Viktoriaanista lämmitystä kivihiilellä avotakassa

hehkuva kivihiili
Insinöörin pikimustaa sydäntä lämmittää mukavasti, kun avotakassa palaa kivihiili. Yleissivistyksen vuoksi suosittelen, että jokainen kokeilee edes kerran. Voi tuntea ja suorastaan haistaa viktoriaanisen Englannin tunnelman.

Suomessa on aina taivasteltu englantilaisten viehtymystä avotakkoihin. Tämän ymmärtää paljon paremmin, kun kokeilee kivihiilen polttoa. Kivihiilestä ei tule liekkejä, joten sen tuottama lämpö säteilee suoraan kivihiilestä huoneeseen. Savussa olevan energian talteenotto ei ole ollenkaan niin tärkeää kuin puunpoltossa.

Toisaalta kivihiilen palokaasut haisevat niin pahalta, ettei niiden ulospääsemisen tielle halua asettaa mitään esteitä. Mikäli haju leviää huoneeseen, se muistuttaa suolistokaasujen hajua lisättynä kitkerän pistävällä lisämausteella. Haju häviää, kun hiilen palamisen saa tarpeeksi kuumaksi.

Kivihiili vaatii hyvän ilmavirtauksen palaakseen. Tavanomaisen avotakan arinan päälle kannattaa laittaa erillinen hiilikori, jotta hiilet pysyvät kasassa ja saavat ilmaa alleen myös huoneesta. Puiden ja kivihiilen yhdistäminen edes sytyttämisvaiheessa ei toimi kovin hyvin. Puiden liekit irrottavat kivihiilestä kaasuja, jotka pikemimnkin sammuttavat puut kuin palaisivat.

Jos kivihiili uhkaa sammua, siihen on puhallettava. Tämän jälkeen koko huone on täynnä hiilen pinnalta lähtenyttä pientä nokihahtuvaa. Viktoriaaniset palkeet ovat hyvä lisä kivihiililämmittäjälle.

Minulla on mökillä muutama säkki kivihiiltä varmuuden vuoksi. Lapissa sähkölämmitys voi aina katketa ja silloin on löydyttävä muita vaihtoehtoja nopeasti. Avotakka polttaisi valtavan määrän puuta, jos sillä täytyisi tosissaan joskus lämmittää. Eikä avotakalla saisi taloa puilla lämmitettyä, vaan se on mahdollista vain kivihiilellä, joka säteilee lämmön koko huoneeseen. (Minä en suunnitellut Lappiin taloa, jossa on vain avotakka ja sähkölämmitys.) Takassa palava antrasiitti teoriassa riittää lämmittämään koko yön niin, ettei sitä tarvitsee lisätä yön aikana. En ole tosin tuossa onnistunut.

Miksi kivihiiltä?

Kivihiilen ehdoton etu on energiasisältö pienessä tilavuudessa. Neljänkinkymmenen kilon antrasiittisäkki on melko pieni, noin 40 litraa, mutta energiaa siinä on pitkäksi aikaa, 324 kWh. Kolme säkkiä vastaa lämmityksessä irtokuutiometriä koivua. Ero säilytystilassa on siis lähes kymmenkertainen. Yksi säkki riittää isommallekin mökille ainakin viikoksi. Auton takakontin pohjalla kulkee mukavasti muutama säkki muiden tavaroiden alla.

Antrasiitti on monessa suhteessa tavallista kivihiiltä parempaa, sillä se on ulkoselta ominaisuuksiltaan käytännössä kiveä. Tavallinen kivihiili voi imeä varastoinnissa vettä, mutta antrasiitti ei. Kivihiili sotkee, mutta antrasiitti ei. Antrasiitissa on enemmän energiaa ja vähemmän epäpuhtauksia. Antrasiitin ongelma on kuitenkin se, että sitä on hyvin vaikea saada takassa palamaan.

Kivihiili Suomessa

Suomesta kivihiiltä taitaa saada takkakäyttöön sopivissa yksiköissä vain yhdestä paikasta ja sen jälleenmyyjiltä: Vantaan Hakkilassa (Ikean lähellä) sijaitsevasta Kotterian varastosta.(*)

Sitten ensimmäisen vertailun (2011) hinnat ovat nousseet ja muiden energiavaihtoehtojen hinnat ovat laskeneet siten, että kivihiili ei ole enää muita edullisempi lämmitysvaihtoehto.

