Hehkulamppu, vetyatomi ja höyrykone

Blogin ensimmäinen vuosipäivä koitti viime kuussa, eli käytettäköön sitä nyt vaikka syynä laittaa uutta kirjoitusta kehiin – aiottua pidemmäksi venähtämään päässeen tauon jälkeen. Vaikka myös aluevaalit tulivat ja menivät melko hiljattain, ja vaikka koto-Suomessamme koko ajan tapahtuu ja hullutellaan, päätin politiikan asemesta ottaa tämänkertaiseen tekstiin tekniikkaan, energiaan ja ympäristöön liittyvää lähestymiskulmaa. Aihe on ajankohtainen ja tärkeä, ja kiinnostaa itseäni – pitkälti nimenomaan tieteellisestä ja teknisestä vinkkelistä. Toki rivien välistä voi tekstissä havaita viitteitä myös politiikkaan ja tiettyihin ongelmiin, joita todennäköisesti tulemme kohtaamaan. Kuten olen aiemmin esim. Helsingin Keskuspuistoa käsittelevässä kirjoituksessani maininnut, myös minä olen henkilö, jolle luonnon monimuotoisuus ja puhdas elinympäristö – sekä näiden säilyminen – ovat tärkeitä arvoja, eli en halua maapallolle pahaa. Ei kai kukaan halua. Pyrin kuitenkin vallalla olevan ja yliampuvan syyllistämisen, viherhegemonian, hysterian, paisuttelun, paniikinlietsonnan ja ”mallioppilas”-ajattelun sijaan suhtautumaan ilmasto- ja ympäristöasioihin analyyttisesti ja kiihkottoman pragmaattisesti.

Nyt, eteenpäin:

1800-luvun loppupuoliskolla Yhdysvaltain Ohiossa vaikutti eräs maailman tunnetuimmista ja tuotteliaimmista keksijöistä. Vuonna 1879 hän sai patentin laitteelle, jossa lasikuvun sisään luodussa tyhjiössä olevaan karbonisoituun bambulankaan johdettiin sähkövirtaa. Keksijä oli Thomas Alva Edison ja patentoimansa sähkölaite tietenkin hehkulamppu. Hehkulampun taival ja monopoliasema (varsinkin kotitalouksien) pääasiallisena sähköisenä valonlähteenä olisi kestävä seuraavat 130 vuotta. Minua huomattavasti paljon nuoremmatkin muistavat vielä elävästi ajat, kun hehkulamput loistivat kaikkialla, kukaan ei ihmeemmin kiinnittänyt niihin huomiota tai edes tullut ajatelleeksi niiden hyötyjä tai haittoja. Tuo aikanaan edistyksellinen keksintö yksinkertaisesti vain oli aina ollut. Vuoden 2010 tienoilla kuitenkin alettiin maailmalla herätä siihen, että hehkulamppu – vaikkakin sinällään yhä hyvin palveleva ja toimiva tuote – oli hyötysuhteeltaan varsin huono ja tuotti runsaasti hukkalämpöä, mikä tarkoitti reipasta sähkönkulutusta valaisutehoon nähden. Käynnistyi hehkulamppujen hävittämiskampanja ja tuhoamisvimma, eikä lamppuja kohta enää saanut mistään. Oli tullut aika siirtyä eteenpäin, käyttämään seuraavaa innovaatiota. Se vain osoittautui melkoiseksi tekeleeksi ja raakileeksi.

Nimittäin energiansäästölamppu. Kuka muistaa? Sallinette minun puhuvan ”surullisenkuuluisasta energiansäästölampusta”, sillä vaikka se tuotiin kotitalouksiin ja kuluttajille suuren suitsutuksen ja kampanjoinnin saattelemana, ei kai kukaan lampusta oikeasti tykännyt tai sitä kaipaamaan jäänyt. Paidan haku pimeästä vaatehuoneesta piti hoitaa käsikopelolla, uuden ihmeellisen lampun vasta alkaessa hiljakseen syttyä siinä vaiheessa, kun tehtävä oli jo suoritettu.

Paljon tehokkaampi ja taloudellisempi led-teknologia oli kuitenkin jo tuolloin 2010 olemassa, oli itse asiassa ollut pitkään, tavallinen kuluttaja vain ei tiennyt tätä. Sitä en osaa sanoa, miksi led-lamppuja ”pantattiin”, eikä tuotu markkinoille suoraan hehkulamppujen korvaajaksi. Ehkä kehitystyö oli myös ledien osalta vielä lapsenkengissään? Parin vuoden siirtymävaiheen jälkeen led-tekniikkaa hyödyntävät lamput sitten saatiin asuntojen plafondeihin, teollisuuden valonheittimiin, harrastusvälineisiin ja autojen keuloillekin. Joka paikkaan. Ja valkeus tuli! Tällä hetkellä on vaikea kuvitellakaan eloa ilman led-valoja ja -lamppuja – saati paluuta menneeseen, sillä niin oivallinen edistysaskel on kyseessä. Sähkönkulutus on minimaalista, toimintavarmuus erinomainen, hukkalämpöä syntyy vähän ja käyttöikä on todella pitkä.

