Yhteenveto
www.vtt.fi
Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi vaaditaan radikaaleja kasvihuonekaasu- päästöjen vähennyksiä. Energian tuotanto ja käyttö on merkittävin kasvi- huonekaasupäästöjen lähde, joten tavoite edellyttää vallankumouksellisia muutoksia nykyiseen, fossiilisiin energialähteisiin perustuvaan maailman energiajärjestelmään. Maailman energiantarpeen arvioidaan jatkavan tu- levina vuosikymmeninä kasvuaan erityisesti kehittyvissä talouksissa. Li- sääntyvä energiantarve sekä maantieteellisesti keskittyneiden fossiilisten energiavarojen hupeneminen korostaa energiaturvallisuuden merkitystä tulevassa kehityksessä.
Energy Visions 2050 -kirjassa on pohdittu keinoja energiasektorin tule- vaisuudessa kohtaamien haasteiden voittamiseksi. Aihepiiriä lähestytään globaalista näkökulmasta, mutta joissain teknologisissa yksityiskohdissa korostetaan suomalaista teknologiaa ja Suomen teknologisia saavutuksia.
Tähän tiivistelmään on koottu keskeisimmät kirjassa esitetyt asiat. Tarkas- telut keskittyvät teknologisiin ja teknis-taloudellisiin näkökulmiin. Tekno- logian kehityksen tarkastelu käsittää koko energiaketjun, mikä korostaa energiatehokkuuden välttämättömyyttä yhteiskuntien kaikissa toiminnois- sa. Sisältö kattaa vähäpäästöisten ja uusiutuvien energiantuotantotekno- logioiden lisäksi uudet teknologiset ratkaisut teollisuus-, rakennus- ja lii- kennesektoreilla sekä energian siirto- ja jakelujärjestelmissä. Siirtyminen kohti nollapäästöistä energiajärjestelmää vaikuttaa hyödynnettävien ener- gialähteiden jakaumaan, joten tarkasteluun on sisällytetty katsaus maail- man energiavaroihin.
Esitetyt skenaariot kuvaavat vuoteen 2050 ulottuvia vaihtoehtoisia kehitys- polkuja. Skenaarioissa on oletettu erilaisia arvioita teknologian, talouskas- vun, globalisaation ja ympäristötietoisuuden leviämisen sekä hyödyntämi- sen tulevaisuuden kehityksistä. Tuloksista voidaan nähdä mielenkiintoisia eroja skenaarioiden välillä energian käytössä ja tuotantotavoissa, kasvihuo- nekaasupäästöjen vähenemisessä ja ilmaston lämpenemisessä.
Yhteenveto
EnErgy Visions 2050 –
suomEnkiElinEn yhtEEnVEto
VTT on julkaissut Energy Visions 2050 -kirjan kesäkuussa 2009. Kirja käsittelee globaalista näkökulmasta energiasektorin pitkän aikavälin kehitystä vuoteen 2050 asti. Se sisältää arvioita teknologian kehityksestä ja tulevaisuuden teknologioista kattaen koko energiajärjestelmän eli
energiavarat, energian tuotannon, loppukäytön sekä energian siirron ja jakelun teknologiat.
Kirjassa esitetään skenaarioita energiajärjestelmän
kehityksestä, jotka on saatu laajojen mallilaskelmien tuloksena.
Skenaarioiden tuloksina on saatu mm. arvioita tulevaisuuden energiajärjestelmän rakenteesta, mikäli ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi vaadittavat kasvihuonekaasupäästöjen vähennykset toteutetaan tehokkaasti.
VTT:n kesäkuussa 2009 julkaisema Energy Visions 2050 –kirja luotaa kes- keisiä globaalia energiajärjestelmää tulevaisuudessa koskettavia haasteita ja puhtaiden energiateknologioiden tulevaisuuden kehitystä keinona vastata haasteisiin. Kirjassa esitettyjen teknologisten keinojen avulla ilmastonmuu- tosta pyritään hillitsemään inhimillistä hyvinvointia vaarantamatta. Tek- nologioiden vaikutusta ilmastonmuutoksen hillinnässä tutkitaan laajoilla mallilaskelmilla, joissa on analysoitu vaihtoehtoisia maailmantalouden ja energiajärjestelmien kehityspolkuja. Tulevaisuuden tarkastelut ulottuvat aina vuoteen 2050 asti.
Sisältö kattaa koko energiaketjun teknologiat: energiantuotannon, lop- pukäytön sekä energian siirron ja jakelun teknologiat. Lisäksi kirjassa luo- daan kattava katsaus maailman energiavaroihin. Tässä suomenkielisessä yhteenvedossa on esitetty kirjan keskeinen sisältö.
Kirja sisältää erillisiä visionäärisiä tietolaatikoita, joissa esitettyjen ideoi- den toteutuminen tai yleistyminen kuvatulla tavalla ei välttämättä vaikuta todennäköiseltä kirjan tarkasteluajanjaksolla. Myös tämä yhteenveto sisäl- tää muutaman esimerkin näistä visioista.
Kirjan tulokset on saatu laajan kansallisen ja kansainvälisen tutkimus- laitosten ja yliopistojen yhteistyön tuloksena, ja ne esittävät suomalaisen vision teknologian kehittämisen mahdollisuuksista tulevaisuuden energia- haasteisiin, erityisesti ilmastonmuutokseen, vastaamiseksi. Työhön on osal- listunut kymmeniä eri teknologia-alojen asiantuntijoita VTT:stä.
Energy Visions 2050 –hanke kuuluu Tekesin ClimBus-ohjelmaan, ja sen rahoit- tajina ovat olleet Tekes, VTT ja Valtion taloudellinen tutkimuskeskus VATT.
kuVa 1. CO2-päästöt fossiilisten polttoaineiden käytöstä teollisuusmaissa (ns. Kioton pöytäkirjan liitteen I valtiot) ja kehittyvissä maissa (muut kuin Kioton pöytäkirjan liitteen I valtiot). Kuvassa näkyy toteutuneiden päästöjen historia vuosina 1900–2005 ja ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi vaaditta- vien päästövähennysten mittakaava. IPCC:n (2007) mukaan tarvitaan 50–85 %:n vähennys vuoden 2000 tasosta vuoteen 2050 mennessä, jotta maapallon keskilämpötilan nousu esiteolliseen aikaan verrattuna voidaan rajoittaa kahteen asteeseen. Rajoittamalla maapallon keskilämpötilan nousu kah- teen asteeseen esiteolliseen aikaan nähden voidaan merkittävästi rajoittaa ilmaston muuttumisesta seuraavia haittoja verrattuna tilanteeseen, jossa lämpötila nousisi selvästi yli kahden asteen tason.
(Kuvan tietojen lähteet: CDIAC, IEA, VTT, CAIT)
CO2-päästöt energiasektorilta ja päästönvähennysten mittakaava
0 10 20 30 40 50 60 70
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040
Gt CO2/a Teollisuusmaat
Kehittyvät maat Yhteensä
Teollisuusmaat, 2000-2005 Kehittyvät maat, 2000-2005 Yhteensä 2000-2005 Perusura,
IEA Energy Technology Perspectives 2008
50 % päästönvähennystaso
85 % päästönvähennystaso
tulEVaisuudEn haastEEt ja niidEn VaikutuksEt
EnErgiasEktoriin
Maailman energiajärjestelmä on suurien haasteiden edessä. Energian kysynnän kas- vu aiheutuu pääosin maailmantalouden ja väestön kasvusta. Ilmastonmuutoksen hil- litseminen on keskeisin energian tuotannon ja käytön ympäristövaikutusten vähentämi- seen liittyvä haaste. Lisäksi tulevaisuudessa korostuvat energiaturvallisuuteen liittyvät haasteet. Nämä haasteet ovat keskeisiä ener- giajärjestelmien kehitystä pitkällä aikavälillä ajavia voimia.
