David J. C. MacKay Taastuvenergiast ilma udujututa
 

Taastuvenergiast ilma udujututa

  1. 1 Kokkuvõte
    1. 1.1 Taastuvenergiast ilma udujututa
  2. 2 Numbrid, mitte hinnangud
    1. 2.1 Motivatsioon
    2. 2.2 Bilanss
    3. 2.3 Autod
    4. 2.4 Tuul
    5. 2.5 Lennukid
    6. 2.6 Päike
    7. 2.7 Soojendamine ja jahutamine
    8. 2.8 Hüdroelekter
    9. 2.9 Valgus
    10. 2.10 Tuul avamerel
    11. 2.11 Tehnovidinad
    12. 2.12 Lained
    13. 2.13 Toit ja toidutööstus?
    14. 2.14 Looded
    15. 2.15 Asjad
    16. 2.16 Geotermiline
    17. 2.17 Avalikud teenused
    18. 2.18 Kas me suudaks elada taastuvenergiast?
  3. 3 Teha asju, mis päriselt loevad
    1. 3.1 Iga SUUR asi loeb
    2. 3.2 Parem transport
  4. 4 Tehniline
  5. 5 Kasulikud andmed

1 Kokkuvõte

1.1 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

1.1.1 Kümneleheküljeline ülevaade

Magnuse naftaplatvorm

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 numbreid, mitte arvamusi.

Kui kasutatakse numbreid, muudab nende suurus need tihtipeale hägusaks. Numbreid kasutatakse mulje avaldamiseks, sõnasõjas punktide võitmiseks, teavitamata jätmiseks. Minu eesmärk on seevastu tuua välja ausad faktidel põhinevad numbrid, nii et need oleks arusaadavad, võrreldavad ja meeldejäävad. Need numbrid 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?

„Taastuvenergia – 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

„Taastuvenergia – 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.

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 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.

2 Numbrid, mitte hinnangud

2.1 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."

[...]

 

2.2 Bilanss

Loodust ei saa lollitada
Richard Feynman

Tarbimine ja tootmine

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.

Me joonistame kaks tulpa. Vasakpoolses, punases tulbas me liidame kokku kogu energia tarbimise. Parempoolses, rohelises tulbas me liidame kokku taastuvenergia tootmise. Me ehitame neid kahte tulpa üles järk-järgult, liites ühikuid pärast seda, kui oleme need läbi arutanud.

Selles raamatus me küsime, kas "taastuvenergial põhinev elu on mõeldav?" Nii et me liidame kokku kõik põhimõtteliselt mõeldavad taastuvenergia allikad ja paneme nad parempoolsesse, rohelisse tulpa.

Vasakpoolses, punases tulbas me hindame "tüüpilise keskklassi inimese" tarbimist. Julgustan teid liitma kokku omaenda tarbimist, et saada ka omaenda vasakpoolne tulp. Hiljem me leiame ka tänase keskmise eurooplase ja aasialase energiatarbimise.  

Kui me hindame oma küttele, transpordile, tootmisele jne tarbitavat energiat, siis ei ole meie ülesanne lihtsalt leida oma bilansi vasakpoolsesse tulpa minevat numbrit. Püüame ka aru saada, millest see number sõltub ja kui reaalne on seda muuta.

Parempoolses, rohelises tulbas me liidame kokku taastuvenergia tootmise hinnangud Ühendkuningriikide kohta. Nii saame vastata küsimusele "kas on mõeldav, et Ühendkuningriigid elavad vaid taastuvenergia allikatest?"

Oluline oleks küsida, kas vasakpoolsesse tulpa minevad taastuvenergia allikad on ka majanduslikult teostatavad. Aga me jätame selle kõrvale - majanduslik teostatavus segab inimestel aeg-ajalt suurt pilti nägemast. Näiteks inimesed küsivad "kas tuuleenergia on odavam kui tuumaenergia?" ja unustavad küsida "kui palju tuuleenergiat on üleüldse saadaval?" või "kui palju uraani on veel järel?"

Kui oleme kõik kokku liitnud, võib tulemus välja näha umbes niisugune:

Tarbimine on väiksem kui tootmine

Kui me leiame, et tarbimine on palju väiksem, kui põhimõtteliselt võimalik taastuvenergia tootmine, siis me võime öelda "tore, võib-olla me saame taastuvenergiaga hakkama; vaatame, millised on alternatiivsete taastuvenergiaallikate majanduslikud, sotsiaalsed ja keskkonnamõjud ja millised neist vääriks uuringuid ja arendustööd; kui me teeme head tööd, siis võib-olla meil ei olegi energiakriisi".

Aga me võime saada ka sellise tulemuse:

Kogutarbimine on suurem kui tootmine

See on palju trööstitum pilt.

See pilt ütleb "ei ole vahet, mida taastuvenergia majanduse jaoks tähendab: meil lihtsalt ei ole piisavalt taastuvenergiat meie tänase elustiili tagamiseks; suured muutused on tulekul."

2.2.1 Energia ja võimsus

Enamus energia tarbimist puudutavaid diskussioone on segased kõikvõimalike erinevate energiat ja võimsust mõõtvate ühikute kasutamise tõttu, alustades "tonni õli ekvivalendist" ja lõpetades "teravatt-tundideni" (TWh) ja "eksadžaulideni" (EJ). Ainult spetsialistid mõistavad, mida "naftabarrel" või "miljon BTU" inimkeeli tähendab. Selles raamatus me paneme kõik numbrid ühtsesse personaalsesse ühikutesse, millega igaüks saab suhestuda.

Energia ühikuks valime kilovatt-tunni (kWh).  See ilmub ka "ühe tükina" meie elektriarvel ja maksab kodukasutajale umbes 13 senti (10p Ühendkuningriikides 2008.a). Me näeme, et enamus individuaalsetest päevastest valikutest tähendavad energia hulki, mis on väljendatavad väikese arvu kilovatt-tundide kaudu.

Joonis 2.1 Tuleb teha vahet energia ja võimsuse vahel. Kõigi joonisel kujutatud 60 W elektripirnide võimsuseks on 60 W; neil ei ole 60 W"energiat". Elektripirn kasutab sisselülitatult 60 W elektrilist võimsust; ja kiirgab 60W võimsust valguse ja soojusena (peamiselt soojusena).

Kui me räägime võimsusest (kiirus, millega me kasutame või toodame energiat), siis kasutame ühikuna kilovatt-tundi päevas (kWh/d). Vahetevahel kasutame ka vatte () ja kilovatte (), nagu selgitatakse allpool. Kilovatt-tundi päevas on hea ühele inimesele kohandatav ühik: enamik meie isiklikest energia kugistamistest kugistavad seda kiirusega, mis on väljendatav väikese hulga kilovatt-tundidena päevas. Näiteks terveks päevaks põlema jäetud 40 W elektripirn kasutab ühe kilovatt-tunni energiat päevas. Mõned energiafirmad pakuvad graafikuid, kus on energia tarbimine on näidatud kilovatt-tundides päevas. Ma kasutan ühtesid ja samasid ühikuid igasuguse, mitte ainult elektrienergia tarbimise võimsuse kohta. Bensiini tarbimine, gaasi tarbimine, söe tarbimine: ma mõõdan kõike seda kilovatt-tundides päeva kohta. Ja teeme ühe asja selgeks: mõne inimese jaoks käib sõna "võimsus" kokku vaid elektrienergia kasutamisega. Aga see raamat tegeleb kõigi energia vormide kasutamisega, sestap kasutame sõna "võimsus" kõigi nende kohta.

Üks kilovatt-tund päeva kohta on ka ligikaudu see võimsus, mida suudab pakkuda üks inimtööline. Kilovatt-tundide arv päeva kohta on seega ka inimeste arv, mida on vaja sellise keskmise võimsuse saavutamiseks. Tavakõnes me kasutame termineid energia ja võimsus segiläbi, aga selles raamatus me peame järgima nende rangelt teaduslikku definitsiooni. Võimsus on energia kasutamise kiirus.

ruumala me mõõdame liitritesvoolukiirust me mõõdame liitrites minuti kohta
energiat me mõõdame kWhvõimsust me mõõdame kWh päeva kohta

Võib-olla on hea energia ja võimsuse selgitamise viis võrrelda seda vee ja vee vooluga. Kui te tahate vett juua, siis on teile oluline vee ruumala - näiteks üks liiter (kui teil on suur janu). Kui te panete kraanist vee jooksma, siis te tekitate vee voolu - ühe liitri minutis, kui kraanist vesi vaevu niriseb; kümme liitrit minutis, kui vool on tugevam. Te saate ühesuguse ruumala (ühe liitri) vett kätte kätte kas lastes veel vaevu nirisevast kraanist voolata ühe minuti või kümnendiku minutiga, kui kasutate seda teist kraani. Mingi aja jooksul kätte saadud vee ruumala saame, kui korrutame voolu kiiruse ajaga:

Me ütleme, et voolukiirus näitab, kui kiiresti mingi ruumala kätte saadakse. Kui me teame mingi konkreetse ajaga kätte saadud ruumala, siis saab voolukiiruse arvutada, kui jagame selle ruumala ajaga:

See ongi seos energia ja võimsuse vahel. Energia on nagu vee ruumala: võimsus on nagu vee voolukiirus. Näiteks kui röster tööle panna, hakkab see tarbima energiat kiirusega üks kilovatt. See jätkab 1 kW tarbimist, kuni see välja lülitatakse. Teisiti, röster (kui see on pidevalt sisse lülitatud) tarbib ühe kilovatt-tunni energiat tunnis; ja see tarbib 24 kilovatt-tundi energiat päevas. Mida kauem on röster sisse lülitatud, seda rohkem energiat  see tarbib. Te saata mingi tegevusega tarbitud energia arvutada, kui korrutate võimsuse ajaga:

Rahvusvaheline energia ühik on džaul, aga kahjuks on liiga väga väike, et seda siin kasutada. Üks kilovatt-tund vastab 3,6 miljonile džaulile.

Võimsus on nii kasulik ja tähtis mõiste, et sellel on midagi, mida voolukiirusel ei ole: oma spetsiaalne mõõtühik. Kui me räägime voolukiirusest, siis me mõõdame seda "liitrites minuti kohta", "gallonites tunni" või "kuupmeetris sekundi kohta". Nende ühikute nimed annavad selgelt mõista, et voolukiirus on "ruumala ajaühiku kohta". Kui võimsus on üks džaul sekundi kohta, siis seda nimetatakse vatiks. 1000 džauli sekundis kutsutakse kilovatiks. Teeme endale terminoloogia selgeks: röster kasutab ühte kilovatti. See ei kasuta "ühte kilovatti sekundi kohta." Sõnapaar “sekundi kohta” on kilovati definitsioonis sees: üks kilovatt tähendabki "üks kilovatt sekundi kohta". Samamoodi me ütleme, et "tuumaelektrijaam toodab ühe gigavati." Muide, üks gigavatt on üks miljard vatti või miljon kilovatt või 1000 kilovatti. Seega on üks gigavatt miljon röstrit. Ja “g” ning “w” sõnast “gigawatt” kirjutatakse suurtähtedega ainult siis, kui me kirjutame nad lühendiks "GW."

Palun ärge kunagi öelge "üks kilovatt sekundi kohta", "üks kilovatt tunni kohta" või "üks kilovatt päeva kohta." See, et inimesed väga tahavad röstrist rääkides öelda "millegi kohta", on üks põhjuseid, miks ma otsustasin kasutada võimsuse ühikuna "kilovatt-tundi päeva kohta." Palun vabandust, et seda on kohmakas kirjutada ja välja öelda.

Veel viimane asi, mille peame selgeks tegema: kui ma ütlen "keegi kasutab gigavatt-tunni energiat," siis ma lihtsalt ütlen, kui palju energiat ta kasutas, mitte seda, kui kiiresti nad seda energiat kasutasid. Gigavatt-tunnist rääkimine ei tähenda, et see energia oleks kasutatud ühe tunni jooksul. Te võite ühe gigavatt-tunni energiat kasutada ära ühe tunni jooksul, kui lülitate korraga sisse miljon röstrit või kui lülitate sisse 1000 röstrit 1000 tunniks.

Nagu öeldud, enamasti ma kasutan võimsuse ühikuna kWh/p inimese kohta. Üks põhjus, miks mulle sellised personaalsed ühikud meeldivad, on see, et nende kasutamine teeb lihtsaks siin Suurbritannia kohta öeldut teistele riikidele või regioonidele laiendada. Oletagem näiteks, et me arutleme jäätmete põletamist ja saame teada, et Suurbritannias annab jäätmete põletamine 7 TWh energiat aastas ja et Taani jäätmete põletamine annab 10TWh aastas. Kas see annab aluse öelda, et Taani põletab "rohkem" jäätmeid, kui Suurbritannia? Ehkki jäätmetest riigis toodetav koguvõimsus võib olla huvitav number, on minu arvates jäätmete põletamine inimese kohta see, mida me tavaliselt teada tahame. (Ametlikult siis: Taani, 5 kWh/p inimese kohta; Suurbritannia, 0.3 kWh/p inimese kohta. Seega põletatavad taanlased jäätmeid 13 korda rohkem kui britid). Trükiruumi kokku hoidmiseks lühendan ma vahel "inimese kohta" kui "/i". Rääkides algusest peale kõigest inimese kohta saame me paremini adapteeritava raamatu, millest on loodetavasti taastuvenergeetika käsitlemisel kasu kogu maailmas.

1 TWh (üks teravatt-tund) on võrdne miljardi kWh-ga.

2.2.2 Valik täpsustusi

Energia ja entroopia

Kas energia ei ole siis jääv suurus? Me räägime energia "kasutamisest", aga kas üks loodusseaduseid ei ütle, et energia ei teki ega kao? 

Jah, ma ei olnud täpne. Tegelikult on see raamat entroopiast ja see on veidi keerulisem mõiste, mida seletada. Kui me "kasutame ära" ühe kilodžauli energiat, siis tegelikult me võtame ühe kilodžauli madala entroopiaga energiat (näiteks elektrienergia) ja muundame selle teiseks, palju kõrgema entroopiaga energia vormiks (näiteks kuum õhk või vesi). Kui me oleme energia "ära kasutanud", siis tegelikult on see jätkuvalt alles; aga üldiselt me ei saa seda ikka uuesti ja uuesti kasutada, kuna vaid madala entroopiaga energia on meile kasulik. Mõnikord on tähistustes erineva sordi energiad üksteisest eristatud: üks kWh(e) on üks kilovatt-tund elektrienergiat - kõrgeima sordi energiat. Üks kWh(s) on üks kilovatt-tund soojusenergiat - näiteks energia kümnes liitris keevas vees. Kõrge temperatuuriga kehades olev energia on paremat sorti (madalama entroopiaga) kui toasoojas olevate kehade energia. Kolmas energia sort on keemiline energia. Keemiline energia on samasugune kõrgemat sorti energia, nagu ka elekter.

Entroopia asemel energiast rääkimine on mugav, ehkki üsna ebatäpne ja me teeme seda suuremas osas sellest raamatust. Aeg-ajalt me peame olema täpsemad; näiteks kui räägime külmikutest, jõujaamadest soojuspumpadest ja geoterminilisest energiast.

Erinevate energia liikide võrdlemisest

Kas me mitte ei võrdle õunu ja apelsine? Kas on õige võrrelda erinevaid energia vorme, nagu bensiiniautodesse tangitav keemilist energiat ja tuuleenergiat?

Tarbitud ja kõikvõimalikku toodetavat energiat võrreldes ma ei väida, et kõik energia vormid on ühetaolised ja vahetatavad.  Tuulegeneraatoritega toodetud elektrienergia on bensiinimootorile kasutu; ja bensiin on kasutu, kui tahame energiat oma televiisori jaoks. Põhimõtteliselt saab energiat muundada ühest liigist teiseks, ehkki sellise muundamisega kaasnevad energiakaod. Fossiilkütustel töötavad jõujaamad näiteks neelavad keemiliste energiat ja toodavad elektrienergiat (kasutegur on ca 40%). Alumiiniumitehas neelab elektrienergiat ja toodab kõrge keemilise energiaga toodet - alumiiniumi (kasutegur ca 30%). 

Mõnes energia tootmist ja tarbimist kirjeldavas kokkuvõttes on kõik eri liiki energiad teisendatud samadele ühikutele, tuues sisse spetsiaalsed kordajad. Näiteks elektrienergia, mis toodetakse hüdroenergiast, on sellises arvestuses väärt 2,5 korda rohkem, kui elektrienergia, mis toodetakse naftast. Selline elektri efektiivse energia tõstmine on õigustatav, kui ütleme, et "aga 1 kWh elektrienergiat on võrdne 2,5 kWh naftaga, sest kui me paneme just niipalju naftat tavalise jõujaama käitamiseks, siis me saame sellest 2.5 kWh kätte 40%, mis on 1 kWh elektrienergiat.” Sellest raamatus me reeglina konverteerime erinevat liiki energiad üks ühele. See ei ole alati nii, et 2.5 kWh naftat tähendab 1 kWh elektrienergiat; see on lihtsalt kujutletav vahetuskurss maailmas, kus naftat kasutakse elektri tootmiseks. Tõepoolest, keemilise energia elektrienergiaks muundamine toimub just sellise vahetuskursiga. Aga mõnikord muundatakse elektrienergiat ka keemiliseks energiaks. Alternatiivses maailmas (mis võib-olla ei olegi väga kaugel), kus meil on piisavalt elektrienergiat ja vähe naftat, võime me vedelkütuste tootmiseks kasutada elektrit; selles maailmas me kindlasti ei kasutaks samasugust vahetuskurssi – iga kWh bensiini maksaks siis umbes 3 kWh elektrienergiat! Ma arvan, et on ajatum ja teaduslikum viis energia kokku lugemiseks on hoida  1 kWh keemilist energiat võrdsena 1 kWh elektrienergiaga. Selline valik tähendab ka, et mõned minu summad võivad olla teistsugused, kui teistel inimestel (näiteks BP Statistical Review of World Energy hindab 1 kWh elektrienergiat võrdseks naftaga; aga valitsuse Digest of UK Energy Statistics kasutab üks-ühele teisendamist, nagu ka mina). Ma rõhutan veel kord, et see valik ei tähenda, et ma arvaksin, nagu saaks neid energiaid otse üksteiseks muundada. Keemilise energia elektrienergiaks muundamine raiskab alati energiat, nagu ka elektrienergia muundamine keemiliseks energiaks.

