Aurinkoenergia vähentää hiilidioksidipäästöjä elinkaarensa aikana

Energian takaisinmaksuaika (energy payback time) kuvaa aikaa, jonka voimalaitoksen tulee olla toiminnassa, ennen kuin järjestelmän valmistukseen ja ylläpitoon kulunut energia on tuotettu takaisin. Aurinkosähköjärjestelmillä kyseinen aika vaihtelee 0,75 ‒ 5 vuoden välillä ja aurinkolämpöjärjestelmillä puolestaan 1–3,5 vuoden välillä. Ottaen huomioon, että aurinkoenergiajärjestelmien käyttöikä on 30 vuotta ja sen tuottama energia on päästötöntä, järjestelmät ovat energiatehokkaita.

Energian takaisinmaksuaika on kuitenkin riippuvainen monesta muuttujasta, kuten järjestelmän sijainnista, valmistukseen tarvittavista raaka-aineista, sääolosuhteista ja järjestelmän eliniästä. Vuonna 2011 tehdyn elinkaarianalyysin mukaan, Pohjois-Euroopassa aurinkoenergiajärjestelmät tuottavat elinaikanaan valmistamiseen kuluneen energian määrään viisinkertaisesti takaisin.

Energiajärjestelmien EROI-lukujen tulkinta edellyttää kriittisyyttä

Uuden energiamuodon tehokkuutta ja ilmastoystävällisyyttä mitattaessa on keskeistä selvittää objektiivisesti ja tarkasti, mikä on kyseisen energiamuodon EROI (Energy return on investment). EROI-arvo kertoo, miten paljon energiajärjestelmän valmistus, ylläpito ja purkaminen kuluttavat energiaa (E_I=investoitu energia) suhteessa järjestelmän elinkaaren aikana tuotettuun energian määrään (E_R).

R := E_R/ E_I .

Mikäli EROI tunnusluku R on suurempi kuin yksi, laitteisto tuottaa tällöin elinkaarensa aikana enemmän energiaa kuin mitä kuluttaa.

EROI-luku ei ole yksinään luotettava mittari eri energianlähteiden vertailuun. Eri tutkimusten tuloksina saadut EROI arvot vaihtelevat huomattavasti keskenään. Laskentaan liittyy huomattava määrä taustaoletuksia, jotka usein vaihtelevat eri tutkimusten ja tutkijoiden kesken. Eroja saattaa selittää tekijöiden erilaiset ideologiset tai taloudelliset pyrkimykset (Gupta & Hall, 2011). Energiajärjestelmän EROI-arvon suuruuteen näyttää vaikuttavan huomattavan paljon se, keneltä asiaa kysyy, mikä teknologia laskelmissa oletetaan, minkä tuotantovaiheiden energiankulutus on laskelmissa otettu huomioon ja mikä on järjestelmän oletettu elinikä ja sijainti. Täten EROI laskelmien tulkinta edellyttää aina perehtymistä tutkimukseen ja laskelmien taustaoletuksiin. Kansainvälisiä keskimääräisiä EROI lukuja on eri energialähteille haastava laskea, sillä kaikilla energiantuotantomailla ei ole julkista ja luotettavaa dataa koko energiantuotannostaan (Gupta & Hall, 2011). EROI-luku on vain yksi mittari energiantuotannon ympäristöystävällisyyttä arvioitaessa. Esimerkiksi elinkaaren aikana koituvien ulkoisvaikutusten kuten kasvihuonepäästöjen tai vesistöjen saastumisen ongelmia ei ole huomioitu laskennassa.

Perehdyin kolmeen artikkeliin, missä käsiteltiin EROI-arvoja uusiutuville (aurinkoenergialle, tuulelle ja biokaasulle) sekä uusiutumattomille (ydinvoimalle, hiilelle ja öljylle) energiamuodoille. Artikkeleiden laatijat eivät itse olleet keränneet tilastoja EROI-lukujen määrittämiseksi, mutta he analysoivat laskettuja arvoja tai korjasivat aiemmin tehtyjä tutkimustuloksia. Ympäristötalouden tutkijat Stephen B. Balogh, Charles A.S. Hall ja Jessica G. Lambert (2013) laskivat keskiarvoja eri tutkimuksissa ilmoitetuille EROI-arvoille. Ydinfysiikan tutkija Daniel Weißbach kollegoineen perusti EROI laskelmansa useiden eri lähteiden arvoille. Artikkelin suhtautuminen uusiutuvia energiamuotoja kohtaan on kriittinen ja Weißbach et. al päätyivät pienempiin EROI-arvoihin aurinko- ja tuulivoimalle, kuin useimmat muut julkaisut. Kolmas tutkimusartikkeli perustuu Stanford Universityn Global Climate and Energy Projectin tuloksiin. Sally M. Bensonin ja Michael Dalen artikkelissa (2013) arvioitiin aurinkoenergialle kaikista suurimmat EROI-lukemat.

