Termisten voimaloiden hyödynnettävissä oleva energia

Insinörtti on ennenkin käsitellyt aihetta "paljonko laitoksesta saadaan energiaa ulos".

Tässä tarinoin termisten voimaloiden perusominaisuuksista. Katsotaan vesi- ja tuuliturbiineja joskus toiste.

Suurin osa sähköntuotannostamme perustuu Rankine kiertoa [wikipedia], käyttäviin höyryturbiinilaitoksiin [wikipedia], jossa kuuma superkriittinen vesihöyry kiertää suljetussa kierrossa kuumennuksen ja energiaa ulos ottavan jäähdytyksen välillä. Työkaasu tiivistetään vedeksi ja sen paineen nosto tulistetun primäärihöyryn paineeseen tehdään vähän energiaa tarvitsevana (verrattuna kaasun kompressointiin) nesteen pumppauksena.

Ideaalikaasujen termodynamiikan mukaan turbiinissa ulos saatavilla oleva energia on enintään sisäänmenon ja ulostulon välinen lämpötilaero jaettuna sisäänmenon absoluuttisella lämpötilalla.
Vesihöyry ei tietenkään käyttäydy aivan kuten ideaalikaasut, mutta tätä laskentaperiaatetta voi käyttää likiarvona.

Koska vesihöyryllä laitoksen "kylmä" pää on +10°C .. +50°C, joka vastaa 280-320 Kelvinin lämpötilaa, kokonaishyötysuhdetta saa parhaiten parannettua korottamalla prosessin kuuman pään lämpötilaa.

• Kuumuus lisää materiaalin väsymistä, tavallinen teräs on käyttökelvotonta yli +300°C, erikoiset kromiteräkset kestävät +580°C
• Vesi alkaa termisesti dissosioitua vedyksi ja hapeksi yli +2000°C lämpötilassa
• Lämpölähteen olemus saattaa vaatia omia rajoituksiaan kuumuudelle. Hiilivoimala käy paljon kuumempana, kuin painevesi-ydinreaktori.  ITER reaktorin plasman lämmön ulosotto operoi +1200°C lämpötilassa (Divertterin lämmönkeräimet tehdään puhtaasta Wolframista) mutta höyrylämpötila on luokkaa +1000°C

Paineenkorotus vaatii erikoismateriaaleja jotka kestävät kuumaa ja korkeaa painetta. Näitä käytetään ja kehitetään nykyisin tehokkaiden suihkuturbiinien rakennemateriaaleina.

Kun tehdään lämmönvaihtimia, niihin pätee "mitä pienempi terminen impedanssi, sitä parempi" tai toisella tavalla lausuen "mitä lähempänä toisiolämpötila on ensiölämpötilaa, sitä parempi." Lämmönvaihtimen termistä impedanssia saa parannettua seuraavin keinoin:

• Käytetään paremmin lämpöä johtavaa materiaalia
• Käytetään suurempaa lämpöä siirtävää pinta-alaa

Kun ollaan erittäin kuumissa oloissa, tarjolla olevien materiaalien valikoima alkaa supeta nopeasti. Silloin voidaan vielä tehdä jotain lisäämällä rinnakkain olevien putkien määrää, eli nostamalla lämpöä siirtävää pinta-alaa.

Käytännössä kuitenkin taloudelliset seikat asettavat jossain vaiheessa ylärajan sille, kuinka paljon lisää putkia voidaan laittaa. Korkean lämpötilan kromiteräkset maksavat luokkaa 10x tavallisen teräksen verran.

Turbiineilla saadaan parhaiten energiaa irti, kun niiden yli on mahdollisimman suuri lämpötilaero. Kun työkaasua jäähdytetään, astuu kuvioon ideaalikaasujen tilanyhtälö:

p*V = nR*T

• p = paine
• V = tilavuus
• nR = ainemäärä * Regnaultin vakio (eivät muutu)
• T = absoluuttinen lämpötila

Turbiinilaitoiset toimivat tavallisesti käyttäen Rankine kiertoa [wikipedia], jossa turbiinissa lämpöenergian muuttaminen työksi tapahtuu (lähes)isentrooppisena prosessina:

Tietämällä turbiinin syötön ja lähdön lämpötilat (T₁ ja T₂), työkaasuun liittyvä vakio gamma (vesihöyryllä noin 1.3; +100°C: 1.32, +700°C: 1.28) saadaan turbiinin jälkeinen paine ja tilavuus:

