2. Energia ja energian tuotanto

Mihin me tarvitsemme energiaa?

Elämälle oleellista on liike. Liikkeen aikaansaamiseksi ja pysäyttämiseksi tarvitaan voimaa (Katso Newtonin lait 1. kurssista). Tarvitsemme voimaa F , joka siirtää ainetta matkan s haluttuun suuntaan. Se merkitsee, että voima tekee työn W = F·s.

Tehtävä 2.2
Juuripaine nostaa 10 kg nestettä puun latvaan 10 m korkeuteen. Kuinka suuren työn juuripaine tekee?

 Työn tekemiseen tarvitsemme energiaa vähintään tehtävän työn suuruisen määrän. Toisin sanoen Energia E = W.

 Käytännössä energiaa hukkuu muuhun kuin haluttuun työhön. Tavallisimmin syntyy lämpöä, joka hajaantuu ympäristöön. Tehdyn toivotun työn (W) ja käytetyn energian (E) suhdetta kutsumme hyötysuhteeksi h = W/E, joka ilmoitetaan usein prosentteina ja siksi kerrotaan mainittu suhde sadalla (h = (W/E)·100 %).

Tehtävä 2.3
Voimalan hyötysuhde on 40 %. Kuinka suuren sähköenergian se tuottaa 1 raakaöljytonnilla (1,0 Mg öljyä). Öljyn lämpöarvo on 41 MJ/kg.
 

 Mekaaninen energia muuttuu helposti kokonaan lämmöksi. Aikaisemmin lämpöenergialla oli eli yksikkö kalori (cal) kuin mekaanisella energialla. 1 cal = 4,1868 J.

Tehtävä 2.4
Ihminen tarvitsee noin 2000 kcal energiaa ravinnostaan päivässä. Laske energia jouleina.

 Työ voi olla näkyvää (makroskooppista) tai se voi tapahtua atomitasolla, elektronien tai molekyylien liikkeenä. Aivotyö esimerkiksi on ionien liikettä aivosoluissa. Kaikkeen me tarvitsemme energiaa.

Minkälainen energia tekee työtä?

Tarvitsemme energian virtausta, jonka voimme suunnata haluamallamme tavalla. Kun vesi virtaa putouksessa alaspäin, sillä on selvä suunta.. Näin se törmätessään vesiturbiinin siipiin työntää niitä ja saa siivet pyörimään. Alkuaan veden potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi ja edelleen turbiinin ja sähkögeneraattorin pyörimisenergiaksi. Generaattorin käämien pyöriminen magneettikentässä synnyttää sähköenergiaa. Sähköenergiaa voimme muuttaa edelleen mekaaniseksi työksi sekä lämpö- ja valoenergiaksi.

 Ei vain veden korkeusero, vaan yleensä erot energiatiloissa voivat synnyttää työtä. Paine-ero siirtää kaasuja ja nesteitä, jotka työntävät koneiden mäntiä saaden koneet tekemään työtä.

 Lämpötilaero saa lämmön liikkeelle ja virtaava lämpö ja siitä syntyvä paine-ero käyttää lämpövoimakoneita. Ne aiheuttavat myös ilmavirtauksia sekä veden virtaamista vesistöissä. Syntyy tuulia, sateita, ukkosta ja aaltoja.

Konsentraatioerot (pitoisuuserot) saavat aikaan aineiden virtausta. Tämä on tärkeää erityisesti eläville yksilöille. Solun aineenvaihdunta ja solun sähköntuotanto perustuvat pääasiassa konsentraatioeroista johtuviin virtauksiin.

 Energia Hyvä helppotajuinen teksti. Edellisessä kappaleessa oli linkki tämän opetussarjan lukuun "energia ja päätäntä". Edellytetään luettavaksi sarja kokonaan.
JÄRJESTYS JA TERMODYNAMIIKAN 2. SÄÄNTÖ Voi olla asiaa, jota et ymmärrä, mutta katsele kuitenkin. Termodynamiikan 2. pääsääntö käsittelee entropian kasvua. Se on ehkä tärkein fysiikan laki, sillä se määrää kaikkien tapahtumien suunnan maailmassa.

 fysiikan 5. kurssi, termodynamiikan pääsäännöt. On tärkeää tämän kurssin kannalta huomata, että voimme muuttaa vain pienen osan lämpöenergiasta mekaaniseksi työksi, mutta mekaaninen energia voi muuttua kokonaan lämmöksi.