Energiamuotojen EROI-lukujen vertailua

Fossiilisten polttoaineiden EROI lukemat olivat kaikissa luetuissa artikkeleissa korkeita. Globaalilla tasolla mitattuna öljyllä ja kaasulla EROI lukemat ovat keskimäärin luokkaa 20/1, vaikkakin vuonna 1995 kyseinen suhdeluku oli vieläkin suurempi, noin 30/1. Toisella tärkeällä fossiilisella polttoaineella hiilellä vastaava luku on puolestaan 46/1. (Hall, Lambert ja Stephen, 2013) Weißbach et. al. arvioivat hiilen EROI-arvon alemmaksi, lukemaan 29/1.

Ydinvoiman EROI-arvosta tehty analyysi (otos 33 artikkelia) antaa energiamuodolle noin 14/1 suuruisen luvun. Ydinvoiman EROI-arvoa laskee uraanin rikastaminen, mikä on erittäin energiaintensiivistä. EROI-luku voi kuitenkin olla suurempi uudemmilla teknologioilla, mistä on olemassa vielä vähän tietoa (Balogh, Hall, Lambert, 2013). Ydinvoimatutkija Daniel Weißbachin tutkimusryhmä arvioi ydinvoiman EROI:n olevan luokkaa 75/1, mikä on korkea verrattuna Balogh et. al. tulokseen 14/1. Korkeaa lukua selittää se, että Weißbach et. al. ovat arvioineet luvun uusimman teknologian mukaan ja laskelmista on jätetty pois vanhoja ydinenergialaitoksia.

Balogh, Hall ja Lambert analysoivat myös bioenergiaa, tuulivoimaa ja aurinkoenergiaa. Lukuisista bioenergia lähteistä saatavalle etanolille laskettiin EROI-arvo, jonka 74 lähteen keskiarvo oli 5/1 (Hall et. al, 2013). Tulos on kuitenkin hieman ylöspäin vinoutunut, sillä otoksessa oli useampi otoksen keskimääräistä EROI-lukua suurempi havainto. Weißbach et. al puolestaan arvioivat bioenergian EROI luvun hieman alemmaksi päätyen lukuun 3,5/1.

Tuulivoimalle analyysi (Balogh et. al) antoi puolestaan melko suuret EROI-arvot, joiden keskiarvo oli noin 18/1‒20/1. Tutkijat kuitenkin toteavat, että käytännössä lukemat saattavat olla pienempiä, koska tuulivoiman toimitusepävarmuus edellyttää usein esimerkiksi akuston käyttöä. Weißbach et. al (2013) taas laskivat tuulivoiman EROI:n olevan luokkaa 16/1. Hän painotti, että niin tuuli kuin aurinkovoimassa järjestelmän sijainti vaikuttaa merkittävästi EROI-arvoihin.

Aurinkosähköjärjestelmien vertailu muihin energiajärjestelmiin oli Baloghin, Hallin ja Lambertin (2013) mukaan vaikeata, sillä monissa artikkeleissa EROI-arvojen laskemisessa käytettiin usein haastavia parametrejä ja metodologioita, jotka vaihtelivat huomattavasti eri tutkimusten välillä. Näistä ongelmista huolimatta analyysi antoi aurinkoenergialle EROI-arvon 10/1.

Weißbach puolestaan arvio aurinkosähköjärjestelmille EROI-arvoksi 4/1 olettaen järjestelmän sijainniksi Pohjois-Saksan ja eliniäksi 25 vuotta. Aurinkolämmölle samassa artikkelissa arvioitiin puolestaan 30 vuoden elinikä ja sijainniksi Marocco, jolloin EROI-luvuksi saatiin 21/1. Tutkimus siis paljastaa miten iso osuus sijainnin ja käyttöiän valinnalla on uusiutuvien EROI-arvoille.

Bensonin ja Dalen (2013) julkaisussa aurinkoenergialle esitetään yhtä korkeita EROI-lukuja kuin hiilelle. Global Climate and Energy Prjoect:in mukaan aurinkosähköjärjestelemän EROI voisi olla kaikista tehokkaimmilla järjestelmillä niinkin korkea kuin 25/1.

