Kesto- Pohjois-Savon energiaklusterin kehittämispäivä Teknologia … · 2 days ago · Kesto-...
Transcript of Kesto- Pohjois-Savon energiaklusterin kehittämispäivä Teknologia … · 2 days ago · Kesto-...
Kesto- Pohjois-Savon energiaklusterin kehittämispäivä
Teknologia ja tulevaisuuden energiamurros!5.11.2020, VarkausRisto Linturi, tulevaisuudentutkija
Energiasektorin tärkeimmät tulevaisuusdimensiot
Teknologia: tuotanto/kulutus/siirto/varasto
Ilmastonmuutos: poliittinen paine
Globalisaatio: taloudelliset tarpeet
Regulaatio: kansallinen & alueellinen
12 Tulevaisuutta!1. Aurinkosähkö2. Leijavoimalat3. Sarjavalmisteinen ydinvoima4. Akut ja grid-sähkövarastot5. Sähköautot ja mobiili sähkö6. Polttokennot7. Aurinkopolttoaineet8. Sisäviljely & lähivalmistus9. Nanohiilet hiilivarastona10. Mikroverkot11. Lämpökaivot &lämpöpumput12. Tekoäly, IoT ja pilvipalvelut
IPCC 8.10.2018.+1.5C raja vaatii päästöjen nopeaa lopettamista ja negatiivisia päästöjä!
Teknologiadimensiot ja opportunismi
Tuotanto Varastointi
SiirtoKulutus
• Regulaattori suosii kokonaisoptimia?• Mutta ei onnistu nopeassa muutoksessa
• Jokainen muu päättäjä osaoptimoi• Katolle aurinkopaneelit, jos esim. oma
tuotantokustannus alittaa sähköyhtiön tuotantokustannuksen + veron + siirron
• Sähkön varastointi tulisi sallia verkko-operaattorille ja tehdä kannattavaksi sähkön käyttäjälle (nyt niin ei ole)
• Irtoaminen jakeluverkosta tulisi sallia ja off grid –mallit selvittää
1. Aurinkosähkö
SaudiArabia
• Halpa sähkö etelään ja kesäänEnnätys Portugalissa 1,14snt/kWh
Jos kehitys jatkuu:• Energiaintensiivinen vientiteollisuus
Suomessa heikommin kannattavaksi• Tuotanto auringon rytmiin tai
varastoinnista suuri kuluerä
Portugal
PV-oppimiskäyrä 36 vuoden ajan –kumuloitu kaksinkertaistuminen johtaa aina 24% hinnan laskuun!!!
https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf
©Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report, updated: 16 September 2020
Examples of promising radical PV technologies• Nova Solix claims 43% efficient rectenna
Efficiency increase of 40% overexisting state of the art PV’s bysinglet fission
Nanophotonic emitters from carbon nanotubesfor turning waste heat into photons & electricitywith PV’s
0,2-0,8$/W, 27% GaAs-cell! PV powered range 12km/day
EnerKite, Skysails, ym.https://skysails-power.com/mobile.html
https://www.faulhaber.com/global/markets/environmental-safety/energy-kites/
2. Tuulivoimala ilman tornin kustannusta!
Skysails saanut jo Saksassa käyttöluvan
Saksan uusiutuvien tilanne, Fraunhoferin raportti
3. Sarjavalmisteinen ydinvoima konttikoossahttp://www.lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html, https://www.nytimes.com/2020/09/29/climate/nuclear-fusion-
reactor.html https://phys.org/news/2017-01-fusion-power-limitless-energy.html
• 100MW voimala rekkakontin koossa tms., Prototyyppiin 5 vuotta, tuotantoon 10-20v?
• Tokamak-teknologiassakin (ARC) läpimurto – mahdollista pienentää reaktoria 80%http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-08/miot-asm081015.ph
• Myös fissiokehitys (TWR, Torium etc.) pyrkii kohti sarjavalmisteisia pienvoimaloita!
