Sähkön hinnan vatvomisesta ongelmien todelliseen ratkaisemiseen

Sähkön hinnasta on puhuttu viime aikoina paljon. Kaikki tämä vatvonta siitä syystä, että yli sata vuotta sitten, kun sähköä alettiin ottaa laajamittaisemmin hyötykäyttöön, tehtiin valintoja, joiden perusteena ei ollut paras mahdollinen energiatehokkuus vaan se, että “sähkö” säilyi samanlaisena myytävänä tuotteena kuin kaasukin oli. Huonon energiatehokkuuden vuoksi generaattoria täytyy pyörittää suurella teholla, jotta saadaan tuotettua kohtuullinen määrä esimerkiksi valoa tai lämpöä. Tämä ei sinänsä ollut ongelma niissä olosuhteissa, joita varten nykyinen järjestelmä 1800-luvun lopulla luotiin, sillä sähkön avulla toteutettiin vihdoin pitkäaikainen tavoite saada suurten vesiputousten energiaa hyödynnettyä kymmenien kilometrien päässä sijaitsevissa asutuskeskuksissa. Ja tuota energiaa putouksissa oli paljon yli sen aikaisen tarpeen. Tuohonkin aikaan oli kuitenkin epäilyksiä siitä, onko pitkillä siirtolinjoilla toteutettu sähköjärjestelmä tehokas tapa hyödyntää sähköä, sillä sähkön todellinen olemus oli edelleen pitkälti hämärän peitossa, vaikka sitä oltiinkin alettu jo ottaa hyötykäyttöön tuottamaan esimerkiksi valoa. Teollistumisen ja kaupungistumisen myötä vaurastuneet hiilikauppiaat pystyivät kuitenkin määrittämään, millainen sähköjärjestelmä rakennetaan ja tekivät siitä omien intressiensä mukaisen.

Nykyaikana on sähkön hyödyntämiseen käytettävissä monia ratkaisuja, joita ei sata vuotta sitten vielä ollut. Aurinkopaneeleita voidaan Suomessakin käyttää tehokkaasti suuren osan vuodesta. LED-valaisimet tuottavat paljon valoa kuluttaen sopivien ratkaisujen avulla vain vähän sähköä. On saatavilla voimakkaita kestomagneetteja, joita voitaisiin hyödyntää monilla tavoilla. 1800-luvun lopun kestomagneetit olivat niin heikkotehoisia, että kaikki tehokkaammat laitteet täytyi toteuttaa sähkömagneettien avulla, mikä asetti omat rajoituksensa laitteiden rakenteelle ja toiminnalle eikä näitä perusratkaisuja ole päivitetty hyödyntämään kaikkia kestomagneettien tarjoamia mahdollisuuksia. Oman taloni katolla on nyt syyskuun lopulta alkaen ollut 32 neliömetriä aurinkopaneeleita ja vaikkei vielä olekaan kokemuksia niiden tuotosta aurinkoisena kesäpäivänä, niin lokakuussakin tuottivat monena päivänä selvästi yli talon silloisen tarpeen. Luultavasti tuo paneelimäärä pystyisi sopivan suuruisen akun avulla tuottamaan talon koko sähkötarpeen yli puolen vuoden ajan ja riittäisi vielä sähköauton akun lataamiseenkin. Paneelit näyttävät tuottavan keskimäärin hieman yli 500 voltin jännitteen, mikä sopisi lähes suoraan sähköauton akun lataamiseen. Järjestelmä on kuitenkin nyt kytketty sähköverkkoon ja paneelit on kytketty invertteriin, jossa näyttää olevan melkoinen jäähdytysrivasto, joten jonkinmoinen osuus paneelien tuotosta muuttuu hukkalämmöksi. Sähköautossakin on tasasuuntaaja, jossa tapahtuu häviöitä. Kytkemällä paneelit suoraan sähköauton akkuun saataisiin tehokas järjestely, jossa paneelien tuotto käytettäisiin kokonaan hyödyksi. Kun televisiot ja muut laitteet olisi tehty käyttämään tasavirtaa, niin ei tarvittaisi mitään turhia inverttereitä ja tasasuuntaajia. Käyttöveden lämmitystä varten olisi hyvä olla erillinen aurinkokeräin ja riittävän suuri lämminvesivaraaja, jotta lämmintä vettä riittäisi myös pilvisempinä päivinä. Talviajaksi tarvitaan Suomessa kuitenkin joku toinen ratkaisu ja yksi pitkälti valmista ja koeteltua tekniikkaa hyödyntävä mahdollisuus olisi puukaasukäyttöinen aggregaatti, jota varten tarvitsisi varastoida jonkin verran haketta. Puukaasutin ja polttomoottori tuottavat paljon hukkalämpöä, mutta talvellahan tarvitaan juurikin lämpöä ja siksi kaikki lämpö pitäisi kerätä talteen lämminvesivaraajaan. Paras ratkaisu olisi olla sen verran tehokas aggregaatti, että sitä voi käyttää jaksottain, kun tarvitsee ladata sähköauto tai muuten täyttää talon akku ja lämminvesivaraaja. Talviajan lämmityksen tukena olisi takka/leivinuuni, jossa poltettaisiin puita kuten nykyäänkin tehdään. Puukaasuaggregaatin voisi tarvittaessa käynnistää kesälläkin esimerkiksi pidemmän sadekauden aikana. Tehokas tasajännitejärjestelmä ilman turhia inverttereitä ja tasasuuntaajia.

