of all, even most of their carefully chosen experts foresee substantially increased energy demand.

“Expert debates within the climate and energy communities take place largely within their own silos…”

Bizarrely the report then seems to criticize its own experts by speculating on why they are wrong. So who were the renowned expert? Teske or the people interviewed?

More renewables, but lots of other stuff as well and how much of this is things like biofuels?

As for the share of renewables of the overall demand there were varying opinions, but it seems that median expected share in 2050 was around 50%. So lets put things together. Around 40% demand increase, maybe 50-60% RES share and we are left with maybe 30% emissions reductions from energy production by 2050. So sad. So their carefully selected experts do not, in fact, believe that renewables can deliver the kind of emissions reductions we need. Why didn’t Teske or REN21 highlight this? It does not promote happy talk for sure, but maybe time for happy talk is over and we should start feeling inspired by policies that would actually be meaningful. Grownups see the need for action on a broad front with all possible tools on the table.

PS. The report has also weirdly misleading spin. See below for an example. For those familiar with Teske’s past behavior this is not too surprising. When IPCC made the mistake of giving him the microphone when their SREN report (on renewables only energy issues) was released. He promptly used this as an opportunity to promote Greenpeace’s and industry’s E[R] scenario as representative of the SREN scenarios while ignoring contributions from most other authors. In reality  E[R] was an extreme outlier even in the context where most authors were probably more kindly disposed towards renewables than the average.

Correction added 8.4: I misintepreted the below figure. (I thank Ikemeister for pointing this out.) The text talked about doubling (from 28%) so the claim is correct (although phrasing/spin could be clearer IMHO). I cannot resist pointing out how the text accompanying figure on RES share of final demand was crafted. Note that more than 60% share was guessed by about 49%. Text quotes higher figures by using subsamples from India and Europe. Desire to spin the right narrative was stronger than desire to use all the data.

No they didn’t. About 41% did. (note correction)

Added 8.4.2017: Note also how skewed the distribution of experts is. About half seem to be from  few west european countries (most are germans), from Japan, or US. That is less than 10% of global population and from rich countries that are unlikely to determine the energy trends for humanity in the next decades.

Addition 13.4.2017: I will add a little news on the issue of “spin” since this happened almost at the same time as this post. Reuters relying on some Greenpeace report announced that China will spent a lot on solar and wind etc. Being a sort of guy who likes to go to actual sources, I tried to find it. I found a press release announcing this, but then had to follow a link to a Greenpeace-China page . Then from the very bottom of this chinese page I eventually found a link to the actual report (in chinese). I almost got a feeling they didn’t want people to actually read it. So of course I had to have a look and ran it through a translator. Below is the reports vision on chinese electricity supply and demand until 2030. The vision implies substantial increases in the use of fossil fuels. Increases in low carbon sources is inadequate to even cover the rising demand let alone decarbonize. One would think this would be relevant piece of information for public to know, but clearly Greenpeace thought otherwise.

Vision implying climate failure.

 

LUT-malli täysin uusiutuviin nojaavasta sähköntuotannosta

Lappeenrannassa rakennelleen malleja joissa yhden jos toisen alueen sähköntarve katettaisiin täysin uusiutuvilla.

Kuva 1: 100% RE pukkaa…koetetaan sivuuttaa tuo energian ja sähkön sotkeminen.

Olen kommentoinut tyytymättömyyttäni näihin ulostuloihin aikaisemmin (tässä ja tässä). Nyt ryhmä on tehnyt nettiin visualisoinnin jota kutsutaan vaatimattomasti nimellä “Internet of Energy” (jos voin ehdottaa, “IntREnet of energy” olisi vielä parempi). Tämä visualisointi kuulemma demonstroi tarkasti kuinka täysin uusiutuviin pohjaava sähköntuotanto toimii ja siksi meidän pitäisi vain alkaa rakentamaan. Olen erimieltä. Visualisointi ei lisää substanssia vaan nojaa pohjalla olevaan malliin. Mikäli malli on puutteellinen, ei sitä voi korjata visualisoinnilla. Lappeenrannan ryhmä osoittaa kuitenkin esimerkillistä avoimuutta jakamalla visualisoinnin yhteydessä siihen liittyvät data-tiedostot. Tiedostot ovat suuria Excel-tiedostoja, joista löytyy tuntikohtaiset tuotanto- ja kulutustiedot eri alueista (myös tiedot siitä kuinka varastoja täydennetään ja kuinka niitä puretaan). En ymmärrä miksi 100%RE -skenaarioita tehtaillaan juuri Excelillä, mutta näillä mennään. Seuraavaksi joitain poimintoja Euroopan alueen skenaariosta.

• Miksi Norjan ja Islannin sähkönkulutuksen vuodenaikavaihtelu puuttuu?
• Miksi Ruotsi tuottaa sähköä alle 80TWh, kun todellisuudessa heidän tuotantonsa on ollut noin 140TWh? Mallissa Ruotsi tuo sähköä noin 1800 kertaa enemmän kuin vie? Suomi tuottaa mallissa enemmän sähköä kuin Ruotsi.
• Onko joku kysynyt haluavatko Ruotsin lisäksi esim. Sveitsi ja Benelux maat oikeasti tuoda noin paljon enemmän sähköä kuin vievät?
• Miksi Norja tuottaa mallissa 265TWh, kun todellisuudessa he tuottavat noin 130TWh? Tällä hetkellä liki kaikki heidän tuotantonsa on vesivoimaa, mutta mallissa sitä ei ole kuin 96TWh. Häh?
• Monessa maassa malli olettaa tuulivoiman kapasiteettikertoimen olevan noin 50%. Miksi näin? Toisaalta esimerkiksi Saksassa kerroin on mallissa noin 37%, kun toteutunut on 20-25% välillä. Tämä liioittelee tuotantoa merkittävästi. Suomelle malli olettaa n. 30% mikä on järkevämpää. (Ja ei, kyse ei ole siitä, että mallissa oletettaisiin suuria määriä esimerkiksi merituulivoimaa. Melkein kaikki tuulivoima on mallissa sijoitettu maalle.)
• Iso-Britanniasta Ranskaan ja Benelux maihin oletetaan 26GW+17GW siirtokapasiteettia. Onko tämä järkevää, kun todellinen on käsittääkseni noin 2+1GW? Ylipäätään Iso-Britannia on mallissa massiivinen sähkönviejä. (Suomesta pitäisi muuten vetää Balttiaan 3GW piuha Ruotsiin menevän 3GW piuhan lisäksi.)

Muutama huomio myös tuulivoiman tuotantoprofiileista on paikallaan. Voimme helposti laskea todennäköisyysjakaumat sille, että tuulivoiman tuotanto on joku tietty osuus kapasiteetista. Seuraava kuva näyttää tuloksen Suomesta sekä mallin mukaan, että todelliseen tuotantotietoon perustuen ( vuosi 2016 tähän asti).

Kuva 2: Jakauma Suomen tuulivoimatuotannosta. Kvalitatiivista yhteneväisyyttä havaittavissa, mutta mutta…

Jotain kvalitatiivista yhdenmukaisuutta on havaittavissa, mutta huomaa kuinka LUT-mallin jakauma vaikuttaa huomattavasti toteutunutta leveämmältä. Se näyttää antavan merkittävästi suuremman todennäköisyyden korkeaan tuotantoon kuin mitä toteutunut antaa ymmärtää. Entä sama Tanskassa, joka on mallissa merkittävä sähkönviejä?

Kuva 3: Tuotannon jakauma Neocarbon-mallissa ja miltä se oikeasti näytti vuonna 2015.