Füüsika võrrandid

Terves selles raamatus me ei tegele ainult numbritega, mis kirjeldavad meie tänasat energiatarbimist ja võimalikku taastuvenergia tootmist. Me tahame ka selgeks teha, millest need numbrid sõltuvad. See on väga oluline, kui tahame valida mõistlikke poliitikaid nende muutmiseks. Vaid energia tarbimise taga oleva füüsika tundmine lubab meil anda hinnanguid väidetele nagu "autod raiskavad 99 % oma tarbitavast energiast; me võiksime disainida autosid, mis kulutavad 100 korda vähem energiat." Kas see väide on tõene? Vastuse selgitamiseks ma kasutan valemeid nagu

Samas ma saan aru, et paljudele lugejatele on sellised valemid võõrkeel. Sestap annan lubaduse: ma hoian kogu selle võõrkeelse värgi tehnilistes peatükkides raamatu lõpus. Iga inimene, kes on keskkoolis matemaatika, füüsika ja keemiat õppinud, võiks neid peatükke uurida. Raamatu põhitekst on kavandatud selliselt , et see oleks arusaadav igaühele, kes oskab liita, lahutada, korrutada ja jagada. Eriti on see suunatud meie kallitele valitud ja valimata esindajatele, parlamendi liikmetele.

Viimane asi enne alustamist: ma ei tea energiast kõike. Mul ei ole kõiki vastuseid ja minu poolt pakutavad numbrid on avatud kontrollile ja korrigeerimisele. (Ma lausa ootan parandusi ja publitseerin need raamatu veebilehel.) Olen lõpuni kindel vaid selles, et taastuvenergia küsimuse vastused sialdavad numbreid; ükskõik milline tervemõistuslik taastuveneeetikat käsitlev diskussioon vajab numbreid. Selles raamatus on nad olemas ja see näitab, kuidas neid kasutada. Ma loodan, et see meeldib teile!

Märkused ja edasine lugemine

Liide "sekundi kohta" on kilovatti definitsiooni sisse ehitatud. Teine näide ühikust, kus "aja kohta" on sisse ehitatud on sõlm - "meie laeva kiirus on kümme sõlme!" (sõlm is üks meremiil tunnis); herz - “ ma kuulen 50 hertsist suminat” (üks herts on üks periood sekundis); amper - “kaitse põleb läbi, kui vool on suurem kui 13 amprit” (mitte kulonit sekundis). Palun, ära kunagi ütle "üks kilovatt sekundis." Sellele reeglile on mõned harvad erandid. Kui me räägime võimsuse nõudluse kasvust, siis me võime öelda “Briti elektrivõimsuse nõudlus kasvab kiirusega üks gigavatt aasta kohta.” Peatükis Fluktuatsioonid ja salvestamine, kui me arutleme tuule võimsuse fluktuatsioone, ma ütlen  “ühel hommikul langes Iiri tuulikute võimsus kiirusega 84 MW tunni kohta.” Palun olge hoolikad! Vaid üks liigne sõna võib viia eksiarvamusteni: näiteks teie kodune elektrimõõdik mõõdab elektrienergiat kilovatt-tundides (kWh), mitte  ’kilovatt-tundides tunni kohta’. Tegin ka tabeli, mille abil te saate tõlkida peamiseid võimsuse ühikuid kWh päeva kohta ja inimese kohta.

2.3 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 vahemaa, või auto kütusekulu saame meil tavaliselt autoreklaamides pakutavatest numbritest, kui palju kulutab auto kütust 100 km kohta. Võtame selleks numbriks 33 miili Briti galloni kohta (8 liitrit 100 km kohta):

(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 liitri kohta). Kui võtame tiheduseks liitri kohta, siis saame kütteväärtuseks:

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

Joonis. 3.3: Autode peatüki järeldus: tüüpiline autoomanik kasutab umbes energiat päevas.

Palju õnne! Me oleme saanud oma esimese hinnangu tarbimisele. Ma panin selle hinnangu joonise vasakusse tulpa. Punase kasti kõrgus märgib 40 kWh päeva ja inimese kohta.

See on hinnang tüüpilise autojuhi kohta, kes juhib tänast tavalist autot. Allpool me hindame kõigi Briti inimeste keskmist tarbimist, kus arvestame ka seda, et kõik inimesed ei kasuta autosid. Raamatu teises osas hindame ka seda, milline võiks olla tarbimine siis, kui kasutame teisi tehnoloogiaid, näiteks elektriautosid.

Miks sõidab auto 33 miili galloni kohta? Kuhu see energia läheb? Kas on võimalik toota autosid, mis läbivad 3300 miili galloni kohta? Autod energia tarbimise vähendamiseks peame teadma füüsikat, mis kirjeldab autode energiatarbimist. Nendele küsimustele vastatakse tehnilises peatükis Autod II, kust leiate ka piltidesse pandud autode energiatarbimise teooria. Soovitan teil tehnilisi peatükke lugeda, kui valemid nagu ei põhjusta teile meditsiinilisi probleeme.

Peatüki Autod järeldused: tüüpiline autojuht kasutab 40kWh energiat päevas. Järgmisena peame me alustama taastuvenergia tulbaga, et meil oleks võimalik seda hinnangut millegagi võrrelda.

Küsimused

Kui palju energiat kulub autokütuse tootmiseks?

Hea küsimus. Kui me hindame mingisugusele tegevusele kuluvat energiat, siis me tavaliselt valime sellele tegevusele üsna kindlad piirid. Selline valik teeb hinnangute andmise kergemaks, aga ma nõustun, et hea oleks hinnaga tegevuste täielikku energia tarbimist. On hinnatud, et iga ühiku autokütuse valmistamiseks kulub 1,4 ühikut naftat ja teisi esmaseid kütuseid (Treloar et al., 2004).

Kui palju energiat kulub autode tootmiseks?

Ka see küsimus jääb sellest konkreetsest rehkendusest välja. Me räägime autode tootmisest alapeatükis Asjad.

Märkused ja lisamaterjalid

Joonis 3.4: Briti inimeste harjumused liikumisel tööle ja töölt koju, 2001. aasta rahvaloenduse andmetel. 

Ütleme, et ühes päevas sõidetav vahemaa on 50 km. See vastab 18000 km (11000 miilile) aastas. Umbes pool Briti elanikkonnast sõidab autoga tööle. Autosõidu kogukilometraaž UK-s on 686 miljardit reisija-km aastas, mis vastab "keskmise Briti inimese päevas sõidetavale vahemaale" 30 km päevas. Allikas: Department for Transport [5647rh]. Nagu ma ütlesin, ma hindan "tüüpilise keskmiselt jõuka inimese" tarbimist - tarbimist, mille poole paljud inimesed pürgivad. Mõned inimesed ei sõida peaaegu üldse autoga. Selles peatükis tahan ma hinnata sellise inimese energiatarbimist, kes on valinud autoga sõitmise, mitte ei depersonaliseeri vastust rääkides UK keskmisest, mis segab kokku autoga sõitjad ja autoga mittesõitjad. Kui ma ütlesin “keskmine auto energiatarbimine UK-s on 24 kWh/p inimese kohta,” siis ma võin kihtla vedada, et mõned inimesed saavad asjast valesti aru ja arvavad: "Ma kasutan autot, järelikult ma tarbin 24 kWh/p.”

Kui võtame tiheduseks liitri kohta.Bensiini tihedus on 0,737. Diislikütuse tihedus on 0,820–0,950 [nmn4l].

... õige väärtuse, milleks on liitri kohta. ORNL [2hcgdh] pakub selliseid kütteväärtuseid: diiselkütus: ; lennukikütus:  ; bensiin:  . Kui otsite andmeid kütteväärtuse kohta, siis te leiate "kogukütteväärtuse" ja “netokütteväärtuse” (samuti “high heat value” ja “low heat value”). Mootorikütustel erinevad need vaid 6%, nii et ei ole väga kriitiline neid eristada, aga ma seletan sellegipoolest. Kogukütteväärtus on tegelik keemiline energia, mis vabaneb kütuse põlemisel. Üks põlemise saaduseid on vesi ja enamikus mootorites ja jõujaamades läheb osa energiat selle vee aurustamiseks. Netokütteväärtus mõõdab, kui palju energiat jääb järele, kui oletame, et vee aurustamisele kuluv energia on läinud.

Kui me küsime "kui palju energiat ma oma elustiiliga tarbin", siis on õige kasutada kogukütteväärtust. Netokütteväärtusest on huvitatud jõujaamade insenerid, et otsustada, millist kütust millises jõujaamas põletada. Selles raamatus me üritame läbivalt kasutada kogukütteväärtust.

Auto summuti ots

Viime märkus läheb pedantidele, kes ütlevad, et "või ei ole süsivesik": OK, või ei ole puhas süsivesik; aga me saame heas lähenduses öelda, et või peamine komponent on pikk süsivesikute ahel, nagu ka bensiinil. Selle tõestuseks on asjaolu, et see lähendus tõi meid õigele vastusele lähemale kui 30%. Tere tulemas geriljafüüsikale.

2.4 Tuul

Tuulik püüab tuult

UK-l on parimad tuuleenergia varud Euroopas

Sustainable Development Commission

Tuulefarmid hävitavad maastiku ilma igasuguse eesmärgita.

James Lovelock

Kui palju tuuleenergiat on mõeldav toota?

Maapealse tuule potentsiaali Ühendkuningriikides on võimalik hinnata korrutades tuulepargi keskmise võimsuse pinnaühiku kohta inimese kohta tuleva pindalaga UK-s:

kohad

Tuule võimsuse hindamist pinnaühiku kohta UK-s selgitatakse peatükis Tuul II. Kui tuule tüüpiline kiirus on 6 m/s (13 miili tunnis või 22 km/h), siis on tuulepargi võimsus ühikpindala kohta umbes .

6 m/s on arvatavasti üle hinnatud paljude Briti kohtade jaoks. Näiteks järgnev joonis näitab päevaseid keskmiseid tuule kiiruseid Cambridge's 2006. aastal. Päevane keskmine ulatub 6 m/s ainult umbes 30 päeval aastas – vaata joonise juures olevat histogrammi. Aga mõnedes kohtades on tuule kiirus suurem, kui 6 m/s – näiteks Cairngorm tipp Šotimaal (joonis).

Joonis 4.1 Keskmine tuule kiirus Cambridge'is 2006. aastal. Punane joon tähistab päevaseid keskmiseid, sinine joon pooltunni keskmiseid.
Joonis 4.2 Keskmine tuule kiirus Craingorm'is 2006. aasta kuue kuu jooksul.

Liites siia Briti elanikkonna tiheduse: 250 inimest ruutkilomeetri kohta ehk 4000 ruutmeetrit inimese kohta, saame, et tuule võimsus annab

kui kui terve maa oleks täidetud tuulegeneraatoritega ja eeldades, et on õige number. Tõlkides selle meie eelistatuimaks võimsuse ühikuks saame inimese kohta.

Oleme realistid. Kui suure osa maast me tegelikult oleme nõus katma tuulegeneraatoritega? Võib-olla 10%? Siit saame järeldada: kui me kataksime tuuliseima 10% oma maast tuulegeneraatoritega (mis annavad ), suudaksime genereerida inimese kohta, mis on umbes pool sellest, mis kulub keskmise fossiilkütustel sõitva autoga päevas 50 km läbimiseks.

Joonis 4.3 Peatüki Tuul järeldus: maksimaalne mõeldav energia tootmine Ühendkuningriikides maismaa tuulefarmides on 20 kWh päevas inimese kohta.

Briti avamere tuule varu võib olla "üüratu", aga ilmselt ei ole see nii üüratu kui meie tarbimine. Me tuleme avamere tuule juurde tagasi hiljem.

Peaksin ilmselt rõhutama, kui heldeid eeldusi ma teen. Võrrelgem Briti tuuleenergia varu täna maailmas olemasoleva tuuleelektri tootmisvõimsusega. UK-le inimese kohta andvate tuulikute võimsus oleks 50 korda suurem, kui Taani tuuleenergia tootmisvõimsus, 7 korda suurem kõigi Saksamaa tuulefarmide võimsusest: ja kaks korda suurem kõigi maailma tuulegeneraatorite võimsusest.

Tabel 2.2 Faktid, mida võiks meelde jätta: tuulepargid.

Võimsus pindalaühiku kohta  
Tuulepark (tuule kiirus 6 m/s)

Palun ärge saage minust valesti aru. Kas ma ütlen, et tuuleparke ei tasu ehitada? Üldsegi mitte. Tahan lihtsalt edasi anda kasulikku fakti, et kui tahame tuuleparkidega tõepoolest midagi ära teha, peavad tuulepargid katma väga suure maa-ala.

Tabel 2.3 Faktid, mida tasub mäletada: inimasustuse tihedus.

Inimasustuse tihedus UK-s
250 ruutkilomeetri kohta ⇔  inimese kohta

See järeldus – et maapealsete tuuleparkide panus, olles küll "üüratu", on meie tarbimisest palju väiksem – on tähtis, nii et parem kontrollime võtmesuurust, tuuleparkide võimsust ühikpindala kohta (), reaalsete tuuleparkide andmetega UK-s.

Glasgow lähedal asuvas Whitelee tuulepargis on -l 140 tuulegeneraatorit koguvõimsusega 322 MW. See teeb maksimumvõimsuseks . Keskmine toodetud võimsus on väiksem, kuna tuulegeneraatorid ei tööta kogu aeg maksimaalse võimsusega. Keskmise võimsuse ja maksimumvõimsuse suhet minetaks "koormusteguriks" ja selle konkreetne väärtus sõltub kohast, kasutatavatest seadmetest; tüüpiliselt on see heasse kohta ehitatud moodsate tuulegeneraatorite korral 30%. Kui eeldame, et Whitelee koormustegur on 33%, siis on toodetud keskmine võimsus pinnaühiku kohta – täpselt selline nagu me eeldasime.

Joonis 4.6 Keskmine tuule kiiruse histogramm Cambridge'is: päevased keskmised on vasakul (punane), pooltunni keskmised paremal (sinine).

Küsimused

Ehitatakse järjest suuremaid tuulegeneraatoreid. Kas suuremate tuulegeneraatorite kasutamine muudab selle peatüki lõppjäreldust?

Seda seletab peatükk Tuul II. Suuremad tuulegeneraatorid annavad suuremate mahtude pealt majanduslikku kokkuhoidu, aga nad ei suurenda eriti võimsust pindalaühiku kohta, sest neid tuleb üksteisest kaugemale paigutada. Kaks korda kõrgem tuulepark annab umbes 30% rohkem võimsust.

Tuule tugevus muutub kogu aeg. See ju teeb tuule kasutamise keeruliseks?

Võib-olla. Me tuleme selle küsimuse juurde tagasi peatükis Fluktuatsioonid ja salvestamine. Seal me räägime tuule muutlikkusest ja vaatleme mitut võimalikku lahendust sellele probleemile, kaasaarvatud energia salvestamine ja nõudluse juhtimine.

Märkused ja edasine lugemina 

Joonis 4.1 ja joonis 4.6. Andmed tuule kohta Cambridge's pärinevad Digital Technology Group, Computer Laboratory, Cambridge [vxhhj]. Nende ilmajaam on Gates'i maja katusel, umbes 10 m kõrusel. Tuule kiirus 50m kõrgusel on harilikult umbes 25% suurem. Andmed Cairngorm'i kohta (figure 4.2) pärinevad Heriot–Watt University Physics Department [tdvml].

UK-le inimese kohta andvate tuulikute võimsus oleks 50 korda suurem, kui Taani tuuleenergia tootmisvõimsus. Kui eeldame 33% koormustegurit, nõuab keskmine võimsus 20 kWh/p inimese kohta 150 GW võimsuse installeerimist. 2006.a. lõpus oli Taanis installeeritud võimsus 3,1 GW; Saksamaal 20,6 GW. Kogu maailmas installeeritud võimsus oli 74 GW (wwindea.org). Märkuse korras olgu öeldud, et 2006. aastal oli Taani tuuleparkide koormustegur 22% ja inimese kohta toodetav keskmine võimsus oli 3 kWh/p.

2.5 Lennukid

Boeing 747-400

Kujutagem ette, et me teeme lennukiga ühe kontinentide vahelise lennu aastas. Kui palju energiat selleks kulub?

Boeing 747-400 võtab peale 240000 liitrit kütust ja 416 reisijat ning lendab nii umbes 8800 miili (14200 km). Me juba teame, et kütuse kütteväärtus on 10 kWh liitri kohta. (Saime seda teada peatükis Autod.) Seega on ühe sellise reisi energiakulu kõigi reisijate vahel võrdselt jaotatuna

Kui te teete ühe sellise reisi aastas, siis vastav energia tarbimine päeva kohta on

14200 km on veidi kaugemal, kui Londonist Kaplinna (10 000 km) ja Londonist Los Angelesse (9000 km), nii et me oleme tüüpilise kontinentide vahelise reisi pikkust veidi üle hinnanud; aga me oleme ka üle hinnanud lennukite täitumust ja energia kulu reisija kohta on suurem, kui lennuk ei ole täis. Kui skaleerime lennu 10000 km/14200 km võrra, saades nii Kaplinnale vastava reisi pikkuse, ja siis uuesti 100/80 võrra üles, arvestades lennukite 80% täituvust, saame tulemuseks 29 kWh inimese kohta. Meeldejätmise lihtsustamiseks ümmardame selle 30 kWh päeva kohta.

Toome tulemuse arusaadavuse huvides ühe võrdluse. Selline lend üks kord aastas kulutab energiat pisut rohkem, kui hoiaksime kogu aasta 24 tundi ööpäevas töös 1 kW küttekeha.

Joonis 5.1 Kui me teeme ühe kontinentidevahelise lennureisi aasta.

Täpselt nagu peatükk Autod, kus me hindasime autode energiatarbimist, on varustatud peatükiga Autod II, kus me näitame, kuhu see energia läheb, on ka selle peatüki lisana olemas tehniline peatükk Lennukid II, kus me näitame, kuhu läheb energia lennukites. Peatükk Lennukid II lubab meil vastata küsimustele nagu "kas lendamine võtaks oluliselt vähem energiat, kui kasutaksime aeglasemaid lennukeid?" Vastus on ei: erinevalt ratastega sõidukitest, mis võivad aeglaselt sõites efektiivsemad olla, on lennukid juba täna peaaegu nii energiatõhusad, kui see ülepea võimalik. Lennukid kulutavad paratamatult energiat kahel põhjusel: nad peavad suruma õhku allapoole, et õhus püsida, ja nad nad vajavad energiat õhutakistuse ületamiseks. Ükski disainiuuendus ei saa lennukeid radikaalselt tõhusamaks teha. 10 % tõhusamaks? Jah, võib-olla. Kaks korda tõhusamaks? Ma sööksin ära oma kübara.

