3. Työn ja energian evoluutio

Ihmisen energiankulutus on lähes aina kasvanut materiaalisen hyvinvoinnin kasvaessa. Voidaan kuitenkin sanoa, ettei energiankulutuksen lisääminen yksistään lisää materiaalista hyvinvointia ellei se lisää “työn” määrää. Voimme polttaa kokkoja taivaalle ja lisätä energiankulutustamme, mutta hyvinvointimme kasvaa kokkoja polttamalla erittäin rajallisesti kulutettuun energiamäärään suhteutettuna.

Työn ja energiankulutuksen määrä onkin pitkälti yhteydessä materiaalisen hyvinvointimme määrään. Esimerkiksi ihminen tarvitsee energiaa pystyäkseen tekemään raskaita töitä. Aikojen alussa ruoan sisältämät kalorit määrittivätkin pitkälti sen kuinka paljon ihmiset pystyivät tekemään raskaita fyysisiä töitä.

“Samson in the Treadmill” — Carl Blochin teatraalinen näkemys viljan jauhamiseen käytetystä “juoksumatosta”.

Ajan kuluessa ihminen oppi kuitenkin valjastamaan myös muita energianlähteitä helpottaakseen omaa työtänsä. Esimerkiksi veden virtaaminen ja tuulen puhaltaminen olivat suhteellisen helppoja ottaa hyötykäyttöön muun muassa viljan jauhamiseksi. Veden ja tuulen sisältämä liike muutetiin kontrolloiduksi pyörimisliikkeeksi, jonka voimaa erilaiset jauhimet pystyivät hyödyntämään.

Tuulimylly jossakin päin Hollantia vuonna 1642 Jan van Goyen maalaamana.

Oli fyysisesti paljon helpompaa vahtia tuuli- tai vesimyllyn pyörimistä ja sen kontrolloitua työtä kuin tuottaa tuo sama työ lihaksilla. Tuulimylly oli myös voimakkaampi kuin yksikään työntekijä ja se jauhoi usean myllärin edestä viljaa jauhoksi väsymättä ja kapinoimatta.. ainakin tuulisella säällä.

Onko energia työtä?

Niin ihminen kuin tuulimyllykin vaativat energiaa kyetäkseen tekemään työtä. Ilman ruokaa ihminen ei kykene tekemään työtä kovin pitkään, eikä tuulimylly pysty pyörimään ilman tuulta. Energia ja työ kytkeytyvätkin tätä kautta toisiinsa fysikaalisessa mielessä. Ilman energiaa ei ole työtä.

Mutta entä jos käännämmekin tilanteen toisinpäin: voiko energiaa olla ilman työtä? Tämä on ehkä hankalempi kysymys.

Kahvin keittäminen kuluttaa energiaa

Kun heräät aamulla saatat laittaa kahvin- tai vedenkeittimen päälle. Tuo keitin on usein kytketty pistorasian kautta sähköverkkoon. Harva ihminen on kiinnostunut ajattelemaan asiaa tämän pidemmälle, mutta sähköverkon toisella puolella on usein kytkettynä valtavan kokoisia pyöriviä ja työtä tekeviä myllyjä — toisin sanoen turbiineja. Useimmiten nuo turbiinit ovat höyryturbiineja, mutta yhä useammin myös tuuliturbiineeja, joita voi nähdä lentokoneen ikkunasta.

Ruotsalainen Lillgrundin tuulipuisto vuonna 2011 Tomasz Sienickin kuvaamana. Lillgrundin puisto tuottaa noin 100 000 kahvinkeittimeen sähköä tuulisella säällä.

Tuulimyllyjen lavat pystyvät muuttamaan tuulen puhalluksen kontrolloiduksi pyörimisliikkeeksi. Tuo tuulimyllyn lapojen pyöriminen ilmassa on fysikaalisessa mielessä liike-energiaa. Tuulimyllyjen koneisto taas muuttaa tuon liike-energian mekaaniseksi työksi, joka voidaan halutessa muuttaa roottorin ja generaattorin avulla sähköksi. Sähkö taas saadaan siirrettyä sähköverkkoa pitkin kotitalouksiin ja lopulta pistorasian kautta kahvinkeittimeen.

