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

Earth hour -spesiaali 2015

On aina ikävää olla ilonpilaaja.

Mutta sähkölamppujen sammutuksessa lauantai-iltana ei ole mitään järkeä.

Olen jo edellisinä vuosina osoittanut, ettei Suomen sähkön kulutus ole Earth hour -tuntina ollut yhtään tavallista matalampi. Pikemminkin päinvastoin.[4] Ja Suomeen ei ole laitettu katuvaloja, ellei niistä ole tehty liiketaloudellisia (tai pikemminkin kansantaloudellisia) laskelmia, että ne vähentävät onnettomuuksia ja rikoksia niin paljon, että ne kannattavat. Ja koska tuo laskelma kattaa myös valojen pystytyksen ja ylläpidon, mihin verrattuna niiden kuluttama sähkö on pikkusumma.[2]

Koko ajatus valojen sammuttamisen enegiansäästöstä on hölmöläisen peitonjatketta.

Suomessa on lauantaina ulkona muutama plusaste. Lämmitystarve on luokkaa 15 astepäivää. Sellaista nollaenergiataloa ei olekaan, jota ei tarvitsisi lämmittää. Jos talossa ei käytetä valoja tuomassa lämpöenergiaa, se on korvattava muilla lämmitystavoilla. Parhaimmillaankin hiilellä tuotetulla kaukolämmöllä.

Suomessa on ollut jo pari vuotta sellainen tilanne, että suora sähkölämmitys on yksi halvimmista lämmitysmuodoista. Kotitalouksien valaistus on suoraa sähkölämmitystä.

Lauantaina hintatietoinen kuluttaja maksaa sähköstään kello 21 – 22 9,2 c/kWh.(*) Käytetty sähkö menee sataprosenttisesti talon lämmitykseen kului se sitten nimellisesti valaistukseen tai vaikka pakastimeen. Talosta ulos loistava valo on merkityksetön energakulu ellei itse lamppu ole ulkona.

Huippuunsa viritetyn öljykattilan omistaja maksaa lämmityksestään 9,7 c/kWh eli 0,5 c/kWh suoraa sähkölämmittäjää enemmän.

Kaukolämmöstä on tullut sellainen korotusautomaatti, että useimmilla paikkakunnilla kaukolämpö maksaa vielä öljylämmitystäkin enemmän. Energiateollisuus ry:n tilastoilla [1] omakotitalon lämmittäjä maksaa kaukolämmöstään esimerkiksi:

Öljyä kalliimpia:
Kristiinankaupunki 16,3 c/kWh
Siuntio 14,2 c/kWh
Kirkkonummi/Veikkola 13,4 c/kWh
Mäntsälä 12,9 c/kWh
Tuusula/Jokela 12,3 c/kWh
Hanko 11,0 c/kWh
Levi 10,7 c/kWh
Hämeenlinna 10,5 c/kWh
Imatra 10,3 c/kWh
Tampere 10,2 c/kWh
Sipoo 10,2 c/kWh
Hamina 9,8 c/kWh
… ja monet muut, yhteensä 92 paikallista kaukolämpöyhtiötä

Öljyä halvempia, mutta sähköä kalliimpia:
Salo 9,6 c/kWh
Tammisaari 9,6 c/kWh
Inkoo 9,6 c/kWh
Kouvola 9,6 c/kWh
Pori 9,5 c/kWh
Turku 9,4 c/kWh
Kemijärvi 9,3 c/kWh
Tuusula 9,2 c/kWh
Järvenpää 9,2 c/kWh
… ja monet muut, yhteensä 37 paikallista kaukolämpöyhtiötä

Ja lopulta ne paikkakunnat, joissa kaukolämpö on earth hour -tuntina sähköä halvempaa;
Kauniainen 9,1 c/kWh
Kirkkonummi 9,1 c/kWh
Espoo 9,1 c/kWh
Kajaani 9,0 c/kWh
Kerava 9,0 c/kWh
Kotka 8,9 c/kWh
Jyväskylä 8,9 c/kWh
Savonlinna 8,8 c/kWh
Porvoo 8,8 c/kWh
Kemi 8,7 c/kWh
Lahti 8,7 c/kWh
Vantaa 8,6 c/kWh
Rovaniemi 8,6 c/kWh
Kuopio 8,5 c/kWh
Nurmijärvi 8,4 c/kWh
Joensuu 8,2 c/kWh
Helsinki 7,8 c/kWh
Rauma 7,8 c/kWh
Tornio 7,2 c/kWh
… ja yhteensä 81 paikallista kaukolämpöyhtiötä

Kaukolämpöyhtiöiden hinnan keskiarvo on 9,6 c/kWh ja suuruudella painotettu hinta on 8,4 c/kWh.