Küsimused

Kas turbopropellerlennukid ei ole palju energiatõhusamad?

Joonis 5.2 Bombardier Q400 NextGen. www.q400.com.

Ei ole. “Roheline” Bombardier Q400 NextGen, “tehnoloogiliselt kõige arenenum turbopropellerlennuk maailmas,” kasutab tootja andmetel [www.q400.com], 3,81 liitrit kütust 100 reisija-km kohta (reisilennu kiirusel 667 km/h), mis teeb energiakuluks 38 kWh 100 reisija-km kohta. Täis 747 energiakulu on 42 kWh 100 reisija-km kohta. Seega on mõlemad need lennukid kaks korda energiatõhusamad, kui ühe sõitjaga auto. (Räägin siin keskmisest Euroopa autost, nagu selgitatud peatükis Autod.)

Tabel 2.4 Reisijateveo tõhusus, väljendatuna kulutatud energiana 100 reisija-km kohta.

energia vahemaa kohta  (kWh 100 reisija-km kohta)
Auto (4 reisijat) 20
Ryanair’s lennukid 2007.a, 37
Bombardier Q400, täis 38
747, täis 42
747, 80 % täituvus 53
Ryanair’s lennukid 2000.a. 73
Auto (1 reisija) 80

 

Kas lendamine on kuidagi eriti suur kliimamuutuste põhjustaja?

Jah, eksperdid arvavad just nii, ehkki selles küsimuses on veidi ebaselgust [3fbufz]. Lendamine tekitab lisaks -le veel ka teisi kasvuhoonegaase, nagu näiteks vett ja osooni, samuti kaudselt kasvuhooneefekti põhjustavaid gaase nagu lämmastikoksiid. Kui tahta hinnata oma süsinikujalajälge -ekvivalent-tonnides, siis peaksime võtma reaalse  emissiooni ja korrutame selle kahe või kolmega. Selle raamatu joonised ei sisalda sellist tegurit, sest siin me keskendume energiabilansile. 

The best thing we can do with environmentalists is shoot them.

Michael O’Leary, CEO of Ryanair [3asmgy]

Märkused ja edasine lugemine

Boeing 747-400 – andmed pärinevad [9ehws].

Lennukites ei ole kõik kohad täis. Lennukompaniidon on uhked 80 % täituvuse korral. Easyjet'i lennukid keskmiselt 85% täitunud. (Source: thelondonpaper teisipäeval 16. jaanuail 2007.) 80% täidetud 747 tarbib umbes 53 kWh 100 reisija-km kohta.

Joonis 5.4 Ryanair Boeing 737-800. Foto: Adrian Pingstone.

Kuidas on lühilendudega? 2007.a. pakkus Ryanair, “Euroopa kõige rohelisem lennukompanii,” transporti hinnaga 37 kWh 100 reisija-km kohta[3exmgv]. See tähendab seda, et Euroopas lennates kulutaksime umbes sama palju energiat, kui paneksime kõik reisija autodega sõitma, kaks iga auto kohta. (Indikatsiooni teiste lennukompaniide kütusekulu kohta võib saada sellest, et enne oma keskkonnasõbralikku investeeringut 2000.a. kulutas Ryanair üle 73 kWh 100 reisija-km kohta.) Londonis Rooma on 1430 km; Londonist Malagasse on 1735 km. Seega kõige rohelisema lennukompanii edasi-tagasi lend Rooma kulutab 1050 kWh energiat, edasi-tagasi lend  Malagasse kulutab 1270 kWh. Kui satute Roomasse ja Malagasse üks kord aastas, on teie keskmine energia tarbimine kõige rohelisemat lennukompaniid kasutades 6,3 kWh/p, vähem rohelistega arvatavasti üle 12 kWh/p.

Joonis 5.5 Kaks lühilendu kõige rohelisemas lühilennuliinil: 6.3 kWh/p. Lende hõbedase sagedase lendaja staatuse saamiseks: 60 kWh/p.

Kuidas on sagedaste lendajatega? To get a silver frequent flyer card from an intercontinental airline, it seems one must fly around 25000 miles per year in economy class. That’s about 60 kWh per day, if we scale up the opening numbers from this chapter and assume planes are 80% full.

Veel mõned numbrid Valitsustevahelisest kliimamuutuste paneelist [yrnmum]: täis 747-400 energiatarbimine madala istmete tiheduse korral (262 istet) 10000 km lennul on 50 kWh 100 reisija-km kohta. Suure istmete tiheduse korral (568 istet) on selle lennuki energiatarbimine 4000 km lennul 22 kWh 100 reisija-km kohta. Lühilendu tegeva Tupolev-154 energiatarbimine 2235 km lennul, kui 70% selle 164 istmest on hõivatud, on 80 kWh 100 reisija-km kohta.

Ükski disainiuuendus ei saa lennukeid radikaalselt tõhusamaks teha. Tegelikult püüab Advisory Council for Aerospace Research in Europe (ACARE) saavutada 50% kütusekulu vähendamist reisija-km kohta 2020. aastaks (võrreldes 2000.a. tasemega), kus 15–20% paranemist loodetakse mootori tõhususest. 2006.aastaks on Rolls Royce saavutanud poole sellest mootoritele püstitatud eesmärgist [36w5gz]. Dennis Bushnell, NASA Langley Research Center juhtivteadur, näib nõustuvat minu üldise hinnanguga energiatõhususe parandamise perspektiividele lennunduses. Lennukitööstus on lõpuni välja arenenud. ""The aviation industry is mature. “Seal ei ole enam palju võita, välja arvatud väiksed paranemised, protsent siit ja sealt pika aja jooksul.” (New Scientist, 24 February 2007.)

Radikaalselt ümber kujundatud “Silent Aircraft” [silentaircraft.org/sax40], kui see lõpuks valmis ehitatakse, on ennustuste kohaselt 16% efektiivsem, kui traditsiooniliselt disainitud lennuk (Nickol, 2008).

Kui ACARE sihid saavutatakse, siis tõenäoliselt läbi suurema täituvuse ja parema lennuliikluse juhtimise.

2.6 Päike

Me võrdleme oma energiatarbimist taastuvenergia kujutletaldava tootlusega. Eelmises kolmes peatükis nägime, et üksi autodega sõitmine ja lennukitega lendamine kulutab rohkem energiat, kui on tõenäoline toota tuulegeneraatoritega Ühendkuningriikide rannikualadel. Kas päikeseenergia suudab meie arvestuses tootmise uuesti tarbimisest suuremaks muuta?

Pilvitu taevaga on keskpäeval maale langeva päikesekiirguse võimsus 1000W ruutmeetri kohta. See on 1000W päikese poole suunatud pinna, mitte maapinna ruutmeetri kohta. Suurbritannias maapinna kohta tuleva võimsuse saamiseks peame sisse viima mitmeid parandusi. Me peame arvestame nurgaga päikese ja maapinna vahel, mis vähendab keskpäeval päikesekiirguse intensiivsust umbes 60% võrreldes selle väärtusega ekvaatoril (vt joonis 6.1). Me kaotame võimsust ka sellepärast, et kogu aeg ei ole keskpäev. Septembri või märtsi päeval on päikesekiirguse keskmine intensiivsus võrreldes keskpäevase intensiivsusega umbes 32%. Lõpuks, me kaotame võimsust ka pilvede tõttu. Tüüpiliselt paistab Suurbritannias päike vaid 34% päevast.

Nende faktorite mõju ja ka aastaaegade vaheldumise tulemusena on keskmine päikesekiirguse võimsus ruutmeetri kohta lõunasse suunatud katusel Britannias umbes 110W/m2 ja maapinnal umbes 100W/m2.  

Seda toorenergiat võib kasulikuks energiaks muundada neljal viisil:

  1. Päikesekiirgusest saadav soojusenergia: kui kasutame päiksekiirgust ehitiste või vee soojendamiseks.
  2. Päikesekiirgusest saadav elekter: kui toodame elektrienergiat.
  3. Biomass: kui kasutame puid, baktereid, vetikaid, teravilja, sojaubasid või õliseemneid kütuse, kemikaalide või ehitusmaterjalide tootmiseks.
  4. Toit: sama mis biomass, välja arvatud see, et me vohmime taimin inimestesse või teistesse loomadesse.

(Järgevates peatükkides me käsitleme veel mõnda päikeseenergia kasutamise teholoogiat, mis on sobilikud kasutamiseks kõrbetes.)

Hindame järgnevas ligikaudselt maksimaalse mõeldava võimsuse, mida igal sellisel viisil on võimalik saada. Me ei käsitle majanduslikke kulusid ja energiat, mis kulub jõujaamade tootmiseks ja töös hoidmiseks.

Päikesekiirgusest saadav soojusenergia

Kõige lihtsam päikeseenergiat kasutav tehnoloogia on sooja vett tootev paneel. Kujutame ette, et me katame selliste paneelidega kõik lõuna poole vaatavad katused – see on umbes inimese kohta – ja teeme eelduse, et need paneelid muundavad päikesekiirguse keskmise intensiivsuse soojaks veeks kasuteguriga 50%  (joonis 6.3).

Joonis 6.3: vett soojendava päikesepaneeli toodetud energia (roheline graafik) ja lisaenergia vajadus sooja vee tootmiseks (sinine graafik) ühes Viridian Solar testmajas. (Fotol on maja, mille katusel on sama tüüpi päikesepaneel.) Keskmiselt toodeti päikeseenergiat . Eksperimendis simuleeriti keskmise Euroopa pere sooja vee tarbimist – 100 liitrit kuuma () vett päevas. 1,5–2 kWh/p erinevus toodetud soojuse (ülemine must joon) ja kasutatud sooja vee (punane joon) on põhjustatud soojuse kadudest. Magenta joon näitab elektrienergiat, mis on vajalik selle süsteemi käitamiseks. Selliste päikesepaneelide keskmine võimsus pindalaühiku kohta on .
Joonis 6.4: Päikesekiirgusest toodetud soojusenergia: päiksepaneele annab (keskmiselt) umbes soojusenergiat inimese kohta.

Ma värvisin selle kasti joonisel 6.4 valgeks, sest toodetav energia on madala kvaliteediga – soe vesi ei ole nii väärtuslik (grade), kui näiteks tuulegeneraatorite toodetud elektrienergia. Soojust ei saa üle kanda elektrivõrku. Kui te ei kasuta seda, siis on see raisatud. Me peame arvestama, et suur osa kogutud energiast ei ole õiges kohas. Enamus inimesi elab linnades ja seal on ühe inimese kohta vähem katusepinda, kui kogu riigis keskmiselt. Enamgi veel, seda energiat toodetakse läbi aasta erinevas mahus.

Päikeseelemendid 

Päikeseelemendid (täpsemalt fotogalvaanilise elemendid) muundavad päikesevalgust elektriks. Tüüpilise päikeseelemendi kasutegur on umbes 10%; kallitel 20%. (Fundamentaalsed füüsika seadused piiravad fotogalvaaniliste elementide kasutegurit, see ei saa tõusta üle 60%, kui kasutatakse ideaalseid kiirgust koondavaid peegleid või läätsesid, ja 45% ilma kiirguse kontsentreerimiseta. Oleks väga märkimisväärne, kui masstootimisesse jõuaksid seadmed, mille kasutegud oleks suurem kui 30%.) Keskmine võimsus, mida annab Suurbrtannias lõunapoolsele on 

Joonis 6.5 esitab andmed, mis seda numbrit toetavad. Andkem igale inimesele kalleid (20%-kasuteguriga) päikesepatareisid ja katkem kõik lõunasse vaatavad katused. Selliselt saaksime

Joonis 6.5: Päikeseelemendid: Cambridgeshire's asuva patarei 2006. aasta andmed. Patarei maksimaalne võimsus on umbes . Aasta keskmine on päevas. See on keskmiselt patarei ruutmeetri kohta.

Kuna lõunasse vaatavate katuste pindala on inimese kohta, siis ei ole seal ruumi nii päikeseelementidele kui ka sooja vett tootvatele päikesepaneelidele. Seega peame nende kahe vahel valima. Aga ma ikkagi liidan mõlemad need panused meie tootmise tulbale. Tänasel päeval on päikeseelementide paigaldamine umbes neli korda kallim kui päikesepaneelide paigaldamine, samas annavad nad poole vähem energiat, kuigi, jah, see energia on kõrgemat sorti (elekter). Nii et ma soovitan peredele esimese asjana kaaluda investeeringut soojust tootvatesse päikesepaneelidesse. Kõige nutikam lahendus päikeseküllastes riikides on ehitada kombineeritud süsteem, mis toodab nii elektrit kui ka soojust. Sellise lähenemise võttis esimesena kasutusele Heliodynamics, kes vähendas oma süsteemide hinda sel teel, et ümbritses väikesed kvaliteetsed gallium arseniidi päikeseelemendid aeglaselt liikuvate tasapeeglitega; Peeglid fokusseerivad päikesevalguse päikeseelementidele, mis toodavad nii elektrit kui ka soojust; vee soojendamiseks pumbatakse seda mooda päikeseelementide tagakülgi.

Meie senise jutu kokkuvõte: lõunasse vaatavate katuste päikeseelementidega katmine võimb anda üsna suure osa meie keskmisest personaalest elektritarbimisest, aga katused ei ole piisavalt suured, et kanda arvestatavat osa meie koguenergiatarbimisest. Et päikesepatareidega rohkem saavutada, peaksime tulema maa peale. Joonisel 6.6 kujutatud päikeserüütlid näitavad siin teed.

Aeg fantaasiateks: päikesefarmid

Kui toimub tehnoloogiline läbimurre ja päikeseelementide hind lubab neid paigaldada kõikjale maastikule, milline oleks siis maksimaalne mõeldav tootmine? Kui me kataksime 5% kogu UK territooriumist 10%-efektiivsusega päikesepatareidega, siis saaksime

Muide, ma eeldasin vaid 10%-kasuteguriga päikesepatareisid, sest minu ettekujutuses suudetakse neid nii suurtes kogustes toota vaid juhul, kui nad on väga odavad ja kõigepealt muutuvad odavamaks madala kasuteguriga päikesepaneelid. Selliste päikesefarmide võimsustihedus (võimsus ühikpindala kohta) oleks

See on kaks korda nii suur, kui Bavaria päikesefarmis (joonis 6.7).

Joonis 6.8: Maa pindala Ühendkuningriikides inimese kohta.

Kas selline päikesefarmide üleujutus saab eksisteerida peatükis Tuul kirjeldatud tuulegeneraatorite armeega? Jah, ei ole probleemi: tuulegeneraatorite vari on väike ja maapinnal asuvate päikesefarmide mõju tuulegeneraatoritele võime arvestamata jätta, see on väga väike. Kas see plaan on väga ebaharilik? Ühendkuningriikide iga inimese kohta päevas elektrienergia tootmiseks oleks vaja 100 korda rohkem päikeseelemente, kui täna maailmas olemas. Kas seda arvestades ma ikkagi peaksin päikeseelemendid oma taastuvenergia tootmise tulpa lisama? Olen kahevahel. Selle raamatu alguses ma ütlesin, et tahan uurida, mida ütleb füüsika taastuvenergia tootmise piiride kohta, kui eeldame, et raha ei ole probleemiks. Sellisel eeldusel ma peaksin mõttega edasi minema, industrialiseerima maapiirkonnad ja lisama päikesefarmid tulpa. Samas ma tahaksin anda inimestele ettekujutuse, mida peaks tegema tänasest 2050. aastani. Ja täna oleks päikesefarmidest saadav elektrienergia neli korda kallim, kui on elektrienergia turuväärtus. Nii et ma tunnen end veidi vastutustundetuna, kui lisan selle joonisel 6.9 taastuvenergia tootmise tulpa – 5% Ühendkuningriikide palistamine päikesefarmidega ei tundu enam mõistlikuna väga paljudest aspektidest lähtudes. Kui me tõesti tahaksime midagi sellist teha, võiksime pigem need päikesefarmid paigutada kusagile kaks korda päikeselisemasse riiki ja saata osa toodetud energiast koju mööda elektriliine. Me arutame seda ideed peatükis Elu teiste riikide taastuvenergia arvel?

Joonis 6.9: Päikesepatareid: ehitistele paigaldatud lõunasse vaatavaid 20% kasuteguriga päikesepatared annavad elektrienergiat umbes päevas. Kui kataksime riigist -kasuteguriga päikesepatareidega ( päikesepatareisid inimese kohta) annaksid nad inimese kohta.

Müüdid

Päikesepatareide tootmine tarvitab rohkem energiat, kui sellega on võimalik toota.

Vale. Katusele installeeritud elektrivõrku ühendatud 20 aastase elueaga päikesepatarei energeetiline kasumlikkus (energy yield ratio) (süsteemi eluajal toodetud energia suhe energiasse, mis on vaja selle tootmiseks) Kesk-Põhja-Euroopas  4(Richards ja Watt, 2007); ja rohkem kui 7 päikeselistemas kohtades, näiteks Austraalias. (Energeetiline kasumlikkus üle ühe tähendab, et tegemist on Hea Asjaga, energia seisukohast lähtudes.) 20 aastase elueaga tuulegeneraatorite energeetiline kasumlikkus on 80.

Kas ei ole nii, et päikeseelemendite kasutegur tehnoloogia arenedes järjest suureneb?

Ma olen kindel, et päikesepatareid lähevad järjest odavamaks; Olen ka kindel, et päikesepatareide tootmisel kulutatakse järjest vähem energiat, mis teeb nad energeetiliselt kasumlikumaks. Aga siin peatükis välja toodud hinnangud ei ole piiratud päikeseelementide hinnaga, samuti mitte nende tootmisele kuluva energiaga. Selles peatükis vaatlesime maksimaalset mõeldavat energia tootmise võimsust. 20% kasuteguriga päikesepatareid on üsna lähedal teoreetilisele piirile (vaata selle peatüki lõpumärkusi). Oleksin väga üllatunud, kui neid hinnanguid tuleb kunagi märkimisväärselt ülespoole korrigeerida.

Biomass

Teate, ühel hetkel võime me olla energiaäris kasvatades õues muru! Ja me kogume seda ning muundame energiaks. See võib juhtuda üsna pea..

