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

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

Se on nyt virallista: aurinkosähköä ei saa kytkeä talon verkkoon

Sain omalta sähköyhtiöltäni kirjeen uusista verkkopalveluehdoista. Nämä ovat yleiset Energiateollisuus ry:n ehdot. Muutoksia vanhaan on vähän, oikeastaan vain yksi todella merkittävä.

Ohjeissa lukee nyt selvästi (kohta 4.3):

Sähköä syöttävien laitteistojen kytkeminen kiinteistön sähköverkkoon, kun kiinteistän sähköverkko on kytkettynä jakeluverkkoon, on kielletty ilman erillistä sopimusta.

 Jos joku ei heti tajunnut, tässä kielletään aurinkopaneeleiden ja tuulivoimaloiden käyttö.

Jos haluaa käyttää aurinkopaneeleita, talo on joko kytkettävä kokonaan irti valtakunnanverkosta tai sähköyhtiön kanssa on tehtävä ”sopimus”. Sopimuksen hyväksyminen ja hinnoittelu on täysin auki.

No, on toinenkin muutos, tämä on ilmeisesti viimeinen kerta, kun sähköyhtiö lähestyy kirjeellä ehtojen muutoksista. Tämän jälkeen ehdot ovat ”linkki yleisten ehtojen tallennettavissa olevaan versioon”.

Tarkennus 24.11.2014: Huomatkaa, että tämä kieltää aurinkopaneeleiden kytkemisen talon verkkoon vaikka sähköä ei ikinä siirtyisi sähköyhtiölle päin.

Oikea tapa laskea uusiutuvan energian tuotanto asuntojen tarpeisiin: yksi ihminen kuluttaa asumiseen yhden kilowatin

Kuva: Flicr / Hiroshi Ishii, CC BY

Usein, kun puhutaan uudistuvasta energiasta kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta esiintyy mystinen laskentayksikkö ”kuinka monen asunnon tarpeisiin”.

Ensinnäkin tietysti kumpikaan energiantuotantomenetelmä ei kelpaa yhdenkään suomalaisen asunnon sähköntuotantoon yksin, koska niiden tuotanto on satunnaista, kenelläkään ei ole mahdollisuutta varastoida sähköä, eivätkä ne kunnolla edes kompensoi toistensa puutetta (ks. [1]). Mutta unohdetaan tämä pikkujuttu tässä laskelmassa.

Asuntolaskelmassa viitattu asunto on joskus rivitaloasunto, mutta useimmiten kyseessä on kaukolämmössä oleva kerrostaloyksiö. Se, mitä keskivertomummon muutamalla 40 watin kattolampulla ja jääkaapilla on tekemistä keskimääräisen lämmitettävän suomalaisen asunnon tyypillisellä energiankulutuksella on aika vähän.

Paljon parempi mittari on se, kuinka paljon energiaa ihminen oikeasti tarvitsee asumiseen ja kuinka monen ihmisen asuminen katetaan voimalaitoksen tuotolla. Tämä on yllättävän helppoa laskea. Ja vastaus on yksi kilowatti henkeä kohden.

Keskimääräisellä suomalaisella on käytettävissään neljäkymmentä neliötä asuntoa. Tämä on tilastofakta [2].

Asuminen vie sekin hyvin ennustettavan määrän energiaa vuodessa neliötä kohden.[3] Kaikkein pahin ennen vuotta 1970 rakennettu talo kuluttaa kaikkineen (lämmitys, talotekniikka, lämmin vesi, kotitaloussähkö) 350 kWh/m² vuodessa. Kaikkein pihein passiivitalo kuluttaa 60 kWh/m² vuodessa. Aivan valtavassa enemmistössä Suomessa olevista taloista asuminen kuluttaa korkeintaan noin 200 kWh/m²/vuosi. Voimme pitää sitä erittäin hyvänä keskiarvona, jonka virhe on enintään joitakin kymmeniä prosentteja.

Tämä siis tarkoittaa, että yksi ihminen kuluttaa asumiseen 8000 kWh/vuodessa. Tällä ylläpidetään tämän ihmisen vaatima 40 neliömetrin tila, estetään sen tuhoutuminen kosteusvaurioihin, lämmin suihku ja erilaiset sähköhärvelit.

Vuodessa on 8766 tuntia, eli

yhden ihmisen asumiseen kuluttama teho = 8000 kWh / 8766 h = 912 W ≈ 1kW

Yksi ihminen kuluttaa asumiseensa joka hetki yhden kilowatin.

Tämänhetkisellä sähkön hinnalla tämä maksaa kymmenen senttiä tunnissa, 900 euroa vuodessa.

Jos siis mietimme esimerkiksi

  • 2 MW jättikokoinen tuuliturbiini täysillä ollessaan tuottaa sähkön 2000 ihmisen asumiseen
  • 2 kW aurinkopaneelisto (noin 13 m², [4]) tuottaa parhaalla auringonpaisteella sähkön kahden ihmisen asumiseen (mutta tuotanto ja kulutus eivät kohtaa)
  • Tätä kirjoitettaessa tuulivoimaa tuotetaan Suomessa Fingridin tilannekuvan mukaan mukavasti 107 MW. Tämä tuottaa tarpeeksi energiaa 107000 ihmisen asumiseen (eli noin Suomen kahdeksanneksi suurimman kaupungin Kuopion asukkaiden asumistarpeisiin). Tämä on noin 2% Suomen asukkaista.

Ns. kotitaloussähkö ei ole ihmisen asumisen energiankulutuksesta Suomessa kuin 10-20%.[3] Ei siis ole realistista säästää energiankulutuksessa siitä, varsinkin koska suurin osa kotitaloussähköstä muuttuu perimmiltään lämmöksi ja vähentää varsinaisen lämmitysenergian tarvetta.