Tarvitsemme myös lämpöä

Elimistömme lämmönsäätely on hyvin tarkkaa. Lämpö ei saa nousta paljoa yli 37°C:n eikä laskea alle 36°C:n. Elimistömme tarvitsee energiaa oikean lämpötilan ylläpitämiseksi ja työn tekoon. Elimistömme saa kemiallista energiaa hiilihydraateista, rasvoista ja valkuaisaineista. Energia varastoituu rasvasoluihin. Käyttövaiheessa energia on yleensä ATP-molekyyleinä (adenosiinitrifosfaattina).

 Varsinkin talvella pitää lämmittää asuntoja. Silloin ei välttämättä tarvita suuria lämpötilaeroja. Riittää, että syntyy lämmön virtaus lämmitettävään huoneeseen. Muuta työtä ei tarvitse tehdä. Tämä antaa mahdollisuuden käyttää lämmitykseen sellaista energiaa, joka ei sovellu työhön. Voidaan käyttää suoraa auringon lämpöä tai voimaloiden lauhdeveden lämpöä. Myös moottoreiden jäähdytyksessä vapautuva lämpö soveltuu useimmiten lämmönlähteeksi.

Massan m lämpötilan nostaminen DT astetta vaatii lämpöenergian

Q = cmDT,

josssa c on lämmitettävän aineen ominaislämpökapasiteetti

Tehtävä 2.5
Huoneen mitat ovat 6 m x 6 m x 2,5 m. Ilman tiheys on noin 1,3 kg/m3. Kuinka paljon energiaa kuluu ilman lämmittämiseen tuuletuksen jälkeen, kun huone täyttyy tyyletuksessa -10 ^oC:lla ilmalla ja se lämmitetään 20 ^oC:ksi. Paljonko ilman lämmitys maksaa, kun lämmitysenergian hinta on 40 p/kWh?

Joskus voi olla järkevää käyttää yösähköä lämmitykseen vaikka sähkö on korkealle jalostettua energiaa, joka on helppo muuttaa mekaaniseksi työksi. Sähköä on vaikea varastoida ja siksi yöllä tuotetaan enemmän sähköä, kuin sitä tarvitaan mekaaniseen työhön. Näin varsinkin silloin, kun suuri osa sähköstä tuotetaan ydinvoimalla. Ydinvoimalaa ei voida sammuttaa yöksi ja käynnistää päivällä vaan sen käynnistämimen kestää useita päiviä.

Nykyaikaisissa voimaloissa saasteiden määrä on niin pieni, että ympäristösuojelullisista syistä voi sähkölämmitys olla edullista. Sähkö voidaan muuttaa kokonaan lämmöksi. Myös se sähkö, joka tekee mekaanista työtä muuttuu lopulta lämmöksi. Tehokkainta sähkön käyttö on silloin, kun työn teossa käytetty lämpö käytetään lämmitykseen ja tällä vielä lämmitetään ilmastoinnissa tuleva kylmä ilma.
 
 

Voimaloista

Tehtävä 2.6
Yksi iso tuulivoimala tuottaa noin 80m GWh sähköenergiaa vuodessa. Kuinka monta tuulivoimalaa tarvitaan tuottamaan 73,5 TWh vuodessa.

Internetistä löytyy paljon voimaloita koskevaa asiallista kirjoittelua. Saamme parhaan asiantuntemuksen lukemalla joitakin suraavista linkeistä:

 Tutustu Fortumin energiasivuihin.

Sähkö voidaan ostaa tai tuottaa itse omassa maassa.
Sähkön hankinta

 Sähkön tuotantoon tarvitaan energialähde esimerkiksi polttoainetta.
Raakaenergialähteet

 Energia pitää siirtää tavalla tai toisella kuluttajalle
Sähkön siirto

 Tähän tarvitaan markkinointia, joka huolehtii energian myymisen.
Sähkömarkkinoiden kehitysaskeleita
Seuraavista linkeistä löydät kaikenlaista lisätietoa energiasta ja erityisesti sähköstä.
Energiaikkunan linkit. Energiayhtiöitä, viranomaisia, yhdistyksiä ja laitoksia.
Taustatietoja energiasta. Helppotajuista tietoa energiasta, joka edellytetään osattavaksi tässä kursissa.
Sähkön käytön kasvuvauhti ennallaan. Tärkeitä lukuja energian tarpeesta ja tuotosta.
NEMO-tiedote . Energia-alan tiedotuslehti. Paljon mielenkiintoista luettavaa eri energiamuodoista. Suositellaan luettavaksi.
Erään koiranomistajan tutkimuksia Mistä energiaa?. Pakinamuotoon kirjoitettu artikkeli energiasta. Antaa uusia ajatuksia, mutta ei edellytetä osattavaksi.

