Ilmastonmuutoksen ja energiankäytön didaktiikkaa

Ilmastonmuutoksesta ja energiankäytöstä puhutaan paljon mediassa. Pääviesti on jo selvä: maailmanlaajuista energian tuotantoa ja kulutusta on muutettava merkittävästi, jotta ilmaston lämpenemistä pystyttäisiin hillitsemään. Mutta miten näistä asioista pitäisi puhua koulussa?

Ilmastonmuutos on keskeinen teema uusimmissa peruskoulun ja lukion opetussuunnitelmien perusteissa. Esimerkiksi lukio-opetuksen arvopohjan kuvauksessa asetetaan tavoitteeksi, että “Opiskelija ymmärtää oman toimintansa ja globaalin vastuun merkityksen luonnonvarojen kestävässä käytössä, ilmastonmuutoksen hillinnässä ja luonnon monimuotoisuuden säilyttämisessä” (LOPS 2019, s.17). Tätä varten “Opiskelija tutustuu tutkimustietoon ja käytäntöihin, jotka liittyvät ilmastonmuutoksen hillitsemiseen ja luonnon monimuotoisuuden turvaamiseen. Hän saa mahdollisuuksia havainnoida, suunnitella, tutkia ja arvioida toimintaa, jolla näitä ilmiöitä voidaan muuttaa kestävään suuntaan” (s. 64).

Merkille pantavaa opetussuunnitelman perusteissa on, että ilmasto on kattava yleisteema, jota tulee käsitellä laaja-alaisesti yli oppiainerajojen. Luonnontieteellisten aineiden lisäksi ilmastokysymyksiä tulisi tarkastella mm. äidinkielen ja elämänkatsomustiedon yhteydessä.

Ilmastonmuutosta tutkitaan sekä mittausaineistoihin että teoreettisiin lähtöoletuksiin perustuvien mallien avulla. Nämä mallit sisältävät lukuisia muuttujia, joiden välisiä yhteyksiä kuvataan mm. epälineaaristen osittaisdifferentiaaliyhtälöiden avulla. Tällaisten mallien yksityiskohtainen käsittely ei ole mahdollista koulussa. Sopivampi tavoite on, että opimme arvioimaan ja perustelemaan ilmastoon ja energian käyttöön liittyviä toimintatapojamme ja valintojamme eri näkökulmista. Esimerkkejä sopivista tilanteista löytyy helposti sekä oppilaiden arjesta että yleisemmältä tasolta.

Esimerkkejä energian kulutusvertailuista

Monessa kodissa pyritään säästämään energiaa mm. sammuttamalla valot huoneista, joissa ei oleskella. Joskus joku perheenjäsen saattaa jopa huomauttaa toista, jos tämä on jättänyt WC:n valot palamaan sieltä lähdettyään. On selvää, että jos vessassa palaa valo tunninkin verran ilman, että siellä kukaan käy, niin se on tarpeetonta energian kulutusta. Tuhlatun energian määrä on helposti laskettavissa. Jos lampun teho on vaikkapa 15 W, niin se kuluttaa energiaa tunnissa

$\mathrm{3600\ s\cdot 15\ W =3600\ s\cdot 15\ J/s = 54\ 000\ J}$.

Mietitäänpä WC:ssä käyntiä vielä toisestakin näkökulmasta. Jos asiansa toimituksen päätteeksi pesee kätensä juoksevan lämpimän veden alla, siihenkin kuluvan energian määrää voidaan ainakin jollakin tarkkuudella arvioida. Oletetaan, että kädet pestään 45-asteisessa vedessä, ja että sitä kuluu viisi litraa. Runkoverkossa veden lämpötila on noin viisi astetta. Kun veden ominaislämpökapasiteetti on 4,186 kJ/K∙kg, on veden lämpötilan nostamiseen 40 celsiusasteella kulunut energiaa vähintään

$\mathrm{5\ kg\cdot (45-5)K\cdot 4,186\ kJ\ /\ K\cdot kg = 837\ 200\ J}$

eli yli 15-kertainen määrä. Jos lisäämme tähän malliin realismia ottamalla huomioon senkin, että veden lämmittämisen aikana merkittävä osa energiasta siirtyy muualle kuin veden lämpöenergiaksi, ja että todennäköisesti valutamme hanasta ennen käsien pesua jonkin aikaa vettä, joka on kertaalleen lämmitetty mutta ehtinyt jo jäähtyä putkistossa, voi todellinen käsien pesuun kuluva energiamäärä olla viisinkertainenkin äsken laskettuun nähden. Tällöin yksi käsienpesu vastaa valojen päällä pitämistä yli kolmen vuorokauden ajan. Vaikka valaisussa säästäminen on hyödyllistä sekin, vaikutukseltaan oleellisempaa on siis kiinnittää enemmän huomiota lämpimän veden käyttöön.