George W. Bush, Veebruar 2006

Kõik bioenergia lahendused näevad esimese asjana ette millegi rohelise kasvatamist, pärast seda me teeme midagi selle rohelise asjaga. Kui palju on võimalik selle rohelise asjaga energiat koguda? Päikesest energiat saavatest bioloogiliste süsteemidest energia kätte saamiseks on peamiselt neli võimalust:

  1. Me võime kasvata taimi ja põletada neid jõujaamades, mis toodavad elektrit või soojust või mõlemat. Me kutsume seda protsessi “coal substitution.”
  2. Me võime kasvatada spetsiaalseid selleks sobivaid taimi (oil-seed rape, suhkruroog või näiteks mais), teha neist piiritust või biodiislit ning kasutada neid siis autodes, rongides lennukites ja teistes kohtades, kus sellised kemikaalid on kasutatavad. Me võime ka aretada geneelitiliselt muundatud baktereid, cyanobaktereid või vetikad, mis toodavad otse vesinikku, etanooli või butanooli, isegi elektrit. Me nimetame kõiki selliseid lähenemisi "nafta asendamiseks".
  3. Me võime võtta teistest põllumajanduse harudest kõrvalsaaduseid ja põletada neid jõujaamades. Kõrvalsaadusteks võivad olla igasugused asjad alates õlgedest (Weetabixi kõrvalsaadus) kuni kanasitani (McNuggets'i kõrvalsaadus). Selliste kõrvalsaaduste põletamine on jällegi söe asendamine, aga siin kasutatakse tavalisi, mitte spetsiaalseid kõrge energiasisaldusega taimi. Põllumajanduses tekkivaid kõrvalsaaduseid põletavad jõujaamad ei anna nii palju energiat põllumaa pinnaühiku kohta kui optimeeritult biomassi tootvad põllumaad. Eeliseks on see, et me ei monopoliseeri maad. Prügimägedest saadava metaani põletamine on sarnane energia saamise viis. Aga see on taastuvenergia vaid juhul, kui ladestatava prügi või jäätmete allikas on taastuv. (Enamus prügilate metaanist pärinev raisatud toidust; Suurbritannia inimesed viskavad ära umbes 300 g toitu inimese kohta päevas.) Kodumajapidamises tekkivate jäätmete tuhastamine on vahetum võimalus päikeseenergiast tekkivast biomassist energia saamiseks.
  4. Me võime kastavata taimi ja toita nendega inimesi või teisi energiat vajavaid loomi.

Kõikide nende protsesside esimeseks sammuks on mõne keemilise aine, näiteks süsivesiku, molekul rohelises taimes. Järelikult me võime ükskõik millisest neist protsessidest saadavat võimsust hinnata selle järgi, kui palju võimsust neisse molekulidesse pääseb. Kõigis järgnevates traktoreid, loomi, keemiatehaseid, jäätmejaamasid ja jõujaamu sisaldavates sammudes saab energia vaid kaduda. Seega on esimeses sammus sisalduv võimsus maksimaalne, mis on võimalik saada suvalisest taimi kasutavast energiatootmise lahendusest.

Hinnakem selle esimese sammu võimsust. (Peatükis Päike II me läheme detailsemaks ja uurime iga protsessi maksimaalset panust.) Keskmine kogutav päikesekiirguse võimsus Suurbritannias on . Euroopa kõige suurema kasuteguriga taim muundab päikeseenergia süsivesikuteks 2%-kasuteguriga, millest järeldub et me võiksime taimedelt saada ; aga nende kasuteguri langeb suurematel valguse intensiivsustel ja parim, mis Euroopas biomassi tootmisel saadakse on lähemal väärtusele TeX parse error: Extra close brace or missing open brace. Oletame, et katame maapinnast rohelise kraamiga. See annaks bioenergiat tootvat maad inimese kohta. See on sama palju, kui on täna Suurbritannias maad põllumajanduses. Seega on maksimaalne saavutatav võimsus, kui ignoreerime täiendavaid kulutusi kasvatamisele, kogumisele ja töötlemisele

Vau. See ei ole just liiga palju, kui arvestada suurema numbri saamiseks tehtud hullumeelselt suuremeelseid eelduseid. Kui tahaksime saada biomassist biokütust, oleksid kõik järgnevad sammud ahelas paratamatult ebaefektiivsed, alates rohelusest ja lõpetades süüteküünlaga. Ma arvan, et oleks optimistlik loota, et kaod selles tootmisahelas oleksid väikemad kui . Isegi kuiva puu põletamisel heas boileris kaob 20% soojusest korstnasse. Nii et tegelik biomassist saadav potentsiaalne võimsus ei saa olla suurem kui inimese kohta. Ja ärge unustage, et tahaksime kasutada veidi rohelust toidu tootmiseks ja oma pudulojustele.

Kas geneetiliselt muundatud taimed suudaksid päikeseenergiat efektiivsemalt keemiliseks energiaks muundada? See oleks mõeldav. Aga me ma ei ole leidnud ühtki teadusartiklit, mis ennustaks, et taimed suudaksid Euroopas toota rohkem, kui  .

Ma panen rohelisse tulpa inimese kohta rõhutades, et minu arvates on üle hinnatud – ma arvan, et tegelik biomassist saadav maksimaalne võimsus on põlluharimises ja töötluses tekkivate kadude pärast väiksem.

Arvan, et oleme jõudnud selge järelduseni: biokütuste abil ei ole võimalik energia tootmist ja tarbimist klappima saada – vähemasti mitte riikides nagu Suurbritannia ja mitte kogu transpordis kasutatavate kütuse jaoks. Isegi kui jätame kõrvale biokütuste suurima puuduse – nad võistlevad toidu tootmisega ja lisakulutused põlluharimisele ja töötlemisele enamasti nullivad kogu saadava energia (joonis 6.14) – annavad taimedest toodetud biokütused Suurbritanniaga sarnastes Euroopa riikides nii vähe energiat, et sellest on vahevalt mõtet rääkida.

Joonis 6.12: Biomass, kuhu on arvatud kõik biokütuse vormid, jäätmed, tuhastamine ja toit: inimese kohta.

Märkused ja edasine lugemine

Joonis 6.15: Sanyo HIP-210NKHE1 moodulite toodetud energia valguse intensiivsuse funktsioonina (, eeldades, et väljundpinge on ). Allikas: andmetabel, www.sanyo-solar.eu.

Me peame arvestame nurgaga päikese ja maapinna vahel... Cambridge pikkuskraad ; keskpäevane päikesevalguse intensiivsus korrutatakse . Selle kordaja täpne väärtus sõltub aastaajast ja on vahemikus ja .

Tüüpiliselt paistab Suurbritannias päike vaid 34% päevast. Mägismaal on 1100 tundi päikesepaistet aastas – 25%päikeselisus. Parimates Šotimaa paikades on see number 1400 tundi aasta – 32%. Cambridge: tundi aastas – 34%. Inglismaa lõunarannik (Suurbritannia kõige päikeselisem osa): 1700 tundi aasta kohta – 39%. [2rqloc] Andmed Cambridge'i kohta [2szckw]. Vaata ka joonis 6.16.

Joonis 6.16: Keskmine päikesekiirguse võimsus, mis langeb horisontaalsele pinnale erinevates kohtades Euroopas, Põhja-Ameerikas ja Aafrikas.

... keskmine päikesekiirguse võimsus ruutmeetri kohta lõunasse suunatud katusel Britannias umbes 110W/m2 ja maapinnal umbes 100W/m2. Allikas: NASA “Surface meteorology and Solar Energy” [5hrxls]. Olete üllatunud lõunasse vaatava viilkatuse ja lamekatuse vahel on siin nii väike vahe? Mina olin. Erinevus on tõepoolest ainult 10% [6z9epq].

... umbes inimese kohta. Ma hindasin inimese kohta lõunasse vaatava katuse pindala selle järgi, kui suur pindala on iga inimese kohta kaetud ehitistega (Inglismaal on see number – vaata tabel I.6). Lõunasse vaatavate katuste osa saamiseks korrutame seda 1/4 ja suurendame tulemust katuse kalde arvestamiseks 40%. See annab inimese kohta. Päikesepatareisid müüakse tavaliselt ebapraktiliste ristkülikukujuliste tükkidena, nii et osa katusest jääb paistma; seega päikesepatareisid.

Tüüpilise päikeseelemendi kasutegur ... Käib ringi müüt, et päikesepatareide võimsus on pilvise ja päikesepaistelise ilmaga peaaegu ühesugune. See ei ole tõsi. Selge aga pilvise ilmaga päikeseelemendid ja taimed küll toodavad energiat, aga palju vähem vähem: kui päike läheb pilve taha, väheneb päikeseelementide energiatootmine umbes kümme korda (sest neile langeva päikesekiirguse intensiivsus väheneb kümme korda). Joonis 6.15 näitab, et päikeseelemendi võimsus on peaaegu täpselt proportsionaalne päikesekiirguse intensiivsusega – vähemalt juhul, kui paneelide temperatuur on . Tegelikult on asi pisut keerulisem ja päikeseelemendi võimsus sõltub ka temperatuurist – kuuma paneeli võimsus on väiksem (tüüpiliselt väheneb võimsus 0.38% kraadi kohta) – aga kui uurite reaalsete päikesepatareide andmeid, näiteks www.solarwarrior.com, võite leida kinnituse põhilisele: väljundvõimsus on pilvisel päeval palju väiksem kui päikeselisel päeval. See teema on segaseks aetud mõningate päikesepatareide reklaamijate poolt, kes arutlevad, kuidas "efektiivsus" muutub vastavalt päikesevalgusele. Nad ütlevad, et “päikesepatareid on pilvise ilma korral efektiivsemad”; see võib isegi tõsi olla, aga kasutegurit ei maksa segi ajada saadud võimsusega.

Joonis 6.18: Täna turul pakutavate päikeseelementide kasutegurid. Selles raamatus me eeldame, et katusele paigutatud päikeseelementide kasutegur on ja et maapinnale paigutatud päikeseelementide kasutegur on . Kohtades, kus maapinnale langeva päikesekiirguse keskmine võimsustihedus on annavad kasuteguriga päikesepaneelid .

Tüüpiliste päikesepatareide kasutegur on umbes 10%, kallimatel 20%. Vaata joonis 6.18. Allikad: Turkenburg (2000), Sunpower www.sunpowercorp.com, Sanyo www.sanyo-solar.eu, Suntech.

Oleks väga märkimisväärne, kui masstootimisesse jõuaksid seadmed, mille kasutegud oleks suurem kui 30%. See tsitaat pärineb Hopfield ja Gollub artiklist (1978), kes kirjutasid päikesepatareidest ilma valgust kontsentreerivate peeglite ja läätsedeta. Teoreertiline piir ilma kontsentreerijateta "ühe siirdega" päikesepatareidele (Shockley–Queisser piir) ütleb, et selliste päikesepatareidega saab elektrienergiaks muundada kõige rohkem 31% päikeseenergiast (Shockley and Queisser, 1961). (Selle piirangu peamine põhjus seisneb selles, et tavalistel päikeseelementide materjalil (pooljuhid) on omadus, mida nimetatakse keelutsooni laiuseks ja mis määrab footonite energia, mida materjal kõige efektiivsemalt elektrienergiaks muundab. Päikesevalguses on footoneid väga erinevate energiatega; footoneid, mille energia on väiksem kui keelutsooni laius ei kasutata üldse; footoneid, mille energia on keelutsooni laiusest suurem, küll neelatakse, aga see osa nende energiast mis ületab keelutsooni laiust läheb kaotsi.)

Joonis 6.17: Osa Shockley ja Queisser’s selgitusest, miks lihtsate päikesepaneelide kasutegur ei saa olla suurem kui . Vasakul: keskpäevase päikesevalguse spektert. Vertikaalne telg näitab võimsustihedust eV kohta konkreetses spektri vahemikus. Spektri nähtav piirkond on tähistatud värvitud taustaga. Paremal: ühe 1,1 eV laiuse keelutsooniga päikesepaneeli kinni püütud valgus on tähistatud punasega. Keelutsoonist laiusest väiksema energiaga footonid lähevad kaotsi. Osa keelutsooni laiusest suurema energiaga footonite energiast läheb samuti kaotsi; näiteks iga 2,2 eV footoni energiast läheb kaotsi pool. Lisanduvad veel kaod, mille põhjuseks on päikesepaneelis laengute rekombineerumisel tekkiv kiirgus. 

Kontsentreerijad (läätsed või peeglid) saavad vähendada fotoelemendi hinda (vati kohta) ja tõsta nende kasutegurit. Shockley–Queisser piir kontsentraatoritega päikesepatareidele on 41%. Ainus võimalus Shockley–Queisser piiri ületamiseks on ehitada udupeeneid fotoelemente, mis jagavad valguse erinevate lainepikkustega osadeks ja töötlevad iga sellist osa selleks sobiva keelutsooni laiusega päikeseelemendis. Selliseid päikeseelemente nimetatakse mitme keelutsooniga päikeseelementideks. Hiljuti anti teada, et mitme keelutsooniga päikeseelementidega on saadud umbes 40% kasutegur. [2tl7t6], www.spectrolab.com. 2007. a juulis raporteeris Delaware Ülikool 20-kordse kontsentreerimise juures 42.8% kasutegurit [6hobq2], [2lsx6t]. 2008.a. augustis raporteeris NREL 326 kordse kontsentreerimise juures 40.8% kasutegurit [62ccou]. Veidral kombel nimetatakse mõlemaid neid tulemusi efektiivsuse maailmarekorditeks. Milliseid mitme keelutsooniga seadmeid täna turult leiab? Uni-solar müüb õhukest (thin-film) kolme keelutsooniga 58W (maksimum) päikesepatareid. See tähendab, et päikesepaistes on efektiivsus vaid .

Figure Figure 6.5: Solar PV data. Data and photograph kindly provided by Jonathan Kimmitt.

Heliodynamics –www.hdsolar.com. Vt jononis 6.19.

Sarnaseid süsteeme teeb Arontis www.arontis.se.

Päikefarm Muhlhausenis, Bavaria. Oodatakse, et eee 25 hektaril laiuv päikesefarm hakkab andma ( päevas). New York’i Stillwell avenüü metroojaama katusekuplisse on integreeritud amorfne räni thin-film päikeseelement, mis annab (Fies et al., 2007). 140 aakril laiuv Nellise päikeseelektrijaam valmis 2007.a detsembris ja peaks andma aastas. See on [5hzs5y]. Serpa päikesejõujaamas (Serpa Solar Power Plant Portugal, “maailma kõige võimsam päikesejõujaam” [39z5m5] [2uk8q8]) on 60 hektarit ( ehk ) päikest jälgivaid paneele, millest loodetakse aastas, st keskmiselt . St teeb pindala ühiku kohta .

Et saada Suurbritannias inimese kohta oleks meil vaja 100 korda nii palju päikeseelemente, kui neid on kokku kogu maailmas. Et saada Suurbritannias oleks meil vaja keskmist võimsust , mis nõuab maksimaalset võimsust . 2007.a.a lõpus oli kogu maailmas installeeritud päikeseelementide maksimaalne võimsus ; uute võimsuste lisandumise kiirus on umbes aastas ...

... 5% Ühendkuningriikide palistamine päikesefarmidega ei tundu enam mõistlikuna väga paljudest aspektidest lähtudes. Peamine põhjus, miks mulle tundub, et selline palistamine ei tundu mõistlik, on see, et brittidele meeldib kasutada oma maad põllupidamiseks ja puhkuseks, mitte päikesepatareide kasvatamiseks. Teiseks põhjuseks võib olla hind. See raamat ei räägi majandusest, aga annan siin mõned numbrid. Kui vaadata Bavarian päikesefarmi hinnalipikut, siis tootmiseks inimese kohta maksab €91000  inimese kohta; kui see jõujaam töötaks 20 aastat ilma lisakulutusteta, oleks elektri hing €0,25 kWh kohta. Edasine lugemine: David Carlson, BP solar [2ahecp].

Suurbritannia inimesed viskavad ära umbes 300 g toitu inimese kohta päevas. Allikas: Ventour (2008).

Figure 6.10. USA-s annab ilma lämmastikväetisteta kasvatatud Miscanthus kuivatatud massi umbes 24 t/ha/a. Suurbritannias on see number 12–16 t/ha/a. Kuiva Miscanthus kogukütteväärtus on , nii et Suurbritannia toodang vastab võimsustihedusele . Allikas: Heaton et al. (2004) and [6kqq77]. Selline toodang on saavutatav ainult pärast kolme aastat segamatut kasvatamist.

Euroopa kõige suurema kasuteguriga taim muundab päikeseenergia süsivesikuteks 2%-kasuteguriga, millest järeldub et me võiksime taimedelt saada . Madalatel valguse intensiivsustel annavad parimad Suurbritannias taimed hästi niisutatud põldudel (Monteith, 1977), aga kõrgematel valguse intensiivsustel nende kasutegur langeb. Turkenburg (2000) ja Schiermeier et al. (2008) andmetel on päikeseenergia biomassi energiaks muundamise kasutegur vähem kui 1%.

Joonis 6.19: Soojust ja elektrit koos tootev paneel firmalt Heliodynamics. pindalaga reflektor (see on veidi suurem, kui kahekordse bussi külg) annab kuni soojust ja elektrit. Päikeselistes riikides suudab üks selline seade anda umbes soojust ja elektrit. Selline võimsus vastab keskmisele soojusenergia voole ja elektrienergia voole (see on seadme ruutmeetri kohta); need vood on sarnased, kui tavalistel päikesepaneelidel ja päikeseelementidel, aga Heliodynamicsi valgust kontsentreeriv disain on odavam, sest enamus paneelist on lihtsalt klaasplaat. Võrdluseks, keskmise Euroopa inimese energiatarbimine on .

Annan siin mõned allikad, mis toetavad mu hinnangut taimedelt saadava energia kohta. The Royal Commission on Environmental Pollution’s hindab Suurbritannias potentsiaalselt energiataimedelt saadavaks võimsuseks (Royal Commission on Environmental Pollution, 2004). Royal Society’s biofuels dokumendi (Royal Society working group on biofuels, 2008) tipus on Miscanthus, mis annab umbes keemilist võimsust.

