Energialähteet

Uusiutumattomat energialähteet loppuvat aikanaan, koska niitä ei enää synny ja varannot ovat rajallisia. Uusiutumattomiin energiamuotoihin luetaan fossiiliset polttoaineet ja ydinvoima. Myös turve katsotaan uusiutumattomaksi, koska turvesuon kasvu vie tuhansia vuosia. 

Uusiutuvat energialähteet eivät voi kestävästi käytettyinä loppua. Uusiutuva energia on pääosin peräisin auringosta joko suoraan tai epäsuorasti. Uusiutuvia energiamuotoja aurinkoenergia, tuuli, vesivoima, biomassa ja aallot sekä maalämpö. Geoterminen energia on peräisin maapallon sisäisestä lämmöstä ja vuoroveden energia Kuun liikkeistä suhteessa maapalloon. Uusiutuvan energian osuus kasvaa: Se oli Suomen sähköntuotannossa v. 2000 34 prosenttia ja vuonna 2020 jo 47 prosenttia.

Fossiilisiin polttoaineisiin luetaan maaöljy, kivihiili ja maakaasu. Ne ovat nimensä mukaisesti syntyneet muinaisista eliöjäänteistä maakerrosten puristuksessa. Öljy ja maakaasu ovat muodostuneet merenpohjaan vaipuneesta kasvi- ja eläinplanktonista. Päälle kerrostuneiden sedimenttien paine on suodattanut soluista vähitellen öljyä ja maakaasua. Kivihiili on puolestaan puristunut kivihiilikauden sanikkaismetsien ja soiden kasvijäänteistä.

Fossiiliset polttoaineet ovat nykyisen energiantuotannon perusta. Yli 80 % kaikesta myydystä energiasta on peräisin niistä.

Maaöljy on edelleen maailman tärkein energianlähde, vaikka sen varojen ennustetaan riittävän vain muutamiksi kymmeniksi vuosiksi tulevaisuuteen. Liikennekäyttöön siitä jalostetaan bensiiniä, dieseliä ja lentobensiiniä eli kerosiinia. Kaikessa liikenteessä käytetystä energiasta öljytuotteiden osuus on edelleen yli 80 %. Se on myös merkittävä rakennusten lämmön lähde. Energiantuotannon lisäksi öljy on petrokemian teollisuuden raaka-aine. Siitä valmistetaan esimerkiksi muoveja, voiteluaineita ja liuottimia. Öljyn käyttö energialähteenä alkaakin olla tärkeän raaka-aineen väärinkäyttöä, koska myös tulevat sukupolvet tarvitsevat petrokemiallisen teollisuuden tuotteita.

Tärkeimmät öljyntuotantoalueet sijaitsevat Lähi-idässä Persianlahden ympäristössä (Saudi-Arabia, Kuwait, Irak, Iran, Arabiemiraatit), Meksikonlahdella (USA, Meksiko, Venezuela) sekä Venäjällä. Öljyä löytyy kuitenkin kaikkialta, missä on ollut matalan meren alueita 5-100 miljoonaa vuotta sitten. Löydetyt öljyvarat riittävät nykyisellä käytöllä vain noin 50 vuodeksi. Lisäksi öljyä on ainakin saman verran sitoutuneena kiviainekseen raskasöljynä, öljyhiekkana ja liuskeöljynä, joita esimerkiksi Kanada ja Venezuela jo hyödyntävät. Näiden, ei pumpattavien öljyvarojen, hyödyntäminen on kuitenkin selvästi ympäristölle haitallisempaa kuin perinteisen pumpattavan öljyn.

Öljyn hinnan nousu on johtanut myös öljyn etsintään hankalasti hyödynnettäviltä alueilta kuten Arktisilta merialueilta ja syvemmältä merten pohjista. Myös näiltä alueilta löytyvän öljyn hyödyntämien aiheuttaa suuria ympäristöriskejä.

Kivihiili on maailman tärkein sähköntuotannon energialähde ja myös merkittävä lämmön tuottaja. Suomessa on laajasti käytössä sähkön ja lämmön yhteistuotanto, jossa osalla lämpöä tuotetaan sähköä ja osalla kaukolämpöä taajamiin. Näin energian hyödyntäminen on mahdollisimman tehokasta. Kaukolämpölaitoksissa polttoaineena voidaan käyttää kivihiilen sijasta myös maakaasua tai biomassaa. EU:n alueella on tarkoitus lisätä merkittävästi sähkön ja lämmön yhteistuotantoa ja se onkin tärkein yksittäinen keino vähentää hiilidioksidipäästöjä. Energiantuotannon lisäksi kivihiiltä tarvitaan myös teräksen valmistuksessa ja kemianteollisuudessa siitä valmistetaan esimerkiksi synteettistä kumia. Kivihiiltä riittää pitkälle tulevaisuuteen, nykyisellä kulutuksella yli 200 vuotta, mutta sen käytön suuret hiilidioksidipäästöt ovat ongelmallisia. Kivihiilen käytöstä ollaan EU:ssa luopumassa.

