Tuokiokuva kaupunkielämästä vuonna 2050 voi näyttää tältä: Tornitalon kattopuutarhasta on hyvä näkymä horisonttiin asti, sillä ilma on kirkas. Kaupungin laidalla näkyy metsää ja tuulivoimaloita. Liikenteen melua ei kuulu, sillä autojen moottoreita pyörittää sähkö tai vety. Kun kerrot lapsillesi tai lastenlapsillesi entisaikojen kaupunkien pakokaasuista ja metelistä, saat vastaukseksi epäuskoisen katseen.
Siirtyminen fossiilisista polttoaineista, kuten hiilestä ja öljystä, uusiutuviin energiamuotoihin, kuten aurinko-, tuuli- ja vesivoimaan, on välttämätöntä ainakin kolmesta syystä. Ilmansaasteet ja ilmastonmuutos ovat kaksi tärkeintä. Kolmas on talous.
Alun tuokiokuva on vielä mielikuvituksen tuotetta, mutta siirtymä uusiutuviin energiamuotoihin on täysin mahdollista. Kansainvälinen tutkijaryhmä on selvittänyt, mitä toimenpiteitä tarvitaan, jotta maailman energiantuotanto saadaan kestävälle pohjalle kolmessa vuosikymmenessä.
Melkein kaikki maailman maat voisivat siirtyä kokonaan uusiutuvaan energiaan vuoteen 2050 mennessä. Siihen päästään tuuli-, aurinko- ja vesivoimalla, kertoo tuore tutkimus.
Yhdysvaltalaisen Stanfordin yliopiston professorin Mark Jacobsonin johtama tutkijaryhmä kuvaa Joule-aikakauslehdessä julkaistussa artikkelissa, miten suurin osa maailman valtioista voi tuottaa kaiken energiansa uusiutuvilla energiamuodoilla vuonna 2050. Tutkijat lupaavat, että vihreä siirtymä ei koskisi vain sähkön tuotantoa, vaan päästötöntä energiaa riittää myös asuntojen lämmitykseen, liikenteeseen, maatalouteen ja teollisuuteen.
Tutkijaryhmän suunnitelmassa siirtymä tehdään jo olemassa olevalla tekniikalla ilman fuusioreaktoreita tai muita mullistavia energiaratkaisuja. Kaiken lisäksi ilmastoystävällinen energiantuotanto olisi halvempaa kuin fossiilisten käyttäminen.
Tuulivoima maksaa itsensä nopeasti
Mark Jacobson kollegoineen on käynyt läpi energiatilanteen kaikissa 139 maassa, joiden tiedot heillä oli käytettävissään. Useimpien maiden kohdalla lopputulos oli se, että niiden tarvitsee tuottaa vuonna 2050 vähemmän energiaa asukasta kohti kuin nyt. Energiaa käyttävien palvelujen ja tuotteiden kulutus henkeä kohti ei vähene, mutta uudella tekniikalla energiantuotannon hyötysuhde paranee.
ENERGIANLÄHTEET: Aurinko, tuuli ja vesi
Aurinkovoimaa subtropiikista
Mistä: Subtrooppiselta alueelta, missä aurinko paistaa läpi vuoden ja suuren osan vuorokaudesta.
Miten: Auringonsäteily voidaan muuttaa suoraan sähköksi tai lämmöksi kuumentamalla esimerkiksi suolaa.
Pulmia: Aurinkopaneelien valmistukseen tarvitaan harvinaisia metalleja.
Tuulivoimaa lauhkealta vyöhykkeeltä
Mistä: Tuulivoimaa voidaan hyödyntää tehokkaimmin lauhkeiden seutujen länsituulten vyöhykkeellä, missä tuulee jatkuvasti.
Miten: Tuulivoimalat muuttavat roottorin lapojen liike-energian sähköksi.
Pulmia: Isot tuulivoimalat voivat olla maisemahaitta, ja niiden humina voi häiritä joitakuita.
Vesivoimaa suurista joista
Mistä: Vesivoimalat vaativat suuren ja vakaan virtauksen, jollainen on keskileveysasteiden suurissa joissa.
Miten: Virtaava vesi pyörittää voimalan generaattoria, joka tuottaa sähköä.
Pulmia: Voimalat tarvitsevat suuria patoja, jotka muuttavat jokien luontaista virtausta ja ympäristöä.