??? Jakauma ei näytä juuri lainkaan siltä miltä todellinen tuotantojakauma näyttää. Mitä ihmettä tässä on tapahtunut? Vastaavia esimerkkejä on muitakin…tässä tulos Iso-Britannialle.

Kuva 4: Sama Briteistä, joka on myös mallissa merkittävä sähkön viejä.

Jakauma näyttää pikemminkin vastakkaiselta kuin se mikä on toteutunut. Todennäköisyys on mallissa suurin maksimiteholla. Missaanko nyt jotain olennaista? Päätäni alkaa taas särkeä.

Lopuksi on myös hyvä huomata, että tässä “100%RE”-mallissa on ympäri Eurooppaa yli 150GW kaasuturbiinikapasiteettia. Suomessakin näitä laitoksia olisi yli 6GW edestä. Sitä miksi näitä tarvitaan näkyy mallissa hienosti esimerkiksi Saksassa Joulun aikaan. Heidän tuotantonsa (ks. kuva) on yli 120 GW, mutta sitten alkaa päivä jota verkon vakaudesta vastuussa olevat pitäisivät varmasti jännittävänä haasteena. Noin 10 tunnin aikana uusiutuvasta tuotannosta katoaa yli 100 GW, kun heidän kulutuksena on jossain 70GW nurkilla. Kaikki vaipat heitetään polttouuniin, tuodaan mitä voidaan, mutta tämä ei silti riitä. He käynnistävät nopeasti yli 20GW edestä kaasuturbiineja, jotta Joulu ei menisi pilalle. Näitä kaasuvoimaloita on siis ympäri Eurooppaa ja niiden käyttäaste on maasta riippuen 3-22% (keskiarvo 12%). Mallissa ei kerrota mistä se kaasu ilmestyi, mutta mitään synteettisen kaasun tuotantoon liittyviä menoeriä en siitä löydä. Tulee siis luultavasti töpselistä.

Kuva 5: Saksa Joulun alla. Hauska päivä verkon ylläpitäjillä. (Vihreällä tuuli+aurinko+vesivoima, punaisella siihen on vielä lisätty tuonti, varastot ja bio- ja jätevoima. Ei riitä…)

Kuva 6: 24GW kaasuturbiineja pelasti Joulun tunnelman.

Summa summarum. Yhtä sun toista korjattavaa mallissa löytyy ja ehkä kannattaa vielä odottaa hetki ennen kuin aloitamme vain rakentamaan.

Edit: Ilmeisesti kaasun on tarkoitus olla synteettistä, mutta en ymmärrä kuinka prosessin vaatima energia oli jyvitetty kulutusprofiileihin. Myös hyötysuhde on itselleni epäselvä.

Edit : Tuulivoiman tuotantojakaumat näyttävät Excel-tiedostossa kummallisilta, koska ilmeisesti kategoriaan “excess” on laitettu hämäävästi osa tuotannosta. “Wind onshore” ja “Wind offshore” kategoria ilmeisesti pitää vain sisällään sen osan tuotantoa mikä käytetään. Jos tämä tulkinta on oikein, niin esimerkiksi Tanskassa hukattu tuulivoimateho voi mallissa olla samaa suuruusluokkaa kuin kulutettu teho.  Eli asennettu kapasiteetti on noin kaksinkertainen siihen nähden mitä voimalat korkeintaan syöttävät verkkoon. Tämä muuten myös korjaa kapasiteettikertoimia alaspäin, koska ne maat joiden kapasiteettikerroin on anomaalisen korkea, ovat maita joissa tämä hukattu teho on suurempi.

Is anybody serious about 1.5 degree target?

Many celebrated the Paris climate meeting as being a turning point and were extatic of the new “ambitious” 1.5 degrees warming target. This target will be quickly reached and then exceeded massively. I think it is a cynical move to avoid acknowledging the colossal failure of the policies during past decades. If we are to have a reasonable change to stay below 1.5 degrees, cumulative emissions should stay below approximately 1000G tons. We have already emitted about 600 and are adding more at a rate of about 40 Gt per year so the “ceiling” will be crossed in short order.

From IPCC AR5 Synthesis report

NGO:s have been especially excited on the new target and for example Greenpeace kindly suggests their own plan (+GWEC+SolarPower Europe lobby groups) as a way forward.
“We will push our beautifully simple solution to climate change – 100% renewable energy for all – and make sure it is heard and embraced. From schoolyards in Greece, to the streetlights of India, to small Arctic communities like Clyde River in Canada, we will showcase the clean, renewable solutions that are already here, and pressure our governments to make them available for everyone, fast.” Kumi Naidoo

However, since GP plan implies much greater warming than 1.5 degrees, it is unclear why this plan should be followed. Let me elaborate.

Energy [R]evolution scenario is in fact quite critical of bioenergy. While this doesn’t often translate to consistent behavior at the organizations grass root level at least some understanding does exist. Report says:

• “Any bioenergy project should replace energy produced from fossil fuels. considering the entire production chain, above- ground and below-ground carbon stock changes and any indirect land use changes (ILUC), the net greenhouse gas emission reduction of such a project must be at least 50% compared to a natural gas reference, 60% compared to an oil reference and 70% compared to a coal reference. This net emission reduction must be realized within 20 years.
• “Greenhouse gas emissions as a result of indirect land use change (ILUC) must be integrated in the greenhouse gas calculation methodology of crops (including trees) for bioenergy, grown on agricultural land, by determining crop- specific ILUC-factors.”

They continue…”Despite this, all bioenergy is accounted for as climate neutral leading to an enormous carbon accounting error. Therefore, carbon accounting schemes should stop assuming ‘carbon neutrality’ of bioenergy and account for the net direct and indirect greenhouse gas performance of bioenergy as outlined in the sustainability criteria for bioenergy presented in this document.” (As an aside for my Finnish readers I would like to point out that GP sustainability criteria effectively exclude pretty much all forrest bioenergy here. It remains to be seen how long it takes for this realization to diffuse into local Greenpeace and other NGO:s.)

This is great and I agree! But then… why is that on pages 317-318, where E[R] scenario numbers are given, climate impacts of  bioenergy and biofuels are absent?

Emissions also from outside the energy sector.

The report is also very silent on the emissions outside energy sector. For example, large fraction of the GHG emissions are due to agriculture. If we add the GHG emissions that Greenpeace+friends do not count, this would probably add roughly 10Gt of CO₂ emissions a year.

I conclude with a short movie summarizing what Greenpeace+GWEC+SolarPower Europe figures actually imply. The first two columns are based on CO₂ emissions reported in E[R] scenario. Third one adds 10G tons of GHG emissions that the report seemed to brush aside. It has always been clear that Greenpeace scenarios are widely unrealistic (for large number of reasons), but as is clear, E[R] scenarios are also inconsistent with the 1.5 degree target they celebrate. In fact, given that large fraction of emissions are unaccounted for the scenarios are unlikely to be consistent even with the earlier 2 degrees target. Other scenario builders typically add massive amounts of CCS with bioenergy to get negative emissions later on the century. Greenpeace is opposed to CCS (well of course) so we can safely assume the cognitive dissonance will only get worse.  Since the substance is lacking on NGO proposals, should we really be outraged if substance is also missing from the official policies? Is anybody actually serious about this?

Estimate of the cumulative emissions in Greenpeace E[R] scenarios. (3rd column adds 10Gt of yearly GHG emissions from missing bioenergy emissions, agriculture etc.) Last column indicates the level below which we have reasonable chance to stay below 1.5 degrees.

