25.11.2021
Ihmiskunnan siirtyminen kuivemmille alueille lähti liikkeelle, kun virtaavan veden energiaa alettiin myllyissä siirtää viljasta jauhettuihin jauhoihin. Vähitellen vesivoiman pyörivä liike siirrettiin myös sähköntuotantoon. Nykyaikaiset sähköpumput ovat muuttaneet ihmisten riippuvuuden veden siirtämisestä täydellisesti.
Viime kesän voimakkaat sadekuurot ja tulvat sekä IPCC:n raportti äärimmäisten sääilmiöiden yleistymisestä sai katseet kääntymään kaupunkien vesihuoltoon ja hulevesien hallintaan. Samalla kuivuudesta ja vesipulasta on tullut todellisuutta. Vaikka veden kulutuksessa ei tapahtuisi muutoksia, vedentarpeen odotetaan ylittävän Euroopassa käytettävissä olevat vesivarat 40 prosentilla vuoteen 2030 mennessä. Suomi on tässä suhteessa erittäin hyvässä asemassa, meillä riittää vielä puhdasta vettä.
Suomessa aloitetaan vuonna 2021 kansallisen vesihuoltouudistuksen toteuttaminen. Vesihuoltouudistuksen tavoitteena on varmistaa kaikille turvallinen ja laadukas vesihuolto sekä edistää vesihuollon energia- ja resurssitehokkuutta.
Vesi siirtää ja varastoi energiaa
Kestävä veden- ja energiankulutus sekä tuotanto ovat tärkeitä tavoitteita tulevaisuudessa. Yksi energiajärjestelmien suuria haasteita on energian varastointi. Veden ja energian yhdistämisellä on mahdollista luoda varastointiongelmaan ratkaisuja.
Lisäksi Suomessa energian tuotanto on muuttumassa entistä enemmän hajautetuksi tuotannoksi, mikä tuo omat haasteensa energian säätökykyyn. Erityisesti tuulivoiman merkittävä kasvu Suomessa tuo uudelle energiajärjestelmälle suuria haasteita.
Termi nexus tarkoittaa asiayhteyksien kytköstä. Energia-vesi-nexus tarkoittaa energian ja veden yhteyttä, joka pohjautuu energiantuotannon vedenkäyttöön sekä veden ja jäteveden energiankulutukseen. Energian tuotannon lisäksi vettä käytetään energian siirtämiseen. Vesikiertoisissa lämmitysjärjestelmissä verkoston kaikkiin osiin on saatava riittävä vesimäärä. Lämpöenergia tuodaan huoneisiin pattereissa kiertävän veden välityksellä.
Voima historian halki virtaavasta vedestä
Virtaavan veden energian muuttaminen mekaaniseen tai sähköiseen muotoon perustuu joko veden liike-energiaan tai veden korkeusasemaan. Hyödynnettäessä veden virtausta 1,5 m/s siivekkeillä, joiden pinta-ala on n. 0,2 m2, päästään jopa 400 W tehoon. Huonoilla keskiaikaisilla puisilla rattailla toteutettu vesiratas tuotti korkeintaan viidesosan tästä, eli 80 W hyödyllisenä pyörimisliikkeenä.
Veden potentiaalienergiaa hyödynnettäessä energian tuottopotentiaali saadaan yksinkertaisesti painovoiman kiihtyvyyden (9,8 m/s2) ja putoamiskorkeuden tulona. Tästä syystä norjalaiset vesivoiman tuottajat ovat ylivoimaisia suomalaisiin verrattuna. Putoamiskorkeudet ovat siellä totaalisesti toista luokkaa.
Mekaaninen teho puisista rattaista valmistettuun järjestelmään kasvoi 1800-luvun metallirattaisissa, huolellisesti valmistetuissa ja voidelluissa vesirattaissa jo yli 9 kW saantotehoon. Vesirattailla tehdyn työn tuottavuus verrattuna ihmisten tai eläinten tekemään työhön kasvoi merkittävästi vesivoiman käyttöönoton jälkeen. Vesirattaat olivat tehokkaimmat perinteisen energian muuttajat pitkään vähintään 50 %:n hyötysuhteella. Parhaat alkuaikojen höyrykoneet kykenivät vielä 1700-luvun lopussa muuttamaan vain alle 2 % kivihiilen energiasta hyötytehoksi.
Seisova vesi on valtava energiavarasto
Hiilen kemiallinen energia muutettiin aluksi höyrykoneilla liike-energiaksi. Kun pyörimisliikkeen avulla opittiin tuottamaan sähköä, energian liikkeelle laittava voima otti seuraavan jättiharppauksen. Tänä päivänä New Yorkin metrossa matkustaa yhtä paljon ihmisiä kuin koko Suomessa on asukkaita.
Energiantuotanto tarvitsee valtavasti vettä. Vesivoimalat ovat edelleen maailman suurimpien rakennushankkeiden joukossa. Energian tarpeen jatkuvasti kasvaessa myös veden tarve kasvaa. Vesi raaka-aineena on hyvin eri tavalla jakaantunut maapallolle. Israelissa saadaan sadetta vain 50–100 mm vuodessa, kun jo meillä sademäärä on 700 mm vuodessa, puhumattakaan Norjan sademääristä.
1800-luvun loppuessa vesiturbiinit eivät kuitenkaan enää tuottaneet suoraa tehoa, vaan niillä alettiin pyörittää sähkögeneraattoreita. Nykyajassa tilanne on edennyt siihen, että vaikka pallollemme tulee riittävä määrä energiaa auringosta, sen varastointi ja siirto eivät vielä toteudu tyydyttävästi. Kaikkein suurin ongelma on energian varastointi. Tulevaisuudessa ongelmattominta on varastoida energiaa akku- tai vetyteknologioiden avulla, mutta nämä teknologiat eivät ole vielä täysin kypsiä laajamittaiseen käyttöön. Voiman varastointi veteen on sen sijaan vakiintunutta taitoa, jonka me todella osaamme.
Harri Fränti toimii kouluttajana talotekniikan alalla sekä isännöinnissä. Fräntin mielestä energiatehokkuus on tärkeintä, kaikki muu on pähkinöitä. Lisäksi hänen sydäntään lähellä ovat Lean-asiat.