Maailman primäärienergian kulutuksen
kasvu on 2000-luvun alussa ollut keski- määrin lähes 3 % vuodessa. Merkittävä osa kasvusta sijoittuu nopeasti kehittyviin mai- hin, erityisesti Kiinasta ja Intiaan. Maailman primäärienergian kulutus vuonna 2006 oli noin 490 EJ. Maailman nykyinen energia- järjestelmä perustuu yli 80 %:sti fossiilisiin polttoaineisiin, joista tärkeimmät ovat öljy (35 % primäärienergiasta, hiili (26 %) ja maakaasu (20 %). (IEA 2008)
Energian tuotanto nykyisellään aiheut- taa ympäristöongelmia, kuten happamoi- tumista, ilmanlaatuongelmia ja erityisesti kasvihuonekaasupäästöjä. Energiantuotan- nosta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt (CO2) ovat kasvihuonekaasupäästöjä, joita pide- tään merkittävimpinä ilmastonmuutokseen vaikuttavana tekijänä. Ilmastonmuutos on
Tuontiöljyn osuus öljynkulutuksesta
0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Intia
Euroopan unioni
Kiina Japani
USA
kuVa 2. Tuontiöljyn osuus öljynkulutuksesta eräissä maissa ja Euroopan unionissa. Tuontiöljyn osuus EU:ssa ja USA:ssa laski 1970- ja 1980-lukujen öljykriisien jälkeen, mutta viime vuosina tuonti on kas- vanut. Tuontiöljyn osuus myös Kiinassa ja Intiassa on kasvussa. (Kuvan tietojen lähde: BP 2008)
laajalti tunnustettu suurimmaksi maail- manlaajuiseksi ympäristöuhaksi.
Energiasektori – energian tuotanto ja käyttö – on maailmanlaajuisesti suurin kasvi- huonekaasupäästöjen lähde. Ilmakehän kas- vihuonekaasujen rajoittaminen turvalliselle tasolle vaatii hyvin rajuja päästöleikkauksia tulevina vuosikymmeninä. Lisäksi maailman CO2-päästöjen pitäisi kääntyä laskuun vuo- sien 2000–2015 välillä eli aivan lähivuosina.
CO2-päästöjen historiallinen kehitys ja pääs- töjen rajoittamisen erittäin haastava mitta- kaava näkyy kuvasta 1.
Maailmassa nykyisin käytetyistä energia- varoista erityisesti öljy- ja kaasuvarat ovat maantieteellisesti erittäin keskittyneitä. Lu- kuisissa tutkimuksissa helposti hyödynnet- tävien varojen arvioidaan saavuttavan tuo- tantohuippunsa tulevien vuosikymmenten aikana. Useat maat ovat hyvin riippuvaisia tuontienergiasta (kts. kuva 2 tuontiöljyn osuudesta eräissä maissa). Kehityssuuntaus
voi tulevaisuudessa vaarantaa yhä useam- man maan energian saatavuuden ja altistaa ne yhä enemmän energian hinnan heilahte- luille. Viimeisten vuosikymmenten kehitys on johtanut siihen, että maiden tai maaryh- mien energiaturvallisuuden parantaminen on keskeinen tulevaisuuden kehitystä ajava voima.
Kehittyneitä teollisuusmaita ja kehittyviä maita tulevaisuudessa kohtaavat energi- aan liittyvät haasteet ovat hyvin erilaisia.
Kehittyvissä maissa on yhä 1,5 miljardia ihmistä ilman nykyaikaisia energiapal- veluita, mikä on vakava este kehitykselle.
Kehittyneissä maissa ongelmat liittyvät ikääntyvien energiajärjestelmien suurien kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen.
Ympäristöystävällisiä ratkaisuja tarvitaan myös kehittyvissä maissa, joissa energian- tarve kasvaa nopeasti.
Energiantuotannon ja käytön järjestel- män on muututtava radikaalisti, jotta tu-
kuVa 3. Energia loppukäyttö maailmassa sektoreittain Energy Visions 2050 -kirjan perusskenaari- ossa. Skenaariossa teollisuus- ja palvelusektorien loppuenergian käyttö kasvaa nopeimmin.
Maailman energian loppukulutus sektoreittain perusskenaariossa
0 100 200 300 400 500 600 700 800
2000 2020 2040 2060 2080 2100
Loppukulutus, EJ
Liikenne
Asuinrakennukset Palvelurakennukset
Teollisuus
levaisuuden haasteisiin voidaan vastata.
Keinot kehitykseen vaikuttamiseksi voidaan periaatteessa jakaa kahteen luokkaan: 1) teknologiset keinot ja 2) kulutuksen raken- teen muuttumiseen vaikuttavat keinot. Tek- nologiaan ja kulutuksen muutokseen liitty- vät keinot eivät kuitenkaan välttämättä ole toisistaan riippumattomia. Energy Visions 2050 -kirjan käsittelyn pääpaino on tekno- logian mahdollistamissa keinoissa, mutta myös kulutuksen rakenteeseen vaikuttavia keinoja sivutaan. Tämä yhteenveto keskit- tyy erityisesti teknologiaan.
Haasteisiin vastaaminen vaatii te- hokkaampien energiantuotanto- ja lop- pukäyttöteknologioiden kehittämistä ja käyttöönottoa. Energiantuotannon tulee tulevaisuudessa perustua hiilidioksidivapai- siin ja vähäpäästöisiin tuotantomuotoihin, joihin kuuluvat uusiutuvia energialähteitä hyödyntävät teknologiat, ydinvoima sekä hiilidioksidin talteenotto- ja varastointitek- nologiat (carbon capture and storage, CCS).
Uusien energiateknologioiden soveltaminen
aiheuttaa tulevaisuudessa kehitystarpeita myös energian jakelulle, kuten sähkönsiir- to- ja jakeluverkoille.
Teknologian kehitys on hyvin hidasta.
Teknologian kehittyminen laboratorioista laajasti markkinoille voi kestää vuosikym- meniä. Lisäksi erityisesti energiajärjestel- mien muutoksia hidastavat investointien pitkät käyttöiät. Esimerkiksi rakennusten tekniset käyttöajat ovat tyypillisesti 50–100 vuotta, samoin vesi- ja ydinvoimalaitosten eliniät voivat ylittää 50 vuotta. Toisaalta hi- taudesta johtuen on mahdollista tarkastella energiajärjestelmän muutoksia ja kehitys- mahdollisuuksia jopa vuoteen 2050 saakka.
EnErgian käyttÖ
Energiaa käytetään kaikkialla yhteiskun- nassa kuluttajien tarpeiden tyydyttämiseksi.
Energy Visions 2050 -kirjassa tulevaisuu- den teknologiamahdollisuuksia on arvioitu loppukäyttösektoreittain: teollisuus, ra- kennukset (palvelu- ja asuinrakennukset)
kuVa 4. Energiankulutus teollisuussektoreittain vuonna 2004. (Kuvan tietojen lähde: IEA) Teollisuuden energian loppukäyttö maailmassa - 113 EJ vuonna 2004
0 5 10 15 20 25
Afrikka Australia - Uusi-Seelanti Kanada Keski- ja Itä-Eurooppa Kiina Keski- ja Etelä-Amerikka Ent. Neuvostoliitto Intia Japani Etelä-Korea Lähi-itä Meksiko Kehittyvä Aasia Yhdysvallat Länsi-Eurooppa
Kemia ja petrokemia 29,7 % Rauta- ja terästeollisuus 18,9%
Mineraaliteollisuus 9,4% Paperi, sellu ja painotuote 5,7%
Muut teollisuusalat 19,8% Määrittelemätön 16,4%
Muut teollisuusalat sisältävät:
Ruoka ja tupakka 5,2%
Muut metallit 3,7%
Koneet 3,8%
Tekstiili ja nahka 1,9%
Kaivos- ja louhosteollisuus 1,6%
Rakentaminen 1,2 % Puu ja puutuotteet 1,2 % Kuljetuslaitteet 1,1%
EJ
sekä liikenne.
Energiatehokkuus ja sen parantaminen ovat tärkeitä käsitteitä tulevaisuuden ener- gian käyttöä tutkittaessa. Yksinkertaistet- tuna energiatehokkuuden parantaminen tarkoittaa sellaisen uuden teknologian tai käyttötottumuksen omaksumista, joka vaa- tii vähemmän energiaa saman tuotteen tai palvelun tuottamiseksi. Energiatehokkuu- den parantaminen parantaa siten myös energiaturvallisuutta ja vähentää energian- tuotannon ympäristövaikutuksia.
teollisuuden energiankäyttö
Teollisuuden kehittymisen aikana sen ener- giankulutus on kasvanut tuotantomäärien kasvaessa. Historiallisesti teollisuuden ener- giankäytön ja bruttokansantuote ovat olleet kytköksissä toisiinsa, mutta viime aikoina tieto- ja tietoliikenneteknologian (ICT) ja palvelusektorin kasvu ovat pienentäneet tätä riippuvuutta. Kehityssuuntaus on kulkenut kohti tuotteiden korkeampaa jalostusastetta,
mikä on lisännyt energiankulutusta. Proses- sien kehittäminen on kompensoinut tätä ke- hitystä, eli prosessien energiatehokkuus on parantunut. Energiatehokkuuden tulisi olla olennainen osa prosessien suunnittelussa ja toiminnassa. Energiatehokkuuden kannalta olennaisimmat päätökset tehdään prosessi- en suunnittelu- ja rakennusvaiheessa.
