Response to ‘A comparative analysis of electricity generation costs from renewable, fossil fuel and nuclear sources in G20 countries for the period 2015–2030’

A Greenpeace report commissioned from 100%RE academics from Lappeenranta University of Technology (of course) on electricity generation costs was recently published in Journal of Cleaner Production. Details of the computations were kindly made available as a supplementary spreadsheet. The results left something to be desired. I wrote a response which has now been published. “Response to ‘A comparative analysis of electricity generation costs from renewable, fossil fuel and nuclear sources in G20 countries for the period 2015–2030’” (doi:10.1016/j.jclepro.2018.07.159). Link should work for few months after which you either need access to the journal or download it from here. Take away lesson as usual: Be critical and do not automatically trust the results or conclusions.

Added 18.10.2018: The free share link does not seem to work from WordPress so if you don’t have access otherwise you can download it from here.

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.

Sähköautot vs. vaihtoehdot: päästöt

Minua alkoi kiinnostamaan millaiset päästöt sähköautoilu aiheuttaa verrattuna vaihtoehtoihin ja kuinka paljon mahdolliset päästövähennykset maksavat. Kokoan tähän ensimmäiseen osaan oppimaani lähinnä päästöistä ja toisen osan säästän kustannuksille. Vaikka sähköauto ei polta bensaa sen käyttämä sähkö on osin tuotettu fossiilisilla. Kuinka suuri tämä osuus on riippuu maan sähköntuotannosta. Sähköauton valmistus aiheuttaa ilmeisesti lähinnä pattereiden valmistuksessa suuremmat päästöt kuin tavallinen polttomoottoriauto. Esimerkiksi tässä raportissa arvioitiin, että polttomoottoriauton valmistus aiheuttaa noin 40 g CO₂ päästöjä ajetulle kilometrille, kun taas sähköauton valmistus aiheuttaa noin 70 g (elinkaaren aikana oletettiin ajettavan 200000 kilometriä). Ellingsen et al. arvioivat, että 26.6 kWh patterin valmistus aiheuttaa 4.6 tonnin hiilidioksidipäästöt. Toisaalta sähköauto aiheuttaa usein vähemmän päästöjä käytössä joten elinkaaren yli laskettuna päästövähennyksiä voi saada etenkin, jos autolla ajetaan paljon.

Kuva 1: Arvio sähköauton elinkaari hiilidioksidipäästöistä.

Mutta toisaalta tämä on itselleni liian abstraktia eikä suoraan relevanttia, koska arvioissa oletetaan itselleni täysin epärelevantti ajomäärä ja myös kilpaileva vaihtoehto. Tein siis arvion siitä miten paljon päästöissä on eroa kymmenen vuoden aikana ajomäärien ja polttomoottoriauton päästöjen funktiona. Rajasin ajan kymmeneen vuoteen, koska toisaalta yksilönä se olisi minulle relevantti aikaskaala ja toisaalta sähköautojen akkujen takuu ei taida sen kauemmas ulottua.

Seuraavat kuvat demonstroivat tuloksia. Merkitsin kuvaajaan pisteillä “itseni” ja “tyypillisen suomalaisen”. “Tyypillinen” suomalainen ajaa autollaan n. 15000 km vuodessa ja auton käyttö aiheuttaa päästöjä n. 124 g/km. Itse asun hyvien liikenneyhteyksien päässä lähellä työpaikkaa ja arvioin liikkumisen noin puoleen tyypillisestä. En omista autoa vaan liikun lähinnä bussilla tai junalla ja siksi laitoin päästötasoksi arvion bussin päästöistä per matkustaja eli 73 g/km.  Oletan ensin, että sähköautossa on yksi 26.6 kWh akku eli autolla ajaa ehkä korkeintaan hiukan alle 150 km latausten välillä.

Kuva 2: Päästöero sähköauton ja polttomoottoriauton välillä. Oletin sähköautoon yhden 26.6 kWh akun jolloin autolla voinee ajaa jonkin verran alle 150 km.

Jos itse vaihtaisin sähköautoon päästöni nousisivat selvästi, mutta jos keskimääräinen autonajaja vaihtaisi tuollaiseen sähköautoon päästöt voisisivat alentua 10 vuoden aikana noin 7 tonnia. Mutta toisaalta hän voisi päästä samaan lopputulokseen vaihtamalla pienempään vähemmän bensaa polttavaan autoon. Esim. pikku Peugeotilla voisi päästä 88 g/km päästötasoon, joilloin päästöt olisivat noin samat kuin sähköautossa.

Korkeintaan 150 km ajoa voi toisissa aiheuttaa huolta ja he haluavat sähköautolleen noin 300 km ajomatkan. Sitä varten tuplaamme akkujen määrän ja lopputulos on seuraavan kuvan mukainen.

Kuva 2: Muuten sama kuin edellinen, mutta 2×26.6 kWh akkuja.

Ylimääräisten akkujen aiheuttamat päästöt eliminoivat suurimman osan tyypillisen autoilijan aikaisemmista päästövähennyksistä. Jos ei ole autoton, niin se vähän kuluttava polttomoottoriauto olisi nyt merkittävästi parempi vaihtoehto ja sillä toki ajaa pidemmälle kuin 300 km. Toistetaan harjoitus vielä lopuksi saksalaisella sähköllä. Siellä sähköauto 26.6 kWh akulla aiheuttaisi kymmenen vuoden aikan suuremmat päästöt kuin keskimääräinen polttomoottoriauto.

Kuva 4: Sama kuin kuva 2, mutta saksalaisella sähköllä.

Mitä tästä opimme? Ehkä sen, että päästötase riippuu siitä kuinka paljon autoa oikeasti käyttää ja kuinka suuri akkujen käyttöaste on. Jos haluamme kannustaa suuriin päästövähennyksiin, olisi tehokkaampaa suosia julkista liikennettä ja sitä tukevaa kaupunkirakennetta. Sähköautot tulisi ehkä ensisijaisesti säästää niille, jotka ajavat paljon kuten esimerkiksi taksit. Ylisuuria akkuja tulisi välttää ja siinä mielessä hybridiauto pienellä akulla on viisaampi vaihtoehto kuin “puhdas” sähköauto. Jos haluaa ajaa pelkällä sähköllä, ehkä olisi syytä miettiä toimivia vuokraus- tai jakojärjestelmiä, jossa saa käyttöönsä toisen auton niitä harvoja kertoja varten, kun oikeasti tarvitsee sitä 300 km ajomatkaa.