Kivihiiltä kaivetaan pääasiassa laajoista avolouhoksista, jolloin tuotantokustannukset jäävät alhaisiksi ja kuljetus on helppoa. Puolet maailman kivihiilestä tuotetaan ja kulutetaan Kiinassa. Tämän seurauksena Kiinan itä- ja eteläosissa ilman pienhiukkasten määrä on noussut vaarallisen korkealle tasolle.

Maakaasua käytetään rakennusten lämmitykseen ja sähkön tuotantoon sekä myös ajoneuvojen polttoaineena. Kotitalouksissa maakaasua voidaan käyttää sellaisenaan esimerkiksi kaasuliesissä. Tärkeimmät tuotantoalueet sijaitsevat USA:ssa, Venäjällä, Kanadassa ja Persianlahdella. Maakaasua kuljetetaan putkissa jopa tuhansien kilometrien matkoja kuten Venäjän kaasukentiltä Suomeen ja Keski-Eurooppaan. Putket ovat kuitenkin miljardien eurojen investointeja ja lisäksi alttiita terrori-iskuille.

Useilta tärkeiltä kaasukentiltä ei ole mahdollista vetää putkia käyttökohteisiin. Tämä on johtanut nestemäisen, jäähdytetyn maakaasun eli LNG:n (liquefied natural gas) käytön nopeaan kasvuun. LNG on ainoa tapa saada markkinoille esimerkiksi Persianlahden, Indonesian, Nigerian tai Norjan arktisten merialueiden maakaasu. LNG:n kuljetus on edullista, mutta se vaatii tuotanto- ja vastaanottaja-alueilla kalliit terminaalitilat. Nykyään noin 2/3 maakaasusta kulkee putkissa ja 1/3 LNG:nä. LNG:ta käytetään esimerkiksi uusien laivojen polttoaineena ja sen etuna on raskasta polttoöljyä huomattavasti pienemmät päästöt.

Maakaasua ja öljyä on sitoutunut suuria määriä liuskekiviin syvälle kallioperään. Tämä kaasu ja öljy voidaan irrottaa ruiskuttamalla liuskekerrokseen veden, hiekan ja kemikaalien seosta, jolloin kallio säröytyy ja maakaasu sekä öljy vapautuvat. Särötystekniikan nopea kehitys on mullistamassa maailman energiamarkkinat, kun USA pyrkii korvaamaan kaiken tuontiöljyn liuskeista saatavilla maakaasulla ja öljyllä.

Turve on maatunutta suokasvillisuutta. Se on siis vasta fossiloitumassa olevaa kasviainesta ja siten se rakenteellisesti vastaa syntymässä olevaa kivihiiltä. Laajassa mitassa turvetta käytetään vain Suomessa ja Irlannissa.

Fossiilisten polttoaineiden laaja käyttö perustuu niiden edulliseen hintaan, helppoon kuljetettavuuteen, varastointiin ja jakeluun. Lämmön tuotannossa niitä voidaan polttaa sellaisenaan. Öljy on ainoa nestemäinen polttoaine, jolla on riittävät tuotanto- ja jakelujärjestelmät nykyliikenteen tarpeeseen.

Fossiilisten polttoaineiden haitat syntyvät tuotantoketjun kaikissa vaiheissa. Kivihiilikaivoksiin vapautuu erilaisia kaasuja, joten tuuletuksen on aina toimittava. Kaasut voivat syrjäyttää hapen tai ne voivat räjähtää. Kaivosonnettomuuksissa kuolee tuhansia ihmisiä vuodessa, eniten Kiinassa.

Öljy on ympäristöön päästessään aina erittäin haitallista. Öljyonnettomuuksia tapahtuu porattaessa, kuljetuksissa valtamerillä ja putkistovuotoina maalla. Esimerkiksi pelkästään Venäjän öljyputkista on arvioitu karkaavan öljyä 10-20 suuren tankkilaivan verran vuodessa. Maakaasu on kemialliselta rakenteeltaan metaania, joten se on vapaana kipinästä räjähtävää. Nesteytetty maakaasu on puolestaan niin kylmää, että se on kosketettaessa tappavaa.