Hinnat pikkusäkeittäin arvonlisäveroineen ovat tällä hetkellä (2/2016):

  • Kivihiili 83 c/kg
  • Antrasiitti, iso, 100 c/kg
  • Antrasiitti, pieni, 69 c/kg

Ilman häviöiden ottamista huomioon, kivihiilellä tuotetun lämmityksen hinnaksi tulee (vrt. sähkö ja öljy noin 10 c/kWh):

  • Kivihiili 83 c/kg / 7,8 kWh/kg = 10,6 c/kWh
  • Antrasiitti, iso, 100 c/kg / 8,1 kWh/kg = 12,3 c/kWh
  • Antrasiitti, pieni, 69 c/kg / 8,1 kWh/kg = 8,5 c/kWh

Halvin vaihtoehto on pieni antrasiitti jättisäkeissä, joissa hinnaksi tulee 7,7 c/kWh.

2011 hinnat olivat noin kolmanneksen alemmat, jolloin kivihiili oli edullisempaa kuin öljy tai sähkö. 2016 kivihiili tulee selvästi kalliimmaksi kuin muut vaihtoehdot, öljy ja puu. Sähkökin on ollut viime aikoina edullisempaa kuin useimmat vaihtoehdot (helmikuussa 2016 9,2 c/kWh).

Kivihiili on kuitenkin kaikista vaihtoehdoista helpoiten säilytettävä.

Lisätietoja:

http://www.kotteria.com/hiilenhinnat.html

(*) Huomaa, että Kotterian sijainnissa Googlen kartan tiet ovat aivan väärin. Openstreetmap on ilmeisesti paljon paremmin ajan tasalla. Googlen satelliittikartta: Kotteria, Hakkila. Openstreetmap: Kotteria, Hakkila. Sijainti on Googlen satelliittikartassa näkyvä hiilenmusta alue Hakintien vasemman haaran päässä.

Artikkeli julkaistu ensimmäisen kerran 11/2011, tiedot tarkistettu ja päivitetty 29.2.2016.

Kuva: Flickr xlibber CC BY

Mitä olet ikinä halunnut sähkölampun osaavan?

Ettei sivuston nimikkoaihe aivan unohtuisi, kerrotaan välillä sähkölampusta.

Miltä tuntuisi sähkölamppu, jonka väriä voi säätää älypuhelimella (Bluetooth)? Voi myös valita lämpimän valkoisen ja kylmän valkoisen välillä mielialan mukaan (2000-8000K). Vanhanaikaista?

Jos väri tuntuu leikkikalulta, entäpä jos lamppu aamulla kytkee itse itsensä päälle herätysaikaan simuloiden auringonnousua.

Tai jospa se vielä kuuntelisi musiikkia ja järjestää diskovalaistuksen musiikin tahtiin.

Tai lamppu voisi mennä satunnaisesti päälle ja pois lomasi aikana niin, että näyttää, että joku on kotona.

Niin, ja tietysti tämä on ledilamppu, joka kuluttaa korkeintaan kymmenen wattia (isompi malli viisitoista).

Lamppu on amerikkalainen, joten se ei käy suomalaiselle 230V jännitteelle? Käy se, se toimii sekä suomalaisella että amerikkalaisella jännitteellä. Kantakin on sellainen, että lampun voi samalla tavalla kiertää eurooppalaiseen E27-kantaan ja milliä pienempään amerikkalaiseen E26-kantaan.

Lamppuja saa valoteholtaan ja kooltaan 60 W hehkulamppua vastaavana ja isokokoisena noin 85W hehkulamppua vastaavana. Lisäksi lampusta on ulkokäyttöön soveltuva versio.

Lamppua löytyy Slashdot-sivuston tarjouksena neljälläkymmenellä viidellä taalalla täältä, mutta he eivät lupaa toimittaa USA:n ulkopuolelle.

Firman oma kauppapaikka lupaa toimittaa USA:n ulkopuolle, mutta hinta on viisitoista taalaa kovempi.

Tesla Powerwall: Ostaisitko yöksi omaa aurinkoenergiaasi 59 c/kWh vai ostaisitko sittenkin sähkösi ennemmin verkosta 10 c/kWh?

