Sulge
  1. Kokkuvõte
    1. Taastuvenergiast ilma udujututa
  2. Numbrid, mitte hinnangud
    1. Motivatsioon
    2. Bilanss
    3. Autod
    4. Tuul
    5. Lennukid
    6. Päike
    7. Soojendamine ja jahutamine
    8. Hüdroelekter
    9. Valgus
    10. Tuul avamerel
    11. Tehnovidinad
    12. Lained
    13. Toit ja toidutööstus?
    14. Tõusud
    15. Asjad
    16. Geotermiline
    17. Avalikud teenused
    18. Kas me suudaks elada taastuvenergiast?
Sulge

Märkmed ja kommentaarid

  • Märkmed puuduvad

Järjehoidjad

  • Järjehoidjad puuduvad
 
David J. C. MacKay Taastuvenergiast ilma udujututa
 

Taastuvenergiast ilma udujututa

  1. Kokkuvõte
    1. Taastuvenergiast ilma udujututa
  2. Numbrid, mitte hinnangud
    1. Motivatsioon
    2. Bilanss
    3. Autod
    4. Tuul
    5. Lennukid
    6. Päike
    7. Soojendamine ja jahutamine
    8. Hüdroelekter
    9. Valgus
    10. Tuul avamerel
    11. Tehnovidinad
    12. Lained
    13. Toit ja toidutööstus?
    14. Tõusud
    15. Asjad
    16. Geotermiline
    17. Avalikud teenused
    18. Kas me suudaks elada taastuvenergiast?

Kokkuvõte

Taastuvenergiast ilma udujututa

David J. C. MacKay

See tähelepanuväärne raamat toob väga selgelt ja objektiivselt välja mitmed vähese CO2 heitkogusega alternatiivid, mis on meile kättesaadavad.

Sir David King, Kuningliku Seltsi liige

Ühendkuningriigi valitsuse juhtiv teadusnõunik 2000–2008

See raamat peaks olema kohustuslik lugemine igaühele, kellel on mõju energiapoliitikale, olgu see valitsuses, ärivaldkonnas või huviorganisatsioonis.

Tony Juniper

Keskkonnakaitseorganisatsiooni Maa Sõbrad endine tegevdirektor

Viimaks ometi üks raamat, mis avaldab põhjalikult säästva energia tegelikud asjaolud, tehes seda nii loetaval kui ka huvitaval viisil.

Robert Sansom

Strateegia ja jätkusuutliku arengu direktor, EDF Energy

Kümneleheküljeline ülevaade

Me sõltume fossiilkütustest ja see ei ole jätkusuutlik. Arenenud maailm saab 80% energiast fossiilkütustest, Suurbritannia 90%. See on jätkusuutmatu kolmel põhjusel.

Esiteks saavad kergesti kättesaadavad fossiilkütused ühel päeval otsa, seega peame lõpuks energiat saama kusagilt mujalt.

Teiseks on fossiilkütuste põletamisel kliimale mõõdetav ja väga tõenäoliselt ohtlik mõju.

Joonis 1: Süsinikdioksiidi (CO2) kontsentratsioon (miljondikosades) viimase 1100 aasta jooksul, mõõdetud jääpuursüdamikesse lõksu jäänud õhust (kuni 1977. aastani) ja Hawaiil otse õhust (1958. aastast).

Mulle tundub, et vahemikus 1800 pKr – 2000 pKr juhtus midagi uut. Ma olen ära märkinud 1769. aasta, kui James Watt patentis aurumasina. (Esimene töötav aurumasin töötati välja 70 aastat enne seda, 1698. aastal, kuid Watti oma oli märksa tõhusam.)

Ohtliku kliimamuutuse vältimine ajendab meid viivitamata oma fossiilkütuste tarbimises muudatust tegema.

Kolmandaks, isegi kui me ei hooli kliimamuutusest, näib drastiline muudatus Suurbritannia fossiilkütuste tarbimises targa sammuna, kui hoolime tarnekindlusest: jätkuv Põhjamere nafta- ja gaasivarude kiire ammendamine paneb fossiilisõltuvuses Suurbritannia üsna pea sõltuma ebausaldusväärsete välismaalaste impordist. (Loodetavasti ikka märkate mu irooniat.)

Kuidas vabaneda fossiilkütuste sõltuvusest?

Nõuannetest teemal „kuidas olukorda muuta“ ei ole puudust, kuid avalikkus on segaduses, kas need skeemid parandavad midagi või on lihtsalt viigilehed. Inimesed on põhjusega kahtlustavad, kui firmad ütlevad meile, et nende „rohelise“ toote ostmisega oleme „oma osa täitnud“. Sama mures on nad riikliku energiastrateegia pärast. Kas „detsentraliseerimine“ ning „soojuse ja elektri koostootmine“ on näiteks piisavalt rohelised? Valitsus tahab, et me nii arvaksime. Kuid kas need tehnoloogiad tõesti vabastaksid Suurbritannia kliimamuutustega seotud kohustustest? Kas tuulepargid on „kõigest žestid, millega meie juhid tõestavad oma keskkonnahoidlikkust“? Kas tuumaenergia on hädavajalik?

Me vajame plaani, mis on tasakaalus, st kus taastuvenergiat toodetakse sama palju, kui energiat tarbitakse. Hea uudis on, et sellist plaani saab teha. Halb uudis aga, et selle rakendamine saab olema keeruline.

I osa – Arvud, mitte arvamused

Raamatu esimeses osas arutletakse selle üle, kas selline riik nagu Ühendkuningriik, mida on teatavasti rikkalikult õnnistatud tuule-, laine- ja loodete ressurssidega, saaks oma taastuvatest energiaallikatest elada. Me kuuleme tihti, et Suurbritannia taastuvad energiaallikad on „tohutud“. Kuid teadmisest, et energiaallikas on „tohutu“, ei piisa. Meil on vaja teada, kuidas see suhestub ühe teise „tohutuga“, nimelt meie tohutu tarbimisega. Selliste võrdluste tegemiseks on meil vaja arve, mitte arvamusi.