Maailmanlaajuisesti energiankäytöltään suurin teollisuudenala on kemian- ja pet- rokemianteollisuus, joka kulutti 30 % teol- lisuuden loppuenergiasta vuonna 2004.
Seuraavina olivat metalliteollisuus (19 %) ja mineraaliteollisuus (9 %). Metsä- ja pa- periteollisuus on neljänneksi suurin nimetty luokka (6 %). Yhteensä neljä merkittävintä teollisuudenalaa kuluttivat yli 60 % teolli- suuden energian globaalista loppukulutuk- sesta (kuva 4).
Teollisuuden energiankulutus voidaan jakaa prosessissa kulutettavaan energiaan ja muuhun kulutukseen (tilojen lämmitys, valaistus jne.). Termodynamiikan lait aset- tavat teoreettisen minimin prosessien ener-
taulukko 1. Pitkän aikavälin mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi joidenkin teollisuustuotteiden valmistuksessa. Nykytilan ja teoreettisesti saavutettavissa olevan tason välil- lä on merkittäviä eroja tuotteiden välillä. Lyhenne SEC tarkoittaa ominaisenergiankulutusta (spe- cific energy consumption). (Turkenburg 2007)
Paperi/kartonki Neitseellinen teräs Kierrätysteräs Ammoniakki Typpihappo
2,3-8,6 19,0
7,0 33,0 26,8
0,6-4,3 12,5
3,5 28,6 15,3
0,0 6,6 0,0 19,2
3,2 SEC,GJ/tonni
tuotetta
Energiatehokkuuden parantamis- mahdollisuudet pitkällä aikavälillä
Nykyinen
paras Tulevat
teknologiat SEC, teoreettinen
minimi
giankulutukselle. Esimerkiksi veden haih- duttaminen ja kemialliset reaktiot vaativat tietyn määrän energiaa. Näitä rajoituksia energiatehokkuuden parantamiselle voi- taisiin ohittaa suunnittelemalla uudelleen koko prosessikonsepti, esimerkiksi pape- rinvalmistus käyttämättä vettä prosessissa.
Toinen vaihtoehto on korvata prosessiin syötettävä energia alempiarvoisella ener- gialla, kuten matalalämpöisellä höyryllä.
Suuret parannukset prosessien energiate- hokkuudessa edellyttävät täten merkittä- viä muutoksia prosesseihin. Teollisuudessa muutoksia hidastavat lisäksi investointien pitkät eliniät, hitaasti muuttuvat toimintata- vat ja pääomavaltaisuus. Vaikka itse proses- sin energiankulutus olisi lähellä teoreettista minimiä, muun kulutuksen pienentäminen voi tarjota merkittäviä energiansäästömah- dollisuuksia.
Teollisuusprosessien energiankäyttö ja energiatehokkuus vaihtelevat paljon pro- sessista riippuen, eikä niiden mittaaminen ole yksiselitteistä. Jopa saman tuotteen val- mistusprosesseilla voi olla yksilöllisiä omi- naisuuksia. Teknologian mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi eri te-
ollisuudenaloilla koostuvat hyvin kirjavas- ta joukosta eri teknologioita. Taulukossa 1 on arvioitu mahdollisuuksia energiatehok- kuuden parantamiseksi pitkällä aikavälillä eräiden teollisuustuotteiden valmistuksessa ominaisenergiankulutusta mittarina käyt- täen. Taulukosta 1 nähdään, että parhaiden nykyisten prosessien, tulevaisuuden tekno- logioiden ja teoreettisten minimien ener- giakulutuksessa on merkittäviä eroja tuot- teiden välillä. Myös parhaan teknologian levinneisyydessä voi olla eroja. Teknologian mahdollisuudet parantaa tuotteiden valmis- tuksen energiatehokkuutta voivat täten voi- makkaasti vaihdella teollisuusalojen ja alu- eiden välillä. Energy Visions 2050 sisältää analyysin tärkeimpien teollisuussektoreiden teknologioista sekä yhden kappaleen ylei- sistä, kaikille teollisuusaloille sovellettavis- sa olevista teknologioista.
rakennussektori
Rakennussektorilla (eli asuin- ja palvelura- kennuksissa) pääasialliset energian loppu- käyttökohteet ovat tilojen lämmitys, läm- pimän käyttöveden tuotanto, jäähdytys, valaistus, ruuan valmistus ja moninaiset sähkölaitteiden ryhmän. Rakennussektorin energiatehokkuuden parantamisessa ja ra- kennussektorilta aiheutuvien CO2-päästöjen vähentämisessä on kaksi päävaihetta: (i) ra- kennusten energiantarpeen vähentäminen, ja (ii) vähentyneen energiantarpeen tyydyt- täminen pääasiassa uusiutuvilla energialäh- teillä.
Energiantarpeen pienentämistä edesaut- taa kokonaisvaltainen ja ammattitaitoinen suunnittelu. Tällöin mahdollistuvat energia- tarpeen pienentämiseksi edulliset kokonais- valtaiset ratkaisut, jotka käsittävät rakennus- ten arkkitehtuurisuunnittelun, rakenteiden suunnittelun ja sähkösuunnittelun sekä ra- kennusautomaation ja urakoinnin.
Rakennusten tekniset käyttöiät ovat ra- kennetussa ympäristössä tyypillisesti usei-
Rakennusteknologioiden suhteelliset erot ja kehitys
Nykyinen rakennus- teknologia 100
80 60 40 20
110 108 106 104 102 100
2005 2010 2015 2020 2025 2030
Investointikustannukset Lämmityksen
energiankulutus
Matala- energia- rakennukset, nykyteknologia
Passiivi- talo- konsepti
Nolla- energia- rakennukset
Energia- positiiviset rakennukset Tavanomainen
rakennuksen energiankulutus Uusiutuvan energian nettotuotanto
112
kuVa 5. Energiatehokkaiden rakennusten lämmitysenergian tarve ja investointikustannukset verrat- tuna nykyiseen rakennusteknologiaan. Lisäinvestointi on pieni verrattuna esimerkiksi suhdannetilan- teesta aiheutuviin hintaheilahduksiin tai rakennuksen sisustuksen kustannuksiin.
ta vuosikymmeniä, joten suuret muutokset rakennuskannassa tapahtuvat hitaasti. Siksi on hyvin tärkeää tehdä perusteltuja ja kes- täviä rakennuskannan energiakulutusta ja sen tyydyttämistä koskevia ratkaisuja sekä aluesuunnittelun että yksittäisten raken- nusten tasolla. Viimeisen kahden vuosi- kymmenen aikana tapahtunut rakennus- ja rakennekomponenttiteknologian kehitys sekä huolellinen suunnittelu mahdollistavat tulevaisuudessa huomattavan energiansääs- tön asuin- ja palvelurakennuksissa. Lukuis- ten Suomessa toteutettujen koerakennus- projektien perusteella energiatehokkaiden rakennusten lämmitysenergian säästömah- dollisuudet voivat olla yli 50 % nykyisiin rakennuksiin verrattuna (kts. kuva 5). Sääs- tö edellyttää vain marginaalista lisäkustan- nusta rakennusten koko elinkaaren aikaisiin kustannuksiin.
Energiatehokkaiden rakennusten markki- nat ovat vielä varhaisessa kehitysvaiheessa,
mutta niiden osuuden arvioidaan lähitule- vaisuudessa kasvavan ympäristö-, taloudel- listen ja poliittisten syiden vaikutukses- ta. Rakennussektorilla on mahdollisuudet merkittäviin CO2-päästöjen vähennyksiin, mutta niiden toteutuminen edellyttää suu- ria muutoksia rakennussäännöksiin ja alalla vallitseviin käytäntöihin.
Kymmenien kansainvälisten koeraken- nusprojektien perusteella energiatehokas rakennus on myös hyvä investointi. Vaikka nykyteknologialla toteutettujen matalaener- giarakennusten rakentamiskustannukset ovat 2-5 % suuremmat kuin tavanomaisen rakennuksen, nämä kustannukset tulevat katetuksi pienempien energiakustannusten ansiosta 5-15 vuodessa.