Edellä lasketun asumiskulutuksen lisäksi tulevat liikenne, kauppa, teollisuus ja muut työpaikat.

Jos ihminen haluaa tinkiä energiankulutuksestaan, merkittävin tapa on vähentää asumisneliöitä. Mikäli asumisenergiankulutuksesta tingitään, tämä johtaa asuntojen tuhoutumiseen hyvin nopeasti kosteusvaurioihin. Asumisenergiankulutuksen osakulutukset (lämmitys/viilennys, talotekniikka, lämmin vesi, sähkölaitteet) ovat toisistaan riippuvaisia, ja yhdestä tinkiminen tarkoittaa toisen kulutuksen kasvua.

[1] http://www.sahkolamppu.com/2014/06/aurinko-tuuli-kaksi-kolmasosaa.html
[2] http://www.stat.fi/til/asas/2008/asas_2008_2009-12-15_kat_001_fi.htmlhttp://www.stat.fi/til/asas/2013/asas_2013_2014-05-21_tau_003_fi.html
[3] http://www.vtt.fi/liitetiedostot/cluster5_metsa_kemia_ymparisto/Nieminen.pdf
[4] http://www.yinglisolar.com/assets/uploads/products/downloads/YGE_60_Cell_Series_EN.pdf

Aurinko + Tuuli = kaksi kolmasosaa maksimista

Maalaisjärkikin sen sanoo, että harvoin tuulee ja on aurinkoista yhtä aikaa. Siispä aurinkosähkön ja tuulisähkön yhteenlaskettu tuotanto on harvoin maksimissaan yhtä aikaa. Tai itse asiassa ei koskaan.
Lähde: [1]
Saksan alkuvuoden sähköntuotantotilastosta [1] selviää mielenkiintoinen seikka, että tuulisähkön ja aurinkosähkön tuotanto ei ole ikinä ollut enempää kuin 2/3 yhteenlasketusta maksimituotannosta.
Kun Saksassa maksimi aurinkoenergiantuotanto on 20 GW ja tuulisähköntuotanto 25 GW eli yhteensä 45 GW, yhdessä ne eivät ole koskaan olleet enempää kuin 30 GW.
Kuvan mukaan on melko tavallista, että on aurinkoista mutta tuuletonta. Kuitenkaan kuvassa ei ole sellaista hajontaa, joka viittaisi siihen, että tuuli ja aurinkoenergiat kompensoisivat hyvin toisiaan. Suurin osa pisteistä on lähellä nollaa kummallakin akselilla.

A-studio: Saksan ydinvoimapäätös sotkee sähkömarkkinoita

A-studio kertoi Saksan uusiutuvan energian ihmeellisyyksistä 8.7.2013.

”Saksan ydinvoimapäätös sotkee sähkömarkkinoita. Kuka maksaa energiapelin miljardilaskun?”
http://areena.yle.fi/tv/1931970 (noin 20 minuutin kohdalta).

Kohokohdat olivat:

”Päästöt ovat meillä tosiasiassa lisääntyneet energiakäänteen myötä.” 

”Varastointitekniikka ei ole vielä tarpeeksi kehittynyttä. Kaikki kehitysideat ovat uskomattoman kalliita.” ”Kestää vähintään 10-30 vuotta ennen kuin insinöörit saavat tekniikasta kilpailukykyistä.” 

”Koska tuuli- ja aurinkovoimalla tuotettua sähköä ei tällä hetkellä voida varastoida, Saksa myy sitä tappiolla valtion tukiaisten turvin naapurivaltioille. Se taas uhkaa niiden oman tuotannon kannattavuutta.”

”Hyvin tuulisina päivinä verkossa on liikaa sähköä. Tarjoamme sitä Hollantiin, Puolaan, Tšekkiin. Ne eivät halua sähköämme, koska niiden pitäisi katkaista omien voimaloiden tuotanto. Sen ne tekevät vasta, kun sähkön hinta on negatiivinen. Se on kuin nykyajan jätehuoltoa rajan yli.”

”Uusiutuvan energian tukiaiset ovat EU:ssa karanneet käsistä.”

Ja ei-sanatarkasti yksinkertaistaen ja korostaen:

  • Kodeissa, joissa on aurinkoenergiapaneelit, itse käytetään tavallista verkkosähköä ja kaikki aurinkosähkö myydään verkkoon, koska siitä saa tukiaisten vuoksi niin paljon paremman hinnan. Saksassa ei siis kukaan asenna aurinkosähköpaneeleja omaan käyttöönsä! Jutussa käytetään termiä ”rahanpainolupa”.
  • Jokainen saksalainen maksaa sähkössään 5,3 senttiä kilowattitunnilta tukiaisia niille, jotka tekevät uusiutuvaa energiaa. Suomessa sähkö on siis tukkuhintana maksanut noin 4 senttiä kilowattitunnilta ja kuluttaja maksaa siitä veroineen noin 10 senttiä kilowattitunnilta.
  • Kalliin sähkön tukeminen kirpaisee erityisesti köyhiä, koska hinta on tasainen per kilowattitunti. 800 000 asunnosta on katkaistu sähkö maksamattomien laskujen vuoksi. ”Tämä johtaa suureen sosiaaliseen konfliktiin.”
Hyvän journalistisen tavan mukaisesti ohjelmassa oli myös pari vihreää maailmanparantajaa selittämässä toista näkökantaa, mutta luoja kiitos tässä ei tarvitse noudattaa hyvää journalistista tapaa. Emme toista satuja.