Fossiilisten polttoaineiden palaessa muodostuu aina hiilidioksidia, joka puolestaan toimii kasvihuonekaasuna ja on siten keskeisin syy ilmastonmuutokseen. Maakaasun lämpöarvo on korkeampi kuin öljyllä ja kivihiilellä, joten sen poltosta vapautuu vähemmän hiilidioksidia. Toisaalta metaani on 20 kertaa voimakkaampi kasvihuonekaasu kuin hiilidioksidi. Maakaasun, joka koostuu lähes kokonaan voimakkaasta kasvihuonekaasusta metaanista, tuotannosta arvioidaan vuotavan ilmakehään vuosittain yli 3 %, jolloin sen kokonaisvaikutus kasvihuoneilmiön voimistumiseen on samaa tasoa kuin öljyllä ja kivihiilellä.

Hiilen ja öljyn poltosta syntyy runsaasti mikroskooppisia pienhiukkasia, jotka aiheuttavat elimistössä syöpää ja verenkiertosairauksia. Maailman terveysjärjestö (WHO) on arvioinut, että nämä pienhiukkaset ovat syynä miljooniin ennenaikaisiin kuolemiin vuodessa.

Kivihiilen ja öljyn poltossa ilmakehään vapautuvat rikin ja typen oksidit aiheuttavat happosateita. Tämä ongelma on saatu ratkaistua poistamalla polttoaineista rikki ja sitomalla kemiallisesti typen oksidit esimerkiksi autojen katalysaattoreissa kivihiilivoimalaitoksissa. Kuitenkin kehittyvissä maissa uutta teknologiaa ei vielä ole kattavasti käytössä, joten happamoituminen on edelleen ajankohtainen ongelma siellä.

​Ydinvoimalat tuottavat sähköä ja esimerkiksi Ranskassa valtaosa sähköstä tuotetaan niissä. Suomenkin sähköstä yli neljännes saadaan Eurajoen Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimaloista.

Ydinvoimaloissa energialähteenä toimii uraani (U-235). Radioaktiivinen uraani hajoaa fissioreaktiossa kontrolloidusti, jolloin se vapauttaa lämpöä. Tämän lämmön avulla höyrystetään vettä, joka johdetaan tuottamaan generaattoreilla sähköä. Ydinvoimalaa voidaan siis kuvata jättiläismäiseksi höyrykattilaksi.

Eurajoen Olkiluotoon valmistui v. 2022 maamme viides ydinvoimala. Raahen lähelle alettiin rakentaa kuudetta ydinvoimalaa, mutta sen rakentaminen keskeytettiin keväällä 2022 Ukrainan sotaan liittyvien syiden takia.

Ydinvoima tuottaa tasaisella teholla paljon yhdestä yksiköstä suhteellisen edullista sähköä. Voimalat ovat oikein toimiessaan lähes saasteettomia. Niistä ei vapaudu hiilidioksidipäästöjä ilmakehään. Ainut merkittävä vaikutus on prosessin jäähdytyksessä käytetty vesi, joka lämpenee noin 10 °C. Esimerkiksi Suomen ydinvoimaloiden edustalla on talvisin heikomman jään vyöhyke.

Ydinvoimaloiden ongelmana on radioaktiivisten aineiden käsittely ja käytetyn polttoaineen loppusijoitus. Toinen vakava ongelma on suuronnettomuusriski. Kolme käytössä ollutta ydinvoimalaa on tuhoutunut: Harrisburg, USA v. 1979, Tshernobyl, Neuvostoliitto (nykyinen Ukraina) v. 1986 ja Fukushima, Japani v. 2011. Pahimmassa onnettomuudessa Tshernobylissä seurauksena oli myös vakavia ympäristötuhoja ja päästöjen leviäminen laajalle alueelle. Fukushimassa luontoon pääsi vähemmän radioaktiivisia aineita, mutta voimalan lähialueet ovat vielä pitkään asumiskiellossa.

Nämä onnettomuudet ovat lähes lopettaneet uusien ydinvoimaloiden suunnittelun, uutta ydinvoimaa on rakenteilla lähinnä Kiinassa ja Intiassa. EU:n alueella uusia ydinvoimaloita rakennetaan vain Suomessa ja Ranskassa. Lisäksi Iso-Britannia on päättänyt käynnistää uuden ydinvoimalan suunnittelun. Suomessa Olkiluoto 3 -yksikkö on pitkään viivästyneen rakentamisen loppuvaiheessa ja venäläiseen tekniikkaan perustuvan ydinvoimalan rakentaminen on alkanut Raahen lähelle Pyhäjoelle. Onnettomuudet ovat lisänneet uusien ydinvoimaloiden turvallisuusvaatimuksia, joten Olkiluodon 3 -yksikköön on tekeillä neljä toisistaan riippumatonta automaatiojärjestelmää. Tämä on johtanut hyvin pitkään ja kalliiseen rakentamiseen, eikä ydinvoimalla tuotettu sähkö enää olekaan muuta sähköntuotantoa edullisempaa.

