Tuuli, aurinko ja biomassa - uudistuvien energiavarojen ratkaisu

Kahdeksan valominuutin päässä maasta hehkuva aurinko on kaiken uudistuvan energian yhteinen alkuperä. Aurinko valaisee päivän ja lämmittää ilman. Aurinko erottaa ilmakehän korkeapaineen matalapaineesta, mikä ero purkautuu tuulivoimana. Aurinko haihduttaa järvien ja merten veden pilviksi ja sitten sateiksi joista vesi kerääntyy jokiin vesivoimaksi. Aurinko kasvattaa kaiken vihreän kasvillisuuden, polttopuuta antavat metsät mukaan lukien.

Aurinkoenergian riittävyyden varaan voisi rakentaa ihmisen energiatalouden kestävän ratkaisun. Ratkaisu olisi jätteetön: ei happosateita, ei hiilidioksidipäästöjä  ja turvallinen: vaikka auringossa toimiikin ydinvoimala, sen jätteet jäävät avaruuteen.

Miksi aurinkovoimaa ei ole vieläkään valjastettu ihmisen käyttöön? Miksi etsimme edelleen tilapäisiä, uudistumattomia ratkaisuja?

Energiatiheyden ongelma

Aurinkoperäistä, uudistuvaa energiaa voidaan kiinnottaa luonnosta neljästä lähteestä: vesivoimasta, tuulivoimasta, säteilyvoimasta tai biomassasta. Verrattuna uudistumattomiin energiavaroihin kuten öljyyn, kivihiileen tai uraaniin, jotka sisältävät energian jo varastoituneena vesivoiman, tuulen ja säteilyn hyödyntäminen on monimutkaisempaa, sillä niiden energia on vaikeasti varastoitavaa liike-energiaa.

Vesivoima saadaan virtaavan veden ja tuulivoima puhaltavan tuulen liikkeestä. Auringon säteilyssä virtaavat pienimmät mahdolliset energialataukset, valokvantit eli fotonit.

Sateet keräävät laajoille alueille lankeavan auringon säteilyn vesivoimaksi jokeen ja erityisesti sen koskiin. Suotuisissa oloissa    suuressa vesiputouksessa kuten Niagarassa vesivirran energiatiheys voi nousta vasten virtaa mitatulla neliöllä aina yhteen megawattiin (1'000'000 W/m2).

Tuuli kerää jokien tavoin laajoilta alueilta aurinkoenergiaa, mutta tuulivirran energiatiheys jää paljon jälkeen vesivoimasta. Jos tuuli puhaltaa tasaisella nopeudella 25 metriä sekunnissa (navakka tunturituuli), missä tukevasti pystytetty tuulivoimala toimii vielä rikkoutumatta, tuulitehoksi voi mitata vasten tuulta asetetulla neliöllä noin 10 kilowattia (10'000 W/m2).

Kun aurinko paistaa korkealta pilvettömänä päivänä, aurinkoenergian teho maan pinnalla nousee parhaimmillaan lähelle noin yhteen kilowattiin neliöllä (1000 W/m2). Koska auringon säteilyn energia ei tiivisty luonnossa olleenkaan, energiatiheys jää suotuisissakin oloissa kymmenesosaan tuulen ja tuhannesosaan vesivoiman energiatiheydestä.

Tämä tehoero selittää miksi varsinkin vuolaassa koskessa virtaava vesivoima on houkutellut valjastamaan ennemmin kuin aurinkovoima: tiheästä vuosta energia voidaan vangita halvalla.

Tuulivoima jo kehitetty Tanskassa

Energiatiheyttä tarkastellen tuulivoiman saattoi ennustaa kehittyvän kaupalliselle tasolle ennen aurinkosähköä. Näin kävi tuulisessa Tanskassa. Tuulivoimateollisuus on nyt osa Tanskan ulkomaanvientiä.