• Kylmäfuusiotakaan ei ole kuopattu – useissa riippumattomissa testeissä on osoitettu
ylimääräistä (ydinreaktioista) lämmöntuotantoa deuteriumin ja metallien seoksissa,
”Lattice confinement fusion” https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/nuclear/nuclear-fusiontokamak-not-included
Fossiilisten korvaaminen ydinvoimalla vs PV!vertailu nyky-ydinvoimaan, koska sen rakentaminen kestää kauanvertailussa ei varastointia eikä sarjavalmisteisia pieniä ydinlaitoksia
• Olkiluoto 3, 20v, 30t henk. vuotta, 10MRD euroa,
• Tarvittaisiin 10 tuhatta Olkiluotoa =130.000TWh!
• Kaikki aloitettava heti!
• 300 miljoonaa työvuotta, 100.000 MRD, vuoden globaali PPP GDP!
• Ydinvoima ratkaisun sijaan ongelma, ellei se kehity olennaisesti nykyisestä!
• 100GW PV investointi 160MRD 2018
• Sama investointitaso 10% laskevalla hinnalla 20 vuotta -> 10.000GW
• 130.000TWh -> 100TW ->30.000MRD
• Yksinkertaistateollisuustyötä/asennustyötä,tasaisesti 20 v.Energiaa heti, pääoman tarve vain 10.000MRD
EOS Aurora160$ / kWh – 1MW / 4MWh kontti
• $95/kWh, luvattu v. 2022 toimituksille
• DC -> DC – 75% hyötysuhde
• 5.000 lataus/purkusykliä, 15 vuotta
• Turvallinen sinkkihybridikatoditekn.• Kannattavampi säätövoimana kuin kaasuturbiini
Vanadium akut – Kiinassa 200MV, 800MWh
• 100% purkumahdollisuus, palamaton, rajaton määrä purkusyklejä – yli 15.000Levelized cost – $/GWh käyttöiän yli nytkilpailukykyinen Teslan LI-akkujen kanssa. Grid-tason järjestelmä n. $400/KWhhttps://spectrum.ieee.org/green-tech/fuel-cells/its-big-and-longlived-and-it-wont-catch-fire-the-vanadium-redoxflow-battery
4. Jakeluverkkoon kuorman tasaus?Akku optimoi siirtoverkkoa, lisää toimitusvarmuutta
Energiavarastot kehittyvät• LI-akut 2025 $50/kWh? Viikkotasoon riittävä
• Natrium & muut halvat haastajat kehitteillä
• Kevyet n. 1-2 kWh/kg akut kehitteillä
• Kehityksessä myös paineilma-akut, hyrrä-akut, lämpökaivot, mekaaniset potentiaalivarastot
Säätövoimaloita (kaasu) korvataan jo akuilla!
5. Sähköinen liikenne
”Liikenne sähköistyy 20-luvun aikana. Aurinkopolttoaineiden tukemana sähköistys kattaa myös raskaat rekat, osan ilmailusta ja vesiliikenteestä!”
• V. 2025 sähköautot fossiiliautoja halvempia ostaa, käyttää, huoltaa
• Aurinkokennot, polttokenno –aggregaatit, alumiiniparit avuksi
• Sähkörekoilla 1000km, hybrideillä 2.000km yhdellä latauksella
• Sähkölento 1000km v. 2030
• Liikenne robotisoituu samallaml. tavaran lastaus ja purku
5b Mobiili sähkö – autonomisille roboteille ja sähköautoille!
• Luontevinta on ladata auto kotona tai töissä
• Logistiikkarobotit/dronet tarvitsevat sähkönsä
• Autolla ajetaan keskimäärin 17tkm/v. Tällöin auto tarvitsee ladata noin kerran viikossa.