• p₂ = p₁(T₂/T₁)^{γ/(γ − 1)}
• V₂ = V₁(T₂/T₁)^{γ/(1 - γ)}

Gammalla 1.3 yhtälöiksi tulee:

• p₂ = p₁(T₂/T₁)^4.333
• V₂ = V₁(T₂/T₁)^-4.333

Siis turbiinissa työkaasun paine alenee samalla kertoimella, kuin sen tilavuus suurenee. Ideaalisin turbiinin jälkeinen paine on tyhjö, jolloin tilavuus on kasvanut äärettömäksi. Käytännössä tyydytään realistisempiin paisuntakertoimiin ja loppupaineeseen joka on noin 0.01 Bar. Toinen käytännöllinen raja on turbiinin jälkeisen lauhduttimen lämpötila joka Suomessa saattaa talvisin olla niinkin alhainen kuin +10°C.

Kun työkaasu (vesihöyry) on turbiinin jälkeen tiivistetty nestemäiseksi kylmäksi vedeksi, se viedään takaisin kiehutukseen syöttövesipumpulla. Nestemäisen veden paineennosto primäärihöyryn paineeseen kuluttaa vähemmän energiaa, kuin vastaava kaasun paineennosto. Siksi vesi on varsin hyödyllinen työkaasu. Työkaasun (veden) kierron massavirta on luokkaa 0.5 kg/s per 1 MW termistä tehoa (+280°C). Suurempi lämpöero sisältää samalla massavirralla enemmän energiaa.

Kylmä syöttövesi kannattaa esilämmittää lähelle kiehumispistettään käyttäen turbiinin höyryn väliotosta otettua pientä osaa lämpövirrasta. Nestemäisen veden ominaislämpökapasiteettihan on 4.182 kJ/(kg*K) ja sen saa kuumennettua +10°C lämpötilasta aina +374°C lämpötilaan tällä työllä per asteen lämmönnousu. (Tämä ei ole täsmälleen totta, kuumemmalla vedellä ominaislämpökapasiteetti aloittaa hitaan nousun, mutta kokonaisuudessaan se on noin 10% muutos.)

Vettä ei voi kuumentaa kuitenkaan +374°C yläpuolelle, koska silloin saavutetaan paineessa 221 Bar veden kriittinen lämpötila ja mikään paineen lisäys ei riitä pitämään vettä nesteenä.
Kun esikuumennettua vettä kiehutetaan, tarvittava höyrystymislämpö vähenee sitä mukaa mitä lähempänä ollaan kriittistä lämpötilaa. Muutos ei kuitenkaan ole lineaarinen, käytä [taulukoita].

Syöttöveden esikuumennusta rajoittaa siis sekä tuotettavan tulistetun höyryn paine, että veden kriittinen lämpötila. Hiilikattiloissa (tyyppiedustajana kaikenlaisten aineiden polttolaitoksille) voidaan esikuumennetusta syöttövedestä saatua raakahöyryä lisäkuumentaa tulistimessa niin paljon kuin käytettävät materiaalit kestävät.

Jotta laitoksesta saadaan paras hyötysuhde, tavoitellaan sekä kuuminta mahdollista höyryä, että korkeinta mahdollista painetta. Korkean paineen kääntöpuolena on putkilinjojen suurempi seinämäpaksuus, joka erityisesti korkean lämpötilan materiaaleilla tarkoittaa erittäin korkeita kustannuksia. Silti moderneissa hiilikattiloissa tuotetaan +500°C kuumaa höyryä ainakin 120 Bar paineella.

Jos materiaalit kestäisivät, vedellä työkaasuna voidaan nostaa Rankine-kierron kuumaa päätä yli +2000°C, mutta käytännön hiililaitosten kuumimmat palokaasut ovat +1200°C, Sekin on kuitenkin enemmän kuin mitä kovimmatkaan kromiteräkset kestävät. +1000°C lämpötiloja kestäviä titaania sisältäviä erikoisseoksia on olemassa, mutta niiden hinta hilitsee käyttöä.

ITER:illä on tarkoitus ajaa vieläkin kuumempaa, +1200°C Divertterin plasman kanssa kontaktoivalla pinnalla. Tätä lämpötilaa ei pidä vähätellä, sillä Rolls Roycen Trent suihkuturbiinien palokammion jälkeinen työlämpötila on juurikin tuo +1200°C ja se on kuumempaa, kuin mitä turbiininsiipien materiaali oikeasti kestäisi ilman nerokasta siipien jäähdytystä. Höyrylämpötila on oletettavasti +1000°C .. +1100°C.