Toistaiseksi missään ei ole loppusijoitettu käytettyä ydinpolttoainetta. Suomi on pisimmällä loppusijoitusratkaisussa. Eurajoen Olkiluodon kallioperään on kaivettu onkaloa, johon Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimaloiden käytetyt polttoainesauvat sijoitetaan kapseleissa 420 metrin syvyyteen. Säteily haurastuttaa myös voimalaitoksen paineastiaa, joten ydinvoimalan käyttöikä jää alle sataan vuoteen. Tämän jälkeen voimalaitos täytyy purkaa, ja voimalaitosjäte on myös loppusijoitettava.

Uusiutuvien energianlähteiden käyttö on geotermistä energiaa lukuun ottamatta suoraa tai välillistä aurinkoenergian hyödyntämistä. Vesivoimalla tuotetaan vain sähköä, jonka tuotannosta sen osuus on noin 15 %. Sitä kannattaa rakentaa jokiin, joissa on riittävä putouskorkeus ja vesimäärä.

Vesivoimalassa auringon säteilyenergian johdosta veden kiertokulussa ylängöille nousseen veden potentiaalienergiaa muutetaan turbiinin ja generaattorin avulla liike-energian kautta sähköenergiaksi.

Suomessa lähes kaikki suurimmat joet on padottu, joten vesivoimaa ei enää Suomeen rakenneta merkittävästi. Maailman suurimmista joista on padottu Jangtse Kiinassa, Parana Brasilian ja Paraguayn rajalla ja Niili Egyptissä.

Pääosa kehitysmaiden ja Venäjän suurista joista on patoamatta. 

Bioenergia on vesivoiman ohella uusiutuvista energialähteistä merkittävin. Puuta, olkea ja lantaa käytetään kehitysmaissa laajasti uuneissa ja avotulella, ja se onkin tärkein energiamuoto sadoille miljoonille köyhille ihmisille. Saharan eteläpuolisessa Afrikassa lähes 4/5 väestöstä valmistaa päivittäisen ruokansa tulella. Lähes sama tilanne on Intian maaseudulla.

Biomassaa, kuten puuta, voidaan polttaa sellaisenaan myös voimalaitoksissa tai siitä voidaan jalostaa bioetanolia tai biodieseliä liikennekäyttöön.

Maalämpö on lämpöpumppuun perustuva lämmitysjärjestelmä, joka hyödyntää maaperään tai veteen varastoitunutta Auringon energiaa. Maalämpöpumppu tarvitsee sähköä lämmön siirtämiseksi maaperästä, mutta sillä saadaan tuotettua paljon enemmän lämpöä kuin pumppu kuluttaa sähköä.

Tuulivoimalla tuotetun sähkön hinta on laskussa voimaloiden koon kasvaessa ja tuotanto on vähitellen muuttuvassa kannattavaksi. Tanskassa, Portugalissa, Espanjassa, Saksassa ja Irlannissa yli kymmenesosa sähköstä saadaan tuulivoimasta.

Suomeenkin rakennetaan tällä hetkellä merkittävästi uutta tuulivoimaa ja siitä saatava teho kasvaa suurten voimaloiden myötä. Oheisessa videossa näkyy toiminnassa tällainen uusi tehokas tuulimylly, joita on kyseisessä tuulipuistossa 19 kappaletta.

Vaikka uutta tuulivoimaa rakennetaan kiihtyvää tahtia, niin suurimmat kasvuodotukset liittyvät aurinkoenergiaan. Sähköä tuottavien aurinkopaneeleiden hinnat ovat muutamassa vuodessa laskeneet murto-osaan entisestä ja saman kehityssuunnan odotetaan jatkuvan.

Geoterminen energia eli maapallon sisäisen endogeenisen lämpöenergian hyödyntäminen on laajemmin käytössä vain litosfäärilaattojen sauma-alueilla. Islannin pääkaupungissa, Reykjavikissa, lähes kaikki rakennukset lämpiävät kallioperässä kuumentuneen veden avulla. Suomessa olisi mahdollista ottaa talteen 100–400 metrin syvyydellä olevan kallioperän lämpöä.

