Lämpöakut kehittyvät nopeasti ja vähentävät akkumetallien tarvetta

Suuren mittakaavan energiavarastojen tarve

Tarve varastoida suuria energiamääriä tunneiksi tai päiviksi kasvaa. Aurinko- ja tuulivoiman tuotanto vaihtelee sekä vuorokauden sisällä että päivästä toiseen.

Myös teollisuuden prosessit, kuten metallinjalostus, tarvitsevat jatkuvasti energiaa. Monissa niistä tuotetaan suuria määriä lämpöä noin 1 000–1 500 °C:n lämpötilassa.

Sähköautoista tutut litiumioniakut soveltuvat moniin sähköverkon varastointitehtäviin, mutta erittäin pitkäkestoisessa varastoinnissa kustannukset, käyttöikä ja raaka-aineiden tarve voivat rajoittaa niiden taloudellisuutta.

Siksi sähköverkon laajamittaiseen varastointiin tutkitaan myös muita akkukemioita. Käsittelemme niitä artikkelissa ”Energian varastoinnin tulevaisuus – sähköverkon akkutekniikat”. Vaihtoehtoihin kuuluvat esimerkiksi litiumrautafosfaatti-, natriumioni-, virtaus-, rauta-ilma-, sulametalli-, nikkeli-vety- ja natrium-rikkiakut.

Nämä akut ottavat vastaan ja luovuttavat sähköenergiaa, mutta varastoivat sen pääosin kemiallisena energiana. Toiminta perustuu hapetus-pelkistysreaktioihin, joissa metallit tai muut aktiiviset aineet osallistuvat energian varastointiin.

Myös yleisten metallien, kuten raudan ja alumiinin, tuotanto vaatii luonnonvaroja ja energiaa. Voisiko energian varastoida tavalla, joka vähentää akkukemikaalien tarvetta?

Lämmön varastointi

Energiaa voidaan varastoida monin tavoin myös sähkökemiallisten akkujen ulkopuolella. Käsittelemme niitä tarkemmin artikkelissa ”Akkujen vaihtoehdot energiasiirtymässä”. Näitä ovat esimerkiksi:

• Paineilmavarastot.
• Painovoimavarastot, kuten nostettavat massat ja pumppuvoimalat.
• Lämpöakut.
• Vauhtipyörät.
• Aurinkolämpöjärjestelmien lämpövarastot.

Kaikilla varastointitavoilla on etuja ja haittoja. Ihanteellinen ratkaisu täyttäisi seuraavat tavoitteet:

• Vähäinen metallien ja harvinaisten materiaalien tarve.
• Pitkä varastointiaika.
• Pienet kustannukset.
• Helppo laajennettavuus ja vähäiset sijoituspaikka- tai resurssirajoitukset.
• Mahdollisuus palauttaa energia sähköksi pienin häviöin.

Lämpövarastointi voi vastata useisiin neljästä ensimmäisestä tavoitteesta. Suomalaisen Polar Night Energyn kaltaiset yritykset varastoivat lämpöä hiekkaan tai vastaavaan edulliseen materiaaliin. Hyvin eristetty suuri varasto voi säilyttää lämpöä pitkään, mikä auttaa tasaamaan uusiutuvan tuotannon vaihtelua ja tuottamaan kaukolämpöä. Kesästä talveen ulottuva kausivarastointi riippuu kuitenkin mitoituksesta ja lämpöhäviöistä; kaikki toteutetut hiekkavarastot eivät toimi näin. Myös rakenteisiin, putkistoihin ja laitteisiin tarvitaan muita materiaaleja, kuten metallia.

Lähde: Polar Night Energy

Samantapaista ratkaisua kehittää Rondo Energy, jonka lämpöakussa tiilet kuumennetaan jopa 1 500 °C:seen. Lämpöä voidaan käyttää esimerkiksi sementti- ja terästeollisuuden prosesseissa.

Lämpöakut sopivat erityisen hyvin tilanteisiin, joissa tarvitaan nimenomaan lämpöä, kuten asuntojen kaukolämmitykseen tai teollisuuden prosesseihin.

