Ei‑kemialliset vaihtoehdot akuille energiasiirtymässä

Ovatko akut oikea idea?

The preferred approach to remove fossil fuels from industrialized economies has been electrification. The goal is to replace ICE (Internal Combustion Engine) vehicles with EVs (Electric Vehicles) and produce heat with heat pumps instead of combustion. It is something we investigated in detail in our article “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Ongelma on, että jotta tämä muutos olisi todella ‘vihreä’, sähkön on tuotuttava uusiutuvista tai kestävistä lähteistä – jotka, riippuen siitä keneltä kysytään, saattavat sisältää ydinvoiman.

Molemmissa tapauksissa päivän ja vuodenajan sähköntarpeen vaihtelut tarkoittavat, että tulisi rakentaa paljon ylimääräistä kapasiteettia, joka olisi suurimman osan ajasta käyttämättömänä. Tämä on erityisen totta uusiutuville energialähteille, sillä aurinko ei tuota hyvin kylmissä ja pilvisissä talvissa, ja tuuli voi lakata puhaltamasta viikkoja kerrallaan.

Siksi pitkäaikainen energian varastointi on äärimmäisen tarpeen. Yksi ratkaisu voi olla hyötykäyttöön suunnatut akut, jotka hyödyntävät uusia kemioita, jotka tarjoavat alhaisempia kustannuksia tai muita etuja. Tutkimme tätä tarkemmin artikkelissamme “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“. Toinen vaihtoehto on tuottaa jonkinlainen nestemäinen polttoaine, joka voidaan varastoida käyttöön asti, esimerkiksi nestemäinen vety tai nestemäinen ammoniakki, kuten keräsimme artikkeleissamme “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” ja “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”.

Mutta entä jos oikea tapa varastoida energiaa päiviksi, viikoiksi, kuukausiksi tai jopa vuosiksi ei olisi akut? Tässä artikkelissa tarkastelemme kaikkia kemiallisia vaihtoehtoja poissulkevia energian varastointimenetelmiä.

Pakkausilma

Pakkausilman hyödyt

Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.

Tämän tekniikan keskeinen etu on, että se käyttää vain mekaanisia osia, kuten putkia, pumppuja ja säiliöitä, jotka vaativat vain yksinkertaisia materiaaleja kuten terästä, eivätkä harvinaisia materiaaleja kuten harvinaiset maa‑alumiinit, koboltti, litium ym. Se voisi jopa hyödyntää ehtynyttä maakaasusäiliötä, tarjoten valtavan “säiliön” erittäin alhaisella kustannuksella. Ja tietysti ilma on täysin ilmainen ja saatavilla kaikkialla.

Lähde: Electricity Forum

Toinen etu on, että ilman pakkaaminen on hyvin ymmärretty teknologia, jolla on erittäin vakiintunut toimitusketju, ja se voisi olla valmis skaalaamaan nopeasti tarvittaessa. Se on myös järjestelmä, joka voi varastoida energiaa erittäin pitkän aikaa lähes ilman häviöitä.

Pakkausilman haitat

Keskeinen ongelma pakatun ilman tehokkuudessa on fyysinen ilmiö, joka tapahtuu, kun pakkaat mitä tahansa kaasua. Pakkaamisen aikana syntyy lämpöä. Tämä lämpö täytyy yleensä hajottaa, jotta kompressiosysteemi ei vaurioidu, ja se muuttuu energiahäviöksi. Ilma myös jäähtyy purettaessa, mikä usein vaatii lämmitysjärjestelmiä.

Tämän vuoksi 30‑40 % energiasta voi hävitä. Vähemmän tehokkaissa suunnitelmissa se voi olla vieläkin pahempaa. Tähän mennessä paras mittakaavatehokkuus on saavutettu Kiinassa 30 % häviöllä, 400 MWh Zhangjiakou‑laitoksessa joka on suunnitellut Chinese Academy of Sciences.

Joten vaikka pakattu ilma voisi olla hyväksyttävä vaihtoehto edulliseen pitkäaikaiseen varastointiin vuodenaikojen välillä, väistämättömät yli 30 % energiankulutuksen häviöt rasittavat järjestelmän taloutta. Vain jos pakkaamisen aikana syntynyt lämpö voitaisiin kierrättää toiseen prosessiin, nämä järjestelmät voisivat tulla todella tehokkaiksi.