• Lataustarve vain harvoin ja harvoilla työpaikan tai kodin ulkopuolella, jos lataus on näissä mahdollinen
• Jakeluyhtiöiden tulisi harkita ristiinlaskutusta, joka olisi samanlainen kuin mobiilioperaattoreilla
• Jos lataan toisen ihmisen/organisaation pistorasiasta ilmoitan sulakekoon/ajan, maksimimäärä poistetaan pistorasian haltijan laskulta ja lisätään laskulleni
• Näin kuka tahansa voisi ladata missä tahansa!
6. (CHP) Polttokennotja mikroturbiinit• Raaka-aineina
tavallisimmin vety, metaani, metanoli – jopaligniini tai metallit
• Hyötysuhde sähkön ja lämmön tuotannossa aina 95%, mutta pelkän sähkön tuotannossa alhaisempi, esimerkiksi Serenergy -metanolikennossa 45%
• Nopeassa kehityksessä -hinta voimakkaasti valmistusmäärästä riippuva.https://www.mdpi.com/1996-1073/9/12/1008/htm
7. Artificial leaf, solar fuel – catalyst, energy: heat, electricity or photons• Nanoteknologiset metamateriaalit (MOF, kupraatit) ja
biofilmit katalysoivat reaktiot: fotonit+H2O+CO2 -> tuloksena vety, metaani, etyleeni tai metanoli ym.
• 72% metanolia kupraattien, veden, ilman ja valon avulla
• Elektrolyysi, peili- ja prosessilämpö vedyntuotannossa
Aurinkopeilivetykuva
Power to Gashttps://en.wikipedia.org/wiki/Power_to_gas, http://spectrum.ieee.org/energywise/green-
tech/fuel-cells/ge-claims-fuel-cell-breakthrough-starts-pilot-production
http://euanmearns.com/renewable-energy-storage-and-power-to-methane/
http://www.itm-power.com/news-item/thuga-groups-p2g-plant-exceeds-expectations
• sähkö–>metaani–>sähkö, noin 50%.
Sähkö–>vety jopa 80% hyötysuhde. Cogen.
polttokennolla vety–> sähkö ja lämpö nyt 85%. GE lupaa 95% metaanipolttokennoon (S+L)
8. Ruokatuotanto”Maatalousvapaa ruoka tuotetaan kaupungeissa aurinkoenergian, LED -valojen ja sähköisen fermentoinnin keinoin!”
• LED/kaupunkiviljely: 100* tuotanto neliömetriltä, vettä kuluu sadasosa
• Fermentoitu yksisoluinen proteiini ravitaan sähkö+vesi+CO2 (Solein)
• Jos Italian koko maatalousmaa peitetään 30% hyötysuhteen aurinko-paneeleilla ja käytetään sähkö kaupunkiviljelyyn ja fermentointiin, Italia ruokkisi kaikki 8 MRD ihmistä!
• Maatalous/elintarviketeollisuus turhaksi, yksilöllinen kaupunkiviljelty tuoreruoka robottikeittiöistä kaikille!
Laskeminen tuottaa hämmentäviä lukuja!
Hehtaarin vuosituotto Etelä-Suomessa, yksikkönä MWh
Skenario vuodelle 2030, arviot suotuisille alueille
Aurinkopaneelien sähköntuotto 30-40% hyötysuhde 3000
Aurinkopaneelien sähkö vedyksi ja polttonesteiksi 66% 2000
Metsä, suotuisa keskikasvu 7m3/Ha, 1400kWh/m3 10
Aurinkopaneelien sähkö ravinnoksi sisäviljelynä 10% 300
Aurinkosähkö Solar foods-proteiiniksi 10kWh/kg, 60% 1500
Viljelytuotto vehnä n. 7.000kg/Ha, 5kWh/kg 35
Kuivarehua 10.000kg/Ha, lihaksi seitsemäsosa , 1,7kWh/kg 2,4
9. Materiaalit”Biologiset ja vetyyn pohjautuvat prosessit yleistyvät. Uudet bio- ja metamateriaalit, erityisesti nanohiilet ovat CO2-neutraaleja!”
