Tosielämän fysiikkaa – Energiataloudellinen katsaus Suomen ja Euroopan lähitulevaisuuteen
Energiateollisuus on eräs suurimmista luonnontieteiden sovellusaloista nykymaailmassa. Tämän alan kehitys on ratkaisevassa roolissa myös ilmastonmuutoksen vastaisessa globaalissa taistelussa. Tähän artikkeliin on koottu erityisesti lukion fysiikan opettajille tietopaketti energian tuotannosta ja kulutuksesta. Kirjoituksen lopussa on myös lukiolaisille sopia tehtäviä, joiden avulla voi konkretisoida energiantuotannon suuruusluokkaa, haasteita ja mahdollisuuksia.
Suomen ja EU:n tavoitteena on edistää kestävää kehitystä. Tähän pyritään muun muassa lisäämällä materiaalien kierrätystä ja kehittämällä teknologiaa siten, että liikkuminen, asuminen ja koko yhteiskunta kuluttaisivat entistä vähemmän energiaa. Lisäksi on oleellista, että käyttämämme energia tuotettaisiin uusiutuvista lähteistä ja tavoin, jotka eivät saastuta ympäristöä. Tehtävä ei ole helppo, sillä ilmastonmuutoksen nopea eteneminen patistaa meitä toimimaan ripeästi ja toisaalta haluaisimme kuitenkin pitää kiinni saavuttamastamme elintasosta. Eikä haasteita ainakaan vähennä se, että Ukrainassa käydään sotaa.
Tässä artikkelissa tarkastelemme Suomen ja Euroopan nykytilaa ja lähitulevaisuutta energian tuotannon ja kulutuksen näkökulmista. Tavoitteenamme on koota yhteen tilastotietoja ja tulkita niitä siten, että lukion fysiikan opettaja voi keskustella faktapohjaisesti oppilaidensa kanssa siitä, miten suuresta fysiikkaa soveltavasta teollisesta alasta energian tuotannossa on kyse. Yhtä lailla on hyvä tietää siitä, millaisia riippuvuussuhteita energian kulutuksen ja tuotannon epäsuhta aiheuttaa. Tästä konkreettinen esimerkki on se, että joidenkin eurooppalaisten maiden on ollut vaikeaa suostua Venäjän energian tuonnin rajoituksiin. Näiden faktojen tunteminen antaa hyvän pohjan pohtia myös sitä, minkä laajuisia toimenpiteitä meiltä kaikilta vaaditaan, jotta tulevaisuutemme olisi kestävällä pohjalla. Kirjoituksen lopussa on joitakin tehtäviä, joiden avulla energian tuotannon ja kulutuksen suuruusluokkia voi konkretisoida lukiolaisille.
Alla esitettävät tilastotiedot ovat vuodelta 2021, jolloin energian tuotanto ja kulutus olivat jo palautuneet normaalitilaan koronapandemiasta johtuneiden muutosten jälkeen. Pääosa tiedoista on peräisin kansainvälisistä tilastojulkaisuista kuten IEA-Global Energy Review, BP-World Energy, EIA-Energy Outlook, World Nuclear Performance ja Renewables Global Status Report. Näiden lisäksi on käytetty useita alue- ja maakohtaisia raportteja. Kaikki esitetyt numerotiedot ovat peräisin julkisista lähteistä.
Energian kulutuksen kokonaismäärän kehitys ja vaikutus ilmastoon
Kaupallisen energian tuotanto ja kulutus on maailman laajuisesti kasvanut keskimäärin 1,5 prosentin vuosivauhtia 2000-luvun alusta lähtien. Pääosa kasvusta liittyy uusiutuvaan energiaan, aurinkoenergiaan, tuulivoimaan ja biopolttoaineisiin. Fossiilienergian osalta öljyn ja kivihiilen käyttö on kuitenkin säilynyt entisellä tasolla, maakaasun käyttö vieläpä lievästi kasvanut.
