Ei‑kemialliset vaihtoehdot akuille energiasiirtymässä

Ovatko akut aina sopivin ratkaisu?

Sähköistäminen on tärkeä keino korvata fossiilisia polttoaineita teollistuneissa talouksissa. Tavoitteena on esimerkiksi vaihtaa polttomoottoriautot sähköautoihin ja tuottaa lämpöä lämpöpumpuilla polttamisen sijasta. Käsittelimme aihetta artikkelissa ”Liikkumisen tulevaisuus – Akkutekniikka”.

Sähköntuotannon päästöt vaikuttavat siihen, kuinka ilmastoystävällinen muutos on. Uusiutuvat ja muut kestävät energialähteet voivat tukea sitä. Myös vähähiilinen ydinvoima voi kuulua kokonaisuuteen, vaikka sen muiden ympäristövaikutusten arvioinnista on erilaisia näkemyksiä.

Sähkön kysyntä vaihtelee vuorokauden ja vuodenaikojen mukaan, ja tuuli- sekä aurinkotuotanto riippuvat säästä. Lyhyet ja pilviset talvipäivät vähentävät aurinkotuotantoa; kylmyys itsessään ei välttämättä heikennä aurinkopaneelin hyötysuhdetta. Myös pitkät vähätuuliset jaksot vaativat joustoa. Varastointi, siirtoyhteydet, kysyntäjousto ja säädettävä tuotanto voivat kaikki auttaa.

Energiavarastot voivat tasata kysyntää ja tarjontaa. Yksi vaihtoehto ovat sähköverkon suuret akkuvarastot, joiden uudet kemiat tavoittelevat alhaisempia kustannuksia tai muita etuja. Niitä käsitellään artikkelissa ”Energiavarastoinnin tulevaisuus – Sähköverkon akut”. Energia voidaan myös muuttaa varastoitavaksi polttoaineeksi, kuten nestemäiseksi vedyksi tai ammoniakiksi. Näitä mahdollisuuksia käsittelevät artikkelit ”Toinen vetypolttoaine – Viisi vihreän ammoniakin osaketta” ja ”Leväbiopolttoaine: Seuraava energiavallankumous?”.

Millaisia muita varastointitapoja on eri aikajänteille? Tässä tarkastellaan mekaanisia ja lämpöön perustuvia vaihtoehtoja sähkökemiallisille akuille. Osa mainituista hybridiehdotuksista sisältää myös kemiallisia reaktioita. Kaikki tekniikat eivät sovellu päivien, kuukausien tai vuosien varastointiin.

Paineilma

Paineilman edut

Ilman puristaminen vaatii energiaa. Osa siitä voidaan ottaa takaisin, kun varastoitu ilma laajenee ja pyörittää turbiinia.

Paineilmavarasto käyttää kompressoreita, putkia, säiliöitä ja turbiineja, joissa hyödynnetään runsaasti tavallisia materiaaleja, kuten terästä. Se voi vähentää riippuvuutta tietyistä akkuraaka-aineista, mutta kaikki komponentit eivät välttämättä ole vailla kriittisiä materiaaleja. Sopivat maanalaiset ontelot voivat tarjota suuren varastotilan; jokainen ehtynyt kaasuesiintymä ei kuitenkaan ole riittävän tiivis tai muuten soveltuva. Ilmaa on laajasti saatavilla, mutta sen käsittely ja infrastruktuuri maksavat.

Lähde: Electricity Forum

Ilman puristaminen on tunnettua teollisuustekniikkaa, jolla on vakiintunut toimitusketju. Hyvin suunnitellun varaston seisontahäviöt voivat olla pieniä. Ne ovat eri asia kuin koko puristus-, varastointi- ja sähköntuotantokierroksen häviöt, jotka riippuvat järjestelmästä.

