Kasvit voisivat yhteyttää paremmin, jos auringon valo muunnetaan ensin sähköksi

Yhteyttäminen suoraan auringonvalolla vs. keinovalo

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/

Päästöoikeudet, windfall ja tukipelleily

En kommentoi erityisemmin Europarlamentin hinkua vähentää päästöoikeuksia. Tulen aiheesta artikkeleita lukiessani lähinnä pahoinvoivaksi, joten olen jättänyt mahdollisuuksien mukaan ne väliin.

Toistaisin kuitenkin pari asiaa, jotka olivat mm. helmikuisessa artikkelissani ”Mikä ihmeen widfall?” Päästöoikeuksien kallistuminen pakottaa meidät tukemaan hiilivoimaloita.

Päästöoikeuksien kallistuminen tekee hiilivoimasta kalliimpaa.

Tämä kuulostaa helpolta ja ekologiselta, mutta ei ole sitä.

Mitä enemmän hiilivoimalla tuotettu sähkö maksaa, sitä enemmän vesi- ja ydinvoima saa windfall-voittoja. Koska näiden ei tarvitse maksaa päästöoikeuksistaan, ne saavat sähköstään enemmän rahaa – täysin ansiottomasti.

Koska windfall-tulot ovat täysin ansiottomia, valtiolla on suuri hinku päästä verottamaan ne pois. Kun windfall-tulot verotetaan pois, ei olekaan enää mitään erikoisrankaisua hiilivoimalle, joten olemme takaisin alkupisteessä, tosin byrokraatteja on työllistetty valtava määrä.

Oma lukunsa on sitten tuulivoima. Tuulivoima saa tuottamastaan sähköstä markkinahintaan verrattuna moninkertaisen takuuhinnan. Tuulivoimaa kannattaa siis myydä oli markkinahinta mikä tahansa. Siksi tuulivoimalat Suomessa myyvät sähkönsä pörssissä aina nollatarjouksella – he saavat rahansa vaikka hinta olisi nolla. Tanskassa ja Saksassa tuulivoimaa myydään negatiivisella hinnalla, ja markkinahintakin onkin silloin tällöin negatiivinen. Tuulivoimala tekee asiakkaan kanssa revenue sharen valtion tukiaisista.

Tuulivoimalat toimivat markkinoilla kuitenkin vain satunnaisesti – silloin, kun tuulee. Siksi tarvitaan riittävästi perusvoimaa ja säätövoimaa, että nuo markkinahäriköt saadaan kuriin. Ongelma kuitenkin on, että Suomessa on tuontisähköä, ja ennen kaikkea Saksasta muiden maiden läpi tulevaa tuontituuli- ja aurinkovoimaa on saatavissa todella halvalla silloin, kun hiilivoimaloillakin olisi paras hetki saada katetta huonojen hetkien varalle. Siksi tänäkin kesänä hiilivoimaloita on käynnissä niin vähän kuin mahdollista. Siksi sähkö on koko ajan kallista.

Hiilivoimalat eivät tietenkään tuota silloin, kun ne ovat kiinni. Siksi ne ovat hyvin pian hätää kärsimässä, eivätkä ne kannata ympärivuotisena investointina. Siksi niille vähitellen käy kuten maakaasuvoimaloille on jo käynytkin: ne pistetään kiinni.

Suomeen, jossa ei ole hiilivoimaloita, meillä ei ole varaa. Suomessa lämmitys ei ole ylellisyyttä. Yksi ihminen tarvitsee koti+työtilakseen noin 100 neliömetriä rakennettua tilaa, yhden neliön lämmittäminen vaatii noin 150 kWh vuodessa ja 5,4 miljoonaa ihmistä tarvitsevat siis pelkkään olemiseen ja rakennuskannan ylläpitoon vuodessa:

  150 kWh * 100 * 5,4 miljoonaa = 81 TWh

Mikä on aika lähellä Suomen sähköntuotantoa vuodessa.

Meidän on siis pakko saada pidettyä hiilivoimalat päällä. Niillä menee huonosti – ja toisaalta ne ovat tajunneet, että niillä on vahva kiristysmahdollisuus.

Jos päästöoikeuksien hinnankorotus menee läpi – ja todennäköisesti vaikka eivät menisikään – tulemme aivan lähiaikoina näkemään hyvin perusteltuja vaatimuksia hiilivoimaloiden ja ehkä jopa atomivoimaloiden tukemisesta. Eikä meillä ole mitään muuta vaihtoehtoa kuin maksaa.

Toinen vaihtoehto voisi olla pistää rajat kiinni sähköltä, lopettaa sähköpörssipelleily, johon Suomi on selvästi liian pieni maa, ja siirtyä voimalaitoksissa suunnitelmatalouteen.

Pelasta maailma syömällä karamellia

Ranskalaiset tutkivat, mistä ruoasta saa tarvitsemansa kalorit vähimmällä hiilidioksintuotannolla.(*)

Kuva: Flickr loop_oh CC BY-ND

Vastaus on, että karkeista ja snäckseistä. Ja rasvasta.