• Vihreä teräs, pelkistetty vedyllä
• Nanohiilet, komposiitit ja metamateriaalit korvaavat vaikeasti saatavia kaivannaisia
• Biologiset prosessit korvaavat kemikaaleja, kuumia prosesseja
• Vihreä betoni, bio-tiilet
• CO2 + vesi + katalyytit ja auringonvalo tuottamaan polymeerejä ym raaka-aineita
10. Mikrogrid ilman pakkoliittämistä jakeluverkkoon-haja-asutusalueilla vapautuksesta säästöjä kaikille!
• Kaupallisena toimintana velvoite taata sähkönsaanti yhteisölle
• Vapautus sähkönsiirtomaksuista• Valtaosa sähkön tuotannosta voi olla
kiinteistökohtaista aurinko-sähkön, polttokennojen ym. avulla omilla tai muiden laitteilla
• Metanolikenno esim. 2000Eur / kW 20.000kpl sarja/vuosi (ennuste)
• 1KW + akku +PV omakotitaloon!
• Kunnossapito, asennus, polttokennojen tankkaus ymspalveluntarjoajan toimintaa
Laskuharjoitus – jos energian tuotannossa olisi pienuuden etu
• Vertaa sähkön siirtohintaa jakeluverkossaöljyn kuljetuskustannukseen säiliöautolla!
• Kuutiometrissä öljyä n. 10MWh energiaa
• yli 48 m3 kuormaa kuljettavan rekan kustannus on tutkimuksessa alle 2 euroa kilometriltä https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/78823/Heikkinen_Mikko.pdf?sequence=2
• Rekka ajaa kuusi kertaa Hangosta Nuorgamiin ja robottirekka jopa Etelä-Afrikkaan kotitalouden maksamalla sähkön siirtohinnalla. Tämä on suuruuden haitta! (480MWh -> n.20.000E+vero)
• Uusiutuva energia on luonteeltaan hajautettua, mikäli polttokennot hajautetaan tehokkaasti, on jakeluverkon kustannusta tarkasteltava kriittisesti!
11. Lämpökaivot jateolliset lämpöpumput• Kesällä +80C lämmitetty vesi vielä +40C keväällä
• Ei lämpöpumppua eikä eristystä, vain porakaivoja
• Teollinen laudelämpö käytetään lämpöpumpun avulla prosessissa itsessään, hyötysuhde ylös
12. Tekoälykeskukset erittäin laskentaintensiivisiäyhteinen tieto konsolidoidaan pilveen, AI harkitsee, mikä on relevanttia
Toimialoja• Pankki ja rahoitus• Sotesektori• Liikenne• Energia-ala• Kauppa• Maatalous• Maanpuolustus• Opetustoimi• Rakentaminen• Kunnossapito• Matkailu• Urheilu• Vakuutusala• Viranomaiset ym.
Sähkön merkitys kasvaa jatkuvasti!
Kestävän kehityksen teknologiamittarointi haastajaregiimeittäin
Päätavoitteittain lihavoidut vaikutusluvut on arvioitu kokonaisharkinnan
mukaan. Arvio ei ole laskennallinen summa vaan siinä on huomioitu
alatavoitteista muotoillut apukysymykset ja visiokuvaukset -
luonnos syksyllä julkaistavasta raportista/ Linturi 1.9.2020
Hen
kilö
liike
nn
e:
koh
ti a
uto
no
mis
ta
säh
köis
tä h
en
kilö
liik
en
ne
ttä
pal
velu
na
Tava
ralii
ken
ne:
ko
hti
ro
bo
tiso
itu
a
yksi
löll
istä
ku
lje
tust