Paineilman haitat

Ilma lämpenee puristettaessa ja jäähtyy laajetessaan, joten lämmönhallinta on keskeistä. Jos puristuslämpö poistetaan ympäristöön, takaisin saatava energia vähenee. Joissakin järjestelmissä lämpö kuitenkin varastoidaan ja käytetään uudelleen laajennusvaiheessa; sen hukkaaminen ei ole välttämätöntä.

Vuoden 2023 artikkelissa mainittiin noin 30–40 prosentin kokonaishäviöt ja tätä suuremmat häviöt heikommin toimivissa ratkaisuissa. Noin 70 prosentin hyötysuhteen esimerkkinä oli 400 MWh:n Zhangjiakoun laitos, jonka kehitti Kiinan tiedeakatemia. Nämä luvut kuvaavat tiettyjä järjestelmiä ja olosuhteita, eivät kaikkien ratkaisujen muuttumatonta fysikaalista rajaa.

Paineilma voi soveltua edulliseen pitkäaikaiseen varastointiin sopivalla paikalla. Muuntohäviöt kuitenkin vaikuttavat talouteen. Puristuslämmön hyödyntäminen laajennuksessa tai hyötylämpönä voi parantaa energian kokonaiskäyttöä; erillinen teollisuusprosessi ei ole ainoa mahdollisuus.

Painovoimavarastot

Kun massa nostetaan korkeammalle, sen gravitaatiopotentiaalienergia kasvaa. Massan laskeutuessa osa tästä energiasta voidaan muuntaa sähköksi. Tähän perustuu painovoimavarastointi.

Pumppuvesivoima

Pumppuvesivoima oli noin vuonna 2020 hallitseva sähköverkon varastointitekniikka, jonka osuus maailman asennetusta varastointitehosta oli noin 90 prosenttia tai enemmän. Artikkeli viittasi Yhdysvaltain energiaministeriön maailmanlaajuiseen energiavarastotietokantaan. Kyse on historiallisesta osuudesta, ei nykytilanteen mittauksesta.

Tavallinen vesivoima hyödyntää korkealla olevan veden potentiaalienergiaa ja usein luonnollista tulovirtaamaa. Pumppuvesivoimassa sähköllä siirretään vettä alemmasta altaasta ylempään. Kun vesi myöhemmin virtaa turbiinin kautta alas, osa käytetystä energiasta saadaan takaisin.

Altaat voidaan rakentaa nimenomaan varastointiin myös suljettuna kiertona, joka ei ole jatkuvassa yhteydessä jokeen. Tarvitaan kuitenkin sopiva korkeusero, geologia ja vesimäärä; pelkkä mäkinen maasto ei takaa soveltuvuutta. Sopivassa paikassa myös maanalainen allas on mahdollinen.

Lähde: Energy.gov

Koko kierron energiahäviöt ovat yleensä noin 20–30 prosenttia. Vettä voidaan säilyttää kuukausia, mutta haihtuminen ja vuodot riippuvat paikasta ja olosuhteista. Investointi voi olla suuri, mutta pumppuvoimalaitokset ovat usein pitkäikäisiä.

Eräs spekulatiivinen ehdotus yhdistää veden elektrolyysin alemmalla korkeudella, vedyn siirtämisen ylös, sen muuttamisen takaisin vedeksi ja sähköntuotannon veden laskeutuessa turbiinin läpi. Tämä on kemiallista varastointia sisältävä hybridijärjestelmä. Vedyn ilmaa pienempi tiheys ei tee koko siirrosta ja energiakierrosta ilmaista.

Tässä ei ole osoitettu tällaisen hybridikierron kokonaishyötysuhdetta pumppuvesivoimaa paremmaksi. Elektrolyysi, kaasun ja veden käsittely, takaisinmuunto, häviöt sekä laitteiston kustannukset on kaikki otettava huomioon.

Energian varastointi betonimassoilla ja kivillä

Veden lisäksi painovoimavarastossa voidaan nostaa ja laskea kiviä, betonilohkoja tai muita raskaita massoja.

