Energiantuotanto

Energiantuotanto on yleisnimitys toiminnoille, joilla primäärienergiavaroista muunnetaan ihmiskäyttöön sopivaa sekundääristä energiaa eli lämpöä, sähköä, höyryä sekä mekaanista ja kineettistä energiaa. Energiaa ei voi tuottaa tai hävittää termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaisesti, joten puhuttaessa virheellisesti energiantuotannosta, sillä tarkoitetaan itse asiassa energian muuntamista muodosta toiseen. Termodynamiikan toinen pääsääntö puolestaan ilmoittaa, että jokaisessa muutoksessa osa hukkaantuu hyödyntämiskelvottomaksi. Yleensä termillä tarkoitetaan teollista tuotantoa.

Käytössä olevia energialähteitä ovat polttoaineisiin sitoutunut kemiallinen energia, raskaiden atomiytimien fissio, radioaktiivisuus, Auringon säteilyn hyödyntäminen suoraan ja luonnon virtaukset eli tuuli, vesivirrat ja aallot. Tuleva uusi lähde on mahdollisesti ydinfuusion hyödyntäminen.

Energiantuotanto on keskeistä teollisuusyhteiskunnassa.

Tuotannon tyypit
Sähköä ja lämpöä voidaan tuottaa erikseen tai yhteistuotantona.

Sähköntuotanto
Valtaosa ihmiskunnan käyttämästä sähköstä tuotetaan voimalaitoksissa muuntamalla mekaanista energiaa generaattorilla sähköksi. Mekaaninen energia saadaan joko suoraan luonnosta (esimerkiksi vesivoima ja tuulivoima) tai lämpövoimakoneella jostakin lämpöä tuottavasta prosessista (esimerkiksi ydinvoima, erilaisten polttoaineiden polttaminen ja geoterminen energia). Voimalaitoksista sähkö johdetaan sähköverkkoa pitkin kuluttajille.

Pieniä määriä sähköä tuotetaan ilman generaattoria paristoilla, aurinkokennoilla ja polttokennoilla; tällainen tuotanto on kuitenkin yleensä julkisen sähköverkon ulkopuolella.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto (CHP, ) on tuotantomuoto, jossa samassa prosessissa tuotetaan samanaikaisesti sähkön lisäksi lämpöä. Yhteistuotannossa sähkö voidaan tuottaa esimerkiksi höyry- tai kaasuturbiineilla ja saatava lämpö hyödynnetään joko kaukolämpönä tai teollisissa prosesseissa. Yhteistuotannon hyötysuhde on korkeampi kuin erillistuotannon, sillä tuotannossa käytettyjen polttoaineiden energiasisältöä voidaan käyttää tehokkaammin hyödyksi.

Energiantuotannon historia

Teknologian kehityksen myötä energiantuotannon hyötysuhde on kasvanut nopeasti: lämpövoimakoneiden kohdalla jopa 25-kertaiseksi sitten 1750-luvun. Samalla energiantuotanto kuluttaa jatkuvasti vähemmän polttoainetta ja muita luonnonvaroja tuotettua energiayksikköä kohti. Siinä missä teollisen vallankumouksen alkaessa täytyi polttaa yli 20 kg hiiltä kilowattitunnin hyödynnettävää energiaa tuottamiseksi, James Wattin höyrykoneeseen tekemien parannusten jälkeen riitti noin 5 kg ja höyryturbiinin keksimisen jälkeen jopa alle 1 kg. Nykyaikaisessa ydinvoimalassa saman energian tuottamiseen riittää muutama milligramma uraania.

Nykyisin primäärienergiasta saadaan hyödyksi sähkönä korkeintaan alle 50 % ja lämpöä tuotettaessa yli 90 %. Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa sähköä saadaan yleensä alle 40 % ja lämpöä noin 50 % eli yhteensä jopa yli 90 %.

Esiteollinen yhteiskunta
Energiankäyttö on ollut pienimmillään metsästäjä-keräilijäyhteisöissä ennen
tulen keksimistä. Silloin ainoa käytetty energia saatiin ravinnosta ja ainoa tehty työ
oli itse tehtyä. Pitkäkestoisessa työnteossa ihminen pystyy tuottamaan noin 100 W tehon, lyhytaikaisessa ponnistuksessa teho voi nousta noin 2 kW:iin. Ravinnontarve on 6 000–20 000 kJ vuorokaudessa eli keskitehona 250–800 W. Tulen käyttöönotto on ensimmäinen selvä energiankäytön lisäys, sillä jo tavallisen nuotion teho (tässä tapauksessa lämpöteho) on selvästi suurempi kuin tavallisen ihmisen ruumiillisessa työssä. Kuivahkosta puukilogrammasta saadaan jo useita kymmeniä megajouleja energiaa.