Vastaavanlaisia havaintoja voi tehdä myös globaalilla tasolla. Esimerkiksi perinteisten polttomoottorilla toimivien autojen korvaamista sähköautoilla on syytä tarkastella useasta eri näkökulmasta. Se, kuinka paljon sillä tavalla vähennetään kasvihuonekaasujen määrää ilmakehässä riippuu oleellisesti siitä, miten liikenteen tarvitsema sähkö tuotetaan ja jaetaan. Autoja maailmassa oli kesäkuussa 2021 noin 1,4 miljardia kappaletta. Toisaalta koko Maapallon kattava kaupallinen lentoliikenne perustuu tällä hetkellä alle 30 000 lentokoneen laivueeseen. Vaikka yksi jumbojet voi kuluttaa yli 10 000 litraa polttoainetta lentotunnin aikana, muutama vastaavanlainen laskutoimitus kuin edellä paljastaa, ettei liikenteen päästörajoituksia globaalilla tasolla saavuteta pelkästään lentoliikennettä rajoittamalla vaan pikemminkin kehittämällä joukkoliikennettä ja liikennekulttuuria sellaisiksi, että tarve käyttää yksityisautoja vähenee oleellisesti. 

Mielenkiintoisen lisänäkökulman globaalien ilmiöiden tarkasteluun saa, kun arvioi miten omassa arjessa tehdyt valinnat suhteutuvat näihin ilmiöihin. Jos esimerkiksi maailman kaikki kotitaloudet käyttäisivät energiaa yhtä paljon kuin omassa taloudessa käytetään, miten yhteenlaskettu energiamäärä suhteutuisi vaikkapa liikenteen käyttämään energiamäärään?

Energiansäästölamppua pitelevä käsi harmaalla taustalla

Artikkelin tavoite

Olemme koonneet tähän artikkeliin perustietoa ilmastosta, sen muutoksesta ja energiankäytön yhteydestä ilmastonmuutokseen. Pyrkimyksemme on hahmotella, millaisista näkökulmista ilmastonmuutoksesta voisi yläkoulussa ja lukiossa keskustella analyyttisesti ja opetussuunnitelman perusteissa mainitut tavoitteet täyttäen. Vaikka tietoa ilmastonmuutoksesta ja sen syistä on tarjolla paljon, huomio yleisissä keskusteluissa ei välttämättä aina kohdistu kaikkein keskeisimpiin tekijöihin. Tästä hyvä esimerkki on se, että ilmaston lämpenemiseen vaikuttaa moni muukin seikka kuin hiilidioksidin määrä ilmakehässä. Jo eri kasvihuonekaasut syntyvät ja vaikuttavat eri tavoin. Perehtyminen siihen, miten ja millä osuudella mikäkin tekijä vaikuttaa ilmakehän lämpenemiseen, auttaa meitä löytämään helpommin yhteisymmärryksen siitä, millaisiin toimenpiteisiin meidän olisi ryhdyttävä ilmastonmuutoksen torjunnassa.

Mikä on ilmasto?

Ilmasto on tietyn alueen säiden vaihtelujen pitkän ajan keskiarvo. Tyypillinen tarkasteluväli ilmastonmuutoksessa on vähintään 10–30 vuotta, jolloin sääolojen tilastollisessa käyttäytymisessä alkaa ilmetä selvää säännönmukaisuutta. Ilmaston muodostavia säämuuttujia ovat mm. lämpötila, sademäärä, lumiolot, pilvisyys, maanpinnan peitteisyys, tuulet, ilmanpaine sekä ilman kosteus. Suomen ilmastoon vaikuttaa eniten maamme sijainti korkeilla leveysasteilla suuren mantereen reunalla. Säät vaihtelevat maassamme suuresti riippuen siitä, mistä suunnasta ilmavirtaukset ja liikkuvat matala- ja korkeapaineet meille saapuvat. 

Maapallon ilmastossa on luonnollisista syistä johtuvia vaihteluja, joiden kesto on muutamia kymmeniä vuosia. Ne aiheutuvat ilmakehän ja valtamerien keskinäisistä vuorovaikutuksista. Tunnetuin tällainen ilmakehän sisäisestä vaihtelusta johtunut viileämpi kausi oli ns. pieni jääkausi 1600- ja 1700-lukujen vaihteessa. Kyseessä oli Euroopassa vallinnut ilmastohäiriö, ei koko maapalloa kattava ilmiö.

Myös voimakkaat tulivuoren purkaukset voivat aiheuttaa maapallon ilmakehän jäähtymistä muutamiksi vuosiksi. Purkauksien yhteydessä keski-ilmakehään pääsee suuria määriä rikkidioksidia, joka muodostaa ilmaan rikkihappo- ja sulfaattihiukkasia. Nämä hiukkaset jäähdyttävät maapalloa sirottamalla auringon säteilyä takaisin avaruuteen. Samoin Tyynen valtameren päiväntasaajan seuduilla El Nino ja La Nina nimillä tunnetut lämpötilojen heilahtelut näkyvät laajoilla alueilla maapallolla muutamien vuosien aikana. Kyseessä on valtameren ja ilmakehän keskinäisestä vuorovaikutuksesta.

Kasvihuoneilmiö

Jo 1800-luvulla tiedemiehet oivalsivat, että maapallon ilmakehä toimii kasvihuoneen lasikaton tavoin päästäen auringosta tulevan säteilyn maan pinnalle ja estäen maapallon lämpösäteilyä karkaamasta suoraan avaruuteen. Tämä oivallus selitti, miksi maan pinnan ja alempien ilmakerrosten lämpötila on merkittävän korkea. Viime vuosisadan alkuvuosikymmeninä maapallon ilmaston havaittiin lämpenevän selvästi, erityisesti pohjoisilla alueilla. Jo silloin katsottiin, että kasvihuoneilmiön vahvistuminen kävisi selitysmalliksi lämpenemiselle.