Tuulivoimalat ja aurinkopaneelit ovat myös paljon tehokkaampi tapa tuottaa energiaa kuin suuret voimalat. Tutkijat puhuvat EROI-arvosta (energy returned on energy invested), jolla tarkoitetaan energiantuotannon hyötysuhdetta eli sitä, miten paljon energiaa syntyy suhteessa energiantuotantoon käytettyyn energiamäärään. Joskus käytetään myös nimitystä hiilidioksidivelka.
Tuulivoimalan EROI-arvo on 44:1. Tähän lukuun on päädytty saksalaisen Potsdamin ilmastotutkimuslaitoksen tutkimuksessa, jota johti Michaja Pehl. Yksi tuulivoimala tuottaa siis käyttöikänsä aikana 44 kertaa niin paljon energiaa kuin sen rakentamiseen kuluu. Jos tuulivoimalan käyttöikä on 20 vuotta, se maksaa hiilidioksidivelkansa takaisin alle puolessa vuodessa.
Aurinkopaneelien EROI-arvo on 26:1, ydinvoimalan 20:1 ja hiilivoimalan 9:1. Hiilivoimalan luvussa ei ole mukana hiilen polttamisesta aiheutuvia hiilidioksidipäästöjä.
Tuulivoimala tuottaa käyttöikänsä aikana 44 kertaa niin paljon energiaa kuin sen rakentamiseen kuluu. Hiilivoimalalla suhde vain 9-kertainen.
Vaikka henkeä kohti laskettu energiankulutus laskee, kun siirrytään uusiutuviin energiamuotoihin, ihmiskunnan energiantarve on silti valtava. Maailman väkiluku kasvaa edelleen, ja vuonna 2019 julkaistujen YK:n viimeisimpien arvioiden mukaan vuonna 2050 maapallolla elää yli 9,74 miljardia ihmistä.
Tämä luku oli Mark Jacobsonin ja hänen kollegojensa lähtökohtana, kun he lähtivät selvittämään, miten energiantarve voidaan tyydyttää eri maissa.
Kunkin maan energiantarve pyrittiin tyydyttämään niillä uusiutuvilla energiamuodoilla, joita maassa on saatavilla. Esimerkiksi Islannissa käytettiin etupäässä maalämpöä, Tanskassa tuulivoimaa ja Saudi-Arabiassa aurinkovoimaa.
Koska aurinko- ja tuulivoiman tuotanto vaihtelee, tutkijat suosittelevat, että maiden, alueiden ja ehkä koko maailman sähköverkot liitetään yhteen, jotta energian tuotantoa ja kulutusta eri puolilla maailmaa voidaan tasata.
JAKELU: Päästötön energia tarvitsee yhtenäisen sähköverkon
Mitä isompi alue hyödyntää samoja energianlähteitä, sitä paremmin energia saadaan hyödyksi. Siksi sähkönsiirtoverkkojen pitäisi olla mahdollisimman laajoja. Nykytilanteen ongelmat näkyvät hyvin USA:ssa, missä ei ole valtakunnallista sähköverkkoa.
1. Vihreää sähköä riittäisi koko maahan
Sähkön tuotannon ja kulutuksen pitää olla tasapainossa koko ajan. Siksi sähköä on tuotettava monin eri tavoin samanaikaisesti. USA:ssa pohjoisosa voisi tuottaa tuulivoimaa (sininen), etelä aurinkovoimaa (keltainen) ja jokien varret vesivoimaa (pisteet).
2. Sähköverkko on palasina
Nykyään USA:ssa on kolme erillistä sähkönsiirtoverkkoa: yksi idässä, yksi lännessä ja Texasissa omansa. Verkkojen väliset yhteydet ovat niin heikot, että ne eivät pystyisi tasoittamaan vihreän sähkön tuotantohuippua.
3. Pohjois-eteläyhteys loisi yhteistyötä
Jotta USA voisi siirtyä kokonaan uusiutuvaan energiaan, pohjoinen ja eteläinen alue pitäisi yhdistää samaan sähkönsiirtoverkkoon. Silloin etelän aurinkosähköä ja pohjoisen tuulisähköä voitaisiin siirtää tarpeen mukaan alueelta toiselle.
4. Itä-länsiyhteys tasoittaisi kuormitusta
Idän ja lännen sähköverkkojen yhdistäminen tasoittaisi kuormitusta. Silloin USA:n neljän eri aikavyöhykkeen kulutushuiput voitaisiin hoitaa muiden alueiden tuotantolla. Kun Los Angeles herää ja kulutus kasvaa, Floridassa sähköntarve on jo tasaantunut. Silloin sieltä riittäisi aurinkosähköä Kaliforniaan.