Seuraavat vaiheet energiankäytön lisäämisessä olivat orjat, kotieläimet ja
koneet. Koska orjat olivat ihmisiä, ei työteho noussut, mutta niiden, jotka orjuuttivat heitä, oli mahdollista nauttia suuremmista työn hedelmistä kuin mitä itse olisivat pystyneet tuottamaan. Kotieläimiä käytettiin lähinnä liikkumiseen, tavarankuljetukseen ja maanmuokkaukseen, mutta myös esimerkiksi myllyjen pyörittämiseen.

Ensimmäiset koneet
Ensimmäisiä koneellisia energiantuottajia olivat vesirattaat ja tuulimyllyt, joilla veden ja ilman virtauksien liike-energiaa muutetaan mekaaniseksi energiaksi, lähinnä koneiden pyöritysenergiaksi.

Teollinen yhteiskunta
Höyrykoneen käyttöönotto mahdollisti polttoaineiden käytön myös mekaanisen energian tuotannossa. Generaattorin kehittäminen mahdollisti sähköenergian teollisen tuoton. Kun vielä turbiini kiinnitettiin pyörittämään generaattoria oli nykyisinkin ylivoimaisesti keskeisin sähköntuotantomuoto kasassa. Nykyisin lähes kaikki sähkö tuotetaan erilaisilla turbiini-generaattorikonstruktioilla. Tavallisimpia ovat veden virtausta hyödyntävä vesiturbiini ja höyryturbiini, johon höyry tuotetaan höyrykattiloilla tai ydinvoimalaitosten reaktoreilla. Sähkön tuotanto mahdollisti aivan uusia toimintoja, joista ensimmäisiä olivat muun muassa tehokas valaistus ja lennätin.

Suurien energiamäärien käsittely mahdollisti teollisen tuotannon ja siten synnytti teollisen yhteiskunnan. Aluksi teollinen yhteiskunta perustui lämmön ja mekaanisen energian tuotantoon mutta sähkönkäytön lisääntyminen muokkaa yhteiskuntaa sähköiseksi yhteiskunnaksi. Energiakäyttö lisääntyy ja suurin yhä kasvava osuus siitä on sähköä. Uusimmat käyttöön otetut energialähteet ovat ydinfissio ja auringonsäteily, joita käytetään lähinnä sähköntuotantoon.

Energiantuotanto ja terveys

Terveyshyödyt
Ihmisen energiankulutus on lisääntynyt metsästäjä-keräily-yhteisöistä teollistuneeseen yhteiskuntaan ainakin parikymmenkertaiseksi, 3–6 gigajoulesta vuodessa 70–80:een. Koska merkittävä osa energiankulutuksesta kohdistuu mm. elintarvikkeiden tuottamiseen, lämmitykseen, kuljetuksiin ja liikkumiseen, ei nykyinen elämänmuoto ja elintaso olisi ilman sitä mahdollinen. Tätä kautta vaikutus myös terveyteen on suuri. Myös monilla laadullisilla muutoksilla on huomattava merkitys: raskaiden ja ikävien töiden keventäminen ja automatisointi, hygienian kannalta tärkeät jääkaappi ja pakastin, terveyden ja turvallisuuden ylläpitäminen lääketieteen ja sairaalalaitoksen tekniikoiden kehittyessä, sekä monet viihtyvyyteen vaikuttavat seikat kuten tiedonvälitys ja verkottuminen ovat parantaneet terveyttä ja lisänneet elinikää. Vertailu useiden Euroopan maiden ja Yhdysvaltojen kesken osoittaa kuitenkin, että yhtä hyvä vaikutus terveyteen voidaan saavuttaa varsin erilaisilla energiantuotantotasoilla.

Terveyshaitat
Kaikki energiantuotanto rasittaa ympäristöä ja sitä kautta se vaikuttaa myös terveyteen kielteisesti. On osoittautunut vaikeaksi sekä teknisesti että poliittisesti saada energian tuotanto ja kulutus optimaaliselle tasolle, niin että hyödyt olisivat mahdollisimman suuret ja haitat mahdollisimman pienet. Lisäksi esim. eri maiden välillä on suuria eroja sekä ilmaston takia että luontaisten elinkeinojen takia.

