Aurinko- ja tuulivoiman kasvun myötä sähkön varastointi on aiempaa hankalampaa ja hintavaihtelut suurempia – ratkaisu voi löytyä uudenlaisesta akkuteknologiasta ja sähkön muuttamisesta vetypolttoaineeksi

Aurinko- ja tuulivoiman lisääntyessä sähkön hinnan heilahtelu voimistuu. Suomen kaltaisessa vaihtelevien sääolojen maassa, heilahtelut näkyvät erityisen selkeästi. Muutos asettaa haasteita sähköverkkojen kestävyydelle, kirjoittaa apulaisprofessori Pekka Peljo. VAPAA LUKUOIKEUS.

Pekka Peljo Turun yliopisto
Päivittäinen tuulisuuden ja pilvisyyden vaihtelu aiheuttaa myös sähkönhinnan vaihteluita. Kuva: Jonathan Pearson (CC BY 2.0)

Moni saattoi hieraista silmiään, kun Yle uutisoi  9. helmikuuta 2020: ”Sähkön hinta kääntyy ensi yönä negatiiviseksi.” 

Kyseessä  oli ensimmäinen kerta koskaan Suomessa kun pienen hetken ajan kuluttajille maksettiin sähkön käyttämisestä. Ilmiö on toistunut joitain kertoja myös helmikuun 2020 jälkeen. 

Syy erikoiseen ilmiöön on lopulta varsin luonnollinen ja palautuu sääilmiöihin. Esimerkiksi huhtikuussa 2021 koko Skandinaviassa tuuli voimakkaasti juuri pääsiäispyhien aikana, jolloin sähkön kulutus oli normaalia pienempi ja tuulisähköä tuotettiin reilusti yli tarpeen. Hinta kääntyi negatiiviseksi. Luonnonilmiöt vaikuttavat toki myös toiseen suuntaan. Esimerkiksi kylmä tuuleton pakkasjakso talvella saa sähkön hinnan moninkertaistumaan. 

Aurinko- ja tuulivoiman tuotannon lisääntyessä sähkön hinnan heilahtelu voimistuu, asettaen haasteita sähköverkoille. Sähköverkon toiminta vaatii, että sähköä kulutetaan yhtä paljon kuin sitä tuotetaan. Perinteisesti tämä on ratkaistu sopeuttamalla tuotanto kulutukseen “pyörivällä reservillä”, eli esimerkiksi voimalaitoksissa turbiinien tuottamaa tehoa pystytään nopeasti säätämään muuttamalla niiden pyörimisnopeutta. Voidaan myös puhua sähköverkon inertiasta, eli pyörivän massan määrästä. 

Uusiutuvan energian kasvu muuttaa kokonaiskuvaa. Kun yhä suurempi osuus sähköstä tuotetaan uusiutuvalla energialla, pyörivien reservien määrä vähenee radikaalisti ja sähköverkko muuttuu huomattavasti herkemmäksi häiriöille. 

Kulutuksen ja tuotannon välistä epäsuhtaa voidaan vähentää kehittämällä energian varastointia

Fingridin mukaan pohjoismaisen sähköverkon inertia oli historiallisen matala viime kesänä. Ongelman ratkaisemiseksi on kaksi vaihtoehtoa: joko kulutuksen pitää sopeutua tuotantoon, tai tarvitaan nopean vasteen energiavarastoja. 

Kulutuksen sopeuttamisen näkökulmasta yhtenä vaihtoehtona on kehittää tekoälyn ohjaamia virtuaaliakkuja, joissa sähkönkulutus joustaa etäohjattuna. Toinen vaihtoehto, akkujen lisääminen verkkoon, on myös jo nykypäivää, ja yhdessä näillä ratkaisuilla saadaan sähköverkko tasapainotettua noin tunnin aikaskaalalla. 

Kumpikaan ratkaisuista ei kuitenkaan pysty auttamaan verkon tasapainotuksessa päivän skaalalla ja jatkossa energiayhtiöillä onkin huutava tarve energian pitkäaikaiselle varastoinnille. 

Pidempiaikaisen kulutuksen ja tuotannon välinen epäsuhta on perinteisesti ratkaistu säätämällä vesivoiman tuotantoa tai käynnistämällä varavoimaloita. Kun sääennuste lupaa tuulisia päiviä, sähkön hinta laskee ja vesivoiman tuotantoa vähennetään. Vastaavasti tuulettomina päivinä vesisähkön myynti kannattaa paremmin, joten sitä tuotetaan myös enemmän. 

Maailman sähköenergiasta noin kolmasosa tuotetaan tällä hetkellä uusiutuvalla energialla. Hieman yli puolet uusiutuvasta sähköstä tuotetaan vesivoimalla, mutta IEA ennustaa tuuli- ja aurinkovoiman tuotannon saavuttavan vesivoiman vuosien 2025-2026 välisenä aikana. 

Tuuli- ja aurinkovoiman yleistyessä, tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen vesivoimaa säätämällä onnistuu siis koko ajan huonommin, ja vaaditaan joko varavoimaloita tai akkuja. Koska useat valtiot haluavat ilmastonmuutoksen vuoksi vähentää fossiilista polttoaineiden roolia, fossiilisia polttoaineita käyttävistä varavoimaloista ei ole ongelman ratkaisijoiksi.  

