Yleistä energiasta; ydinenergia osana energiataloutta. Seppo Sipilä

Transkriptio

1 Yleistä energiasta; ydinenergia osana energiataloutta Seppo Sipilä

2 Energiantuotannon historiaa Maailman energiankulutus vuodesta 1850 (10 9 GJ) Biomassa Hiili Öljy Kaasu Vesi Ydinvoima Kulutus kasvanut voimakkaasti 2. maailmansodan jälkeen uudet ja uusiutuvat energianlähteet eivät ole tulleet käyttöön ennustetusti fossiiliset energianlähteet edelleen hallitsevia PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 2

3 Energialähteiden jakauma (USA) Primäärienergiankulutus energialähteittäin, USA (10 15 Btu) historia referenssiskenaarion ennuste öljy maakaasu hiili muut uusiutuvat ydin biomassa vesi quadrillion = Btu 1055 J US Energy Information Administration: Annual Energy Outlook 2016 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 3

4 Maailman energiankulutus historia 2012 ennusteet nestemäiset maakaasu hiili uusiutuvat ydin quadrillion = Btu 1055 J US Energy Information Administration: Annual Energy Outlook 2016 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 4

5 Suomen energiahuolto: energiantuotanto Suomi on maailman pohjoisimpia teollistuneita maita. Ilmasto, pitkät etäisyydet, korkea elintaso ja teollisuuden rakenne ovat syynä suureen energiankulutukseen asukasta kohti. Monipuolinen tuotantorakenne tuo varmuutta maailman mullistuksia vastaan. Kotimaisten energianlähteiden osuus energiantuotannosta on noin 36% 1970-luvun alusta energian kokonaiskulutus Suomessa on vähän yli kaksinkertaistunut (361 TWh v. 2015). Samaan aikaan teollisuustuotanto on yli nelinkertaistunut ja rakennuskanta yli kaksinkertaistunut. Maakaasu 8% Öljy 24% Turve 4% Kivihiili 8% Biomassa 26% Ydinvoima 19% Energian kokonaiskulutus, jakauma 2015 (Tilastokeskus) Vesi ja tuuli 6% Muut 3% Sähkön nettotuonti 5% PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 5

6 Suomen energiahuolto: sähkönhankinta Sähköyhtiöiden toimintaympäristön jatkuvasti muuttuessa monipuolinen tuotantorakenne tuo varmuutta. Kotimaisten energianlähteiden osuus sähköntuotannossa on noin kolmannes. Teollisuuden osuus sähkön kokonaiskulutuksesta on noin puolet (47% vuonna 2014). Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto (CHP) on Suomessa maailman huippuluokkaa: 26% koko sähköntarpeesta v CHP:n hyötysuhde on jopa yli 90%. Biomassa 13% Turve 4% Jäte 1% Maakaasu 6% (Öljy 0%) Kivihiili 6% Vesivoima 20% Ydinvoima 27% Tuulivoima 3% Sähkön kokonaishankinta v. 2015: 82.4 TWh (Energiateollisuus) Tuonti 20% PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 6

7 Ydinenergian osuus sähköntuotannosta Huom! Osuus tuotannosta, ei kokonaishankinnasta. Liettua Iran Kiina Kiina Pakistan Pakistan Intia Brasilia Alankomaat Meksiko Etelä-Afrikka Argentiina Kanada Iso-Britannia Venäjä Taiwan Romania USA Espanja Suomi Saksa Japani Etelä-Korea Bulgaria Tsekki Slovenia Sveitsi Ruotsi Armenia Unkari Ukraina Belgia Slovakia Ranska Ydinenergian osuus sähköntuotannosta (%) PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 7

8 Energiantuotannon rakenne ja vaihtoehdot Nykyisin suurin osa maailman energiantuotannosta perustuu uusiutumattomiin luonnonvaroihin: öljyyn, hiileen, maakaasuun ja uraaniin. Fossiilisten polttoaineiden haittana ovat suuret kasvihuonekaasujen päästöt ja osin riittävyys, fissioydinvoiman rasitteena pitkäikäinen polttoainejäte. Ongelmatonta tapaa perusenergian tuotantoon ei ole! Tärkeimmät uusiutuvat luonnonvarat ovat biopolttoaineet ja vesivoima. Laaja bioenergian käyttö erityisesti kehitysmaissa muodostaa ekologisen ongelman (eroosio, aavikoituminen). Aurinko- ja tuulienergian haittana on vaihteleva saatavuus: ne eivät sovellu perusenergiaratkaisuksi. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 8