Note added 2.5.2016: Careful commenter pointed out few stupid mistakes in the original post. There was a confusion between C and CO₂ on the one hand and on the other the earlier limit for cumulative emissions was too high. The mistakes had a tendency to cancel each other out. Now the underlying data is fixed accordingly. E[R] advanced scenario has some change of staying below 2 degrees by 2050, but as mentioned before it leaves out a large fraction of existing GHG emissions and thus cannot be used to estimate actual climate impacts.

Power of rain drops

Recently a study about a solar cell that also works in the rain crossed news threshold. Authors start modestly “All-weather solar cells are promising in solving the energy crisis.” Why this statement would be true, they do not tell. Stories about the paper seemed to spread widely in the geek press. Some samples…

“Rain is normally a solar energy cell’s worst nightmare, but a team of Chinese scientists could make it a tremendous ally. They’ve developed a solar cell with an atom-thick graphene layer that harvests energy from raindrops, making it useful even on the gloomiest days.“ Jon Fingas (Endgadget)

“Solar energy panels that can also generate power from raindrops have been been designed, offering a possible solution for UK homeowners looking to invest in renewable energy.  The all-weather solar panels that can create electricity from light on sunny days and rain on cloudy days could be the perfect solution for the UK“:  Cara McGoogan (The Telegraph)

“Most of the bad press solar panels get has to do with their limited efficiency in bad weather. Sure, they might be great in New Mexico, but you wouldn’t use them as much in England. Well, a new innovation might soon change that. Chinese scientists have developed a way for solar panels to produce electricity using rain water.” Alfredo Carpineti (IFLScience)

“Rain means clouds and clouds mean less sunlight. That’s bad news for most solar cells, but a new design can actually make use of rain drops that fall on its surface, allowing it to generate electricity even when the weather’s bad.” Jamie Condliffe (Gizmodo)

This all seemed very silly to me. It is very important to grasp which things are large and which are small if you aim to have viewpoints worth listening to. Notice that two critical questions are not raised by anyone.

1. How much energy is there in rain water?
2. How much of the energy the gadget harvests?

Both questions are simple enough to answer if the curiosity is there to raise the questions. How much energy is there in rain and how does this compare with the power produced by a solar panel? Take UK which is not known for great weather. It rains roughly 1 meter/year on each square meter of the country. The terminal velocity of water drops depend on their size, but if I estimate 4 m/s I am probably fairly accurate. This means that kinetic energy of rain contains about 8000 Joules which means on average about 0.25 mW power hitting at a surface over the year. This is almost 100000 times smaller that average electrical power from a solar panel in the same spot. Harvesting this seems like a waste of time if your goal is to “solve the energy crisis”.

Well there is this thing about ions in the raindrops working some miracles together with graphene…Maybe I should actually glance at the paper. So their “raindrops” turn out to contain 0.6-2M of NaCl i.e. table salt. Sea water contains about 35 grams of salt per liter i.e. about 0.6M. Authors “raindrops” actually contained as much salt as seawater or more. Compared to sea water, rain water contains essentially no salt (give or take tiny amounts of impurities). What happens if we replace authors sea water raindrops with something more like the real thing? Nothing…that is what happens as demonstrated by the figure 5 authors had hidden in the supplementary.

Ok, well let us just spread salt all over clouds, because solar power. How much power was actually generated? Next figure shows that. When they dropped a drop every 10 seconds, they got about 40 picowatts in a pulse lasting maybe 100 ms. If they dropped water faster, power was reduced although since they had more events, the overall average power was probably about constant…so more rainfall didn’t end up as higher output. Kind of strange and makes UK screwed I guess (see McGoogan earlier).

Energy in each of those pulses was few picojoules (pico=10^-12). How does that compare with the kinetic energy of a raindrop? Let us say we have a raindrop with a radius of 2 mm and velocity 4m/s. Then it will have a kinetic energy of about 0.3 mJ or roughly 100 million times more than the energy authors extracted from their seawater drops. Authors probably observed a tiny electrical effect due to small variation in ion concentrations and then proceeded to hype the result till kingdom come with the kind assistance from the media.

To make it more clear how tiny the effect is, let us say we want to generate that 20W/m² with this thing. So 20 ml/h gave about 0.4 pW on average.  To get 20 Watts we need a flow rate of about 300000 m³/s or about 100 Niagara Falls through 1 m² area. Not at all crazy. (Incidentally, I am pretty sure I can come up with ways to extract more than 20W even from a single Niagara Fall. I know it sounds arrogant, but there you go…) Did I already tell you that the pointless device deteriorated after having experienced one drop every 4 second for about 1000 seconds? That is after 250 drops in about 15 minutes. We are saved!

100 of these through one square meter. Vested interests are the only reason we are not doing that already.

I conclude with a short (slightly vulgar, sorry) language lession. Finns have a jingoistic concept “Venäläinen perseensuristin“. I have noticed that the term doesn’t translate well and often with foreigners it takes awhile before it sinks in. Direct translation is “Russian ass buzzer”. It is an answer to a question: “What is it that doesn’t buzz and which you cannot fit into your ass.” It is an unnecessary product which doesn’t even work. Many Finns are of the opinion that Soviet Union excelled at producing such products. I will file this “solar panel in the rain” into the category “perseensuristin” and I am happy to observe that such products seem to be a universal human skill.

Vielä kerran Teraloop: voisiko se toimia kiinteänä renkaana?

Voisiko Teraloopin energiaa varaava liikkuva massa kannatella itse itseään? Teimme laskelmat ja esittelemme ne tässä.

Haluaisimme uskoa, että Teraloopin konsepti voisi toimia. Tämä jo siksi, että valtio on antanut yhtiölle 260 000 euroa Tekes-lainaa, ja olisi hienoa saada sille rahalle vastinetta. Olemme aiemmin analysoineet konseptia läpi fysiikan kannalta ja tehneet myös yksinkertaisen laskurin, jolla realismin rajoja voisi arvioida. Teki laskut miten tahansa, ne tuntuvat päätyvän aina samaan lopputulokseen: konsepti ei toimi, ellei fysiikan lakeja muuteta.

Päätimme antaa Teraloopin idealle vielä yhden mahdollisuuden. Moni on keskusteluissa esittänyt, että jos Teraloop olisi junavaunujen sijasta kiinteä rengas, se ei tarvitsisi ehkä magneetteja muuhun kuin levitointiin. Materiaali voisi ehkä kannatella itse itseään. Tämä ehdotus ei ole Teraloopin julkaistun toimintaidean mukainen, mutta toisaalta yhtiö on itsekin todennut että sen konsepti on todellisuudessa täysin erilainen kuin julkisuudessa olleet tiedot. Ehkä tämä on se suuri oivallus, joka mahdollistaa ajatuksen?

Lisää matematiikkaa…

Tasapainossa pyörivän renkaaseen muodostuu keskeiskiihtyvyyden johdosta kehän suuntainen jännitys, joka voidaan laskea kaavasta

s = ω²* ρ * ( R₁² + R₁*R₂ + R₂²) / 3

Missä s:n yksikkö on Pa (= N/m²), ω on kulmanopeus (rad/s) ja ρ on aineen tiheys (kg/m³), joka teräksellä on 7800 kg/m³. R₁ ja R₂ ovat renkaan ulko- ja sisäsäde.

Koska renkaan kehän poikkipinta-ala suhteessa renkaan säteeseen on hyvin pieni ja käytännössä R₁≈R₂≡R, voidaan kaava muuttaa yksinkertaisempaan muotoon.

s = ρ * ω²* R²

Olemme tehneet tällekin tehtävälle laskurin, jossa arvoja voi pyöritellä. Voimme myös piirtää kuvan, josta nähdään jännitys suhteessa renkaan kehänopeuteen. Renkaan säde tai kehän poikkipinta-ala eivät vaikuta tulokseen, yllä oleva kaavio pätee kaiken kokoisille teräsrenkaille, joiden kehän halkaisija suhteessa renkaan säteeseen on vähäinen, kuten Teraloopin tapauksessa. Kuten alempana lasketaan, rengas murtuu jos kehäjännitys ylittää 640 MPa arvon, mikä rajoittaa kehänopeutta erittäin rajusti.