Tilojen lämmitysenergian ja muiden käyttökohteiden (mm. lämpimän käyttö- veden tuottaminen, jäähdytys, valaistus, ruuanvalmistus ja sähkölaitteet) osuudet Energy Visions 2050 -skenaarioiden mu-
kuVa 6. Asuin- ja palvelurakennusten loppuenergiankäyttö Energy Visions 2050 -skenaarioissa.
Tilojen lämmityksen osuus loppukulutuksesta vähenee skenaarioissa huomattavasti.
Asuin- ja palvelurakennusten energian loppukulutus maailmassa
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Loppukulutus, EJ 2010 2030 2050 2090 2010 2030 2050 2090 2010 2030 2050 2090 2010 2030 2050 2090
OECD, perus Ei-OECD, perus
OECD 2 °C Ei-OECD 2 °C
Palvelu-, muu Asuin-, muu
Palvelu-, tilojen lämmitys Asuin-, tilojen lämmitys
kaan esitetään kuvassa 6. Vuonna 2005 läm- mityksen osuus oli noin kolmannes, mutta skenaarioissa sen osuus tulee huomattavasti vähentymään vuoteen 2050 mennessä.
Kuvan 6 kaltainen kehitys on mahdol- lista, koska monissa maissa tilojen lämmi- tyksen energiatehokkuus on vielä melko heikko, ja siksi huomattavia parannuksia voidaan saavuttaa. Toisaalta jäähdytyksen ja sähkölaitteiden energiankäyttö kasvaa skenaarioissa nopeasti kehittyvissä maissa.
Asuin- ja palvelurakennussektorilla säh- kölaitteiden energiatehokkuuden paran- taminen koostuu hyvin suuresta joukosta teknologioita ja päätöksiä, yksittäisistä Energy Visions 2050 -kirjassa käsitellyistä mahdollisuuksista voidaan mainita kulu- tuselektroniikkalaitteiden lepovirtakulu- tuksen (ns. stand-by -kulutus) pienentä- minen. LED-teknologian kehittyminen ja yleistyminen mahdollistaa tulevaisuudessa huomattavan valaistuksen energiankäytön tehostumisen.
liikennesektori
Talouden ja yhteiskunnan kehitys heijastuu ihmisten ja hyödykkeiden liikuttamistarpee- seen. Esimerkiksi bruttokansantuotteen kasvu on heijastunut vastaavana tai jopa suurem- pana liikenteen ja kuljetusten lisääntymisenä jo vuosikymmenien ajan. Vasta viime aikoina suuntaus on muuttunut talouskasvun siirryt- tyä enenevästi aineettomiin hyödykkeisiin ja palveluihin. Uusien autojen keskimääräinen polttoaineenkulutus on merkittävästi laske- nut viime vuosikymmeninä moottorien te- hokkuuden parantumisen ansiosta. Kulutta- jien mieltymykset ovat kuitenkin siirtyneet kohti suurempia ja tehokkaampia autoja, jot- ka ovat kulutusta lisääviä tekijöitä. Nykyisen liikenteen valtateknologian, polttomoottorin (ICE) ja öljyn yhdistelmän korvaamiseksi useat vaihtoehdot, kuten hybridi- ja sähkö- autot ja polttokennoteknologiaan perustuvat teknologiat, ovat tutkimus- ja kehitystyön kohteena. On kuitenkin vielä liian aikaista
kuVa 7. Keinoja vähentää liikennesektorin ympäristövaikutuksia. Toteuttamiseen tarvittava aika vaih- telee huomattavasti keinojen välillä.
Joukkoliikenteen kehittäminen Yhteiskunta
Teknologia Liikenteen
hallinta
Kulkuneuvon valinta
Katalysaattorit ja muu puhdistus- tekniikka
Moottorien kehitys
Uudet voima- laitteet
Uusiutuva energia Vaihtoehtoiset
polttoaineet Ajo-
tyyli
ICT:n edut Tieverkko
PÄIVIÄ KUUKAUSIA VUOSIA VUOSIKYMMENIÄ
Maankäyttö ja suunnittelu
Toimintojen sijoittelu
Uudet energia- lähteet
Liikennesektorin ympäristövaikutusten vähentäminen
sanoa, mikä näistä nousee tulevaisuuden valtateknologiaksi.
Liikenteessä ja kuljetuksissa sovellettavi- en energialähteiden ja teknologioiden kirjo tullee tulevaisuudessa huomattavasti lisään- tymään. Lähitulevaisuudessa suurin muutos tulee olemaan biopolttoaineiden lisääntyvä käyttö yhdessä öljypohjaisten polttoaineiden kanssa.
Energy Visions 2050 -kirjan perusskenaa- riossa liikenteen käyttämä energia kasvaa yli 60 %:lla vuoden 2005 tasosta vuoteen 2050 mennessä. Lentoliikenne on nopeimmin kas- vava liikennemuoto, mutta myös tieliikenne kasvaa hyvin nopeasti kehittyvissä maissa.
Esimerkiksi kehittyvässä Aasiassa autolii- kenne kasvaa kuusinkertaiseksi.
Teknologian mahdollisuudet liikennesek- torilla ovat huomattavat, mutta riittävien päästövähennysten saavuttaminen on suuri haaste. Viime vuosina polttoainetehokkuus on kehittynyt suotuisasti kaikissa liikenne- muodoissa, ja skenaarioissa tämän suunta-
uksen on oletettu jatkuvan.
Suuremmat päästövähennykset ja tehok- kuuden parantaminen saavutetaan ilmas- tonmuutoksen hillitsemiseen tähtäävissä skenaarioissa (2 ºC-skenaariot kuvassa 8), joissa vaihtoehtoisia polttoaineita käyttävät ajoneuvot alkavat vallata markkinaosuut- ta. Biopolttoainekomponenttien lisääminen dieselajoneuvoihin onnistuu jo nykytekno- logialla, ja niiden osuus on teknisesti mah- dollista nostaa erittäin korkealle tasolle vuo- teen 2050 mennessä. Sähköä hyödyntävät hybridisähköautot ja ns. plug-in-hybridit ovat jo astumassa markkinoille, ja ne ovat mahdollisia lyhyen aikavälin vaihtoehto- ja ratkaisuja siirryttäessä täysin sähköisiin sähköautoihin. Toinen merkittävä teknolo- giavaihtoehto pidemmällä aikavälillä ovat polttokennot, erityisesti vetyä polttoaineena käytettäessä. 2 ºC-skenaarioissa sähköautot vaikuttavat kilpailukykyisemmältä vaihto- ehdolta pienitehoisimmissa luokissa. Vetyä käyttävät polttokennoajoneuvot valtasivat
kuVa 8. Energian loppukäyttö liikennesektorilla Energy Visions 2050 -kirjan skenaarioissa. Sähköautot alkavat vallata markkinoita pienemmissä teholuokissa pyrittäessä rajoittamaan maapallon lämpenemi- nen kahteen asteeseen.
Liikenteen energian loppukulutus skenaarioissa
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Perusura
Loppukulutus, EJ 2010 2030 2050 2070 2090 2010 2030 2050 2070 2090 2010 2030 2050 2070 2090
Sähkö Biopolttoaineet Synteettiset polttoaineet Hiili Kaasu Öljyt 2 °C Tehostus
2 °C Markkina
skenaarioissa merkittävän markkinaosuu- den raskaammassa liikenteessä vuoden 2050 jälkeen. Liikennesektorilla skenaarioi- hin sisältyy suuri epävarmuus, joka johtuu vielä kehitysvaiheessa olevista teknologi- oista ja erityisesti tulevaisuuden poliittisista päätöksistä ja kansallisista säädöksistä
EnErgian
tuotantotEknologiat
Energy Visions 2050 -kirjassa käsitellyt energiantuotantoteknologiat mahdollistavat kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisen ja tarjoavat keinon vähentää riippuvuutta hu- penevista fossiilisista energiavaroista tule- vaisuudessa. Teknologiat perustuvat uusiu- tuviin tai vähäpäästöisiin energialähteisiin tai hyötysuhteen parantamiseen.
Suurin osa esitellyistä ja arvioiduista tek- nologioista soveltuu sähköntuotantoon tai nestemäisten tai kaasumaisten biopolttoai-
neiden tuotantoon öljyn ja maakaasun kor- vaamiseksi. Neste- ja kaasumaisten biopolt- toaineiden pääasialliset sovelluskohteet ovat liikennesektorilla, mutta kirjassa käsitellään myös kotitalouksien lämmitys- ja teollisuu- den prosessisovelluksia. Yhdyskunnissa ja teollisuudessa sovellettavia lämmöntuotan- toteknologioita ovat uudet ja edistykselliset lämmön ja sähkön yhteistuotantoteknologiat (CHP). Pienen mittakaavan lämmöntuotan- toteknologiat rajoittuvat aurinkolämmityk- seen, polttokennoihin perustuvaan CHP-tuo- tantoon sekä uusiin, korkealla hyötysuhteella toimiviin varaaviin lämmitysratkaisuihin, joiden pienhiukkaspäästöt ovat alhaiset.