Lisäys 9.10.2016: Suomen ekomodernistien Facebook sivulla on monia hyviä huomioita. Yksi huomio oli, että akkujen päästöt riippuvat jotenkin oletetusta sähkön päästötasosta. Ylläoleva arvio perustui noin maakaasua vastaavaan päästötasoon. Ellingsen et al. antavat myös muita arvioita. Dekarbonisoidulla sähköllä akkujen valmistus aiheuttaa hiukan alle 2 tonnin päästöt. Jos sähkö tuotetaan hiilellä (esim. Kiina), niin päästöt olisivat noin 6.5 tonnia per akku.

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.

Sähkön varastoinnista täysin uusiutuviin perustuvassa energiajärjestelmässä

Neo-Carbon Energy -hankkeessa on mallinnettu täysin uusiutuvaan energiaan perustuvaa energiajärjestelmää Suomessa vuonna 2050. Perustelemme tässä kirjoituksessa, että joissakin hankkeen ulostuloissa ei ole suhtauduttu riittävällä vakavuudella sähkön laajamittaisen varastoinnin todennäköisiin kustannuksiin ja mahdollisiin materiaalirajoitteisiin vaikka litiumakkujen teknologiseen kehittymiseen suhtauduttaisiin erittäin optimistisesti.

Neo carbon energy, Yleisradion toimittaja, me ja kansalainen

Sähkön laajamittainen varastointi on tyypillisesti kallista ja hankalaa. Varastoinnin korkeat kustannukset ovat keskeinen syy sille miksi sähköntuotannossa käytetään (lähes) aina käynnissä olevien voimaloiden lisäksi voimaloita, joiden on tarkoitus vastata kulutuspiikkeihin. Tämä muistui meille taas mieleen lukiessamme tuoreita “Neo Carbon energy”-projektin ulostuloja energian varastointiin liittyen. Ensimmäisessä esimerkissä Yleisradion toimittaja Kalle Schönberg kertoo innostuneena Pasi Vainikkaan nojaten kuinka “Polttoaine revitään kohta ilmasta”. Tarinassa kerrotaan:

“Tuuli- ja aurinkovoima ovat keskeisessä asemassa tulevaisuuden energiajärjestelmässä, jossa fossiilisista polttoaineista tulevaa hiilidioksidia ei saa lopulta enää päästää ilmakehään.

Ongelmana on kuitenkin se, että tuuli- ja aurinkovoimaa voidaan tuottaa vain kun on tuulta tai aurinko paistaa. Sähköä tarvitaan kuitenkin koko ajan.

Ongelma voidaan ratkaista, jos sähköä voidaan varastoida kätevästi. Aurinko- ja tuulivoimaloiden tuottama energia voidaan tällöin ottaa talteen ja käyttää silloin, kun tarvetta on. Yhden vaihtoehdon tähän tarjoaa hiilidioksidin kaappaaminen ilmakehästä ja muuttaminen polttoaineeksi.

– Tällä tavoin tuotettua maakaasua voitaisiin esimerkiksi varastoida ja käyttää tarvittaessa sähkön tuotantoon, Pasi Vainikka kertoo…

…Pohjoismaisella sähköllä ilmakehän hiilidioksidista valmistettu maakaasu maksaa noin 60–70 euroa megawattitunti. Venäläinen maakaasu maksaa meille nykyään runsaat 30 euroa megawattitunti. Hinta on siis noin kaksinkertainen, Pasi Vainikka kertoo.”

Toisessa esimerkissä Lappeenrannan teknillisen yliopiston professori Christian Breyer, joka on myös osa “Neo-Carbon Energy” hanketta käsittelee konferenssipaperissaan varastointia osana täysin uusiutuviin pohjaavassa energiaskenaariossaan vuodelle 2050. Haluamme nyt nostaa esille eräitä mielestämme relevantteja asioita, jotka Vainikka ja Breyer sivuuttavat.

Ensinnäkin on huomionarvoista kuinka alhaiseksi Vainikka arvioi ilmakehän hiilidioksidista valmistetun maakaasun hinnan. Synteettistä maakaasua voidaan valmistaa (riittävästi puhdistetusta) hiilidioksidista ja esimerkiksi sähkön avulla vedestä hajotetusta vedystä. Hiilidioksidin kaappaamisen suoraan ilmakehästä on arveltu maksavan kenties noin 500 euroa/tonni. Tuolla hinnalla pelkästään synteettisen maakaasun tuotannon vaatima hiilidioksidi voi maksaa enemmän kuin Vainikan arvioima lopputuotteen hinta.  Lisäksi Socolow varoittaa prosessin vaativan herkästi niin paljon energiaa, että saavutettu päästövähennys voi olla vaatimaton verrattuna päästöihin, jotka hiilidioksidin väkevöinti ilmakehästä aiheutti. Kun teemme vastaavan arvion vaadittavan vedyn hinnalle, voimme todeta senkin maksavan helposti yli 70 euroa/MWh. Toiset alan tutkijat arvioivat synteettisen maakaasun hinnaksi noin 180 euroa/MWh, kun sähkön hinnaksi oletetaan 30 euroa/MWh ja hiilidioksidin lähteeksi joku muu kuin ilmakehä.  Tämä on merkittävästi Vainikan arvioimaa hintaa korkeampi ja melkein kymmenkertainen verrattuna venäläiseen maakaasuun jota suuret teollisuuslaitokset käyttävät. Kysyimme asiasta Vainikalta ja hän antoikin ystävällisesti linkin Breyer et al. artikkeliin, josta voi oppia lisää. Valitettavasti artikkelissa esitetyt kustannusarviot eivät näytä juurikaan liittyvän Yleisradion jutussa esitettyyn skenaarioon. Ensinnäkin artikkelissa oletetaan hiilidioksidin hinnaksi 10 euroa/tonni, joka ei perustu hiilidioksidin tiivistämiseen ilmakehästä vaan sellutehtaan savupiipusta (jolloin siinä on luultavasti liikaa rikkiä prosessissa käytettäville katalyyteille, kuten Vainikka toteaa Yleisradion jutussa). Toiseksi esimerkkilaitoksen (Case A) käyttöaste on yli 90%. Laitosta ei siis ollut ajatus ajaa tuulivoimalla, jonka kapasiteettikerroin on kenties noin 30% eikä aurinkosähköllä, jonka kapasiteettikerroin olisi Suomessa noin 10%. Laitosta ajettaisiin de-facto aina käynnissä olevalla perusvoimalla. Mikäli käyttöastetta lasketaan sille tasolle mitä vaihtelevat uusiutuvat edellyttävät, lopputuotteen kustannus nousee selvästi. Tämä on asia, joka myös Neo-Carbon Energy -hankkeessa myös ymmärretään (kalvo 29).