Tutkijoiden laskelmat osoittavat, että siirtymä uusiutuvaan energiaan ei vaadi uusia energianlähteitä eikä jo käytössä olevien energiamuotojen tehokkuuttakaan tarvitse massiivisesti lisätä. Ainoa energiamuoto, jonka läpimurtoa tutkijat toivovat, on aalto- ja vuorovesivoima. Sitä hyödynnetään nykyisin hyvin vähän.
Tuttu tekniikka riittää
Myös kotitalouksissa voidaan siirtyä uusiutuvaan energiaan jo tunnetuilla tekniikoilla. Asuntojen lämmitys voidaan hiilen tai kaasun sijaan hoitaa sähköllä, ilmalämpöpumpulla, maalämmöllä tai geotermisellä energialla.
Myös iso osa maantieliikenteestä on suhteellisen helppo siirtää sähköllä toimiviin ajoneuvoihin. Myös vetymoottorit ovat yleistymässä. Vetyä voidaan tuottaa hajottamalla vettä sähkön avulla.
VARASTOINTI: Sähkö talteen vetynä
1. Ylijäämäsähköstä vetyä
Tuulivoimaloiden sähköntuotanto vaihtelee tuulenvoimakkuuden mukaan. Kun tuulivoimalat tuottavat enemmän sähköä kuin kuluttajat tarvitsevat, ylijäämäsähköllä voidaan hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi elektrolyysiksi kutsutulla menetelmällä.
2. Teollisuuden hiilidioksidipäästöt talteen
Vetyä (H2) on helppo säilyttää tankeissa. Happea (O2) taas voidaan käyttää prosessissa, jolla otetaan talteen hiilidioksidia (CO2). Sitä syntyy suuria määriä esimerkiksi sementin valmistuksessa.
3. Vety muuttuu maakaasuksi
Teollisuuden päästöistä talteen otetun hiilidioksidin (CO2) avulla vety (H2) voidaan metanisoida eli muuttaa metaaniksi (CH4), joka on samaa ainetta kuin maakaasu.
4. Vety muuttuu polttoaineeksi ja sähköksi
Vety voidaan käyttää päästöttömänä ja ilmastoystävällisenä polttoaineena autoissa ja muuttaa myös lentokonemoottoreihin sopivaksi. Se voidaan myös muuttaa käänteisellä elektrolyysillä takaisin sähköksi.
Siirtymään liittyy myös suuria haasteita. Mark Jacobson itse nostaa esimerkiksi lentokoneet. Sähkö- tai polttokennomoottorilla toimivan lentokoneen kehittäminen on osoittautunut hankalaksi. Myös laivoja ja kuorma-autoja on vaikea saada kovin pian kulkemaan sähköllä. Lentoliikenne, merenkulku ja maata pitkin tapahtuva rahtiliikenne tuottavat yhdessä noin 6 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä.
Biopolttoaine liikuttaa rahtia
Lentokoneiden, laivojen ja kuorma-autojen sähköistämisen esteenä on riittävän tehokkaiden akkujen puute. Tonnista suihkukoneen polttoainetta saadaan 14 kertaa niin paljon energiaa kuin tonnin painoisesta akusta. Fossiilipohjainen lentokonebensiini on kuitenkin mahdollista osittain korvata biopolttoaineella.
Tavanomaisten biopolttoaineiden ongelmana on ollut se, että niiden valmistukseen on käytetty kasveja, joita voidaan käyttää myös ruoaksi, kuten maissia. Biopolttoainetta voidaan kuitenkin valmistaa myös esimerkiksi eloperäisistä jätteistä.
Italialainen ENI-energiayhtiö on kehittänyt biodieselin, jota voidaan käyttää laivoissa sellaisenaan ilman, että moottoreita täytyy muuttaa.
Biopolttoainetta voidaan myös jalostaa edelleen niin, että se sopii lentokoneiden polttoaineeksi. Tuotantoprosessissa syntyy myös maakaasua ja puhdasta vettä.