Energy Visions 2050 -kirjassa käsitellään uusiutuviin energialähteisiin perustuvista sähköntuotantomuodoista tuuleen, biomas- saan, aurinkoon, vesivoimaan ja valtamerien energiaan perustuvia sähköntuotantotekno- logioita. Vähäpäästöisistä sähköntuotanto- teknologiavaihtoehdoista käsitellään lisäksi
Visio: 5 miljoonaa sähköautoa Pohjoismaissa – vaikutukset sähköverkkoon
Millaisia vaikutuksia aiheutuu sähköverkkoon, jos puolet Pohjoismaiden henkilöau- tokannasta on sähköautoja (EV) tai plug-in-hybridisähköautoja (PHEV)? Autoja lada- taan älykkäästi, eli lataaminen tapahtuu yöaikaan matalan tehon aikana. Vuosittai- nen lisäys sähkönkulutuksessa on alle 4 % eli noin 14 TWh. Vaikutus huipputehoon olettaen, että
kaikki autot ladataan kotitalouksien pistokkeista (max 2500 W), ja
•
latausjärjestelmä on riittävän älykäs siirtämään 90 % illan kuormituksesta yöaikaan,
•
voidaan nähdä kuvasta 9. Laskennassa käytettiin vuoden 2006 huipputehoviikkoa. Mi- käli autojen lataamista voidaan ohjata, ovat sähköautojen laajamittaisen käyttöönoton vaikutukset sähköjärjestelmään kohtuullisen pieniä. Huipputeho kasvaa alle 2 %.
Viiden miljoonan sähköauton vaikutus Pohjoismaiden sähköjärjestelmässä
0 20000 40000 60000 80000
0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 16.1.-22.1.2006
MW
FI+SE+DE+NO Sähköautot Vanha huipputeho 20. tammikuuta 8:00-9:00: 67,8 GW
Uusi huipputeho 20. tammikuuta 9:00-10:00: 68,8 GW
kuVa 9. Viiden miljoonan sähköauton (henkilöauton) vaikutus Pohjoismaiden sähköjär- jestelmässä huipputehoviikolla. Laskennassa käytettiin vuoden 2006 toteutunutta huip- putehoviikkoa.
ydinvoimaa sekä hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia (CCS) ja niiden tulevaisuu- den mahdollisuuksia.
Ydinvoiman tulevaisuuden mahdollisuuk- siin vaikuttavat oleellisesti uudet tulevaisuu- den laitosvaihtoehdot. Kehitteillä on useita edistyksellisiä fi ssioon perustuvia voimalai- toskonsepteja, joista osassa hyödynnetään nopeita reaktoreita ja suljettua polttoaine- kiertoa. Ne mahdollistavat uraaniresurssien huomattavasti nykyistä tehokkaamman hyö-
dyntämisen ja turvaavat siten polttoaineen riittävyyden pitkälle tulevaisuuteen. Lisäksi osa uusista voimalaitoskonsepteista voisi toimia prosessilämmön tai vedyn tuotannos- sa. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus- laitos, jota varten Suomessa on suunniteltu jätettävän rakennuslupahakemus vuoteen 2012 mennessä, on esimerkki suomalaises- ta teknologiakehityksestä kansainvälisellä ydinteknologiakehitystyön alueella. Ener- giaa vapautuu myös fuusiossa, raskaiden
kuVa 10. Hiilidioksidin talteenoton mahdollisuudet. CO2:n erottamiseksi on kolme talteenottotekno- logioiden pääluokkaa: erotus polton jälkeen, erotus ennen polttoa ja happipoltto, joiden välinen valinta riippuu mm. siitä, minkälaiseen voimalaitokseen CO2:n erotusta sovelletaan. Erotettu hiilidioksidi pu- ristetaan kokoon ja kuljetetaan varastointipaikalle putkessa tai laivalla. Soveltuvia varastointipaikkoja voivat olla mm. käytetyt öljy- ja kaasukentät ja muut soveltuvat geologiset muodostumat kuten suola- vesikerrostumat. (Alkuperäinen kuva: IPCC 2005)
vetyisotooppien (deuterium, tritium) yhdis- tymisessä. Mahdollisuus hyödyntää fuusio- energiaa tulevaisuuden energiaratkaisuna on teoreettisesti todistettu, mutta tekno- logian mahdollinen kehittyminen sovelta- miskelpoiseksi ratkeaa vasta usean vuosi- kymmenen koe- ja demonstraatiovaiheen jälkeen. Mikäli fuusiovoiman demonstrointi toteutuu menestyksellisesti, sen kaupallinen soveltaminen voi alkaa aikaisintaan vuoden 2050 tienoilla.
CCS:n nykyinen kehitystyö Suomessa
keskittyy pääosin tekniikan soveltamiseen leijukerroskattiloissa happipolton yhtey- dessä. Se mahdollistaisi CCS:n soveltamisen suuren kokoluokan CHP-laitoksissa, keski- suuren kokoluokan (600–800 MWe) hiili- ja seospolttolaitoksissa ja jälkiasennukset jo toiminnassa oleviin nykyisiin laitoksiin.
Myös leijukerrospolttoa ja paineistettua kaasutusta soveltavat integroidut laitoskon- septit ovat erityisen soveltuvia CCS:lle.
Bioenergian hyödyntäminen suuren ko- koluokan laitoksissa on riippuvainen tehok- Hiilidioksidin talteenoton mahdollisuudet
EnErgiantuotantotEknologioidEn kEhitys
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 CO -päästöt (g/kWh)2
25 30 35 40 45 50 55 60 Nykyinen keskiarvo
Referenssilaitos Thermie
700 Thermie ultimo EU-maiden
keskiarvo 2010 100 % hiili
20 % biomassa 10 % biomassa
100% maakaasu
CO -päästöjen vähentämismahdollisuudet ylikriittisillä kattiloilla 2
Hyötysuhde (%)
’85 ’87 ’89 ’91 ’93 ’95 ’97 ’99 ’01 ’03 ’05 ? 15 m O
112 m O 126 m O
160 m O
Käyttöönottovuosi Teho Airbus A380 Siipien kärkiväli Roottorin halkaisija (m) 80 m
0.05 0.3 0.5 1.3 1.6 2 4.5 5 8/10 MW
Tuulivoimateknologian kehitys
Viitteellinen aikajana uudentyyppisten ydinreaktoreiden kehitykselle
G IV G IV G IV
FUUSIO
Käytöstäpoisto toiminnassa
KAUPALLINEN FUUSIO Rakent.
Polttoaineiden ominaisuudet rajoittavat Korkea substituutioaste (BTL,CTL,GTL) Tiekartta tulevaisuuden liikenteen polttoaineteknologioille
1. kaupallinen BTL-laitos 2012-2014 Ajoneuvokanta ja
jakelukanavien puute rajoittavat
Vähentyvät elinkaaren CO2-
päästöt
Vähenevä öljynkulutus
Parantuneet tavanomaiset polttoaineet
Uusiutuvien polttoaineiden sekoittaminen Maakaasu
Vety
Edistykselliset biopolttoaineet (sekoitetut ja puhtaat)
Nykyhetki Keskipitkä aikaväli Pitkä aikaväli BTL-diesel ja bensiini
Selluloosaetanoli
Muokattu lähteestä Röj (2005)
uusia suomEssa kEhitEttäViä EnErgiatEknologioita
Step-wise built multifuel high-efficiency CHP with carbon capture
G
S te a m G Tu r b in e CFB- kattila Happipoltto- mahdollisuus Korkea-
paine-esi- lämmitin
Alipaine- lämmitinesi- Höyry- turbiini Syöttö-
vesi
Lämmön talteenotto Höyrynkehitin Höyry-
turbiini
Jäähdytys- vesi n. + 5 OC Matala lämpö- tila
Lauhdutin
Lauhdutin
290 MWe
460 MWe Höyry
GT
Maakaasu Kivihiili Biopoltto-
aine DeSox, DeNox jne. CO2:n erotus
Korkean hyötysuhteen monipolttoaine-CHP-laitos CO2 :n erotuksella Kivi-
hiili
Kaasu- tin
Happi Typpi Puh-distus
mahd.ASU
CCS ennen polttoa
Vety poltto-Bio-
aine
Jalostamo
Raakaöljy
FT-synteesilaitoksen integrointi sellu- ja paperitehtaaseen
Puu, olki, energiakasvit, kierrätyspoltto- aine, turve
FT-synteesi ja jalostus Kaasutus ja kaasun puhdistus Sellu- ja paperi-
tehdas
Biomassan käsittely ja kuivaus
Voima- laitos Prosessihöyry ja sähkö Paperi
ja sellu
Puudiesel Kuivaus-
energia
Synteesi- kaasu Kuori,
metsä- tähde, muu biomassa
Poltto- kaasu + höyry
Höyry ja happi
Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus
4.1 m
Täyteaine Bentoniitti 7.5 m
Metallisäiliö 1.7 m
LO1-2 OL1-2 OL3
Pohjolan Voima
Visio: Bioenergia-CCs
Hiilidioksidin talteenotto- ja varastointiteknologiaa voitaisiin periaatteessa soveltaa myös biomassaperäisten CO2-päästöjen erottamiseksi, mikäli voimalaitos on riittävää koko- luokkaa kustannusten kattamiseksi. Bioenergia-CCS:llä (bio-CCS:llä) voidaan päästä elinkaarta ajatellen negatiivisiin hiilidioksidipäästöihin.
