Tuulivoiman hiilijalanjälki ja muuta mielenkiintoista

Faktan tarkistuksia

Maailmassa on tällä hetkellä arviolta yli 340 000 toiminnassa olevaa tuulivoimalaa, voi olla enemmän tai vähemmän (sillä ei periaatteessa ole suurtakaan merkitystä), jotka edistävät uusiutuvan energian käyttöä ja auttavat vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä, ja näin ollen hillitsevät ilmastonmuutosta. Tämä luku kasvaa jatkuvasti, kun yhä useammat maat investoivat tuulivoimaan osana ilmastotoimiaan.

Tuulivoimalat ovat merkittävä osa monien maiden energiantuotantoa, erityisesti Euroopassa, Pohjois-Amerikassa ja Aasiassa, missä niiden määrä on kasvanut huomattavasti viime vuosikymmeninä. Esimerkiksi Kiina on maailman suurin tuulivoiman tuottaja, ja myös Yhdysvallat sekä Saksa ovat suuria toimijoita tällä alalla.

1. Tuulivoimaloiden hiilijalanjälki

Jos tarkastellaan tuulivoimaloiden hiilijalanjälkeä suhteessa ihmisen kokonaispäästöihin, tuulivoiman osuus on hyvin pieni. Tarkastellaan tätä yksityiskohtaisemmin.

• Tuulivoimaloiden elinkaaren hiilidioksidipäästöt syntyvät pääasiassa niiden valmistuksesta, kuljetuksesta, pystytyksestä, huollosta ja purkamisesta. Näitä päästöjä kutsutaan ”elinkaaripäästöiksi”.
• Useiden arvioiden mukaan tuulivoimaloiden elinkaaripäästöt ovat keskimäärin noin 5-15 gCO2e tuotettua kilowattituntia (kWh) kohti.

2. Maailmanlaajuiset hiilidioksidipäästöt

• Vuonna 2023 maailmalaajuiset hiilidioksidipäästöt olivat n. 37 – 40Gt CO₂:ta vuodessa.

3. Tuulivoiman tuotanto

• Vuonna 2023 maailman tuulivoimakapasiteetti tuotti n. 7000TWh sähköä vuodessa.

4. Tuulivoimaloiden aiheuttamat CO₂ -päästöt

• Jos otetaan keskiarvona esimerkiksi 10 gCO2e / kWh, saadaan tuulivoiman aiheuttamiksi vuosittaisiksi päästöiksi noin 70 miljoonaa tonnia CO₂:ta (7 000 TWh  x 10 g CO₂ e/kWh).

5. Suhde ihmisen kokonaispäästöihin

• Kun tuulivoimaloiden päästöt (70 miljoonaa tonnia CO₂:ta) suhteutetaan maailmanlaajuisiin päästöihin (37 000 miljoonaa tonnia CO₂:ta) päästään tulokseen, että tuulivoimaloiden osuus on n. 0.19 % ihmisen aiheuttamista CO₂ -päästöistä.

Tämä tarkoittaa, että tuulivoiman osuus ihmisen hiilijalanjäljestä on hyvin pieni, ja se on yksi puhtaimmista energianlähteistä, kun otetaan huomioon koko elinkaari. Tuulivoima auttaa vähentämään fossiilisista polttoaineista tulevia päästöjä, jotka ovat huomattavasti suurempia. Tästä tuskin syntyy erimielisyyttä.

Entä vaikeampi matematiikka?

Esimerkiksi differentiaaliyhtälöiden käyttö ympäristö- ja energiakysymyksissä on hieman monimutkaisempaa, mutta voimme hahmotella yksinkertaistetun mallin, joka kuvaa tuulivoiman vaikutusta hiilidioksidipäästöihin.

Merkitään, että:

• C(t) = kokonaispäästöt ilmakehään ajanhetkellä t.
• W(t) = tuulivoimasta syntyvät päästöt ajanhetkellä t.
• E(t) = ihmiskunnan tuottama energiakulutus ajanhetkellä t.
• P(t) = ihmisen aiheuttamat kokonaispäästöt ilman tuulivoimaa.

Kuvataan tuulivoiman osuutta päästöjen vähentämisessä seuraavasti:

1. Kokonaispäästöt ilman tuulivoimaa

P(t) = αE(t)

Missä α on päästökerroin, joka riippuu fossiilisten polttoaineiden käytöstä. Tämä kerroin voi olla esim. gCO₂:ta tuotettua kWh kohden.