Termisenä suorituskykynä siis:

• Ydinvoimala: +280°C-+10°C -> 270/(220+270) = 0.49
• Hiilivoimala: +500°C-+10°C -> 490/(500+270) = 0.73
• ITER: +1000°C - +10°C -> 990/(1000+270) = 0.78
• ITER kaukolämpö: +1000°C - +120°C -> 880/(1000+270) = 0.69

Kaikissa näissä pitää muistaa, että laitos syö kuormasta - erilaiset kymmenien MW tehoiset kiertovesipumput, tuulettimet, kuljettimet, satojen MW tehoiset plasmasytyttimet, yms. pitää ruokkia jostain.

Jos tuntuu jotenkin hassulta kierrättää työkaasuna vettä, sillä on kuitenkin yksi erinomainen ominaisuus verrattuna esim. Heliumiin: Rankine kierrossa tarvitaan syöttöveden paineennostoon paljon vähemmän energiaa, kuin esimerkiksi Heliumin adiabaattiseen kompressioon.

Vesi saadaan myös nesteytymään aika helposti, jolloin turbiinin kylmän pään äärelle saadaan mukavan matala absoluuttinen paine mikä puolestaan optimoi laitoksen suorituskykyä.

ITER:in kaltainen energiaa tuottava laitos (The DEMO) sopisi hyvinkin ison kaupungin lähelle.

Kuten noista termisistä luvuistä näkee, suorituskyky on erittäin korkea myös silloin, kun se tuottaa +120°C kaukolämpöä vastapainevoimanaan. Mutta kuten olen aiemminkin kirjoittanut, ilman keinotekoisia sähköveroja olisi silti energiateknisesti edullisempaa tehdä sähköä tuottamaan optimoitu laitos + isot sähkökattilat tekemään kaukolämpöä kulutuskohteen äärellä.

Ilmanlaadun parannusta Kiinalaisittain

Mitä tekee tuo maailman toiseksi väkirikkain valtio, kun se ihan oikeasti haluaa saada parannettua ilmanlaatua?

• Kieltää 2-tahti moottorilliset laitteet
• Suosii sähköskoottereita tarjoamalla niille latauspaikkoja
• Rakentaa runsaasti vesivoimaa
• Rakentaa sähkönjakelun infrastruktuuria

"Kolmen rotkon pato" tuottaa kuumimman kesäkauden aikana 10-15 GW tehoa, josta 3000 MW tuodaan Shanghaihin maailman pisimpiin kuuluvalla 500 kV tasavirtalinkillä.

Vaikka kolmen rotkon pato ei enää tuotakaan kuin 3-4% Kiinan sähkönkulutuksesta aiemmin suunnitellun 10% asemesta kasvaneen kulutuksen takia, merkitsee 15 GW tuotanto kuuman kesäkauden aikana kuitenkin sitä, ettei ole tarve ajaa ihan niin montaa hiililauhdevoimalaa, kuin ilman sitä. Hiililauhdevoimalat toimivat kesäkuumalla myös huonommin, kun niiden "kylmässä päässä" lämpötila on +40C.

Itse asiassa Shanghain seudun pahaksi mainostettu Smog ei ollut ollenkaan paha keskellä heinäkuuta 2009.

Kaupungeissa kansa liikkui paljon sähköskoottereilla ja niille on myös tarjolla pysäköinti- ja latauspaikkoja useimpien työpaikkojen äärellä. Skootterin hinta on 1500-4500 Yuania, siis 150-470 euroa.

Seudulla matkustellessa olikin mielenkiintoista nähdä, miten junat olivat etupäässä sähkövetoisia ja nopeita! 150 km matka maksoi 31 Yuania business-luokassa. Kakkosluokan lippu oli 26 Yuania. (Eli noin 3.2 ja 2.7 euroa.) Junat tuntuivat myös kotimaisiin nähden leveämmiltä ja jalkatilaa oli runsaammin! (Tähän liittyy matkatavaroiden pito jalkatilassa, eikä hyllyllä.) Samoin junat olivat ilmastoituja ja tiedotetekstit pyörivät sekä Kiinaksi, että Englanniksi.