Suomessa tuulivoimalle otollisinta aluetta on Pohjanlahden rannikko Merenkurkusta etelään. Tämän päivän tekniikalla tuulivoiman hinnaksi tulee noin 50 penniä kilowattitunti.

Aurinkosähkö halpuu nopeimmin

Aurinkosähköä on kehitetty pisimmälle USA:ssa. Uuden tekniikan aurinkovoimala on saasteeton: hajuton ja meluton, etevästi piialkuainetta käyttävä kennosto, jolla auringon energia muunnetaan valosähköisellä ilmiöllä suoraan sähköksi. Aurinkovoimalan huoltoetuna on se että kennostossa ei ole liikkuvia osia.

Aurinkosähkö on halpunut 1970-luvun energiakriisien jälkeen nopeimmin. Kun sen hinta USA:ssa oli vuonna vielä 2.5 mk/kWh, vuonna 1990 oltiin jo tasolla markka per kilowattitunti. Muiden teollisuuden alojen kokemuksen perusteella insinööritieteilijät laskevat että 1990-luvulla aurinkosähkön hinta putoaa edelleen neljännekseen, noin 25 penniin kilowattitunti. Kivihiilivoiman lauhdesähkön hintataso alittunee USA:ssa noin vuonna 1995.

Suomessa aurinkosähkön hinta nousee aina eteläisempien maiden tason yläpuolelle. Se johtuu pimeästä talvestamme, eivätkä kesäpäivätkään ole aina aurinkoisia.

Suomalainen korkean teknologian teollisuus on aurinkosähkön kehittämisessä kuitenkin näkyvästi mukana. Nesteellä (NAPS, Nests Advanced Power Systems) on merkittävä aurinkokennojen ja akkujen markkinaosuus.

Mistä voimaa kun aurinko ei paista?

Vaikka auringon säteily on määrältääm maapallon ylivoimaisesti runsain energialähde, sen vangitseminen ihmisen käyttöön on kiinni kahdesta avainkysymyksestä: voidaanko auringon säteilyn kerääjät levittää helposti laajoille pinta-aloille, korvaamaan auringon säteilyvuon vähäistä tiheyttä? Ja voivatko säteilyn kerääjät myös varastoida vastaanottamansa energian?

Kasvit ratkaisivat nämä ongelmat jo miljoonia vuosia sitten. Tänään ne kasvavat ja samalla varastoivat aurinkoenergiaa itseensä kaikkialla maan pinnalla missä sulaa, makeaa vettä on juurten ulottuvilla.

Tekniikkaan perustuvista laitoksista poiketen kasvien energialaitos on helppo pystyttää; kasvit rakentavat itse itsensä kun ne kerran kylvetään tai istutetaan kasvullee otolliseen maahan. Kasveilla on erikoisominaisuus siinä, että auringon säteilyn kerääjät, vihreät lehdet levittäytyvät joko itsestään tai viljelijän avulla laajoille pinta-aloille.

Biomassan vastaisku 

Satoisien biomassakasvien etsiminen ja kehittäminen ovat tulevaisuuteen varautuvan tutkimuksen aiheita. Biomassaa voi tuottaa periaatteessa millä tahansa kasvilajilla, joka soveltuu viljeltäväksi ja joka tuottaa taloudellisesti jakestävästi riittävän suuria satoja.

Biomassakasviksi voitaisiin ajatella myös miltei mitä tahansa elinvoimaista ja suurikokoista villikasvia, jopa kiusallisen nopeasti venyviä rikkakasvejakin. Suomessa kasvienergian käyttö on kuitenkin kautta aikojen liittynyt puuhun: muinoin tervaksiin, halkoihin ja klapeihin ja nyt hakkeeseen. Maamme biomassatutkimus panostaa siksi puuvartisiin kasveihin.

Metsäbiomassan, lignoselluloosan, tuottamista energialähteeksi nopeakasvuisia, puuvartisia kasveja viljelemällä on tutkittu nyt noin 20 vuoden ajan paitsi Suomessa, myös Ruotsissa ja Kanadassa ja viime vuosina EY-maissa.