Ei siis ihme, että uusimman hallitusten välisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) eri puolilta maapalloa kokoamien havaintojen ja tutkimuksien mukaan myös kasvihuonekaasupäästöt jatkavat tasaista kasvuaan. Tämä on tapahtunut kaikista kansainvälisesti hyväksytyistä päästöjen rajoituksista huolimatta. Vuonna 2021 ihmiskunnan aiheuttamasta kasvihuoneilmiön vahvistumisesta ja siitä seuraavasta maapallon lämpötilan noususta suurin osa johtuu hiilidioksidipitoisuuden kasvusta ilmakehässä, kun vertailukohtana pidetään teollistumisen aikakauden alkua eli ajanjaksoa 1850–1900. Syynä on lähinnä fossiilisten polttoaineiden maailmanlaajuinen käyttö energian lähteenä. Toiseksi tärkein ihmisen aiheuttama kasvihuoneilmiötä voimistava tekijä on metaani. Nämä kaksi kaasua yhdessä vastaavat ylivoimaisesti eniten koko kasvihuoneilmiön voimistumisesta ja siitä johtuvasta lämpötilan noususta maapallolla. Näiden rinnalla luonnollisten tekijöiden osuus jää vain vähäiseksi.
Suurten energiamäärien mittayksiköitä
Kun tarkastellaan energian kulutusta valtioiden ja maanosien tasolla, on käytettävä suuria mittayksiköitä, kuten eksajoulea (1 EJ = 1018 J) tai terawattituntia (1 TWh = 1012Wh = 0,0036 EJ. Näiden yksiköiden yhteydessä kannattaa kerrata oppilaiden kanssa myös tehon yksikön watin ja energian perusyksikön joulen välinen yhteys: 1 W = 1 J/s, missä s on sekunti. Näin ollen yksi wattitunti on sama kuin 3600 joulea). Konkreettisten energialähteiden osalta yksi eksajoule vastaa noin 24 miljoonaa öljytonnia tai noin 26 miljardia kaasukuutiota. Jos sama määrä energiaa tuotettaisiin kivihiilen avulla, siihen kuluisi hiiltä noin 34 miljoonaa tonnia.
Vuonna 2021 koko maailman energiankulutus oli 595 EJ, josta Euroopan osuus oli 82,4 EJ eli noin 14 prosenttia, ja suomalaisten osuus 1,36 EJ tai toisin sanoen 377 TWh eli noin 0,2 prosenttia. Energian kulutusta hallitsivat vielä fossiiliset polttoaineet, joiden osuus koko maailman kulutuksesta oli 82,3 prosenttia, Euroopan kulutuksesta 70,7 prosenttia ja Suomen kulutuksesta 46,5 prosenttia. Vihreän energian, johon luetaan tuuli- ja vesivoima sekä uusiutuvat polttoaineet, osuus energian kokonaiskulutuksesta on kuitenkin kasvanut vuosi vuodelta. Koko maailmassa sen osuus vuonna 2021 oli 13,4 prosenttia, Euroopassa 14,6 prosenttia ja Suomessa peräti 34,5 prosenttia.
Näitä prosenttilukuja tarkasteltaessa on hyvä muistaa, että hyvin monet eurooppalaiset yritykset ovat siirtäneet merkittävän osan tuotannostaan Kaukoidän maihin, jonka lisäksi länsimaiden kansalaiset ostavat niissä valmistettuja kulutustavaratuotteita. Näin ollen meidän osuutemme energian globaalista kulutuksesta on todellisuudessa edellä sanottua suurempi.
Euroopan riippuvuus energian tuonnista
Geopoliittista riippuvuutta eri valtioiden ja alueiden välille synnyttävät energiavarojen omistussuhteet, energian tuotanto–kulutussuhteet ja olemassa olevat energian siirtoyhteydet. Poliittisten ja taloudellisten kriisien yhteydessä näillä tekijöillä on taipumus lisätä sotilaallisia jännitteitä, lisätä taloudellista kilpailua sekä synnyttää etupiirejä, reuna-alueita ja harmaita vyöhykkeitä. Näin on tapahtunut 2000-luvulla vuosien 2007–2009 finanssikriisin, koronavuoden 2020 taantuman ja erityisesti Venäjän vuoden 2022 helmikuussa aloittaman Ukrainan sodan seurauksena.