Terästen lujuusrajoitteet

Jännityksen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on Pascal (Pa), eli N/m². Terästen lujuus ilmoitetaan Pascalin pienuudesta johtuen yleensä Megapascaleina, MPa. 1MPa vastaa noin 100 tonnin painoa yhden neliömetrin alueella. Teräkselle määritellään erikseen myötölujuus ja murtolujuus. Jos valmistamme lujuusluokan 8.8-pulttimateriaalista teräslangan, jonka poikkipinta-ala on 1 mm², sen varaan voisi ripustaa 64 kg:n massan, ilman, että langassa tapahtuu pysyvää muodonmuutosta, eli ilman, että ns. myötölujuus (640 MPa) ylittyy. Yli 80 kg:n massalla lanka katkeaa, koska aineen murtolujuus (800MPa) ylittyy. Myötö- ja murtolujuuden välissä teräkseen jää pysyvä muodonmuutos, joten rakenteet tulee mitoittaa myötölujuuden mukaan. Tämä esimerkiksi valittu koneenrakennusteräs on noin kaksi kertaa lujempaa kuin tavallinen rakenneteräs.

Laskurin avulla on mahdollista hahmottaa joitakin ratkaisuja, jotka saattaisivat olla kokonaisuutena teoriassa lähes saavutettavissa. Esimerkiksi teräsrengas (tiheys 7800 kg/m³) jonka sisäsäde on 1,8 metriä ja renkaan säde 250 metriä, tuottaa 290 m/s nopeudella seuraavanlaisia arvoja: energia 1,5 GWh, g-voimat 34 g, kokonaispaino 125 tuhatta tonnia, ja jännitys 660 MPa. Energia on siis kymmenesosan siitä arvosta, jota Teraloop mainoksissaan lupaa, ja siitä huolimatta jo tämäkään rengas ei tule kestämään murtumatta kovin kauan.

Tunnelin sädettä kasvattamalla päästään hiukan suurempiin energioihin, mutta energia kasvaa kuitenkin vain suhteessa säteeseen. Esimerkiksi 2500-metrinen tunneli tuottaa noilla arvoilla vain 20 GWh patenttihakemuksen lupaaman TWh:n sijaan.

Venymäongelma

Kokonaan toinen kysymys on, miten tuollainen rengas voitaisiin valmistaa. Se ei voi olla pelkkää terästä, koska siinä pitää olla maglev-tekniikka yms. massaa, joka ei kanna kuormaa. Mitoituksessa ei muutenkaan voi mennä noin lähelle myötörajaa. Mitoitus pitää tehdä väsyttävälle kuormalle, sillä laitteen pitää kestää lukuisia lataus- ja purkukertoja. Sallittu jännitys jäisi käytännössä huomattavasti tässä laskettua teoreettista maksimia pienemmäksi, kun kaikki mitoitukseen vaikuttavat tekijät otetaan huomioon.

Läheskään aina lujuusmitoituksissa ei tarvitse laskea rakenteen venymiä. Teräs nimittäin venyy kun sitä kuormitetaan. Koska Teraloop on valtavan suuri rakennelma, lasketaan varmuuden vuoksi myös renkaan venymä. Tähän käytetään Hooken lakia:

s = E * є

missä s on jännitys, E on kimmokerroin (teräksellä 210 GPa) ja є on suhteellinen venymä. Koska haluamme laskea venymän, muutetaan kaava muotoon:

є = s / E

є = 0,64 GPa / 210 GPa = 0,003

Renkaan kehän pituus ja sen myötä renkaan halkaisija venyvät 0,3 % sen saavuttaessa myötörajan. Patenttihakemuksessa renkaan halkaisija oli 5000 metriä. Sen kokoinen teräsrengas venyisi täydellä pyörimisvauhdilla peräti 5000m * 0,003 = 15 metriä. “Donitsi” siis leviäisi täydessä vauhdissa kohti tunnelin ulkoseiniä 7,5 metriä joka suuntaan, ja hidastuessaan kutistuisi taas normaaliin kokoonsa. Kuten normaalilla mielikuvituksella varustettu lukija voi kuvitella, tästä aiheutuu jälleen korillinen lisäongelmia.

Pienempi 500-metrinen prototyyppi venyisi 1,5 metriä. Tämän kokoinen vaihtelu saattaisi teoriassa, ehkä, juuri ja juuri, olla siedettävissä esimerkiksi sähkömagneeteilla, mutta kiinteät magneetit eivät tähän kykene.

Venyminen antaa käytännössä kovan ylärajan sille, kuinka suureksi Teraloop-tyyppinen systeemi voitaisiin rakentaa. Vaikka 250-metrinen pilotti onnistuisi jollakin keinolla juuri ja juuri, sitä suuremmaksi laitetta ei juurikaan voi enää kasvattaa. Nopeus ei myöskään voi näistä arvoista nousta juuri ollenkaan.

Voimme toki ajatella korvaavamme teräksen jollain toisella materiaalilla, mutta jätämme lukijoiden haasteeksi keksiä materiaali, joka olisi tähän tarkoitukseen terästä parempi ja jonka kustannus on riittävän alhainen.

Teräskään ei tässä ole aivan ilmaista. Jotta energiaa saisi vähänkään järkeviä määriä, massan pitää olla yli 100 000 tonnia. Teräksen hinta vaihtelee suuresti, mutta on tyypillisesti satoja euroja/tonni. Pienenkin Teraloopin vaatiman raakateräksen hinta olisi siis vähintään 10 miljoonan euron paikkeilla. Koska terästä joudutaan käytännössä prosessoimaan, loppuhinta olisi useita kertoja suurempi — olettaen, että tällaista rengasta edes pystyisi todellisuudessa valmistamaan.

Tässä kirjoituksessa esitettyjä arvioita voi toki tarkentaa mallintamalla Teraloopin tukirakenteita yms. tarkemmin, mutta tämä ei tule muuttamaan mitään olennaista. Valitettavasti fysiikan lait iskevät rajusti vastaan tässäkin tarkastelussa.

Yhteenveto

Kiinteä rengas ei näytä pelastavan konseptia, vaikka löytyykin konfiguraatioita jotka ovat ainakin hiukan sinnepäin. Jos renkaaseen halutaan varastoida merkittäviä määriä energiaa, sen pitää pyöriä todella lujaa. Tällöin renkaaseen kohdistuu suuria jännityksiä, ja se venyy ja supistuu pyörimisvauhdin mukana. Tällöin metalliin voi muodostua myös väsymisvaurioita.

Maailmalla on esitetty konsepteja, joissa suuri määrä energiaa varastoidaan valtavan suuriin massoihin (ks esim täältä). Nämäkään ratkaisut eivät ole suuresti edenneet, ja ne ovat silti kertaluokkaa helpompia toteuttaa kuin Teraloop.

Teraloop on sinällään yrittämässä ratkaista aivan olennaista ja tärkeää ongelmaa; valitettavasti sen ehdottama ratkaisu ei näytä toimivan millään tasolla. Energiaa on tällä hetkellä erittäin vaikea varastoida erittäin suuria määriä. Tällä alueella tehdään maailmalla koko ajan monipuolista tutkimus- ja kehitystyötä, ja tutkimusta kannattaisi ehdottomasti tukea myös Suomessa. Tuki täytyisi kuitenkin osata kohdentaa sellaisiin hankkeisiin, joissa on edes jotakin realismia takana.