Hehkulamppu – energiansäästölamppu – led-lamppu -jatkumosta tulee itselleni väistämättä mieleen automaailma (ja moottoritekniikka), johon em. jatkumo voitaisiin rinnastaa esimerkiksi seuraavasti: polttomoottoriauto – sähkö-/lataushybridiauto – vetyauto.

Voiko olla niin, että sähkö- ja lataushybridiautot ovat nykypäivän ”energiansäästölamppuja”, eli koituuko sähkö- ja lataushybridiautojen kohtaloksi lopulta jäädä kahden merkityksellisen ja vallankumouksellisen keksinnön, polttomoottoriauton ja vetyauton väliin puristuksiin. Sähköauton esiintyminen automobiilin historian aikajanalla ei nimittäin suinkaan ole uusi asia – kun ottomoottori oli vasta hiljattain täysi-ikäisyyden saavuttanut keksintö 1900-luvun alussa, oli USA:n autokannasta kolmannes sähköautoja, joiden povattiin ylivertaisina syrjäyttävän muut vaihtoehdot. Osittain syynä oli varmasti sekin, että sähkö (magnetismi) ylipäätään oli aikansa uusi ja ihmeellinen, edistyksellinen, kiehtova ja muodikas populääri-ilmiö, muun muassa Nikola Teslan värikkään ja mystisen persoonan takia. Yksistään USA:ssa oli yli sata sähköautovalmistajaa! Sähköauton valttina oli helppokäyttöisyys. Tuolloin akkuteknologia kuitenkin oli hyvin alkeellista, eli lyijyakkujen lataaminen oli erittäin hidasta ja niiden teho-paino -suhde oli huono – tarjoten vain joidenkin kymmenien kilometrien toimintasäteen. Robert Boschin keksittyä sytytystulpan 1902 ja Charles Ketteringin esiteltyä sähköisen starttimoottorin 1912, alkoi polttomoottoriauton todellinen voittokulku ajamisen helpottuessa merkittävästi. Polttomoottoriautot vahvistivat asemaansa, mullistivat ja keskiluokkaistivat autoilun ja ovat hallinneet kenttää suvereenisti siitä asti. Samaan aikaan sähköauto näivettyi käytännössä olemattomiin sadaksi vuodeksi. Tänä päivänä akkuihin toki on saatu kapasiteettia, ja tehoa on fyysiseen kokoon ja painoon nähden paljon enemmän, mutta yhä vain akut ovat sähköauton akilleenkantapää. Ja itse autojen hinnat helposti kaksin- jopa kolminkertaiset tavalliseen vastaavan kokoiseen polttomoottoriautoon nähden – aivan kuten 1910-luvulla.

Onko tilanne siis sittenkään tai mitenkään radikaalisti muuttunut – tai parantunut – reilussa sadassa vuodessa… Juuri tällä hetkellä sähköauto näyttää tuntuvan hienolta, mullistavalta ja kaikkeen ratkaisun tarjoavalta keksinnöltä, mutta näillä adjektiiveillahan energiansäästölamppuakin markkinoitiin lanseeraamisensa aikoihin (ja sähköautoa 120 vuotta sitten). Mikä on totuus sähköauton suhteen; emme kai oikein tiedä (tai edes halua tietää?) paremmastakaan ja sitä paitsi kaikkia sähköautoon liittyviä ongelmia ei vielä ole tutkittu, eikä kaikkia tiedossa olevia rasitteita ja ongelmia vieläkään olla avoimesti ja auliisti halukkaita myöntämään. Näitä em. rasitteita ja ongelmia ovat mm. suurien akustojen valmistamisesta syntyvät suuret hiilidioksidipäästöt (yhdellä 100 kWh kapasiteetin akulla n. 16000 kg) sekä se, mitä valtaville akuille tapahtuu ja tehdään sitten, kun ne ovat tulleet elinkaarensa päähän. Voidaanko akut purkaa ja kierrättää helposti jotenkin, ja millaiset päästöt purkaminen, lajittelu ja kierrättäminen osaltaan aiheuttavat? Varastoidaanko akut johonkin, vaikka kallion sisään, nehän ovat ongelmajätettä? Jos varastoidaan, missä tällaisia kelvollisia varastoja ehkä jo on ja mihin niitä aiotaan rakentaa, ja millä lailla huomioidaan se, että yhden sähköauton akkumoduuli saattaa painaa satoja kiloja. Ongelman laajuus nimittäin konkretisoituu siinä vaiheessa, kun suurkaupunkeihin maapallon eri kolkissa alkaa kerääntyä satoja tuhansia ja myöhemmin miljoonia loppuun kulutettuja, satojen kilojen painoisia sähköautojen akkumoduuleita, joille pitäisi tehdä jotain. Onko takeita siitä, että nämä moduulit tullaan keräämään, kierrättämään, lajittelemaan tai varastoimaan joka puolella maailmaa samoja turvallisia ja yhteisiä standardeja noudattaen…?