Kui kasutatakse arve, muudab nende suurus need tihtipeale hägusaks. Arve kasutatakse mulje avaldamiseks, sõnasõjas punktide võitmiseks, teavitamata jätmiseks. Minu eesmärk on seevastu tuua välja ausad faktidel põhinevad arvud, nii et need oleks arusaadavad, võrreldavad ja meeldejäävad. Need arvud on muudetud arusaadavaks sellega, et on väljendatud igapäevastes personaalsetes ühikutes. Energiat väljendatakse kilovatt-tundides (kWh) elaniku kohta, samades ühikutes, mida võib näha tavalisel elektriarvel; ja võimsust kilovatt-tundides päeva kohta (kWh/p), samuti ühe elaniku kohta. Joonisel 2 on näitena võrreldud mõningaid suurusi neis ühikutes. Punases tulbas (tarbimine) on näidatud, et kui sõita tavalise autoga päevas 50 km, kulutab see päevaga 40 kWh energiat. Paremal pool, rohelises tulbas (tootmine), on välja toodud mõned taastuvad energiaallikad: kui katta 10% riigi territooriumist tuuleparkidega, toodaks see päevas elaniku kohta 20 kWh elektrienergiat.

Joonis 2: Paari energiat tarbiva tegevuse võrdlus Suurbritannia kolmest allikast pärit taastuvenergia kujuteldava tootlusega. Vasakul (punane tulp) on näha, et kui sõita päevas 50 km, kulub selleks (päevas) energiat 40 kWh, ja kui võtta igal aastal ette üks pikamaalend, kulub selleks päevas 30 kWh (aasta keskmine). Paremal (roheline tulp) on näha, et 10% Suurbritannia tuulisemate alade katmine rannikutuuleparkidega toodaks päevas elaniku kohta 20 kWh energiat; iga lõunapoolse katuse katmine päikeseküttepaneelidega 13 kWh/p elaniku kohta; ja Atlandi ookeani laineid püüdvad laineenergiamuundurid, mis katavad 500 km pikkust rannikuala, toodaksid päevas elaniku kohta 4 kWh energiat.

Üks põhjus, miks selliseid personaalseid ühikuid kasutada, on see, et nii on palju lihtsam liikuda Ühendkuningriigi üle arutamisest teiste riikide ja regioonide juurde. Kujutame näiteks ette, et räägime jäätmepõletusest, ja saame teada, et Ühendkuningriigis toodab jäätmepõletus aastas 7 TWh energiat ning Taanis 10 TWh. (1 TWh (üks teravatt-tund) on võrdne ühe miljardi kWh-ga.) Aitab see meil mõista, kas Taani põletab rohkem jäätmeid kui Ühendkuningriik? Ehkki teadmine, kui suur on iga riigi jäätmepõletuse kogutoodang, võib olla huvitav, kaldun mina arvama, et tavaliselt tahame teada, kui suur on toodang elaniku kohta. (Lihtsalt teadmiseks: Taanis on see 5 kWh/p elaniku kohta; Suurbritannias 0,3 kWh/p elaniku kohta. Seega põletavad taanlased umbes 13 korda rohkem prügi kui britid.) Rääkides kõigest algusest peale ühe elaniku kohta, on tulemuseks paremini ülekantav raamat, millest ülemaailmsetes energiaaruteludes on loodetavasti kasu.

Kui lihtsad ja ausad numbrid on paigas, saame vastata järgmistele küsimustele:

  1. Kas sellisel riigil nagu Suurbritannia on võimalik hakkam saada oma taastuvenergia allikate najal?
  2. Kas n-ö arenenud tehnoloogiale üleminek laseb meil vabaneda süsihappegaasireostusest, ilma et peaksime muutma oma elustiili?

„Säästev energia – ilma udujututa“ esimeses osas illustreerivad arutlusi punane tarbimise tulp, kus on toodud välja mõne energiat kulutava tegevuse energiakulu; ja roheline taastuvenergia tulp, kus on kokku liidetud Suurbritannia potentsiaalsed taastuvenergia allikad.

Punaste tarbimistulpadega tegeledes lükkame ümber nii mõnegi müüdi. Näiteks tuuakse telefonilaadijate vooluvõrku jätmist tihtipeale esile kui näidet keskkonnavaenulikust teost ja inimesi, kes laadijad seinast välja tõmbavad, kiidetakse selle eest, et nad on „oma osa täitnud“. Tõde on aga selline, et tavaline mobiililaadija kulutab päevas kõigest 0,01 kWh energiat. Energiahulk, mis säästetakse telefonilaadija seinast väljatõmbamisega – 0,01 kWh –, on täpselt sama suur, kui üks auto suudab ära kulutada ühe sekundiga. Ma ei taha sellega öelda, et te ei peaks telefonilaadijaid seinast välja tõmbama, kuid ärge laske end lollitada mantrast „ka vähesest on abi“. Telefonilaadija maniakaalne vooluvõrgust eemaldamine on sama hea kui Titanicust teelusikaga vee välja kühveldamine. Minugipoolest tõmmake see välja, kuid saage siiski aru, kuivõrd tilluke žest see on.

Telefonilaadija üheks päevaks seinast väljatõmbamisega säästetava energiahulga kulutab autosõit ära ühe sekundigaAastas telefonilaadija seinast väljatõmbamisega säästetava energia hulk on sama, mis kulub ühele kuumale vannile. Telefonilaadija moodustab teie energia kogutarbimisest kõigest murdosa. Kui igaüks panustab vähehaaval, siis ka saavutame üsna vähe.

Veel üks meeldejääv arv on pikamaalendude panus inimese energeetilisse jalajälge. Kui te lendate kord aastas Kaplinna ja tagasi, kulutate selle reisiga sama palju energiat, kui kulub aasta läbi iga päev autoga 50 km sõitmisele.

Üsna märkimisväärse osa Suurbritannia energeetilisest jalajäljest moodustavad asjad. Sissetoodud tööstustoodangut ei loeta tavaliselt Suurbritannia energeetiliseks jalajäljeks, sest nende tootmiseks vajaliku energia kulutas ära teise riigi tööstus, kuid imporditava tööstustoodangu (nagu autod, masinad, kodumasinad, elektroonilised seadmed, raud, teras ja puistlast) energiakulu on vähemalt 40 kWh päevas elaniku kohta.