Kiinteiden massojen nostamiseen voidaan käyttää vinssejä tai nostureita, kaapeleita ja sähkömoottori–generaattoreita. Perusmateriaaleja on saatavilla, mutta ohjaus, turvallisuus ja rakenteiden kestävyys vaativat erityistä suunnittelua.

Joissakin suunnitelmissa tavoitellaan noin 15 prosentin kokonaishäviöitä. Se ei ole kaikkien painovoimavarastojen yleinen mitattu suoritusarvo. Vertailussa pumppuvesivoimaan on laskettava mukaan pumput, turbiinit, moottorit, generaattorit, putkistot ja kitka, ei ainoastaan veden turbulenssi.

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

Gravitricity pyrkii hyödyntämään tarkoitukseen sopivia vanhoja, satojen metrien syvyisiä kaivoskuiluja. GraviStoressa energiaa varastoidaan nostamalla ja laskemalla painoja. Kaikki hylätyt kaivoskuilut eivät ole turvallisia tai soveltuvia tähän.

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

Vanhat kaivokset tarjoavat mahdollisia sijoituspaikkoja, mutta niiden määrä ei suoraan kerro käyttökelpoisesta varastokapasiteetista. Joulukuun 11. päivänä 2023 Gravitricity ja Sveitsissä pääkonttoriaan pitävä ABB julkistivat jo allekirjoitetun yhteistyösopimuksen nostotekniikan ja kaupallisen kehityksen edistämiseksi. ABB:llä oli myös laaja kaivosalan asiakaskunta.

Lähde: ABB

Varastoitu painovoimaenergia riippuu sekä massasta että korkeuserosta. Kymmenien tai satojen metrien liikkeellä suuri energiamäärä edellyttää raskaita massoja, useita yksiköitä tai suuria erikoisrakenteita. Kaivosten lukumäärä ei yksin ole käyttökelpoisen varastokapasiteetin laskelma.

Toinen ehdotus hyödyntää rannikon läheisiä suuria merensyvyyksiä. Kelluva alusta voisi nostaa ja laskea massaa tuhansien metrien matkalla. Konseptia kutsutaan nimellä Deep Ocean Gravitational Energy Storage eli DOGES. Vuoden 2023 artikkeli mainitsi kehittäjäksi ranskalaisen startupin Sink Float Solutions.

Lähde: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions esitti mahdolliseksi hyötysuhteeksi jopa 80 prosenttia ja arvioi kustannukset pieniksi. Nämä olivat konseptia koskevia väitteitä, eivät tässä osoitettuja kaupallisen laitoksen taloudellisia tuloksia.

Yrityksen laskuesimerkissä yhdistettiin 4 000 tonnin massa ja pystysuora nopeus 20 km/h, mikä vastaa teoriassa noin 200 MW:n suuruusluokan tehoa. Useita vinssejä voisi käyttää rinnakkain. Tämä ei osoita, että olemassa oleva merinosturi kykenee samaan aikaan kyseiseen kuormaan ja nopeuteen. Varastoidun energian laskemiseen tarvitaan lisäksi liikkeen korkeusero.

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

Hiekkalämpöakut

Sähköä käytetään paljon teollisuuslämmön sekä rakennusten lämmityksen tuottamiseen. Hiekka-akku varastoi energian suoraan lämpönä, eikä sähkökemiallisen akun tavoin kemiallisena energiana.

Eristetty siilo täytetään sopivalla hiekalla tai muulla edullisella kiinteällä aineella, jota lämmitetään esimerkiksi 400 °C:seen. Lämpökapasiteetti ja eristys mahdollistavat suuren lämpömäärän varastoinnin. Sopiva materiaali ja enimmäislämpötila riippuvat suunnittelusta.

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.