Biomassa on lauhkealle vyöhykkeelle sovltuvaa uudistuvaa energiaa. Biomassa pystyy käyttämään hyväkseen laajoja pintaaloja; niitä meillä on muun muassa maataloudesta vapautuvilla pelloilla. Biomassa on saasteetonta; ilmakehän hiilidioksidi ei lisäänny koska se kiertää biomassan ja ilman välillä. Biomassa hajauttaa energiantuotannon; se luo maaseudulle uuden elinkeinoalan, energiaalan ja pitää maaseudun maaseutuna.

Vielä mittavammat mahdollisuudet 1980-luvun alussa nähtiin metsiemme biomassassa: puuperäisessä, kotoisessa energiavarassamme. Silloin istunut energiametsätoimikunta havaitsi polttopuun jo korvaavan tuontiöljyä 3,6 miljoonan tonnin edestä. Metsäntutkimuslaitos selvitti tämän lisäksi että metsiimme jää korjaamatta, mutta teknisesti korjuukelpoista pienpuuta ja hakkuutähdettä noin 15 miljoonaa kuutiometriä vuodessa. Se vastasi energiamäärältään 3-kertaisesti vuoden 1989 turvetuotantoa, noin 3 miljoonaa öljytonnia.

Metsäenergian tutkimus ja kehitystyö lähtivät rivakkaan vauhtiin. Uusia korjuumenetelmiä kehitettiin ja hakelämpökeskuksia rakennettiin. Työpaikkoja luotiin etenkin Keski- ja Pohjois-Suomeen. Lupaavasti alkanut kehitys jatkui vuoteen 1984 saakka, mutta sitten tapahtui käänne: metsätähteen ja metsähakkeen energiakäyttö kääntyi laskuun. Siitä lähtien kotimainen energia on ollut alamäessä.

Mitä 1980-luvun puolivälissä oikein tapahtui? Miksi ote kotimaisesta lipesi? Miksi energiapuuta, uudistuvaa biomassaa ei enää edes mainita vaihtoehtoisena energiavarana?

Biomassa on maapallon merkittäviä energiavaihtoehtoja

Biomassa - polttopuu sekä maa- ja metsätalouden jätteet - on suomalaisille ehkä liian tuttu, liian vanhanaikainen ratkaisu suuren luokan energiavaihtoehdoksi. Kansainvälisiä energiatilastoja silmäilemällä toiseen johtopäätökseen olisi kyllä pitänyt tulla jo viime vuosikymmenellä.

Biomassa on edelleen maapallon merkittäviä energiavaroja. 1980-luvulla se kattoi 14 prosenttia koko ihmiskunnan energiatarpeesta. Esimerkiksi ydinvoimaan verrattuna biomassan osuus on 10-kertainen.

Suomen energiatarpeesta vuonna 1989 saatiin 14,8 prosenttia puubiomassasta. Suomessa biomassa on samassa energiasarjassa kuin ydinvoima (15,8 %), kivihiili (13,4 %) ja vesivoima (11,2 %).

Passiivista ja aktiivista tuotantoa

Merkittävimmin biomassasta peräisin olevaa energiaa käyttää metsäteollisuus. Bioenergia hyödynnetään metsäteollisuuden prosessien yhteydessä passiivisti: jätepuuna ja selluteollisuuden jätelieminä. Niiden polttaminen ovat lisääntyneet metsäteollisuuden muun tuotannon myötä.

Etenkin kuoren polton ratkaiseminen lämpötaloudellisesti tehokkaalla tavalla on metsäteollisuuden merkittäviä energiaalan saavutuksia 1980luvulla. Mutta, josmetsäteollisuuden tuotanto kääntyy laskuun, niinkuin nyt näyttää, biomassaenergian käyttö pienenee maassamme.

