LÄMPÖ JA ENERGIA

TULOSTETTAVA PDF

1. LÄMPÖ JA LÄMPÖTILA

2. LÄMPÖ SIIRTYY

3. LÄMPÖLAAJENEMINEN

4. ENERGIA SIIRTYY JA SÄILYY

5. ENERGIALÄHTEET

5 ENERGIALÄHTEET JA -VARAT

Lähes kaikki energia maapallolla on peräisin Auringosta. Suurin osa Auringosta Maahan tulevasta säteilyenergiasta heijastuu pois ja vain pieni osa läpäisee ilmakehän ja sitoutuu Maassa erilaisiin prosesseihin. Aurinko lämmittää maata ja vesistöjä ja saa aikaan mm. veden kiertokulun, tuulet ja kasvien kasvamisen. Yhteyttämisessä Auringon energiaa on varastoitunut satojen miljoonien vuosien kuluessa kivihiileen ja öljyyn. Tämä Maahan sitoutunut energia voidaan muuntaa voimalaitoksen generaattorilla sähköksi. Voimalaitokset eroavat periaatteessa toisistaan siinä, miten niiden generaattori saadaan pyörimään

Aurinkoparisto

Maapallolle saapuva auringon säteilyenergia on 20 000 kertaa suurempi kuin ihmisten käyttämä energia. Säteilyenergian muuntamiseen suoraan sähköksi on kehitetty aurinkopaneeleja. Ne ovat käyttökelpoisia alueilla, joihin valtakunnan sähköverkko ei yllä. Tyypillinen aurinkopaneeli synnyttää 12 voltin jännitteen. Päivällä järjestelmän akku ladataan ja siihen varastoitu energia käytetään esimerkiksi valaisuun, TV:n katseluun, veden pumppaamiseen ja siivoamiseen. Suomessa kesällä yhden vuorokauden säteilyannos riittää pienellä aurinkopaneelilla noin 7 tunnin valaisuun ja 3 tunnin TV:n katseluun.

Lämpövoimalaitos  

Hiiltä, maakaasua, öljyä, turvetta, puuta tai haketta käyttävät voimalaitokset toimivat samalla periaatteella ja niitä kutsutaan yhteisellä nimellä lämpövoimalaitoksiksi. Yhteyttämisen kautta polttoaineisiin varastoitunut kemiallinen energia vapautetaan polttokattilassa. Poltossa vapautuvalla lämmöllä höyrystetään kattilassa oleva vesi. Vesihöyry virtaa kohti viileää lauhdutinta, jota jäähdytetään esimerkiksi merivedellä. Lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Virratessaan höyry pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria. Liike-energia muuntuu generaattorissa sähköksi.

Hiilivoimalaitoksen toimintaperiaate

Jos lämpövoimalaitos on lähellä asutusta, lauhdevettä voidaan käyttää kaukolämmitykseen.

Kun hiilivoimalaitoksessa poltetaan hiiltä, ympäristöön pääsee rikin ja typen oksideja sekä hiilidioksidia. Rikin ja typen oksidit happamoittavat maaperää ja hiilidioksidi on "kasvihuonekaasu". Nykyään lämpövoimalaitosten ympäristöhaittoja kyetään vähentämään erilaisilla suodattimilla.

Hiili on yksi maapallon runsaimmista energialähteistä. Kivihiili on peräisin miljoonia vuosia vanhoista saniaismetsistä, joihin auringon energia on sitoutunut. Maan alle hautautuneet metsät muuttuivat kovassa paineessa kivihiileksi. Kivihiili on siis varastonoitunutta auringon energiaa. Kiinassa kivihiilen käyttö tunnettiin jo 2000 vuotta sitten, Euroopassa vasta keskiajalla. Kivihiiltä saadaan maasta kaivoksia louhimalla. Suomessa ei kivihiiltä esiinny. Nykyisellä noin 3 miljardin tonnin vuosikulutuksella hiilivarojen on arvioitu riittävän noin 300 vuodeksi. Pääosa Suomessa käytettävästä hiilestä tuodaan Venäjältä, Puolasta, Australiasta, Kiinasta ja Etelä-Amerikasta.