Suomalainen Polar Night Energy kehittää tällaisia lämpövarastoja. Ne voidaan liittää kaukolämpöverkkoon, jossa keskitetysti tuotettu lämpö palvelee lukuisia rakennuksia. Kaukolämpöä käytetään Pohjoismaissa, Saksassa sekä monilla Itä-Euroopan ja entisen Neuvostoliiton alueilla. Varasto tuottaa lämpöä; sähkön tuottaminen siitä vaatisi lisälaitteita ja aiheuttaisi lisähäviöitä.

Hyvä eristys voi säilyttää lämpöä pitkään, mutta häviöt ja käyttökelpoinen kausikapasiteetti riippuvat koosta ja käytöstä. Pohjois-Suomessa päivänvalo voi kestää kesällä noin 20–24 tuntia, mutta ei koko maassa. Valoisa tunti ei myöskään vastaa täyttä aurinkosähkötehoa. Kesäylijäämän varastoiminen lämpönä voisi kattaa osan talven tarpeesta; tässä ei osoiteta sen yksin lämmittävän koko maata.

Jatkokehityksessä lämpövarastoa voitaisiin käyttää esimerkiksi kasvihuoneiden lämmittämiseen tai yhdistää aurinkolämpökeräimiin.

Myös Rondo Energy kehittää lämpöakkuja, joissa tulenkestäviä tiiliä kuumennetaan sähköllä jopa noin 1 500 °C:seen. Lämpö voidaan toimittaa kuumana ilmana tai höyrynä esimerkiksi sementtiteollisuuteen, metallurgiaan, kemianteollisuuteen tai kaivostoimintaan. Lämmön varastointihyötysuhde ei automaattisesti ole sama kuin sähköksi takaisinmuunnon hyötysuhde.

Lähde: Rondo Energy

Vuoden 2023 esitteessään Stiesdal kuvasi murskattua kiveä käyttävää GridScale-järjestelmää. Siinä on kuumia ja kylmiä varastosäiliöitä sekä lämpöpumppu- ja turbiinikierto. Mainitut 10 tuntia – 10 päivää tarkoittavat suunniteltua varastointi- tai purkausaikaa eri kokoonpanoissa, eivät MWh-yksiköissä mitattua energiakapasiteettia.

Lisäksi Holcim kehitti INSA Lyonin ja ENGIE:n kanssa erityiseen sementtipohjaiseen materiaaliin perustuvaa ratkaisua. Se varastoi ja vapauttaa lämpöä veden poistamisen ja hydraation avulla. Tämä on termokemiallista varastointia ja siten poikkeus täysin ei-kemiallisista tekniikoista. Toistettava kierto ei todista ääretöntä käyttöikää ilman huoltoa tai takaa alhaisia kustannuksia.

Tavoitteena oli hyödyntää ylijäämälämpöä lämpöverkoissa ja teollisuudessa. Yhdistäminen paineilmavarastoon vaatisi erillistä teknistä arviointia; artikkelissa ei osoiteta jo toimivaa integroitua laitosta.

Yrityksen tiedote käytti energian vastaanotosta lukua ”300 kW kuutiometriä kohti”. kW mittaa kuitenkin tehoa, ei energiaa. Ilman aikaperustaa luku ei ole kelvollinen energiatiheys eikä siitä voi laskea varastoitua energiaa materiaalitonnien perusteella. Konsepti oli kehitysvaiheessa, kun se esiteltiin vuonna 2022.

Vauhtipyörät

Vauhtipyörä varastoi liike-energiaa pyörivään massaan. Osa malleista pyörii tyhjiössä magneettilaakereilla noin 20 000–50 000 kierrosta minuutissa, osa paljon hitaammin. Moottori–generaattori varastoi energiaa kiihdyttämällä pyörää ja ottaa sitä takaisin hidastamalla.

Vauhtipyörät reagoivat millisekunneissa. Ne voivat tukea verkon taajuutta ja dynaamista vakautta erityisesti silloin, kun suurten tahtigeneraattorien tuottama hitaus vähenee. Nopea verkkopalvelu on eri asia kuin suurten energiamäärien syöttäminen tuntien tai päivien ajan.