Maapallolle saapuu keskimäärin noin 340 W/m2 auringon säteilytehoa. Siitä heijastuu takaisin avaruuteen noin 30 %. Loppuosa imeytyy pääosin maahan ja merien pintakerroksiin, ja myös ilmakehään. Ilmakehässä auringon tuottama energia muuttuu lämmöksi. Maapallolla kasvihuoneen lasikaton tehtävistä huolehtivat ilmakehän kasvihuonekaasut, joista tärkeimpiä ovat vesihöyry (H2O) ja hiilidioksidi (CO2).

Kasvihuonekaasuilla on niiden molekyylirakenteen johdosta riippuvia ominaisuuksia, jotka antavat niille kyvyn imeä lämpösäteilyä tietyillä aallonpituuksilla, samalla kun ne päästävät lävitse muun säteilyn. Ilmakehän valtakaasuilla hapella ja typellä ei tällaisia ominaisuuksia ole. Kasvihuonekaasumolekyyli voi muuttaa saamansa energian uudelleen säteilyksi, jolloin osa säteilyn energiasta palaa takaisin maan pintaa ja meriä lämmittämään. 

Vesihöyry on tärkeä kasvihuonekaasu. Sen lämpötilaa muuttava vaikutus on paljon suurempi kuin hiilidioksidilla. Se selittää luonnollisen kasvihuoneilmiön aiheuttamasta lämmönlisästä runsaasti yli puolet. Sen vaikutusmekanismi poikkeaa kuitenkin muista. Kun muiden kasvihuonekaasujen vaikutuksesta ilman lämpötila kasvaa hieman, se nostaa ilman vesihöyrypitoisuutta. Tämä johtaa ilman lämpömäärän nousuun, koska vesi korkean ominaislämpökapasiteettinsa ansiosta sitoo paljon lämpöenergiaa. Lisäksi vesihöyryn lisääntyminen ilmakehässä voimistaa muiden kasvihuonekaasujen lämpövaikutusta.

Kasvihuoneilmiö ei kuitenkaan ole pohjimmiltaan huono asia. Ilman kasvihuoneilmiötä maapallon pintalämpötila olisi noin -18 °C, mutta kasvihuonekaasujen vaikutuksesta lämpötila on selvästi plussan puolella, +15 °C. Kasvihuoneilmiö on meille suorastaan välttämätön, se pitää maapallon lämpötilan elämälle suotuisana. Viimeisten lähes 200 vuoden aikana ihmiskunta on kuitenkin merkittävästi vahvistanut kasvihuoneilmiötä lisäämällä kasvihuonekaasujen päästöjä.

Kasvihuoneilmiö on voimistunut

Ilmakehän alemmissa kerroksissa voimakkain kasvihuonekaasu on siis vesihöyry. Toisella sijalla on hiilidioksidi. Muita tärkeitä kasvihuonekaasuja ovat metaani (CH4) ja dityppioksidi (typpioksiduuli, N2O), mutta niiden pitoisuudet ovat vähäisiä vaikkakin kasvihuoneilmiön vahvistumisen kannalta merkittäviä. Metaania syntyy siellä, missä eloperäistä ainetta hajoaa hapettomissa oloissa. Ikiroudan sulaessa arktisilla alueilla, kuten Siperiassa, vapautuu siellä metaania ilmakehään. Ilmakehän metaanipitoisuus on tätä nykyä reilusti kaksinkertainen teollistumisen aikaa edeltävään tasoon verrattuna. Luonnossa dityppioksidia syntyy myös maatalouden päästöistä.

Hiilidioksidi on ihmiskunnan tuottamista kasvihuonekaasuista ylivoimaisesti tärkein. Kuva 1 näyttää, miten hiilidioksidin määrä ilmakehässä on vaihdellut viimeisen 2 000 vuoden aikana. Tiedot varhaisimmilta ajoilta perustuvat jäätikkökairauksiin ja uudemmat 1950-luvulta lähtien suoriin mittauksiin ilmakehästä. Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä ilmoitetaan tilavuuden miljoonasosina (ppm).

Kaksi diagrammia, ilmakehän alimman kerroksen hiilidioksidipitoisuus ja koko maapallon lämpötilapoikkeama viimeisten 2 000 vuoden aikana.

Kuva 1. Ilmakehän alimman kerroksen hiilidioksidipitoisuus ja koko maapallon lämpötilapoikkeama (1961–1990 keskiarvon suhteen) viimeisten 2 000 vuoden aikana. (Lähde: National Oceanic and Atmospheric Administration) 

Hiilidioksidin määrän raju kasvu viimeksi kuluneiden 200 vuoden aikana teollisen vallankumouksen alkamisen jälkeen näkyy kuvassa muutoskäyrän lähes pystysuorana nousuna. Vaikka hiilidioksidin määrässä ilmakehässä on aiemminkin ollut vaihtelua, ihmiskunnan toimien tuloksena se on lähes kaksinkertaistunut. Suhteessa monituhatvuotiseen hitaaseen vaihteluun ihmiskunta on tuottanut kuin silmänräpäyksessä valtavan muutoksen hiilidioksidin määrään ilmakehässä. Vuonna 2021 pitoisuus on noin 410 ppm eli noin 0,041 % ilmakehän kaasuista. Luku on korkeampi kuin koskaan yli kahden miljoonan vuoden aikana kuten jäätikkökairausten perusteella tiedetään. Nykymenolla hiilidioksidin määrä ilmakehässä kasvaa vuosittain keskimäärin 2–4 ppm.