Kun painat kahvinkeittimen virtanäppäimen päälle, kahvinkeitin alkaa porisemaan ja kuumentamaan vettä. Hetken päästä lähes 100 °C asteinen vesi valuu jauhettujen kahvinporojen läpi uuttaen väri- ja makuaineita veteen. Syntyy herkullinen ja kuuma kahvi.

Nykypäivänä on yhä todennäköisempää, että jauhoit kahvisi myös itse kokonaisista kahvipavuista.

Kahvin jauhamista modernilla tavalla kotona.

On helppo kuvitella, että kahvipapujen murskaaminen ja jauhaminen tarvitsee työtä tapahtuakseen. Kahvipavut kun eivät murskaudu itsestään. Käsin toimivia jauhimia kokeilleet myös tietävät, että kahvin jauhaminen käsin tuntuu työltä.

Mikäli kahvin murskaaminen ja jauhaminen onnistuu vielä melko helposti käsivoimin, niin kahvin keittäminen ei enää käsivoimin onnistukkaan. Vai oletko joskus kuumentanut kahvisi käsin?

Kahvin keittäminen käsivoimin on lähes mahdotonta. Syy tähän on melko yksinkertainen. Kahvinkeitin kuluttaa energiaa kymmenen keskivertourheilijan verran, siinä missä kahvia murskaava ja jauhava kahvimylly kuluttaa energiaa vain yhden urheilijan verran.

Kahvinkeittimen suuresta energiantarpeesta johtuen — tai tarkkaan ottaen suuresta tehotiheyden tarpeesta johtuen — kahvin keittäminen kotona on lähes mahdoton tehtävä lihasvoimilla.

Voit toki keittää kahvia kotona lihasvoimaa hyödyntäen, mutta sinun tulee ensin palkata kymmenisen urheilijaa tekemään vaadittava työ. Kun olet saanut kymmenhenkisen tiimin keittiöösi, tulee sinun seuraavaksi onnistua muuttamaan urheilijoiden tuottama liike-energia noin 100 °C asteiseksi vedeksi.

Se ei ole aivan yksinkertainen tehtävä ellet osaa muuttaa tuota liikettä ensin sähköksi. Liikkeen muuttaminen sähköksi onnistuisi esimerkiksi hyödyntäen dynamoa, jota käytetään polkupyörissä tuottamaan valoa pyöränlamppuun.

Tarvitset neljä Robert Förstemannia keittämään aamukahvisi by #toasterchallenge

Mutta ei mennä polkupyöriin tai dynamoihin yhtään tämän syvemmin. Meillä ei ole tarvetta perehtyä dynamoiden saloihin tässä vaiheessa, koska kahvin keittäminen on erittäin yksinkertaista puuhaa jos se tehdään perinteisin keinoin.

Kaikki sähköverkon ulkopuolella käyneet ja erätulilla kahvia keittäneet tietävät, ettei kahvin keittäminen tarvitse huippu-urheilijoita, ei dynamoita, ei tuulimyllyjä, ei ydinvoimalaitoksia eikä pistorasioita.

Kuuman kahvin valmistamiseen tarvitset vain kuumaa vettä ja jauhettua kahvia. Tuo kuuman veden tuottamiseen vaadittava korkea lämpötila on taas kaikkein helpointa saavuttaa polttoaineita polttamalla. Nuotiolla kahvinkeitto on helppoa ja mukavaa. Tämän ihmiset huomasivat jo kauan aikaa sitten.

Aluksi polttoaineita käytettiin hyvin yksinkertaisten asioiden tekemiseen kuten veden ja ruoan lämmittämiseen. Myöhemmin ihminen oppi, että tulta ja kuumaa höyryä voi hyödyntää myös muilla tavoilla. Ihmisten parantunut näppäryys rakennella erilaisia laitteita johti muun muassa höyrykoneen kehittämiseen.

Lasista valmistettu höyrykoneen pienoismalli by steam glass.