Kiinan seikkailullaan Insinörtti tietysti vilustui: Shanghain metrossa, jossa ilmastointi puhalsi +20C kylmää ilmaa ulkolämpötilan ollessa +40C...

Polttoturvetta, kivihiiltä vai ydinvoimaa?

Osoittautui yllättävän vaikeaksi löytää uskottavia tutkimustuloksia erilaisten energiatuotantomenetelmien säteilytuotannosta.

Säteilyturvakeskus on julkaissut jotakin polttoturpeen säteilypitoisuuksista ja teksti löytyy vain paperilla (STUK A-143). STUK:in julkaisun tiivistelmän mukaan viimeisen 60 vuoden ydinkokeet näkyvät uudemmissa kerrostumissa ja vanhoissa on luonnon graniittien yms. rapautumisesta liuenneita uraanin ja radiumin pitoisuuksia, sekä niiden hajoamisketjujen radioaktiivisia sirpaleita. Merkittävä osa turpeen polton säteilyannoksesta koostuu kaliumin aktiivisesta luonnollisesta isotoopista. Sama isotooppi tulee savukaasuissa myös kaiken muun bioperäisen polttoaineen poltosta, kuten puuhakkeen.

ORNL review vol 26, number 3&4: Coal Combustion: Nuclear danger or resource?

Oak Ridge National Laboratory (ORNL):ssä tutkitaan mm. ydinenergian tuotantoa ja siellä on riittävän herkät mittalaitteet ja ennen kaikkea mielenkiintoa ottaa selvää hiilen polton epäpuhtauksista ja niiden radioaktiivisuudesta.

Kivihiilessä uraanipitoisuus on yleensä noin 1 miljoonasosa (ppm), mutta pitoisuuksia löytyy 10 ppm:ään ja ylikin. Lisäksi keskimäärin löytyy noin 2.5 kertainen pitoisuus toriumia, joskin se on selvästi vähemmän radioaktiivista kuin uraani.

Tällä hetkellä (noin vuosi 2010,) ORNL:n graafit kertovat että hiilenpolton mukana ilmakehään päätyy vuosittain noin 15 miljoonaa kiloa toriumia ja noin 6 miljoonaa kiloa uraaneja. Tästä rikastamattomasta luonnonuraanista noin 0.72% on fissioherkkää ja "radioaktiivista" U235:ttä, eli noin 43 tuhatta kiloa.

Puoliintumisajoiltaan määriltään runsaimmat isotoopit ovat:

• 232Th: 14 000 M vuotta, α → Radium ...
• 238U: 4 460 M vuotta, α → 234Th ...
• 235U: 704 M vuotta, α → 235Th ...

"Th" on Torium.
Toriumin puoliintumisaika on noin 3.1 kertaa pidempi kuin U238:lla ja noin 20 kertaa pidempi kuin U235:llä. Määräsuhteista johtuen kokonaisaktiivisuudesta noin 80% tulee U238:sta ja noin 20% toriumista. U235:n osuus on luokkaa 1%.

Kivihiilen (ja myös turpeen, puuhakkeen, yms) keskimääräinen radioaktiivisuus on noin 4.7 mikrocurietä per tonni.

Ydinvoiman vastustajat vetävät otsikoihin tutkimuksia, jossa 25 vuoden aikana 15 km säteellä Ruhrin alueella sijaitsevasta ydinvoimalasta on 16 ihmistä sairastunut leukemiaan. Kuinka paljon tuolla samalla alueella on kivihiilen ja ruskohiilen polttoa? Kuinka monta tonnia niistä hiilivoimaloista on tuprutettu taivaalle kivihiileen ja ruskohiileen fossiloituneita uraaneja ja toriumia? Eikö muut ilmansaasteet merkitse mitään, kun seudulla "kaunis kesäpäivä" tarkoittaa "kirkasta" kellanruskeaa taivasta ja aurinko juuri ja juuri erottuu.

Yhdessä hiilitonnissa on luokkaa 5 grammaa uraania ja toriumia (vaihteluvälin ollessa 2-30 grammaa) ja se tiivistyy lentotuhkaksi josta tyypillisissä suurvoimaloissa kerätään pois savukaasuista noin 99.5% - tyypillisesti 10 kg/hiilitonni. Savussa pääsee siis ulos edelleen noin 50 grammaa lentotuhkaa per hiilitonni. Rikkiä samassa hiilitonnissa voi olla jopa 100 kiloa (joissakin ruskohiililaaduissa) ja rikinpoistoa tehdäänkin ahkerasti. Muitakin ikäviä hyvin kaasumaisiksi oksideiksi höyrystyviä aineita löytyy, kuten vaikkapa elohopea.