Lappeenrannan teknillisen yliopiston professori Breyer (yhdessä Michael Childin kanssa) mallintaa konferenssi-julkaisussaan Suomen energiajärjestelmää täysin uusiutuvaan energiaan perustuen vuonna 2050. Heidän paperissaan Suomessa on yhteensä asennettuna 70 GW aurinko- ja tuulienergiaa vuonna 2050. Tämä määrä vaihtelevaa uusiutuvaa energiaa kattaa 70 % Suomen sähköstä ja 60 % koko energiatarpeesta ja tarvitsee arvion mukaan 170 GWh litium-ioni akkukapasiteettia. Kuinka paljon tämä on? Julkaisussa ei tätä pohdita, joten tarkastellaan tässä asiaankuuluvia mittaluokkia. Alla olevasta kuvasta näemme, että vuonna 2012 käynnistetty JCESR-ohjelma (joka sai Yhdysvaltain energiaministeriöltä 120 miljoonaa dollaria litium-akkujen kehitykseen) tavoittelee energiatiheyttä 400 Wh/kg vuonna 2017. Teslan litium-akkujen energiatiheys on tällä hetkellä hiukan suurempi kuin 100 Wh/kg. Ennustettu maksimi litium-akun energiatiheydelle on 1000 Wh/kg (huomaa, että kuvassa lukee “May prove impossible to achieve”, mutta olkaamme positiivia ja olettakaamme, että tämä virstanpylväs saavutetaan.) Kuinka suuren osan maailman litiumin tuotannosta tällöin vaaditaan Suomen energiajärjestelmän tukemiseksi?

Kuva lähteestä http://www.nature.com/news/the-rechargeable-revolution-a-better-battery-1.14815

170 GWh tarkoittaa optimistisilla oletuksilla 70 000 tonnia litiumia. Vuonna 2014 litiumia tuotettiin 35 000 tonnia. Tämä tarkoittaa, että pelkästään Suomessa vaaditaan Breyerin skenaariossa litiumia vuonna 2050 noin kaksi kertaa koko maailman tuotanto vuodelta 2014. Suomi tuotti koko maailman sähköstä noin 0,3 % vuonna 2014. Jos arvioimme, että maailman sähköntuotanto on vuonna 2050 sama kuin nykyään ja että koko maailma haluaisi samanlaisen uusiutuvaan energiaan ja litium-akkujen varaan perustuvan sähköjärjestelmän, niin tarvittavan litiumin louhimiseen kuluisi vuoden 2014 tuotantomäärällä noin 700 vuotta. Jos haluamme louhia vaadittavan litium määrän vuoteen 2050 mennessä, on (keskimääräisen) vuosituotannon noustava noin 20 kertaa nykyistä korkeammaksi. Vaadittu litiumin määrä on myös korkeampi kuin tämän hetkinen arvio globaalista litiumresurssin suuruudesta. Jos oletamme ihmiskunnan energiankulutuksen nousevan suomalaisten tasolle, resurssirajoitteet ovat entistä hankalampia. (Huomionarvoista on myös se, että autoilun sähköistämisen pahin materiaaleista johtuva pullonkaula ei edes välttämättä ole litiumin riittävyys, vaan esimerkiksi dysprosiumin.)

Keskustelimme tässä kirjoituksessa kahdesta tuoreesta Neo-Carbon Energy -projektin ulostulosta energian varastointiin liittyen. Näissä esimerkeissä kustannuksia tai materiaalirajoituksia ei joko arvioitu lainkaan tai niitä arvioitiin (optimistisin oletuksin) erilaiselle systeemille kuin mistä tässä tapauksessa Yleisradion toimittaja juttunsa kirjoitti. Olemme huolestuneita tavasta, jolla suomalaista energiakeskustelua käydään. Energiajärjestelmän dekarbonisointi on aikaa vievä ja hyvin vaikea prosessi. Näemme riskin, että yltiöoptimistinen energiajärjestelmän realiteetit sivuuttava vaihtoehtojen hehkutus ruokkii lyhyellä tähtäimellä vaarallista itsetyytyväisyyttä ja pidemmällä tähtäimellä epäluottamusta ja pettymystä alan tutkijoita kohtaan.

Kirjoittajat: Jani-Petri Martikainen & Aki Suokko. Tämä kirjoitus on julkaistu molempien kirjoittajien blogeissa.

 

Energiaskenaarioita Lappeenrannasta…miljardeja sinne miljardeja tänne

Kesällä Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun professori Christian Breyer tuli julkisuuteen kalvonipun kanssa, jossa hän sanoi osoittavansa kuinka pelkästään uusiutuviin nojaava energiajärjestelmä on oikein hyvä ajatus. Ymmärtääkseni työtä ei missään vaiheessa ole oikeasti julkaistu ja pidän arvelluttavana tuollaista “science by press release” tyyppistä toimintaa.
Tämä postaus tulee kamalasti myöhässä, mutta en ole aikaisemmin jaksanut/ehtiä kirjoittaa huomioitani ylös. Parempi kuitenkin myöhään kuin ei milloinkaan. (Kalvoista on muuten eri versioita. Tässä yksi ja tässä toinen. Niissä on joitain eroja. Esimerkiksi “low biomass” skenaarion PtG prosessin hyötysuhde on mystisesti muuttunut matkan varrella. Oikeissa julkaisuissa tuollaiset muutokset hoidetaan erratalla.)