 Voimalaitosyhtiöitä voidaan pitää jäävinä puhumaan jonkun energian puolesta, mutta näissä laitoksissa on myös paras asiantuntemus. Jos kyse on uuden voimalan rakentamisesta, on erityisesti hankkeen takana olevan voimalaitosyhtiön intresseissa hankkia turvallisin ja edullisin voimalaitos. Ketä sitten voisi uskoa ellei niitä, jotka ammatikseen työskentelevät voimalaitoksissa. Seuraavassa on erityisesti Imatran voiman (IVO) ja Teollisuuden voiman (TVO) asiantuntemusta. Aluksi näiden kotisivut.

 TVO. Teollisuuden voima on ydinvoimayhtiö. Sillä on ydinvoimala Olkiluodossa Rauman lähistöllä. TVO:n sivulta löytyy monenlaista hyödyllistä tietoa ydinvoimasta.
PVO. Pohjolan voima on osakkaana useissa voimalahankkeissa.
PVO käyttää sähköntuotantoonsa monipuolisesti eri energialähteitä

 Kaikissa sähköntuotantomuodoissa tulee vastaan ympäristökysymykset.
Ympäristö IPS eli Inter press service, lyhyitä yhteenvetoja ympäristökysymyksiä käsittelevistä artikkeleista. Artikkelit voit tilata kokonaisina IPS:n toimistosta
PVO:n ympäristöraportointi. Selvitystä PVO:n energiapolitiikasta. Lukuarvoja tuotannoista ja päästöistä.
 
 

Lämpövoimalat

 Lämpövoimakoneen periaatetta käsitellään lämpöopin kurssissa.

Lämpövoimaloitten energialähteenä on yleensä jokin orgaaninen aine kuten hiili, öljy, maakaasu, turve tai puu. Poltettaessa orgaanisen aineen suuri järjestynyt molekyyli hajoaa pieniksi hiilidioksidimolekyyleiksi. Se merkitsee järjestyksen pienemistä eli entropian kasvua. Palamisesta syntyy kuitenkin lämpöä. Korkea lämpötila yhdessä viileän lauhduttimen kanssa muodostavat uudenlaisen järjestyneen tilan eli lämpötilaeron. Lämpötilaero pyrkii tasaantumaan eli lämpö pyrkii virtaamaan kuumemmasta kylmempään. Kuuman tilan nopeat molekyylit pyrkivät laajentamaan tilaansa ja niin syntyy virtaus turbiinin läpi höyrystimestä kohti lauhdutinta. Koska liike on etupäässä yksisuuntaista, se pystyy tekemään työtä molekyylien törmätessä turbiinin siipiin. Osa molekyylien liike-energisasta sitoutuu turbiinin pyörimisenergiaksi. Loput jää lauhdeveteen hukkalämmöksi. Turbiinien läpi virrannut höyry on jäähtynyt niin paljon, ettei sitä yleensä kannata käyttää enää työn tekoon. Joissakin poltttomoottoreissa käytetään vielä kertaalleen läpikulkenut virtaus hyväksi ns. pakokaasuahtimissa eli turboahtimissa. Nykyisin näitä "turboautoja" on markkinoilla.
Turbiini pyörittää generaattoria, joka muuttaa liike-energian sähköenergiaksi eli sähköiseksi potentiaalieroksi. Osa suurten orgaanisten molekyylien järjestyneestä energiasta saadaan vangituksi sähköiseksi järjestyneeksi energiaksi. Sähköinen potentiaaliero pyrkii edelleen tasaantumaan ja se aiheuttaa sähkövirran, joka pystyy tekemään työtä. Kun sähköä käytetään, sen energia lopulta muuttuu lämpöenergiaksi ja hajaantuu ympäristöön. Sitä ei voida käyttää uudelleen työhön.

