Ikiliikkuja ilmasta

Energiapoliittiseen keskusteluun ilmestyy jatkuvasti eräänlaisia ikiliikkujia [Wikipedia:Ikiliikkuja]. Uuden ikiliikkujan kuvitellaan taikovan energiaa tyhjästä. Käyn tässä kirjoituksessa läpi miksi ilmasta polttoaineen valmistaminen ei ole ikiliikkuja.

Mallikolle esimerkki lähes aidonpuoleisesta ikiliikkujasta on maalämpöpumppu. Mikäli maalämpöpumppuun työntää sisään 1 kWh sähköenergiaa, sieltä saattaa tupsahtaa 4 kWh lämpöenergiaa ulos. Maalämpöpumppu perustuu kuitenkin Carnot'n kierroksi kutsuttuun tapaan siirtää lämpöä esimerkiksi järvestä lattialämmitykseen [Wikipedia:Carnot'n kierto]. Maalämpömpumppu ei siis ole ikiliikkuja, mutta se siirtää lämpöä hyvällä hyötysuhteella. Lämpöpumppu ei kuitenkaan toimi itsenäisenä koneena ilman järveä tai lämpölähdettä: maalämpöpumppu tarvitsee jostain lämpöä, jota se siirtää.

Sähköstä kaasua (power-to-gas) keskustelu on elänyt kuluvana vuotena Suomessa useiden tahojen esittämänä. Esimerkiksi [Helsingin Sanomat, 20.9.2015] otsikoi "Tuulisähkön ja hiilidioksin avulla voidaan valmistaa bensiiniä" ja aiemmin tänä vuonna eräs tutkimus otsikoi "Skenaario vuodelle 2050: Uusiutuvan energian järjestelmästä kannattava vaihtoehto Suomelle" [LUT, Skenaario 2050] ja tutkimuksessa keskeisenä sähkövarastona on power-to-gas prosessit.

Ilmasta saa valmistettua monenlaisia kaasuja ja tällä liiketoiminta-alueella suuria yrityksiä ovat esimerkiksi Air Liquide ja Linde Group [Wikipedia:Linde Group], [Wikipedia:Air Liquide]. Tyypillinen power-to-gas ratkaisu on sähköenergian avulla muodostaa ilmasta metaania [Wikipedia:Metaani] - eli samaa kaasua, jota ostamme Venäjältä vuodessa noin 30 TWh verran. Audilla on esimerkiksi yksi tällainen koelaitos toiminnassa ja sitä on kutsuttu synteettisen metaanin laitokseksi.

Metaania saa valmistettua sähköllä noin 50% hyötysuhteella. Hyötysuhde voi vaihdella riippuen mitä prosessia käytetään ja mitä kaasua tuotetaan (Esim Siemens). Kun syötät tähän koneeseen yhden kilowattitunnin (1 kWh) sähköä sisään, saat ulos noin 0,5 kWh metaanin muodossa. Voit sivutuotteena saada myös jonkun verran lämpöä. Jos kaasu olisi yli kaksi kertaa sähköä kalliimpaa, voi tällä tehdä jonkinlaista liiketoimintaa. Valitettavasti näin ei ole, vaan tyypillisesti metaani on keskimäärin halvempaa kuin sähkö kaikissa maailman maissa.

Mikäli synteettinen metaani käytetään liikenteessä polttoaineena, se poltetaan tavallisessa bensiinistä tutussa otto-moottorissa jotakuinkin samalla hyötysuhteella [Wikipedia:ottomoottori]. Valitettavasti energiasta hävitään poltettaessa edelleen noin 70% polttomoottorissa. Eli alunperin 1 kWh sähköstä jää käteen auton työntövoimana noin 0,5 x 0,3 = 15%. On siis selvästi järkevämpi ajatus koittaa käyttää sähkö mieluummin sähköautossa, kuin välissä muuttaa se metaaniksi. Meillä ei ole merkittävää määrää metaania polttavia autoja eikä myöskään sähköautoja.

Jos samaa prosessia käytetään sähkövarastona, niin voidaan puhua power-to-gas-to-power prosessista. Tällöin ensimmäisessä vaiheessa hävitään 50% kun sähkö muutetaan kaasuksi ja toisessa vaiheessa uudet 50% kun kaasu muutetaan turbiinilla tai mäntäkoneella sähköksi. Eli laitat tuulisähköä sisään yhden kilowattitunnin ja saat myöhemmin ulos esimerkiksi 0,25 kWh ulos tästä varastosta. Saksassa vastaavaa uusiutuvan sähkön varastointia on pohdittu melko paljon. Yksi esimerkki on "The significance of international hydropower storage for the energy transition" [Prognos:2012]. Tässä esityksessä kalvo numero 13 kiteyttää eri tapoja varastoida sähköä (Kuva 1). Vastaavaa aihepiiriä pohtii asiantuntevasti Kaj Luukko kirjoituksessaan "Saksan energiavallankumous mahdottoman edessä" [Luukko:Saksan energiavallankumous 2014].
Kuva 1: Sähkön varastointi ja integrointimahdollisuudet [Prognos:2012]


Huomioitava on myös se, että jos metaani halutaan varastoida, niin ainoa keino on nesteytys -162 asteeseen. Tällainen prosessi voisi toimia esimerkiksi LNG-terminaalin yhteydessä. Jos kryotekninen säiliö täytyy rakentaa vain sähkövarastoksi vain sitä tarkoitusta varten, investointikulut karkaavat sietämättömän korkeiksi. Myös LNG-nesteytin vaatii melkoisesti energiaa. Karkeasti voidaan sanoa, että nesteytyksessä hävitään 20% energiasisällöstä.

Varaston mittasuhteista muutama sana. Yksi tonni nestemäistä -162 asteista LNG:tä vie noin kaksi kuutiometriä tilaa ja sisältää noin 13,8 MWh energiaa. Yksi 1000 MW sähköntuotantoon vuorokaudeksi pystyvä gas-to-power varasto on lähes 10 000 kuution kokoinen ja kryoteknisesti eristetty. Vertailun vuoksi nyt lähitulevaisuudessa Suomeen kaavaillaan LNG-terminaaleja luokassa 30 000 - 70 000 kuutiometriä.

Mielestäni power-to-gas ajattelu on lähinnä järkevä hahmottamaan tuulivoiman kokonaiskustannuksia käytettiin sitten termiä integrointikustannus tai sähkön varastointi. Gas-to-power on yksi vaihtoehto tasata sähköntuotantoa ylituotantotilanteessa. Kokonaiskustannukset on lisättävä tuulivoiman kustannuksiin niin päästään vertailemaan tuulivoiman tuotantoa deterministisiin tapoihin tuottaa sähköä.

Missään tapauksessa power-to-gas tai gas-to-power ei ole ikiliikkuja.

Kommentit