Tabel 1.1 Suurbritannia asjade vool (kg päevas elaniku kohta)

SISSE

 

VÄLJA

 

Fossiilkütused

16

Süsinikdioksiid ja muud KHG

30

Kivisüsi

4

Olmejäätmed

1,6

Nafta

4

Taaskasutatakse

0,27

Gaas

8

Põletatakse

0,13

Koguimport

12,5

Ladestatakse prügilasse

1,0

Imporditud toit

1,6

Ohtlikud jäätmed

0,2

Tehasetoodang

3,5

Äravisatud toit

0,3

Vesi

160

   

Raamatu esimeses pooles tehakse kaks selget järeldust.

Esiteks, selleks et ükskõik millise taastuvenergiaasutuse panus oleks märkimisväärne ehk vähegi võrreldav meie praeguse tarbimisega, peaks see olema riigisuurune. Näiteks tuleks veerandi praeguse energiakulu katmiseks energiakultuuridega katta 75% Suurbritanniast biomassiistandustega. Selleks et katta 4% meie praegusest energiakulust laineenergiaga, tuleks 500 km Atlandi ookeani rannikut katta täielikult laineenergia jõujaamadega. Need, kes tahavad elada taastuvenergiast, kuid tahavad samas, et sellega seostuv taristu ei oleks suur ega pealetükkiv, petavad iseennast.

Taastuvenergiarajatised peavad olema riigisuurused, sest kõik taastuvenergiaallikad on nii hajusad. Tabelis on välja toodud mõne taastuvenergiaallika energiatootlikkus maa või vee pindalaühiku kohta.

Tabel 1.2:

Võimsus maismaa või veepinna pindala kohta
Tuul2 W/m2
Tuul merel3 W/m2
Tõusud ja mõõnad3 W/m2
Vee voolamine tõusudel ja mõõnadel6 W/m2
Päikesepaneelid520 W/m2
Taimed0.5 W/m2
Vihmavesi (mägistes piirkondades)0.24 W/m2
Hüdroelekter11 W/m2
Geoterminiline soojus0.017 W/m2
Päikeseahjud0.1 W/m2
Ookeani soojus5 W/m2
Päikeseenergia koondamine (kõrbetes)15 W/m2


Teiseks. Euroopa keskmine energiatarbimine on 125 kWh/p inimese kohta. Nende riigisuuruste taastuvenergiaallikatega on võimalik see energiatarbimine katta, kui jätaksime kõrvale majanduslikud piirangud ja avaliku vastuseisu. Kaks suurimat panustajat oleksid päikesepaneelid, mis, kattes riigi pindalast 5% või 10%, toodaksid inimese kohta 50 kWh/p; ja avamere tuulepargid, mis, kattes Walesist kaks korda suurema mereala, toodaksid inimese kohta keskmiselt järgmised 50 kWh/p.

Selline röögatu maapiirkondade paneelidega katmine ja briti merede täitmine tuulegeneraatoritega (mis on viis korda võimekamad kui kõik tänapäeva tuuleturbiinid kokku) võib küll füüsikaseaduste kohaselt võimalik olla, kuid kas avalikkus nõustuks selliste ekstreemsete ümberkorraldustega ja maksaks nende eest? Kui vastus on ei, oleme sunnitud tegema järelduse, et Suurbritannia taastuvenergiaallikad ei kata kunagi praegust energiavajadust. Me vajame tarbimise radikaalset vähendamist või märkimisväärselt rohkem energiaallikaid – või mõlemat.

II osa – Energiaplaan, mis on tasakaalus

„Säästev energia – ilma udujututa“ teises osas arutletakse kuue strateegia üle, millega on võimalik ületada lõhe esimeses osas välja toodud energiatarbimise ja taastuvenergiaallikate tootlikkuse vahel, misjärel visandatakse Suurbritannia jaoks mõned tasakaalus energiaplaanid.

Esimesed kolm strateegiat lõhe ületamiseks vähendavad nõudlust.

  • Elanikkonna vähendamine; 
  • Elustiili muutus; 
  • Üleminek tõhusamale tehnoloogiale

Ülejäänud strateegiad lõhe ületamiseks suurendavad pakkumist.

  • Fossiilkütuste ja kivisöe keskkonnasäästlikuks kasutamiseks (ehk nn puhas kivisüsi) nimetatakse kivisöe põletamise jätkamist, kuid teistmoodi – süsinikdioksiidi sidumise ja ladustamisega. Millist „säästlikku“ energiat me võime kivisöest saada? 
  • Tuumaenergia on ka üks vastuoluline võimalus. Või on see kõigest ajutine lahendus? 
  • Kolmas viis süsihappegaasivaba energia saamiseks on elada teiste riikide taastuvenergiast, nimelt selliste riikide omast, mida on õnnistatud küllusliku päikesevalguse ja väikese asustustihedusega. Milline on Sahara kõrbe realistlik potentsiaal?
Joonis 5: Päikeseenergial töötav Stirlingi mootor. Need kaunid kontsentraatorid toodavad energiat 14 W/m2. Foto: Stirling Energy Systems. www.stirlingenergy.com

Diskussiooni teravamaks muutmiseks lihtsustab raamat Suurbritannia karikatuuriks, kus on esindatud ainult kolm tarbimiskategooriat: transport, soojus ja elekter.

Suurbritannia jaoks tuuakse välja viis energiaplaani, millest kõik vähendavad energiatarbimist transpordi ja soojustootmise elektriseerimise abil (soojuspumpade kasutamise abil). Elektrimootoriga sõidukitega kaasneb teine mugav aspekt: suurt elektritarbimist tekitab nende akude laadimine, mida saab kergesti sisse ja välja lülitada, mistõttu aitab nutikas akulaadimine tasakaalustada nõudlust pakkumisega tugevatele taastuvenergiaallikatele või tuumaenergiale tuginevas elektrivõrgus.