Ydinvoimalakin toimii samalla tavalla, ydinreaktorissa tai sen ulkopuolella olevassa lämmönvaitimessa syntyy se höyry, joka virttaa turbiinin läpi. Muissa lämpövoimaloissa käytetään polttoaineen kemiallista energiaa veden kuumennukseen.

Hiilivoimalat
Kivihiili on fossiilinen polttoaine, se on syntynyt vuosimiljoonien kuluessa orgaanisesta jätteestä. Siinä on jäljellä kasvien keräämää ja eläinten hyväksikäyttämää energiaa. Kivihiili on rajallinen energialähde. Se on muodostunut hitaasti ja ihminen käyttää sen nopeasti.

 Muita fossiilisia polttoaineita ovat öljy, maakaasu ja turve.

 Poltettaessa hiiltä hiilen kemiallinen energia, joka sitoo hiilen kiinteäksi aineeksi, vapautuu lämpöenergiaksi. Hiili murenee ja leviää hiilidioksidina ilmaan. Hiilen entropia kasvaa. Sen rakenne hajoo ja se hajaantuu. Tapahtuma on palautumaton. Hiilidioksidi ei itsestään ilman lisäenergiaa muutu takaisin hiileksi. Hiili on alkuaan syntynyt kasvien keräämän auringon energian avulla ensin eläviksi kasveiksi. Elävässä kasvissa entropia on pienimmillään. Kasvin kuollesa alkaa entropia sen kohdalta kasvaa. Kasvin hiiltyminen on merkinnyt entropian kasvua. Hiilen palaessa entropian kasvu jatkuu. Edelleen entropia kasvaa höyrystetyn veden tiivistyessä, jäähtyessä ja muuttuessa turbiinien ja generaattorin liike-energiaksi ja lopuksi energian muuttuessa sähköenergiaksi. Jokaisessa vaiheessa entropia kasvaa. Se elävä kasvi, josta kaikki sai maanpäällä alkunsa sisälsi energiaa jaloimmassa muodossa eli sen entropia oli pienin. Kasvi oli pystynyt pienentämään entropiaansa auringosta saamansa energian turvin. Sentähden kasvit ovat elämän edellytys maan pinnalla. Mikään muu ei pysty keräämään energiaa riittävästi elämää varten. Suurimmillaan kasvin entropia on silloin, kun siitä muodostunut lämpö ja hiilidioksidi on hajaantunut ympäri maapalloa tasaisesti. Sitä ei voida käyttää enää millään tavalla energian tuotantoon.

 Hiili on suhteellisen halpa, mutta ulkomainen polttoaine. Kivihiilen lämpöarvo on noin 30 MJ/kg. Se merkitsee, että 1 Mg:sta ( = tonnista) saadaan 30 GJ lämpöenergiaa (Q = 30 MJ/kg·1 Mg = 30·10⁶ J/kg · 10³ kg = 30·10⁹ J = 30 GJ). Tästä voidaan muuttaa mekaaniseski energiaksi vain noin 40 % eli noin 12 GJ. Sähköenergiaa saadaan noin 10 GJ. Lämmöksi jää edelleen noin 20 GJ. Jos tämä lämpöenergia käytetään lämmitykseen kaukolämpönä, säästetään runsaasti muita energiamuotoja ja sähkön tuotanto tulee edulliseksi.

Tehtävä 2.7
Yritä selvittää kuinka paljon energiaa kuluu asuntosi lämmitykseen. Laske kuinka monta samanlaista asuntoa voidaan lämmittää 3,5 TJ:n lauhdutuslämmöllä.
 

 Energia ei häviä, eikä sitä synny tyhjästä, mutta se hajaantuu niin, ettei sitä voida käyttää mekaanisen energian tuottamiseen.

 Hiilen poltosta tulee runsaasti ilman saasteita. Kun hiili palaa, siitä syntyy hiilidioksidia. Yksi hiiliatomi yhtyy kahteen happiatomiin. Hiilen atomimassa on 12 ja hapen 16. Hiilidioksidimolekyylin suhteellinen massa on näin 44. Hiilidioksidia syntyy siis 44/12 = 3,7 kertainen massa poltettun hiilen massaan verrattuna. Kivihiilessä on lisäksi epäpuhtautena mm. rikkiä ja typpiyhdisteitä, jotka kulkeutuvat ilmaan hiilen palaessa.