9 Energiaratkaisut eivät ole yksinkertaisia! PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 9

10 Maailman väestökehitys Maailman nykyinen väestömäärä (noin 7.45 miljardia syyskuussa 2016) on suurempi kuin koskaan. Väestömäärä kasvaa vääjäämättä vähintään vuoteen 2050 saakka. YK:n eri skenaarioiden mukaan odotettavissa oleva kasvu on 2 5 miljardia ihmistä vuoteen 2050 mennessä. Kasvu taittuu v mennessä vain tehokkaalla syntyvyydensäännöstelyllä ilman sitä kasvu jatkuu tämän jälkeenkin, pahimmissa skenaarioissa jopa kiihtyvästi jatkuva korkea kohtuull. matala PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 10

11 Väestörakenteen erot miehet Indonesia naiset U.S. Census Bureau, International Data Base 2015 miehet Suomi naiset väkiluku ( ) väkiluku ( 1000) PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 11

12 Energiankulutus henkeä kohti World 2011 World 2000 EU 2011 EU 2000 FI 2011 FI 2000 USA 2011 USA 2000 TCE = Tonne of coal equivalent = 2, J = 8141 kwh PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 12

13 Energiankulutuksen näkymät ja jakautuminen 800 Quadrillion = Btu (British thermal unit) 1055 J 1 quadrillion Btu 293 TWh Energiankulutus (quadrillion Btu) U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2016 Hiilen kulutus (quadrillion Btu) alueittain U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2016 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 13

14 Hiilipäästöjen kehitysnäkymät Energiantuotannon hiilipäästöt, miljardia tonnia 30 OECD-maat Teollistunut elämäntapa on voimakkaasti riippuvainen fossiilisista polttoaineista. Kehittyvät maat tavoittelevat teollisuusmaiden elintasoa ja lisäävät voimakkaasti fossiilisten polttoaineiden käyttöä. U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook hiili maakaasu nestemäiset PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 14

15 Lämpötilan poikkeama ( o C) CO 2 ppm Uhkakuva: ilmastonmuutos Mauna Loa Etelänapa Maapallon keskimääräisen lämpötilan ero pitkän aikavälin vastaavaan keskiarvoon vuosi PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 15

16 Ilmastonmuutoksen tulevaisuudennäkymät Kansainvälisen ilmastopaneelin IPCC:n ennuste keskilämpötilan noususta vuoteen 2100 mennessä Maapallon keskimääräinen lämpötila verrattuna esiteolliseen aikaan Pariisin ilmastosopimus 2015 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 16

17 Kasvihuonepäästöt eri energianlähteistä Eri energiantuotantotapojen kasvihuonekaasupäästöt tuotettua energiayksikköä kohti Kivihiili Öljy Maakaasu Vesivoima Ydinvoima Tuulivoima Aurinkopaneelit Puu Kivihiili Öljy Maakaasu Vesivoima Ydinvoima Tuulivoima Aurinkopaneelit puu CO 2 -ekv. kg/kwh Max Min PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 17