Vety (kaasu) lienee hyvin realistinen ja varteenotettava ehdokas tulevaisuuden järkevimmäksi energianlähteeksi, sillä vety on koko universumin yleisin alkuaine ja kelpaa sellaisenaankin polttoaineeksi. Vedyn palamistuotteena syntyy pelkkää vettä, eli vedyllä tuotettu sähkö on täysin päästötöntä. Lisäksi vielä vetyyn voidaan varastoida esim. auringon energiaa. Harmillisesti vety esiintyy vain harvoin puhtaana alkuaineena; useimmiten kaksi vetyatomia muodostaa happiatomin kanssa vesimolekyylin. Tämä molekyylirakenne on erittäin vahva, mistä johtuen vedyn tuottaminen on toistaiseksi hankalaa ja kallista. Tästäkin huolimatta vaikuttaa siltä, että nimenomaan vety tulee olemaan se (seuraava) vihreä ratkaisu, joka lyö toden teolla lävitse tulevaisuudessa. Ehkä näemme jo lähivuosina tai -vuosikymmeninä esimerkiksi matkustaja- ja rahtilaivoja, joihin rakennettu laitteisto/teknologia erottaa vedyn vedestä ja käyttää vetyä suoraan polttoaineena tai tuottaa vedystä sähköä sähkömoottoreille. Käytännössähän laivat kelluisivat ja kulkisivat aina jo valmiiksi suurissa ”polttoainealtaissa” ja palamistuote vesi päätyisi takaisin meriin – käytettäväksi uudelleen. Tähän kaikkeen yllä mainittuun liittyen otan esille Marine Traffic -nettisivun ja samannimisen sovelluksen, josta jokainen kiinnostunut voi käydä katsomassa ja ihmettelemässä miten valtava määrä laivoja maailman vesillä koko ajan liikkuukaan. Kuhina on kova. Muistissa on myös hyvä pitää maaliskuun 2021 tapahtumat, kun 400-metrinen rahtialus Ever Given jäi jumiin Suezin kanavaan, tukkien kaiken liikenteen kuudeksi päiväksi. Kanavan kummassakin päässä odotti yhteensä lähes 400 suurta laivaa, joukossa mm. 24 raakaöljytankkeria. Suezin kanavan kautta kulkee 12% kaikesta globaalista tavaraliikenteestä, joten taloudelliset tappiot olivat tähtitieteelliset. Suoralta kädeltä en onnistunut löytämään tietoa siitä, minkälaiset päästöt (ilmaan ja veteen) lähes 400:n laivan odottelu ja joutokäynti on mahtanut kuudessa päivässä aiheuttaa, mutta kiistatonta lienee, että puhumme merkittävistä määristä. Se kuitenkin on tiedossa, että tukoksen takia ainakin 12 rahtilaivaa valitsi vaihtoehtoisen reitin, kiertäen Afrikan mantereen. Pelkästään tästä 12 aluksen odottamattomasta lenkistä aiheutui internet-lähteiden mukaan ylimääräiset 6800000 kilogramman CO2-päästöt (theecoexperts.co.uk), mikä vastaa n. 3500 suomalaisen henkilöauton hiilidioksidipäästöjä vuodessa! Tätä taustaa vasten sopii pohtia miten vaikkapa juuri Suomen henkilöautoliikenteen päästömäärät peilautuvat globaalin meriliikenteen tai pelkästään Suezin selkkauksen päästöihin. Suomen henkilöautoliikenteen hiilidioksidipäästöt ovat noin 5,25 Mt/a. Liikennekäytössä on henkilöautoja 2,77 M kappaletta, joten yksi henkilöauto aiheuttaa Suomessa päästöjä keskimäärin 1900 kilogrammaa. Maailman meriliikenteen päästöjen määrä on 954 MtCO2/a. Tätä taustaa vasten on ilmeistä myös se, että nimenomaan meriliikenteen päästöt ovat aito ja vakava ongelma ja näiden päästöjen pienentämiseen on syytä löytää keino. Kuten niin monessa muussakin asiassa, myös tässä kyse on kokonaiskuvien ja mittasuhteiden hahmottamisesta.