Kivihiilen tavoin maaöljyn ja kaasun synty on kestänyt miljoonia vuosia. Muinaisten merien kasviplanktoniin sitoutunut auringon energia siirtyi ravintoketjussa eläinplanktoniin. Kuoltuaan eläinplankton vajosi meren pohjaan ja hautautui sinne. Jäänteiden päälle on kertynyt vuosimiljoonien kuluessa maakerroksia. Kovan paineen seurauksena jäännökset ovat muuttuneet vähitellen maaöljyksi ja kaasuksi. Maaöljyä saadaan poraamalla reikä öljyä sisältämään maahan. Öljyä esiintyy myös matalilla merialueilla, kuten Pohjanmerellä ja Norjan rannikolla. Ensimmäinen öljylähde otettiin käyttöön Yhdysvalloissa vuonna 1859. Siitä lähtien on öljyä kutsuttu nimellä musta kulta. Maaöljy on seos, josta jalostetaan öljynjalostamoissa eri käyttötarkoituksiin sopivia polttoaineita, kuten bensiini, dieselöljy ja lämmitykseen käytettävä kevyt polttoöljy.

Yli puolet maailman tunnetuista öljyesiintymistä sijaitsevat Lähi-idässä: Saudi-Arabiassa ja Iranissa. Arktisilla merialueilla uskotaan olevan puolet maailman öljy- ja kaasuvarannoista. Nykykulutuksella tunnettujen öljyesiintymien arvioidaan riittävän noin 40 vuodeksi. Öljyn hinta on herkkä kansainvälisille tilanteille ja sen saatavuus ja hinta vaihtelevat. Öljyn jalostus, kuljetus ja varastointi sitovat runsaasti pääomaa. Suomessa öljyä käytetään sähkön tuottamisessa lähinnä tasaamaan sähkön kulutushuippuja. Öljystä jalostettuja polttoaineita käytetäänkin pääasiassa lämmityksessä, liikenteessä sekä teollisuuden poltto- ja raaka-aineena.

Maakaasu on fossiilisista polttoaineista ympäristöystävällisintä. Se ei sisällä rikkiä. Sitä poltettaessa ilmakehään ei pääse kiinteitä aineita. Suomeen kaasu tulee putkea pitkin Venäjältä. Yhtenä vaihtoehtona keskusteltaessa uusista voimalaitoksista on pidetty norjalaisella maakaasulla toimivan suurvoimalaitoksen rakentamista. Tällöin kaasuputki pitäisi rakentaa Ruotsin kautta Suomeen. 

Turvetta nostetaan suosta, jossa turvetta on usean metrin paksuinen kerros. Metrin turvekerroksen kehittymiseen kuluu noin tuhat vuotta. Suurin osa turpeesta käytetään turvevoimaloissa lämmön tuottamiseen.

Vesi- ja tuulivoimalaitos

Vesivoimalaitoksen energialähteenä on padotun veden potentiaalienergia. Vesi virtaa voimalaitoksen turbiinin kautta kohti alajuoksua. Virratessaan vesi pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria.

Vesi haihtuu Auringon lämmön vaikutuksesta alajuoksulla olevista järvistä tai merestä. Ilmassa vesi tiivistyy sadepilviksi. Osa vedestä sataa padon yläpuolella oleville alueille ja päätyy joen yläjuoksun kautta patoon. Sama vesi kiertää vesistöissä Auringon lämmön vaikutuksesta.

Vesivoimalaitoksen pato

Tuulivoimalaitos on toiminnaltaan samantapainen kuin vesivoimalaitos. Siinä generaattoria pyörittää tuuli.

Tuuli- ja hiilivoimalaitos

Ydinvoimalaitos 

Ydinvoimalaitoksen energialähteenä on uraaniytimiin sitoutunut ydinenergia. Uraani on pakattu polttoainesauvaan ja sauvat sijoitettu ydinvoimalaitoksen reaktoriin. Kun ydin halkeaa, syntyy kaksi uutta ydintä, muutama neutroni ja lämpöä. Neutronit voivat halkaista uusia uraaniytimiä, jolloin syntyy ketjureaktio.

Ydinten halkeamisessa vapautuvalla lämmöllä höyrystetään reaktorissa oleva vesi. Vesihöyry virtaa kohti viileää lauhdutinta. Lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Virratessaan höyry pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria.

Ydinvoimalaitoksen toiminnassa syntyy ydinjätettä, joka kapseloidaan ja sijoitetaan kallioperään. On arvioitu, että jätteen aktiivisuus laskee vasta miljoonassa vuodessa alle polttoaineena käytetyn uraanimalmin aktiivisuuden.

Suurimmat uraanimalmiesiintymät ovat Pohjois-Amerikassa, Etelä-Afrikassa ja Australiassa. Uusia ydinvoimalaitoksia ei viime aikoina ole juurikaan rakennettu. Tunnettujen uraaniesiintymien on arvioitu riittävän noin 65 vuodeksi.

Geoterminen energia

Sammumassa olevien tähtien räjähtäessä supernovina on muodostuu raskaampien alkuaineiden lisäksi pitkäikäisiä radioaktiivisia aineita. Maakuoressa nämä aineet hajoavat, jolloin vapautuu lämpöä. Lämpö varastoituu maakuoressa olevaan veteen. Kuumaa vettä tai vesihöyryä johdetaan porauksilla maan pinnalle, jolloin sitä voidaan käyttää lämmitykseen ja sähköntuotantoon. 