Media vastaanottaa Lappeenrannan “tutkimuksen”, joka osoittaa pelkästään uusiutuviin nojaavan energiajärjestelmän loistavaksi ideaksi.

Poimin esityksistä kolme kalvoa, joista voi nähdä joitakin skenaarioiden peruspiirteitä. Ensin kuva asennetuista kapasiteeteista.

Asennetut kapasiteetit eri skenaarioissa. Huomaa massiivinen rooli PtG laitoksille. Niiden kapasiteetti on skenaarioissa suurempi kuin koko maan huippukulutus tällä hetkellä.

Sitten kuva primäärienergian tuotannosta.

Primäärienergia Breyer&Child skenaarioissa

Huomatkaa kuinka kaikki skenaariot nojaavat vahvasti bioenergiaan ilman, että sen ilmastovaikutuksia olisi missään otettu huomioon. Jopa “low biomass” skenaariossa bioenergian käyttö on jotakuinkin sama kuin muissakin skenaarioissa. Teollisuus käyttäisi kaikissa RES-skenaarioissa enemmän biomassaa kuin nyt. Silmämääräisesti kalvoista lukemalla kasvua olisi noin 15 TWh. Liikennepolttoaineista noin 20TWh olisi biomassasta tuotettuja. Tällä suorituksellaan Breyer ja Child ansaitsevat paikkansa innokkaiden puunpolttajien joukossa.

Sitten vielä kuva vuosittaisista investointikustannuksista. Ne kasvaisivat rajusti ja sähköautojen akut muodostuisivat keskeiseksi menoeräksi.

Oletetut investointikustannukset eri skenaarioissa.

Kahlataan nyt hiukan syvemmälle skenaarioiden oletuksiin. Koska tuloksia on markkinoitu osoituksena täysin uusituviin pohjaavan energiajärjestelmän taloudellisuudesta, keskityn oletuksiin hinnoista. Breyer haluaisi, että esimerkiksi Bill Gates perehtyisi genren kirjallisuutteen. Hän antoi vihjeen sivustosta, jossa markkinoitiin mm. Mark Jacobsonin töitä osoituksena vision realistisuudesta. (Jacobsonia markkinoi muuten myös National Geographic yhdessä Shellin kanssa. I kid you not!)  Käytin siis hänen työtään vertailukohtana. Lisäksi kurkistin IPCC:n mallien oletuksiin sekä Tanskan energiaviranomaisten tietoihin,  joita Breyer ja Child käyttivät monin paikoin lähteinään.

Tiedon puutetta voi korjata sivulta, joka nojaa mm. Jacobson et al. tuloksiin. Kiitos vihjeestä! Löysin Excel taulukon Jacobson et al. oletuksista.

Ensimmäiseksi silmille pomppaa Breyerin olettama pääomakustannus aurinkosähkölle. Toisin kun esimerkiksi tuulivoiman kohdalla hän ei halua käyttää lähteenään tanskalaisia tai muutakaan “virallista” tahoa. Hän esittää aurinkosähkön pääomakustannukseksi vuonna 2050 300€/kW mikä on noin viidesosa nykyisestä hinnasta. Lähteenä on hänen oma ymmärtääkseni ei-vertaisarvioitu kirjoitus “Photovoltaic technology platform”:lle.  Kummallista. Miksi hän ei käytä tässä uskottavamman oloista lähdettä? Tarkistin siis muiden oletukset aurinkosähkön pääomakustannuksista. Ensin IPCC:n mallien oletuksia…

Mallien oletuksia aurinkosähkön pääomakustannuksista. Ei ihan 300 €/kW.

Sitten tanskalaisilta…

“Danish energy agency”:n datasivu aurinkosähköstä. Tästä lähteestä Breyer et al. poimivat monet käyttämänsä kustannusoletukset…paitsi aurinkosähkön. Ei vieläkään ihan 300 €/kW!

Hmmm. Nämä eivät ole likimainkaan Breyerin oletuksen suuntaisia. Jacobsonkin olettaa vähintään 1163$/kW vuonna 2050. Olisiko joku, jonka oletukset olisivat luultavasti erityisen ruusuisia? No, ehkä teollisuuden lobbausjärjestö SolarPowerEurope, joka on kirjoittanut Greenpeacen Energy [R]evolution raporttia? Selaan sivulle 68 ja löydän heidän arvauksensa vuodelle 2050…658 €/kW! Ts. Breyer ja Child olettavat aurinkosähkön pääomakustannuksen rajusti alhaisemmaksi kuin kukaan muu ja he tekevät tämän ilman, että edes keskustelisivat tähän oletukseen johtaneista syistä.

Kokoan seuraavaan kuvaan eri tahojen arvaukset pääomakustannuksista.

Vertailu eri lähteiden olettamista aurinkosähkön pääomakustannuksista. Edes teollisuuden lobbausjärjestöt eivät lupaa yhtä alhaista kustannusta kuin Breyer et al.