YouTubesta löytyy hyvä dokumentti George Westinghousesta, joka oli yksi avainpelureista otettaessa sähköä hyötykäyttöön 1800-luvun lopulla: https://www.youtube.com/watch?v=8BUpF__h-IY . Dokumentissa kerrotaan, kuinka liikemies ja pankkiiri J.P. Morgan ehdotti 1900-luvun alussa Westinghouselle “sähkötrustia” yhdessä omistamansa General Electricin kanssa, mutta ensisijaisesti insinöörinä Westinghouse oli enemmän kiinnostunut uusista keksinnöistä ja niiden mahdollisuuksista ja vaikka sähköä oli jo alettu ottaa hyötykäyttöön useammallakin eri tavalla, niin ei ollut selvää, että mikä olisi paras tapa ja oliko se vielä löytämättä. Westinghousehan oli työskennellyt myös Nikola Teslan kanssa ja vaikka varsinainen yhteistyö oli jo 1900-luvun puolelle tultaessa päättynyt, niin Westinghouse oli taatusti tietoinen Teslan Wardenclyffen projektista, jossa hänen tavoitteenaan oli rakentaa langaton järjestelmä, jossa koko New Yorkin alueen valaisimia olisi voitu käyttää laitoksen “sadan hevosvoiman” höyrykoneen avulla. Teslahan oli poikkeuksellisessa asemassa, koska myytyään oikosulkumoottorinsa oikeudet hyvään hintaan Westinghouselle vuonna 1888 hänellä oli varaa perustaa oma hyvin varustettu laboratorionsa, jossa hän voi tutkia sähkön todellista olemusta ilman tarvetta saada nopeasti aikaan jotain myytävää tuotetta. Ja tutkimustyötä Tesla tekikin, vaikka työskentelikin sopimuksen mukaan muutaman vuoden myös Westinghousen konsulttina, mikä tietenkin hidasti tutkimustyötä.

Mutta palataanpa takaisin Westinghouseen, joka oli 1900-luvun alussa investoinut voimakkaasti sähköyhtiöönsä, mikä oli vaatinut paljon lainarahaa, mutta dokumentin mukaan Morgan ja muut pankkiirit pystyivät käytännössä hallitsemaan koko Yhdysvaltojen lainamarkkinoita ja kun Westinghouse ei suostunut trustiin, niin Morgan ja kumppanit vaativat Westinghousea maksamaan lainansa takaisin ja kun tämä oli mahdotonta, niin Westinghouse joutui luopumaan määräysvallasta sähköyhtiössään vuonna 1909. Näin Morgan ja kumppanit olivat saaneet kitkettyä kaiken mielestään hallitsemattoman innovatiivisuuden koko Yhdysvaltojen sähköalalta, kun hehkulamppunsa avulla sähkön laajemman hyötykäytön aloittanut Thomas Edison oli savustettu ulos omasta yhtiöstään jo vuonna 1892 ja Nikola Teslan Wardenclyffen langaton projekti oli pysähtynyt rahoituksen puutteeseen 1905, minkä jälkeen Tesla oli alkanut keskittyä vain pienimuotoiseen tutkimukseen. Innovatiivisuus oli hyvä saada pois, sillä sähkön laajemman hyötykäytön aloittanut Edisonin hehkulamppujärjestelmä ei lopulta energiakaupan näkökulmasta poikennut kovin paljon siitä kaasuvalojärjestelmästä, jota se oli alkanut vähitellen syrjäyttää ja tämä tilanne sopi Morganille ja kumppaneille hyvin. Ensimmäinen sähkön sovelluksiin käytettävissä ollut jännitelähde oli Alessandro Voltan vuonna 1800 keksimä paristo, jonka napoihin kytkettyjen johtimien avointen päiden väliin saatiin syttymään valoa tuottava valokaari. Myös 1820-luvulla keksitty sähkömagneetti saatiin toimimaan, kun sen käämin johtimen päät kytkettiin pariston napoihin. Paristo ei kuitenkaan ollut tarpeeksi tehokas käyttämään Edisonin hehkulamppua ja siksi Edison käyttikin höyrykoneen pyörittämää generaattoria, jonka napoihin kaikki lähialueen hehkulamput kytkettiin johtimilla. Kun höyrykone käytti polttoaineenaan hiiltä, niin koko järjestelmä olikin pitkälti samanlainen kuin kaasuvalojärjestelmä, kun Edisonia vaadittiin kehittämään menetelmiä mitata “sähkön” kulutusta laskutusperusteeksi samaan tapaan kuin kaasun kulutusta mitattiin virtausmittarilla.