Laitteita rakentaessa ja testatessa ihmiskunta havaitsi, että:

1. Tulella voi tehdä höyryä.
2. Höyryllä voi tuottaa mekaanista pyörimisliikettä.
3. Mekaanisesta pyörimisliikkeestä voi tuottaa sähköä.

Näiden kolmen asian ymmärtäminen johti myös kivihiilen polttamisen räjähdyksenomaiseen kasvuun teollistumisen alkaessa. Höyrykoneita käytettiin muun muassa pumppaamaan vettä pois kivihiilikaivoksista, jolloin hiilikaivoksista sai kaivettua hiiltä yhä syvemmältä. Tämä kiihdytti fossiilisen vallankumouksen etenemistä yhä enemmän.

Samalla ihminen alkoi myös ymmärtämään energian ja työn fysikaalisen luonteen. Erilaisia koneita rakentamalla ja testaamalla havaittiin, että liike-energian tuottamisessa polttamisen avulla on teoreettiset rajansa. Ymmärrettiin, että:

1. Höyrykone ei voi koskaan toimia yli 100% hyötysuhteella.
2. Kun energiaa muutetaan työksi syntyy aina energiahäviöitä.
3. Energia tai työ eivät kumpikaan synny tyhjästä.
4. Ikiliikkujaa ei voida rakentaa.

Energia ja työ ovat siis hieman eri asioita. Mutta koska näiden kahden ero ei välttämättä vieläkään ole täysin selvää otetaan vielä yksi esimerkki tähän loppuun.

Osaamme tehdä polttopuun sisältämästä energiasta mekaanista työtä hyödyntämällä erilaisia laitteita kuten höyrykonetta. Ihminen ei kuitenkaan osaa tuottaa puuta mekaanista työtä tekemällä. Höyrykoneesta ei koskaan tule ulos puuta.

Voimme toki tuottaa polttopuuta lisää, mutta siihen tarvitsemme luontoäidin apua. Polttopuun valmistamiseksi tarvitsemme: siemeniä, maaperän, hiilidioksidipitoisen ilmakehän, vettä ja auringon valoa. Mekaanisen työn rooli tässä yhtälössä on olematon.

Mekaaninen työ muuttuu korkeaksi elintasoksi

Fyysinen elintasomme on kasvanut valtavasti kun olemme oppineet hyödyntämään eri energialähteitä ja muuttamaan niiden sisältämän voiman ihmistyötä muistuttavaksi mekaaniseksi työksi. Työ mikä olisi vaatinut aikoinaan tuhansien ihmisten työpanoksen voidaan nykyisin tuottaa mekaanisilla koneilla.

Materiaalinen elintasomme on taas kasvanut kun olemme ottaneet tuolla mekaanisella työllä erilaisia raaka-aineita käyttöön ja oppineet muokkaamaan niitä erilaisiksi tuotteiksi teollisissa prosesseilla.

Yksi Bagger 293 kaivuri tekee noin 40 000 kaivostyöntekijän työt.

Nämä teolliset prosessit, jotka muokkaavat kaivettuja raaka-aineita tuotteiksi kuten raudaksi, sementiksi, muoviksi ja lasiksi, vaativat kuitenkin paljon energiaa. Nuo prosessit ovat hieman samankaltaisia kuin kahvinkeittimet. Niiden pyörittäminen lihaksilla tai mekaanisen työn voimalla suoraan on teknisesti hankalaa. Sen takia niiden pyörittäminen perustuukin nykyään lähes täysin fossiilisten polttoaineiden hyödyntämiseen. On mahdollista, että nämä prosessit vaativat myös tulevaisuudessa polttoaineita.

Mikäli haluamme kuitenkin ratkaista ilmastonmuutoksen meidän tulee kyetä tuottamaan materiaaleja ilman hiilidioksidipäästöjä. Materiaalisten resurssien riittävyyden turvaamiseen, ei kuitenkaan riitä, että tuotamme sähkömme päästöttömillä energiamuodoilla, meidän tulee myös oppia muuttamaan tuo tuulimyllyjen tuottama sähkö sellaiseen muotoon, jolla voimme tuottaa tarvitsemiamme energiaintensiivisiä materiaaleja myös tulevaisuudessa. Myös kiertotalous tulee vaatimaan näitä energiaintensiivisiä prosesseja, mikäli haluamme kierrättää materiaaleja yhä pidempään. Eli meillä on vielä monia ongelmia ratkaistavana.