Joonis 6: Praegune tarbimine elaniku kohta „karikatuur-Suurbritannias 2008“ (kaks vasakpoolset tulpa) ja tuleviku tarbimisplaan koos kütuste võimaliku jaotusega (kaks parempoolset tulpa). See plaan eeldab elektritootmise suurendamist 18 kWh/p pealt 48 kWh/p peale elaniku kohta.

Transpordi ja soojustootmise elektriseerimine nõuab muidugi elektritootmise märkimisväärset suurendamist. Viis plaani pakuvad selleks vajalikku elektrit, kasutades viit erinevat süsihappegaasivaba kombinatsiooni. Need kombinatsioonid esindavad erinevaid poliitilisi pilte, sealhulgas plaani G (green – roheline), mis ajab läbi ilma kivisöe keskkonnasäästliku kasutamise ja tuumaenergiata; plaani N (NIMBY e not in my backyard – mitte minu õuel), mis kasutab ulatuslikult teiste riikide taastuvenergiat; ja plaani E (economist – majandusteadlane), mis keskendub kõige ökonoomsematele süsinikdioksiidivabadele valikutele: maismaatuulepargid, tuumaenergia ning käputäis loodete laguune.

Joonis 7: Viis energiaplaani Suurbritanniale. Kõik need pakkumise vaatenurgast tehtud plaanid eeldavad, et nõudlust on suurel määral soojuse ja transpordi tõhustamise arvelt vähendatud.

Need plaanid täpsustavad, millisele vundamendile me oma väiksema süsihappegaasi heitkogusega energeetika tuleviku rajama peame.

Joonis 8: Andasol – Hispaanias asuv „100 MW“ päikeseenergiajaam. Päeval toodetud üleliigne soojusenergia salvestatakse kuni seitsmeks tunniks vedelsoolamahutitesse, tagades elektrivõrgu katkematu ja stabiilse varustatuse. Maa pindalaühiku tootlus saab olema 10 W/m2. Foto: IEA SolarPACES.

Kui me ei toetu suurel määral ei tuumaenergiale ega kivisöe keskkonnasäästlikule kasutamisele, peame energiatasakaalu säilitamiseks ostma teiste riikide taastuvenergiat. Kõige paljulubavam laiaulatuslikult arendatav taastuvenergiaallikas on kõrbetes päikesekiirguse kontsentreerimine. Päikesekiirguse kontsentreerimisel kasutatakse elektri tootmiseks erinevaid kombinatsioone liikuvatest peeglitest, sulasoolast, aurust ja sisepõlemismootoritest.

Selleks et anda parem pilt sellest, kuidas tasakaalus energiaplaanid meie igapäevast elu mõjutavad, on joonisel 9 näidatud kuuendat plaani järgiv Suurbritannia. Kuues plaan hõlmab kõikvõimalikke vähese süsihappegaasi heitkogusega allikaid ning asub enam-vähem esimese viie vahel. Seega kutsun seda plaaniks M (middle – keskmine).

Joonis 9: Plaan M. Tasakaalus plaan Šotimaale, Inglismaale ja Walesile. Hallikasrohelised ruudud on tuulepargid. Igaüks neist katab 100 km2 ala ja on kujutatud suhtelistes mõõtmetes. Punased jooned meres on laineenergiajaamad, mõõtmed on suhtelised. Helesinised välgunoole kujuga hulknurgad: päikeseenergiajaamad, millest igaüks katab 20 km2 ala, mõõtmed on suhtelised. Sinised teravate nurkadega hulknurgad meres: merehoovusjaamad. Sinised laigud meres (Blackpooli ja Washi lähedal): loodete laguunid. Helerohelised maa-alad: metsad ja lühikese raieringiga madalmetsad (suhtelistes mõõtmetes). Kollakasrohelised alad: biokütus (mõõtmed on suhtelised). Väikesed sinised kolmnurgad: jäätmepõletusjaamad (mõõtmed ei ole suhtelised). Suured pruunid nelinurgad: biomassi koospõletusega kivisütt keskkonnasäästlikult kasutavad energiajaamad, kus süsihappegaas seotakse ja talletatakse (mõõtmed ei ole suhtelised). Lillad täpid: tuumaelektrijaamad (mõõtmed ei ole suhtelised) keskmisega toodanguga 3,3 GW kõigis 12 jaamas. Kollased kuusnurgad teisel pool väina: kontsentreeritud päikesekiirgusega elektrijaamad kaugetes kõrbetes (mõõtmed on suhtelised, igaüks 335 km2). Roosa looklev joon Prantsusmaal tähistab uusi HVDC elektriliine (2000 km pikad), mis toovat kõrbetest Suurbritanniasse 40 GW elektrit. Kollased tähed Šotimaal: uued pump-hüdroakumulatsioonijaamad. Punased tähed: olemasolevad pump-hüdroakumulatsioonijaamad. Sinised täpid: vee soojendamiseks kasutatavad päikesepaneelid kõigil katustel.
Joonis 10: Halb. BMW Hydrogen 7. Energiakulu: 254 kWh 100 km kohta. Foto: BMW.

Minu eesmärk ei ole valida võitjaid, vaid esitada kõigi võimaluste kohta ausaid kvantitatiivseid fakte. Niisiis toon järgmisena välja mõned „pühad lehmad“, mis ei paista kvantitatiivse luubi alla võetuna enam nii heast küljest, ja mõned, mis paistavad.

Halb: vesinikkütusega masinad on katastroof. Enamik vesinikautode prototüüpe kasutavad rohkem energiat kui fossiilkütustel sõitvad masinad, mida nad asendavad. BMW Hydrogen 7 kulutab 100 km peale 254 kWh energiat (samas kui keskmine fossiilkütusel sõitev briti auto kulutab sama maa peale 80 kWh). Hea: seevastu elektriautode prototüübid kulutavad kümme korda vähem energiat: 20 kWh 100 km kohta või isegi 6 kWh 100 km kohta. Elektriautod on hübriididest palju paremad. Tänapäeva hübriidautosid, mis on parimal juhul fossiilkütusel töötavatest autodest 30% paremad, peaks nägema kui põgusat kasulikku vahesammu teel elektriautodeni.