Valtaosa ihmiskunnan ilmakehään päästämästä hiilidioksidista on peräisin fossiilisten polttoaineiden käytöstä energialähteinä. Merkittävä lisätekijä hiilidioksidin vaihtelussa on maankäytön muutos, ennen kaikkea trooppisten sademetsien hävittäminen. Kun ilmakehään tuotetaan ihmiskunnan toimesta uutta hiilidioksidia, hiilen luonnollinen kiertokulku jakaa tämän lisäkuorman ilmakehän, kasvipeitteen ja merien kesken. Vähän alle puolet tästä määrästä jää ilmakehään, loppu sitoutuu meriin ja kasvillisuuteen ja maaperään.

Pienhiukkaset ilmakehässä

Kaasujen ohella ilmakehässä, etenkin sen alemmissa kerroksissa, on vaihtelevia määriä nestemäisiä ja kiinteitä epäpuhtauksia, joita syntyy luonnostaan mutta myös ihmistoiminnan tuloksena. Tärkeimpiä luonnollisia hiukkaslähteitä ovat esimerkiksi valtamerestä peräisin olevat merisuolahiukkaset, tuulen maasta nostattama pöly, metsäpaloissa syntyvät noki- ja savuhiukkaset sekä tulivuorista nouseva aines. Pilvien synty ilmakehässä perustuu näiden aerosolihiukkasten olemassaoloon, sillä jokainen pilvessä oleva pisara vaatii muodostuakseen hiukkasmaisen tiivistysytimen. Pilvipeitteellä on merkittävä osuus maapallon lämpötaloudessa.

Ihmiskunta tuottaa hiukkasia käyttäessään fossiilisia polttoaineita teollisuudessa ja liikenteessä, biomassan kuten turpeen poltossa, kaivostoiminnassa ja maaperän muokkauksessa. Näistä lähteistä ilmakehään joutuu myös rikkipitoisia hiukkasia.

Ilmakehän pienhiukkaset vaikuttavat maapallon säteilytasapainoon monin tavoin. Pienhiukkaset samentavat ilmakehää auringon säteilyä estämällä ja aiheuttavat siten viilentymistä. Toisaalta esimerkiksi noki- ja pölyhiukkaset imevät itseensä osan auringon lämpöä lämmittäen niitä ilmakerroksia, joissa hiukkasia leijailee. Lumen tai jään pinnalle kertyneet nokihiukkaset ottavat vastaan tehokkaasti auringon säteilyä ja kiihdyttävät lumen ja jään sulamista, mikä nopeuttaa ilmaston lämpenemistä erityisesti pohjoisilla alueilla.

Maailmanlaajuisesti ilmakehän pienhiukkaset pääosin viilentävät maapalloa ja toimivat näin ilmastonmuutoksen jarruna. Nykytietämyksen mukaan aerosolien vaikutus viilentää kasvihuonekaasujen aiheuttamaa lämpenemistä noin 35 %. Toisaalta ihmiskunnan tuottamien pienhiukkasten määrä ilmakehässä ei tulevaisuudessa tule ratkaisevasti lisääntymään. Pienhiukkasten elinikä on lyhyt verrattuna kasvihuonekaasujen pysyvyysaikaan. Näin ollen hiukkasten ilmastoa viilentävä vaikutus jää kasvihuonekaasujen aikaansaaman lämpenemisen varjoon.

Jäätikönreuna merellä

Jääkaudet ja Auringon vaikutus

Maapallon ilmasto muuttuu myös luonnollisista syistä. Maapallolla on ollut ainakin kuusi useita miljoonia vuosia kestäneitä jäätiköitymisvaiheita. Saattaa kuulostaa erikoiselta, mutta parhaillaan elämme noin 30 miljoonaa vuotta sitten alkanutta kylmän jäätiköitymisvaiheen aikakautta. Tunnetumpia ilmastollisia muutoksia maapallon historiassa edustavat jäätiköitymisvaiheita lyhyemmät jääkaudet. Viimeisen kolmen miljoonan vuoden aikana on ollut viisi tai kuusi suurempaa jääkautta ja lukuisia muita jäätiköitymiskausia. Viimeisintä jääkautta kutsutaan Veiksel-jääkaudeksi. Se kesti noin 100 000 vuotta ja loppui noin 11 700 vuotta sitten.

