Luku 2.2 (Lukion Fysiikka (FY2))

Ihminen muuntaa energiaa

Keskeisiä kysymyksiä

  • Mitä energian muuntumisia tapahtuu eri voimalaitoksissa?
  • Mitkä seikat vaikuttavat kunkin voimalaitostyypin kykyyn muuntaa energiaa hyödylliseen muotoon?

Voimalaitokset

Voimalaitosten tehtävä on muuntaa luonnonvaroihin sitoutunutta energiaa hyödylliseen muotoon. Nyky-yhteiskunnassa voimalaitoksissa vapautettua energiaa ei tarvitse hyödyntää voimalan lähellä, vaan sitä siirretään lämpönä kilometrien ja sähkönä satojen tai tuhansien kilometrien päähän. Eri laitostyyppejä voidaan vertailla monesta näkökulmasta, esimerkiksi ympäristön, teknologisen monimutkaisuuden tai saatavuuden kannalta. Tässä luvussa tarkastellaan yleisimpien voimalaitostyyppien tapoja muuntaa energiaa muodosta toiseen ja tehdään vertailua fysiikan näkökulmasta. Muihin näkökulmiin palataan luvussa Energia yhteiskunnassa.

Lämpövoimala

Lämpövoimalaitoksen toiminta perustuu aineen polttamiseen. Palamisreaktioissa vapautunut kemiallinen energia muuntuu veden sisäenergiaksi, mikä havaitaan veden lämpötilan kasvuna. Sisäenergian kasvaessa riittävästi vesi höyrystyy. Lämpötilaerot pyrkivät tasaantumaan itsestään, joten kuuma höyry kuljettuu polttokattilasta turbiiniin. Osa höyryn sisäenergiasta muuntuu turbiinin pyörimisenergiaksi, ja höyry jäähtyy. Turbiini on kytketty generaattoriin, josta energia siirretään sähkönä muualle.

Koska parhaassakin laitoksessa vain osa höyryn sisäenergiasta muuntuu turbiinin pyörimisenergiaksi, höyryä on jäähdytettävä lauhduttimessa. Muuten lämpötilaero turbiinin eri puolien välillä pienenee, ja höyry ei enää virtaa itsestään turbiiniin. Tämä pysäyttäisi laitoksen.

Jos voimalaitos on lähellä asutusta, lauhduttimeen voidaan kytkeä kaukolämpöputki. Tällöin lauhduttimessa jäähtyvä höyry luovuttaa sisäenergiaansa kaukolämpöverkon vedelle, joka lämpenee. Voimalaitoksen hyötysuhde paranee, kun osa sähköksi muuntumattomasta sisäenergiasta saadaan hyödynnettyä kiinteistöjen lämmityksessä. Edellä kuvattu sähkön ja lämmön yhteistuotanto on yleistä Suomessa.

Lämpövoimalaitoksen kaaviokuva

Ydinvoima

Uraania syntyi maapallon muodostumisen yhteydessä 4,6 miljardia vuotta sitten. Uraani on ydinvoimaloiden käyttämä luonnonvara. Ydinvoimalassa uraaniytimiä halkaistaan. Ydinvoimalat tuottavat sähköä lämpövoimaloiden tapaan lukuun ottamatta polttoreaktiota, joka on korvattu ydinreaktiolla. Vapautettava energia on ydinenergiaa, ei kemiallista energiaa.

Atomiydin muodostuu protoneista ja neutroneista. Ydinhiukkasten välisten sidosten muuttuessa vapautuu energiaa, joka lämmittää vettä. Ydinhiukkasten välisiin sidoksiin on sitoutunut paljon enemmän energiaa kuin atomien ja molekyylien välisiin sidoksiin suhteessa hiukkasten massaan. Siksi lämpövoimalassa käytettyä kivihiiltä tarvitaan massaltaan lähes miljoonakertainen määrä uraaniin verrattuna yhtä suuren energiamäärän vapauttamiseen.

Raskaan ytimen hajoamista kutsutaan fissioreaktioksi. Fuusioreaktiossa kaksi kevyttä alkuainetta yhdistyy raskaammaksi ytimeksi. Molemmissa tapauksissa vapautuu energiaa. Auringon energia on peräisin sen keskustassa tapahtuvista fuusioreaktioista, joissa vety-ytimistä syntyy heliumatomin ydin. Fuusioreaktio vaatii suuren paineen ja lämpötilan käynnistyäkseen. Fuusiovoimaa hyödyntävä koelaitos on rakenteilla Ranskassa.

ITER (Wikipedia) ITER (kotisivut) Video (Student Energy): Ydinvoima

Insinööri kokoaa ydinpolttoainesauvaa.

Vesivoima

Aurinko lämmittää vesialueita ja haihduttaa vettä ilmakehään. Veden potentiaalienergia kasvaa sen noustessa ylöspäin. Vesihöyry kulkeutuu ilmassa, kunnes se tiivistyy sateena ylängöillä. Alaspäin liikkuva vesi muodostaa jokia, jotka virtaavat kohti merenpinnan tasoa.

Vesivoimalassa hyödynnetään virtaavan veden liikettä. Veden liikettä lisätään rakentamalla voimalan yhteyteen pato, joka saa veden putoamaan alaspäin. Ylhäällä olevaan veteen on varastoituneena potentiaalienergiaa, joka muuntuu ensin liike-energiaksi veden pudotessa. Voimalan läpi virtaava vesi pyörittää turbiinia, jolloin veden liike-energia muuntuu turbiinin pyörimisenergiaksi. Turbiiniin kytketystä generaattorista energia siirretään muualle sähkönä.

