11/12 Uusiutumattomat ja uusiutuvat energialähteet
FY02 Fysiikka, ympäristö ja yhteiskunta
Uusiutuvat energialähteet
Uusiutumattomat energialähteet
- Hiili
- Öljy
- Maakaasu
- Turve
- Uraani
Energialähteiden luokittelu
- Aurinko
- Vesi
- Tuuli
- Biomassa
- Maalämpö
- (Geoterminen lämpö)
Voimalaitokset
- Voimalaitosten tehtävä on muuttaa luonnonvaroihin sitoutunutta energiaa hyödylliseen muotoon
- Lämpö (kaukolämpö kiinteistöjen lämmittämiseen)
- Sähkövirta
- Sähkön ja lämmön yhteistuotanto
- Erilaisia voimalatyyppejä:
- Ydinvoimala (fissio nyt, fuusio tulevaisuudessa?)
- Lämpövoimala (öljy, hiili, puu, maakaasu)
- Vesivoimala
- Tuulivoimala
- Aurinkovoimala
- Aaltovoimala uutena!
Lähialueiden voimalaitoksia
- Vuosaaren voimalaitos
- Lämpökeskukset eri puolella Helsinkiä
- Katri Valan ja Esplanadin lämpö- ja jäähdytyslaitokset
- Kivikon, Suvilahden ja Messukeskuksen aurinkovoimalat
- Vantaan jätevoimalaitos
- Kymijoen vesivoimalaitokset
- Suomen Hyötytuuli Oy:n ja Merituuli Oy:n tuulipuisto
- Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalat
Esimerkkejä voimaloiden tehoista
| Voimala | Energialähde | Sähköteho (MW) | Lämpöteho (MW) |
|---|---|---|---|
| Vuosaari | Maakaasu | 665 | 582 |
| Lämpöpumppulaitokset | Jätevesi, aurinko | 165 | |
| Lämpökeskukset | Maakaasu, polttoöljy, puupelletti | 2000 | |
| Kymijoen vesivoimalaitokset | Vesi | 60 | |
| Sandön tuulivoimapuisto | Tuuli | 8 | |
| Messukeskuksen aurinkovoimala | Aurinko | 0,6 (315 W per paneeli) |
|
| Vantaan jätevoimala | Jäte | 76 | 147 |
| Olkiluoto 1 ja 2 | Uraani | 890 | |
| Olkiluoto 3 | Uraani | 1600 |
Lämpövoimala
- Toiminta perustuu lämmön ja/tai sähkön tuottamiseen ainetta polttamalla
- Lämpö voidaan ohjata myös suoraan lämmitykseen (kaukolämpö)
- Energia on sitoutunut poltettavan aineen hiukkasten välisiin sidoksiin
- Polttoprosessissa elektronien välisiä sidoksia rikkoutuu ja uusia muodostuu
- Samalla vapautuu energiaa
- Fossiilisia polttoaineita poltettaessa syntyy hiilidioksidia
- Voimakas kasvihuonekaasu
Sähkön ja lämmön yhteistuotanto
Kuva: Resonanssi 2 (e-Oppi)
Vaikuttaako polttoaine tuotetun energian määrään?
Lämpöarvo
- Palamisreaktiossa palava aine reagoi hapen kanssa
- Samalla vapautuu energiaa
- Aineen kykyä vapauttaa energiaa polttoprosessissa kutsutaan lämpöarvoksi H
E = Hm
[H] = \frac{\text J}{\text {kg}}
- Ilmaisee vapautettavissa olevan energian määrän massayksikköä kohti
Kuva: MAOL-taulukot (Otava)
Q = Hm
Tai
Esimerkki 1
Vantaan jätevoimalassa poltetaan jätettä 550 000 tonnia jätettä vuodessa.
a) Sekajätteen lämpöarvon suuruusluokka on 10 MJ/kg. Kuinka paljon energiaa vapautuu jätteen poltossa?
b) Kuinka suuri on sekajätteen polton aikaansaama maksimiteho jätteenpolttolaitoksessa? Miksi todellinen teho on pienempi kuin edellä saatu tulos?