Gravitaatiopatterit

Fysiikassa kaikki ylöspäin liikkuva kappale katsotaan saavuttavan korkeamman “potentiaalienergian” tason. Tämä energia ilmenee alaspäin liikkeenä heti, kun kappale saa laskea. Tästä faktasta syntyi ajatus käyttää painovoimaa energian varastointiin.

Pumppuvoima

Tämä on nykyisin yleisimmin käytetty hyötykäyttöön suunniteltu energian varastointimuoto, joka muodostaa 90 % maailmanlaajuisesta verkon energian varastointikapasiteetista vuonna 2020,  Department of Energy Global Energy Storage Database -tietokannan mukaan.

Vesivoiman tuotanto hyödyntää sateesta peräisin olevan veden energiapotentiaalia, varastoi sen patojen taakse ja vapauttaa sen tuottaakseen sähköä. Pumppuvoimassa käytetään sähköä veden pumppaamiseen takaisin vesivoimalaitoksen yläosaan.

Varastopato voidaan rakentaa myös pelkästään pumppuun varastointia varten, ja se vaatii vain mäkisen maaston verrattuna suuriin vesivoimapatoihin, jotka usein tarvitsevat vuoristoista maastoa. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää myös maanalaisia säiliöitä.

Lähde: Energy.gov

Energiatappiot ovat yleensä 20‑30 % välillä. Varastointi voi kestää useita kuukausia rajoitetuilla häviöillä, ainakin alueilla, jotka eivät ole liian kuumia. Pääomavaatimukset voivat olla melko suuret, mutta pumppuvoimalaitokset ovat myös erittäin pitkäikäisiä.

Mielenkiintoinen, skaalassa testaamaton idea on käyttää elektrolyysiä muuntamaan alemmalla korkeudella oleva vesi vedeksi. Tämä vety, kevyempi kuin ilma, pumpataan sitten “energiavapaasti” ylöspäin. Se muokataan takaisin vedeksi (palauttaen osan elektrolyysiin kulutuneesta energiasta). Tämä vesi tuottaa sitten jälleen sähköä laskeutuessaan vesivoimaturbiinin läpi.

Vaikka kokonaistehokkuus voisi olla paljon parempi kuin pumppuvoimassa, tarvittavien elektrolyysilaitosten koko voi tehdä järjestelmästä edelleen melko kalliin.

Betoni/kivien energian varastointi

Vesi ei ole ainoa asia, jonka avulla voidaan varastoida energiaa painovoiman avulla. Kivet, betonilohkot ja muut erittäin raskaat esineet voidaan myös käyttää.

Tässä tapauksessa tarvittava teknologia on vieläkin yksinkertaisempaa kuin pumppuvoimassa, koska se perustuu pääosin nostureihin ja generaattoreihin energian varastointiin ja takaisin tuottamiseen. Nosturit ja kivet eivät myöskään ole harvinaisia materiaaleja.

Näiden järjestelmien suuri etu on niiden tehokkuus. Suurin osa pumppuvoiman häviävästä energiasta johtuu veden turbulenssista, mikä heikentää pumpun tehokkuutta. Sen sijaan nosturit ja köydet voivat aiheuttaa vain 15 % häviöt (neljännes vähemmän häviöitä kuin pumppuvoimassa).

Tällä hetkellä yritykset Gravitricity  ja Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) ovat edistäneet näitä konsepteja.

Gravitricity kierrättää hylättyjä kaivoskaivoja hyödyntäen jo valmiita ja helposti käsiteltäviä satojen metrien syviä kaivoja energian varastointiin GraviStore-järjestelmällään.

Energy Vault puolestaan pyrkii omiin rakenteisiinsa, joissa lohkot liikkuvat ylös ja alas energian kysynnän mukaan.

Sadoilla tuhansilla kaivosalueilla ympäri maailmaa tällä voi olla paljon suurempi potentiaali kuin moni uskoo, ja se hyötyy siitä, että infrastruktuuri on jo olemassa. Yritys tutkii yhteistyötä ruotsalaisen teollisuusjättiläisen ABB:n kanssa teknologian kehityksen viimeistelyssä sekä ABB:n laajan kaivosasiakaskunnan hyödyntämisessä.

Lähde: ABB

Painovoiman “kiinteän energian varastoinnin” rajoitus on, että vain kymmenien tai satojen metrien syvyydessä varastoitu energia ei ole kovin suuri. Yksi vaihtoehto on yksinkertaisesti kerätä riittävästi, kuten satojen tuhansien kaivoskaivojen avulla Gravitricityn tapaan, tai massiiviset omat “varastot” Energy Vaultin kaltaisesti.