Tämän energiamuodon hyödyntäminen rajoittuu tuliperäisille alueille. Kokonaisuudessaan sen merkitys on varsin pieni. Islannissa on runsaasti lämpimiä pohjavesiä ja siellä 75 % taloista lämmitetään geotermisellä energialla. Islantiin on tullut myös paljon energiaa käyttävää teollisuutta mm. alumiini- ja rautatehtaita. 

Maalämpö

Geoterminen lämpö on maakuoressa syntyvää tai siellä olevaa lämpöä. Maalämpö on peräisin Auringon säteilystä, joka on varastoitunut lämpönä maakuoreen. Tämän lämpövaraston hyödyntämiseen tarvitaan ns. lämpöpumppu.

Lämpöpumppuun kuuluu putkisto, joka upotetaan esim. maaperään. putkistossa kiertäväksi nesteeksi on valittu sellainen jonka höyrystymispiste on niin alhainen, että neste höyrystyy kiertäessään maan alla putkistossa. Lämpöpumpussa höyrystynyt aine puristetaan pumpun avulla suurempaan paineeseen, jolloin sen lämpötila nousee, lämpö johdetaan lämmönvaihtimen kautta hyödyksi mm. omakotitalon lämmitykseen. Tämän jälkeen aine päästetään alhaisempaan paineeseen, jolloin se nesteytyy ja voidaan johtaa jälleen putkistoon lämpenemään ja höyrystymään.

Lämpöpumppua on Suomessa käytetty pientalojen lämmitykseen. Talviaikaan maaperä jäätyy putkiston kohdalta  normaalia syvemmältä. Kesällä Auringon säteily sulattaa ja lämmittää maan, jotta energiaa on taas käytettävissä. Maaperän lisäksi lämmönlähteenä voi olla mm. pinta- ja pohjavedet, teollisuuden lämpimät jätevedet.

Energiantuotannon päästöt

Liikenne, teollisuus ja energiantuotanto aiheuttavat päästöjä ilmakehään. Päästöt liikkuvat ilmavirtausten mukana ja laskeutuvat sateiden (märkälaskeuma) tai hiukkasten (kuivalaskeuma) mukana luontoon.

Päästöt muuttuvat kulkeutumisen aikana. Esimerkiksi rikin ja typen oksidit reagoivat ilmassa olevan vesihöyryn kanssa, jolloin syntyy rikki- ja typpihappoa. Vesihöyry tulee happosateena maahan ja happamoittaa maaperän. Hapan maaperä on kasveille epäedullinen kasvuympäristö. Hapan laskeutuma happamoittaa myös järviveden ja meren, jolloin veden kasvien ja eläinten elämä tulee vaikeaksi. Erityisesti Itämeren tilasta on syytä olla huolissaan.

Noin 2/3 happamoitumisesta aiheutuu rikkidioksidista ja 1/3 typen oksideista. Suurin osa rikin ja typen laskeutumasta tulee Suomeen kaukokulkeutumana lähinnä Venäjältä sekä Itä - ja Keski-Euroopasta.

Energiantuotannon riskit

Minkään voimalaitoksen generaattoria ei saada pyörimään ilman riskejä. Sähköntuotannon riskejä on osattava tarkastella kokonaisvaltaisesti. Riskejä on hyvä tarkastella yksilön terveyden, ympäristön ja yhteiskunnan näkökulmasta. Toinen tarkastelun näkökulma on sähköntuotannon eri vaiheiden tarkastelu:

-  raakaenergian hankinta (hiilen tai uraanimalmin louhinnassa tapahtuneet
    onnettomuudet),
-  voimalaitosten rakentaminen (suuren voimalaitoksen rakentamiseen
    tarvitaan paljon aikaa, ihmisiä, betonia ja terästä),
-  energian tuottaminen (hiilivoimalaitoksen rikkipäästöt, ydinvoimalaitoksen
    onnettomuusriski, vesivoimalaitoksen vaikutus vesistöihin),
-  jätteiden käsittely (rikin talteenotto, ydinjätteen varastointi).

Yhteiskunnan ei liioin kannata investoida sellaiseen energiantuotantoon, jossa energian saatavuus on epävarmaa tai hinta vaihtelee suuresti.

