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

Linkkejä:

Helenin voimalaitokset

Vantaan Energia

Suomen uusiutuvat (tuulivoimayhdistys)

Olkiluodon ydinvoimala

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