Toinen vaihtoehto on käyttää paljon pidempää syvyyttä. Tähän syvät merialtaat lähellä rannikkoa ovat vaihtoehto. Kelluva alusta voisi seisoa tällaisen alueen yllä ja laskea tai nostaa painoa useiden tuhansien metrien syvyyteen. Tämä konsepti tunnetaan nimellä Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Yksi tähän konseptiin keskittyvä ranskalainen startup on Sink Float Solutions.

Lähde: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions väittää potentiaalin jopa 80 % tehokkuuteen ja erittäin alhaisiin kustannuksiin.

“Tällä hetkellä offshore‑nostureilla, joilla on suurin nostokapasiteetti, voidaan nostaa 4000 tonnin massoja, mikä 20 km/h pystysuoralla nopeudella vastaa 200 MW:n tehoa. Useita voimalaitoksia samassa paikassa voidaan käyttää rinnakkain.”

Näiden järjestelmien todellinen taloudellisuus riippuu suuresti niiden kestävyydestä, ja merenveden aiheuttama korroosio mekaanisissa osissa on suurin huolenaihe.

Hiekkalämpöakut

Suurta määrää sähköä käytetään lämmön tuottamiseen, joko teollisuudessa tai talvella talojen ja asuntojen lämmittämiseen. Sen sijaan, että sähkö varastoitaisiin kemiallisena akkuina, hiekkakakku pyrkii varastoimaan lämmön suoraan.

Idea on rakentaa suuri säiliö (kuten viljan säilytykseen käytettävät), täyttää se hiekalla ja lisätä eristys. Hiekka kuumennetaan sitten 400 °C:een. Koska hiekalla on melko alhainen lämmönjohtavuus JA suuri lämpökapasiteetti, se voi varastoida PALJON energiaa. Se on myös erittäin kestävä, eikä kärsi vaurioita edes näin korkeissa lämpötiloissa.

Lähde: Polar Night Energy

Tämä konsepti perustuu hyvin yksinkertaiseen teknologiaan, jossa käytetään tavallisia putkia, ilmapumppuja, sähkövastuksia, terästä ja matalan laadun hiekkaa, jota ei voida käyttää esimerkiksi betonisovelluksissa.

Tämän teknologian johtaja on suomalainen yritys Polar Night Energy. Tämä konsepti toimii erityisen hyvin pohjoisissa maissa, joissa on jo olemassa “kyläverkosto”, jossa patterien kuuma vesi tuotetaan keskitetysti sadoille tai tuhansille asunnoille. Tämä on erityisen totta Skandinaviassa, Saksassa sekä suurimmassa osassa Itä‑Eurooppaa ja entisiä Neuvostoliiton maita.

Koska energiankulutuksen häviöt ovat minimaalisia, energiaa voidaan kerätä pitkien aurinkoisien kesäkuukausien aikana (jotka voivat kestää 20‑24 tuntia päivässä Suomessa). Ylimääräinen fotovoltaproduktio voidaan näin varastoida pitämään maa lämpimänä talvella ja vähentämään lämmitystarpeesta johtuvaa kausittaista sähkönkulutuksen piikkiä.

Voimme kuvitella, että konseptin jatkokehityksiä voitaisiin käyttää kasvihuoneiden lämmittämiseen tai hyödyntää termisiä aurinkojärjestelmiä.

Samankaltainen “lämpöakku” -konsepti on myös kehitteillä Rondo Energy -yrityksessä. Nämä tiilet voidaan kuumentaa jopa 1500 °C:een. Korkeamman lämpötilan vuoksi tätä sovellusta voitaisiin käyttää paitsi kyläverkostoon, myös teollisiin sovelluksiin kuten sementin tuotanto, metallurgia, kemikaalit tai kaivostoiminta.

Lähde: Rondo Energy

Sillä välin  yritys Stiesdal työskentelee myös lämpöakun parissa, jossa käytetään murskattuja kiviä. Verkkovarastointikapasiteetin odotetaan olevan 10 tunnista 10 päivään.

Lopuksi jättimäinen sementin valmistaja Holcim kehittää myös ratkaisua, joka perustuu sementtiin, joka varastoi lämpöä kuiva‑tilassa ja vapauttaa sen kostutettaessa. Koska sykli voidaan toistaa äärettömästi, sen tulisi tulla alhaiseen hintaan riittävän pitkän ajan kuluessa.

Tämä on suunniteltu varastoimaan ylimääräistä lämpöä teollisessa ympäristössä. Ehkä sitä voitaisiin käyttää lisänä pakkausasemaan, vähentäen ilman lämpiämisestä aiheutuvaa häviötä pakatessa.