Joonis 11: Hea. Elektriauto Tesla Roadster. Energiakulu: 15 kWh 100 km kohta. www.teslamotors.com.m.
Joonis 12: Hea. Aptera, 6 kWh 100 km kohta. Foto: www.aptera.com.

Halb: detsentraliseeritud soojuse ja elektri koostootmine on veel üks terendav viga. Jah, soojuse ja elektri koostootmine (st igasse hoonesse eraldiseisva elektrijaama panemine, mis toodab hoone soojas hoidmiseks lokaalselt elektrit ning soojust) võib küll olla veidi tõhusam viis fossiilkütuste kasutamiseks kui tavaline meetod (st tsentraliseeritud elektrijaamad ja lokaalsed kondensatsioonikatlad). See on siiski kõigest ligikaudu 7% tõhusam. Ja kasutab ikkagi fossiilkütust! Kas eesmärk ei ole mitte vabaneda fossiilkütustest? Õigupoolest on olemas palju parem viis lokaalselt soojust toota: soojuspump. Hea: soojuspumbad on tagurpidi külmkapid. Elektrijõul töötav soojuspump pumpab soojuse õuest tuppa, võttes selle õhust või maapinnast. Parimate, hiljuti Jaapanis välja töötatud soojuspumpade soojustegur on 4,9. See tähendab, et pump toodab 1 kWh elektrist 4,9 kWh sooja kas sooja õhu või kuuma vee näol. See on märksa tõhusam viis kvaliteetsest energiast soojuse saamiseks kui lihtsalt kvaliteetsetele kemikaalidele tule otsapanek, mille soojustegur on kõigest 0,9.

Halb: katustele paigaldatud mikroturbiinid on totaalne ressursside raiskamine. Nad ei tasu end kunagi ära. Hea: seevastu on katustele paigaldatavad päikese-veesoojendid ilmselge valik. Need tõesti töötavad. Isegi Suurbritannias, kus päikesepaistet on ainult 30%, suudab tagasihoidlik 3 m2 paneel soojendada pool keskmise pere veest.

Halb: telefonilaadija seinast väljatõmbamine on mannetu žest, sama hea kui Titanicust teelusikaga vee väljakühveldamine. Telefonilaadija väljatõmbamise levinud kaasamine nimekirjadesse kümnest asjast, mida sa saad ära teha, on halb, sest viib tähelepanu kõrvale tõhusamatest tegevustest, mida inimesed võiks ette võtta. Hea: termostaadi madalamaks keeramine on üks kõige tõhusamaid elektri kokkuhoiu viise, mis on tavainimesele kättesaadav – iga madalamaks keeratud kraad vähendab soojuskulusid 10% ja soojusele kulub enamikus Suurbritannia hoonetes just kõige rohkem energiat. Joonisel 16 on minu maja andmed.

See raamat ei ole mõeldud kasutamiseks põhjaliku ülitäpsete arvudega allikana. Pigem on selle eesmärk näitlikustada, kuidas kasutada ligikaudseid numbreid konstruktiivses konsensuslikus vestluses. See raamat ei propageeri ühtki energiaplaani ega tehnoloogiat. Pigem on siin kirjas, mitu klotsi on Lego karbis ja kui suur on iga tükk, et lugeja saaks ise otsustada, kuidas töötada välja klappiv plaan.

Joonis 13: Hea. Soojusteguriga 4 õhksoojuspumba sisemised ja välimised osad. Sisemise osa juures on võrdluseks ka pastapliiats. Üks neist Fujitsu komponentidest suudab kõigest 0,845 kW elektrist toota 3,6 kW soojust. See töötab ka tagurpidi, tootes 0,655 kW elektrist 2,6 kW külma õhku.
Joonis 14: Halb. Ampairi „600 W“ mikroturbiin. See Leamington Spa küljes olev mikroturbiin suudab päevas toota keskmiselt 0,037 kWh energiat (1,5 W).
Joonis 15: Hea. 3 m2 kuumaveepaneeli toodetud päikeseenergia (roheline) ja lisasoojusvajadus (sinine), et toota Viridian Solari katsemajas kuuma vett. (Fotol on näha maja, mille katusel on sama mudeli paneel.) Keskmiselt tootis 3 m2 paneel päikeseenergiat 3,8 kWh/p. Katse jäljendas keskmise Euroopa majapidamise soojaveekasutust, milleks on päevas 100 liitrit kuuma vett (60 °C). 1,5–2 kWh/p vahe kogu toodetud soojuse (must joon, kõige ülemine) ja kasutatud sooja vee vahel (punane joon) tuleb soojuskaost. Violetne joon näitab päikeseenergiasüsteemi töös hoidmiseks kuluvat elektrit. Nende päikesepaneelide keskmine energiatoodang pindalaühiku kohta on 53 W/m2.
Joonis 16: Minu kodu gaasikulud aastatel 1993–2007. Iga joon näitab aasta kumulatiivset tarbimist kilovatt-tundides. Iga aasta lõpus olev number on tolle aasta keskmine tarbimine kilovatt-tundides päevas. Mõõdiku lugemise hetked on märgitud siniste täppidega. Tuleb välja, et mida tihedamini ma mõõdikut loen, seda vähem gaasi ma kasutan!

III osa – Tehnilised peatükid

Raamatu kolmas osa sukeldub energiatarbimise ja -tootmise füüsikalistesse alustesse. Kaheksa lisa näitavad algtõdede põhjal, kust esimese kahe osa numbrid on saadud. Neis lisades seletatakse näiteks, kuidas autosid on võimalik palju energiasäästlikumaks teha ja miks lennukeid ei ole ning kuidas arvutada tuuleparkide, loodete ja laineenergiajaamade tootlikkust põlve otsas. Kuigi suurem osa raamatust on mõeldud arusaamiseks kõigile, kes oskavad liita, korrutada ja jagada, on need tehnilised lisad suunatud lugejatele, kes tunnevad end mugavalt valemitega, nagu „".

Joonis 17: Õhuvool tuulegeneraatoris. Generaator aeglustab õhuvoolu ja jaotab selle laiali.