Tämän kirjoituksen on tehnyt ryhmä fysiikan ja tekniikan alan ammattilaisia kollektiivisesti. Kirjoitus julkaistaan yhtä aikaa omissa blogeissamme. Kirjoittajat aakkosjärjestyksessä: Kaj Luukko (Gaia-blogi), Jani-Petri Martikainen (PassiiviIdentiteetti-blogi), Jakke Mäkelä (Zygomatica-blogi), Rauli Partanen (Kaikenhuippu-blogi), Aki Suokko (Palautekytkentöjä-blogi), Ville Tulkki.

Teraloop-laskuri

Eilinen kirjoituksemme Teraloopista herätti ainakin muutaman median; kirjoituksen ovat huomioineet Tekniikka ja Talous, Vihreä Lanka, ja Tiedetuubi. Vihreä Lanka sai lopulta yhtiöltä myös vastauksen, jossa yhtiö kieltäytyy kertomasta ideastaan mitään tarkempaa vedoten liikesalaisuuksiin. “ Teraloopin mukaan on syytä tehdä ero julkisuudessa olleiden järjestelmän konseptihahmotelmien ja sen välillä, millaiseen energianvarastointikykyyn yritys todellisuudessa pyrkii. Teraloopin mukaan näitä tavoitelukuja ei ole julkistettu, eivätkä ne ole vielä julkisia.”

Käytännössä Teraloop siis tuntuu sanovan, että aiemmin julkisuudessa olleet luvut on syytä unohtaa. Ne ovat kuitenkin ne luvut, joilla yritys on tullut esille, joita keskustelussa on pyöritelty ja joiden mukaan mielikuvia on luotu. On syytä kysyä, miksi niitä lukuja sitten on kerrottu julkisuuteen, jos ne ovat virheellisiä? Tai miksi virheellisiä lukuja ei ole korjattu?

Kuten aiemmassa kirjoituksessa totesimme, käytimme laskelmissa eri lähteistä (tiedotteet, julkinen patenttihakemus) saatuja, keskenään osin ristiriitaisia lukuja nimenomaan Teraloopin kannalta suotuisassa valossa. Kirjoituksen kirvoitti nimenomaan se, että näillä parhailla mahdollisillakaan luvuilla ja spesifikaatioilla idea ei fysiikan lakien perusteella vaikuttanut olevan toteutettavissa.

Tällä hetkellä lähinnä tiedetään, että Teraloop on saanut Tekesiltä maksimissaan 260 000 euron lainan; mitään todellista teknistä tietoa konseptista ei siis yhtiön itsensäkään mukaan ole julkisuudessa liikkunut.

Varmasti onkin niin että yhtiö ei ole kaikkea kertonut, eikä startupin kuulukaan. Ja kun kaikkea ei kerrota, pitää olla valmis ottamaan vastaan konseptia kohtaan esitetty kritiikki. Fysiikka on loppujen lopuksi armoton tieteenala. On loppujen lopuksi varsin vähän perusmuuttujia, joita tässä ratkaisussa voidaan varioida, ja ne ratkaisevat, onko idea toteutettavissa.

Olemmekin tehneet yksinkertaisen laskurin, jossa kuka tahansa voi kokeilla erilaisia arvoja. Linkki laskuriin on täällä. Kaavat ovat alempana.  Itse emme ole onnistuneet näitä lukuja pyörittämällä pääsemään mihinkään toteuttamiskelpoisen näköisiin järjestelmiin, joiden energiakapasiteettti olisi niin suuri, että systeemissä olisi järkeä.

On huomattava, että edellinen kirjoituksemme käytti ylioptimistisia (Teraloopin kannalta suotuisia) lukuja. Teraloopin väitteistä voidaan hahmottaa kolme skaalaa.

1. Patenttihakemus. Säde 2500 metriä, paino 70 000 tonnia. Energiakapasiteetti mahdollisesti TWh-luokkaa. Nopeus tuntematon.
2. Tiedotteet. Energiakapasiteetti 16 GWh, säde 250 metriä. Massa tuntematon, nopeus tuntematon.
3. Proto, jonka säde olisi ehkä 50 metriä. Mitään muita muuttujia protosta ei tiedetä.

Edellisessä kirjoituksessa yhdistimme siis skenaariot 1 ja 2 niin, että oletimme että skenaarion 1 suuri tunneli tuottaisi skenaarion 2 pienemmän energiakapasiteetin. Tällöin toteutus on erittäin paljon helpompi, mutta energiakapasiteetti on 60 kertaa pienempi kuin Teraloop on antanut ymmärtää. Kuten huomasimme, on se silti käytännössä lähes mahdoton, vaatien noin 1300 m/s nopeuksia.

Toistamme: edellisessä kirjoituksessa olleet laskut osoittivat, että vaikka Teraloopin varastointikapasiteetti olisi 60 kertaa pienempi kuin mitä sen tiedotteessa näyttää olevan, toteutus ei siltikään onnistu.

Laskurin mukaan 250 m renkaalle ei löydy mitään arvoja, jotka olisivat erityisen järkeviä. Vaikka vaunut olisivat täyttä terästä (7000 kg/m³), niin jo äänen nopeudella 330 m/s keskipakoisvoimat nousevat yli 40 g mutta kapsiteetti jää noin 2 GWh tasolle.

Tämän kirjoituksen on tehnyt ryhmä fysiikan ja tekniikan alan ammattilaisia kollektiivisesti. Kirjoitus julkaistaan yhtä aikaa omissa blogeissamme. Kirjoittajat aakkosjärjestyksessä: Kaj Luukko (Gaia-blogi), Jani-Petri Martikainen (PassiiviIdentiteetti-blogi), Jakke Mäkelä (Zygomatica-blogi), Rauli Partanen (Kaikenhuippu-blogi), Aki Suokko (Palautekytkentöjä-blogi), Ville Tulkki.

Laskurin kaavat:

A. Materiaalien tiheyksiä

Patenttihakemuksessa ilmoitettu tiheys on 1500 kg/m³

Betoni: 1700-2400 kg/m³

Teräs: 7000-8000 kg/m³

Lyijy: 11 000 kg/m³

Köyhdytetty uraani: 19 000 kg/m³

B. Vaunun sisäsäde: Patenttihakemuksen mukaan vaunujen koko olisi noin 1,5m x2m. Oletusarvona voidaan käyttää keskimääräistä sädettä 1,8 m. Jos kokoa kasvattaa paljon, myös tunnelin kokoa on kasvatettava, mikä lisää hintaa ja vaikeuttaa tyhjiön ylläpitoa.

C. Tunnelin säde:

Hakemuksessa 2500 m, mainosmateriaaleissa 250 m, ensimmäinen prototyyppi ehkä 50 m.

D. Nopeuksia (ks mm. Wikipedia-sivu)

Äänen nopeus on 330 m/s.

Yliäänikone Concorden nopeus on n 600 m/s

Kaikkien aikojen nopeusennätys lentokoneella on n. 1000 m/s

Pakonopeus (jolla satelliitin saa laukaistua ulkoavaruuteen) on n. 11 000 m/s.

Jotta konsepti todellisuudessa toimisi verkkotason energiavarastona, sen pitäisi pystyä tallentamaan vähintään energiaa vähintään GWh-tasolla. Toisaalta aiemmassa kirjoituksessa todettiin, että 70 g kiihtyvyydet repivät järjestelmän varmasti rikki; käytännössä jo viimeistään 50 g kiihtyvyys tulee aiheuttamaan ongelmia. Kaikkien aikojen painavimmat liikkeelle saadut junat ovat painaneet noin 40 000 tonnin luokassa.