2. Tuulivoiman aiheuttamat päästöt

W(t) = βW_e (t)

Missä β on tuulivoiman elinkaaripäästökerroin (esim. 10 gCO₂/kWh) ja W_c (t) on tuotettu tuulivoima kWh ajanhetkellä t.

3. Kokonaispäästöjen väheneminen tuulivoiman ansiosta

Tuulivoima korvaa fossiilisia polttoaineita:

C(t) = P(t) – (α – β) W_e (t)

Missä C(t) on kokonaispäästöt, jotka huomioivat tuulivoiman vaikutuksen.

4. Differentiaaliyhtälö

Nähtävissä on, että P(t) kasvaa eksponentiaalisesti ihmiskunnan energiatarpeen kasvaessa:

dP(t) /dt = kP(t)

Missä k on kasvuun liittyvä vakio.

Kokonaispäästöjen muutos huomioiden tuulivoiman vaikutus voidaan ilmaista differentiaaliyhtälönä:

dC(t) / dt = kP(t) – (α – β) dW_e (t) / dt

Tässä dW_e (t) / dt on tuulivoimakapasiteetin kasvu ajan funktiona.

Yksinkertaistettu malli

Oletetaan, että tuulivoimakapasiteetti kasvaa lineaarisesti:

W_e (t) = W₀ + rt

Missä W₀ on alkuperäinen kapasiteetti ja r on kasvu / aikayksikkö.

Tällöin:

dC(t) / dt = kP(t) – (α – β)r

Tämä yhtälö kuvaa sitä, kuinka ihmiskunnan päästöt muuttuvat ajan myötä, kun otetaan huomioon sekä fossiilisten polttoaineiden käytön kasvu että tuulivoiman lisääntyminen. Yhtälön avulla voidaan analysoida, kuinka nopeasti tuulivoimakapasiteettia täytyy kasvattaa, jotta päästöjen kasvu saadaan hillittyä tai käännettyä laskuun. On tietenkin luonnollista, ettei yksin tuulivoima ole tähän ongelmaan ratkaisu. Mutta kuitenkin näiden laskelmien valossa tuulivoimasta ei ole ympäristölle niin suurta ongelmaa, kuin mitä tällä keskustelupalstalla annetaan usein ymmärtää.

Lapojen kierrätys

Mekaaninen murskaus: Lavat murskataan pieniksi paloiksi, ja niitä voidaan käyttää täyteaineena esimerkiksi sementissä, asvaltissa tai rakennusmateriaaleissa.

Terminen käsittely: Materiaalit poltetaan korkeissa lämpötiloissa, jolloin orgaaniset osat palavat ja kuidut voidaan erottaa ja käyttää uudelleen.

Kemiallinen käsittely: Tällä menetelmällä pyritään liuottamaan hartsit kemikaaleilla ja erottamaan kuidut puhdistusta ja uudelleenkäyttöä varten.

Uudet innovaatiot: On kehitteillä uusia materiaaleja, kuten termoplastisia komposiitteja, jotka voidaan sulattaa ja käyttää uudelleen helpommin.

Muiden osien kierrätys

Metalliosat: Tuulivoimaloiden torni ja koneisto sisältävät runsaasti terästä, kuparia ja alumiinia. Nämä materiaalit ovat hyvin kierrätettäviä, ja niitä voidaan käyttää uudelleen teräksen ja muiden metallien valmistuksessa.

Sähköosat: Generaattorit, muuntajat ja muut sähkökomponentit kierrätetään usein erikoistuneiden kierrätyslaitosten kautta, jotka erottavat ja käsittelevät arvokkaat metallit ja muut materiaalit.

Betoniperustukset: Voimaloiden perustukset ovat usein massiivisia betonirakenteita. Purkamisen jälkeen betoni voidaan murskata ja käyttää uudelleen esimerkiksi tienrakennuksessa.

Tulevaisuuden näkymät

Kiertotalous: Tuulivoimateollisuus pyrkii yhä enemmän omaksumaan kiertotalouden periaatteet, joissa tuulivoimaloiden osat suunnitellaan alun perin helpommin kierrätettäviksi.

Tutkimus ja kehitys: Uutta teknologiaa kehitetään jatkuvasti, ja tulevaisuudessa on odotettavissa tehokkaampia ja taloudellisesti kannattavampia kierrätysmenetelmiä.

Tuulivoima on myös tutkimuksen ja tuotekehityksen alaista toimintaa, siinä missä autoteollisuuden sähköistäminen tai muu vastaava kehityspolku.