IV osa – Kasulikud andmed

Raamatu viimasel kuueteistkümnel leheküljel on veel võrdlusandmeid ja muundustegureid, mis tulevad kasuks raamatu ideede rakendamisel teistes riikides ning teistes organisatsioonides kasutatud ühikutest ja ühikutesse teisendamisel.

02.12.2008

Lisateave

Raamat on tasuta kättesaadav internetis aadressil www.withouthotair.com. UIT Cambridge avaldab raamatu Suurbritannias 02.12.2008 ja Põhja-Ameerikas 01.04.2009.

David MacKay on Cambridge’i Ülikooli füüsikaosakonna loodusfilosoofia professor.

Numbrid, mitte hinnangud

Motivatsioon

Me elame ajal, kus emotsioonid ja tunded loevad rohkem kui tõde ja kus teaduse tundmises valitseb ignorantsus.

James Lovelock

David Goodstein, Out of Gas (2004)

Lugesin hiljuti kaht raamatut, üks kirjutatud füüsiku, teine majandusteadlase poolt. Raamatus Out of Gas, kirjeldab Caltech'i (Kalifornia tehnoloogiainstituut) füüsik David Goodstein peagi saabuvat energiakriisi, mille toob Naftaajastu lõpp. Ta ennustab, et kriis saabub peagi ja tabab meid mitte siis, kui viimane piisk naftat on maapõuest kätte saadud, vaid siis, kui tootmine ei kata enam nõudmist - võib-olla juba 2015- või 2025. aastal. Ja isegi kui me sõrmenipsuga suudaksime oma energiatarbimise ümber lülitada tuumaenergiale asendaksime - Goodsteini arvates - lihtsalt naftakriisi tuumkütuse kriisiga, ja seda juba umbes  kahekümne aasta pärast, kuna ka uraani varud ammenduksid.

Bjørn Lomborg’s The Skeptical Environmentalist (2001)

Oma raamatus The Skeptical Environmentalist, maalib Bjørn Lomborg hoopis teistsuguse pildi. “Kõik on kõige paremas korras.” Enamgi veel, “kõik liigub paremuse poole.” Ning, “me ei liigu energiakriisi poole,” ja “energiat on piisavalt.”

Kuidas on võimalik, et kaks tarka inimest jõuavad nii erinevate järeldusteni? Ma pidin sellest aru saama.

Briti uudistesse jõudis energia 2006.aastal. Järjest hoogu koguva diskussiooni süütasid uudised kliimamuutustest ja gaasi hinna kolmekordistumine kuue aasta jooksu. Kuidas peaks oma energiavajaduse rahuldama Suurbritannia? Aga maailm?

Näiteks “tuul või tuumaenergia?”. On raske ette kujutada teemat, mis tekitaks tarkades inimeste vahel suuremat vastandumist. Ühes tuumaenergia kasutamise laiendamist käsitlevas diskussioonis ütles endine keskkonnaminister Michael Meacher: “kui tahame vähendada kasvuhoonegaaside emissiooni 60% ... aastaks 2050,  ei ole seda võimalik teha teisiti, kui läbi taastuvenergia kasutamise.” Samas endine riigiteenistuja Söör Bernard Ingham, võttes sõna tuumaenergia kasutamise laiendamise poolt, ütles “need, kes loodavad [energia] puudusest üle saada taastuvenergia abil elavad unistuste maailmas ja on minu arvates inimkonna vaenlased.”

Lahkarvamused on ka keskkonnakaitsjate liikumise sees. Kõik on nõus, et midagi on vaja kiiresti teha, aga mida? Kestliku arengu komisjoni (Sustainable Development Commission) esimees Jonathon Porritt kirjutab: “tuumaenergia arendamise plaanidele ei ole täna õigustust ja ... ükski selline ettepanek ei ole kooskõlast [valitsuse] kestliku arengu strateegiaga." ja “tuumavaba stateegia peab ja on võimeline olema rohkem kui piisav, et vähendada kasvuhoonegaaside emissiooni, mille peame saavutama 2050. aastaks ja andma juurdepääsu turvalistele energiaallikatele.” Seevastu James Lovelock kirjutab oma raamatus, The Revenge of Gaia: “Kestliku arendusega alustamiseks on täna juba liiga hilja”. Tema arvates on tuumaenergia, "ainus efektiivne ravi" mida saame täna oma haigele planeedile pakkuda. Kaldalähedased tuuleturbiinid on aga vaid "žest, millega meie juhid saavad tõestada oma keskkonnateadlikkust."

[...]

 

Bilanss

Loodust ei saa lollitada
Richard Feynman

Räägime energia tarbimisest ja energia tootmisest. Tänasel pöeval tuleb enamus arenenud maailmast kasutatavast energiast fossiilkütustest; See ei ole kestlik. Arutelu selle üle, kui kaua me saame fossiilkütuste abil edasi elada, on küll huvitav, aga see ei ole selle raamatu teema. Me tahaksime elada ilma fossiilkütusteta.

[...]

Autod

Joonis. 3.1: Autod. Punane BMW, mida mis näib kääbusena planeedilt Dorkon pärit kosmoselaeva kõrval.

Meie esimeses tarbimist puudutavas peatükis uurima modernse tsivilisatsiooni ikooni: autot, milles sõidab üks inimene. Kui palju energiat tarbib üks tavaline autoomanik? See on lihtne aritmeetika, kui teame vahetuskurssi:

Ütleme, et ühes päevas sõidetav vahemaa on 50 km (30 miili).

Kütuse ühiku kohta sõidetud vahemaaks, või auto kütusekuluks võtame 33 miili UK galloni kohta (see number on võetud ühest pereauto reklaamist). See teeb:

(Sümbol tähendab “on ligikaudu võrdne”.)

Joonis 3.2: Tahate teada, kui palju energiat on autokütuses? Uurige või või margariini pakendit. Nende kalorsus on 3000kJ 100g kohta, mis teeb umbes 8kWh kg kohta.