Jääkausien kylmimpien vaiheiden aikana maapallon ilmakehä lämpötila lähellä maanpintaa on tyypillisesti 5–6 °C nykyistä alempi. Veiksel-jääkauden jälkeisenä aikana maapallon astronomiset tekijät ovat kehittyneet hitaasti siten, että maapallon keskilämpötila on alentunut hieman alle puoli astetta tuhatta vuotta kohden. On arvioitu, että ilman ihmiskunnan aiheuttamaa ilmaston lämpenemistä seuraava jääkausi koittaisi noin 30–50 tuhannen vuoden päästä. Ilmaston lämpeneminen siirtää mahdollisen seuraavan jääkauden alkua kymmeniä jos ei satoja tuhansia vuosia kauemmaksi tulevaisuuteen.

Eräs keskeinen syy jääkausille on maapallon kiertoakselin kallistuskulman hitaat muutokset, maan kiertoradan soikeus auringon ympärillä sekä akselin kiertymä ja hyrräliike. Ne säätelevät auringon lämpövaikutusta maapallon eri leveysasteilla. Pohjoisella pallonpuoliskolla jäätiköiden määrää säätelee alueen saaman auringon säteilyenergian vaihtelu. Jäätiköiden laajenemista suosii tilanne, jolloin pohjoisen pallonpuoliskon korkeat leveysasteet saavat kesän aikana vähän säteilyä. Kuten geometriaa soveltamalla voi todeta, näin käy erityisesti silloin, kun maapallon pyörimisakselin kulma on mahdollisimman pieni, maapallon kiertorata soikeimmillaan ja maapallo kauimpana auringosta pohjoisen kesän aikana. Näissä olosuhteissa kesä jää viileäksi, eikä talven aikana kertynyt lumi ehdi täysin sulaa kesän aikana. Tästä jäätiköityminen saa vauhtia. Päinvastaisessa tilanteessa jäätiköt alkavat hiljalleen sulaa. 

Maapallon kiertorataan liittyvät muutokset ovat hitaita ja ne tapahtuvat noin 10 000–100 000 sykleinä. Pidemmällä aikavälillä jääkausien esiintymiseen vaikuttavat myös mannerliikunnot ja niistä johtuvat merivirtojen muutokset sekä meren pinnan korkeuden vaihtelu. Jäätiköiden muodostumista ja sulamista nopeuttavat myös ilmakehän hiilidioksidimäärän vaihtelut. Jääkauden kylmissä olosuhteissa hiilidioksidia imeytyy meriin, mutta lämpimimpinä aikoina sitä vapautuu ilmakehään voimistaen lämpenemiskehitystä.

Auringon kokonaissäteilyssä on satelliittimittausten mukaan heikko noin 0,1 % suuruinen vaihtelu. Sen lämpötilavaikutus maapallon keskilämpötilaan on pieni, mutta se voidaan erottaa lämpötilojen aikasarjoissa. Auringon hitaat säteilymuutokset vuosikymmenestä toiseen ovat laskennallisesti nostaneet maapallon keskilämpötilaa noin 0,1 °C verrattuna 1800-luvun puolivälin tasoon.

Aurinko vaikuttaa ilmakehään myös muilla tavoilla. Esimerkiksi Auringon maan yläilmakehään kohdistuvat hiukkaspommitukset ja voimakas ultraviolettisäteily käynnistävät muutoksia yläilmakehässä tietyissä aurinkosyklien vaiheissa. Näihin liittyvät otsonipitoisuuden vaihtelut ja muut ilmakemialliset prosessit voivat muuttaa yläilmakehän lämpötilaa ja sitä kautta ilmakehän laaja-alaisten kiertovirtauksien ominaisuuksia lähinnä napa-alueilla lähempänä maanpintaa. 

Maapallon ilmakehän kokonaisuuteen näillä ilmiöillä ei kuitenkaan ole suurta merkitystä käynnissä olevan ihmisperäisen ilmastonmuutoksen rinnalla. Maapallonlaajuiseen ilmastonmuutokseen auringon säteilytoiminnan muutoksilla on siis vain pieni vaikutus. 

Energia ja sen lähteet

Energia on suure, joka kuvaa voiman tai fysikaalisen systeemin kykyä tehdä työtä. Arkisemmassa kielenkäytössä ymmärrämme sen voimiemme ja toimintakykymme “polttoaineeksi”. Kaikki ihmisen käyttämä energia on peräisin luonnosta löytyvistä primäärienergian lähteistä, joista tärkeimpiä ovat tuuli, auringon säteily, virtaava vesi, kasvien muodosta biomassa sekä maan kamarassa sijaitsevat öljy-, kaasu- ja hiilivarat. 

Primäärienergia jaotellaan useimmiten uusiutuviin ja uusiutumattomiin energialajeihin. Uusiutuvaa energiaa ovat tuuli- ja aurinkoenergia, vesivoima, aalto- ja vuorovesienergia sekä biopolttoainesta valmistettu bioenergia. Näistä vesivoima tilastoidaan usein erilliseksi energialajiksi. Uusiutumattoman energian lähteitä ovat fossiiliset polttoaineet, hiili, hiilivedyt ja turve sekä ydinenergian valmistamiseen käytettävä uraani. Uusiutuvia polttoaineita käytettäessä luonnossa tapahtuvien prosessien ajatellaan korvaavan niiden käytöstä johtuvat hävikit. Sen sijaan uusiutumattomat polttoaineet kuluvat loppuun niiden määrästä ja käyttövauhdista riippuen muutamien vuosikymmenien tai vuosisatojen aikana.

