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