Tesla julkaisi suurella hypellä kotien sähkövaraston, Tesla Powerwall -laitteen. Tämä on oikein söpö, satakiloinen seinälle ripustettava jytkäle. Tämän luvataan varastoivan 7 kWh myöhemmin käytettäväksi. 7 kWh mallin luvataan kestävän kymmenen vuoden ajan vuorokausittainen täyttö ja tyhjentäminen.

Tarkoitus on varastoida päivällä syntynyttä aurinkoenergiaa yöksi tai varastoida halpaa sähköverkosta otettua sähköä, ja käyttää sitä, kun sähkö on verkossa kallista.

On olemassa myös 10 kWh malli, joka on tarkoitus ladata ja tyhjentää vain kerran viikossa. Se ei ole kovin kiinnostava sähkön hinnan tasaajana vaan pikemminkin varavoimana sähkökatkosten varalta.

Ilmaisenkaan sähkön varastointi ei ole yhtä halpaa kuin saman määrän sähköä ostaminen verkosta.

Ihan yksinkertainen peruslaskelma: laitten hinta on 3000 dollaria (~ euroa, käytän myöhemmin 1:1), kymmenen vuoden takuu, yksi sykli per vuorokausi, 7 kWh. Laitteesta siis saa irti 25550 kWh luvattuna elinaikana. Yhden kilowattitunnin hinnaksi tulee 11,7 c/kWh.

Sitten, kun luetaan pienellä painettu teksti, huomataan, että kerrottu hinta on hinta jälleenmyyjille, ja tarvitaan vielä 2000 euron invertteri ja 1000 euron asennus. Tämän vuoden alussa kuluttajat pakotettiin hiljaisesti hyväksymään sähköntoimitusehtojen muutos, jossa invertterin asennus vaatii aina myös paikallisen sähköyhtiön luvan. Sähkön hinta nousee tasolle 23 c/kWh.

Sitten, kun etsitään vielä pienemmällä painettu teksti, että akun lataaminen ja purkautuminen kestää aina vähintään 3,5 tuntia, tajutaan, että kaikkina päivinä koko sykliä ei ehditä tehdä. Aurinko ei paista talvella tarpeeksi pitkään tms. Realistisempi käyttöastetavoite voisi olla vaikka 50%. Ja laite hukkaa sähköstä luokkaa 80% (esite kertoo akun tehokkuuden olevan 92%, mutta myös invertterin yms. häviöt pitää ottaa huomioon). Nuo alempi käyttöaste ja häviöt lisää hintaan, kilowattitunnin hinnaksi tuleekin jo 59 senttiä.

Ja tämä siis oletti sähkön olevan ilmaista. Aurinkoenergiaa, joka menisi muuten hukkaan.

Vielä pahemmiksi luvut menevät, jos haaveillaan halpaan aikaan gridistä ostetun sähkön varastoimista käytettäväksi kalliiseen aikaan. Halvimman ja kalleimman tunnin hintaero Suomessa on 2-3 c/kWh(*). Kuluttajahinnassa ero on arvonlisäveron verran korkeampi kuin tukkuhinnassa.

3,5 tunnin lataus- ja purkuaika tarkoittaa sitä, että halvinta ja kalleinta tuntia ei saada hyödynnettyä kuin osittain.

Jos kuinkin löytäisimme vuorokaudesta 2 c/kWh hintaeron, tienaamme vuorokaudessa 7 kWh * 2 c/kWh = 14 c. Kymmenessä vuodessa tämä tekee 511 euroa. Aika huono takaisinmaksu investoinnista, joka maksaa jopa 6000 euroa. Ja tuossakin pitäisi vielä ottaa huomioon alempi käyttöaste ja häviöt. Jätän tämän lukijoille kotitehtäväksi.

(*) Tätä on aina välillä tällä sivustolla laskeskeltu. Esim. Jättimäiset energiavarastot. Ei ole syytä olettaa, että luvut olisivat olennaisesti erilaiset nyt kuin vuonna 2012.

Kasvit voisivat yhteyttää paremmin, jos auringon valo muunnetaan ensin sähköksi

Muutama päivä sitten laskin, että ihmisravinnon tuotanto keinovalolla on melko mahdotonta, jos keinovalosta vain prosentti siirtyy kasviin.