300 kW:n energian tiheydellä kuutiosenttimetriä kohden se voisi varastoida paljon tehoa muutamalla tuhannella tonnilla suhteellisen halpaa ja runsasta sementtiä. Vasta vuonna 2022 paljastettu konsepti on tällä hetkellä kehitteillä.

Levyakselit

Toinen tapa varastoida energiaa on pitää se mekaanisessa liikkeessä. Levyakselit ovat tällaisia laitteita, jotka varastoivat energiaa pyörittämällä mekaanista pyörää tyhjiössä magneettisuojassa, nopeuksilla jopa 20 000–50 000 kierrosta minuutissa. Järjestelmä voi varastoida tai palauttaa energiaa kiihdyttämällä tai hidastamalla levyakselia.

Näiden järjestelmien tärkein etu on, että ne reagoivat erittäin nopeasti, vain millisekunneissa. Näin ne eivät ainoastaan varastoi energiaa, vaan myös auttavat vakauttamaan sähköverkon taajuutta, mikä on vaikeampaa ilman massiivisia keskitettyjä voimalaitoksia kuten hiili-, kaasu- tai ydinvoimalaitoksia.

Yritykset kuten Siemens Energy ovat toteuttaneet pilottihankkeita levyakselien käytöstä, esimerkiksi Etelä‑Australia (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Muut startupit kehittävät myös tätä konseptia, kuten Stornetic, jonka järjestelmän odotetaan kestävän vähintään 20 vuotta ja 100 000 lataus-/purkusykliä.

Lähde: Stornetic

Toinen yritys on S4 Energy, jolla on 60 MWh toiminnassa tai rakenteilla, ja 1 050 MWh:n putkisto. Levyakselin reaktiivisuus voi myös auttaa tekemään joitakin toimintoja tehokkaammiksi, kun on voimankulutuksen piikkejä, kuten Rotterdamin sataman nostureissa, joissa levyakselia käytetään keräämään energiaa takaisin, kun kuorma lasketaan alas. Yrityksen levyakseli, KINEXT, on erityisen raskas (5 tonnia) ja liikkuu suhteellisen hitaasti (“vain” 1 800 kierrosta minuutissa), mikä tekee siitä erittäin pitkäikäisen, alhaisen käyttökustannuksen ja helpon ylläpitää. Levyakselilla on vain 8 % häviöt varastoidusta energiasta, mikä on hieman parempi kuin jopa litiumioniakut.

Vaikka levyakselit ovat erittäin tehokkaita ja reaktiivisia, niiden kokonaisvarastointikapasiteetti on pienempi kuin muiden ratkaisujen kustannuksissa, joten ne todennäköisesti pysyvät kapeiden sovellusten ja verkon taajuusvakautuksen piirissä.

Lämpöenergia‑aurinko

Fotovoltaalipaneelit muuntavat auringon säteet suoraan sähköksi. Verrattuna tähän, aurinkoenergia‑lämpövoimalaitos kerää auringon lämmön ja keskittyy sen tuottamaan sähköä. Koska lämpöä on helpompi varastoida jonkinlaisen inertian avulla, tällaiset aurinkolaitokset voivat tuottaa sähköä vielä monia tunteja auringonlaskun jälkeen, juuri silloin kun energiankulutus on huipussaan.

Tämä idea, joka menetti suosiotaan fotovoltaalipaneelien kasvavan tuoton myötä, saattaa tehdä paluun nyt, kun uusiutuvien energialähteiden epäsäännöllisyys on yhä suurempi ongelma niiden osuessa yhä suurempaan osaan energian tuotantoseosta.

Lähde: Energy.gov

Vaikka lupaava, tätä konseptia on historiallisesti vaivannut korkeat kustannukset. Lämpöä on vaikea siirtää keräimestä generaattoriin, ja prosessi tuottaa vaarallista lämpöä ja jäteliuminia. Toinen sulatettujen suolojen käyttöön perustuva malli on kärsinyt vuodoista ja luotettavuusongelmista.

Se on myös ongelmallinen villieläimille, sillä linnut voivat säännöllisesti polttua näkymättömien ja erittäin keskittyneiden auringonsäteilyn vuoksi.

Tulevaisuudessa vähemmän massiiviset ja siten vähemmän ekologisesti häiritsevät suunnittelut voivat tuoda keskittyneen aurinkoenergian takaisin valokeilaan.