Maakaasu on monien tutkijoiden visioissa mahdollinen siirtymäkauden energiamuoto, jota voidaan käyttää siihen asti, kunnes voidaan siirtyä kokonaan uusiutuvaan energiaan. Tähän tulokseen tuli muun muassa Amir Safarin johtama tutkijaryhmä Kaakkois-Norjan yliopistossa vuonna 2019 tehdyssä selvityksessä, jossa kartoitettiin Iranin, Norjan, Intian ja Ison-Britannian energiajärjestelmiä.
Maakaasu on fossiilisista polttoaineista vähiten haitallinen. Maakaasulla tuotetaan nykyisin 28 prosenttia maailman energiasta.
Ilmansaasteet tappavat miljoonia
Tiekartta lähes 100-prosenttisesti uusiutuvaan energiaan perustuvaan maailmaan on siis valmis. Matkalla varmasti tulee vastaan odottamattomia ongelmia, mutta nykylinjalla jatkaminen tulisi niin kalliiksi, että ihmiskunnalla ei ole muuta vaihtoehtoa. Tämä käy selväksi muun muassa yhdysvaltalaisen Harvardin yliopiston tutkimuksesta, joka julkaistiin helmikuussa 2020.
Joka vuosi 8,7 miljoonaa ihmistä kuolee fossiilisten polttoaineiden tuottamiin pienhiukkasiin.
Tutkimuksessa käytiin läpi kuolemantapaukset, jotka johtuivat fossiilisten polttoaineiden palamisen yhteydessä syntyvistä pienhiukkasista. Lopputulos on järkyttävä: joka vuosi 8,7 miljoonaa ihmistä kuolee fossiilisten polttoaineiden takia.
Tilanne on pahin Aasiassa ja erityisesti Kiinassa ja Intiassa, missä ilmansaasteille altistuu eniten ihmisiä. Ilmansaasteiden raja-arvot ylittyvät kuitenkin monissa suurkaupungeissa kaikkialla maailmassa. Terveydelle haitallisia hiukkasia syntyy muun muassa liikenteestä. Pelkästään Yhdysvalloissa kuolee ilmansaasteisiin 200 000 ihmistä vuodessa.
Vaikka ilmansaasteet tappavat miljoonia ihmisiä, ne eivät ole edes suurin ongelma, jonka fossiiliset polttoaineet aiheuttavat. Suurin on tietysti ilmastonmuutos, jota fossiilisten polttoaineiden käytöstä syntyvät päästöt kiihdyttävät.
Sen jälkeen, kun öljyn ja hiilen käyttö yleistyi 1800-luvulla, ilmasto on lämmennyt yhden asteen. Jos nykymeno jatkuu, vuonna 2100 lämpötila on noussut 3,5 astetta. Siitä seuraisi muun muassa tuhoisia tulvia ja kuivuutta.
Vaikka useimmat valtiot ovat sitoutuneet vähentämään hiilidioksidipäästöjään, ilmastonmuutos kiihtyy edelleen. Nykyvauhtia ilmasto lämpenee vuoteen 2100 mennessä ainakin kolme astetta ja paikoin enemmänkin, jos päästöt eivät ala pienentyä paljon ja nopeasti.
Siirtymä on mahdollista 30 vuodessa
Mark Jacobson kollegoineen uskoo, että siirtymä uusiutuvaan energiaan on ainoa tapa saavuttaa ne tavoitteet, joihin maailman maat sitoutuivat Pariisin ilmastosopimuksessa vuonna 2015. Sopimuksessa eri maiden johtajat lupasivat, että ilmaston lämpeneminen pysäytetään kahteen ja mieluiten 1,5 asteeseen. Yhden asteen rajapyykki on jo ohitettu.
Hiilestä, öljystä ja kaasusta pitää päästä eroon, koska ne pilaavat ilmanlaadun ja ilmaston, mutta myös siksi, että ne ennen pitkää loppuvat. Nykyisin tunnetut öljyesiintymät on käytetty loppuun vuonna 2070. Lisäksi öljyn tuottamisesta tulee koko ajan vaikeampaa, kun helposti saavutettavat esiintymät ehtyvät.
Lopputulos on se, että öljy kallistuu kallistumistaan. Todennäköisesti öljyn käytöstä tulee taloudellisesti kannattamatonta jo ennen kuin kaikki esiintymät ovat ehtyneet.
Onneksi suunnitelma siirtymästä fossiilisten polttoaineiden jälkeiseen aikaan on jo olemassa. Tutkijoiden laskelmien mukaan suunnitelma voidaan toteuttaa 30 vuodessa. Toimeen pitää kuitenkin ryhtyä viivyttelemättä.