Tämä pitää yhä paikkansa, mutta selvitin asiaa sen verran enemmän, että monissa paikoissa esiintyvä yhteyttämisen maksimihyötysuhde 11% ei ole keinovalolle kattona.

11% hyötysuhde on raja sille, kuinka suuri osa auringonvalosta voidaan saada talteen. Se ei ole raja keinovalolle.

Yhteyttäminen vaatii yhtä molekyyliä kohden kahdeksan kvanttia valoa, joista neljä on yhdellä energiatasolla ja neljä toisella. Kaikki auringon säteily, jonka kvanteissa on liian vähän energiaa menevät hukkaan. Tarvittua energiaa suurempien kvanttien ylimääräinen energia menee hukkaan.

Auringon valosta vain 43% on sellaisella aallonpituudella, että sitä voi käyttää edes periaatteessa yhteyttämiseen (ns. PAR-säteily, photosynthetically active region, 400-700 nm). Lopustakin säteilystä menee hukkaan suurin osa kvanttien ylimääräisen energian takia, joten teoreettinen maksimi auringonvalon säteilyjakaumalle on 8-13%, mistä tulee usein käytetty keskiarvo 11%. [1]

Yleensä lähteissä unohdetaan mainita, että 11% hyötysuhde on auringonvalolle. Jos käytettävissä olisi keinovalo, jossa on pelkästää kaivattuja valokvantteja, ei ole mitään teoreettista estettä sille, että hyötysuhde olisi vaikka satakin prosenttia.

Yleensä kasvilampuissa on violetti valo, mutta kaivatut valokvantit ovat itse asiassa punaisen valon aallonpituudella (680 nm ja 700 nm).(*) Ehkä kasvit kasvavat violetissa hyvin, mutta violetti on myös väri, josta menee mahdollisimman paljon energiaa hukkaan. Punaisen valon pitää olla täsmälleen tietty, sillä osa punaisista väreistä on PAR-alueen ulkopuolella eikä niistä ole mitään apua yhteyttämisessä. Värien aallonpituudet löytyvät Wikipediasta [2].

Koska aurinkopaneelien hyötysuhde on laboratorio-olosuhteissa lähes 50%, tämä voi aukaista mahdollisuuksia nopeuttaa kasvien kasvua sellaisella keinovalolla, jossa on vain täsmälleen oikeita valokvantteja. Jos kasvit saadaan tällä tavalla keräämään keinovalosta energiaa lähes 100% hyötysuhteella, auringon valon talteenotto aurinkopaneeli-ledilamppu-yhdistelmällä olisi moninkertaisesti tehokkaampaa kuin se 11%, jonka kasvi voi teoriassakaan saada talteen suorasta auringon valosta.

Tästä voisi saada aikaa myös erittäin tehokkaan hiilidioksidin talteenottolaitteen.

(*) Kumpikin näistä aallonpituuksista on ihmisen mielestä sama väri, ja esimerkiksi ne kumpikin ovat RGB-väreinä sama täysi punainen (255,0,0).[3] RGB-väreinä sellainen valo, joka ei kelpaa yhteyttämiseen on (x,0,0), missä x < 255. Summittaisen käsityksen värien aallonpituuksista saa helpoiten Wikipediasta [2].

[1] Bolton, Hall, The Maximum Efficiency of Photosyntesis, 2008
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Spectral_color
[3] http://academo.org/demos/wavelength-to-colour-relationship/

Kannattaako ruokaa tuottaa keinovalolla?

Yksi vihreistä ajatuksista, jonka kaikki tuntuvat keksineen yhtä aikaa, on tuottaa ihmisten tarvitsema ruoka tiiviisti pakatussa, esimerkiksi pystyyn rakennetussa kasvihuoneessa (vertical farm, [3]).

Lähinnä näin tuotetaan salaattia.

Kuulostaa hullulta tuottaa salaattia, jos tarkoitus on ruokkia kaupungillinen ihmisiä. Vitamiinipillereitä ja salaatteja on helppo tuoda keveinä kaupunkeihin ulkopuoleltakin. Energiaa sisältävä eli painava ruoka-aines kannattaisi tuottaa kaupungeissa lähellä ihmisiä, pienessä tilassa tai maan alla.

Vaikka viljelmän saisi pieneen tilaan, valon määrä auringosta ei siitä lisäänny. Valoa joudutaan lisäämään keinovalon avulla. Mitä sitten oikeasti tarkoittaisi se, että kaupunkilaisten tarvitsema ruoka viljeltäisiin keinovalolla?