Tietysti on mahdollista, että vedyn kanssa yhtä kilpailukykyisen ja potentiaalisen, tai jopa paremman ratkaisun tarjoaakin jokin muu energianlähde tai -vaihtoehto, kenties sellainen, jota emme nyt tule ajatelleeksi, emme osaa hyödyntää tehokkaasti tai jota emme vielä edes tunne. On muistettava, että vaikka pystyihminen (homo erectus) osasi sytyttää tulen, ja hallita sitä, jo noin 750000 vuotta sitten, kesti aina 1600-1700-lukujen taitteeseen ennen kuin nykyihminen oppi miten lämpöenergiaa voidaan muuntaa mekaaniseksi energiaksi. Tämä tapahtui höyrykoneen keksimisen myötä. Höyrykoneen toimintaperiaate ei ole monimutkainen; ensivaiheessa tuli tai hiillos (tai jokin muu lämmönlähde) lämmittää vettä, veden alkaessa kiehua siihen sitoutunut lämpöenergia vapautuu vesihöyryksi, vesihöyry johdetaan painekattilaan ja sieltä edelleen sylinteriin, jossa paineistettu höyry lopulta liikuttaa mäntää. Näin saatiin lämpö muutettua liikkeeksi. Jos kuulostaa tekniseltä, miettikääpä jouluista enkelikelloa tai avotulelle tai kuumalle liedelle jätettyä kattilaa. Myös näiden toiminnassa on kyse lämmön muuntumisesta liikkeeksi. Enkelikellossa kynttilöiden liekkien lämmittämä ilma nousee ylöspäin, ja näin syntyvä ilmavirta saa kynttilöiden yläpuolella olevan kevyen siipirattaan pyörimään. Kattilassa kiehuva vesi taas alkaa muuttua vesihöyryksi, ja jossain vaiheessa höyrynpaine muodostuu niin korkeaksi, että se liikuttaa kattilan kantta. Kattiloiden ja patojen kansien kolina on ehtinyt ärsyttää ihmisiä satoja, ellei tuhansia vuosia, ilman että kukaan on keksinyt toisintaa – tai valjastaa – tapahtumaa tarkoituksellisesti ja valvotusti suuremmassa mittakaavassa.

Lämpöenergian muuntaminen mekaaniseksi (kineettiseksi) energiaksi on varmasti yksi ihmiskunnan edistyksellisimmistä, merkityksellisimmistä ja kauaskantoisimmista oivalluksista ja keksinnöistä, sillä tarjosihan höyrykone miltei rajattomat mahdollisuudet – tuon ajan mittapuun mukaan ja höyrykonetta edeltäneeseen kehitystasoon nähden. Höyrykone liikutti kangaspuita, myllynkiviä, sahoja, tehtaita, vesipumppuja, laivoja ja junia. Se aloitti teollistumisen ja sarjatuotannon aikakauden. Edellisellä esimerkillä pyrin osoittamaan sen, että höyrykoneen valmistamiseen tarvittavat osaaminen, materiaalit ja teknologia, olisivat – ja olivatkin – varmasti olleet olemassa jo muinaisten faaraoiden Egyptissä tai sumerien Babyloniassa, mutta ehkä kukaan ei vain ollut tullut ajatelleeksi tällaista toimintaperiaatetta. Tai ehkä kyse on siitä, että tällaiselle koneelle ei yksinkertaisesti keksitty järkevää käyttöä tai sille ei koettu olevan tarvetta yhteiskunnissa, joissa sadonkorjuu, kastelukanavien kaivaminen, kivien louhiminen ja rakennusprojektit teetettiin massiivisella orjatyövoimalla. 

Myös aurinkoenergia on syytä ottaa tässä kohtaa puheeksi. Tiedetään, että koko maapallolle osuva auringon säteilyteho on noin 130000 TW (terawattia). Tilastojen mukaan ihmiskunta kuluttaa energiaa keskimäärin n. 16,5 TW teholla, eli auringon teho on lähes 8000 kertaa suurempi kuin ihmispopulaation kulutus. Runsaassa tunnissa maapallolle siis säteilee koko vuoden kulutusta vastaava määrä energiaa. Tuo energia vain pitäisi saada otettua – ja osata ottaa – paremmin talteen.