Nykyisen sähköverkon perusrakenne on pitkälti sama, mutta Edisonin käyttämän matalahkon tasajännitteen tilalla käytetään kolmivaihevaihtojännitettä. Westinghouse-dokumentissa mainitaan, että tämäkin vaatimus oli peräisin Morganilta ja kumppaneilta, sillä järjestelmän avulla voitiin säästää johdinkustannuksissa, kun kolmen johtimen avulla voitiin siirtää kolminkertainen teho. Niagaran putousten energian siirttämistä käytettäväksi parinkymmenen kilometrin päässä sijaitsevassa Buffalon kaupungissa oli pohdittu ennen 1800-luvun loppua jo useaan otteeseen esimerkiksi puhtaasti mekaanisesti akselien ja hihnapyörien avulla, mutta sähkön käytön nopea kehittyminen 1800-lopulla oli nostanut asian uudelleen esille ja vuonna 1890 Westinghouselta pyydettiin arviota siitä, mikä olisi paras tapa projektin toteuttamiseen. Ehkä hieman yllättäen Westinghouse ehdotti paineilmaa. Paineilma oli kyllä Westinghouselle tuttu tekniikka, sillä hän oli 1870-luvulla kehittänyt juniin sen avulla toimivan tehokkaan jarrujärjestelmän, joka oli merkittävä tekijä junaliikenteen tehostamisessa, kun yhä raskaampia junia voitiin nyt ajaa turvallisesti yhä nopeammin. Turvallinen junaliikenne edellytti myös sopivia valo-opastimia eivätkä aiemmin käytetyt ihmisvoimin säädettävät öljylamput enää oikein riittäneet. Westinghouse oli kiinnostunut sähkön mahdollisuuksista toteuttaa etäohjattava valojärjestelmä, mutta Edisonin käyttämä matalajännitteinen tasajännite ei tähän soveltunut eikä Yhdysvalloissa ollut muita vaihtoehtoja juuri tutkittu. Westinghouse oli perehtynyt Euroopassa tutkittuun vaihtojännitejärjestelmään, jonka etuna oli se, että jännitettä voitiin muuttaa tarpeen mukaan muuntajan avulla. Näin jännite voitiin tarvittaessa nostaa korkeammaksi, jotta voitiin käyttää pidempiä johtimia ja laskea taas alemmas turvalliselle tasolle esimerkiksi opastinvalaisimen kohdalla. Tällä tavoin päästäisiin rautatieopastinkäyttöön riittäviin ohjausetäisyyksiin. Westinghouse olikin hankkinut Euroopasta vaihtojännitejärjestelmän komponentteja ja alkanut tehdä omia tutkimuksiaan niiden soveltamisesta. Nikola Teslan kehittämä suoraan vaihtojännitteellä toimiva oikosulkumoottori oli hyvä lisä Westinghousen järjestelmään ja niinpä hän osti sen oikeudet vuonna 1888. Tästä kaupasta saamillaan tuloilla Tesla perusti siis oman laboratorionsa vuonna 1889 ja alkoi tutkia langattomia sähköratkaisuja ja tuli hyvin nopeasti siihen tulokseen, että laajat johtimilla varustetut sähköratkaisut eivät olleet tehokas ratkaisu. Mielenkiintoista on myös se, että Westinghouse ja mitä todennäköisimmin myös Tesla hänen konsulttinaan toteuttivat vuonna 1890 luultavasti maailman ensimmäisen kaupallisen vaihtojännitejärjestelmän, Ames-laitoksen, jossa vesiputouksen pyörittämä generaattori käytti noin neljän kilometrin päässä olevaa kaivoslaitetta pyörittävää moottoria. Tätä laitosta on sittemmin päivitetty ja uudistettu, mutta se on käytössä vielä tänäkin päivänä: https://en.wikipedia.org/wiki/Ames_Hydroelectric_Generating_Plant . Westinghousella oli siis käytännön kokemustakin vaihtojännitejärjestelmistä, mutta silti hän suositteli Niagaraan paineilmaa. Luultavasti Tesla oli tullut tulokseen, että langallinen järjestelmä ei ollut hyvä ja kun muutakaan ei vielä ollut valmiina, niin Westinghouse suositteli paineilmaa, josta hänellä oli paljon kokemusta? Kolmivaihevaihtojännitejärjestelmähän Niagaraan vuonna 1895 käyttöön otettuun laitokseen sitten tuli, luultavasti Morganin ja kumppaneiden vaikutuksesta, ja sama järjestelmä on nyt käytössä lähes joka puolella maailmaa.