UNDP poolt välja antud World Energy Assessment'is kirjutab Rogner (2000): “Oletades 45% efektiivsusega elektrienergiaks muundamist ja 15 kuivatatud massi tonni hektari kohta aastas, vajaksime taimekasvatust, et saada ühe megavati installeeritud võimsuse ekvivalent, mis töötab 4,000 tundi aastas.” See annab pinnaühiku kohta . ( tähendab 1  vatti elektrivõimsus.)

Energy for Sustainable Development Ltd (2003) hinnangul on energiavõsast võimalik saada 10 tonni kuiva puitu hektarilt aasta kohta, mis vastab energiatihedusele . (Kuiva puu kütteväärtus on kilogrammi kohta.)

Archer ja Barber (2004) andmetel on terve lehe otsene kasutegur kuni , aga tänapäevaste energiataimede kauaaegne energia salvestamise efektiivsus on 0.5–1%. Archer ja Barber hinnangul on geneetilise modifitseerimisega võimalik taimede energia salvestamise efektiivsust suurendada. See kehtib eriti C4 taimede kohta, millel on looduslikult välja arenenud efektiivsemad fotosünteesi rajad. C4 taimi leiab peamiselt troopikas ja nad kasvavad hästi kõrgete temperatuuride juures; nad ei kasva madalamal temperatuuril kui . C4 taimed on näiteks suhkruroog, mais, sorgo, sõrmhirss ja switchgrass. Zhu et al. (2008) arvutavad, et päikeseenergia biomassiks muundamise efektiivsuse teoreetiline piir on C3 fotosünteesis ja tänasel 380 ppm kontsentratsioonil atmosfääris. Nad väidavad, et kõrgeim saavutatud päikeseenergia muundamise efektiivsus C3 ja C4 taimedele on vastavalt ja ; ja, Boyer (1982) andmetel, põhiliste taimede keskmine energia muundamise efektiivsus Ameerika Ühendriikides on 3 või 4 korda madalam, kui rekordtase (st umbes efektiivsus). Üks põhjuseid, miks taimed seda maksimaalet efektiivsus ei saavuta on see, et nad ei suuda ära kasutada kogu neile langeva ereda päikesevalguse energiat. Mõlemad need artiklid (Zhu et al., 2008; Boyer, 1982) arutlevad efektiivsemate taimede geneetilise aretamise väljavaateid.

Joonis 6.11. Sellel joonisel esitatud numbrid pärinevad Rogner (2000) (puidu, rapsi, suhkruroo ja troopiliste taimede koguenergia toodang); Bayer Crop Science (2003) (raps biodiisliks); Francis et al. (2005) and Asselbergs et al. (2006) (jatropha); Mabee et al. (2006) (sugarcane, Brazil); Schmer et al. (2008) (switchgrass, marginaalsed cropland USA-s); Shapouri et al. (1995) (vili etanooliks); Royal Commission on Environmental Pollution (2004); Royal Society working group on biofuels (2008); Energy for Sustainable Development Ltd (2003); Archer and Barber (2004); Boyer (1982); Monteith (1977).

Isegi kuiva puu põletamisel heas boileris kaob 20% soojusest korstnasse.  Allikad: Royal Society biokütuste töörühm (2008); Royal Commission on Environmental Pollution (2004).

2.7 Soojendamine ja jahutamine

2.7.1 Soojendamine ja jahutamine

Joonis 7.1: Parv uusi majasid.

Selles peatükis uurime, kui suur võimsus kulub meie ümbruskonna temperatuuri kontrollimiseks  - kodus ja tööl - ja meie toidu, joogi, pesu ja mustade nõude soojendamiseks ja jahutamiseks.

Koduse vee soojendamine

Arvatavasti on suurimad vee tarbijad kodus vannid, duššid ning nõude ja riiete pesemine, sõltuvalt teie elustiilist. Hindame kõigepealt energiat, mis kulub ühele kuumale vannile.

Joonis 7.2: Vanni vesi.

Vannivee ruumala on . Ütleme, et vannivee temperatuur on ja majja tuleva vee temperatuur on . Vee soojendamiseks kulutavat energiat mõõdav vee soojusmahtuvus, mis on liitri ja kohta. Nii et vannivee soojendamiseks võrra kulub

Nii et vanni võtmisele kulub . Võrdluseks, dušši all käimisele ( liitrit) kulub umbes .

Potid ja pliidid

Joonis 7.3: Soojendava ja jahutava seadme võimsus.

Suurbritannia on tsiviliseeritud riik ja selle kodudesse jõuab voldi elektrivarustus. Nii saame me mitu liitrit vett mõne minutiga kannus keema ajada. Selliste kannude võimsus on . Miks  ? Aga sellepärast, et see on maksimaalne võimsus, mis on võimalik saada voldise pingega maksimalse lubatud voolu, ampri juures. Riikides, kus on voldi elektrivarustus, võtab kannu tee keema ajamine kaks korda rohkem aega.

Kui majapidamises on kann sisse lülitatud minutiks päevas, annab see keskmiseks energia tarbimiseks päevas. (Järgnevas paaris näites arvestan kahe inimesega, kui ütlen "majapidamise kohta".)

Ühe väikse elektripliidi plaadi võimsus on samasugune kui röstril: . Suure võimsusega plaadid annavad . Kui te kasutate kahte elektripliidi plaati täisvõimsusel pool tundi päevas, vastab sellele päevas.

Mikrolaineahjude võimsus on tavaliselt kirjutatud selle esiküljele: minu oma kohta on näiteks kirjas , aga tegelikult tarbib see umbes . Kui te kasutate mikrolaineahju 20 minutit päevas, siis annab see päevas.

Tüüpiline ahi neelab rohkem: umbes , kui see on täis. Kui te kasutate ahju üks tund päevas ja pool sellest ajast täisvõimsusel, siis annab see päevas.

Kuumad riided ja kuumad nõud

Nii pesumasin, nõudepesumasin kui ka pesukuivati kasutavad täisvõimsusel töötades umbes .

Joonis 7.5: Kodus ja tööl kasutatavale kuumale veele kuluv võimsus – sisaldab vanne, duši all käimist, riiete pesemist, ahjusid, veekeetjaid, mikrolaineahjusid ja nõudepesumasinaid – on umbes päevas inimese kohta. Värvisin selle kasti heledaks, sest siin saaksime kasutada madala klassiga soojusenergiat.

Pesumain kasutab umbes liitrit vett pesukorra kohta, selleks kulub umbes energiat, kui temperatuur on seatud  . Kui me kasutame pesukuivati asemel pesukuivatuskappi, on vee aurustamiseks ikkagi vaja energiat  – asemel ligikaudu ühe pesukorra kohta.

Võttes kokku kõik need sooja vett puudutavad hinnangud tundub mulle, et on üsna lihtne ära kasutada umbes päevas inimese kohta.

Kuum õhk kodus ja tööl

Joonis 7.6: Suur elektriradiaator: .

Aga millele kulub rohkem võimsust, kas soojale veele ja toidule või hoonetes radiaatoritega õhu soojendamine? 

Soojale õhule kuluva kuluva energia hindamiseks võime ette kujutada, et hooneid soojendatakse elektriradiaatoritega, kuna nende võimsused on meile harjumuspärasemad. Väikese elektriradiaatori võimsus on ( ööpäevas). Talvel võite te vajada ühte sellist inimese kohta. Talvel ei ühtegi. Seega võime hinnata, et keskmine inimene vajab sooja õhu tootmiseks päevas. Aga enamus inimesi tarbivad rohkem kui nad vajavad, hoides soojana samaaegselt mitut ruumi (näiteks kööki, elutuba, koridori ja vannituba). Seega peaksime usutava numbri saamiseks korrutama selle numbri kahega: inimese kohta päevas.

Joonis 7.7: Kokku soe õhk – nii kodus kui töö juures – umbes inimese kohta päevas.

Selle peatüki lisapeatükk Soojendamine II sisaldab rohkem infot selle kohta, kuhu soojus ehitistes läheb: see mudel lubab ennustada kokkuhoidu, mille saame termostaati külmemaks reguleerides, akendele topelt aknaid paigutades jne.

Välisõhu soojendamine ja teised luksused

Järjest kasvab trend kasutada infrapunasoojendeid välisõhu kütmiseks. Tüüpilise infrapunasoojendi võimsus on . Nii et kui te kasutada iga päev ühte sellist mõneks tunniks, kulutate te lisaks päevas.

Tagasihoidlikum luksus on elektritekk. Kahekohalise voodi elektriteki võimsus on ; selle üheks tunniks sisse lülitamine kulutab .

Jahutamine

Külmik ja külmuti

Lisaks vee ja õhu soojendamisele kontrollime me ka oma muidu soojadesse ruumidesse pressitud külmade kappide temperatuuri. Minu joonisel 7.3 kujutatud külmutiga külmkapp kasutab keskmiselt – see teeb umbes .

Õhu konditsioneerimine

Õhu konditsioneerimist loetakse hädavajalikuks kõigis riikides, kus temperatuur tõuseb üle ja selline temperatuuri kontrollimin võib olla väga energiakulukas. Aga see raamatu osa räägib Suurbritannia energiatarbimisest ja siinsed õhutemperatuurid ei nõua just tihti õhu konditsioneerimist (joonis 7.8).

Joonis 7.8: Päevased (punane joon) ja öised (sinine joon) õhutemperatuurid Cambridge's 2006.a.
Joonis 7.9: Jahutamine kokku – koos külmkapi (külmik/külmuti) ja mõningase suvise õhu konditsioneerimisega – .

Ökonoomne viis õhu konditsioneerimiseks on kasutada õhk-õhk soojuspumpa. Ühele ruumile arvestatud aknale paigaldatav konditsioneeri kasutab elektrienegiat ja annab (läbi soojusvaheti) jahutust. Et hinnata, kui palju energiat võidakse Ühendkuningriikides seleks kasutada, eeldasin, et inimesed kasutavad sellist õhu konditsioneerimist tundi päevas päeval aastas. Sellistel päevadel kasutab konditsioneer elektrienergiat. Keskmine tarbimine terve aasta kohta on siis .

Selles peatükis kasutan jahutamisele kuluva energia hinnangut inimese kohta, kuhu on sisse arvatud õhu konditsioneerimine ja kodune külmkapp. Me jahutame toitu ka selle teekonnal põllult ostukorvi. Sellele kuluvat energiat hindan ma hiljem, peatükis "Asjad".

Soojendamine ja jahutamine kokku

Meie ligikaudne hinnang selle kohta, kui palju üks inimene võiks kasutada energiat soojendamisele ja jahutamisele, on inimese kohta ja see sisaldab kodu, töökohta ja toidu valmistamist (12 soojale veele, 24 soojale õhule ja 1 jahutamisele).

Tõestus sellele, et niisugune hinnang on enam-vähem õige ja on pigem alla hinnatud, tuleb mu oma kodusest gaasi kasutamisest, mille keskmine üle 12 aasta on  päevas (joonis 7.10). Omal ajal ma arvasi, et olen üsna säästlik tarbija, aga ma ei jälginud oma energia tarbimist. Peatükis Nutikam kütmine ma räägin, kui palju ma suutsin säästa, kui hakkasin oma energia tarbimist jälgima.

Joonis 7.10: Mu kodune kumulatiivne gaasi tarbimine kilovatttundides aastatel 1993 – 2005. Iga aasta graafiku kohal on number, mis näitab keskmist energia tarbimist kWh päevas.

Kuna soojendamine on meie tarbimise tulbas suur komponent, siis võrdleme oma hinnanguid kontrolliks statistikaga. Üle riigi oli kodune keskmine energiakulu küttele, veele ja toidu valmistamisele 2000. aastal päevas inimese kohta ja teenuste sektoris kulutati küttele, jahutamisele, toitlustamisel ja soojale veele . Töökoha küttele kuluva energia hinnanguks võtame Cambridge'i ülikoolis 2006-2007 gaasi tarbimise: töötaja kohta.

Liites need kolm numbrit kokku saame teise arvamuse riigis soojusele kuluvale energiale: inimese kohta, eeldades, et Cambridge'i ülikool on tavaline töökeskkond. Tore, see on kindlustunnet sisendavalt lähedal meie esialgsele hinnangule .

Joonis 7.11: Kütmine ja jahutamine – umbes 37 ühikut päevas inimese kohta. Ma ei varjutanud seda kasti, kuna see esindab energiat, mida on võimalik saada madala klassi soojusenergiast.

Märkused ja edasine lugemine 

Tüüpiline ahi neelab rohkem: umbes . ILoomulikult eksisteerib ahjude võimsuste vahemik. Paljudee ahjude keskmine võimsus on või . Tippklassi ahjud võivad kasutada ka tervelt . Näiteks Whirlpool AGB 487/WP 4 Hotplate Electric Oven Range on  ahi ja neli pliidiplaati.

www.kcmltd.com/electric oven ranges.shtml

www.1stforkitchens.co.uk/kitchenovens.html

Pesu kuivatamiseks on vaja ligikaudu ühe pesukorra kohta. Ma arvutasin selle välja oma pesu kaaludes: üks masinatäis pesu kaalub kuivana , pärast pesu mu Bosch pesumasinas rohkem (isegi pärast head Saksa tsentrifuugimist). Vee aurustumissoojus juures on umbes . Keskmise väärtuse saamiseks eeldasin, et üks inimene peseb ühe masinatäie pesu iga kolme päeva järel ja et see neelab aasta külmal poolel väärtuslikku toasooja. (Suvel on kuivatuskapi kasutamine samaväärne pisukese õhu konditsioneerimisega, sest vee aurustamine jahutab toas õhku.)

Üle riigi oli kodune keskmine energiakulu päevas inimese kohta; teenuste sektoris kulutati . Allikas: Dept. of Trade and Industry (2002a).

Cambridge'i ülikoolis oli 2006-2007 gaasi tarbimine  töötaja kohta. Gaasi ja kütteõli tarbimine Cambridge Ülikoolis (ca kolledž) oli 2006–2007.a. . Tegin ülikooli kohaks, kus töötab 13 300 inimest (8602 töölist ja 4667 kraadiõppurit). Muuseas , selle elektritarbimine oli . Allikas: University utilities report.

2.8 Hüdroelekter

2.8.1 Hüdroenergia

Joonis 8.1: Nant-y-Moch tamm, mis on osa Walesis asuvast hüdroelektrilisest taristust. Foto: Dave Newbould, www.origins-photography.co.uk.

Hüdroelektri tegemiseks on vaja kõrgusi ja vihma. Hinnakem vihma koguenergiat kuni selle langemisel meretasemeni.

Hüdroelektri ennustamiseks jagan ma Suurbritannia kaheks: madalamad ja kuivemad osad, mida ma nimetan "madalmaadeks" ning kõrgemad ja niiskemad osad, mida ma nimetan "kõrgmaadeks". Valin Bedfordi ja Kinlochewe nende kahe piirkonaa esindajateks.

Võtame kõigepealt ette madalmaad. Vihma gravitatsioonijõust põhjustatud võimsuse hindamiseks korrutame sademete hulga Bedfordis ( aastas) vee tiheduse (), gravitatsioonikiirenduse () ja madalmaade tüüpilise kõrgusega merepinna suhtes (umbes ). Ühikpindala kohta tuleb võimsuseks . See on võimsus maapinna ühiku kohta, kus see vihm sajab.

Kui korrutame selle numbri inimese kohta tulevate ruutmeetrite arvuga (, eeldades et madalmaad on ühtlaselt jaotatud kõigi miljoni briti vahel), saame keskmiseks ühe inimese kohta tulevaks võimsuseks päevas. See on absoluutne võimalik hüdroelektri võimsuse maksimum, mis eeldab, et kõik jõed ehitatakse tamme täis ja iga veetilk kasutatakse perfektselt ära. Reaalsuses me ehitame tammi vaid juhul, kui see võimaldab vee langemist arvestatavalt kõrguselt ja tammi ees vett koguv pindala peaks olema väiksem kui terve riik. Suurem osa veest aurustub enne, kui jõuab turbiini lähedusse ja ükski hüdroelektriline süsteem ei kasuta ära kogu vee potentsiaalset energiat. Jõuame seega madalmaade hüdroenergia suhtes kindlale järeldusele. Inimestele võib meeldida ehitada väikseid jõeäärseid hüdroelektrilisi süsteeme, aga madalmaades ei saa sellised süsteemid anda rohkem, kui päevas inimese kohta.

Vaatame nüüd kõrgmaid. Kinlochewe on vihmasem kohta: seal sajab sademeid aastas, neli korda rohkem kui Bedfordis. Kõrguste vahed on samuti suuremad – suured alad on kõrgemal kui merepinnast. Nii et mägistes piirkondades võime arvestada 12 korda suurema võimsusega ruutmeetri kohta. Algne (raw) võimsus ühikpindala kohta on umbes . Kui kõrgmaad jagavad suuremeelselt oma hüdroelektrit ülejäänud Suurbritanniaga (mis teeks inimese kohta), saaksime võimsuse ülemiseks piiriks umbes päevas inimese kohta. Sarnaselt madalmaadega oleme siin saanud ülemise piiri, mis kehtiks, kui aurustumine oleks keelatud iga tilk oleks perfektselt kasutatud.

Milline võiks olla meie hinnang mõistlikule, praktiliselt saavutatavale võimsusele? Olgu selleks algsest võimsusest – päevas ja ümmardagem seda üles, et arvestada ka madalmaade toodangut: päevas.

Joonis 8.3: Hüdroelekter

Tegelik hüdroelektri tootmise võimsus Ühendkuningriikides on täna inimese kohta, st nõuaks hüdroelekti tootmise seitsmekordset kasvu.

Märkused ja edasine lugemine

Sademete statistika pärineb BBC weather centre.

Joonis 8.4: vesiratas.

Algne (raw) võimsus ühikpindala kohta on umbes . Me võime seda hinnangut kontrolliks võrrelda tegeliku võimsustihedusega Loch Sloy hüdroelektri taristus, mis valmis 1950. aastal (Ross, 2008). Loch Sloy kogumispiirkond on umbes ; sademete hulk on ligikaudu aastas (seda on pisut rohkem, kui Kinlochewe ); elektri tootmine oli 2006. aastal aasta kohta, mis vastab võimsustihedusele kogumisala ruutmeetri kohta. Loch Sloy’s pindala on ligikaudu , nii et hüdroelektrijaama enda pindala kohta saame . Nii et Loch Sloy'sse vett toovad mäed, akveduktid ja tunnelid toimivad kui  55 kordsed võimsuse kontsentraatorid.