Ensimmäiset vuorovesivoimalaitokset tehtiin jo 1960-luvulla Ranskaan, mutta niiden rakentaminen kaupallisesti kannattaviksi ei ole vieläkään mahdollista. Tällä hetkellä kehitetään aktiivisesti myös aaltovoimaloita, joilla voidaan tuottaa sähköä valtamerten rannikoilla.

Uusiutuva energia on ympäristön kannalta puhtaampaa kuin fossiiliset polttoaineet. Päästöjä ilmaan syntyy vain biomassan poltosta ja jos vuotuinen kasvillisuuden kasvu vastaa poltettua määrää, niin sillä ei ole vaikutusta hiilidioksidipitoisuuteen. Haitallisinta on puun polttaminen uuneissa ja avotulella. Pienhiukkaset aiheuttavat terveysongelmia ja laajamittainen puun poltto laskee biodiversiteettiä. Voit katsoa satelliittikuvaa ja lukea haitoista NASA:n sivuilta tästä.

Uusiutuvien energialähteiden tuotanto vaihtelee jatkuvasti tuuliolosuhteiden, valoisuuden ja vesimäärän mukaisesti. Ne soveltuvat huonosti perusvoiman tuotantoon, joka pysyy samana läpi vuoden. Energiantarve vaihtelee kuitenkin siten, että päivällä energiaa käytetään enemmän kuin yöllä ja talvella enemmän kuin kesällä. Tämän vaihtelun kattamiseen tarvitaan säätövoimaa, johon etenkin vesivoima on hyvä ratkaisu, koska patoaltaista vettä voidaan juoksuttaa halutulla nopeudella. Myös biomassalla toimivat voimalat sopivat samaan tarkoitukseen.

Vesivoimalaitosten ongelmina ovat padot ja niiden taakse jäävät patoaltaat. Padot sulkevat vaelluskalojen kulkureitit ja patoaltaiden alle jää laajoja maa-alueita, joilta väestö joudutaan siirtämään. Suurten jokien patoamishankkeet ovat aiheuttaneet jopa valtioiden välisiä erimielisyyksiä. Esimerkiksi Etiopian suunnitelmat Niilin sivuhaarojen patoamisesta ovat aiheuttaneet erimielisyyttä Egyptissä ja Sudanissa. Läntisen Afrikan suurimman joen, Nigerin, patoamisesta luovuttiin haittojen takia kokonaan.

Bioetanolin ja biodieselin ongelmat liittyvät niiden tuottamiseen. Etanolia tehdään pääasiassa USA:ssa maissista ja Brasiliassa sokeriruo’osta, biodieseliä valmistetaan puolestaan Euroopassa rypsistä, rapsista ja tropiikista tuodusta palmuöljystä. Näin ravinnon tuotantoon käytetyn peltomaan pinta-ala vähenee, ruuan hinta nousee ja sademetsiä muutetaan öljypalmuplantaaseiksi.

Energian kulutus tulee kasvamaan lähivuosikymmeninä. Kasvu perustuu väestönkasvuun ja etenkin talouskasvuun kehittyvissä valtioissa. Puolet kasvusta tapahtuu Kiinassa ja Intiassa. Korkean elintason kehittyneissä valtioissa energiankulutus ei juurikaan muutu tai voi kääntyä jopa laskuun. Laitteiden energiatehokkuus paranee ja digitalisaatio mahdollistaa merkittäviä säästöjä.

Tuotantorakenteiden muutos on hidasta. Voimalaitosten käyttöikä on vuosikymmeniä, autojenkin yli kymmenen vuotta. Fossiilisilla energialähteillä tuotetun energian määrä on niin suuri, että vastaavan kapasiteetin rakentaminen vie aikaa ja rahaa.

Fossiilisten polttoaineiden osuus vähenee. Uusiutuvan energian tuottaminen muuttuu jatkuvasti edullisemmaksi, joten pääosa uudesta rakennettavasta energiasta on uusiutuvaa. Aurinkoenergian on ennustettu olevan halvin energiamuoto jo 2030-luvulla. Parhailla paikoilla uusiutuva energia on jo halvempaa kuin fossiiliset polttoaineet. Esimerkiks Norjan tuulipuistoissa tuotetaan halpaa sähköä.  Kehitys voi olla jopa ennakoitua nopeampaa, jos ilman laatua halutaan parantaa teollisuusseuduilla. Kiina on jo lopettanut uusien kivihiilivoimaloiden rakentamisen. Toisaalta nyt toimivilla kivihiilivoimaloilla tuotetaan niin suuri määrä energiaa, että sen korvaaminen muilla energialähteillä vie aikaa.