Tärkeä geopoliittisen tasapainon indikaattori on eri maiden energiaomavaraisuus eli oman energiantuotannon ja kulutuksen suhdeluku. Vuonna 2021 Euroopan Unionin osalta suhdeluku oli 0,40. Toisin sanoen EU:n alueella tuotettiin vain alle puolet siitä energiasta, joka siellä kulutettiin ennen Ukrainan sodan alkamista. Yli 20 EJ eli reilu kolmannes EU-maiden kuluttamasta energiasta tuotiin Venäjältä.
Ukrainan sodan alkamisen jälkeen maakaasun ja öljyn toimituksia Venäjältä Eurooppaan on vähennetty merkittävästi, mutta voidaanko tätä korvata esimerkiksi lisäämällä ydinvoiman tai vihreän energian tuotantoa? Vuoden 2021 tilastojen mukaan EU-alueella tuotettiin ydinenergiaa 6,6 EJ ja vihreää energiaa 11,4 EJ. Jos Venäjältä tuotu fossiilinen energia korvattaisiin ydinvoimalla, ydinvoiman kapasiteetin pitäisi kasvaa yli nelinkertaiseksi. Vastaava temppu vihreän energian avulla edellyttäisi tuotannon kasvattamista kolminkertaiseksi. Kumpikin vaihtoehto on lyhyellä aikavälillä käytännössä mahdoton, vrt. kirjoituksen lopussa olevat tehtävät.
EU:n energiapolitiikan päätavoitteet 2010-luvulla olivat kivihiilestä luopuminen ja vihreän energian tuotannon nopea lisääminen. EU:n suurista maista Saksa päätti luopua myös ydinvoimasta ja korvata siitä syntyneen energiavajeen siirtymäkauden energianlähteeksi kutsumallaan maakaasulla. Ydinvoimasta eroon on pyrkinyt myös muutama muu eurooppalainen maa kuten Ruotsi. Tämä asetelma yhdessä hitaasti toteutuneen “vihreän siirtymän” kanssa on ajanut useimmat EU-maat voimakkaaseen riippuvuuteen tuontienergiasta ja haavoittuvuuteen tilanteessa, jonka Venäjän hyökkäys Ukrainaan aiheutti. Esimerkiksi Unkari on viime vuosina tuonut 85 prosenttia käyttämästään kaasusta ja 65 käyttämästään öljystä Venäjältä. Vuoden 2022 aikana EU on kuitenkin pystynyt taittamaan pahimman energiakriisin tuomalla maakaasua USA:sta ja Qatarista sekä lisäämällä öljyn ja kaasun tuontia Pohjois-Afrikan maista. Muutamat EU-maat ovat myös lisänneet kivihiilen tuotantoaan.
Näkymiä lähitulevaisuuteen
Koska 78 prosenttia maailman energiantuotannon hiilidioksidipäästöistä vuonna 2021 tuli USA:n ja EU-maiden ulkopuolelta, tavoite fossiilienergian käytön puolittamisesta vuoteen 2050 mennessä edellyttää päästöjen radikaalia vähentämistä maailmanlaajuisesti. Tämä vaatii fossiilisten polttoaineiden käytön korvaamista vihreän energian ja ydinvoiman tuotannolla. Globaali päästökauppa tai hiilivero voisivat olla mekanismeja tämän tavoitteen edistämiseksi.
Valitettavasti Venäjän käymä sota Ukrainassa on aiheuttanut pysyviä häiriöitä koko maailman energiamarkkinoilla. Jo vuoden 2022 aikana monet maat ovat joutuneet hyväksymään “väliaikaiset investoinnit” fossiilisten polttoaineiden tuotannon lisäämiseen ja ydinvoimaloidensa käyttöiän pidentämiseen turvatakseen energiansaantinsa.