Määrällisesti useimmilla kaukolämpöyhtiöillä kaukolämpö on earth hour sähköä kalliimpaa, mutta asiakasmäärältään useimmat kaukolämmön käyttäjät saavat kaukolämpönsä sitä halvemmalla.

Maakaasun hinnan arviointi on hankalaa vuosikulujen takia, mutta hinta on talvikaudella arviolta 9,5 c/kWh. Myöskään maakaasulla lämmittäjän ei kannata sammuttaa sähkövaloja earth hourin aikana.

Sähkön ja muiden energiamuotojen hintojen vertailu ei ole teoreettista vaan aivan oikea rahaa. Kodeilla ei ole vaihtoehtoa olla lämmittämättä. Koska energian hinnasta suuri osa on veroja (sähköstä kolmannes), hinta on yhteiskunnan vahva indikaatio siitä, mikä energiamuoto on yhteiskunnan kannalta paras, ja sillä tavalla ympäristöystävällinen, mihin yhteiskunnalla on varaa. Ja nyt se on suurimmissa kaupungeissa kivihiilellä tehty kaukolämpö ja kaikkialla muualla sähkö.

En aio sammuttaa valoja. Earth hour on Suomen ulkopuolelta tullut ajatus, joka on Suomen oloissa täysin väärä signaali ja soveltumaton energiansäästötapa.

(*) Sähkön tukkuhinta 2,679 c/kWh.
[1] http://energia.fi/tilastot/kaukolammon-hinnat-tyyppitaloissa-eri-paikkakunnilla
[2] http://www.sahkolamppu.com/2014/03/earth-hour-spesiaali-katuvalot-ovat.html
[3] http://www.sahkolamppu.com/2012/03/earth-hour-spesiaali.html
[4] http://www.sahkolamppu.com/2012/03/earth-hour-arvauskilpailu.html
[5] http://www.fortum.com/countries/fi/SiteCollectionDocuments/Kaukolampo/Hinnastot%20ja%20sopimusehdot/Maakaasuhinnasto_%2001012015.pdf

Saako auringonpimennys sähköverkon nurin?

Euroopassa laajalle alueelle osuu 20.3.2015 osittainen auringonpimennys. Tämän arvioidaan vähentävän tuon alueen aurinkosähkön tuotantoa 35000 MW. Tämä on kolme kertaa Suomen sähkönkulutus, 80 perinteistä keskikokoista voimalaitosta.

Tätä varten tätyy jo aivan oikeasti varautua.

Euroopan suurimmat aurinkosähkön tuottajat 2015 ovat raportin mukaan:

  • Saksa, 40000 MW
  • Italia, 20000 MW
  • Espanja, 7000 MW
  • Ranska, 5000 MW
  • Kreikka, 4000 MW
Kaikki eivät kuitenkaan ole auringonpimennyksen piirissä. Pahiten se osuu pohjoiseen, esimerkiksi Keski-Saksassa odotettu tuotannon pudotus on pahimmillaan 76%, Tanskassa ja Belgiassa 80%.
Saksan sähköntuotanto saattaa siis pahimmillaan hetkellisesti pudota jopa 30000 MW auringonpimennyksen takia.

Onneksi Suomessa ei raportinkaan mukaan ole ollenkaan aurinkosähkön tuotantoa.

Jos tulevaisuudessa aurinkosähköstä tulee merkittävin energianlähde, auringonpimennys tulee olemaan aikamoinen katastrofi. Se osuu niin laajalle alueelle, ettei naapurimaastakaan voi energiaa lainata auringonpimennyksen aikana.

https://www.entsoe.eu/news-events/announcements/announcements-archive/Pages/News/20-March-Solar-Eclipse.aspx
https://www.entsoe.eu/Documents/Publications/SOC/150219_Solar_Eclipse_Impact_Analysis_Final.pdf