Biomassalla on tiettyjä energiantuotantoteknologiaan ja tuotettavien energiatuotteiden valikoimaan liittyviä samankaltaisuuksia fossiilisten polttoaineiden, erityisesti hiilen kans- sa. Sekä biomassa että fossiiliset polttoaineet soveltuvat perusvoiman ja kaasu- ja nes- temäisten polttoaineiden tuotantoon. Kaikkia kolmea CCS:n talteenottoteknologioiden pääluokkaa voitaisiin siten soveltaa myös biomassaenergiajärjestelmiin. Nykyiset talteen- ottoteknologiat kuluttavat suhteellisen paljon energiaa, joten bioenergian yhteydessä ne olisivat sovellettavissa vain suuren kokoluokan (yli 500 MW) sähkön- ja lämmöntuotan- tolaitoksissa. Koska pääosa biomassakattiloista on tyypillisesti tätä pienempiä, CCS:n potentiaali bioenergian yhteydessä rajoittuisi käytännössä mustalipeäsoodakattiloihin ja muutamiin CHP-laitoksiin.
EU:n biopolttoainedirektiivin tavoite lisätä huomattavasti biopolttoaineiden käyttöä saat- taisi tarjota lisää CCS:n hyödyntämismahdollisuuksia. Useat biopolttoaineiden jalos- tusprosessit tuottavat sivutuotteenaan CO2-kaasua, joka voitaisiin kohtalaisen helposti kuivata, puristaa kokoon ja kuljettaa varastoitavaksi. EU:n tavoite liikenteen uusiutuvan energian 10 %:n osuudesta vuoteen 2020 mennessä nostaisi EU:n vuosittaisen biopolt- toaineiden käytön yli 40 Mtoe:n suuruiseksi. Olettaen sekä etanolin että synteettisen dieselin osuuksiksi 10 Mtoe ja lisäksi CCS-laitos puoleen biopolttoainelaitoksista, vuo- sittainen CCS:n potentiaali olisi noin 10 Mt CO2.
Biomassaa voitaisiin myös hyödyntää seospoltossa CCS:llä varustetuissa hiilikattiloissa, mikä vähentäisi laitoksen CO2-päästöjä. Biomassan käyttö määräytyy paikallisen saata- vuuden ja biomassan hinnan perusteella. On kuitenkin todennäköistä, että biomassan seospolttoa sovellettaisiin vallitsevasti CO2-päästöjen vähentämiskeinona kattiloissa, joita ei ole varustettu CCS:llä. Bio-CCS:n mahdollisuudet näkyvät myös Energy Visions 2050 -kirjan ilmastonmuutoksen hillintään tähtäävissä skenaarioissa, joissa bioenergiaan perustuva CCS valtaa merkittävästi markkinaosuutta pitkällä aikavälillä, noin vuodesta 2050 alkaen (ks. kuva 11).
kuVa 11. Hiilidioksidin talteenotto pääluokittain ilmastonmuutoksen hillitsemiseen täh- täävässä “2 °C Markkina” -skenaariossa. Tulosten mukaan CCS biomassalaitoksiin so- vellettuna vaikuttaa pitkällä aikavälillä kustannustehokkaalta päästövähennyskeinolta.
CO2:n erotus luokittain 2 °C Markkina -skenaariossa
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
2030 2050 2070 2090
Erotettu CO2, Gt CO2 Polttoaineiden
jalostus Teollisuus
Bio-CCS, sähköntuotanto Sähköntuotanto fossiilisista
kuVa 12. Konventionaalisten (tavanomaisimpien) fossiilisten polttoaineiden ja uraanivarojen riittä- vyys nykyisellä kulutustasolla ja teknologialla. Pylväiden leveys kuvaa nykyisen käytön suuruutta ja ala kunkin energiaresurssin kokoa (Kuvan tietojen lähde: BGR 2006). Useilla uusiutuvilla energiavaroilla, joita ei ole esitetty kuvassa, on teoreettinen ja tekninen potentiaali ylittää maailman energiantarve mo- ninkertaisesti. Lisäksi edistykselliset tulevaisuuden ydinenergiateknologiat voivat mahdollisesti lisätä ydinpolttoainevarojen riittävyyttä useilla kertaluokilla.
Tärkeimpien polttoaineiden varat
0 50 100 150 200 250 300 350
Öljy Maakaasu
R/P, vuotta
Nykyiset varat Lisävarat
109 EJ/a 163 EJ/a
Satoja vuosia
141 EJ/aHiili Uraani27 EJ/a
kaasta hankintajärjestelmästä, kun suuria määriä biomassaa korjataan, kuljetetaan ja varastoidaan matkalla pelloilta tai met- sistä energialaitokselle. Tehokkaimmat ja taloudellisesti hyödyntämiskelpoisimmat konseptit on tyypillisesti yhdistetty proses- seihin, joissa biomassa hyödynnetään en- sin raaka-aineena ja prosessin sivutuotteet tai jätteet käytetään energiantuotannossa.
Klassinen esimerkki on sellutehdas, jos- sa puun kuidut hyödynnetään selluntuo- tannossa ja loput puusta energiantuotan- nossa, josta osa käytetään tehtaan oman energiantarpeen tyydyttämiseen. Nykyiset integroidut energiantuotantokonseptit voi- vat sisältää höyryn ja sähkön tuotannon CHP-laitoksilla sekä mäntyöljyn ja pelletin valmistuksen sivutuotteista. Tulevaisuudes- sa nestemäisten biopolttoaineiden tuotanto tulee usein toimimaan teollisuusprosessei-
hin integroituna metsäteollisuuden, elintar- viketeollisuuden tai jätteiden kierrätyksen yhteydessä tai muilla teollisuudenaloilla, joissa biomassaa hyödynnetään teollisuus- prosessien raaka-aineena. Biomassan käyt- tö fossiilisten polttoaineiden rinnalla on mahdollinen vaihtoehto myös seospoltossa ja kaasutuksessa teollisuuden ja yhdyskun- tien CHP-laitoksissa.
EnErgiaVarat
Fossiiliset polttoainevarat ovat rajallisia ja kiihtyvästi hupenevia. Mikäli kulutus säilyi- si nykytasolla seuraavilla vuosikymmenillä, helposti hyödynnettävien raakaöljy- ja maa- kaasuvarojen arvioidaan riittävän 40 – 70 vuotta. Helposti hyödynnettävien öljy- ja kaasuvarojen lisäksi on todennäköisiä varoja eli resursseja, joiden hyödyntäminen on kal-
kuVa 13. Todennetut raakaöljyvarat vuonna 2007 (1 GBl = 1,36 • 108 tonnia). (Kuvan tietojen lähde:
BP 2008)
Maailman tuulienergiavarat
kuVa 14. Maailman tuulienergiavarat käyttökertoimen avulla esitettynä. Mitä suurempi käyttökerroin on, sitä edullisempi sijainti tuulivoiman kannalta. (Lu, McElroy & Kiviluoma 2009)
liimpaa tai vaatii mahdollisesti suuremman energiapanoksen. Helposti hyödynnettävät hiilivarat ovat lähes kaksinkertaiset, ja to- dennäköiset varat kestäisivät vuosisatoja nykyisellä kulutustasolla (kuva 12).