Jos oikein ymmärsin, Breyer päätyy näihin lukuihin soveltamalla oppimiskäyriä siihen saakka kunnes pääomakustannus on toivottu ilman minkäänlaista harkintaa siitä mihin asti ekstrapolointia on järkevää tehdä. Toisin sanoen jos oletamme, että kapasiteetin tuplaus laskee hintoja noin 20% olisi kapasiteetin kasvettava noin tekijällä 100, jotta pääsisimme Breyerin arvaukseen. Tällöin maailman aurinkosähkökapasiteetti olisi moninkerraisesti keskikulutuksen verran, kun taas Saksassa aurinkosähkön asennukset romahtivat, kun aurinkosähkökapasiteetti oli vain noin puolet Saksan keskimääräisestä kulutuksesta. Miten Breyer perustelee integrointihaasteiden, materiaalirajoitteiden tai esim. tuotantokapasiteetin rajoitteiden sivuuttamisen, jää mysteeriksi. Oppimiskäyrien ekstrapoloiminen loputtomiin on hölmöä. Jossain vaiheessa tekniikka kypsyy ja oppimiskäyrät muuttuvat. Ei ole viisasta kohdella marginaalista teknologiaa samalla tavalla kuin merkittävää. Ensimmäisen kohdalla materiaali yms. rajoitteet eivät ole relevantteja, kun taas jälkimmäisen kohdalla usein ovat. Jos kaipaamme tästä varoittavaa 
esimerkkiä, voimme katsoa vaikkapa tuulivoiman oppimiskäyrää. Kehitys seurasi oppimiskäyrää suunnilleen siihen asti kunnes kapasiteetti oli n. 10 GW. Sen jälkeen oppimista on vaikeaa nähdä. Melkein koko maailman tuulivoimakapasiteetti on asennettu tuossa kuvaajan alueessa missä oppimisefektejä ei näe. Miksi vastaava ei voisi tapahtua myös aurinkosähkön kohdalla?

IRENA:n sivulta poimittu tuulivoiman oppimiskäyrä. Huomaa, että suurin osa kapasiteetista on asennettu ilman mitään havaittavia oppimisefektejä.

Arvauksia on tietenkin koko kalvosetti täynnä. Esimerkiksi ydinvoiman kohdalla Breyer olettaa pääomakustannuksen 6500€/kW. Tämä on “off-scale” alla olevasta kuvasta mihin kokosin IPCC:n käyttämien mallien oletuksia. Breyer et al. päätyvät tuohon lukuun olettamalla Olkiluoto 3:n tyypilliseksi projektiksi ja sitten lisäämällä vielä kustannuksia sen päälle. Tämä on kirsikanpoimintaa. Käyttökustannukseksi he olettavat 3.5% pääomakustannuksista. Lähde on asiallinen eli IEA:n World energy outlook 2014, mutta koska Breyer et al. päättivät poimia raportista vain tuon luvun konteksti taitaapi olla väärä. Minulla ei nyt ole pääsyä tuohon samaan julkaisuun, mutta toisaalla IEA kertoo olettavansa USA:n ja Euroopan hintatason lähestyvän Korean hintatasoa samalla, kun Aasian hintataso pysyy vakiona. Korean hintatasoksi on taas annettu n. 3700 $/kW eli 1.1 $/€ vaihtokurssilla IEA olettaa ydinvoiman pääomakustannukseksi noin puolet Breyerin olettamasta. Breyerin käyttämä käyttökustannus on siis 2-3 kertaa liian suuri. (Tämän voi toki myös todeta lukemalla esimerkiksi Lappeenrannassa kirjoitettuja tutkimusraportteja.)

Otos mallien oletuksista ydinvoiman pääomakustannuksista. Breyer et al. olettavat 6500 €/kW.

Fossiilisten polttoaineiden hinnat Breyer puolestaa oletettaa jatkuvasti nouseviksi ja niin, että muutaman vuoden päästä esimerkiksi öljynhinta on yli kaksinkertainen verrattuna nykyhintaan. Vuonna 2050 hintojen pitäisi olla yli kolminkertaiset nykytasoon verrattuna. Minusta on jännittävää huomata kuinka kaikki oletukset asioista mistä Breyer et al. eivät pidä ovat niille ikäviä, kun taas kaikki oletukset kivoista asioista ovat niille suotuisia. Aivan kuin joku uskoisi, että mailmankaikkeus on heidän puolellaan.

Päätin summailla sähköntuotannon pääomakustannuksia yhteen saadakseni tuntumaa siihen kuinka suuria kustannuksia arvausten virheet voivat aiheuttaa. Laskin siis vain yhteen sähköntuotannon (mukaan lukien PtG laitokset) pääomakustannukset. Oletin ydinvoiman pääomakustannukseksi 4000€/kW. Tämän alle voidaan päästä, kun rakennamme paljon ja annamme oppimiskäyrien vaikuttaa (ks. yllä IEA:n oletus), mutta pidetään nyt kuitenkin jalat maassa.  Seuraava kuva näyttää kahdessa ensimmäisessä palkissa Breyerin arvaukset heidän “basic 100% RE” skenaarion pääomakustannuksista perustuen hintoihin vuonna 2050 ja 2020. Kolmas vihreä palkki perustuu nykyisiin hintoihin. Jos hinnat eivät putoa niin kuin Breyer olettaa, hänen täysin uusiutuviin perustuvien järjestelmien pääomakustannuksissa on helposti yli 100 miljardin ylimääräinen kustannus. Eikö 100 miljardia ole aika paljon? Kuka tuon riskin kantaa? Millä korolla tuo pitäisi diskontata? Millä hinnalla pankit myisivät Suomelle suojan tuota riskiä vastaan? Miksi Breyer ei huomauta sen olemassaolosta?

Kuvassa viimeiset kolme palkkia näyttävät muuten saman “Business As Usual” skenaariolle. Kuten näkyy niissä hintariski on merkittävästi alhaisempi. Breyerin oletukset pääomakustannuksista ovat melko hyvin linjassa sen kanssa mitä ne ovat nykyäänkin.

Hokkus pokkus. 100 miljardia sinne tai tänne.

Päätin vielä tarkistaa hinnat parissa vaihtoehtoisessa skenaariossa. Ensinnäkin skenaario missä korvaan “low bio 100% RE” skenaarion tuuli- ja aurinkovoimalat lähinnä ydinvoimalla. Pidän kuitenkin saman verran vesivoimaa kuin “low bio” skenaariossa oli. Ydinvoima kapasiteetti on sellainen, että sähköntuotanto on sama kuin Breyerin skenaariossa ja ylijäämä tuotanto syötetään power to gas laitoksiin (minimi sähkön kulutukseksi oletin n. 6 GWe). Koska ydinvoimaloiden kapasiteettikerroin on korkeampi, PtG laitosten kapasiteetti voi olla paljon alhaisempi. Arvioin pääomakustannusten olevan n. 90 miljardia alhaisemmat kuin Breyerin skenaariossa. Jos oletamme saman hyötysuhteen PtG prosessille kuin Breyer (ja mysteerilähteen hiilidioksidille), tämä skenaario muuten tuottaisi kaasua suunnilleen sen verran, että energiasisältö on liki sama kuin liikenteessä kuluva energia nykyään. Koska kaasua ei tarvita sähköntuotannon heilahtelun paikkaamiseen, se voisi potentiaalisesti dekarbonisoida myös liikenteen, poistaen tarpeen biopolttoaineille (ja niiden aiheuttamalle ympäristövahingolle) sekä sähköautojen akuille. Ydinvoimalat toki tuottaisivat myös valtavasti lämpöä, jonka turvin myös lämmitystä voisi dekarbonisoida (tai lämpöä voisi käyttää hiilidioksidin hankkimiseen).

