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 Tõusud
    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

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

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:

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:

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."

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 liitrites voolukiirust me mõõdame liitrites minuti kohta
energiat me mõõdame kWh võimsust 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.

2.2.1 Valik täpsustusi

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 uesti 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.

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 ja 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.

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

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:

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 

Figure 6.5 shows data to back up this number. Let’s give every person 10 m2 of expensive (20%-efficient) solar panels and cover all south-facing roofs. These will deliver

2.7 Soojendamine ja jahutamine

2.8 Hüdroelekter

2.9 Valgus

2.10 Tuul avamerel

2.11 Tehnovidinad

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

Joonis 12.2: Laineenergia.

Kuidas paistavad selles arutluses kasutatud numbrid, kui neid võrrelda praegu olemasoleva tehnoloogiaga? Selle raamatu kirjutamise ajal on vaid kolm seadet, mis töötavad sügavas vees: kolm laineenergia kogujat Pelamis (joonis 12.1), mis on ehitatud Šotimaal ja paigaldatud Portugali. Nende kohta ei ole reaalseid andmeid avaldatud, aga Pelamise seadmete tootjad ennustavad, et pigem vastupidavust silmas pidades konstrueeritud kahe kilomeetri pikkune lainefarm, mis koosneb 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?

2.14 Tõusud

2.15 Asjad

2.16 Geotermiline

2.17 Avalikud teenused

2.18 Kas me suudaks elada taastuvenergiast?

3 Teha asju, mis päriselt loevad

3.1 Iga SUUR asi loeb

Saime teada, et Suurbritannia elustiil ei ole vaid selle enda taastuvenergia allikaid kasutades jätkusuutlik (va siis, kui otsustame industrialiseerida riigi suuruseid maa ja mere piirkondi). Mis on siis meie valikud, kui tahame vabaneda fossiilkütustest ja elada jätkusuutlikult? Energiabilanssi on võimalik tasakaalustada kas tarbimist vähendades või energia tootmist suurendades või tehes mõlemat.

Ei tasu teha illusioone, fossiilkütustest vabanemiseks peab tarbimise vähenemine ja energiavarude suurenemine olema suured. Ära lase end segadusse viia müüdiga, et "iga väikegi asi loeb". Kui igaüks teeb natuke, siis me saavutame vaid natuke. Meil on vaja teha palju. Meil on vaja suuri muutusi tarbimises ja varudes.

3.2 Parem transport

Kaasaegne tehnoloogia suudab luua sõidukeid, mis vähendavad kliimamuutusi põhjustavate kasvuhoonegaaside emissiooni ilma, et kasutaja jaoks muutuks nende välimus, iseloom või esitus.

California Air Resources Board

Umbes üks kolmandik meie tarbitavast energiast kulub transpordis. Kas tehnoloogia suudab seda tarbimist vähendada? Selles peatükis me vaatleme võimalusi selle eesmärgi saavutamiseks: kuidas saavutada suurim võimalik transpordis kasutatava energia vähenemine ja samal ajal lõpetada fossiilkütuste kasutamine transpordis.

Transport figureeris kolmes trabimist käsitlevas peatükis: Autod, Lennukid ja Asjad (maanteetransport ja laevatransport). Seega, peame käsitlema kahte liiki tranporti: reisijatevedu ja kaubavedu. Meie reisijateveo ühikuks on reisija-kilomeeter (r-km). Kui auto viib ühe reisija 100 km kaugusele, siis saame 100 r-km reisijatevedu. Kui see auto viib neli inimest sama kaugele, siis saame 400 r-km. Sarnaselt on meie kaubaveo ühikuks tonn-kilomeeter (t-km). Kui veoauto viib 5 t kaupa 100 km kaugusele, siis saame 500 t-km kaubavedu. Kaubaveo energia tarbimist mõõdame ühikuga "kWh 100 reisija-kilomeetri kohta" ja kaubaveo energia tarbimist "kWh tonn-kilomeetri kohta". Pane tähele, et need mõõtühikud töötavad teisipidi, kui "miili-galloni kohta": samal ajal kui meile meeldiva sõidukid, mis liiguvad ühe galloni kütusega palju miile, on energia tarbimisel kasulik see, kui kulutame vähe kWh 100 r-km kohta.

Alustame seda peatükki sellega, et arutame, kuidas vähendada maismaatranspordi energiavajadust. Selleks peame mõistma, kuhu energia maismaatranspordis kulub. Toome siin ära kolm ideed, mida selgitatakse täpsemalt tehnilises peatükis autodest.

  1. Kui transport toimub lühikeste vahemaade taha ning sisaldab paljusid peatusi, kulub energia peamiselt sõiduki ja selle sisu kiirendamiseks. Võtmeidee sellise transpordi energiavajaduse vähendamiseks on massi vähendamine ja peatuste vaheliste vahemaade suurendamine. Aidata võib ka see, kui salvestame pidurdamisel energiat, mida hiljem kasutada. Lisaks sellele aitab, kui liigume aeglasemalt ja vähem.
  2. Kui transport toimub autode või rongidega ühtlastel kiirustel pikkade vahemaade taha, kulub enamus energiast õhutakistuse ületamisele, kuna sõidukit tuleb kiirendada ainult korra. Võtmeidee sellises transpordis väiksema hulga energia kulutamiseks on liikuda aeglasemalt ja liikuda vähen ja kasutada pikki, õhukesi sõidukeid.
  3. Kõigis reisimise liikides on energia muundamise ahel, mis võtab mingisuguse kütuse energia ja kasutab seda sõiduki edasi lükkamiseks. Selline energia muundamine on paratamatult mittetäiuslik. Näiteks tavalises fossiilkütuseid kasutavas sõidukis kasutatakse vaid 25% energiast lükkamiseks, umbes 75% energiast läheb kaotsi, see kulub mootori ja radiaatori soojendamiseks. Seega on viimane idee väiksema hulga energia kulutamiseks teha energia muundamine efektiivsemaks.

Need tähelepanemud viivad meid kuue sõidukite disaini ja kasutamise printsiibi juurde, mis pakuvad efektiivsemat maismaatransporti: 

4 Tehniline

5 Kasulikud andmed