Biomassan aktiivi tuottaminen polttoaineeksi on laskenut 1980-luvun puolivälistä. Pienpuuta ei juuri enää osteta hakkeena; hakkeella ei ole 1990-luvun alussa edes neuvoteltua markkinahintaa. 1980-luvun alussa rakennettuja, hake ja palaturvekäyttöisiä aluelämpölaitoksia muunnetaan parhaillaan öljykäyttöisiksi. Biomassan käyttöä energialähteenä jarruttivat 1980-luvulla öljyn pitkään laskenut hinta ja uuden sukupolven energiatekniikan keskeneräisyys.

Ilmakehä ja ympäristömuutos

1990-luvulla biomassan merkitys energialähteenä korostuu uudelta kannalta. Biomassa ei lisää hiilidioksidin päästöjä. Kun metsiemme puuta poltetaan, ilmakehän hiilidioksidi pysyy tasapainossa. Mikä puuta poltettaessa savuaa taivaalle, palautuu metsien kasvussa takaisin puihin.

Erityisasemassa on biomassan aktiivi viljely: viljelyn laajenemisvaiheessa hiilidioksidia sitoutuu ilmakehästä. Uudistuvistakin energiavaroista biomassa on ainut, millä kasvihuoneilmiötä voi paitsi ehkäistä, myös vähentää. Viisaasti biomassaa viljelemällä ilmakehän hiilidioksidia siirtyy kasvustoihin ja niiden alla olevaan humukseen.

Uusia mahdollisuuksia

Toisen sukupolven energiatekniikka parantaa biomassapolttoaineiden kilpailukykyä. Lämpökemiallinen reitti: puun poltto sellaisenaan tai osaksi kaasutettuna on 1990-luvulla uudessa vaiheessa, kun leijukerrospoltto on mahdollista yhä pienemmissä kattiloissa. Typen oksidit vähenevät ja rikki saadaan nykyään yhä tarkemmin talteen.

Suurissa laitoksissa tullaan siirtymään kombivoimatekniikkaan, jossa biomassasta tuotetaan ensisijaisesti sähköä, sivutuotteena lämpöä. Uuden tekniikan ansiosta energian saanto paranee ja sähkön tuotannon hyötysuhde nousee entisestään. Metsäbiomassaa ei tarvitse enää kuivattaakaan metsässä; uudet laitokset saavat energian talteen märkänä syötetystä puusta.

Biokaasu

Huomispäivän luonnonmukaisin ja saasteeton energialähde on biokaasu, biologisesti metaanibakteereilla valmistettu, uudistuva maakaasu. Biokaasun tuotanto keskisuurissa reaktoreissa on jo ratkaistu. Näin toimii muutama kunnallisen tason jätteiden biokaasutuslaitos, muun muassa Vaasassa.

Biokaasun valmistus saa aivan uudet mittasuhteet, kun raaka-aineena käytetään maataloudessa aktiivisti viljeltyä biomassaa. Joensuun yliopiston tutkimuksissa biokaasua saatiin eniten puna-apilasta.

Biotekniikan uudet menetelmät parantavat biokaasusaantoa jo lähitulevaisuudessa. Metaanibakteereita voi valita ja jalostaa kuten kasveja tai karjaa, mutta geeniteknologian uusin menetelmin aikaisempaa verrattomasti nopeammin.

Puhdas biokaasu käy sellaisenaan maakaasuverkkoon. Sähkön tuotanto on biokaasustakin mahdollinen kombivoimalaitoksessa. Biologisen energiatekniikan - viljelty biomassa ja sen jalostus biokaasuksi - voi rakentaa saasteettomaksi energiajärjestelmäksi. Siihen virtaa sisään auringon energiaa ja siitä virtaa ulos puhdasta kaasua tai puhdasta sähköä.