Keinovaloviljelyn ergiatalouslaskelma antaa yllättäviä tuloksia. Tämäkään ajatus ei ole aivan niin kestävä kuin annetaan ymmärtää.

Paljonko energiaa ihminen tarvitsee ravinnosta?

Satakiloinen raskasta työtä tekevä mies tarvitsee vuorokaudessa noin 3000
kilokaloria, mikä on esimerkiksi sähköenergiaksi muutettuna 3,5 kWh,
35 sentillä sähköä.

Jotta tämä energia saadaan perunasta, tarvitaan kolme ja puoli kiloa perunaa päivässä.

Olisi tietysti terveellistä syödä päivän kalorit pelkästä salaatista, mutta salaattia pitäisi syödä 22 kiloa vuorokaudessa (salaatissa on 130 – 140 kcal/kg), mikä ei valitettavasti ole mahalaukkumme pienuuden vuoksi mahdollista.

Paljonko valon energiasta siirtyy kasviin?

Siitä, kuinka suuren osan valon energiasta kasvit saavat säästöön tuntuu olevan enemmän mielipiteitä kuin tutkimuksia. Lähteessä [1] viitataan hyötysuhteeseen 0,1 – 2%. Optimistit uskovat kymmeneen prosenttiin esimerkiksi geenimuunnellulla levällä ja täsmälleen oikeilla valon aallonpituuksilla.

Otetaan tässä tarkastelussa normaalitilanteeksi yksi prosentti ja optimistiseksi arvoksi 10 prosenttia.

Jos siis keinovalaistukseen käytetään esimerkiksi 100 kilowattituntia sähköä, siitä siirtyy ruokaan yhtä kilowattituntia vastaava määrä energiaa eli 860 kilokaloria. Ja optimistisesti kymmenen kertaa enemmän.

Paljonko päivän ruoan tuottaminen vaatii energiaa keinovalossa?

Jos kolme ja puoli kiloa perunaa tuotetaan keinovalolla yhden prosentin hyötysuhteella, yhden ihmisen päiväannos maksaa 35 euroa (35 senttiä * 100). Tämä päiväannoksen hinta pätee mihin tahansa keinovalolla tuotettuun kasvisruokaan, jonka hyötysuhde on 1%. Tässä ei ole muita kuluja kuin käytetty energia.

Jos hyötysuhde kasvaa kymmeneen prosenttiin, energiaa kuluu 3,5 eurolla
päivässä. Tämä on tällä hetkellä vielä kaukana tulevaisuudessa.

Mielenkiintoisia laskelmia on NASA:n dokumentissa [2], jossa suunnitellaan jatkuvaa ruoantuotantoa kuuasemalle.

Energia ei katoa, se muuttuu lämmöksi

Tärkeää on ymmärtää, ettei tässäkään prosessissa katoa energiaa. Kaikki se valoenergia, joka ei mene perunaan, menee lämmitykseen. Hukkaenergiaa voidaan Suomen 9,5 kuukauden lämmityskaudella käyttää talojen lämmitykseen.

Toisaalta ei se energia perunastakaan katoa. Lähes kaikki ihmisen syömä energia muuttuu lämmöksi. Sisätiloissa pysyttelevä ihminen on lämmitin, joka polttaa ravintoa. Asuntojen lämmitystä voidaan pienentää täsmälleen ravinnon energiamäärän verran.

Yhden ihmisen ruoantuotanto kuin kaksi sähkökiuasta

Yhden ihmisen päivittäisen kasvisruoan tuottaminen keinovalolla 1% hyötysuhteella tuottaa lämmitykseen 350 kWh ”ohimennyttä valoa” päivässä (100*3000 kcal).

Tämä vastaa jatkuvaa lämmitystehoa 14,6 kW eli kahta saunan kiuasta täysillä.

Kymmenenkin prosentin hyötysuhteella tätä hukkatehoa tulee 1,5 kW, millä lämmittää yhden ihmisen asumuksen pahimpia pakkasia lukuunottamatta.

[1] http://www.quora.com/How-much-energy-does-it-take-to-grow-a-kilogram-of-potatoes-indoors
[2] http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19880002888.pdf
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_farming