Lähde: Rondo Energy

Lämmön palauttaminen sähköksi tuo kuitenkin lisähäviöitä. Jos muunnoksen hyötysuhde on esimerkiksi 20–30 %, sähköksi saadaan takaisin vain tämä osuus käytetystä lämmöstä. 20 %:n hyötysuhteella pelkkä syöttöenergian kustannus tuotettua sähköyksikköä kohti viisinkertaistuu, ennen laitteisto- ja varastointikustannuksia. Tämä ei ole kaikkien lämpövoimajärjestelmien yleispätevä hyötysuhde.

Aurinkosähkön kustannusten lasku auttaa, mutta lämpövaraston kannattavuus riippuu myös lataussähkön hinnasta ja koko järjestelmän häviöistä. Termofotovoltaisten kennojen kehitys voi parantaa lämmön muuntamista takaisin sähköksi.

Termofotovoltainen kenno muuntaa lämpösäteilyä sähköksi

Termofotovoltaisen kennon toimintaperiaate muistuttaa aurinkokennoa. Auringonvalon sijasta se hyödyntää kuuman materiaalin lähettämää lämpösäteilyä, josta suuri osa on infrapunasäteilyä.

Puolijohdekenno voi hyödyntää fotonin vain, jos sen energia ylittää materiaalin energia-aukon. Tätä pienienergiaisemmat fotonit eivät tuota sähkövirtaa. Raja riippuu puolijohteesta: ei siis pidä paikkaansa, ettei mikään infrapunasäteily soveltuisi aurinkokennoihin.

Tekniikka ei ole uusi, mutta hyötysuhde on pitkään rajoittanut sen käyttöä. Michiganin yliopiston tutkijat julkaisivat vuonna 2024 edistysaskeleen tutkimuksessa ”High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells” eli korkean hyötysuhteen ilmarakolliset termofotovoltaiset kennot.

Tutkijat raportoivat 44 %:n muuntohyötysuhteen, kun säteilijän lämpötila oli 1 435 °C. Tulos ylitti heidän aiemman noin 37 %:n tuloksensa tällä lämpötila-alueella. Kyse oli kennon lämmöstä sähköksi -muunnoksesta, ei valmiin energiavaraston koko lataus-purkauskierron hyötysuhteesta.

Tutkijat arvioivat, että hyötysuhde voisi tulevalla kehitystyöllä nousta 50 %:iin. Tämä oli tavoite, ei jo saavutettu tulos.

Lähde: Cell

Miten termofotovoltainen kenno toimii?

Ensin varastomateriaali, kuten kivi, hiekka, hiili, tiilet tai keramiikka, kuumennetaan esimerkiksi uusiutuvan tuotannon ylijäämäsähköllä tai suoraan aurinkolämmöllä.

Kun materiaali on 1 435 °C:ssa, vain osa sen lähettämästä säteilystä ylittää kennon puolijohteen energia-aukon. Artikkelissa esitetty noin 20–30 %:n osuus kuvaa tätä spektrin rajoitusta, ei koko laitteen lopullista hyötysuhdetta.

Lähde: Design Boom

Liian pienienergiaisia infrapunafotoneja ei voida muuntaa sähköksi kyseisellä puolijohteella.

44 %:n hyötysuhteen saavuttamisessa auttoi kennon rakenne: puolijohteen taakse lisättiin ohut ilmarako ja sen taakse kultainen heijastin.

Rakenne vähentää hyödyntämiskelvottoman säteilyn imeytymistä kennon taustarakenteisiin ja palauttaa sitä kuumalle säteilijälle. Kenno puolestaan absorboi sähköntuotantoon soveltuvia fotoneja. Palautunut säteily auttaa säilyttämään lämpöenergian lähteessä, joka voi säteillä sitä uudelleen.

Hyödyntämättä jäävän säteilyn palauttaminen vähentää häviöitä ja parantaa lämmöstä sähköksi -muunnoksen hyötysuhdetta.