 Tehtävä 2.8
Kuinka paljon syntyy hiilidioksidia poltettaessa täydelleen megagramma eli tonni hiiltä.

Posion lämpövoimala maksaa 4,7 miljoonaa
Omavaraista sähkön ja lämmön tuotantoa. Tampereen sähköntuotannosta.

Puu
Puun polttaminen tuottaa kasvihuoneilmiötä lisäävää hiilidioksidia, mutta puun kasvattaminen sitoo saman määrän sitä. Puu on kotimainen polttoaine.

Tehtävä 2.9
Tutki taulukkokirjasta eri puulaatujen lämpöarvoja (polttoarvoja).

ALTENER - Puun polttotekniikka. Nopea artikkelin silmäily riittää.
NAKKILAN PILOTTILAITOKSESSA POLTETAAN MÄRKÄÄ JA KUIVAA HAKETTA SAMANAIKAISESTI. Lyhyt artikkeli, jonka silmäily riittää.
Voimalassa tulipalo Lohjalla. Puuta käyttävät voimalat ovat herkkiä tulipaloille.
Aiheena on Suomen energiankäyttö.

Vesivoima
Vesivoima ei saastuta ilmaa, mutta sen rakentaminen aiheuttaa monia ympäristöongelmia. Toimiessaan voimala haittaa kalojen elämää vedessä.
Auringon energia nostaa vettä pilviin. Syntyy järjestynyt tila eli  korkealla olevan pilven ja matalalla olevan meren pinnan korkeusero. Tämä aiheuttaa veden virtaamisen alas, jolloin edellämainittu järjestys häviää eli entropia kasvaa. Korkeusero pyrkii tasoittumaan. Osa sadevedestä sataa vuorille, jolloin korkeuseroa on edelleen jäljellä, entropia ei ole vielä minimissään.
Tämä vesi virtaa jokia ja koskia myöten alas. Virtauksen energiaa voidaan käyttää turbiinien pyörittämiseen kuten höyryn virtauksen energiaakin. Osa auringon energiasta voidaan näin vangita sähköenergiaksi eli sähköiseksi potentiaalieroksi.
Vasta kun vesi on virrannut mereen ja sähköenergia on muuttunut lämmöksi ja hajaantunut ympäristöön on auringon energian luoma järjestys hävinnyt (entropia kasvanut alkutilaan). Itse energia ei hävinnyt, mutta se hajosi molekyylien liike-energiaksi niin, ettei sitä voi enää käyttää makroskooppisen liikkeen tuottamiseen. Tarvitaan lisää auringon energiaa.

Vesivoima. Oulujoen voimaloita.
Pyhäkosken voimalaitos ja sähkömuseo
Vuotosalue. Vuotoksen altaan vastustajien sivut. Paljon asiaa vesivoimatalouden haittavaikutuksista.
Pohjolamme kasvot vaarassa VAARU­ALTA­VUOTOS ­voimalahankkeiden ympäristö- ja yhteiskuntavertailua. Lisää vesienergian tuotannon ongelmista.
Miksi pumppuvoimalaa ei rakennettu toisella vuosituhannella?. Pumppuvoimala ei varsinaisesti tuota energiaa, vaan sillä voidaan varastoida sitä. Ydinvoimalaa ei voida pysäyttää yöksi eikä kesälomien ajaksi, jolloin sähkön käyttö on vähäistä, mutta saadulla energialla voitaisiin pumpata vettä ylös ja tuottaa uudelleen sähköä tarvittaessa. Pumppuvoimaloiden rakentamisessakin on ongelmia.
Eufrat- ja Tigris -jokiin rakennetaan jättipatoja Kaakkois-Turkissa. Vesivoiman käyttö ei tuota ongelmia vain meillä.

Esimerkki
Kuutiometri (1 m³) vettä putoaa 10 m matkan. Vesi menettää potentiaalienergian DW = mgh = 1000 kg · 9,8 m/s² · 10 m = 98 kJ. Osa tästä energiasta voidaan muuttaa generattorin avulla sähköenergiaksi. Loput jää veden liike-energiaksi, joka lopulta muuttuu lämpöenergiaksi. Jos katselet koskea talvella, näet sen höyryävän.