Lopuksi:

Tämä kappale kertoi siitä miten ihminen oppi muuttamaan polttoaineiden sisältämän energian työksi. Tämä prosessi kiihdytti teollista vallankumousta sekä fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Tulevaisuudessa tulemme kokemaan toisenlaisen muutoksen. Maailma tulee sähköistymään.

Nörttiboksi:

Yksinkertaistaen voidaan todeta, että mitä kuumempaa höyryä on saatavilla, sitä enemmän kykenemme tuottamaan siitä liikettä ja työtä. Höyrykone pyörii sitä villimmin mitä kuumempaa höyryä sillä on käytössä.

Moderneissa voimalaitoksissa höyryn lämpötilat ovat jopa yli 700 celsiusastetta (°C) astetta, eli noin 1000 kelvin-astetta (K). Tuo korkea lämpötila mahdollistaa sen, että kivihiilestä tai lähes mistä tahansa polttoaineesta voidaan tuottaa sähköä ja työtä noin 40% hyötysuhteella.

Kuitenkin loput 60% hukataan usein taivaalle jäähdytystornien kautta, joita suomalainen voi nähdä matkustellessaan ulkomailla. Suomessa kun tuo ylimääräinen lämpö käytetään usein kaukolämpöverkon lämmittämiseen.

Saksalaisen voimalaitoksen jäähdytystorni Tim Reckmannin kuvaamana.

Höyrykone tarvitsee kuumaa lämpötilaa ja mitä kuumempi tuo lämpötila on, sitä parempi se on työnteon kannalta. Höyrykone ei kuittenkaan toimi, ellei höyryä saada kylmennettyä ja kondensoitua takaisin nesteeksi. Eli höyrykone tarvitsee myös jäähdyttimen ja mitä kylmempi tuo jäähdytin on, niin sitä parempi se on hyötysuhteelle. Usein ihminen on käyttänyt jäähdyttimenä joko merta, jokea, ilmakehää. Noiden lämpötila on usein noin 25 °C astetta eli noin 300 K astetta.

Lämpöenergian voi muuttaa työksi tietyllä teoreettisella hyötysuhteella. Tuon teoreettisen hyötysuhteen voi laskea seuraavalla yhtälöllä ja sitä kutsutaan Carnot’n hyötysuhteeksi. (Huom: yhtälö hyödyntää absoluuttista lämpötila-asteikkoa jolloin yhtälössä tulee käyttää Kelvin lämpötiloja joita merkitään kirjaimella K.)

Yksikään höyrykone ei kuitenkaan kykene saavuttamaan teoreettista hyötysuhdettaan, ja jokaiseen reaalimaailman laitteeseen liittyy erilaisia teknisiä häviöitä. Voimalaitosten tulisi nykyisillä lämpötiloilla kyetä tuottamaan työtä noin 70% hyötysuhteella teoreettisesti laskien.

Kahvinkeittimen teoreettinen hyötysuhde on samaa yhtälöä käyttäen vain vaatimaton 20%. Sähköinen kahvinkeitin hukkaakin suuren osan myllyjen tekemästä työstä helpon työn tekemiseen.

Mikäli tarkastellaan teollisia prosesseja, on mielekästä tarkastella energiaa ja työtä Carnot’n avulla. Kuten kahvinkeitin, myöskään teollisuusprosessit eivät voi hyödyntää kaikkea energiaa, ja sen takia on mielekästä tarkastella vain sitä energiaa, jota prosessit voivat mahdollisesti hyödyntää. Energiaa jota voidaan käyttää lähes mihin tarkoitukseen tahansa kutsutaan eksergiaksi ja prosessien resurssitehokkuutta tulisikin tarkastella eksergiatehokkuuteen pohjautuen.