Vihannekset jäävät selvästi taakse. Ja samoin tietysti liha.

Eli kautta linjan ruoan terveellisyys lisää hiilidioksidintuotantoa (tutkimuksen yhteenvedosta):

After adjustment for energy intake, high-nutritional-quality diets had significantly higher greenhouse gas emissions (+9% and +22% for men and women, respectively) than did low-nutritional-quality diets

Tämä on jotensakin päinvastainen tulos kuin yleismaailmantuskaa kokevien kommenteista olisi odottanut. Kasvisluomuruokavalion piti olla hyvä myös maapallolle. Tämä on jälleen kerran esimerkki kompromissesta, joita luonnon, ympäristön, terveellisyyden ja ihmisten hyvinvoinnin ja taloudellisten realiteettien välillä joudutaan koko ajan tekemään.

(*) Tämä oli suomalaisessakin lehdessä muutama päivä sitten, mutta en enää löytänyt uutista. [1] on suunnilleen saman sisältävä amerikkalainen uutinen ja [2] alkuperiäisen tutkimuksen yhteenveto.

[1] Plant based diets healthy for people but what about planet, foodnavigator.com
[2] American journal of Clinical Nutrition: High nutritional quality is not associated with low greenhouse gas emissions in self-selected diets of French adults

Tupruttaako sähköauto hiilidioksidia?

Parissa lehdessä on kommentoitu uuden luksushybridiauton, Uudessakaupungissa valmistettavan Fisker Karman, epäekologisuutta. Luvut ovat kuitenkin Suomen olosuhteisiin väärin, eikä sähköautoa saa oikeasti Suomen sähköntuotannolla millään tuottamaan yhtä paljoa hiilidioksidipäästöjä kuin bensiiniauto. Artikkelin mukaan auto tuottaa hiilidioksidia 300g/km mutta oikea luku on 67g/km.

Ikuisen pessimistin mieltä lämmitti Talouselämän artikkeli sähköauton suurista hiilidioksidipäästöistä, kunnes aloin laskea. Vaikka jutut ovat perinteisissä insinööritalouslehdissä, laskelmat ovat unohtuneet tarkastaa Suomen olosuhteisiin.

Talouselämän jutun mukaan hybridiurheiluauto Fisker Karma (sähköautona, ilman polttomoottoria) kulkee 51 kilometriä 22,6 kWh:n akuilla eli se kuluttaa 0,4 kWh/km.

Fisker Karma, 300g/km vai 67 g/km?
Kuva CC BY Flickr jurvetson

Artikkelissa lasketaan, että kilowattitunnin tuottaminen lauhdevoimalassa aiheuttaa 750 gramman hiilidioksidipäästöt (”yhteistuotannossa puolet”) eli auton päästöiksi lasketaan 300 grammaa hiilidioksidia kilometrillä eli ison Ford F150 V6-avolavan verran. Suomen verottajan taulukot loppuvat 360 gramman kohdalla, eli Suomesta tuollaisia autoja ei pahemmin löydy.

Ford F150, 300 g/km
Kuva CC BY Flickr The Car Spy

Mutta tässä mennään pieleen Suomen kohdalla. Suomessa ei tuoteta erityisemmin sähköä kivihiilellä lauhdevoimaloissa. Fingridin sivulta voi käydä katsomassa, millä Suomen sähkö tuotetaan. Talouselämän artikkelin tiedoilla Suomen sähkö tuottaa hiilidioksidipäästöjä 25.10.2011 kello 9.00 168g/kWh:

  • Vesi- ja ydinvoima 4972 MW  – päästöt nolla
  • Lauhdevoima 393 MW – päästöt 750 g/kWh
  • Yhteistuotanto 2923 MW – päästöt 375 g/kWh
  • Lisäksi tuonti 1567 MW – ei tietoja päästöstä, joten jätetään huomioimatta (oletetaan sama suhde kuin suomalaisellakin sähköllä)

Painottamalla päästöt tuotannon määrillä päästään lukuun 168 g hiilidioksidipäästöjä / kWh.

Fisker Karma siis kuluttaa sähköä 0,4 kWh/km eli päästöt ovat 67 g/km. Ja tämä auto kiihtyy nollasta sataan kuudessa sekunnissa.

Artikkelissa ovat siis menneet sekaisin amerikkalaisen Ford-jättiavolavan päästöt ja todelliset päästöt, jotka ovat kolmanneksen pienemmät kuin uuden ekologiseksi mainostetun Ford Fiestan tai kahden hengen Smart-auton (kumpikin 98 g/km).

Ford Fiesta, 98 g/km
Kuva CC BY Flickr lorentey

T&T: Luksushybridi Fisker Karman kulutuslukemat paha pettymys
Talouselämä: Hiilivoimalla kulkevasta Fisker Karmasta lähtee karmeat hiilidioksidipäästöt