Tegelik hüdroelektri tootmise võimsus Ühendkuningriikides on täna inimese kohta. Allikas: MacLeay et al. (2007). 2006.a. tootsid suured hüdroelektrijaamad (jaama maksimaalne võimsus on ); väiksed hüdroelektrijaamad tootsid () (võimsus ).

1943. aastal, kui hüdroelektri tootmine kiiresti kasvas, hindasid North of Scotland Hydroelectricity Board’s insenerid Šotimaa Highlands võimalikuks tootmiseks 102 elektrijaamas aastas – see vastaks inimese kohta (Ross, 2008).

Glendoe, esimene uus suur hüdroelektri projekt Suurbritannias alates 1957. aastast, lisab ja sellelt oodatakse aastas. Glendoe kogumispiirkond on , nii et selle võimsustihedus on kogumispiirkonna ruutmeetri kohta. Glendoed reklaamitakse, kui “piisavalt suur Glasgow varustamiseks.” Aga kui me jagame need aastas kõigi Glasgow elanike vahel ( inimest), siis mee saame ainult inimese kohta. See on vaid inimeste keskmisest elektri tarbimisest, mis oli inimese kohta. 20 kordne liialdamine tuleneb Glendoe maksimaalse, mitte keskmise võimsusega arvestamisest, mis on 5 korda väiksem; ja arvestades vaid kodusid, mitte Glasgow kogu elektritarbimist.

2.9 Valgus

2.9.1 Valgus

Valgus kodus ja tööl

Heledaimad kodus kasutatavad elektripirnid tarbivad ja öökapilambid . Vanamoodsates hõõglampides muundub enamus võimsusest valguse asemel soojuseks. Päevavalguslambid on suuteline vaid veerandiga sellest võimsusest tootma hõõglampidega sama palju valgust.

Kui palju tarbib valgust mõõdukalt pillav inimene? Minu umbkaudne, kaheliikmelise kodu kogemusel põhinev hinnang, kus kasutatakse segamini madala ja kõrge energiatarbimisega elektripirne, on päevas ja päevas inimese kohta. Ma eeIdan, et iga inimene käib ka tööl, kus ta jagab kolleegidega sarnast valgust ning võiks minu arvamuse järgi kasutada inimese kohta. Nii saame ümmardatud numbri inimese kohta.

Tänavavalgustus ja valgusfoorid

Kas peaksime korrektse valguse kasutamise hinnangu saamiseks arvestama ka avalikku valgustust? Tänavavalgustus kasutab ligikaudu inimese kohta päevas ja valgusfoorid ainult inimese kohta – mõlemad need numbrid võib kodus ja töökohas kasutatava valguse kõrval oma väiksuse pärast arvestamata jätta. Aga teised avaliku valgustuse vormid, nagu valgustatud tähistused ja reklaamtahvlid? Neid on vähem kui tänavavalgusteid ja kuna juba tänavavalgustus ei pääsenud pildile, siis me oma koguhinnangut inimese kohta ei muuda.

Joonis 9.1: Valgustus – päevas inimese kohta.

Tabel 2.6 Koduses majapidamises valgustuseks kuluv elektrienergia

Seadevõimsusaeg päevasEnergia päevas kodu kohta
10 hõõglampi
10 säästulampi


Tuled liikluses

Mõnedes riikides peavad juhid autodel tuled põlema alati, kui auto liigub. Kuidas näeb see lisavõimsus välja võrdluses võimsusega, mis kulub autode ringi veeratamisele? Ütleme, et autol on neli hõõglampi, koguvõimsusega . Elektri nende lampide jaoks toodab efektiivsusega töötava mootori külge ühendatud efektiivsusega töötav elektrigeneraator, nii et vajalik võimsus on . Võrdluseks ütleme, et tavaline auto, mis liigub keskmise kiirusega ja kulutab kilomeetri läbimiseks ühe liitri bensiini arendab keskmist võimsust . Seega tähendab tulede põlemas hoidmine täiendavat energiakulu.

Kuidas elektriautodega? Tüüpilise elektriauto võimsus on ligikaudu . Nii et lisandumine suurendab selle tarvitatavat võimsust . Lisanduv võimsus oleks väiksem, kui kasutaksime autodes valgusdioode, aga kui jätkaksime veel selle teema arutamist, siis jõuaksime raskekujulise "iga natukene loeb" juhuni.

Säästulampide majandus

Üldiselt ma hoidun majandusest rääkimast, aga seoses elektrilampidega tahaksin teha ühe erandi. Osram’i võimsusega säästulamp väidetakse andvat samasuguse valgusjõu, kui hõõglamp. Enamgi veel, selle eluiga väidetakse olevat tundi (või “ aastat,” iga päev tundi). Teiselt poolt, tavaline hõõglamp kestab tundi. Nii et aastast perioodi silmas pidades on meil järgnevad valikud (joonis 9.3): osta hõõglampi ja  elektrienergiat (mis maksab ligikaudu £); või osta üks säästupirn ja elektrienergiat (mis maksab ligikaudu £).

Joonis 9.2: Kulud hõõglambile, kui kasutame seda kolm tundi päevas, võrrelduna sellega, kui asendaksime selle kohe Osram Dulux Longlife Energy Saver säästulambiga (pildikastis). Eeldused: elektrienergia maksab kilvatt-tunni kohta; hõõglambi vahetamine uue vastu maksab kord; säästulamp maksab £. (Jah, poest leiab ka odavamaid, aga joonis näitab, et asi tasub end ära ka £ hinna korral.)

Kas enne vanade pirnide uute vastu vahetamist tasub oodata, kuni nad läbi põlevad?

Tundub raiskamisena, kas pole? Keegi on kulutanud nende hõõglampide tootmiseks ressursse; kas ei oleks mõistlik see hõõglamp lõpuni kulutada ja nii see investeering rahaks teha? Majanduslik vastus on siin selge: vana hõõglambi kasutamine on raha raiskamine. Kui teil on võimalik leida sobilik asendus, siis tehke seda kohe.

Kuidas suhtuda säästulampides sisalduvasse elavhõbedasse? Kas LED lambid on paremad kui päevavalguslambid?

Joonis 9.3: Philipsi ja Omicron LED lamp.

Teadlased ütlevad, et LED lambid saavad varsti säästulampidest efektiivsemateks. Valgusallikate efektiivsust mõõdetakse luumenites vati kohta. Ma uurisin oma viimatise ostu numbreid: Philips Genie säästulambi (joonis 9.4) kiiratav valgusvoog on luumenit, mis annab efektiivsuseks luumenit vati kohta; tavaline hõõglamp annab luumenit vati kohta; Omicroni  lamp, mille sees on valget LEDi, annab valgusvoo luumenit, efektiivsuseks saame siis luumenit vati kohta. Nii et see LED pirn on peaaegu sama efektiivne, kui päevavalguslamp. LEDide tööstusel on vaja veel veidi areneda. LEDide plusspoolele tuleb kanda tunnine eluiga, kaheksa korda pikem kui säästulampidel. Selle peatükikirjutamise ajal panen ma tähele, et www.cree.com müüb LEDe, mis annavad luumenit vati kohta. Ennustatakse, et tulevikus annavad LEDid üle luumeni vati kohta [ynjzej]. Arvan, et järgmise mõna aasta möödudes on nii efektiivsuse kui ka elavhõbeda reostuse vaatekohalt parim nõuanne kasutada LED pirne.

Müütarvamused

“Säästulampide kasutamisel ei ole mingit mõtet.  “Raisatud” energia soojendab mu kodu ja ei ole raisatud.”

Sellest müüdist räägime peatükis "Vidinad".

Märkused ja edasine lugemine 

Tänavavalgustus kasutab ligikaudu inimese kohta päevas... 10 inimese kohta tuleb ligikaudu üks naatriumlamp; iga sellise lambi võimsus on ja see põleb tundi päevas. See teeb inimese kohta.

... ja valgusfoorid ainult inimese kohta. Suurbritannias on autodele ja jalakäijatele signaale andvat lampi, mis kulutavad aastas miljonit kilovatttundi elektrienergiat aastas. Kui jagame miljonit miljoni inimese vahel, siis saame inimese kohta.

Valgustatud tähistuseid ja reklaamtahvleid on vähem kui tänavavalgusteid

[www.highwayelectrical.org.uk]. Suurbritannias on miljonit valgustusühikut (tänavalambid, valgustatud tähised ja reklaamtahvlid). Kõigist neist ligikaudu miljonit on tänavavalgustid ja miljon on valgustatud teetähised. Valgusfoore on .

DUKES 2005 andmetel on avaliku valgustus koguenergiakulu $2095\, \mathrm{GWh/a}, mis teeb inimese kohta.

$55\%$ efektiivsusega töötav elektrigeneraator –allikas: en.wikipedia.org/wiki/Alternator. Elektrijaamades kasutatavad generaatorid muundavad mehaanilist energiat elektrienergiaks palju suurema kasuteguriga. 

Tabel 2.7 Erinevate elektripirnide efektiivsused. Oodatakse, et LED lampide efektiivsus võiks tõusta luumenini vati kohta.

Elektripirni tüüpefektiivsus (luumen/W)
hõõglamp10
halogeen16-24
valge LED35
väike päevavalguslamp55
suur päevavalguslamp94
naatriumlamp (tänavavalgustu)150


2.10 Tuul avamerel

2.10.1 Tuul avamerel

London Array tuulefarm annab kriitilise panuse UK taastuvenergeetika eesmärkide saavutamiseks.
James Smith, chairman of Shell UK

Elektrienergia on liiga elutähtis kaup, et seda võiks kasutada tuulikute tööstuses töökohtade loomise programmis.
David J. White

Joonis 10.1: Kentish Flats – madalas avameres painev tuulefarm. Iga tiiviku diameeter on ja need on installeeritud kõrguse masti otsa. Iga “” tuulik kaalub tonni ja pool sellest massist on vundamendis. Foto: Elsam (elsam.com).

Merel on tuul tugevam ja ühtlasem kui maal, nii et võrreldes maapealsete tuulefarmidega annavad avamere tuulefarmid ühikpindala kohta rohkem elektrivõimsust. Thames suudmes asuv Kentish Flats tuulefarm on ligikaudu kaugusel Whitstable'st ja Herne Bay'st, see alustas tööd 2005.aasta lõpus ja selle võimsuseks ruutmeetri kohta kavandati . 2006. aastal oli selle keskmine võimsus pindalaühiku kohta .

Eeldan järgnevas, et avamere tuuleparkide pindalaühiku kohta tuleva võimsuse mõistlik hinnang Ühendkuningriikides on ( suurem, kui maapealste tuuleparkide ).

Peaksime nüüd hindama pindala, mille tuuleparkidega katmine on mõeldav. Tavapäraselt tehakse vahet madala avamere tuule ja sügava avamere tuule vahel, nagu seda on illustreeritud joonisel 10.2. Tavatarkus justkui ütleb, et ehkki madala avamere tuulepargid (sügavus väiksem kui ) on ligikaudu kaks korda kallimad maale ehitatavatest tuuleparkidest, võiksid nad olla mõistliku subsideerimise korral majanduslikult tasuvad ja sügava avamere tuulepargid ei tasu ennast ära. 2008. aastal oli Ühendkuningriikides vaid üks eksperimentaalne sügava avamere tuulepark, mis saatis kogu oma toodetud elektrienergia Beatrice'i nime kandvale naftaplatvormile.

Madal avameri

Briti territoriaalvetes on ligikaudu madalat avamerd, enamus sellest Inglismaa ja Walesi rannikul. See on umbes kahe Walesi pindala.

Joonis 10.2: Ühendkuningriikide alla sügavusega (kollane) ja kuni sügavusega (lilla) territoriaalveed. Andmed: DTI Atlas of Renewable Marine Resources. © Crown copyright.

Keskmine võimsus, mida on võimalik saada madalat avamerelt, kui see hõivaks kogu kõnealuse territooriumi, oleks või inimese kohta. Aga see oleks vaevalt vastuvõetav laevandusele ja kalandusele ning suur osa neist vetest jääb ilmselt tuuleparkidele kättesaamatuks. Pakun, et me arvestame ühe kolmandikuga sellest territooriumis (aga palun lugege ka märksa pessimistlikumat vaadet peatüki lõpus olevate märkuste all!). See teeb maksimaalseks mõistlikel tingimusel madalalt avamerelt saadavaks võimsuseks inimese kohta.

Tahaksin siinkohal rõhutada meie hinnangus esineva pindala suurust  – kaks kolmandikku Walesi – et saada inimese kohta inimese kohta. Kui võtame kogu Suurbritannia rannajoone (pikkus: ) ja ääristaksime selle laiuse tuulikute ribaga, oleks selle riba pindalat . See on pindala, mille peaksime inimese kohta saamiseks tuulikutega täitma. Veel teisiti sõnastades, inimese kohta saamiseks vajaksime ” tuulikut, see teeb üle  kilomeetri ühtlaselt jaotatuna tuulikut kilomeetri kohta.

Avamere on tuuleenergiat keeruline kätte saada, sest merevesi paneb asjad roostetama. Suures Horns Reef tuulepargis Taanis tuli juba pärast kuud merevees olekut kõik tuulikut lahti võtta ja remontida. Kentish Flats tuulepargi tuulikutel tekkisid probleemid käigukastidega ja kolmandik nendest tuli vahetada esimese kuu jooksul.

Sügav avameri

kuni sügavusega merd on meil ligikaudu – see on sama suur pind kui Šotimaa. Eeldades jälle pindalaühiku kohta võimsuseks , saame “sügava” avamere tuuleparkide teoreetiliseks võimsuseks ehk inimese kohta, kui täidaksime kogu selle territooriumi tuuleparkidega. Aga jällegi, meil on vaja laevanduskoridore. Eeldame ka siin, et me saame tuulikutega katta kolmandikku sellest territooriumist; see ala oleks siis suurem kui Wales ja enamus sellest oleks rannikust kaugemal kui . Järeldus: kui kataksime tuuleparkidega alad, mille pindala oleks sama suur, kui laiune riba mööda kogu rannikut, saaksime sügava avamere tuuleparkidest inimese kohta. Jah, see on tohutu võimsus; aga see ei ole ikkaga sama tohutu, kui on tarbimine. Ja me ei ole veel rääkinud tuule vahelduvusest. Pöördume selle küsimuse juurde tagasi peatükis Fluktuatsioonid ja salvestamine.

Ma lisan selle põhimõtteliselt võimaliku panuse tootmise tulpa klausliga, et ekspertide arvates on sügava avamere tuul liiga kallis.

Joonis 10.3: Avamere tuuleenergia

Mõned võrdlused ja hinnad 

Kuidas edeneb meie võidujooks tarbimise ja tootmise vahel? Pärast madala ja sügava avamere tuule lisamist on rohelisel tulbal edumaa. Tahaksin siiski, et paneksite tähele erinevust, kui lihtne on lisada hagu tarbimise tulle ja kui keeruline on kasvatada tootmise tulpa. Praegu kirjutades ma tunnen pisut jahedust, nii et ma lähen termostaadi juurde ja keeran sooja juurde. Minu jaoks on väga lihtne tarbida päevas rohkem. Aga taastuenergia allikatest inimese kohta päevas välja pigistamiseks on vaja keskkonna industrialiseerimist mahus, mida on raske ette kujutada.

Vajaksime Suurbritannias inimese kohta päevas tootmiseks miljonit tonni betooni ja terast – ühe tonni iga inimese kohta. Maailma aastane terase toodang on ligikaudu miljonit tonni, mis teeb inimese kohta maailmas. Teise maailmasõja käigus ehitasid Ameerika laevatehased Liberty laeva, igaüheks kulus 7000 tonni terast – see teeb kokku miljonit tonni, tonni inimese kohta Ameerikas. Nii et miljoni tuulikute ehitamine ei ole võimatu; aga ärge kujutage ette et see on lihtne. Sellise hulga tuulikute ehitamine oleks samasugune saavutus, kui Liberty leavade ehitamine.

Võrdluseks, Ühendkuningriikides inimese kohta päevas tuumaenergia tootmiseks on vaja  miljonit tonni terast ja miljonit tonni betooni. Võime seda miljonit tonni võrrelda täna juba eksisteeriva fossilkütuste taristuga Põhjameres (joonis 10.4).

Joonis 10.4: Põhjapoolses Põhjamere Ühendkuningriikide sektoris asuv Magnus platvorm sisaldab tonni terast. 2000. aastal andis see platvorm miljonit tonni gaasi ja naftat – võimsusega . Platvorm maksab £ miljardit. Fotod Terry Cavner.

1997.aastal sisaldasid rajatist ja torusid Põhjameres Ühendkuningriikide vetes miljonit tonni terast ja betooni. Äsja ehitatud Langeled gaasitoru Norrast Suurbritanniasse, milles transporditava gaasi energiavõimsus on (), vajas veel miljoni tonni terast ja miljoni tonni betooni (joonis 10.5).

Joonis 10.5: Torud Langeledi gaasijuhtme ehitamiseks. Foto Bredero–Shaw [brederoshaw.com].
 

Ühendkuningriikide valitsus kuulutas 10. detsembril 2007. aastal, et lubab ehitada  avamere tuulevõimsust (mis toodaks Ühendkuningriikidele keskmiselt , so inimese kohta päevas), seda plaani reklaamiti mõnede tuulikute tööstusega seotud isikute poolt kui “paradiisiaeda”. Läheme edasi ümmarguse numbriga inimese kohta päevas. See on üks neljandik minu madala avamere tuuleenergia tootmise hinnangust inimese kohta päevas. Sellise keskmise võimsuse saavutamiseks vajaksime umbes ” joonisel 10.1 kujutatud tuulikut (nende tootlikkus on “” aga keskmiselt nad annavad . Ma panen jutumärgid ümber “” näitamaks, et see on maksimaalne võimsus.)

Kui palju see “” võimsuse saavutamine maksaks? “” Kentish Flats tuulepark maksis £ miljonit, nii et “” maksaks umbes £ miljardit. Üks võimalus selle £ miljardilise maksumuse mõistmiseks, mis annaks inimese kohta, on jagada see Ühendkuningriikide elanike vahel; see teeks £ inimese kohta. Muuseas, see on palju parema tehing kui mikrotuulikud. Üks katusele paigutatav mikrotuulik maksab tänasel päeval umbes £ ja toodab sealjuures isegi väga optimistliku tuule kiiruse juures ainult . Tegelikkuses toodab selline mikroturbiin Inglismaa linnalises asukohas päevas.