Aurinkoenergian tuotanto maapallolla vuonna 2018 oli 486000 megawattia, eli n. 0,5 TW. Vaikka aurinko antaa ihmiskunnalle valtavan määrän ilmaista ja täysin puhdasta energiaa, jätämme siitä käyttämättä 99,96%, eli käytännössä kaiken! Riittäisi, että pystyisimme hyödyntämään, viitsisimme hyödyntää tai osaisimme hyödyntää (edes) yhden kahdeksastuhannesosan (1:8000) maapallolle tulevasta aurinkoenergiamäärästä, niin enää ei tarvittaisi yhtäkään hiili-, vesi-, tuuli- tai ydinvoimalaa!

Kun kerran koko maapallolle osuva auringon säteilyteho on noin 130000 TW, maapallon pinta-alaa 510100000 km2 kohti, ja kun tiedetään, että ihmiskunnan energiantarve on 16,5 TW, voidaan laskea se pinta-ala, jolle tuo ihmisten tarvitsema 16,5 TW säteilymäärä kohdistuu. Tämä tapahtuu jakamalla maapallon pinta-ala 8000:lla, jolloin päädytään lukuun 63763 km2. Koska hävikitöntä talteenottomekanismia, eli sellaisia aurinkopaneeleita joiden hyötysuhde on 100, ei kuitenkaan ole olemassa, vaan 25 prosenttia on realistisempi hyötysuhde, kerrotaan edellä mainittu pinta-ala neljällä, eli 63763 x 4 = 255052 km2. Neliöjuuri tästä pinta-alasta on 505 kilometriä. Voidaan siis leikitellä ajatuksella, että mikäli aurinkopaneeleilla katettaisiin n. 500 km kanttiinsa oleva neliö, syntyisi aurinkofarmi, joka pystyisi tuottamaan koko ihmiskunnan kuluttaman energian! Tuollainen aurinkofarmi sopisi mainiosti vaikkapa Saharan autiomaan nurkalle. Sen koko olisi alle 5% Saharan pinta-alasta.

Totta kai edellä esitetty laskelma ja skenaario ovat pelkkää teoriaa ja matematiikkaa (ihan jo siksikin, että ei Saharassakaan yöllä paista aurinko). Tarkoitus onkin lähinnä osoittaa kuinka pienestä aurinkofarmista todellisuudessa on lopulta kyse – ja tosiaan mitään muita voimaloita ei maailmaan enää tämän rinnalle tarvittaisi. Käytännössä tuollainen aurinkofarmi ei tietenkään ole pieni sanan varsinaisessa merkityksessä, eikä sellaisenaan voisi olla realistinen, sillä tämä edellyttäisi paitsi maidenvälistä erittäin tiukkaa, jatkuvaa ja pitkäjänteistä sitoutumista, myös valtaisaa rahallista panostusta rakennus-, ylläpito- ja turvatoimien muodossa. Lisäksi oma projektinsa olisi rakentaa maailmanlaajuinen sähkönjakeluverkosto, jota sitäkin pitäisi huoltaa ja vartioida koko ajan. Varjopuoli asiassa on, että edellä esitetyn kaltaisesta aurinkofarmista – paljon pienemmästäkin – tulisi varmuudella energia- ja geopoliittinen pelinappula, aivan kuten öljykentistä ja maakaasuesiintymistä ja -putkistakin on tullut. Uskallan silti sanoa, että yksinomaan teknisestä näkökulmasta katsottuna tällainen aurinkofarmi olisi mahdollinen; voitaisiinhan tehdä vaikka 100 pienempää farmia eri puolille maailman aurinkoisimpia kolkkia. Silloin kyse olisi ”enää” 50 km x 50 km -kokoisista komplekseista, ja vastuukysymykset, logistiikka ja rahoituskin olisivat helpommin hallittavissa. Viime kädessä puhumme ihmiskunnan – tai ehkä käytännössä kuitenkin vain tiettyjen maiden – haluamisesta ja ryhtymisestä, erilaisten intressiryhmien ja tahojen tahtotilasta ja sitoutumisesta – yhteen hiileen puhaltamisesta.

Kenties vedyn vallankumousta varteenotettavana polttoaineena ja aurinkoenergian tehokasta ja laajamittaista valjastamistakin voitaisiin ajatella eräänlaisina ”höyrykoneina”, jotka vain odottavat viimeisiä viilauksia, oikeaa hetkeä ja lopullista tulemistaan. Periaatteet ovat tiedossa, ja pienen mittakaavan tuotanto jo käynnissä, mutta se jokin, varsinainen sysäys tai ponsi, vielä puuttuu.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s