ElectraNetille Siemens Energy toimitti Etelä-Australiaan tahtikompensaattoreita lisävauhtipyörillä (ENR.SW ) (ENR.DE ). Ne tukevat hitautta ja verkon vakautta, eivät osoita kausivarastointia.

Valmistaja Stornetic ilmoittaa EnWheelin mekaanisen osan odotetuksi eliniäksi yli 20 vuotta ja lataus-/purkauskestoksi yli 100 000 kiertoa. Tämä ei takaa jokaiselle komponentille vuosikymmeniä ilman vaihtoa; tehoelektroniikka on tarkoitus uusia aiemmin.

Lähde: Stornetic

Myös S4 Energy yhdisti vauhtipyöriä ja akkuja hybridivarastoihin. Vuoden 2023 artikkeli mainitsi 60 MWh käytössä tai rakenteilla ja 1 050 MWh suunnitteilla olevia hankkeita. Se ei tarkoita yhden vauhtipyörän kapasiteettia eikä kokonaan valmiita hankkeita. Artikkelissa kuvattiin lisäksi energian talteenottoa Rotterdamin sataman nosturien kuormia laskettaessa. KINEXT käyttää noin viiden tonnin massaa ja enintään noin 1 800 kierrosta minuutissa, mikä palvelee nopeaa vastetta ja suurta kiertomäärää. Mainittu noin 92 prosentin hyötysuhde koskee muuntokiertoa, ei vain kahdeksan prosentin häviötä mielivaltaisen pitkän säilytyksen aikana eikä yleistä paremmuutta litiumioniakkuihin nähden.

Vauhtipyörät sopivat nopeaan vasteeseen, usein toistuviin kiertoihin, energian talteenottoon ja verkon tukipalveluihin. Rajallinen energiakapasiteetti suhteessa kustannuksiin ja seisontahäviöt suosivat yleensä lyhyitä varastointiaikoja kausivarastoinnin sijaan.

Keskittävä aurinkolämpövoima

Aurinkopaneelit muuttavat valon suoraan sähköksi. Keskittävä aurinkolämpövoimala puolestaan käyttää peilejä vastaanottimen ja lämmönsiirtoaineen kuumentamiseen, minkä jälkeen lämpökierto tuottaa sähköä. Sopivalla lämpövarastolla tuotanto voi jatkua auringonlaskun jälkeen tuntien ajan kapasiteetista ja olosuhteista riippuen.

Aurinkopaneelien hinnan lasku ja ominaisuuksien paraneminen ovat vaikeuttaneet keskittävän aurinkolämpövoiman kilpailua. Varastointi ja säädettävä tuotanto voivat silti olla arvokkaita järjestelmässä, jossa on paljon vaihtelevaa uusiutuvaa tuotantoa. Kaupallinen uusi nousu ei kuitenkaan ole varma.

Lähde: Energy.gov

Haasteita ovat kustannukset, lämmön siirto ja luotettavuus. Joidenkin orgaanisten lämmönsiirtoöljyjen hajoaminen korkeassa lämpötilassa synnyttää vetyä, joka voi heikentää vastaanottimien eristystä. Kyse ei ole jokaisen aurinkolämpövoimalan väistämättömästä jätteestä. Sulat suolat tuovat toisenlaisia haasteita, kuten jähmettymisen, korroosion ja vuodot.

Luontoonkin voi kohdistua haittoja. Erityisesti tornivastaanottimien voimakkaasti keskitetty säteily voi vahingoittaa tai tappaa lintuja. Riski riippuu sijainnista ja suunnittelusta; sama vaikutus ei koske kaikkia laitoksia eikä auringonsäteily ole pelkästään näkymätöntä.

Tulevat ratkaisut voivat parantaa kustannuksia, luotettavuutta ja ympäristöominaisuuksia. Pienempi koko ei yksin takaa pienempää ekologista haittaa, vaan jokainen toteutus on arvioitava erikseen.