Luettujen artikkelien perusteella EROI-luku on kiistanalainen mittari, joka ei tarjoa yksiselitteistä mittapuuta kokonaistaloudelliseen energiataloudelliseen tarkasteluun. EROI-lukuja tarkasteltaessa on erityisen tärkeää huomioida tutkimusten taustaoletukset ja käyttää rinnalla myös muita elinkaarivaikutusten mittareita.

Aurinkopaneeleihin ja -keräimiin tarvittavia mineraaleja on maapallolla rajallisesti ja niiden saatavuuden turvaaminen ‒ tai korvaaminen ‒ on tärkeää

Vaikka aurinkoenergia itsessään onkin päästötöntä, järjestelmien rakentaminen ei ole vapaa ympäristövaikutuksista. Ympäristöministeriön vuonna 2014 tekemän selvityksen mukaan, aurinkoenergian suurin haaste ekologisuuden saralla on aurinkopaneelien ja -keräinten valmistukseen tarvittavien materiaalien riittävyys. Esimerkiksi aurinkopaneeleissa käytetään metalleja (hopea, alumiini, indium, telluuri, galium), joiden saatavuus voi tulevaisuudessa aiheuttaa ongelmia. Luonnonvarojen riittävyys on haaste monille teknologioille ja valmisteteollisuuden aloille, eikä vain aurinkoenergiateollisuudelle. Euroopan Unioni on vastannut resurssiniukkuuden haasteeseen asettamalla vuonna 2014 Wee-direktiivin (Waste Electrical and Electronic Equipment, 2002/96/EY), mikä koskee sähkö- ja elektroniikkaromun (SER) keräystä, käsittelyä ja kierrätystä.

Kirjoittaja: Julia Müller, 8/2015

Lähteet

Albrecht Johan, Dewulf Jo, Laleman Ruben, 2011: Life Cycle Analysis to estimate the environmental impact of residential photovoltaic systems in regions with a low solar irradiation. Renewable and Sustainable Energy Rewievs, Vol 15, sivu 267.

Czerski K., Gottlieb S., Gottlieb S., Hussein A., Weißbach D. Energy intensities, EROIs, and energy payback times of electricity genergating power plants. 2013. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544213000492).

Balogh Stephen, Hall Charles, Lambert Jessica. 2013. EROI of different fuels and the implications for society. Energy Policy 64. Sivut 141‒152. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421513003856).

Benson Sally ja Dale Michel. 2013. Energy Balance of the Global Photovoltaic (PV) Industry . Is the PV Industry a Net Electricity Producer?. Sivut 3482‒3489. Environmental Science & Technology, 47. (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es3038824).

Goh Li Jin, Adnan Ibrahim, Yee Kim Chean, Roonak Daghigh, Hafidz Ruslan, Sohif Mat, Mohd. Yusof Othman, Kamaruzaman Ibrahim, Azami Zaharim, Kamaruzaman Sopian, 2010: Evaluation of Single-Pass Photovoltaic-Thermal Air Collector with Rectangle Tunnel Absorber. Solar Energy Research Instiute, Universiti Kebangsaan Malaysia. Sivu 493.

Gupta Ajay, Hall Charles. 2011. A Review of the Past and Current State of EROI Data. Sivut 1796‒1809. Sustainability Review. (http://www.mdpi.com/2071-1050/3/10/1796/htm).

Jinqing Peng, Lin Lu, Hongxing Yang, 2013: Review on life cycle assessment of energy payback and greenhouse gas emission of solar pholovoltaic systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol 19, sivu 255.

Leskinen Pekka, Holma Anne, Kaisa Manninen, Sinkko Taija, Pasanen Karri, Rantala Mirja, Sokka Laura, 2014: Uusiutuvan energian tuotannon ja käytön ympäristövaikutukset ja -riskit. Ympäristöministeriön raportteja 9. Kirjallisuuskatsaus ja asiantuntija-arvio.

Smarter use of scarce resources: Commission launches flagship initiative for sustainable growth. Haettu 13.7.2015.

Solar Waste/ European WEE directive.  Haettu 9.7.2015.

Tina, S. Gagliano, S. Raiti, 2006: Hybrid solar/wind power system probabilistic modelling for long-term performance assessment. Solar Energy. Vol 80, sivut 578‒588.

Weißbach, G. Ruprecht, A. Huke, K. Czerski, S. Gottlieb, A. Hussein, 2013: Energy intensities, EROIs and energy payback times of electricity generating power plants. Energy. Vol 52, sivu 15.