18 Energiantuotantomuotojen vertailua 1000 MWe voimalaitos tuottaa vuodessa noin 8*10 9 kwh sähköä (käytettävyys 90%), siis vajaat 10% Suomen vuotuisesta sähköntarpeesta. Tämän sähköenergian tuottamiseen kuluu eri polttoaineita seuraavasti: ydin: n tonnia (1 rekkalastillinen, breederillä n. 2 t, ~0.2 m 3 UO 2 /PuO 2 ) hiili: öljy: 2.8 miljoonaa tonnia (noin 1000 junalastillista à 45 hiilivaunua) 2.2 miljoonaa tonnia (noin 780 junalastillista à 45 säiliövaunua) maakaasu: 4.4 miljoonaa tonnia (LNG, noin 11 LNG-tankkerillista à m 3 ) puuhake: 27.2 miljoonaa m 3 (kuution särmä noin 300 m; vrt. Suomen metsien vuotuinen kasvu = 80 miljoonaa m 3 ) Vuoden aikana ydinvoimala tuottaa polttoainejätettä tonnia. Hiilivoimalan päästöt: CO 2 : SO 2 : NOx: tuhkaa: 6 miljoonaa tonnia tonnia (saadaan osaksi talteen) tonnia (saadaan osaksi talteen) tonnia (sisältää 400 tonnia raskasmetalleja, myös U ja Th) PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 18

19 Energiantuotantomuotojen vertailua (2) 1000 MWe voimalaitoksen vaatima pinta-ala: Ydin: n. 150 ha Hiili/öljy: n. 300 ha (vaatii polttoaineen varastointia voimalan alueella) Vesi: muutamia km 2 (patoallas) Aurinko: km 2 (aurinkoisella paikalla) Tuuli: km 2 (tuulisella paikalla) Biomassa: 4000 km 2 (esim. energiapuuplantaasi) noin 63 km x 63 km PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 19

20 Energiantuotannon riskit ja haitat Täysin riskitöntä ja haitatonta energiantuotantomuotoa ei ole olemassa. Fossiiliset polttoaineet: kasvihuonekaasupäästöt, ilmastonmuutos SOx- ja NOx-päästöt, pienhiukkaspäästöt (~70 / a / 1000 MWe) hiilikaivosonnettomuudet (22x / MWh vs. uraanikaivokset) öljykriisit (mm. Hormuzin salmen läpi kulkee 20% maailman öljystä) öljytankkerionnettomuudet, porauslauttaonnettomuudet Ydinvoima: radioaktiivisuuspäästöt mahdollisia onnettomuustilanteissa ydinteknologian proliferaatio, riski ydinaseiden leviämisestä ydinjätteen loppusijoituksen turvallisuuskysymykset Vesivoima: patomurtuman riski (maanjäristykset, sodat, rankkasateet ym.) haitat kalastukselle ja ekosysteemeille, alkuperäisen luonnon tuhoutuminen tekoaltaiden päästöt (CO 2, CH 4 ) n. 5 25% fossiilisista /MWh PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 20

21 Energiantuotannon riskit ja haitat (2) Maakaasu: CO 2 -päästöt (ilmastonmuutos) NOx-päästöt pitkät siirtoputkistot, kuljetus, sabotaasiriski liuskekaasun tuotannon ympäristöhaitat Turve: kasvihuonekaasut ( uusiutuvuus ) SOx- ja NOx-päästöt, hiukkaspäästöt, radioaktiivisuus (!) luonnontilaisten turvesoiden katoaminen, valumat vesistöihin maantiekuljetusten riskit (suuret volyymit /MWh) Biopolttoaineet: SOx- ja NOx-päästöt, hiukkaspäästöt maantiekuljetusten riskit (suuret volyymit /MWh) Toppilan turvevoimalaitos Oulussa, 2 yksikköä yht. 582 MWth PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 21

22 Energiantuotannon riskit ja haitat (3) Tuulivoima: luotettavuus onnettomuusriski: väsymismurtumat, lavan irtoaminen (eurooppalainen suositus: todennäköisyys 10-6 /a) vaikutus luonnonmaisemaan, eliöstöön ja maankäyttöön; melu suuret tilavaatimukset rakennusmateriaalien tuotanto energiaintensiivistä Aurinkosähkö: luotettavuus vaikutus luonnonmaisemaan, eliöstöön ja maankäyttöön; suuret tilavaatimukset rakennusaineiden tuotanto energiaintensiivistä Eri energiantuotantomuotoja on mahdotonta asettaa yksiselitteiseen paremmuusjärjestykseen riskien ja haittojen osalta. vertailuissa suhteuttaminen tuotettuun energiamäärään on tärkeää ydinvoiman riskit ja haitat tunnetaan huomattavasti paremmin kuin esim. ilmastonmuutoksen seuraukset. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 22