Tehtävänä on löytää parametrit, jotka toteuttavat kaikki nämä ehdot edes suunnilleen. Itse emme sellaisia ole onnistuneet löytämään.

Kaavat

Liikkuvaan massaan varastoitunut energia on

E = (½)*m*v², jossa m on kappaleen massa ja v sen nopeus

Mikäli kappale on pyörivässä liikkeessä, niin keskipakoisvoima (keskihakuvoima) on

F = m*v²/R, jossa R on kaarevuussäde

Renkaan pituus on 2*π*R. Oletetaan rengas pyöreäksi, ja sen poikkipinta-alan säteeksi r metriä. (Renkaan todellinen muoto voi olla jotakin muuta, mutta se ei olennaisesti muuta laskua).

Lukija saattaa haluta muuttaa itse joitakin oletuksia. Kokosimme tarvittavat kaavat 1-5 sitä varten.

Jos kappaleen keskimääräinen tiheys on ρ [kg/m³]  niin sen massa voidaan kirjoittaa m =  ρ*π*r² * 2*π*R=2*π²*r²*R*ρ ja kaavat ovat silloin muotoa

1. E [joulea]  = (½)* m*v² = π^2*r²*R*ρ*²
2. E [GWh] = 2,78*10^(-13)* E[joulea]
3. F [newtonia] = 2*π*R*ρ*v²/R = 2*π*r*ρ*v²
4. F [g] = (m*v²/R)/(m*g)  = v²/(R*g)
5. m [tuhatta tonnia] = 2*π^2*r²*R*ρ/1E6

Tiheyttä ρ voidaan kasvattaa muuttamalla vaunujen materiaalia. Sädettä r voidaan muuttaa kasvattamalla vaunujen ja tunnelin kokoa.

Teraloop: onko idea fysikaalisesti realistinen?

Startupien on oltava radikaaleja, innovatiivisia, ja optimistisia. Kukaan ei pahastu, jos startup on hiukan liiankin optimistinen. Mutta missä menee raja?  Innovaation ja innostumisen vastavoimana on oltava itsekuri ja itsekritiikki. Mitä tapahtuu, jos nämä puuttuvat?

Startup nimeltä Teraloop on esittänyt varsin ällistyttäviä ajatuksia. Uusiutuvien energialähteiden suurin ongelma on niiden ajoittaisuus: energiaa on pystyttävä varastoimaan niiksi ajoiksi, kun ei tuule tai aurinko ei paista. Tähän mennessä ei kerta kaikkiaan ole ollut tekniikoita, joilla pystyttäisiin varastoimaan gigawattitunneittain energiaa moneksi päiväksi kustannustehokkaaseen hintaan. Teraloop väittää löytäneensä ratkaisun, liikuttamalla suuria massoja renkaan muotoisella radalla maan alla.

Fysiikkaa vähänkään tuntevissa idea on herättänyt ensin ällistystä, sitten mielenkiintoa, ja lopulta syvää epäuskoa.  Idea ei välttämättä varsinaisesti riko fysiikan lakeja, mutta se ei vaikuta millään tavalla realistiselta. Skeptisiä arvioita on jo esitetty Kaj Luukon aiemmassa blogissa.

Erikoisia väitteitä ja erikoisia startupeja on maailma pullollaan, ja asian voisi sinällään jättää sikseen. Tarkempi penkominen kuitenkin osoitti vielä kummallisempia väitteitä. Yhtiö itse sanoo saaneensa Tekesilta tutkimusrahoitusta ja sen lisäksi tekevänsä yhteistyötä VTT:n kanssa. Käytännössä VTT-yhteistyö viitannee Tekniikka & talouden artikkelissa mainittuun toteutettavuustutkimukseen, joka on tilaustyönä teetetty ulkopuolisella rahoituksella.  Yhtiö on listattu myös yhdeksi Vaasa Entrepreneurship Societyn Top 30 energia-alan startupiksi; VES:n tiedoissa yhtiö ilmoittaa saavansa rahoitusta myös Fortumilta

Näistä yhteistyökuvioista ei ole julkisuudessa ollut mitään tarkempaa tietoa. Jos yhtiön ympärillä todellakin liikkuu verovaroja, idean taustoja on syytä penkoa paljon tarkemmin. Onko yhtiö todellakin keksinyt jotakin mullistavaa, vai ovatko sen ideat tarkemmin penkoenkin yhtä huteria kuin pikaraapaisulla katsoen?

Ryhmä fysiikan ja tekniikan alan ammattilaisia päätti joukkoistaa analyysin. Kirjoitus julkaistaan yhtä aikaa omissa blogeissamme. Kirjoittajat aakkosjärjestyksessä: Kaj Luukko (Gaia-blogi), Jani-Petri Martikainen (PassiiviIdentiteetti-blogi), Jakke Mäkelä (Zygomatica-blogi), Rauli Partanen (Kaikenhuippu-blogi), Aki Suokko (Palautekytkentöjä-blogi), Ville Tulkki.

Tämä kirjoitus keskittyy vain fysiikkaan ja teknologiaan, ottamatta kantaa toteutuksen hintaan. Esiin tulevista kysymyksistä voi kuitenkin helposti päätellä, että hinta tulisi olemaan absurdin suuri — olettaen, että järjestelmä ylipäätään toimisi, mikä näyttää varsin epätodennäköiseltä.

 

Mitä yhtiön konseptista siis voi päätellä nykyisten tietojen  perusteella? Onko syytä olettaa, että se olisi fyysisesti millään tavalla realistinen missään aikataulussa?

Mitä ideasta on väitetty?

Asiasta uutisoi tiettävästi ensimmäisenä tammikuussa 2016 Tekniikka & talous. Se ilmoitti, että  “hanke on tarkoitus toteuttaa yhteistyössä yhden Pohjoismaiden suurimpiin kuuluvan energiayhtiön ja suomalaisten teknologiayhtiöiden kanssa – tämän tarkemmin ei Teraloop halua yhteistyökumppaneitaan vielä tässä vaiheessa nimetä.

Huhtikuussa aiheesta kirjoitti Tekniikan Akatemia TAF joka jakaa joka toinen vuosi tunnetun Millennium-teknologiapalkinnon. TAF:n tiedotteessa ei juurikaan avata teknisiä yksityiskohtia, mutta siinä mainitaan, että yhtiö väittää pääsevänsä 500 MW tehoihin ja 16 GWh kapasiteettiin. Myös yhtiön nettisivuilla todetaan nämä luvut.

Aiheesta on kirjoittanut innostuneesti mm. industrialprime.fi.

Mitä ideasta todellisuudessa tiedetään?

Julkista teknistä tietoa on yhden patenttihakemuksen verran (WO2016/001478). Hakemusta arvioidaan tarkemmin blogin lopussa, mutta tähän on tiivistetty se informaatio, joka hakemuksesta on mahdollista päätellä.

Patenttihakemuksen perusteella Teraloopin ajatuksena on rakentaa pyöreä tunneli, jonka lattiassa on kestomagneetteja. Suurien painoelementtien pohjassa on kestomagneetteja, joiden avulla ne kelluvat lattian magneettien yläpuolella. Elementtien yläpinnassa on myös kestomagneetteja. Elementtejä liikutetaan säätelemällä tunnelin katossa olevia sähkömagneetteja, kuten esimerkiksi maglev-junissa tehdään. Elementtejä yhdistetään toisiinsa, ja niistä rakennetaan rengas tunnelin sisään.