Veel üks pudelikael tuulikute püstitamisel on vajadus spetsiaalsete laevad järele. tuuliku (“”) püstitamiseks kümne aasta jooksul vajaksime ligikaudu kraanadega pargast. Sellised maksavad £ miljonit tükk, nii et vajalik on £ lisakapitalikulutus. See ei ole arvatavasti määrav takistus juba seatud £ miljardilise hinnalipiku kõrval, aga vajadus pargaste järele on kindlasit detail, mis tahab ette planeerimist. 

Kulutused lindudele 

Kas tuulikud tapavad “tohutu hulga” line? Tuulefarmid said hiljuti vaenuliku tähelepanu osaliseks, kui Norra kirderanniku saartel Smolas asuvad tuulikud tapsid 9 valgesaba kotkast 10 kuu jooksul. Ma jagan BirdLife International muret lindude heaolu pärast. Aga ma arvan, et ka siin on oluline numbreid vaadata. Hinnangute kohaselt tapavad tuulikud Taanis, kus elektrienergiast toodetakse tuulest, aastas  lindu. Õudus! Keelake tuulikud! Aga me teame ka, et liiklus tapab Taanis aastas miljon lindu. Kolmekümnekordne õudus! Kolmekümnekordne ajend autode keelustamiseks! Ja Suurbritannias tapetakse miljonit lindu kasside poolt (joonis 10.6).

Joonis 10.6: Aktsioonis kaotatud linnud. Taanis tuulikute ja autode poolt aastas surmatud lindude arv ja Suurbritannias kasside poolt tapetud lindude arv. Numbrid pärinevad Lomborg (2001). Akendesse lendamine tapab sarnase hulga linde, kui seda teevad kassid.

Kui lähtuksime vaid emotsioonidest, peaksime me tahtma elada riigis, kus ei oleks peaaegu üldse autosid ja tuulikuid, aga kus oleks palju kasse ja linde (kus linde jahtivad kassid on võib-olla jahitud Norra valgesabakotkaste poolt, et asjad oleks tasakaalus.) Mida ma tegelikult loodan on see, et tuulikuid puudutavad otsused tehakse ratsionaalselt kaalutledes, mitte ainult emotsioonidel põhinevalt. Võib-olla on meil tuulikuid ikkagi vaja!

Märkused ja edasine lugemine 

Thames suudmes asuv Kentish Flats tuulefarm ... , Vt www.kentishflats.co.uk. Selles on Vesta V90 tuulikut maksimaalse võimsusega ning selle keskmiseks võimsuseks arvestati (koormustegur (load factor) ). Keskmine tuule tugevus rummu kõrguses on . Tuulikud seisavad sügavuses vees, nende omavaheline kaugus on ja nad võtavad enda alla suuruse ala. Selle avamere tuulepardi keskmiseks võimsuseks arvestati seega . Tegelik keskmine võimsus oli , nii et keskmine koormustegur 2006. aastal oli [wbd8o]. Keskmiseks võimsustiheduseks annab see . North Hoyle tuulefarmil Prestatyn'is, Põhja-Walesis, oli 2006.a. suurem koormustegur, . Selle kolmkümmend turbiini võtavad enda alla . Keskmiseks võimsustiheduseks saame seega .

...madala avamere tuulepargid võiksid olla mõistliku subsideerimise korral majanduslikult tasuvad. Allikas: Danish wind association windpower.org.

...sügava avamere tuulepargid ei tasu ennast ära.

Allikas: BritishWind Energy Association infotunni materjalid, 2005.a. september, www.bwea.com. Siiski, sügava avamere näidisprojekti raames paigaldati 2007.aastal kaks tuulikut Beatrice naftavälja naabrusesse, kagusele Šotimaa rannikust (joonis 10.8). Mõlema tuuliku võimsus on ja nad on paigaldatud sügavusse. Rummu kõrgus: ; diameeter: . Kogu toodetud elekter tarbitakse ära naftaplatvormide poolt. Kas pole vahva! projekt maksis £ miljonit – sellist £ vati kohta (tipp) hinda saab võrrelda Kentish Flats'i £ vati kohta (£ miljonit ). www.beatricewind.co.uk

Joonis 10.8: Beatrice avamere tuulepargi ehitamine. Fotod Talisman Energy (UK) Limited.

Võimalik, et ujuvad tuulikud muudavad sellist majanduslikku pilti.

Tuuleparkide ehitamiseks kasutatavad alad.

Department of Trade and Industry (2002) dokument “Future Offshore” annab tuuleparkide ehitamiseks sobilikest aladest detailse ülevaate. Tabelis on näidatu madala ja sügava veega alasid. DTI hinnangul annaksid need piirkonnad inimese kohta, kui nad oleksid täielikult tuulikutega täidetud (sealhulgas madalatest ja sügavatest vetest). Aga DTI hinnang potentsiaalselt võimalikule avamere tuuleenergia tootmisele on ainult päevas inimese kohta. Võib olla huvipakkuv kirjeldada, kuidas nad jõudsid põhimõtteliselt olemasolevast inimese kohta -ni inimese kohta. Miks on lõplik number nii palju väiksem meie hinnangust? Esiteks, nad seadsid kolm piirangut: piirkond ei tohi olla kaugemal kui rannikust ja vee sügavus peab olema väiksem kui ; merepõhja tõus ei tohi olla suurem kui ; mereteed, militaartsoonid, torujuhtmed ja kalastamispiirkonnad jäetakse kõrvale. Teiseks, nad arvestasid, et ainult võimalikest aladest võetakse kasutusele (põhjuseks merepõhja koostis ja planeerimispiirangud); nad vähendasid avalikkuse vastuvõtlikkust arvestades kõigi rannikust vähem kui miili kaugusel olevate piirkondade tootlikkust ; nad vähendasid ka suurema kui tuule kiirusega piirkondade tootlikkust , et arvestada “vaenuliku keskkonna poolt põhjustatud takistusi arendusele;” ja vähendasid võrra tootlikkust piirkondades, kus on tuule kiirus .

Tabel 2.8 Potentsiaalsed avamere tuuleenergia tootmise alad, kui need olesid täielikult kaetud tuulikutega (Dept. of Trade and Industry (2002b))

Piirkond

sügavus kuni meetrit ()

potentsiaalne tootlikkus ()

sügavus kuni meetrit ()

potentsiaalne tootlikkus ()

North West3300620004
Greater Wash7400149502
Thamesi suue210048502
Muu14000284500087
KOKKU27000524900094

...Kui võtame kogu Suurbritannia rannajoone (pikkus: ) ja ääristaksime selle laiuse tuulikute ribaga ... Pedandid ütleksid, et "Suurbritannia rannajoonel ei ole täpset pikkust, kuna see on fraktaalne." Jah, muidugi, see on fraktal. Aga kallid pedandid, võtke palun kaart ja pange laiune tuulikute riba ümber Suurbritannia ja te näete, et see riba on tõepoolst pikkune.

Horns Reef (Horns Rev). Selle Jutlandi lähedal asuva "" Taani tuulefarmi [www.hornsrev.dk] probleeme kirjeldatakse Halkema (2006). Kui see on töökorras, siis on selle koormustegur ja keskmine võimsus pindalaühiku kohta .

Liberty ships – www.liberty-ship.com/html/yards/introduction.html

... sisaldasid rajatist ja torusid Põhjameres Ühendkuningriikide vetes miljonit tonni terast ja betooni. Rice and Owen (1999).

Ühendkuningriikide valitsus kuulutas 10. detsembril 2007. aastal, et lubab ehitada  avamere tuulevõimsust... [25e59w]. ...

paradiisiaeda”. Source: Guardian [2t2vjq].

Kui palju seevõimsuse saavutamine maksaks? DTI 2002. aasta novembri andmetel maksaks avamere tuuleenergia £ kohta (p per ) (Dept. of Trade and Industry, 2002b). Majandusandmeid on erinevaid, aga 2007. aasta aprillis oli hinnanguline avamere tuuleenergia hind tõusnud £ per (Dept. of Trade and Industry, 2007). 2008. aasta aprilliks läks see hind isegi kõrgemaks: Shell loobus London Array ehitamisest. Sest avamere tuuleenergia on nii kallis, et valitsus peab suurendama ROCide (renewable obligation certificates) arvu avamere tuuleenergia ühiku kohta. ROC on subsideerimise ühik, mida jagatakse kindlate taastuvenergia tootmise viisidele. ROCi tavaline suurus on £, ROC kohta; nii et kui hulgihind on £, siis makstakse taastuvenergia tootjatele £  kohta. Nii et ROC on küllaldane, et katta kulusd £ kohta. Samas dokumendis hinnatakse teisi taastuvenergia (medium levelized costs 2010. aastal) allikaid järgnevalt. Onshore wind: £; biomassi koospõletamine: £; suuremahuline hüdroenergia: £; biogaas: £; päikesepatareid: £; lained: £; tõusud: £.

Joonis 10.9: Kentish Flats. Fotod © Elsam (elsam.com).

“Avamere tuuleparke ehitava taastuvenergia tootja Ecotricity peadirektor Dale Vince ütles, et ta toetab valitsuse [avamere tuuleparkide] plaane, aga vaid siis, kui need ei tule maapealsete tuuleparkide arvelt. On ohtlik möööda vaadata selle riigi fantastilistest ressurssidest... Meie hinnangul maksab Huttoni pakutud ehitamine ligikaudu  £ miljardit . Me suudaksime teha sama töö maal £ miljardi eest.” [57984r]

Tegelikkuses toodab selline mikroturbiin Inglismaa linnalises asukohas päevas.. Source: Third Interim Report, www.warwickwindtrials.org.uk/2.html. Parimaid tulemusi on saavutas Warwick Wind Trials uuringus Windsave WS1000 (see on seade), mis oli paigaldatud Daventry's kõrgusele, tootes keskmiselt päevas. Aga mõned mikroturbiinid toodavad vaid päevas – Source: Donnachadh McCarthy: “My carbon-free year,” The Independent, detsember 2007 [6oc3ja]. Windsave WS1000 tuulik, mida müüakse üle Inglismaa BQ poodides, võitis Housebuilder’s Bible  autori Mark Brinkley Eco-Bollocks auhinna: “No kuulge, on aeg tunnistada, et katusele paigaldatavate tuulikute tööstus on täielik läbikukkumine. Mittetöötava leiutise sisse on pandud hulga raha. See on Noughties'i Sinclair C5.” [5soql2]. Met Office ja Carbon Trust avaldasid 2008.aasta juulis raporti [6g2jm5], mille hinnangul tasuksid väikesed kodumajapidamistesse paigaldatavad tuulikud end Ühendkuningriikides ära siis, kui need toodaksid ligikaudu . Nende hinnangul on katustele paigaldatavad tuulikud linnades rohkem kui kasutud: “paljudes linnalistes situatsioonides ei pruugi katusele paigaldatavad tuulikud end tasuda ära sea süsinikku, mis on nende tootmise, paigaldamise ja töö käigus eraldunud.”

Kraanadega pargased maksavad £ miljonit tükk. Allikas: news.bbc.co.uk/1/hi/magazine/7206780.stm. Minu hinnang, et me vajame sellised tükki põhineb oletusel, et igal aastal on tööd võimaldavat päeva ja et ühe tuuliku püstitamisele kulub päeva.

Edasine lugemine: UK wind energy database [www.bwea.com/ukwed/].

2.11 Tehnovidinad

2.11.1 Tehnovidinad

Üks suuremaid ohte ühiskonnale on telefonilaadija. BBC News on meid selle eest hoiatanud alates 2005.aastast:

“Mõne aasta pärast lülitatakse tuumajaamad välja. Kuidas me suudame Suurbritannia tuled põlemas hoida? ... eemalda oma telefonilaadija pistikust, kui seda ei kasutata.

Kahjuks ei saanud Suurbritannia sõnumit kätte ja BBC oli sunnitud aasta pärast teatama:

“Suurbritannia juhib energia raiskajate liigat.”

Ja kuidas see juhtus? BBC paneb i-le punkti:

UK tarbijatest jätab laadijad välja lülitamata.”

Joonis 11.1: Planeedihävitajad. Leia erinevused.

Viis, kuidas reporterid neist mustadest planeeti hävitavatest objektidest räägib annab mõista, et nad on umbes samasugused kurjuse kehastused, kui Darth Vader. Aga kui kurjad täpselt?

Selles peatükis me selgitame välja tõe laadijate kohta. Uurime ka nende nõbusid tehnovidinate paraadil: arvuteid, telefone ja televiisoreid. Digibokse. Modemeid. Me hindame nende poolt kasutatud võimsust, kui nad töötavad ja kui neid laetakse, aga veel mitte energiat, mis kulub nende tootmiseks – sellega tegeleme peatükis Asjad.

Tõde laadijate kohta

Kui kaasaegsed telefonilaadijad on vooluvõrgus ja selle külge ei ole telefoni ühendatud, siis see tarbib ligikaudu pool vatti. Meie eelistatud ühikutes teeb see võimsuseks päevas. Kõigi nende jaoks, kelle päevane energiatarbimine on üle tähendab BBC nõuanne laadijad seinast välja tõmmata võimalikku sajandikprotsendist kokkuhoidu (kui nad seda vaid teeksid).

Iga väike asi aitab!

Mina nii ei arva. Järjepidev telefonilaadijate väljalülitamine on nagu Titanicust teelusikaga vee välja kühveldamine. Jah, lülita see välja, aga ära unusta, kui väike asi see on. Sõnastame selle niipidi: päeva jooksul laadija väljalülitamisega kokku hoitud energia kulub ära ühe sekundi autosõidu jooksul. Aasta jooksul laadija väljalülitamisega kokku hoitud energia on võrdne ühe kuuma vanni tegemiseks kuluva energiaga. Ma möönan, et mõned vanemad laadijad kulutavad rohkem kui pool vatti – kui see on katsudes soe, siis see tõenäoliselt kulutab vati või isegi kolm (joonis 11.3). Laadija, mis kugistab kolm vatti, kasutab päevas. Arvan, et sellise laadija väljalülitamine on hea mõte – see säästab kolm naela aastas. Aga ärge lollitage end mõttega, et olete sellega "andnud oma panuse". on ainult pisike osa teie energiatarbimisest. OK, küllalt Titanicu teelusikaga tühjaks kühveldamisest. Vaatame, kuhu elektrienergia päriselt läheb.

Tehnovidinad, mis päriselt imevad

Allpool on tabel, mis näitab majatäie tehnovidinate energiatarbimist vattides. Esimeses veerus on võimsustarve ajal, kui seadet tegelikult kasutatakse  –näiteks kui helisüsteem teebki heli. Teises veerus on tarbimine, kui seade on sisse lülistatud, aga ei tee midagi. Olin eriti šokeeritud, kui avastasin, et niisama seisev laserprinter kasutab – see on samapalju, kui kasutab keskmine külmik! Kolmandas veerus on tarbimine siis, kui seadet on spetsiaalselt palutud, et see läheks sleep või standby režiimi. Neljandas veerus on tarbimine siis, kui seade on täielikult välja lülitatud, aga pistik on seina jäetud. Kõik need võimsused on toodud vattides – meie standardühikute saamiseks pea meeles, et tähendab . Muide, hea rusikareegel ütleb, et iga vatt maksab ligikaudu ühe naela aastas (eeldades elektri hinda p kohta).

Suurimad energia õgijad on arvutid, peamiselt nende ekraanid, ja televiisorid, mille võimsustarve on sisselülitatult sadu vatte. Multimeediasüsteemid, nagu stereod ja DVD mängijad, tulevad arvutite tuules, tarvitades tihti  ringis. DVD mängija võib poes maksta vaid £, aga kui jätta see püsivalt vooluvõrku, võib see teile makste veel £ aastas. Mõned stereod või arvuti lisaseadmed võivad oma trafode tõttu tarvitada mitu vatti isegi väljalülitatult. Kui tahate olla kindlad, et teie seade on päriselt välja lülitatud, tõmmake selle juhe seinast välja.

Tabel 2.9: Mitmesuguste tehnovidinate võimsustarve vattides. on .

Tehnovidin

Energia tarbimine

Arvuti ja lisaseadmed

Sisse lülitatud ja rakendatud

Sisse lülitatud aga jõude

Standby

Välja lülitatud

Arvuti korpus8055
2
Kineskoopekraan110
30
LCD ekraan34
21
Arvutiprojektor150
5
Laserprinter50017

Modem9


Sülearvuti169
0,5
CD pleier2


Kell-raadio1,11

Kell-raadio1,91,4

Raadio9,1


Kassetimängija31,2
1,2
Stereovõimendi6

6
Stereovõimendi II13

0
Kodukino helivõimendi774
DVD mängija76

DVD mängija II12105
TV100
10
Videosalvestaja13
1
Digitaalne TV tuuner6
5
Mikrolaineahju kell2


Xbox160
2,4
Sony Playstation 3190
2
Nintendo Wii18
2
Automaatvastaja
2

Automaatvastaja II
3

Juhtmevaba telefon
1,7

Mobiiltelefoni laadija50,5

Tolmuimeja1600



Majatäis tehnovidinaid

Võimsus infoajastu peidetud väänkasvudele  Jonathan Koomey (2007) andmetel kasutavad Ameerika Ühendriikide andmekeskused ja nendega seotud taristu (õhu konditsioneerimine, avariienergia süsteemid jne) päevas inimese kohta – see on veidi üle Ühendriikide elektritarbimisest. Muide, see 2005. aasta number on kaks korda suurem kui 2000, aasta oma, kuna serverite arv kasvas miljonilt miljonini.

Teised seadmed

Kui te kasutate tolmuimejat paar tundi nädalas, siis see teeb umbes . Muru niitmine umbes . Me võiksime seda rida jätkata, aga ma kahtlustan, et arvutid ja multimeediasüsteemid on suured tegijad enamiku inimeste elektritarbimises.

Seda peatükki kokku võttev joonis: See muidugi sõltub teie kodus ja kontoris olevate tehnovidinate hulgast ja kasutusest, aga üks tubli majatäis või kontoritäis tehnovidinaid kulutab sisselülitatult ilma erilise vaevata .

Müüdid

“Talvel ei ole mingit mõtet tulesid kustutada või televiisoreid ja laadijaid välja lülitada. Nende ’raisatud’ energia muundub kodu kütvaks soojuseks ning ei ole järelikult raisatud.”

See müüt on mõnede jaoks tõene, aga ainult talvel; ja ei kehti enamikele meist.