1990-luvun näkymät

Biomassan osuus energialähteenä lisääntyisi lähivuosina nopeimmin kuten 1980-luvulla: metsäteollisuudessa. Keinoja olisivat korjattavan puun minimiläpimitan laskeminen nykyisestä 7-8 cm:stä esimerkiksi 3 cm:iin kuten 1980-luvun alkupuolella, sekä kokopuun ja hakkuutähteiden korjuu. Monitoimikoneella korjattavalta puulta voisi sitäpaitsi poistaa latvaläpimitan kokonaan. Pienpuun energia otettaisiin talteen kuoren polton yhteydessä.

Pienpuun ja hakkuutähteen tekniset menetelmät sekä ekologiset ja taloudelliset vaikutukset selvitettiin 1980-luvulla Metsäntutkimuslaitoksessa. Ne hallitaan. Puun polton ympäristövaikutusten hallinta on sitäppaitsi paljon helpompaa kuin kivihiilen polton rikki-, typpidioksi- ja hiilidioksipäästöjen hallinta.

Keskisarjan, kunnalliset, hakelämpökeskukset on mahdollista aktivoida nopeasti 1980-luvun puolivälin tasolle. Pienpuun korjuu vaatii kuitenkin hakkeelle riittävän houkuttelevaksi neuvotellun hinnan.

Onko tässä Ruotsin mallista apua? Vuoden 1991 alusta fossiilisilla polttoaineilla on Ruotsissa kasvihuonekaasumaksu: fossiilipolttoaineiden poltosta joutuu maksamaan 8 äyriä jokaiselta ilmaan päästetyltä hiilidioksidin kilolta. Kasvihuonekaasumaksua ei ole uudistuvalla biomassalla. Polttoaineiden hintakilpailussa se antaa puulle edun joka on parhaimmillaan 50 markkaa puun kiintokuutiolta.

Pienpuun korjuun suotuisat vaikutukset metsien hoitoon ja maaseudun työllisyyteen osoitettiin jo 1980-luvun alussa. Ne ovat edelleen kiistattomat, mutta etuja ei ole osattu ottaa käyttöön.

Biomassan aktiivin viljelyn voi käynnistää maatilan mittakaavassa välittömästi. Esimerkiksi energiapajun viljely hallitaan maamme oman tutkimuksen ja sen tietotaidon pohjalta mikä Ruotsissa kehitettiin 1980-luvulla. Biomassojen aktiivi energiaviljely tulisi käynnistymään sopimusviljelynä hyväkuntoisilla pelloilla.

2000-luvun haasteet

Biomassa energialähteenä on 2000-luvun haaste Suomen maataloudelle. Pienpuun korjuu polttoaineeksi ja biomassan aktiivi viljely ovat maaseudulle ja maatiloille sopivaa energian tuotantoa.

Biomassojen tuotannossa ylituotannosta ei ole pelkoa. Biomassojen viljelyllä voi päinvastoin ratkaista maatalouden nykyisen ylituotantopulman. Ulkomailla viljeltyä maailmanmarkkinahintaista biomassaa ei kannata ostaa ja kuljettaa Suomeen.

Maamme laajasta pinta-alasta on biomassojen tuotannossa tiheämmin asuttuihin maihin verrattuna kilpailuetu. Biomassojen energiaviljelyllä maaseutu säilyy maaseutuna: asuttuna ja kulttuurimaisemana.

Biomassasta voi kehittää 2000-luvun saasteettoman energiamuodon, suljettuun kiertoon perustuvan, hiilidioksidia sitovan ja kierrättävän menetelmän. Se on bioenergian merkittävin etu, kun etsimme käytännön toimia vastaamaan hiilidioksidipäästöjen rajoittamista koskevia kansainvälisiä sitoumuksiamme.

Veli Pohjonen

Käsikirjoitus 16.2.1991, sen pohjalta pidetty esitelmä Pohjois-Karjalan luonnonsuojelupiirin Energiaseminaarissa Joensuussa 17.2.1991. Web-teksti 8.1.2017