Energiavarojen kokonaisvaltaista vertailua

Eri energiavarantoja arvioitaessa on kiinnitettävä huomiota moniin eri tekijöihin, kuten 

1. Riittävyyteen vaikuttaa määrän ohella nk. uusiutuvuus. Energiavarat on tapana jakaa uusiutumattomiin ja uusiutuviin sen mukaan kuinka hidas niiden luonnollinen muodostumisprosessi on verrattuna niiden kulutukseen. Uusiutumattomia ovat ne, joiden loppuun kuluminen ihmiskunnan tulevaisuudessa on ilmeistä. Niitä ovat ensi sijassa fossiiliset polttoaineet kivihiili, öljy ja kaasu.

Uusiutuviksi luetaan varat, joita muodostuu luonnossa jatkuvasti käyttökelpoisia määriä. Niitä ovat erityisesti kaikki Auringon säteilyn jatkuvasti ylläpitämät varat. 

2. Saatavuuteen vaikuttavat sijainti ja siirrettävyys. Vapaat energiavarat on otettava käyttöön siellä, missä ne esiintyvät. Kemiallinen ja ydinenergia ovat sidotut aineeseen, jota voidaan kuljettaa. 

3. Muunnettavuus on keskeinen laatutekijä. Mekaaninen energia on tässä suhteessa arvokkainta. Sen muunnettavuus on maksimaalinen, koska sillä voidaan suoraan käyttää mekaanisia koneita tai sähkögeneraattoria, jolloin hukkaenergia voi jäädä hyvinkin pieneksi.

Lämpö on vastaavasti huonointa, sillä lämpöopin toinen pääsääntö rajoittaa voimakkaasti sen muuntamista muuhun käytettävään muotoon. Kemiallista ja ydinenergiaa saadaan vapautetuksi suuressa mittakaavassa vain muuttamalla se ensin lämmöksi. Käytön hyötysuhde saadaan sitä paremmaksi mitä korkeamman lämpötilan vapautuva energia aiheuttaa. Myös ympäristön lämpötila vaikuttaa. Esimerkiksi Loviisan voimalaitoksen turbiinien hyötysuhde on talvella vähän parempi kuin kesällä, koska jäähdyttävä merivesi on kylmempää.  

4. Näiden tekijöiden merkitys riippuu myös energian  käyttötarkoituksesta. Suurteollisuus, pienteollisuus, kotitaloudet ja liikenne asettavat erilaisia vaatimuksia. Toisaalta eri käyttötavoilla on erilainen merkitys eri maissa. 

5. Energialähteen puhtaus riippuu sen käyttöönoton, siirtämisen ja käytön riskeistä ja vaikutuksista ihmisiin, ympäristöön ja yhteiskuntaan. Kysymys koskee voimakkaimmin kemiallista ja ydinenergiaa, mutta tähän liittyvät myös esimerkiksi kysymys hakkuiden, kaivostoiminnan ja voimalaitosten rakentamisen välittömistä vaikutuksista ympäristön ekologiaan, maisemaan ja muiden elinkeinojen harjoitukseen. 

6. Erityisesti kemiallisen energian eri varantojen käyttöä on arvioitava suhteessa niiden muihin arvoihin ja mahdollisiin käyttötarkoituksiin esimerkiksi raaka-aineena. 

7. Lähteen taloudellisuuteen vaikuttavat välittömästi sen käyttöönoton, siirtämisen ja käytön kustannukset, kotimaisuusaste, sekä kaupallispoliittiset suhdanteet ja siihen vaikutetaan poliittisilla päätöksillä. 

1.  Vertaile eri energiavarantoja ja energianlähteitä toisiinsa energian saatavuuden, riittävyyden, uusiutuvuuden, alkuperän, muunnettavuuden, taloudellisuuden ja ympäristövaikutusten kannalta. 

2.  Vertaile eri energiavarantojen käyttöä niiden ympäristövaikutusten kannalta. 

3.  Mikä on nk. kasvihuoneilmiö. Mitä se vaikuttaa, ja miten se kehitys riippuu energiavarojen käytöstä? 

4.  Mikä merkitys on ilmakehän otsonilla elollisen elämän kannalta? Miten otsonin muodostuminen riippuu energiavarojen käytöstä? 

5.  Mitä vaikutuksia on polttoaineiden palaessa syntyvillä rikki- ja typpiyhdisteillä? Miten a) niiden päästöjä b) niiden haitallisia vaikutuksia voidaan pienentää? 

6. Pohdi, mitä mahdollisuuksia eri energian lajit tarjoavat energian pitkäaikaiseen varastointiin?

7.  Miten a) roskaaminen, b) pakkausmateriaalit, c) ostosten kuljetustapa, b) työmatkan kulkutapa vaikuttavat energiankulutukseen? Millaisia toimenpiteitä ehdottaisit ihmisten käyttäytymisen ja valintojen ohjaamiseksi näissä suhteissa?