Kivihiili on miljoonia vuosia vanhaa suota ja vaikka kotimaiset suomme ovat paljon nuorempia silti niihinkin on rikastunut sama noin 1-10 miljoonasosaa uraania ja toriumia kallioidemme pintarapautumisesta.

Oletetaan että turpeen polttoa tehtäisiin uusiutumissyklin tahdissa (mikä se olisi, en lähde nyt tutkimaan), silloinkin ilmaan levitettäisiin tämä pieni annos uraania ja toriumia, koska sitä kaiken aikaa liukenee pintamaasta vesiin ja sitä tietä soihin. Koskaan ei pääse tilanteeseen että hiilen/turpeen poltto ei levittäisi radio-aktiivisia päästöjä, joskin ne ovat melko pieniä jos laitos tekee lentotuhkan talteenottoa.

Mitä ovat sitten ydinvoimaloiden päästöt? Pienikin pihaus jotain lyhytikäisiä kaasuja nousee vihertäjien lehdistössä otsikoihin, mutta onko sillä oikeasti mitään merkitystä verrattaessa hiilivoimaloihin? Mitäkö kaasuja? No vaikkapa jäähdytysveden hapen tekemä neutronisieppaus muuttaa happea radio-aktiiviseksi niin että sen puoliintumisaika mitataan tunneissa. Tämä tekee kevyt-vesireaktoreiden ensiökierron jäähdytysveden radioaktiiviseksi muutamaksi päiväksi. (Olkiluoto 1&2 kiehutus-vesireaktoreissa tämä säteilevä höyry kiertää tietysti turbiineissa ja siitä aiheutuu muutaman päivän viive ennen kuin turbiinilaitosta päästään tutkimaan.)

Mutta ne oikeat ydinvoimaloiden päästöt?

ORNL tiivistää tuloksen näin:

The population effective dose from coal plants
is 100 times that of nuclear plants.

Siis hiililaitosten ilmakehään lykkäämässä tuhkassa ja savukaasuissa on 100 kertaa enemmän säteileviä aineita, kuin mitä ydinvoimaloista pääsee ulos. Tämä siitäkin huolimatta, että valtaosa raskaista metalleista on tiivistyneenä varsin tehokkaasti kerättävään lentotuhkaan, jota on hyvälaatuisella kivihiilellä on noin 1%, huonolaatuisella enemmän.

Jos polttoaine olisi 100% biopolttoainetta (turvetta, energiapajua, tms.) tilanne ei muuttuisi, koska sama noin 1-2 miljoonasosaa poltettavasta biomassasta olisi uraania ja 4-8 miljoonasosaa toriumia.

Lentotuhka sisältää siis melkein kaikki kivihiilen epäpuhtaudet noin 1/100 osassa tilaa alkuperäiseen nähden. Tämä merkitsee myös että tonni lentotuhka on 100 kertaa radioaktiivisempaa, kuin tonni kivihiiltä, noin 0.47 millicurieta per tonni. Itse asiassa ORNL:n raportti ihmettelee, että miksei näin rikkaasta malmista kerätä uraania ja toriumia talteen?

Runsaat määrät rikkidioksidia ja kaikkea muuta hiilidioksidin ja veden lisäksi ei ole mikään suuri ongelma vihertäjille, kunhan kyseessä ei ole vahvan vuorovaikutuksen käyttäminen energiantuotantoon.

Minne muuten tuo lentotuhka päätyy? Parasta hyötykäyttöä sille nykyisin on tehdä kipsilevyä joka päätyy rakennusten kuiviksi sisäpinnoiksi. Kipsilevyn kipsi vs. lentotuhka sekoitussuhdetta tietämättä on mahdoton sanoa että kuinka paljon radioaktiivisempaa näin syntyvä levy on, jotain välillä 30-70 kertaa kuin ilman lentotuhkaa. Se ei ole siltikään merkittävä säteilylähde.

---

• ORNL review vol 26, number 3&4: Coal Combustion: Nuclear danger or resource?
  
• STUK A-143: Turvesoiden ja polttoturpeen radionuklidit.