Vaikeus rajoittaa energian kulutusta on johtanut suureen tarpeeseen rajoittaa energiantuotannon ympäristö- ja terveyshaittoja teknisin keinoin. Sisäänlämpiävistä tulisijoista siirryttiin savupiipun käyttöön ja teollisuudessa savupiippujen korkeutta on lisätty. Tällöin savukaasut laimenevat suurempaan ja suurempaan ilmamäärään. Seuraavassa vaiheessa ruvettiin puhdistamaan savukaasuja. Tämä on toiminut osittain hyvin, mm. rikkidioksidin päästöt ovat vähentyneet murto-osaan sekä absoluuttisesti että tuotettua energiayksikköä kohti, ja happamoituminen on kyetty pysäyttämään. Toisaalta esim. typenoksidien osalta menestys ei ole hyvä.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa päästään erittäin hyvään hyötysuhteeseen ja lisäksi kaukolämpö on vaikuttanut olennaisesti kaupunkien ilman laatuun, kun ison voimalaitoksen savukaasujen puhdistus on paljon tehokkaampaa kuin aikaisemman hajautetun puun polton. Viimeistään ilmastonmuutoksen myötä on korostunut voimakkaasti tarve päästä kokonaan eroon fossiilisilla polttoaineilla hoidetusta energiantuotannosta. Myös välittömät ympäristöterveydelliset vaikutukset polttamiseen perustuvasta energiantuotannosta ovat suuret.

Kaikilla energiantuotantomuodoilla on omat ongelmansa sekä ympäristön että terveyden kannalta. Jopa energian säästöstä on aiheutunut terveyshaittoja, jos asuntojen tiivistämisessä ovat unohtuneet ilmanvaihdon ja kosteuden hallinnan keskeiset periaatteet. Eri energiantuotantomuodot poikkeavat toisistaan siinä, minkä tyyppisiä ympäristöongelmia ne aiheuttavat. 

Fossiiliset tuotantomuodot aiheuttavat ongelmia nimenomaan käytön aikana. Pienhiukkaset ovat osoittautuneet kaupunki-ilman suurimmaksi ympäristöterveysongelmaksi. Myös rikkidioksidi- ja typenoksidipäästöt ovat suoraan terveydelle haitallisia. Lisäksi syntyy suuria määriä hiilidioksidia, joka on tärkein kasvihuonekaasu ja aiheuttaa ilmastonmuutosta. Maakaasu on näistä vähiten haitallinen, sen kasvihuonepäästö on noin puolet kivihiilen päästöistä edellyttäen, että vuodot ilmaan hallitaan hyvin.

Bioenergiasta on periaatteessa samat terveysongelmat kuin fossiilisista polttoaineista rikkidioksidia lukuun ottamatta. Sen hiilitase on neutraali edellyttäen, että käyttö pysyy biomassan kasvun rajoissa eikä sen korjaamiseen ja käsittelyyn kulu paljoa energiaa. Biomassan hajautettua käyttöä energiantuotantoon ei voi suositella asutuskeskuksissa.

Aurinkovoiman ja tuulivoiman suurimmat haitat tulevat rakentamisesta; ne sitovat suuren määrän materiaaleja, ennen kuin ne tuottavat energiaa. Tästä aiheutuu myös niiden suuri kustannus.

Ydinvoiman keskeisin riski on onnettomuusriski, joka on teknisin ratkaisuin pyritty saamaan mahdollisimman pieneksi. Vesivoiman terveysriskit liittyvät lähinnä patomurtumiin, mutta myös sen ekologiset vaikutukset ovat suuret.

Kun eri energiantuotantomuotojen haitat ja riskit ovat hyvin erilaisia, niitä on vaikea verrata. Tämä näkyy yhteiskunnassa epävarmuutena ja kiistoina parhaista vaihtoehdoista. Haittojen vertaamiseksi onkin tehtävä perusteellinen elinkaarianalyysi, mutta näitä on valitettavan vähän tehty. Harvat olemassa olevat analyysit asettavat energiantuotantomuodot seuraavaan karkeaan järjestykseen terveyshaittojen suuruuden suhteen: kivihiili>>öljyt>ns. "vaihtoehtoiset energiantuotantomuodot">maakaasu ja ydinvoima. Kasvihuonekaasujen päästöt huonontavat edelleen fossiilisten energiantuotantomuotojen asemaa ilmastonmuutoksen terveysriskien takia.

Jaottelu energialähteittäin
Fossiiliset polttoaineet eli hiilivoima, turve sekä maakaasun ja öljyn polttaminen
Puupolttoaine
Vesivoima
Aaltovoima tai Aaltoenergia
Vuorovesienergia
Tuulivoima
Aurinkoenergia
Ydinvoima

Jaottelu käyttökohteittain
lämmitys
valaistus
liikenne
ravinnontuotanto
tavaroidentuotanto

Jaottelu tekniikoittain
sähköntuotanto
turbiinit
vesiturbiini
höyryturbiini
kaasuturbiini
tuuliturbiini
aurinkopaneeli
polttokenno
lämmöntuotanto
lämpökattila
höyrykattila
sähkön ja lämmön yhteistuotanto

Katso myös

 Energiatekniikka
 Uusiutuvat energianlähteet
 Maailman energiankulutus ja energiavarat
 Teollisuusjäte
 Energian keruu
 EROEI

Lähteet