Kuidas jääb ühiku kütuse energiasisaldusega (nimetatakse ka kütteväärtuseks või energiatiheduseks)? Teeme asja enda jaoks põnevamaks ja hindame seda suurust kaudselt. Autokütus (ükskõik, kas diisel või bensiin) on süsivesinik ja süsivesinikud on juhtumisi ka meie hommikusöögilaual, kusjuures nende kütteväärtus on mugavalt pakendilt loetav: see on umbes 8 kWh kg kohta (vt joonis). Kuna me väljendasime kütusekulu miilides kütuse ruumala ühiku kohta, siis peame ka kütteväärtuse kirja panema kui energia ruumala kohta. Et teisendada kütuse “8 kWh kg kohta” (energia massi ühiku kohta) energiaks ühikruumala kohta, peame teadma kütuse tihedust. Milline on või tihedus? Kuna või napilt ujub vees, nagu ka kütuse laigud, siis võime öelda, et selle tihedus peab olema veidi väiksem vee tihedusest (so 1 kg liitri kohta). Kui võtame tiheduseks 0.8 kg liitri kohta, siis saame kütteväärtuseks:

Selle asemel, et lõputult ebakorrektset väärtust kasutada, võtame siitpeale kasutusele õige väärtuse, milleks on 10 kWh liitri kohta.

[...]

Tuul

Lennukid

Päike

Soojendamine ja jahutamine

Hüdroelekter

Valgus

Tuul avamerel

Tehnovidinad

Lained

Lained

Kui on üldse riike, mis võiksid loota lainete energiale, siis see on Suurbritannia ja Põhja-Iiri Ühendkuningriik, mis külgneb ühelt poolt Atlandi ookeaniga ja teiselt poolt Põhjamerega.

Kõigepealt selgitame, kust tulevad lained: päike tekitab tuule ja tuule tekitab lained.

Enamus Maale jõudvast päiksevalgusest soojendab ookeane. Soe vesi soojendab omakorda õhku selle kohal ja tekitab veeauru. Kui soe õhk ülespoole tõuseb, siis see jahtub ning veeaur selle sees kondenseerub, moodustades pilvi ja tekitades vihma. Kõige kõrgemas punktis jahtub õhk veelgi, puutudes kokku kosmose jäise pimedusega. Külm õhk vajub uuesti alla. Selline suur, päikese jõul töötav pump keerutab õhku ringiratast mööda suuri konvektsioonikanaleid. Merepinnal tekib tänu nendele kanalitele tuul. Seega on tuul n-ö teise ringi päikeseenergia. Tuul omakorda tormab mööda veepinda ja tekitab laineid. Järelikult on lained n-ö kolmanda ringi päikseenergia.

Avamerel tekivad lained alati, kui tuul puhub kiiremini kui 0,5 m/s. Lainete harjad liiguvad umbes sama suure kiirusega ja samas suunas kui tuul, mis neid tekitas. Lainete lainepikkus (vahemaa laineharjade vahel) ja periood (aeg laineharjade vahel) sõltuvad tuule kiirusest. Mida kauem tuul puhub ja mida suurem on vee pindala, üle mille tuul puhub, seda kõrgemaks kerkivad selle tuule tekitatud lained. Seega, kuna Atlandi ookeanil puhuvad tuuled valdavalt läänest itta, on Atlandi ookeani Euroopa rannikule jõudvad lained eriti suured. (Briti saarte idarannikule jõudvad lained on tavaliselt palju väiksemad, sellepärast keskendun oma laineenergia hinnangutes Atlandi ookeanile.)

Lainetel on pikk mälu ja nad jätkavad oma liikumist ühes suunas veel päevi pärast seda, kui tuul on lakanud, kuni põrkavad lõpuks millegi vastu. Meredel, kus tuule suund tihti muutub, moodustavad kattuvad, erinevatel päevadel tekkinud ja erinevates suundades liikuvad lained paraja segaduse.

Kui lained kohtavad oma teel midagi, mis nende energia neelab – näiteks liivarandadega saarte rivi –, siis on meri saarte taga rahulikum. Sellised objektid tekitavad varju ja edasi liikuvates lainetes on vähem energiat. Seega, kui arvestame päikeselt saadavat energiat ruutmeetri kohta, siis lainte antavat energiat arvestame ranniku pikkuse kohta. Nii nagu ei ole võimalik kooki ühtaegu süüa ja alles hoida, ei ole võimalik laineenergiat koguda kõigepealt kahe miili kaugusel rannikust ja seejärel uuesti miilikaugusel rannikust. Kahe miili kaugusel olev seade neelab siis energia, mis oleks muidu jõudnud ühe miili kaugusel olevasse seadmesse, ja seda ei ole võimalik asendada. Tuulel kulub suurte lainete tekitamiseks tuhandeid miile.

Lainetest toodetavale energiale on võimalik seada ülemine piir. Selleks peame hindama ranniku ühikpikkusele jõudvat energiat ja korrutama selle läbi ranniku pikkusega. Me ei uuri, millise seadeldisega võiks kogu seda energiat koguda. Küsime lihtsalt alustuseks, kui palju seda energiat on.

Atlandi ookeani lainete võimsust on mõõdetud: see on ligikaudu 40 kW avatud ranniku meetri kohta. See kõlab väga suure võimsusena! Kui igal inimesel oleks üks meeter rannikut, saaks me sealt kätte kogu oma 40 kW, mida tarbimisühiskonna liikmena igapäevaselt vajame. Paraku on meie elanikkond liiga suur. Igaühele ei jätku ühte meetrit Atlandi ookeani suunas vaatavat rannikut.

Joonis 12.1: Laineenergia koguja Pelamis on neljast sektsioonist koosnev meremadu. See on suunatud ninaga lainetele vastu. Lained painutavad madu ja seda liikumist takistavad hüdraulilised generaatorid. Ühe mao maksimaalne võimsus on 750 kW. Parimas kohas Atlandi ookeanil suudab üks selline madu toota elektrienergiat keskmise võimsusega 300 kW.