Maailman energianhankinta perustuu
valtaosin fossiilisiin polttoainevaroihin, ja niiden osuus tulee olemaan merkittävä vielä useita vuosikymmeniä. Fossiilisten polttoai- nevarojen energiasisältö on peräisin aurin- koenergiasta, joka on mahdollistanut suuri- en biomassavarojen karttumisen. Maatunut
36 40 41
79 87
98 102
115 138
264
Nigeria
0 100 200 300
Kazakstan Libya Venäjä Venezuela Yhdist. arabi- emiirikunnat Kuwait Irak Iran Saudi-Arabia
Todennetut raakaöljyvarat 2007 Yhteensä 1240 Gbl
Lähi-itä yhteensä 61 % Etelä- ja Keski-
Amerikka 9 %
Muut 9 %
Kazakstan 3 % Pohjois- Amerikka 6 %
Kiina 1 % Norja 1 % Nigeria 3 %
Venäjä 6 %
EU 1 %
Gbl
käyttökerroin (%)
kuVa 15. Biomassapohjainen energiapotentiaali (EJ/a) alueittain maailmassa vuonna 2050. Arviot on johdettu VTT:n puumassaa koskevista arvioista ja MTT:n arvioista tärkeimpien energiakasvien ja maatalouden sivutuotteiden ja maatalousjätteiden energiapotentiaalista. (Koljonen et al. 2009;
Pahkala et al. 2009)
Biomassapohjainen energiapotentiaali alueittain maailmassa v. 2050
0 10 20 30 40 50
Afrikka Australia ja Uusi-Seelanti Kanada Keski- ja Etelä-Amerikka Kiina Itä-Eurooppa Ent. Neuvosto- liitto Intia Japani Lähi-itä Meksiko Etelä-Korea USA Länsi-Eurooppa Muu Aasia
EJ/a
Puupohjaiset sivutuotteet 11 EJ/a Polttopuu 22 EJ/a Maatalouden sivutuotteet 49 EJ/a Energiakasvit 70 EJ/a
biomassa on muuntunut fossiilisiksi poltto- aineiksi geologisissa prosesseissa. Itse asiassa suurin osa nykyisistä tärkeimmistä uusiutu- vista energialähteistä (bioenergia, tuulivoi- ma, vesivoima) on suoraan tai epäsuorasti peräisin runsaasta aurinkoenergiasta.
Maapallon pinnalle tuleva auringon sätei- lyteho on keskimäärin 81 000 TW. Vertaa- malla tätä maailman energiankulutukseen 490 EJ/vuosi (16 TW) on selvää, että aurin- koenergialla voidaan teoreettisesti tyydyttää hyvin suuri osa ihmiskunnan energiantar- peesta. Myös geotermiset energiavarat ovat teoreettisesti hyvin suuret. Tekninen poten- tiaali näiden uusiutuvien varojen hyödyntä- miseksi on kuitenkin huomattavasti pienem- pi kuin teoreettinen potentiaali.
Noin 1–2 % ilmakehän energiasta muuntuu tuuleksi. Nykytekniikalla tuuli- voiman tuotannon teknisen potentiaalin maailmassa arvioidaan olevan suuruus- luokkaa 1 000 PWh/a (3 600 EJ/a). Luku
sisältää merituulivoiman tuotannon lähel- lä mantereita alueilla, joissa veden syvyys on sopiva. Pääosa potentiaalista sijaitsee kuitenkin sisämaassa.
Tuulienergiavarojen maantieteellisestä vaihtelusta maapallon eri osissa ranni- koilla ja sisämassa esitetään arvio kuvan 14 kartassa. Nykyiset maapallon laajuiset tuulienergiavarakartat ovat vain viitteelli- siä, sillä tilastojen kattavuus ja laatu ei- vät riitä tarkkojen arvioiden tekemiseen.
Tästä johtuen erityisesti arviot alueilla, joilla maaston muodot ovat monimutkai- sia, sisältävät epävarmuuksia. Kuvan 14 tulokset ovat kuitenkin kohtalaisen hyvin sopusoinnussa tuuliatlaksissa esitettyjen tarkempien tuulienergiapotentiaaliarvioi- den kanssa.
Biomassan nykyinen energiakäyttö on keskittynyt kehittyviin maihin. Kehitty- vien maiden energiasta 33 % on peräisin biomassasta, jota käytetään polttopuuna
Visio: yhteyttävät mikrobit tulevaisuuden energialähteenä
Periaatteessa kaikkia yhteyttäviä eliöitä voidaan pitää auringonvaloa voimanlähteenään käyttä- vinä solutehtaina, jotka muuntavat hiilidioksidin biopolttoaineina hyödynnettäviksi orgaanisiksi molekyyleiksi. yhteyttäviin mikrobeihin (photosynthetic microbes, PMs), eli mikroleviin, kuuluu sekä esitumallisia sinileviä että aitotumallisia leviä. Niiden arvioitu pinta-alaa kohti laskettu tuot- tavuus ylittää maakasvien tuottavuuden vähintään yhdellä kertaluokalla. Eri lajien välillä on kui- tenkin suuria eroja lipidikoostumuksen suhteen, millä on merkitystä erityisesti energiahyödyn- tämisen kannalta. Yhteyttäviä mikrobeja arvioidaan olevan noin 100 000 lajia, joista vasta noin 40 000 on löydetty. Lisäksi vain muutamien lajien soveltuvuutta biopolttoaineiden tuottamiseen on tutkittu. Kartoitettujen lajien öljypitoisuudet ovat vaihdelleet 20 %:n ja 70 %:n kuivapaino- osuuden välillä, ja melko varovaiset saantoarviot ennustavat 58 700 l/ha tuottotasoja (Chisti 2007). Trooppisessa ja subtrooppisessa ilmastossa kasvavaa öljykasvia, Jathropaa, on pidetty lupaavana uutena vaihtoehtona biopolttoaineiden tuotantoon, sillä se kasvaa myös jättömailla eikä siten kilpaile ruuantuotannon kanssa. Jathropan tuottavuus (noin 1 900 l/ha vuodessa) on kuitenkin liian pieni nykyisten energialähteiden korvaamiseksi, sillä sen käyttö vaatisi jopa yli 17 % maapallon pinta-alasta. Nämä esitetyt luvut kuvaavat yhteyttävien mikrobien valtavaa potentiaalia, joka teoreettisesti mahdollistaa TW-suuruusluokan osuuden tulevaisuudessa käy- tettävistä polttoaineista.
Yhteyttävien mikrobien laajamittaiseen hyödyntämiseen tarvittavien viljely- ja prosessointitek- nologioiden kehittäminen on vasta alkuvaiheessa. Vain neljää mikrobilajia on toistaiseksi viljelty teollisessa mittakaavassa ravintolisien ja hienokemikaalien tuottamiseksi. Suurista tutkimusoh- jelmista Yhdysvaltojen vesikasviohjelma (US Aquatic Species Program, ASP) keskittyi yhteyttä- vien mikrobien avoimeen allasviljelyyn (1 000 m2). Tämän tutkimuksen perusteella todettiin, että yhden lajin viljelmiä ei voi ylläpitää avoaltaissa muutamia kuukausia pidempään kontaminaa- tioriskin takia. Toisaalta japanilainen tutkimuslaitos (“Research Institute of Innovative Technolo- gy for the Earth”, RITE), joka keskittyi kokonaan bioreaktoreiden käyttöön ja kehittämiseen, ei saavuttanut teollisesti kannattavaa mittakaavaa (Lee 2001). Yhteyttäviä mikrobeja kasvatetaan suljetuissa ns. fotobioreaktoreissa, joissa valonsaanti taataan läpinäkyvien seinämien tai va- lokuitujen avulla. Näissä bioreaktoreissa yhteyttävien mikrobien kasvua voidaan säännöstellä tarkasti ravinteiden ja hiilidioksidin avulla. Kaksivaiheinen lähestymistapa, jossa sovellettaisiin fotobioreaktoreita vain yhtä mikrobia sisältävän kannan alkutuotantoon ja ulkoaltaita loppu- tuotantoon, saattaisi olla käytännöllinen ja yksinkertainen ratkaisu, jossa kustannukset eivät kohoa liian suuriksi. Tätä strategiaa, eli 25 000 litran fotobioreaktoria ja 50 000 litran avoallasta, on menestyksellisesti käytetty kaupallisessa mittakaavassa Havaijilla. Esimerkkitapauksessa tuotettiin karotenoideja Haematococcus-lajin avulla. Vaihteleva valon määrä leudoilla alueilla on valitettavasti estänyt konseptin käyttöönoton. Leudoille alueille saattaisivat soveltua kasvatus- tavat, joissa hiilidioksidin ohella käytettäisiin muitakin hiilen lähteitä, jolloin esim. jätevesivirtojen hyödyntäminen voisi tulla kysymykseen.