Tulevaisuuden lämpöakut

44 %:n tai mahdollinen 50 %:n muuntohyötysuhde jää pumppuvoimaloille usein ilmoitetusta 70–85 %:n ja litiumioniakuille ilmoitetusta 85–95 %:n lataus-purkaushyötysuhteesta. Vertailussa on kuitenkin huomattava, että kennon yksittäisen muunnoksen hyötysuhde ei ole sama asia kuin koko varastointijärjestelmän hyötysuhde.

Lähde: EESI

Sähköverkon energiavarastojen laajamittaisessa käyttöönotossa ratkaisevat tekniikan lisäksi kustannukset ja käyttötarkoitus.

Sähkökemialliset akut vanhenevat ja tarvitsevat aikanaan uusimista sekä kierrätystä. Laaja käyttöönotto kasvattaa myös raaka-aineiden kysyntää ja voi aiheuttaa toimitusketjujen pullonkauloja, kun sähköautot kilpailevat osin samoista materiaaleista. Metallien tarve vaihtelee kuitenkin akkukemian mukaan; esimerkiksi kaikki akut eivät sisällä nikkeliä tai kobolttia.

Lämpövaraston yksinkertainen varastomateriaali voi sen sijaan kestää vuosikymmeniä. Suuri osa massasta voi olla kiveä, hiekkaa tai savea, vaikka eristeet, lämmittimet, putkistot ja muuntolaitteet vaativat muita materiaaleja sekä huoltoa. Ratkaisut ovat usein joustavammin sijoitettavia kuin pumppuvoimalat, mutta eivät täysin vapaita tilantarpeesta, turvallisuusvaatimuksista tai ympäristövaikutuksista.

Suuri, hyvin eristetty lämpövarasto voi soveltua viikkojen tai kuukausien varastointiin. Häviöt riippuvat kuitenkin muun muassa lämpötilasta, koosta ja eristyksestä. Lämpövarasto ei automaattisesti säilytä energiaa paremmin kuin kaikki sähkökemialliset akut.

”Kyse on tavallaan akusta, mutta hyvin passiivisesta. Litiumia ei tarvitse louhia kuten sähkökemiallisia kennoja varten, joten sähköautomarkkinoiden kanssa ei tarvitse kilpailla samasta materiaalista.

Toisin kuin pumppuvoimalan, tällaisen varaston voi sijoittaa monenlaisiin paikkoihin, eikä lähellä tarvitse olla vettä.”

Stephen Forrest, Michiganin yliopiston sähkötekniikan professori

Lämpöakku voi siis auttaa tasaamaan uusiutuvan energian vaihtelua. Pitkälle mitoitettu varasto voisi myös siirtää tuulisten tai aurinkoisten kausien energiaa myöhempään tarpeeseen, kuten pohjoisen talveen tai tropiikin sadekauteen. Toteutettavuus ja taloudellisuus riippuvat kohteesta.

Lämpövarastointiin ja termofotovoltaiseen tekniikkaan liittyviä yrityksiä

1. II-VI Marlow / Coherent

Marlow kuuluu nykyiseen Coherent-konserniin (COHR ). Sen tunnettu erikoisala on termosähköisten jäähdyttimien ja generaattorien valmistus, mikä on eri tekniikka kuin termofotovoltainen muunnos. II-VI osti laservalmistaja Coherentin (COHR ) vuonna 2022 ja otti sen jälkeen käyttöön Coherent-nimen.

Konsernilla on osaamista lasereissa, optiikassa ja fotoniikassa käytettävistä kehittyneistä materiaaleista, kuten indiumfosfidista, epitaksiaalisista kiekoista ja galliumarsenidista. Useat yritysostot ovat kasvattaneet sen liiketoimintaa edellisen vuosikymmenen aikana.

Lähde: Coherent

Coherentin liiketoiminta painottuu muun muassa optiseen tiedonsiirtoon, lasereihin ja materiaaliteknologiaan. Sen resurssit ja puolijohdeosaaminen voivat olla hyödyllisiä uusien teknologioiden kaupallistamisessa, mutta tämä ei osoita, että yrityksellä olisi jo merkittävä termofotovoltainen liiketoiminta tai sovittu yhteistyö Michiganin tutkijoiden kanssa.