Toisaalta Ukrainan sota on myös nopeuttanut siirtymää kohti kestävämpää energian tuotantoja ja kulutusta. Monet muutkin kuin Euroopan maat ovat ryhtyneet valmistelemaan vihreän energian tuotantoon perustuvaa energiapolitikkaa. Seuraavassa on esitetty muutamia arvioita siitä, millaisia muutoksia maailman energian tuotannossa lähivuosina tapahtuu.
Sodan vaikutus globaaleihin öljymarkkinoihin tulee olemaan rajallinen, koska maailmassa on riittävästi vapaata öljyntuotannon kapasiteettia venäläisen raakaöljyn pienenevien toimitusten korvaamiseksi. Sen sijaan venäläisen maakaasun toimitusten nopea supistuminen vuoden 2022 alkupuolelta ja uhka toimitusten täydellisestä tyrehtymisestä on jo aiheuttanut Euroopalle suuren ongelman, josta selviäminen voi kestää vuosikymmenen tai enemmänkin. Kuten edellä jo todettiin, kaasuvajetta on pyritty korvaamaan nesteytetyn maakaasun lisätuonnilla ja uusiutuvien energianlähteiden nopealla kehittämisellä. Haasteena tässä on se, että nesteytetyn maakaasun tuonti vaatii merkittäviä investointeja uusiin terminaaleihin ja maaputkilinjoihin, jonka lisäksi tuonnin lisäämistä rajoittavat eri maiden välillä voimassaolevat pitkäaikaiset toimitussopimukset. Toisen tuontiin liittyvä ongelman muodostavat sen tuotannon, kuljetuksen ja käytön aiheuttamat ilmastolle erittäin haitalliset metaanipäästöt, joiden suuruutta ei tunneta.
Eniten globaalista energiakriisistä näyttää hyötyvän kivihiiliteollisuus, jonka tuotannon lisäämiseen on olemassa nopeasti käyttöön otettavaa kapasiteettia. Vuoden 2022 lopulla lähes puolet maailman hiiliteollisuuden yrityksistä on ilmoittanut lisääväänsä kivihiilen tuotantoa joko suljettuja kaivoksia avaamalla tai täysin uusia hankkeita käynnistämällä. Tämä on huono uutinen hiilidioksidipäästöjen ja ilmaston lämpenemisen rajoittamisen näkökulmista.
Uusien ydinvoimaloiden rakentaminen on hidasta ja haasteellista, kuten Olkiluoto 3 -laitoksen vaiheista olemme nähneet. Maailmanlaajuisesti koko 2000-luvun ydinvoiman tuotannon kasvu on ollut nollatasolla johtuen Three Mile Islandin ja Chernobylin vuosina 1979 ja 1986 tapahtuneista ydinonnettomuuksista ja niiden herättämästä poliittisesta vastustuksesta. Tosin 2000-luvun alussa yhdistettyä maakaasuun ja ydinvoimaan perustuvaa energian tuotantoa alettiin pitää globaalin energiantuotannon hyväksyttävänä “väliaikaisratkaisuna” vihreän energian lopullista läpimurtoa odoteltaessa. Vuonna 2011 tapahtunut Fukushiman ydinonnettomuus Japanin itärannikolla kuitenkin pysäytti tämän konseptin kehittämisen.
Päivän sana EU:n energiapolitiikassa on vihreä siirtymä, jonka avulla EU pyrkii pääsemään eroon fossiilisista polttoaineista vuoteen 2070 mennessä. Koska vesivoiman odotetaan kasvavan vain 1–2 prosentin vuosivauhtia, päävastuu vihreän energian kasvusta jää uusiutuville polttoaineille ja tuulivoimalle. Vuonna 2021 modernia bioenergiaa maailmassa tuotettiin 29 EJ, tuulienergiaa 6,7 EJ, aurinkoenergiaa 3,7 EJ ja geotermistä ym. päästötöntä energiaa 0,5 EJ. Vuodesta 2011 aurinkoenergian tuotantokapasiteetti on kasvanut 28 prosentin, tuulienergian tuotantokapasiteetti 14 prosentin vuosivauhtia, mutta bioenergian tuotanto vain keskimäärin 7 prosenttia vuodessa. On huomattava, että bioenergian tuotantoon sisältyvät myös biopolttoaineet, joista biodieselin tuotannon vuosikasvu on ollut keskimäärin 7 prosentin ja bioetanolin tuotannon vuosikasvu 2 prosentin suuruusluokkaa.