Patenttihakemuksen esimerkissä (joka siis on vain yksi mahdollisuus) ympyränmuotoisen radan säde on 2,5 km, ja se koostuu osista joiden paino on 30-40 tonnia ja mitat 1,5x2x8 metriä. Ketjun kokonaismassaksi tulisi hakemuksen mukaan noin 70 000 tonnia ja tiheydeksi noin 1500 kg/m³. Osat voivat olla esimerkiksi betonia.

Teraloop ei ole nähtävästi kertaakaan esittänyt konkreettisia lukuja, joissa olisi yhtä aikaa ilmoitettu energiakapasiteetti, massa, radan säde, sekä nopeus. Jos kolme näistä tiedetään, neljäs voidaan laskea. Vain kahdesta eri konfiguraatiosta on numeroarvoja:

1. Patenttihakemus. Säde 2500 metriä, paino 70 000 tonnia. Energiakapasiteetti mahdollisesti TWh-luokkaa. Nopeus tuntematon.
2. Tiedotteet. Energiakapasiteetti 16 GWH, säde 250 metriä. Massa tuntematon, nopeus tuntematon.

Kummassakin skenaariossa on ongelmia. Jos skenaariossa 1. oletetaan että kapasiteetti olisi 1 TWh, nopeudeksi saataisiin näiden lukujen perusteella noin  10 km/s (ks alempana). On vaikea kuvitella, että keksijät olisivat tosissaan tällaista ehdottamassa. Tämä nopeushan vastaa lähes pakonopeutta maapallolta, eli tällä nopeudella Teraloopin saisi helposti ammuttua maata kiertävälle radalle.

Toisaalta, jos skenaariossa 2 oletetaan sama tiheys kuin skenaariossa 1, massa jäisi tälle lyhyemmälle renkaalle niin paljon pienemmäksi, että 16 GWh saavuttaminen vaatisi taas saman maata kiertävän nopeuden.

Päädyimme käyttämään näissä laskuissa tulkintaa, joka on Teraloopin kannalta edullisin mahdollinen. Käytämme patenttihakemuksen lukuja radalle ja massalle, mutta oletamme että sillä yritetään saavuttaa vain tiedotteissa oleva 16 GWh kapasiteetti.

Tässä esitetty analyysi on siis käytännössä äärimmäisen ylioptimistinen. Teraloopin varsinaisiin lupauksiin pääseminen olisi moninkertaisesti vaikeampaa. Kuten kuitenkin huomataan, näilläkään luvuilla systeemi ei ole toteutettavissa.

Idean perusfysiikkaa

Idean perusfysiikka on melko yksinkertainen. Pyörivän renkaan liike-energia on

E= (½)*I*ω²,

Missä I on hitausmomentti ja ω on pyörimisnopeus (rad/s). Tällaisen renkaan hitausmomentti on
I = m* R²

Missä m on renkaan massa ja R sen säde. Toisaalta ratanopeus v=ω*R, jolloin voidaan kirjoittaa

E = (½)m*v² =   (½)*m*R²*ω²

Mikäli 70 000 tonnin massaan halutaan varastoida uutisotsikoissa mainittu 16 GWh energiaa, tulisi massan liikkua 4700 kilometrin tuntivauhtia, eli 1300 m/s. Vertailun vuoksi äänen nopeus ilmassa on noin 330 m/s,  ja yliäänikone Concorden nopeus oli “vain” 600 m/s. (Patentihakemuksessa mainitaan itse asiassa jopa 1TWh varastointi tuohon samaan massaan mikä tarkoittaisi yli 10000 m/s nopeutta mikä on lähellä pakonopeutta maapallolta)

Jos renkaan säde on 2500 metriä, voidaan tästä myös laskea, että  ω~0.5 rad/s, eli rengas pyörähtää ympäri noin 12 sekunnissa. (Jos säde olisi vain 250 m, sen pitäisi pyöriä ympäri kerran sekunnissa).

Teraloopin vaunujen nopeuden tulisi siis olla samaa suuruusluokkaa kuin esimerkiksi raidetykkien kranaattien nopeuden niiden iskeytyessä maaliinsa. Youtube-video näyttää esimerkin siitä mitä törmäyksestä seuraa. Teraloopin junan törmäyksessä vapautuisi 16GWh energiaa, joka vastaa melko tarkasti Hiroshiman atomipommin energiasisältöä. Ainut este tunnelin seinän ja junan välillä on muutama millimetriä jonkinlaista magneettikenttää.  (Patenttihakemuksessa mainittu TWh, vastaa USA:n vetypommien kokoa.)

Teraloopin vaatimat nopeudet havainnollistettuna.

Vertailu maglev-junaan
Teraloop kertoo junansa liikkuvan Maglev-junan tapaan eli käyttävän magneettista levitointia. Toteutettujen Maglev-junien yhteisenä piirteenä on kuitenkin alhainen paino ja melko suora rata. Esimerkiksi Shanghain lentokentän ja kaupungin väliä kulkeva Maglev-juna painaa noin 100 tonnia ja on mitoiltaan 153m x 3,7m x 4,2 m. Junan maksiminopeus on n. 120 m/s jolloin kineettinen energia olisi noin 0.2MWh eli noin 1/100000 osa Teraloopin varastoimasta energiasta. Keskitiheys Shanghain junassa on  42 kg/m³. Jos oletamme Teraloopin junan tiheydeksi patenttihakemuksessa olleen 1500 kg/m³, on maglev-junan tiheys noin 36 kertaa Teraloopin junaa alhaisempi.

Maglev-junien suhteellisen alhainen tiheys mahdollistaa levitoinnin käytännössä toteutettavilla magneettikentillä. Radan on myös oltava melko suora, koska jyrkkä kaarre (pieni kaarevuussäde) yhdistettynä suureen nopeuteen tarkoittaa suuria g-voimia kaarteissa. Suurten g-voimien hallinta puolestaan vaatii entistä voimakkaampia magneettikenttiä.

Teraloopin ideassa junan tulisi siis olla maailman suurimpien junien kokoluokassa ja painaa noin 1000 kertaa Shanghain Maglev-junan verran. Teraloopin junan tulisi liikkua noin 10 kertaa nopeammin kuin maailman nopeimmat junat ja vieläpä radalla, joka on paljon kaarevampi. Jos kahden magneettisen pinnan magneettien välinen voima on noin B²A/2μ₀ (A=magneettisen pinnan pinta-ala) ja junan tiheys 1500kg/m³ vaatii pelkkä levitointi vähintään noin 0,3 Teslan kentän mikäli oletamme koko junan ja radan pohjapinnan olevan magneettiset.

Ongelma: kaarevuus
Yllä oleva pätee siis suoralle radalle. Radan kaarevuus aiheuttaa kuitenkin tätä suuremmat vaatimukset. Renkaan jokaiseen osaan kohdistuva keskipakovoima (tarkkaan ottaen keskihakuvoima) on

F = m * ω² * R = m*v²/R

Keskipakovoimaa erilaisilla massoilla ja nopeuksilla voi arvioida tällä työkalulla.  Yksinkertaisinta on laskea kiihtyvyys g-voimina, jolloin arvo ei riipu massasta. Maan painovoima on 1g, ja ihminen kestää pyörtymättä korkeintaan noin 5 g voiman.

Patenttihakemuksessa mainittu 2500 metrin kaarevuussäde ja 1300m/s nopeus tarkoittaa noin 70g kiihtyvyyttä,  ja vaatii siis liki 3 Teslan magneettikenttän koko junan pohjapinnan alueella. Mikäli magneetit peittävät vain osan junan pohjasta vaaditaan vielä suurempi kenttä. Kestomagneetteja, jotka pystyisivät tuollaiset voimat kompensoimaan ei valitettavasti ole olemassa. Vaikka olisikin, noin suuret magneettikentät tuhoavat kestomagneetin kentän.