a ja
ku
orm
aust
a
Tava
roid
en v
alm
istu
s: k
oh
ti jo
ust
avaa
ja
yksi
löll
istä
läh
itu
ota
nto
a
Rav
into
: ko
hti
eli
nta
rvik
eo
mav
arai
sia
kau
pu
nke
ja ja
yks
ilö
llis
tä r
uo
kaa
Ener
gia:
ko
hti
hal
paa
au
rin
koe
ne
rgia
a ja
haj
aute
ttu
ja e
ne
rgia
vara
sto
ja
Mat
eria
alit
: ko
hti
uu
siu
tuvi
a
mat
eri
aale
ja ja
kie
rto
talo
utt
a
Rak
enn
ettu
ym
pär
istö
: ko
hti
kau
pu
nki
a
auto
no
mis
en
a as
um
isko
ne
en
a
Vai
hd
anta
: ko
hti
etä
kau
pp
aa ja
dig
ital
iso
itu
ja t
ran
sakt
ioal
ust
oja
Etäv
aiku
ttam
inen
: ko
hti
etä
läsn
äolo
a ja
virt
uaa
lisi
a ko
hta
amis
pai
kko
ja
Työ
n k
orv
aus
kon
eilla
: ko
hti
työ
n
rob
oti
soin
tia
ja p
alve
leva
a te
koäl
yä
Työ
ja a
nsa
inta
: ko
hti
om
avar
aisu
utt
a,
jaka
mis
ta ja
mik
royr
ittä
jyyt
tä
Terv
eys:
ko
hti
en
nak
oiv
aa t
erv
eyt
tä ja
pe
lill
istä
itse
dia
gno
stii
kkaa
Toim
inta
kyvy
n a
vust
eet:
ko
hti
vaja
vais
en
ihm
ise
n t
ekn
isiä
avu
ste
ita
Hav
ain
no
t ja
tie
täm
inen
: ko
hti
itse
mit
attu
a ja
jou
kko
iste
ttu
a A
I-ti
eto
a
Osa
amin
en ja
sen
näy
ttö
: ko
hti
AI:
n
varm
en
tam
aa it
sen
äist
ä o
pp
imis
ta
Eläm
ykse
t: k
oh
ti r
ob
oti
soit
uja
ja
virt
uaa
lisi
a, o
sall
ista
via
elä
myk
siä
Turv
allis
uu
s: k
oh
ti y
ksil
öll
istä
ja
jou
kko
iste
ttu
a tu
rval
lisu
utt
a
Yhte
isty
öky
ky:
koh
ti t
alko
ita
ja
kan
sain
väli
siä
luo
ttam
usa
lust
oja
Tark
oit
uks
ellis
uu
s:
koh
ti t
eko
jen
ja
yhte
isö
työ
n s
uo
raa
pal
kits
evu
utt
a
Val
tara
ken
teet
: ko
hti
vai
kutu
ste
n
mu
kaan
osa
llis
tava
a p
äätö
kse
nte
koa
Ke
skia
rvo
Tekn
olo
gio
ide
n
SDG-tavoitteet ja teknologiarelevantit mittarit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Poistaa köyhyys sen kaikissa muodoissa kaikkialta 3 3 10 3 10 3 1 3 3 3 10 3 3 3 10 1 1 3 1 1 3,9
Poistaa nälkä, saavuttaa ruokaturva, parantaa ravitsemusta ja edistää kestävää maataloutta 0 1 0 10 1 1 1 1 0 10 1 3 0 3 1 0 1 1 1 1 1,9
Taata terveellinen elämä ja hyvinvointi kaiken ikäisille 3 1 1 3 1 1 1 1 1 -3 3 10 3 3 3 1 3 1 3 1 2,1
Taata kaikille avoin, tasa-arvoinen ja laadukas koulutus sekä elinikäiset oppimismahdollisuudet 1 1 3 3 1 0 1 3 10 10 3 3 1 10 10 3 0 3 3 1 3,5
Saavuttaa sukupuolten välinen tasa-arvo sekä vahvistaa naisten ja tyttöjen oikeuksia ja
mahdollisuuksia 3 1 1 1 1 1 1 1 3 10 -1 1 3 1 3 1 3 3 1 1 2,0
Varmistaa veden saanti ja kestävä käyttö sekä sanitaatio kaikille 0 0 0 10 1 1 1 0 0 1 0 1 0 3 1 0 3 1 1 3 1,4
Varmistaa edullinen, luotettava, kestävä ja uudenaikainen energia kaikille 10 1 1 -1 10 3 3 1 1 -1 3 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1,9