Polttoainetyypit

Osa primäärienergian lähteistä, kuten maakaasu, turve ja polttopuu, ovat jo sellaisenaan valmiita käytettäviksi. Pääosa primäärienergiasta kuitenkin jatkojalostetaan tai muunnetaan uusiksi voimalaitoksissa tai liikenteessä käytettäviksi polttoainetyypeiksi. Tällaisia ovat mm. dieselöljy, bensiini ja etanoli. Useampia polttoainetyyppejä voidaan valmistaa sekä fossiilisista että biopohjaisista raaka-aineista. Yritysten ja yhdyskuntien jätteistä ja teollisuuden sivuvirroista valmistetut kierrätyspolttoaineet hyödyttävät sekä taloutta että ympäristöä säästämällä raakamateriaaleja ja vähentämällä muiden energialähteiden tarvetta.

Tärkeän polttoainetyypin muodostavat synteettiset polttoaineet, joiden käyttö voi merkittävästi vähentää kasvihuonekaasujen päästöjä. Synteettinen polttoaine valmistetaan ”synteesikaasusta”, joka on vedyn ja hiilimonoksidin seoskaasu. Synteesikaasua voidaan tuottaa kaasuttamalla hiiltä, turvetta tai biomassaa tai reformoimalla maakaasua tai liuskekaasua. Sekä vety että synteesikaasu ovat jo sellaisinaan käyttökelpoisia polttoaineita. Katalyyttisissä prosesseissa synteesikaasusta voidaan jalostaa myös useimpia nestemäisiä polttoaineita kuten bensiiniä, dieseliä, kerosiinia, metanolia ja etanolia. Kun synteesikaasu valmistetaan vedestä elektrolyysilla erotetusta vedystä ja ilman hiilidioksidista, voidaan siitä prosessoida puhtaita ”hiilineutraaleja” polttoaineita, joihin on sitoutunut myös ilmasta kaapattua hiilidioksidia. Toistaiseksi tällaisen prosessin taloudellinen kannattavuus on vielä heikkoa elektrolyysillä valmistetun vedyn korkean hinnan takia.

Osa primäärienergiasta menee hukkaan, kun se jatkojalostetaan tai muunnetaan uudeksi käyttöenergiaksi. Tuotetun energiatyypin energiasisältö on tämän takia aina pienempi kuin sen primäärilähteen energiasisältö. Prosessin hyötysuhde riippuu useista tekijöistä kuten energianlähteen tyypistä sekä käytettävän teknologian tehosta ja laadusta, ja se vaihtelee välillä 30–90 %. Hyötysuhde on keskeinen parametri energiantuotannon tehokkuutta arvioitaessa ja siitä johtuvien kasvihuonekaasupäästöjen määriä laskettaessa.

Sähköenergia ja vety ovat energiatyyppejä, joiden käyttöön yhä suurempi osa erilaisten laitteistojen ja ajoneuvojen operoinnista halutaan perustaa. Näistä kumpikaan ei ole itsenäinen polttoaine, vaan “energian kantaja”, jota valmistetaan joistakin primäärienergian lähteistä. Molempia markkinoidaan puhtaina energiatyyppeinä, vaikka tällä hetkellä Maapallolla käytetystä sähköstä tuotetaan 64 % fossiilisista polttoaineilla ja 10 % ydinvoimalla. Vedystä tuotetaan yli 90 % fossiilisista polttoaineilla. Puhdasta sähköenergiaa ovat aurinko- ja tuulisähkö edellyttäen, että niiden tuotantoon tarvittavien komponenttien ja laitteistojen valmistukseen sekä yksiköiden rakentamiseen ja ylläpitoon tarvittava energia jätetään huomiotta. 

Energiankäyttö

Vuonna 2019 maailman kaupallisen primäärienergian kulutus saavutti ennätysarvonsa 584 exajoulea (1018 J) eli 162 200 terawattituntia (TWh). Suomen energiankulutus oli samana vuonna 1,10 exajoulea eli vajaat 0,2 % maailman kokonaiskulutuksesta. Ennätystason saavutti myös fossiilienergian kulutus, joka on kasvanut yhtäjaksoisesti 1990-luvulta lähtien poikkeuksena vuoden 2008 finanssikriisiä seurannut notkahdus. 1900-luvun alusta lukien globaali energiankulutus on 15-kertaistunut.

Vuoden 2019 kaupallisen energian kulutus polttoainetyypeittäin on esitetty kuvassa 2. Fossiilienergian osuus maailman kokonaiskulutuksesta oli lähes 85 % ja uusiutuvan energian osuus vesivoima mukaan luettuna vain 11,5 %. Jos tilastoimaton puun, lannan, peltobiomassan jne. käyttö otetaan huomioon, nousee uusiutuvan energian osuus 20 % tasolle. Suomen energiankäyttö vuonna 2019 poikkesi selvästi koko maailman jakaumasta: fossiilienergian osuus oli runsaat 55 % ja uusiutuvan energian osuus 26,4 %. Myös ydinenergian osuus Suomessa oli suuri. 