Kui te kütate oma kodu tavaliste elektriradiaatoritega, siis, jah, ei ole eriti vahet, kui kütate seda ka energiat raiskavate seadmetega. Aga sel juhul peaksite esmajoones muutma seda, kuidas te oma kodu kütate. Elekter on kõrgema sordi energia, soojus madala sordi energia. Elektri soojuseks muundamine on raiskamine. Täpsemalt, raiskamine on see siis, kui te saate ühest elektri ühikust ühe soojuse ühiku. Õhksoojuspumbad ma maasoojuspumbad teevad seda palju paremini, andes kolme või neli ühikut soojust iga tarbitud elektri ühiku kohta. Nad töötavad nagu ümberpööratud külmutused, pumbates maja ümbritsevast õhust soojust majja (vaata peatükk Nutikam kütmine).

Kõik teised, kelle kodusid köetakse fossiil- või biokütustega, peaksid vältima tehnovidinate kasutamist kütmiseks – vähemalt nii kaua, kui meie elektrienergia tarbimise kasvamine tuleb fossiilkütuste arvelt. Asi on selles, et kui te kasutate tavalisest soojuselektrijaamast saadud elektrienergiat, läheb rohkem kui pool energiast korstnasse. Elektriks muundatud energiast läheb kaotsi ülekandes elektrivõrgus. Põletades fossiilkütuseid otse oma kodus läheb rohkem energiat sooja õhu tootmiseks.

Joonis 11.5: Infosüsteemid ja teised tehnovidinad.

Märkused ja edasine lugemine

Joonis 11.6: Reklaamplakat “DIY planeediparandaja” kampaaniast. Tekst ütleb “Tõmba seinast välja. Kui iga Londoni majapidamine tõmbaks oma kasutuseta telefonilaadija seinast välja, siis me hoiaksime kokku tonn ja £ millionit aastas.” london.gov.uk/diy/

BBC News on meid selle [seina jäetud telefonilaadijate eest] eest hoiatanud ... BBC News 2005. aasta artikkel ütles: “Mõne aasta pärast lülitatakse tuumajaamad välja. Kuidas me suudame Suurbritannia tuled põlemas hoida? Energia säästmiseks on kolm võimalust: lülita oma kasutuseta seisev videomakk välja; ära jäta oma telerit standby režiimis; eemalda oma telefonilaadija pistikust, kui seda ei kasutata.”

Kui kaasaegsed telefonilaadijad on vooluvõrgus ja selle külge ei ole telefoni ühendatud, siis see tarbib ligikaudu pool vatti. Joonisel 11.2 kujutatud firma Maplin võimsusmõõtja ei ole selliste võimsuste mõõtmiseks piisavalt täpne. Tänan siinkohal Sven Weierit ja Richard McMahonit Cambridge Ülikoolis Inseneeria osakonnast, kes mõõtsid tavalise Nokia laadija energiatarvet täpse kalorimeetriga; selgus, et telefoniga ühendamata laadia kulutas . Nad tegid veel ühe huvitava tähelepaneku: täis akuga mobiiltelefoni külge ühendatud laadja kulutas ; ja kui laadija tegi seda, milleks see on mõeldud, st laadis osaliselt laetud Nokia mobiiltelefoni, siis eraldus sellest soojusena. Pedandid küsivad mõnikord "aga kuidas on laadijate reaktiivvõimsusega?" See on tehniline tühiasi, mis tõepoolest ei ole väärt arutamist. Et see oleks öeldud, ma olen seda reaktiivtakistust mõõtnud ja see oli umbes laadija kohta. Kui kaod jaotusvõrgus on , siis laadija reaktiivtakistusega seotud võimsuse kadu on kõige rohkem . Kui telefoniga räägitakse, siis kasutab see .

Edasine lugemine: Kuehr (2003).

2.12 Lained

2.12.1 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 tuul tekitab lained.

Lained mere kaldal

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.

Suurbritannia ja laineenergia

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 40 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.

2.12.2 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 komponentides viisid väljundvõimsuse vaid 21kW-ni, mis annab muundamise efektiivsuseks vaid 5% (Wavegen, 2002).

2.13 Toit ja toidutööstus?

2.13.1 Toit ja toiduainetööstus

Kaasaegne põllumajandus on maa kasutamine toidu bensiiniks muutmiseks.
Albert Bartlett

Joonis 13.1: Salat Niçoise

Peatükis Päike me juba arutasime, kui palju taastuvenergiat on võimalik rohelusest toota; selles peatükis arutame seda, kui palju kulub energiat meie igapäevaseks leivaks.

Kaasaegne kehaliselt aktiivne kaaluv inimene tarbib päevas toitu keemilise energiaga ligikaudu “Kalorit” päevas. Üks “Kalor” tähendab toiduringkondades keemiku kalorit (nimetame seda edaspidi toidukaloriks, mis teeb ). toidukalorit päevas on umbes päevas. Suurem osa sellest energiast lahkub meie kehast soojusena, nii et igaüks meist funktsioneerib ka kui kosmose soojendaja võimsusega veidi üle , nagu üks keskmise võimsusega hõõglamp. Pange inimest väiksesse külma ruumi ja te võite küttekeha välja lülitada.

Joonis 13.2: Inimese minimaalne võimalik energiavajadus.

Kui palju me tegelikult tarbime energiat selleks, et saada kätte oma päevas? Kui laiendame oma vaadet nii, et arvestusse lisandub ka toidu tootmise kulud, siis muutub meie energiajalajälg palju suuremaks. Sõltuvalt sellest, kas oled vegan, taimetoitlane või lihasööja.

Veganitel on väikseim energiajalajälg: energiat päevas taimedest mida ta sööb.

Piima joomise energiakulu

Ma armastan piima. Kui palju kulub energiat, kui joon pindi piima päevas? Tüüpiline piimalehm toodab liitrit piima päevas. Nii et minu üks pint päevas (pool liitrit päevas) tähendab lehma tööle võtmist. Või oodake, mulle meeldib ka juust. Ja ühe Irish Cheddar juustu tootmiseks kulub ligikaudu piima. Nii et juustu söömine päevas nõuab tootmiseks veel piima. OK: mu piima joomise ja juustu söömise harjumus nõuab lehma palkamist. Ja kui suurt võimsust on vaja ühe lehma pidamiseks? Noh, kui lehm kaalub ja vajab ühe kilogrammi kohta sama palju energiat kui inimene (kes põletab kohta päevas), siis peaks lehm kasutama umbes .

Joonis 13.3: Piim ja juust.

Kas selline inimeste paremeetrite lehmale ekstrapoleerimine paneb teid end imelikult tundam? Vaatame numbreid: www.dairyaustralia.com.au ütleb, et  kaaluv mullikas vajab , mis teeb . Suurepärane, meie hinnang ei läinud väga palju mööda! Nii et mu osa lehmast tarbib umbes päevas. See number ei sisalda energiat, mis kulub selleks, et lehm piima andma panna ja et piima juustuks muuta ja et piim ja juust jõuaksid lehma juurest minuni. Me uurime mõningaid neid kulutusi, kui arutame kaubatransporti ja kaubanduskeskuseid peatükis Asjad.

Munad

Joonis 13.4: Kaks muna päevas.

Muneja kana sööb umbes kanasööta päevas. Eeldades, et sööda metaboliseeritav energiasisaldus on kilogrammi kohta, teeb see võimsuskuluks päevas kana kohta. Kana muneb keskmiselt muna aastas. Nii et süües kaks muna päevas kasutame me energiat päevas. Iga muna sisaldab , mis on umbes . Nii et energeetilisest vaatepunktist on munade tootmise kasutegur .

Liha söömise energeetiline hind

Ütleme et entusiastlik lihasööja sööb umbes pool naela liha päevas (). (See on ameeriklaste keskmine liha tarbimine.) Kui tahame teada võimsust, mis kulub, kuni lihasööjad ootavad oma loomade täiskasvanuna lihalõiguks saamist, peame teadma loomade eluiga, st aega kui nad energiat tarbivad. Kana- sea- või loomaliha?

Joonis 13.5: Liha söömine nõuab lisavõimsust, sest me peame toitma tervet rida loomi, et neid oleks võimalik inimestele toiduks pakkuda.

Kanaliha, söör? Me sööme kanasid, mis on teri nokkinud ligikaudu päeva. Nii et igapäevane pool naela kaaluv söögikord summeerub lõpuks umbes naelaks kanaks, mis peab elus püsima ja valmistuma selleks, et ta ära süüakse. Ja need naela kana vajavad energiat.

Sealiha, madaam? Sea elu kestab kauem – võib-olla ü'eva sünnist peekonini – nii et igapävane poolenaelane sealiha tarbimine nõuab umbes  naela elusa, inimeste toiduks mõeldud sea olemasolu. 

Veised? Veiseliha tootmine sisaldab pikimat ettevalmistavat aega. Lihatüki saamiseks kulub veise päeva. Nii et igapäevane poolenaelane veiseliha tarbmine nõuab naela elusa, inimese toiduks mõeldud veise olemasolu.

Kõigi nende mõtete üheks numbriks liitmiseks eeldame, et me sööme pool naela () liha päevas, mis koosneb võrdsetest osadest kanast, sealihast ja veiselihast. Selline harjumus nõuab naela kanaliha, naela sealiha ja naela veiseliha pidevat elus hoidmist. See on kokku liha ehk looma eluskaalu (kuna umbes kaks kolmandikku loomade eluskaalust saab lihaks). Ja kui loomade energiavajadus on samasugune kui inimestel (kelle põletab ), siis on lihasöömise tagamiseks vajalik võimsus

Olen jälle võtnud füsioloogilise vabaduse eeldada, et “loomad on nagu inimesed;” täpsem hinnang kanaliha tootmiseks vajalikule energiale on selle peatüki lõpumärkustes. Praegu tahame vaid umbkaudset hinnangut ja siin see on. Tüüpilisele tarbijale taimede piimatoodete, munade ja liha tootmiseks vajaminev võimsus on päevas. (Sellise dieedi päevane kalorite jaotus on taimedest; piimatoodetest; munadest; ja lihast – kokku päevas.)

See number ei sisalda võimsust, mis on vajalik põlluharimiseks, väetamiseks, toidu töötlemiseks, külmutamiseks ja transpordiks. Me hindame mõnda neist kuludest allpool, peatükis Asjad.

Joonis 13.6: Will muudab roheluse toiduks.

Kas need arvutused annavad meile energiatarbimisel põhinevaid taimetoitlust toetavaid argumente? See sõltub sellest, kus loomi toidetakse. Võtke näiteks Walesi järsud künkad ja mäed. Kas neid alasid saab kasutada millekski muuks kui karjatamiseks? Neid karjamaid kasutatakse kas lammaste hoidmiseks või seisavad nad inimeste jaoks kasutult. Võite neist looduslikest rohelistest nõlvadest mõelda kui hooldevabadest biokütuse kasvandustest ja lammastest kui automaatsetest ennast kopeerivatest biokütuse kombainidest. Energiakaod päiseseenergia toiduks muundamisel on arvestatavad, aga tõenäoliselt ei leidu paremat viisi, kuidas seda sealt sellistest kohtadest püüda. (Ma ei ole kindel, kas selline ettekujutus lambapidamisest Walesis ka tegelikult paika peab: halbade ilmade korral liiguvad Walesi lambad madalamatele aladele, kus neile antakse ka soja võrseid ja muud sööta, mis on kasvatatud energiamahukate väetiste abil; mis on tegelikt energiakulu? Ma ei tea.) Sarnaseid argumente võib kasutada lihatootmise toetuseks kohtades nagu scrublands Aafrikas ja rohumaad Aurstraalias; ja piimatootmise toetuseks Indias, kus miljoneid lehmi toidetakse riisi ja maisi tootmise kõrvalproduktidega.

Teisalt, kui puurides hoitavatele loomadele söödetakse ka inimeste jaoks kõlblikku teravilja, siis ei ole küsimust - energeetiliselt efektiivsem oleks jätta need "vahekanad" ja "vahelehmad" ära ja toita selle viljaga otse inimesi.

Väetised ja teised põllumajanduse energiakulud

Koguenergia Euroopa väetistes on ligikaudu päevas inimese kohta. Vastavalt University of Warwick DEFRA raportile kasutas põllumajandus Ühendkuningriikides 2005.aastal masinatele, kütmisele (eriti kasvuhoonetes), valgusele, ventilatsioonile ja külmutamisele päevas inimese kohta.

Joonis 13.7: Lemmikloomade toiduks kuluv energia.

Energiakulu lemmikloomatoidule

Lemmikloomad! Kas te olete koera, kassi või hobuse teener? Suurbritannias võib olla umbes miljonit kassi. Oletame, et te hoolitsete ühe eest. Milline on Miisu söögi energiahind? Kui kass sööb liha päevas (kana, sealiha ja veiseliha), siis eelmise alajaotuse hinnang ütleb, et Miisu toidu tootmiseks vajalik energia on kübe vähem kui  päevas. Taimetoitlasest kassile kulub vähem.

Sarnaselt, kui Su koer Pontu sööb liha päevas ja tema tarbitavate süsivesikute energia on päevas, siis kulub tema toidu tootmiseks umbes päevas. Shadowfax hobuse kaal on umbes ja see tarvitab päevas.

Müütkontseptsioonid

Ma olen kuulnud et toidu energiajalajälg on nii suur, et "parem sõita kui kõndida."

See sõltub teie söömisharjumustest. Kindlasti on võimalik leida toitu, mille fossiilkütuste jalajälg on suurem sellest, mis inimene sealt lõpuks kätte saab. Näiteks kartulikrõpsudesse on iga süües vabaneva keemilise energia kohta sisse pandud fossiilkütuste energiat. Liha jaoks on see number suurem. Vastavalt Exeteri Ülikooli uurimusele sisaldub tüüpilises toidukorvis ligikaudu energiat toiduenergia kohta. Kui tahame teada, kas me kasutame rohkem energiat kõndides või autoga sõites, peame teadma mõlema transpordi ligi kasutegurit. Tüüpiline auto (peatükis Autod) energiakulu kohta oli . Kõndimisele kuluv koguenergia on kohta – korda väham. Nii et, jah, kui te elate täielikult toidul, mille energia jalajälg on suurem kui kohta, siis, oleks punktis A punkti B liikumise energiakulu fossiilkütusel töötava autoga tõepoolest väiksem kui kondiauruga minnes. Aga kui teie toidukorv on tüüpiline ( kohta), siis on väide “parem sõita autoga kui kõndida” müüt. Kõndimiseks kulub vaid veerand sellest energiast.

Joonis 13.8: Toit ja põllumajandus.

Märkused ja edasine lugemine

Tüüpiline piimalehm toodab liitrit piima päevas. Ühendkuningriikides on miljonit lüpsilehma, igaüks neist toodab ligikaudu liitrit piima aastas. Umbes pool sellest kogusest müüaksegi piimana. www.ukagriculture.com, www.vegsoc.org/info/cattle.html

Lihatüki saamiseks kulub veise päeva. 33 kuud eostamisest tapamajja: kuud tiinust ja kuud kasvamist. www.shabdenparkfarm.com/farming/cattle.htm

Kanad. Täiskasvanud (20-nädalane) muneja kana kaalub või . Kanasööda energiasisaldus on kohta, mis teeb kohta ja kanade sööda nädalane kogus kasvab -lt nädalasele kanale kuni -ni, kui kana on saanud nädalat vanaks. Muneja kana tõõpiline sööda kogus on päevas.

Liha tootmiseks kasvatatava kana toidu energiasisaldus on kilogrammi kohta. Kana energiatarbimine on päevas kana kohta ( kana kohta) kaalu juures. lihakana tarbib kokku linnutoitu [5h69fm]. Nii et kanaliha tootmiseks kuluv energia on umbes eluskaalu kilogrammi kohta või söödud liha kilogrammi kohta.

Selle numbri kasutamisel oleks kanaliha energeetiline panus pisut kasvanud. Aga see ei ole eriti oluline, kui  arvestada, et linnuliha koos looma- ja veiselihaga tarbides domineerib veiseliha energiajalajälg. Allikad: Subcommittee on Poultry Nutrition, National Research Council (1994), www.nap.edu/openbook.php?isbn=0309048923, MacDonald (2008), and www.statistics.gov.uk/statbase/datasets2.asp.

eeldame, et me sööme pool naela () liha päevas, mis koosneb võrdsetest osadest kanast, sealihast ja veiselihast. See on ligikaudu keskmine liha tarbimine Ameerikas, päevas – kus sisaldub kanaliha, loomaliha ja sealiha (MacDonald, 2008).

Koguenergia Euroopa väetistes on ligikaudu päevas inimese kohta. 1998 - 1999 aastatel kasutati Lääne-Euroopas miljonit tonni () väetiseid aastas: nitraate, fosfaate ja kaaliumkarbonaati (potas). Nende väetist energiajalajäljed on vastavalt , ja kilogrammi kohta. Jagades selle energia miljoni inimese vahel saame jalajäljeks päevas inimese kohta. Allikas: Gellings and Parmenter (2004), International Fertilizer Industry Association [5pwojp].

Ühendkuningriikide põllumajandus kasutas 2005.aastal masinatele, kütmisele (eriti kasvuhoonetes), valgusele, ventilatsioonile ja külmutamisele päevas inimese kohta. Source: Warwick HRI (2007).

Kartulikrõpsudesse on iga süües vabaneva keemilise energia kohta sisse pandud fossiilkütuste energiat. Ma hindasin seda energiat paki kartulikrõpsude süsinikujalajälje kaudu: tavalise paki jaoks on see [5bj8k3]. sellest jalajäljest tuleb põllumajandusest,  töötlemisest, pakendamisest ja transpordist ja jäätmetest. Tarbija saab kätte keemilise energia . Järelikult on selle toidu süsinikujalajälg kohta. Kui eeldame, et enamus sellest süsinikujalajäljest tuleb fossiilsetetes kütustest mahus kohta, saame krõpude energiajalajäljeks fossiilkütuseid keemilise söömisel vabaneva keemilise energia kohta.

Kõndimise jalajälg on ; jalgrattaga sõitmisel . Võrdluseks, sõites keskmise autoga on meie jalajälg

Tüüpilises toidukorvis on ligikaudu energiat toiduenergia kohta. Coley (2001) hinnangul on tüüpilise toidukorvi tootmisel kulutatav energai suurem kui sellest saadav energia. 

Kõndimisele kuluv koguenergia on kohta. Kõndimisel kasutab inimene kokku