Kaardilt on näha, et Suurbritannial on umbes 1000 km Atlandi ookeani rannikut (üks miljon meetrit), mis teeb 1/60 m elaniku kohta. Seega saame ühe elaniku kohta 16 kWh energiat päevas. Kui me eraldaksime kogu selle energia, oleks Atlandi ookeani rannik peegelsile. Siiski ükski olemasolev süsteem ei suuda eraldada kogu laineenergiat, midagi läheb mehaanilise energia elektrienergiaks muundamisel paratamatult kaotsi. Oletame, et meil on suurepärane lainemasin, mis muudab 50% laineenergiast elektrienergiaks, ja me suudame selliste masinatega täita 500 km Atlandi ookeani rannikust. See tähendaks, et me saame kätte 25% teoreetilisest maksimumist. See teeks 4 kWh inimese kohta päevas. Teen siin jällegi tahtlikult üsna ekstreemseid eeldusi, et rohelise energia panust võimendada – ma arvan, et paljudele lugejatele tundub mõte täita pool Atlandi ookeaniga piirnevast rannikust lainete neelajatega üsna utoopilisena.

Joonis 12.2: Laineenergia.

Kuidas paistavad selles arutluses kasutatud numbrid, kui neid võrrelda praegu olemasoleva tehnoloogiaga? Selle raamatu kirjutamise ajal on vaid kolm seadet, mis töötavad sügavas vees: kolm laineenergia kogujat Pelamis (joonis 12.1), mis on ehitatud Šotimaal ja paigaldatud Portugali. Nende kohta ei ole reaalseid andmeid avaldatud, aga Pelamise seadmete tootjad ennustavad, et pigem vastupidavust silmas pidades konstrueeritud kahe kilomeetri pikkune lainefarm, mis koosneb 40st meremaost, võiks anda 6 kW lainefarmi meetri kohta. Kasutades oma arvutustes seda numbrit, kahaneb 500 km lainefarmi tootlikkus ühe inimese kohta 1,2 kWh-ni. Nii et ma kahtlustan, et ehkki laineenergia võib olla kasulik väikeste, kaugetel saartel asuvate kogukondade jaoks, ei mängiks see Suurbritannia energiaprobleemi lahendamisel eriti olulist rolli.

Kui palju kaalub Pelamis ja kui palju see sisaldab terast? Üks madu, mille maksimaalne võimsus on 750 kW, kaalub 700 tonni ning selle sisse mahub ka 350 tonni ballasti. Seega on seal ligikaudu 350 tonni terast. Kaalu ja võimsuse suhe on ligikaudu 500 kg ühe kW kohta (maksimaalselt). Seda saab võrrelda avamere tuuleparkide kohta käivate sarnaste andmetega: avamere tuuleturbiin, mille maksimaalne võimsus on 3 MW, kaalub koos vundamendiga 500 tonni. Seega on tuuleparikde kaalu ja võimsuse suhe umbes 170 kg ühe kW kohta. Samas, Pelamis on esimene prototüüp ning võib arvata, et tulevikus see suhe paraneb.

Märkused ja edasine lugemine

Avamerel tekivad lained alati, kui tuule kiirus on suurem, kui umbes 0.5 m/s. Lainete harjad liiguvad umbes sama suure kiirusega ja samas suunas kui tuul, mis neid tekitas. Lihtsaim lainete tekkimise teooria (Faber, 1995, p. 337) ennustab (väikeste lainete kohta), et lained liiguvad ligikaudu poolega sellest kiirusest, millega liigub neid tekitanud tuul. Siiski, empiiriliselt on leitud, et mida kauem tuul puhub, seda suuremaks muutub domineeriva lainetüübi lainepikkus ja seda suurem on selle kiirus. Lõpuni arenenud merel on lainete kiirus peaaegu võrdne tuule kiirusega 20 meetrit merepinnast kõrgemal. (Mollison, 1986).

Briti saarte idarannikule jõudvad lained on tavaliselt palju väiksemad, sellepärast keskendun oma laineenergia hinnangutes Atlandi ookeanile. Kui laineenergia Lewises (Atlantiline) on 42 kW/m, siis võimsused idarannikul kohtades on näiteks Peterjead: 4 kW/m; Scarborough: 8 kW/m; Cromer: 5 kW/m. Allikas: Sinden (2005). Sinden ütleb: “Põhjameri on väga madala energiaga lainete keskkond.”

Atlandi ookeani lainete võimsus on 40kW avatud ranniku meetri kohta. (Peatükk Lained II selgitab, kuidas on võimalik mõnd lainete kohta teada olevat fakti kasutades selle numbrini jõuda.) Seda numbrit on korduvalt kinnitatud Atlandi ookeani laineid käsitlevas kirjanduses (Mollison et al., 1976; Mollison, 1986, 1991). Näiteks kirjutab Mollison (1986): “suures plaanis on Kirde-Atlandi energiavarud Islandi ja Põhja-Portugali vahel 40-50 MW/km kohta, sellest 20-30 MW/km on realistlik kasutusele võtta.” Igas ookeani punktis saab eristada kolme liiki võimsust pikkuse kohta: koguvõimsus, mis läbib seda punkti kõigis suundades (see on keskmiselt 63 kW/m Scilly saartel ja 67 kW/m Uisti läheduses); koguvõimsus, mis läbib optimaalses suunas orienteeritud kogumisseadmeid (vastavalt 47 kW/m ja 45 kW/m); ja võimsus rannajoone ühiku kohta, mis võtb arvesse erinevusi optimaalse energia kogumise suuna ja rannajoone suuna vahel (näiteks Portugalis on optimaalne suund kirdesse, aga rannajoone avaneb läände).

Ükski reaalne süsteem ei suuda eraldada kogu laineenergiat, midagi läheb mehaanilise energia elektrienergiaks muundamisel paratamatult kaotsi. Rabav näide selle kohta on Ühendkuningriikide esimene elektrivõrku ühendatud Limpeti nimeline lainemasin Islay's. Seadme ehitamise ajal hinnati, et selle muundamise efektiivsust võiks olla 48% ja väljundvõimsus 200 kW. Aga kaod lainete püüdmise süsteemis, hooratastes ja elektrilistes kompnentides viisid väljundvõimsuse vaid 21kW-ni, mis annab muundamise efektiivsuseks vaid 5% (Wavegen, 2002).

Toit ja toidutööstus?

Tõusud

Asjad

Geotermiline

Avalikud teenused

Kas me suudaks elada taastuvenergiast?