Kolme piirakkadiagrammia energiankulutuksesta

Kuva 2. Primäärienergian kulutus maailmassa vuonna 2019 (a) ja kulutusennuste vuonna 2050 (b) sekä sähköenergian tuotannon ennuste 2050 (c) polttoaineittain jaoteltuna (Lähteet: IEA ja BB Statistical Review of World Energy)

Kuvasta 2 selviää myös se fossiilienergian kulutuksen lähtötaso, josta Pariisin ilmastosopimuksen tavoitteiden mukainen pudotus puoleen tulisi tapahtua vuoteen 2050 mennessä. Tätä taustaa vasten on mielenkiintoista tarkastella, miten energian kulutus muuttui vuonna 2020 koronan seurauksena maailmantaloudessa ja ihmisten käyttäytymisessä tapahtuneiden muutosten takia. Primäärienergian kysyntä laski 4,5 % ja energiantuotannosta johtuvat CO2-päästöt laskivat 5,8 % – alimmalle tasolle sitten vuoden 2011. Vuoden 2020 kulutusluvut osoittavat sen positiivisen tosiasian, että muutokset globaalitaloudessa ja ihmisten kulutustavoissa voivat lyhyelläkin aikavälillä alentaa merkittävästi fossiilienergian käyttöä ja siitä johtuvia CO2-päästöjä. Jo vuonna 2021 primäärienergian kulutuksen arvioidaan nousevan vuoden 2019 tasolle.

Jokainen valveutunut kansalainen voi arvioida myös oman kotitaloutensa hiilidioksidipäästöjä. Taulukkoon 1 on koottu tätä varten eri polttoaineiden CO2-päästökertoimia. 

Taulukko, jossa hiilidioksidipäästöjen arvoja eri polttoaineiden käytöstä. Eniten päästöjä aiheuttavat hiili, turve ja metsähake. Vähiten nestekaasu ja etanoli.

Taulukko 1. Spesifisiä hiilidioksidipäästöjen arvoja eri polttoaineiden käytöstä (useita eri lähteitä)

Jos esimerkiksi omistaa sadan neliömetrin huoneiston, jossa vuodessa kulua sähköenergiaa 10 000 kWh ja tämä tuotetaan maakaasusta 50 %:n hyötysuhteella, saadaan hiilidioksidipäästöiksi 

$\mathrm{\frac{10 000 \ kWh\cdot0,18 \ kg\ CO_{2}\ /\ KWh}{50\ \%} = 3600\ kg\ CO_{2}}$

Taulukon 1 mukaan “likaisin” fossiilinen polttoaine on hiili, jonka CO2-päästökerroin on 0,37 kg CO2 / kWh. Öljyn hiilidioksidipäästöt ovat 70 % ja maakaasun päästöt vain puolet hiilen vastaavasta arvosta. Hiiltä suurempia CO2 -päästöjen aiheuttajia ovat turve, metsähake ja puuhiili. Kasvihuonekaasupäästöjen tilastoinnissa metsien kasvun sitoman hiilidioksidin otaksutaan kuitenkin korvaavan metsäenergian tuotannosta johtuvat CO2-päästöt. Erot prosessoitujen nestemäisten polttoaineiden CO2-päästökertoimissa ovat sijaan varsin pieniä.

Ilmastotavoitteet ja energiankäyttö

Osana vuonna 2015 solmittua Pariisin ilmastosopimusta maailman hallitukset ovat sopineet toimenpiteistä ilmaston lämpenemisen pysäyttämiseksi kahden tai jopa puolentoista asteen tasolle. Monet toimenpiteistä kohdistuvat energian tuotantoon ja kulutukseen. Tärkeimmäksi yksittäiseksi tavoitteeksi on asetettu luopuminen fossiilisista polttoaineista ja niiden korvaaminen uusiutuvalla energialla. Muita ehdotettuja toimenpiteitä ovat energiatehokkuuden parantaminen, energian säästötoimet ja siirtyminen toisenlaiseen energiatalouteen, joko sähköintensiiviseen tai vetypohjaiseen energiantuotantoon. Kaikki mainitut toimenpiteet vaativat massiivisia investointeja, jotka puolestaan edellyttävät uusia innovaatioita ja panostusta uuden teknologian kehittämiseen.

Suomen ja monen muunkin valtion tavoite on vähentää fossiilienergian kulutusta merkittävästi jo kahden seuraavan vuosikymmenien aikana ja puolittaa se viimeistään vuoteen 2050 mennessä.

Kuvaan 2 sisältyy International Energy Agencyn (IEA) ja U. S. Energy Information Administrationin (EIA) skenaario maailman kokonais- ja sähköenergian kulutuksen kehityksestä vuoteen 2050 olettaen, että nykyiset kulutustrendit jatkuvat. Sen mukaan vuonna 2050 fossiilisten polttoaineiden osuus kokonaisenergian kulutuksesta olisi edelleen lähes 70 %. Ainoa merkittävä muutos vuodesta 2019 olisi öljyn korvautuminen synteettisillä polttonesteillä. Uusiutuvan energian osuus olisi kasvanut 2,5-kertaiseksi, mistä huolimatta kulutetun fossiilienergian absoluuttinen määrä olisi noussut energiankulutuksen kokonaiskasvun takia. Sähkönkulutuksen muutosskenaario näyttää positiivisemmalta. Siinä uusiutuva energiantuotanto ja vesivoima vastaavat puolesta sähkön kokonaistuotannosta, kun taas öljyn osuus on pudonnut merkityksettömäksi.  Hiilestä ja kaasusta tuotetun sähkön osuudet ovat 20 %, mikä merkitsisi molempien absoluuttista kasvua, kun sähkönkulutuksen kokonaisvolyymin ennustetaan kaksinkertaistuvan. 