Edesmenneen Tom Beardenin mukaan johtimilla toteutetussa sähköverkossa mitattu “sähkö” kuluu oikeasti vain siihen, että esimerkiksi valaisin pystyy hyödyntämään ympärillään olevaa energiaa tuottamaan valoa. Koska järjestelmä on tehoton, niin tuota “sähköä” tarvitaan paljon verrattuna siihen, että koko järjestelmä olisi toteutettu tehokkaammin. 1800-luvulle saakka oli yleinen käsitys, että kaikkialla on olemassa “eetteri”, jonka sisältämää energiaa sähkö oikeasti on. Morgan ja kumppanit vain käyttivät vaikutusvaltaansa vakiinnuttamaan teorioita ja käytäntöjä, jotka eivät mahdollistaneet tuota, vaan luotiin käsitys, että sähköjärjestelmät ovat suljettuja järjestelmiä, joissa sähkö vain välittää “energiaa”, jota tuotetaan esimerkiksi vesiputouksen avulla. Keskityttiin siis energiaan kun todellinen edistys löytyy keskittymällä energiatehokkuuteen esimerkiksi hylkäämällä vaihtojännite omakotitalon omavaraisessa järjestelmässä. Johtimellisen sähköverkon tehottomuuden vuoksi generaattoreita täytyy pyörittää suurella teholla ja kun tähän lisätään vielä se, että tehtävään on alettu käyttää yhä enemmän satunnaisesti toimivaa tuulivoimaa, niin aikamoinen sätös on tuloksena. Lisäksi, kun järjestelmä mahdollistaa ahneuden toteuttamisen, niin voihan sitä vatvoa, että mikä on sähkön “kohtuullinen” hinta, mutta todellinen ratkaisu on kehittää ja ottaa käyttöön aidosti energiatehokkaita järjestelmiä, joissa pienellä inputilla saadaan suuri output. Hintavatvonnan myötä joidenkin sähköyhtiöiden todelliset intressit ovat alkaneet paljastua ja yksi itseänikin pohdituttanut asia on se, että mihin sähkön kulutuksen mittaus etäluettavilla mittareilla oikein perustuu? Ennen oli mekaaninen mittari, jossa kiekko pyöri nopeammin kulutuksen kasvaessa ja jonka mittarinlukija kävi säännöllisesti lukemassa. Tässä Jukka Davidssonin videossa esitetään mielestäni hyvä kysymys, että kun mittari etäluetaan sähköverkkoa pitkin, niin kyllähän tieto kulkee myös toiseen suuntaan eli mittariin voidaan haluttaessa syöttää laskentamallin määrittämä arvo (varsinainen asia alkaa vasta noin 6 minuutin kohdalla): https://rumble.com/v1xm6yy-energia-ja-sen-hinnoittelu.-perustuuko-se-kulutukseen-vai-ei.html