Kuvan viimeinen palkki näyttää vastaavan skenaarion, mutta siinä ydinvoimaloiden kapasiteetti valittiin sellaiseksi, että ne riittävät kattamaan maksimikulutuksen. Ylijäämä syötettiin sitten taas PtG laitoksiin. Nyt kaasua tuotetaan noin puolet vähemmän, mutta pääomakustannukset ovat tietenkin alhaisempia. Säästöä Breyerin visioon n. 144 miljardia.

Pääomakustannukset kolmessa eri vaihtoehdossa. Keskimmäinen nojaa ydinvoimaan (+vesivoima) ja tuottaa sillä saman sähkömäärän kuin Breyer et al. low bio 100% RE skenaario. Viimeinen nojaa myös ydinvoimaan, mutta kapasiteetti on “vain” riittävä kattamaan huippukulutus. Molemmissa ylijäämäsähkö syötetään PtG prosessiin samoin kuin Breyer et al. skenaariossa.

Olen aikaisemmin leikkinyt ajatuksella synteettisistä polttoaineista. Viimeisessä kuvassa näytän kapasiteetin käyttöasteen PtG laitoksille eri skenaarioissa. Kuten on ilmeistä ydinvoimapohjaisissa skenaarioissa käyttöaste on paljon korkeampi. Jos käytän Breyerin kustannuslukuja (eletään vaarallisesti) vuodelle 2020, tämä näyttää tarkoittavan, että synteettisen kaasun hinta enemmän ydinvoimaa sisältävässa skenaariossa on yli 40% alhaisempi kuin Breyerillä. Just sayin.

PtG laitosten käyttöasteet kolmessa vaihtoehdossa.

Breyer ja Child toteavat esityksessään:
“Results suggest that a 100% RE scenario is a highly competitive cost solution compared to other test scenarios with increasing shares of nuclear power and a Business As Usual (BAU) scenario”. Perustuen ylläolevaan, minusta he eivät osoittaneet tätä. Teemasta enemmän kiinnostuneiden kannattaa muuten tulla mukaan Suomen ekomodernistien Facebook-ryhmään.

Lisäys: Tämä ei siis ollut missään nimessä perinpohjainen kommentaari kaikesta minkä uskon olevan pielessä Lappeenrannan skenaarioissa. Niissä tuulisena kesäpäivänä tuotanto olisi paljon suurempi kuin mitä nykyinen verkko voi siirtää, mutta keskustelu verkkokustannuksista yms. puuttui täysin. Synteettisen kaasun tuotanto on myös esitetty ympäripyöreästi. Eräässä paperissa Breyer et al. väittävät CO2 tonnin hinnan ilmasta kerättynä olevan alle kymmenesosa siitä mitä asiaa tutkineet tutkijat sanovat. Lähteenä oli jonkun yrityksen verkkosivut ja keskustelut yrityksen edustajien kanssa. Olisi myös kiinnostavaa tarkistaa vaadittava investointitahti vuodessa. Koska minun esittämissäni skenaarioissa infrastruktuuri on pidempi ikäistä, tällä olisi ikävä taipumus suosia niitä.

Storing electricity…few random thoughts

I usually write this blog in finnish, but since these thoughts originated from the comments to a recent post in Carbon Commentary this one will be in english. (See especially the comments by J. M. Korhonen and Dominic Hofstetter.) I want to understand some general issues regarding attractiveness of electricity storage and also how storage schemes are likely to differ between intermittent power sources and baseload power sources.

Since storage would pay for itself from the spread of electricity prices at different times, as a first step, I wanted to know how much do the prices actually vary. I checked this for the Swedish market and show the result in the figure. In Sweden the average range for daily variation in price is about 18 euros/MWh. Data implies that the price varies from about 0.75 times the daily mean price (typically) at night to about 1.25 times the mean price during peak demand.

Swedish spot prices (2012)

So each stored kWh should make a profit from this spread and cannot therefore cost more than this. So it would seem that for large scale electricity storage to be interesting, the cost should certainly be less than about 10 euros/MWh. Unfortunately storing electricity is costly.
Over the lifetime the prices per kilowatt hour can vary from hundreds of dollars to thousands. If we optimistically assume a cost of 100 euros/kWh, to get the cost for a single cycle to the 10 euros/MWh range implies around 10000 cycles. If there is one cycle per day, this implies a lifetime of around 30 years. For battery systems both the cost assumption as well as the lifetime assumption are quite unrealistic. Pumped hydro is somewhat more realistic (although it has its share of problems…see here), but it is geologically limited resource and implies flooding large areas of land.

What kind of efficiency should we expect from our storage system? Let us say we have an efficiency E so that to get 1 kWh of stored electricity for sale, we need to spend 1/E kilowatt hours during storage and lose “minimum price/E” worth of sales. Selling the stored electricity will gain us (at best) “maximum price” and in order for the process to make sense efficiency must be much better than about “minimum price/maximum price”. With Swedish figures anything that has a roundtrip efficiency less than around 60% makes no sense. Naturally, less efficient the system is less it should cost so that it can still make a profit within that 18 euros/MWh range.