Lähde: Coherent

Mahdollisia uusia käyttökohteita voisi löytyä esimerkiksi uusiutuvan sähkön suuren mittakaavan energiavarastoista.

Michiganin yliopisto ilmoitti ”hakeneensa patenttisuojaa ja etsivänsä kumppaneita teknologian kaupallistamiseen”. Coherentin kaltainen materiaali- ja fotoniikkayritys voisi periaatteessa osallistua tällaiseen kehitykseen. Artikkelissa ei kuitenkaan esitetä vahvistettua kumppanuutta eikä näyttöä siitä, että juuri Coherent kaupallistaisi nämä kennot.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Michiganin yliopiston tutkijoiden kennot käyttivät InGaAsP-puolijohdetta, eli indiumin, galliumin, arseenin ja fosforin yhdistettä.

”Tutkimme siksi, voiko ilmarakorakenteen siirtäminen kolmen alkuaineen absorboivista III–V-puolijohteista neljän alkuaineen absorboijiin, eli InP-alustaan hilasovitetuksi InGaAsP:ksi, parantaa hyötysuhdetta tavoitellulla säteilijän lämpötila-alueella.”

Jos tämä kennotyyppi yleistyy sähköverkon energiavarastoissa, sopivien yhdistepuolijohteiden ja alustamateriaalien kysyntä voi kasvaa.

Yksi materiaaliosaamisensa vuoksi tarkasteltava yritys on japanilainen Sumitomo Electric. Sen pitkä kokemus liittyy erityisesti galliumarsenidin ja indiumfosfidin valmistukseen; tämä ei yksin osoita markkinajohtajuutta juuri InGaAsP-kennoissa.

Sumitomo Electricin puolijohdeyksikkö kertoo toimineensa yli 30 vuotta yhtenä maailman johtavista galliumarsenidin (GaAs) ja indiumfosfidin (InP) valmistajista.

Yhtiön mukaan sen III–V-materiaalien maine perustuu laadukkaisiin alustoihin, jotka parantavat asiakkaiden valmistussaantoa ja auttavat tuottamaan sähköisiltä ominaisuuksiltaan tasalaatuisia laitteita.

Sumitomon yhdistepuolijohteet – yritysesittely

Sumitomo Electric Industries ja sen yhdistepuolijohdeyksikkö kuuluvat Sumitomo-nimeä käyttäviin yrityksiin. Sumitomo Electric on kuitenkin erillinen yhtiö kuin Sumitomo Corporation, joka on suuri japanilainen yleiskauppayhtiö eli sōgō shōsha. Niitä ei pidä käsitellä saman pörssiyhtiön osastoina.

Yhdistepuolijohteiden lisäksi Sumitomo Electricin toimintaan kuuluvat muun muassa:

• Tietoliikennelaitteet, kuten valokuitu- ja 5G-tuotteet.
• Autojen johtosarjat ja suurjännitekaapelit.
• Elektroniikka, kuten joustavat piirilevyt ja tiedonsiirtokaapelit, sekä suodatuskalvot.
• Teollisuusmateriaalit, kuten kovametallit, leikkuutyökalut ja esijännitysteräkset.

Lähde: Sumitomo

Laadukkaiden materiaalien massatuotanto ja GaAs- sekä InP-osaaminen voivat tarjota Sumitomo Electricille mahdollisuuksia, jos termofotovoltainen tekniikka yleistyy. Hyödyn suuruus riippuu kuitenkin valituista materiaaleista, kaupallisista sopimuksista ja kilpailusta; sitä ei voi pitää varmana.

Digitalisaatio, tekoälyn tietoliikennetarpeet ja sähköautojen kaapelit sekä johtosarjat voivat myös tukea yhtiön tuotteiden kysyntää. Näiden markkinoiden kasvu ei silti automaattisesti tarkoita vastaavaa tuloskasvua.