Tuo voima aiheuttaa jo melko kovia jännityksiä materiaaleihin. Jokaisen vaunun ja ennen muuta jokaisen vaunujen välisen nivelen on kestettävä tämän tasoinen voima. Jos yksikin nivel hajoaa, koko järjestelmä on vaarassa tuhoutua.

Suurempi ongelma on, että tämä voima kohdistuu käytännössä kohtisuoraan tunnelin seinämiä päin, eikä enää maanpintaan. Kiinteiden magneettien geometrian olisi muututtava kun nopeus kasvaa — käytännössä radan olisi kallistuttava. Toisaalta rata ei voi olla pysyvästi kallistunut, koska silloin vaunut tippuisivat pois radalta kun vauhti hidastuu.

Teraloopin esittämä konsepti siis toimii vain suoralle radalle. On syytä huomioida, että yllä oleva arvio on tehty patenttihakemuksessa kuvatulle radalle, jonka säde on 2,500 metriä. Jos säde olisi mainostusten mukaisesti vain 250 metriä, ongelma olisi kymmenen kertaa pahempi.

Mahdollinen ratkaisu ja uusi ongelma: sähkömagneetit

Mikäli mahdottomalta vaikuttavat kestomagneetit korvataan sähkömagneeteilla, voidaan noin 3 teslan kenttä luoda esimerkiksi tällaisella laitteella. Valitettavasti tämä voimakas kenttä peittää vain noin 9% laitteen koosta. Mikäli tuota osaa ei paranneta, vaaditaaan noin 3-4 kertaa voimakkaampia kenttiä kuin jo tähän asti arvioidut. Sähkömagneetti kuluttaa myös sähkötehoa noin 880W. Mikäli edellä mainittu ongelma voimakkaan kentän rajoitetusta pinta-alasta voidaan ratkaista, junan kannatteleminen vaatisi noin 500 000 sähkömagneettia ja tehonkulutus olisi yli 400 MW eli noin saman verran kuin laitteen väitetty teho. Magneetit painaisivat noin 10 kertaa enemmän kuin itse juna.

Sähkömagneetitkaan eivät pysty suoraan ratkaisemaan edellä mainittua kallistumisongelmaa, vaikka osittaisen ratkaisun voisivatkin tarjota.

Muita avoimia kysymyksiä
Joihinkin kysymyksiin emme ole pystyneet löytämään luotettavia arvioita, mutta ne tulevat varmasti tuottamaan haasteita. Laitteen hidastaminen ja kiihdyttäminen tuottavat aina lämpöä, tässä tapauksessa luultavimmin ennen muuta ohjaaviin sähkömagneetteihin. Tyypillisesti hyvässäkin järjestelmässä 10% tehosta menee hukkaan; tämä tarkoittaa, että 500 MW ottoteho tuottaisi noin 50 MW lämpötehoa. Tämä on paljon, mutta saattaa olla johdettavissa ulos. Melko väistämättä se lämmittää myös rakenteita, ja voi heikentää esimerkiksi kiinteiden magneettien stabiilisuutta. Tarkkoja arvioita on mahdoton esittää.

Hyvän tyhjiön aikaansaaminen ja ylläpitäminen näin suuressa tilassa ei helppoa. Suurin normaalissa käytössä tällä hetkellä oleva tyhjiökammio on halkaisijaltaan noin 30 metriä ja korkeudeltaan noin 37 metriä. Koska järjestelmä on käytännössä hypersoninen, pienikin määrä ilmaa tunnelissa voi olla tuhoisaa. Teraloop vaatisi siis aivan uutta teknologiaa myös riittävän tyhjiön aikaan saamiseksi.

Kysymyksiä patenttitilanteesta
Toistaiseksi vasta yksi patenttihakemus (WO2016/001478) näyttää tulleen julkiseksi. Hakemus on jätetty heinäkuussa 2014 ja tullut julkiseksi tammikuussa 2016. Koska patenttihakemukset ovat salaisia 18 kuukautta, vain ennen lokakuuta 2014 jätetyt hakemukset ovat tällä hetkellä tiedossa.

Hakemukselle on nähtävästi jo tehty kansainvälinen haku, jossa on löydetty ainakin muutama patentti jotka kattavat saman idean. Prosessi kuitenkin jatkunee, ja on mahdollista että ainakin  jonkinlainen patentti lopulta myönnetään.

Jos patentti myönnetään, mitä se kertoo Teraloopin idean toteutettavuudesta? Käytännössä ei mitään. Patenttihakemus kertoo, että tällainen valtavan suuri rengas halutaan rakentaa, ja hakijat haluavat olla ainoat maailmassa jotka saavat sellaisen rakentaa.  Tämä hakemus ei kuitenkaan kerro mitään idean toteutettavuudesta, eikä vastaa mihinkään tässä blogissa esitetyistä kysymyksistä.

Tämä ei sinällään välttämättä ole epäilyttävää. Jos hakijoilla on kasa todella innovatiivisia ideoita siitä miten tällainen rengas toteutetaan, heidän voi kannattaa ensin yrittää suojata perusidea renkaan rakentamisesta. Tämän patentin keveys ei välttämättä siis ole epäilyttävää, jos uusia patentteja on sen jälkeen haettu kiivaasti. Patenttihakemusten pitäisi kuitenkin alkaa tulla julkisiksi aivan lähikuukausina, jos kehitystyö on ollut intensiivistä.

Yhteenveto

On selvää, että startupit käyttävät erittäin optimistisia arvioita, ja jopa suoraan liioittelevat. Tätä niiltä odotetaan. Teraloopin ehdotuksen kaltaiset ristiriidat oikean maailman kanssa eivät kuitenkaan ole enää optimismia, vaan jotakin muuta. On periaatteessa mahdollista, että Teraloopilla on jotakin vuoden 2015 aikana jätettyjä patenttihakemuksia, joissa esitetään jotakin radikaalia tietoa siitä, miten rengas toteutetaan. Tämän hetken julkisilla tiedoilla näyttää kuitenkin siltä, että konsepti ei ole likimainkaan toteutettavissa edes teoriassa.

Jos yhtiön väitteet Tekes-rahoituksesta ovat tosia, olisi tarpeen kuulla millaisilla summilla valtio tätä kokeilua aikoo tukea, ja mihin tietoon päätökset perustuvat. Toivomme ilman muuta hyville startup-hankkeille menestystä. Suomen vaikea tilanne vaatii, että rahoitetaan suurella riskillä myös radikaaleja innovaatioita, joilla on suuri riski epäonnistua. Kun tutkimuksen tukirahat kuitenkin koko ajan vähenevät, ne pitäisi sentään pystyä kohdistamaan sellaisiin hankkeisiin, joilla on edes teoreettiset mahdollisuudet onnistua.

12.4.2016  Kaj Luukko, Jani-Petri Martikainen, Jakke Mäkelä, Rauli Partanen, Aki Suokko, ja Ville Tulkki.

Lisäys 12.4.2016: Teraloop on vastannut kritiikkiin. Sort of…kind of.”Teraloopin mukaan on syytä tehdä ero julkisuudessa olleiden järjestelmän konseptihahmotelmien ja sen välillä, millaiseen energianvarastointikykyyn yritys todellisuudessa pyrkii.” Koska Teraloop itse on näiden väitteiden lähde, on siis syytä tehdä ero Teraloopin väitteiden ja salassa pysyvän “todellisuuden” välillä? Luultavasti melko viisas lähtökohta.