\text{jätteen massa} \ m = 550 \ 000 \ \text t = 550 \cdot 10^6 \ \text {kg}
\text{jätteen lämpöarvo} \ H = 10 \ \text {MJ/kg} = 10 \cdot 10^6 \ \text {J/kg}
a) Polttoprosessissa vapautuva energiamäärä on
E = Hm
E = 10 \cdot 10^6 \ \frac{\text J}{\text {kg}} \cdot 550 \cdot 10^6 \ \text {kg}
E = 5,5 \cdot 10^{15} \ \text {J}
E = 5,5 \ \text {PJ}
b) Voimalaitoksen maksimiteho on
P = \frac{E}{t}
P = \frac{5,5 \ \cdot \ 10^{15} \ \text {J}}{365 \ \cdot \ 24 \ \cdot \ 60 \ \cdot \ 60 \ \text s}
P = 1,74404 \cdot 10^8 \ \text W
P \approx 170 \ \text {MW}
Miksi todellinen teho on kuitenkin pienempi?
Esimerkki 2
Mökkiä lämmitetään polttamalla puuta uunissa. Laske, kuinka paljon puuta tarvitaan, jotta voidaan vapauttaa energiaa 110 MJ.
Liittyykö puun polttoon mitään haittoja?
Kirjataan lähtöarvot.
\text {vapautunut energia} \ E = 110 \ \text {MJ}
\text {puun lämpöarvo} \ H = 18 \ \frac{\text {MJ}}{\text {kg}}
Puun poltossa vapautuva energia on
E = Hm
Puunpoltto tuottaa pienhiukkasia, jotka voivat olla terveydelle haitallisia. Poltossa syntynyt musta hiili on ilmastonmuutosta kiihdyttävä saaste.
m = \frac{E}{H}
m = \frac{110 \ \text {MJ}}{18 \ \frac{\text {MJ}}{\text {kg}}}
Ratkaistaan lauseke massalle ja sijoitetaan lukuarvot.
m = 6,11111 \ \text{kg}
m \approx 6,1 \ \text{kg}
Voimaloiden luokittelua
- Tarkastellaan seuraavia voimalaitostyyppejä:
- Aurinkovoimala
- Biovoimala
- Geoterminen voimala
- Hiilivoimala
- Tuulivoimala
- Vesivoimala
- Ydinvoimala
- Luokittele voimalat seuraavien ominaisuuksien mukaan (taulukko Classroomissa):
- Uusiutuvan / uusiutumattoman luonnonvaran käyttö
- Luonnonvaran alkuperä Auringossa (kyllä / ei)
- Lämmöntuotanto / sähköntuotanto
- Veden hyödyntäminen energiantuotannossa tai siirrossa (kyllä / ei)
- Kasvihuonekaasupäästöjä syntyy (kyllä / ei)
Esimerkki 3
Olkiluoto 3:n teho on 1600 MW. Kuinka monta keskikokoista tuulivoimalaa (huipputeho 1000 kW) tarvittaisiin tuottamaan yhtä paljon energiaa samassa ajassa kuin ydinvoimala?
\text {tuulivoimalan teho} \ P_t = 1000 \ \text {kW} = 1000 \cdot 10^3 \ \text W
\text {ydinvoimalan teho} \ P_y = 1600 \ \text {MW} = 1600 \cdot 10^6 \ \text W
Kirjataan ylös lähtöarvot.
Molemmilla voimalatyypeillä tuotetaan yhteensä yhtä paljon energiaa E ajassa t. Tuulivoimaloiden lukumäärä saadaan täten vertailemalla tehoja.
P_y = N \cdot P_t
\text {tuulivoimaloiden lukumäärä} \ N = \ ?
N = \frac{P_y}{P_t}
N = \frac{1600 \ \cdot \ 10^6 \ \text W}{1000 \ \cdot \ 10^3 \ \text W} = \frac{1,6 \ \cdot \ 10^9 \ \text W}{1 \ \cdot \ 10^6 \ \text W}
N = 1,6 \cdot 10^3 = 1600
11/12 Uusiutumattomat ja uusiutuvat energialähteet
By pauliinak
11/12 Uusiutumattomat ja uusiutuvat energialähteet
FY02 Fysiikka, ympäristö ja yhteiskunta