Tuulivoimaa käytettiin ennen viljamyllyissä, jotka voitiin käynnistää hyvällä tuulella ja jauhaa jyvät jauhoiksi ja varastot täyteen. Jauhot säilyivät hyvinä kuukausikaupalla ja seuraavalla tuulella voitiin taas jauhaa lisää. Nyt yritetään tuulen avulla tuottaa “sähköä” mahdollisimman tasaisesti. Tuuligeneraattorit on toki asennettu rannikoille, joissa tuulee usein, mutta kuten Tesla ja Westinghouse jo Niagaran putouksen projektia valmisteltaessa havaitsivat, niin periaatteellinen ongelma on laajan johtimilla toteutetun sähköverkon heikko energiatehokkuus. Ratkaisu on kehittää ja ottaa käyttöön aidosti tehokkaita tapoja hyödyntää sähköä ja magnetismia tuottamaan valoa, lämpöä, akselitehoa ym. Ja tehdä tämä itselle sopivaan tahtiin päättämällä itse, milloin puukaasuaggregaatin käynnistää sen sijaan että seuraa pörssisähkön hintaa, johon ei itse voi vaikuttaa. Kehittämällä energiatehokkaita ratkaisuja hyödyntää sähköä ja magnetismia ei tarvitsisi puukaasuaggregaattiakaan käynnistää. Tässä yksi mahdollisuus käyttää sähköä ja magnetismia tehokkaasti tuottamaan lämpöä:

Tavanomaisella tavalla toteutettu vaihtojännitegeneraattorin ja lämpövastuksen muodostama virtapiiri.

• Input = generaattorin akselin pyörittämiseen vaadittava työ WG
• Output = vastuksen tuottama lämpö WR

Kytkimellä (S) ja kondensaattorilla (C) täydennetty virtapiiri, joka mahdollistaa generaattorin ja lämmitysvastuksen yhteistoiminnan optimoinnin: mahdollisimman pieni input ja mahdollisimman suuri output.

Kytkin S pidetään suljettuna, kun generaattori tuottaa nousevaa positiivista jännitettä, jolloin virta kulkee vastuksen läpi ja kondensaattori C varautuu. Vastus tuottaa lämpöä ja generaattorin akselin pyörittämiseen vaaditaan suunnilleen sama teho kuin kiinteässäkin kytkennässä. Kun generaattorin tuottama jännite saavuttaa maksimiarvonsa, kytkin S avataan. Virta ei kulje ja kondensaattorissa C on nyt koko virtapiirin korkein jännite. Kytkin suljetaan juuri sopivaksi hetkeksi, kun generaattorin roottori on juuri sopivassa asennossa sitä varten, että kondensaattorilta generaattorin käämiin kulkeva virta tuottaa hylkivän magneettikentän, joka työntää generaattorin roottoria kulkusuunnassaan eteenpäin. Näin generaattori toimii hetkellisesti moottorina, mikä pienentää generaattorin roottorin pyörittämiseen vaadittavaa keskimääräistä tehoa ja työtä. Vastus tuottaa kuitenkin lämpöä tässäkin vaiheessa, mikä lisää sen tuottamaa keskimääräistä lämpötehoa ja lämpömäärää. Kytkimen ja kondensaattorin avulla virtapiirin toimintaa voidaan ohjata ja hallita siten, että generaattorissa vaikuttaa vain kokonaishyötysuhteen kannalta edullisia magneettikenttiä. Energiatehokkuuden parantuminen riippuu siitä, kuinka hyvin piiri ja sen ohjaus saadaan toteutettua. Raportoituja tuloksia input/output = 3 … 47 (esim. https://www.youtube.com/watch?v=HK3JOlY0V8Y kohdasta 21:15 alkaen).

Tarvittavan generaattoritehon pienentäminen avaa myös mahdollisuuksia käyttää pelkillä kestomagneeteilla toimivia moottoreita sen roottorin pyörittämiseen, kuten esimerkiksi: https://www.youtube.com/watch?v=D5K_wB-xsuM. Videolla esitetyn moottorin rakenne on käytännöllisyyden kannalta turhan monimutkainen, mutta jatkuvaa liikettä on mahdollista tuottaa lähes pelkästään kestomagneetteja hyödyntämällä tai hyvin pienellä inputilla paljon yksinkertaisimmallakin rakenteella. Rajalliset teoriat, simulaatiot ja laskentamallit, jotka kuvaavat vain sähkön ja magnetismin välistä vuorovaikutusta eivätkä magnetismin kaikkia mahdollisuuksia, ovat esteenä näiden löytämiselle.