Fotobioreaktoreiden suuren mittakaavan käyttöön liittyy myös muita ongelmia teknisten ja ta- loudellisten seikkojen lisäksi, kuten biomassan keräys nesteestä ja jatkoprosessointi (Molina Grina et al. 2003). Biomassa täytyy kerätä talteen melko laimeista (<0,5 kg m-3) kasvatusalus- toista välttäen energiaa vaativia menetelmiä, esimerkiksi sentrifugointia. Mahdollisia keräysme- netelminä ovat mm. suodatus ja ns. fl okkulointi eli höydyn muodostuminen. Suodattaminen voi kuitenkin olla ongelmallista leväsolujen pienen koon (3–30 µm) vuoksi. Flokkuloinnin avulla voidaan ainakin kasata soluja yhteen ja siten helpottaa sakkauttamista tai suodattamista.
On perusteltua tarkastella koko yhteyttävien mikrobien jalostusketjua, jotta niiden biopolttoai- netuotannosta saataisiin taloudellisesti kannattavaa. Ns. biojalostamokonsepti yhdistää täysin kemikaalien ja energian jalostusketjut. Esimerkiksi lipidien erottamisen jälkeen jäljelle jäävä bio- massa voidaan hyödyntää monin tavoin ja käyttää metaanin, vedyn, etanolin, lipidien tai säh- kön tuottamiseen. Lisäksi sivutuotteina voidaan saada käyttökelpoisia ja arvokkaita kemiallisia yhdisteitä, jotka parantavat kokonaisprosessin taloudellisuutta.
Parhaiden biopolttoaineiden tuotantoon sopivien yhteyttävien mikrobilajien valinnan ohella geeniteknologian avulla voidaan todennäköisesti saavuttaa kaupallisen mittakaavan biopolt- toainetuotanto. Selkeitä optimoitavia ominaisuuksia ovat yhteyttämisen tehokkuus, kasvu ja saanto. Tällä hetkellä vain muutaman levän perimä on kyetty selvittämään. Lisää tutkimusta tarvitaan sekä laajan tietopohjan saavuttamiseksi että levien geenimuuntelun mahdollistavien työkalujen kehittämiseksi. Samanaikaisesti on huolehdittava bioturvallisuudesta toiminnan ym- päristöriskien minimoimiseksi.
kuVa 16. Arvioitu uraanivarojen riittävyys eri teknologioilla vuoden 2006 käyttötasolla (2 660 TWhe/
a; 29 EJ/a). (Kuvan tietojen lähteet: OECD 2008; OECD 2001; OECD 2006) Uraanivarojen arvioitu riittävyys
700
300
100
3 000 9 000 21 000168 000
72 000
24 000 Tunnistetut varat
(5.5 Mt U) Konventionalliset
uraanivarat yhteensä (16 Mt U) Konventionaaliset ja fosfaattimineraaleissa olevat uraanivarat yhteensä (38 Mt U)
Uraanivarojen riittävyys vuosina vuoden 2006 käyttötasolla
Nopeisiin reaktoreihin perustuva polttoainekierto;
kaikkien aktinidien kierrätys
Nykyinen polttoainekierto (kevytvesireaktorit), ei jälleenkäsittelyä Nopeisiin reaktoreihin perustuva polttoainekierto;
plutoniumin kierrätys
1 10 100 1000 10 000 100 000
pääasiassa ruuanlaitossa ja lämmitykses- sä. Tulevaisuuden biomassaperäisen ener- gian hyödyntämispotentiaalia arvioitaessa täytyy huomioida maankäyttö muihin tar- koituksiin, tärkeimpänä ruuantuotantoon.
Lisäksi tulee huomioida luonnon moni- muotoisuus, maaperän ja luonnon suojelu sekä biomassan merkitys hiilinieluna. Nämä kysymykset ratkaisevat bioenergian lisää- misen kelpoisuuden ilmastonmuutoksen hillinnässä ja muihin energiasektorin tule- vaisuuden haasteisiin vastaamisessa. VTT:n ja MTT:n tuore tutkimus arvioi bioenergian hyödyntämispotentiaalin vuonna 2050 ole- van eri skenaarioissa 120–210 EJ. Alarajaa vastaavassa skenaariossa ihmiskunnan ruo- kavalio on liharuokavaliopainotteisempi kuin nykyään, kun taas ylärajan skenaari- ossa ruokavalio muuttuu kasvispainottei- semmaksi, jolloin mahdollisuudet bioener- gian hyödyntämiseksi lisääntyvät. Kuvassa 15 esitetään skenaario, jossa ruokavalio on lähellä nykyistä sekaruokavalioita.
Ydinenergian eri lajeista fuusiovoima tähtää samojen ydinreaktioiden energian valjastamiseen, joihin auringon energiakin
perustuu. Ydinfissiosta vapautuva energia perustuu eräiden raskaimpien alkuaineiden, kuten uraanin ja toriumin, hajoamiseen.
Näillä alkuaineilla on vähäinen hyödynnet- tävyys muissa tarkoituksissa, ja fissio voi olla tulevaisuudessa riittoisa energianlähde, mikäli sovelletaan edistyksellisiä teknologi- sia konsepteja polttoainevarojen käytön te- hokkuuden parantamiseksi. Teknologioiden vaikutus uraanivarojen riittävyyteen näkyy kuvassa 16, jossa on esitetty arvioita eri ydinfissioreaktoriteknologioilla.
EnErgian siirto- ja jakElujärjEstElmät
Järjestelmä, jossa energia muunnetaan lop- pukäyttöön sopivaan muotoon, koostuu pääasiassa energian lähteestä, siirrosta ja/
tai jakelusta, mahdollisesti varastosta, ener- giantuotannosta (eli konversiosta, energia- sisällön muunnosta muodosta toiseen) ja loppukäytöstä. Koska energian varastointi monissa muodoissa on tällä hetkellä talo- udellisesti kannattamatonta tai teknisesti haastavaa, energia varastoidaan usein pri-
kuVa 17. Eri energialähteiden tasapaino tulevaisuudessa.
Virtuaalinen voimalaitos
Varasto Asunnot
Toimisto
Tuulivoimalat Mikro-
turbiinit
Keskitetty energian- tuotanto,voimalaitos
CHP
Polttokennot i Hajautettu energiajärjestelmä
Teollisuuslaitokset
määrienergian muodossa, kuten hiilenä, öl- jynä tai maakaasuna, ja tuotanto sovitetaan vastaamaan hetkellistä kulutusta.
Energy Visions 2050 -kirjassa käsitel- lyt energian siirto- ja jakelujärjestelmät kattavat nykyisen laajasti käytössä olevan sähkö- ja kaukolämpöinfrastruktuurin tek- nologisen kehityksen. Lisäksi pidemmällä aikavälillä vetytalous, käsittäen koko asi- aankuuluvan infrastruktuuriin, saattaisi tarjota monipuolisen tulevaisuuden ener- giankantajavaihtoehdon energian varastoi- miseksi ja siirtämiseksi.
Sähkövoimajärjestelmät koostuvat voi- malaitosten lisäksi korkeajännitteisistä siirtoverkoista ja jakeluverkoista. Nykyään sähköverkko toimii integroidusti tietolii-
kenne- ja televalvontajärjestelmien kans- sa, jotta sähkövoimajärjestelmän toiminta olisi turvallista ja luotettavaa. Tulevaisuu- dessa hajautetun tuotannon lisääntyminen (eli energian tuottaminen pienistä paikalli- sista energialähteistä), sähköntuotanto uu- siutuvista energialähteistä, sähkön kysyn- nän hallinta (Demand Side Management, DSM) ja sähköenergian varastointi korvaa- vat osittain suuren kokoluokan tuotannon tavanomaisissa voimalaitoksissa. Hajau- tetulla tuotannolla on erityistä merkitystä kehitysmaissa, joissa sähköverkko on usein rajoittunut.
Aktiivisen jakeluverkon tarkoitus on tehokkaasti yhdistää sähkön kulutus- ja tuotantopisteet sallien sekä kuluttajille että