Increasing amount of wind power in the grid will increase price volatility. Why this would be desirable is unclear. Typically increased uncertainty is a thing to avoid since it increases the likelihood of proverbial shit reaching all the way up to the proverbial fan. Here it would seem that we first pay someone subsidies for extra volatility and then someone else to get rid of it. Maybe there is beauty in here, but it does seem well hidden. In any case increased volatility can make some storage schemes more viable, but who would build such storage? Currently wind power producers are guaranteed a market AND the price so they do not have an incentive to move their production to some other time periods using storage. For storage the system should be changed so that wind power producers do not get guaranteed prices and have to find actual customers for their product. However, even then the volatility increases to make (theoretical) large scale storage viable would have to be very dramatic and storage schemes would still have to compete with generators burning stored energy contained in fossil fuels.

How would a storage scheme coupled to say wind power compare with a scheme coupled to a baseload power plant? Even if the size of the storage would be the same, storage for wind power would have to live with much larger swings in power levels. A 1 GWe baseload power plant could store night time production at a rate from zero 0 to 1 GWe. If same amount of electricity is produced with wind power storage would be fed with anything between zero and 3 GWe. This would add to the costs. Similar conclusions apply to the rate at which the storage is discharged. If it has to cope with baseload plant dropping off grid, output of 1 GWe is enough. If it has to compensate for swings in wind power production, much more might be required. (Also, it might not be a good idea to put large mass of water moving upwards and then suddenly stop. Reliable pump power seems more fit for this purpose, but someone with required engineering skills can correct me if I am wrong.)

Since the output of a baseload power plant is also predictable, it seems clear that anyone who has storage to spare will find it easier to make a profit by coupling this storage to a baseload power plant. Finally, it should be noted that with wind power storage for about 12 hours is not enough to create a wholly renewable system. Not even close. With such a short time storage we would still need reliable (fossil fuel based most likely) power plants with capacity that is enough to cover all electricity consumption. On the other hand, 12 hours of storage coupled to a baseload power plants would go some way towards removing the need for peaking power plants.

All of the above is of course purely theoretical. I do not see any reason to believe that the cost for electricity storage would become so low as to make it economically viable in anything but fringe applications. Perhaps more viable route is to use night time production to produce heat and fuels that would reduce emissions outside the electricity sector?

Updated on 19.3.2013:  Anders Örbom raised an issue in Twitter as to how representative Sweden is due to price levelling effects of their hydro power. I hand’t thought of that and I used swedish data mainly since that I had readily available. From the link in the text one can also get the spot price in Germany. It turns out that in Germany the daily variation is stronger and amounts to about 39 euros/MWh on average. So there the storage can cost more than in Sweden and still be interesting. Nevertherless, to get the price low enough is still a huge challenge even in Germany.

Ovatko ennusteet hyödyttömiä ja mitä ne voivat rivien välistä kertoa?

“An economist is an expert who will know tomorrow why the things he predicted yesterday didn’t happen today.”—Laurence J. Peter

Tuon tuosta meitä pommitetaan milloin milläkin ennusteella tulevaisuuden yhteiskunnasta, mutta harvemmin ennusteiden tekijät vaivautuvat antamaan ennusteilleen virherajoja tai kertomaan kuinka tarkkoja heidän tähänastiset ennusteensa ovat olleet. IEA:n raportteja käytetään laajalti energiakeskustelun pohjana, mutta aika pihalla sielläkin ollaan. Katsaus nykytilanteeseen ja historiaan voi olla kohdallaan, mutta tulevaisuutta ennustetaan vähän niin ja näin. IEA:n vuoden 2000 “World energy oulook” ennusti esimerkiksi globaalit CO₂ päästöt noin 10% pienemmiksi kuin mitä ne kymmenen vuoden päästä oikeasti olivat. Tuo on suunnilleen yhden EU:n verran virhettä kymmenessä vuodessa. Öljyn kysyntä arvioitiin noin 10% liian korkeaksi. Öljyn hinnaksi lotottiin noin 30$/tynnyri ja todellisuudessa se oli noin 80$. IEA on systemaattisesti aliarvioinut kehittyvien maiden kasvupotentiaalia ja CO₂ päästöjä. Kun projektioiden virheet jopa asiantuntijoilta ovat näin suuria, ei niihin voi juurikaan luottaa edes kymmenen vuoden päähän.

Jos näet skenaarioita, jotka ulottuvat 50-vuoden päähän, niin pystyt luultavasti piirtämään yhtä luotettavan ennusteen käsivaralta. 10% virhe kymmenessä vuodessa antaa ymmärtää, että noin 30% virheraja on hyvä lisätä 50 vuoden ennusteisiin MIKÄLI oletamme optimistisesti, ettei virhe ole systemaattisesti aina samaan suuntaan. Kaikenlaiset kustannusarviot 50 vuoden päähän ovat tämän ja teknologian kehityksen vuoksi liki hyödyttömiä. Voimme tehdä jonkinlaisia arvioita siitä mikä tilanne on nyt ja ehkä 10 vuoden päästä, mutta sitten olemme samojen ongelmien edessä kuin ennustaessamme säätä vaikka 10 päivän päähän. Paras mitä voimme ehkä tehdä on olettaa, että tulevaisuus on suunnilleen samanlainen kuin nykytilanne. Mitä vähemmän teemme ylimääräisiä oletuksia sitä parempi. IEA:n vahvuus on toisaalta se, että he ovat ennusteita tehdessään konservatiivisia. He katsovat nykytilannetta (kustannukset, poliittinen ympäristö jne. ) ja projisioivat sen pohjalta tulevaisuuteen. Vallankumouksellisille tämä ei ole vaihtoehto vaan he luonnollisesti ennustavat tulevaisuuteen vallankumouksia. Tässä ennustevirheet eivät ainoastaan ole massiivisia vaan myös trendi on suurella todennäköisyydellä pielessä.