Vihreästä energiasta, joka vuonna 2021 kattoi 13,4 prosenttia maailman kokonaisenergiantuotannosta, Kiinan, EU, USA ja Brasilia valmistivat yhdessä peräti 65 prosenttia. Tästä puolet oli tuuli- ja vesivoimaa ja toinen puoli uusiutuvaa energiaa. Vihreän siirtymän kasvulle asetettu tavoite vaatisi ainakin uusiutuvien polttoaineiden tuotannon kaksinkertaistamista vuoteen 2030 ja nelinkertaistamista vuoteen 2050 mennessä.
Erään pullonkaulan vihreän siirtymän toteutumisessa muodostaa ns. kriittisten mineraalien kasvava tarve uusiutuvan energian tuotantoratkaisuissa. Kiina on tällä hetkellä näiden mineraalien ylivoimaisesti suurin tuottaja maailmassa. Onkin ilmeistä, etteivät ainakaan EU:n vihreälle siirtymälle asettamat tavoitteet toteudu ilman Kiinan apua.
Toivoa paremmasta tulevaisuudesta tuovat jo käynnistyneet massiiviset investoinnit uusiutuvaan energiaan, erityisesti tuulivoimaan, jonka tuotanto pyritään kymmenkertaistamaan jo tämän vuosikymmenen aikana. Tällaisen sähköntuotannon lisääntyminen tuo mukanaan mahdollisuudet kestävän vetytalouden kehittämiseen, jonka kautta tähän asti fossiilienergiaan perustunut teollisuus voi asteittain siirtyä vihreän energian käyttöön.
Tehtäviä
1. Suomen sähköenergian kulutus vuonna 2021 oli 87,0 TWh. Montako tuotantokapasiteetiltaan 5 MW:n tuulivoimalaa olisi rakennettava tuottamaan koko maamme sähköntarve, kun tuulivoimaloiden keskimääräinen käyttöaste on 33 %?
2. Yksi kuutiometri kivihiiltä painaa keskimäärin noin 800 kg. Laske, kuinka suuri kuution muotoinen kappale kivihiiltä tarvittaisiin kattamaan a) Suomen, b) Euroopan, c) koko maailman vuotuinen energiankulutus.
3. Keskikokoinen säiliöalus voi ottaa kerralla kuljetettavakseen 50 000 tonnia öljyä. Kuinka monta säiliöalusta Suomen satamissa pitäisi vuosittain käydä, jos Suomen kuluttama energia tuotettaisiin pelkästään raakaöljyllä?
4. Maailmassa on tällä hetkellä noin 440 toimivaa ydinreaktoria ja niillä tuotettiin vuonna 2021 noin 2800 TWh sähköä. Koko maailman sähköntuotanto oli samana vuonna noin 28 500 TWh. Laske, kuinka monta nykyisten kaltaista ydinreaktoria tarvittaisiin, jos puolet koko maailman a) sähkönkulutuksesta b) energiankulutuksesta katettaisiin ydinvoimalla.
5. Suomessa on noin 250 vesivoimalaitosta ja niiden avulla voidaan tuottaa vuodessa noin 15 TWh sähköä. Arvioi, kuinka monta vesivoimalaa tarvittaisiin, jos puolet Suomen energiankulutuksesta katettaisiin vesivoimalla.
Tulostettava versio tehtävistä (pdf)
Ratkaisut MAOLin jäsensivuilla
Kirjoittajat
FT Timo Tossavainen on matematiikan ja sen didaktiikan professori Luulajan teknillisessä yliopistossa.
FT Heikki Nevanlinna on toiminut Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikkönä ja on Helsingin yliopiston geofysiikan dosentti.
TkT Pauli Jumppanen on toiminut yli 50 vuoden ajan professorina ja tutkijana rakennus- ja materiaalitekniikan, energiateknologian ja yritysten liiketoiminnan aloilla.