Skenaarion ennustama hiilen kulutuksen säilyminen käytännössä nykytasolla on hälyttävä uutinen. On siis todennäköistä, ettei poliittisia tavoitteita fossiilisten polttoaineiden käytön merkittävästä vähentämisestä saavuteta edes vuoteen 2050 mennessä. Asiantilan korjaaminen vaatisi uusia poliittisia päätöksiä ja ennen kaikkea sitoutumista tehtyjen päätösten toteuttamiseen. Kansalaisilta tilanne vaatisi muutoksia elämäntavoissa ja kulutustottumuksissa sekä kokonaisvaltaisemman vastuun ottamista luonnosta ja ympäristöstä. Tiedeyhteisöjen tuottaman tiedon parempi omaksuminen voisi auttaa tässä.

Miksi riittävien poliittisten päätösten tekeminen ja niiden noudattaminen on sitten niin vaikeaa? Asian voi selittää fossiilisten energiavarojen suuri taloudellinen merkitys ja se, että maailman energiainfrastruktuuri on rakennettu pitkälle niiden varaan. Nykyisellä kulutuksella fossiilisten energiavarojen ennakoidaan riittävän ainakin pariksi vuosisadaksi. Ikiroudan alla ja mannerjalustassa sijaitsevat pääosin metaanista koostuvat varannot riittäisivät vielä paljon pitemmälle ajanjaksolle, joten sekä päättäjillä että energiateollisuudella on suuri houkutus jatkaa nykyisellä linjalla. On kuitenkin selvää, ettei kaikkia hiili- ja hiilivetyreservejä tulisi koskaan ottaa käyttöön niiden aiheuttamien ilmastovaikutusten takia. 

On arvioitu, että tulevat pari vuosikymmentä eteenpäin ja siitä vuosisadan loppuun ovat ihmiskunnan aiheuttaman ilmastonmuutoksen hillitsemisen kannalta olennaisen tärkeitä. Nyt tehtävät ratkaisut vaikuttavat ilmastoon joka tapauksessa vähintään satojen vuosien ajan. Vuoteen 2050 liittyvien tavoitteiden lisäksi olisikin syytä puhua myös siitä, miten maapallo säilyy elinkelpoisena vielä 2500-luvulla ja siitäkin eteenpäin.

Mahdollisia ratkaisuja

Siirtyminen sähköön perustuvaan energiatalouteen tai vetytalouteen voisi olla koko globaalin energiajärjestelmän kokonaisvaltainen muutosratkaisu. Sähköenergian käyttöä edistäviä tekijöitä ovat olemassa olevat siirto- ja jakeluyhteydet, mahdollisuudet ei-fossiilisen sähköntuotannon merkittävään lisäämiseen ja mahdollisuudet koko tuotanto- ja jakelujärjestelmän optimointiin mm. tekoälyratkaisuja ja älykkäitä sähköverkkoja käyttäen. Suurimpia sähköenergian käytön haasteita ovat tehokkaiden varastointiratkaisujen puuttuminen sekä tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon alhaiset hyötysuhteet. 

Vetytaloutta tukevia tekijöitä ovat vedyn puhdas palaminen energiantuotannossa, sähköenergiaa parempi varastoitavuus ja mahdollisuus korkean hyötysuhteen sähköntuotantoon mm. polttokennoratkaisuja käyttäen. Vetytalouden kannattavuus edellyttäisi laajaa ja tehokasta ei-fossiilisiin lähteisiin perustuvaa vedyn tuotantoa kalliin veden elektrolyysiin perustuvan tuotannon korvaajaksi. Tähän on rajalliset mahdollisuudet biomassaan perustuvassa synteesikaasun tuotannossa. Realistinen vetytalouden kehittämiskonsepti voisi perustua myös neljännen sukupolven ydinvoimaloihin, jotka olisi suunniteltu ja rakennettu yhdistettyyn sähkön ja vedyn tuotantoon.  

Eräs väliaikaisratkaisu, joka voitaisiin toteuttaa jo tämän vuosisadan loppupuolella, perustuu maakaasun ja ydinenergian yhteiskäyttöön. Maakaasun tuotantoa tukevat sekä kaasuvarojen riittävyys ainakin puoleksitoista vuosisadaksi että niiden hiiltä ja öljyä alhaisemmat CO2 -päästökertoimet.

TkT Pauli Jumppanen on toiminut yli 50 vuoden ajan professorina ja tutkijana rakennus- ja materiaalitekniikan, energiateknologian ja yritysten liiketoiminnan aloilla. 
FT Heikki Nevanlinna on toiminut Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikkönä ja on Helsingin yliopiston geofysiikan dosentti.
FT Timo Tossavainen on matematiikan ja sen opetuksen professori Luulajan teknillisessä yliopistossa.

Lisätietoja

Ilmasto-opas.fi-palvelu. www.ilmasto-opas.fi

Kirjoittajat