Edistää kaikkia koskevaa kestävää talouskasvua, täyttä ja tuottavaa työllisyyttä sekä säällisiä
työpaikkoja 3 3 10 3 3 3 -1 10 10 3 1 3 3 3 10 3 1 3 3 1 3,9
Rakentaa kestävää infrastruktuuria sekä edistää kestävää teollisuutta ja innovaatioita 1 3 3 1 10 3 1 1 0 3 3 1 1 1 3 1 3 3 3 1 2,3
Vähentää eriarvoisuutta maiden sisällä ja niiden välillä 3 3 3 3 10 1 1 3 10 3 3 3 3 3 3 3 1 3 3 3 3,4
Taata turvalliset ja kestävät kaupungit sekä asuinyhdyskunnat 10 3 1 1 1 1 10 1 3 3 3 1 3 3 3 1 10 1 3 1 3,2
Varmistaa kulutus- ja tuotantotapojen kestävyys 3 3 1 10 3 10 3 1 1 1 1 1 1 3 1 3 3 1 3 1 2,7
Toimia kiireellisesti ilmastonmuutosta ja sen vaikutuksia vastaan 3 1 1 3 10 3 3 1 1 1 -1 1 1 3 3 1 3 1 3 1 2,2
Säilyttää meret ja merten tarjoamat luonnonvarat sekä edistää niiden kestävää käyttöä 1 1 0 3 1 1 1 1 0 1 -1 0 0 3 3 0 1 1 1 3 1,1
Suojella maaekosysteemejä, palauttaa niitä ennalleen ja edistää niiden kestävää käyttöä; edistää
metsien kestävää käyttöä; taistella aavikoitumista vastaan; pysäyttää maaperän köyhtyminen ja
luonnon monimuotoisuuden häviäminen 0 -1 0 10 -1 1 1 1 1 3 -3 0 0 3 3 1 1 1 3 1 1,3
Edistää rauhanomaisia yhteiskuntia ja taata kaikille pääsy oikeuspalveluiden pariin; rakentaa
tehokkaita ja vastuullisia instituutioita kaikilla tasoilla 3 -3 -1 0 1 0 1 3 -3 3 1 3 1 10 3 -1 10 3 3 3 2,0
Tukea vahvemmin kestävän kehityksen toimeenpanoa ja globaalia kumppanuutta 3 3 1 1 3 1 3 3 3 3 -3 1 0 10 10 1 3 3 1 1 2,6
Päätason vaikutusten keskiarvo 2,94 1,41 2,06 3,76 3,88 2,00 1,88 2,06 2,59 3,18 1,35 2,06 1,35 3,88 4,18 1,12 2,82 1,94 2,18 1,47
Pisteytys perustuu kunkin kuvatun teknologiamurroksen arvioituun merkitykseen suhteessa
kuhunkin teknologiamittariin ja arvonluontiverkoston rooliin (+/-) 1 selkeä rajattu merkitys (+/-) 3 osittainen ratkaiseva tai laaja merkitys(+/-) 10 ratkaisevan laaja/potentiaalinen merkitys
Year2060!
Utopia if we manage all these• Negative CO2 emissions < 500PPM
• Life expectancy up 40 years since2020 due to NAD+ & other means
• Towns & villages mainly physicallyself sustained – conflict has ended
• Farms returned to free nature
• Work democratized, AI makeseveryone capable, immaterialthings are mainly wikipedized
• Most people build their dreamcastles/status symbols to VR
Dystopia if these take place• CO2 growing, breached 500PPM,
fallen ecosystems, famine
• Global physical dependenciesand resource/power struggles
• Shattered digital realm
• Asymmetric cyber warfare and GMO viral attacks & robot terror
• Mass unemployment & scarcityof resources, food and shelter
• Increasing number fallen states
• VR/AR & implant addiction
Risto 103 years