Video (Student Energy): Vesivoima

Patoaltaan pinnan noustessa liian korkealle vettä juoksutetaan padon ja vesivoimalan yli.

Lämpövoimala

  • lämpönä
  • sähkönä

Ydinvoimala

  • lämpönä
  • sähkönä

Vesivoimala

  • lämpönä
  • sähkönä

Aurinkovoima

Auringon säteilyn energiaa otetaan talteen aurinkopaneeleilla muuntaen säteilyä sähkövirraksi tai lämmöksi. Aurinkopaneeli on joko kenno tai keräin. Aurinkokennossa säteily muunnetaan sähköksi valosähköiseen ilmiöön perustuen. Tähän tutustutaan moduulissa FY8. Aurinkokeräimissä säteily lämmittää väliainetta, esimerkiksi vettä, joka siirtää lämpöä lämmitettävään kohteeseen.

Valosähköinen ilmiö (Wikipedia) Video (Student Energy): Aurinkovoima (lämpö) Video (Student Energy): Aurinkovoima (sähkö)

Aurinkopaneelit muuntavat auringon säteilyn energiaa sähköksi.

Tuulivoima

Tuuli syntyy auringon lämmittäessä maapallon osia eri tavoin. Ilmakehään syntyy tällöin lämpötila- ja paine-eroja, joita ilman virtaaminen pyrkii tasoittamaan.

Tuuli on ilman liikettä, joten siihen on varastoituneena liike-energiaa. Tuulivoimalassa tämä muunnetaan pyörimisenergiaksi. Pyörivä roottori on kytketty generaattoriin, josta energia voidaan siirtää sähkönä muualle.

Video (Student Energy): Tuulivoima

Tuulivoimapuisto Kööpenhaminan edustalla

Maalämpö ja geoterminen energia

Aurinko lämmittää maaperää, jolloin maaperän sisäenergia kasvaa. Energiaa kerätään läheltä maanpintaa lämpöpumpuilla, joissa maaperän sisäenergialla lämmitetään maan sisällä olevassa putkistossa kiertävää vettä. Tällä voidaan esim. lämmittää kiinteistöjä. Energialajista käytetään nimitystä maalämpö.

Geoterminen energia on peräisin Maan sisäosissa tapahtuneista radioaktiivista hajoamisreaktioista. Niissä ydinenergiaa vapautuu ja muuntuu maaperän sisäenergiaksi, mikä havaitaan lämpötilan kohoamisena. Geoterminen energia pitää Maan kuoren alla olevat kerrokset sulana kiviaineksena tuhansien asteiden lämpötilassa. Tuliperäisillä alueilla, joissa maankuori on ohut, lämpöä päästään hyödyntämään veden höyrystämiseen ja sähkön tuottamiseen lämpövoimalan tapaan, tai lämpöä voidaan ohjata suoraan lämmitykseen maalämmön tapaan.

Video (Student Energy): Geoterminen energia

Strokkur-geysir purkautuu Islannissa.

Esimerkit

Esimerkki 1

  1. Alla on linkki videoon, jolla intialainen tekniikka- ja tee se itse -tubettaja havainnollistaa höyryvoimalan toimintaa. Analysoi videolla tapahtuvia energialajien muuntumisia muodosta toiseen.
  2. Kerro, miten samoja energian muuntumisia voidaan hyödyntää suuremmassa mittakaavassa voimalaitoksissa.

How to Make Steam Power Plant at Home (Ayush Lab)

Ratkaisu

a. Videolla poltetaan isossa peltipurkissa puubrikettejä tai vastaavaa polttoainetta. Tällöin niihin varastoitunut kemiallinen energia vapautuu ja muuntuu ympäröivän aineen sisäenergiaksi sen lämmetessä. Erityisesti purkin yläpuolella olevassa painekattilassa olevan veden sisäenergia kasvaa ja alkaa höyrystyä.

Korkeapaineinen höyry lähtee liikkeelle putkea pitkin kohti matalampaa painetta, pois painekattilasta. Höyryn sisäenergiaa muuntuu tällöin sen liike-energiaksi. Tämä vuorostaan muuntuu turbiinissa turbiinin liike-energiaksi.

Turbiini on kytkettynä generaattoriin, josta sen liike-energia siirretään sähkönä johdon toiseen päähän kytkettyyn lamppuun. Siellä energia muuntuu säteilyenergiaksi ja lampun lämmetessä sen sisäenergiaksi.

Ratkaisu

b. Teollisen mittakaavan polttovoimalaitoksissa hyödynnetään täsmälleen samoja energian muuntumisia. Polttoaineena voidaan käyttää biopolttoaineita, hiiltä, öljyä, maakaasua tai jätteitä. Sähkönä turbiinin liike-energia voidaan siirtää vaivatta myös useiden satojen tai jopa tuhansien kilometrien päähän.

Aurinkovoimala

  • lämpönä
  • sähkönä

Tuulivoimala

  • lämpönä
  • sähkönä

Maalämpövoimala

  • lämpönä
  • sähkönä

Geoterminen voimala

  • lämpönä
  • sähkönä
  • säteilyenergia
  • potentiaalienergia
  • kemiallinen energia
  • liike-energia
  • maankuoren sisäenergia
  • ydinenergia
  • Aurinkovoimala
  • Vesivoimalaitos
  • Hiilivoimalaitos
  • Tuulivoimala
  • Geoterminen voimala
  • Ydinvoimala
Odota