IEA:n varaama rooli maailman köyhimmille ihmisille ei muuten ole kovin mieltäylentävä. He olettavat nimittäin vuoteen 2030 asti Afrikaan niin alhaisen talouskasvun, että suhteessa eurooppalaisiin afrikkalaiset ovat 20 vuoden päästä yhtä köyhiä kuin nyt. Parinkymmenen vuoden päästä IEA:n lukujen mukaan Afrikassa on enemmän ihmisiä vailla sähköä kuin nyt (…suurin osa siis.). Jotenkin toivoisin, että raporttien tekijät vaivautuisivat edes kommentoimaan kuinka hanurista nämä visiot ovat ja kuinka muutoksiin on syytä, jotta pystyisimme parempaan. IEA:n kirjaamat trendit on kopioitu mm. myös Greenpeacen ja EREC:n Energy [R]evolution  skenaarioiden pohjaksi paitsi, että he postuloivat Afrikkaan tämän masentavan alhaisen talouskasvun aina vuoteen 2050 asti. Koska E[R]:n peruslähtökohta on ottaa IEA:n luvut ja sitten leikata sieltä energiankulutusta ja lisätä uusiutuvia, implikaatiot afrikkalaisten taloudelliselle kehitykselle ovat vain vielä masentavampia. (Otan esimerkiksi E[R]:n, koska sen olen lukenut ja se on ollut näkyvästi esillä. Samaa sisältöä tulee monesta muustakin tuutista.)

Et kai oikeasti luullut, että sinun lapsillesi on luvassa jotain parempaa? Itse asiassa…eikö olisi meille kaikille parasta, että unohdat ne perhehaaveet kokonaan?

Esimerkiksi näissä skenaarioissa afrikkalainen käyttää vuonna 2050 primäärienergiaa noin 30% vähemmän kuin nyt. Energiainvestoinnit ovat myös E[R]-skenaariossa paljon suurempia kuin IEA:n olettamat vaikka käyttäisimme GP:n omia hyvin optimistisia oletuksia uusiutuvien kustannuksista. IEA sanoo, että Afrikassa energiainfrastruktuuriin pitää investoida 3.3% BKT:sta (0.8% OECD maissa) ja koska talouskasvu on oletettu samaksi, täytyy E[R]:n olettamat lisämenot kattaa muun kehityksen kustannuksella. Jäynän hauskuutta osaa arvostaa eri tavalla, kun huomaa, että vuonna 2050 nämä maailman köyhimmät ihmiset maksavat sähköstään enemmän kuin eurooppalaiset! Ei kannata uskoa minun sanomisia vaan lukea itse raportista (sivu 20 esim.). E[R]-skenaariossa Afrikan sähköntuotanto on vahvasti aurinkoenergian varassa (CSP:n osuus 41%) ja CSP:n pääomakustannukset ovat raportin mukaan merkittävästi korkeampia kuin esim. tuulivoiman tai aurinkopaneelien. Siitä vain laskemaan mitä tyypillinen kWh maksaa Euroopassa ja Afrikassa. (E[R] kertoo muuten aurinkoenergialle pääomakustannuksen 7250 $/kW vuonna 2007. Andasol käynnistyi 2009 , maksoi noin 7800 $/kW ja toimii noin 40% kapasiteettikertoimella. Andasolin laitoksessa on 7.5 tunnin energianvarastointi. Viime vuonna käynnistyi Gemasolar, jossa varasto riittää 15 tunniksi ja kapasiteettikerroin on noin 63%. Kustannus oli nähtävästi n. 21000 $/kW. E[R]-skenaarion mukaan afrikkalaisen aurinkoenergian kapasiteettikertoimen pitäisi olla hulppeat 86%. Haluaisin oikeasti nähdä kuinka tuo tehdään, kun ottaa huomioon insolaation vuodenaikavaihtelun. Se nimittäin näyttää rajoittavan kapasiteettikertoimen 75% alle. Ainut tapa kiertää tuo on varastoida energiaa vuodenajasta toiseen. Mitenköhän se on ajateltu tehdä? Vaikka käytettyä tekniikkaa ei kerrota, vuonna 2050 tämä laitos maksaa kuulemma 4160 $/kW. Luku on huvittava ja ei pelkästään sen merkitsevien numeroiden määrän vuoksi.)

Mikään maa ei ole vaurastunut omavaraismaataloudella ja sen jatkaminen on resepti jatkuvaan kurjuuteen. Jos afrikkalaiset siirtyvät (toivottavasti ja luultavasti) omavaraismaataloudesta kaupunkeihin, on maaseudulle jäävien työntuottavuuden noustava rajusti, koska ruokaa ei ainoastaan tarvita enemmän vaan kunkin maanviljelijän on tuotettava riittävästi ruokaa myös niille, jotka saavat elantonsa muusta kuin maanviljelystä. Tämä tarkoittaa lannotteita, traktoreita, kuljetuskapasiteettia, pakastimia, vesipumppuja jne. ja tämä kaikki syö energiaa. Kaupunkiin muuttavat tarvitsevat palvelunsa ja siihen menee lisää energiaa. He tarvitsevat jotain järkevää tekemistä ja se syö vielä lisää energiaa. Tarve veden desalinaatiolle luultavasti kasvaa rajusti (IEA mainitsee saman asian) ja se vaatii paljon energiaa. Puhtaan veden hankkiminen ylipäätään vaatii energiaa kuten myös jätevesien puhdistaminen. Terveydenhuolto tai pelkän infrastruktuurin rakentaminen vaatii energiaa. Listaa voi jatkaa paljon pidemmäksi. Raju energiankulutuksen kasvu köyhissä maissa on minusta inhimillisen perustein toivottavaa, koska se on ennakkoedellytys monien perustarpeiden täyttämiselle. Sille pitäisi jättää visioissa riittävästi tilaa. Ei niin, että köyhien pitäisi sinänsä piittata eliitin visioista. Heidän energiankulutuksensa varmasti kasvaa heti, kun heillä on siihen mahdollisuus. Eliitti voi tämän estää vain mahdollisuuksia tukahduttamalla, esimerkiksi pitämällä energianhinnan korkeammalla kuin mihin köyhillä on varaa tai estämällä infrastruktuurihankkeet, jotka voisivat luoda mahdollisuuksia köyhien kulutuksen kasvuun.

Aiheeseen liittyen:

• Hans Rosling’s new insights on poverty (www.ted.com)
• Stewart Brand proclaims 4 environmental ‘heresies’ (www.ted.com)
• Population growth explained with IKEA boxes: Hans Rosling (gapminder.org)
• Liberalism’s modest proposals: Dan Sarewitz (breakthroughjournal.org)