23 Kuolleisuus / 1000 TWh e HIILI HIILI (USA) Suurin vaikuttava tekijä: hiilivoima: savukaasut öljy: savukaasut biopolttoaineet: savukaasut maakaasu: savukaasut vesivoima: onnettomuudet aurinkoenergia: onnettomuudet (esim. putoamiset) tuulivoima: onnettomuudet (esim. putoamiset) ydinvoima: onnettomuudet (sis. Tshernobylin ja Fukushiman ydinonnettomuudet) HIILI (KIINA) ÖLJY MAAKAASU BIO AURINKO TUULI VESI YDINVOIMA PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 23

24 Taustasäteilyannokset eri lähteistä Luonnon taustasäteilyn komponentit 100 rem = 1 Sv = 1 J/kg elimistöön absorboitunutta säteilyenergiaa rem = Roentgen Equivalent Man Luonnollisen taustasäteilyn eri lähteistä aiheutuvia vuotuisia säteilyannoksia PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 24

25 Ydinvoimastako maailman pelastus? PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 25

26 Ydinvoiman globaalit kehitysnäkymät IAEA, 1998 Ydinenergian tuotanto kasvaa tulevaisuudessa voimakkaimmin Aasiassa ja Itä-Euroopassa. Länsi-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa vanhojen reaktorien poistuminen käytöstä pienentää nettokasvua Ydinsähkön tuotanto (10 3 TWh) US EIA: International Energy Outlook 2013 Uusimmat ennusteet viittaavat jatkuvaan kasvuun: High Nuclear -skenaario vaikuttaa todennäköiseltä Fukushiman onnettomuudesta huolimatta. Kiina muu maailma Intia Venäjä OECD- Eurooppa muu Aasia Yhdysvallat Japani PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 26

27 Energiatulevaisuus? Turvattu energiansaanti on olennaista, jos nykyinen elämäntapa halutaan säilyttää lisäenergia on pakko tuottaa uusiutumattomilla energialähteillä uusiutuvilla energialähteillä on vain rajallinen vaikutus ydinenergian alasajo moninkertaistaisi ongelmat kehitysmaiden ja teollisuusmaiden epätasapaino jatkuu energian tuotantokriisit hyvin todennäköisiä ei suuria rakennemuutoksia seuraavina 50 vuotena fuusioenergia todennäköisesti markkinoille 2000-luvun lopulla, vaikutus aluksi vähäinen Ilmastonmuutoksen rajoittamiseksi on syytä olla hyljeksimättä mitään kasvihuonepäästötöntä tai vähäpäästöistä energiantuotantotapaa. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 27

28 Ydinvoiman plussat ja miinukset Ympäristöystävällisyys: ei kasvihuonekaasuja, päästöt minimaaliset vankka energiajärjestelmä, luotettava kypsä teknologia taloudellisesti kilpailukykyinen suuri yksikkökoko, investoinnit käytetty polttoaine pitkään aktiivista, muu jäte ongelmatonta; jätemäärät erittäin vähäisiä verrattuna fossiilisiin hyvä turvallisuuskulttuuri ei onnettomuuksia huonosta turvallisuuskulttuurista ikäviä kokemuksia: Tshernobyl (Fukushima) ydinasemateriaalien mahdollinen leviäminen terrori-iskut, sodat (?) n n U 235 n Xe 135 Sr 89 U 238 Pu 239 Uuden polttoaineen hyötö n n Neutronit ylläpitävät ketjureaktiota Energiaa Fissiotuotteet n n PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 28

29 Fuusio: pitkän aikavälin ratkaisu (?) Polttoainetta (vedyn raskaat isotoopit) on käytännössä rajattomasti polttoainejäte on heliumia siitä vain ilmapalloon ei transuraaneja, ei fissiotuotteita fuusioreaktio ei voi karata käsistä vähäinen jälkilämmöntuotto sammutuksen jälkeen reaktorirakenteiden aktivoituminen, tritium ydinaseteknologiaa (?) fuusioenergian hinta (?) PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 29