Pumppuvoimalat eivät ratkaise ongelmaa

Kansainvälisen uusiutuvan energian järjestön tilastojen mukaan ylivoimaisesti suurin osa maailman sähkövarastoista on pumppuvoimaloita, joissa sähkö varastoidaan pumppaamalla vettä ylempänä olevaan järveen. 

Pumpputeknologiaa käyttämällä varastoitu energia muutetaan takaisin sähköksi ajamalla vesi turbiinin läpi takaisin alempana olevaan järveen. Tällaista varastoa on suunniteltu muun muassa Pyhäsalmen kaivokseen. 

Varastot toimivat jopa yli 80 prosentin hyötysuhteella. Ongelma on kuitenkin, että vaaditut vesimäärät ovat valtavia. 

Esimerkiksi Nant de Dracen uusi jättimäinen ja moderni voimala Sveitsissä pumppaa 6500 olympiauima-altaallista vettä 425 metriä korkeammalle varastoidakseen energiaa kattamaan noin tuhannen nelihenkisen sähkölämmitteisen omakotitalon vuotuisen energiantarpeen. Täydellä teholla yläjärvi valuu tyhjiin 18 tunnissa. Laitoksen koko vastaa esimerkiksi tilannetta, jossa Helsingin keskuspuiston ala peittyisi 25 m korkuisen vesipeitteen alle. Riittäviä korkeuseroja taas löytyy Suomessa lähinnä Lapista. 

Globaalisti pumppuvoimaloiden määrä voidaan 1,5 kertaistaa, mutta sen jälkeen suurin osa sopivista paikoista on käytetty. Lisäksi pumppuvoimaloiden rakentaminen vaatii massiivisia ja  pitkäaikaisia investointeja. Jos laitoksen elinikä on 80 vuotta, laitoksen käyttö ei välttämättä ole enää kannattavaa mikäli energianvarastointi tai sähköntuotanto muuttuu radikaalisti teknologian kehittyessä.

Pidemmän aikavälin ratkaisu voisi löytyä akkuteknologiasta, mutta haasteena on akun nopea tyhjeneminen

Maailman akkukapasiteetti on toistaiseksi minimaalinen verrattuna pumppuvoimaloiden tuottamaan energiavarastoinnin kapasiteettiin. Akkukapasiteetin kasvun odotetaan kuitenkin olevan suurta. 

Tällä hetkellä energiayhtiöiden käytössä on pääasiassa litium-ioniakkuja, joita on kehitetty voimakkaasti erityisesti sähköautoja varten. Uusimpien akkujen energiatiheys on täysin eri luokkaa kuin pumppuvoimalan. Kuvaavaa on, että esimerkiksi Nant de Dracen laitoksen energiamäärään päästäisiin kasaamalla koko hehtaarin laajuiselle Helsingin Senaatintorille 3.6 metriä korkea akku. 

Litium-ioniakut kaupallistettiin 1990-luvun alussa kannetavan elektroniikan virtalähteiksi. Sen jälkeen sekä valmistusprosessi sekä käytetyt materiaalit ovat kehittyneet valtavasti. Kallis koboltti pystytään nykyisin korvaamaan kokonaan rautafosfaatilla tai nikkeli-mangaani-koboltti -sekoituksella, jossa kobolttia on enää 10% alkuperäisestä määrästä. Seurauksena akkujen hinnat ovat laskeneet olennaisesti. 

Myös ruokasuolasta tuttuun natriumiin perustuva natrium-ioniakku voi olla merkittävä teknologinen apuväline sähkön varastointiin. Kevyempi ja pienempi litium on korvattu  natriumilla, jolloin akun energiatiheys huononee mutta raaka-aineet ovat myös halvempia. Natrium-ioni akut ovat kohta  markkinoiden hyödynnettävissä sillä kesällä 2021 kiinalainen akkuvalmistaja CAITL esitteli oman versionsa akuista.

Sekä litium-ioniakkujen että natrium-ioniakkujen merkittävä ongelma kuitenkin on, että optimiteholla ne tyhjenevät noin tunnissa. Toki akkua voi purkaa myös hitaammin, mutta seurauksena on vajaakäyttö. Esimerkiksi aurinkoenergian talteenotto yöksi vaatisi siis akkuja, joita ladattaisiin ja purettaisiin yksi kerrallaan. 

Akkujen käytettävyyden näkökulmasta olennaista on niiden varastointikyky ja hinta

Jotta energiaa pystytään varastoimaan pidemmän aikaan, tarvitaan natrium-rikkiakku. Akut pystyvät varastoimaan energiaa jopa kuudeksi tunniksi, mutta vaativat tosin toimiakseen noin 300 celsiuksen lämpötilan. Toisaalta, juuri korkean käyttölämpötilan vuoksi nämä akut soveltuvat erinomaisesti kuumiin olosuhteisiin, toisin kuin esimerkiksi litium-ioniakut. 

Akun etu on raaka-aineiden yleisyys, mutta korkea käyttölämpötila asettaa omat haasteensa ja vaatii poikkeuksellisen hyvän eristyksen. Myöskään tuotantoa ei ole skaalattu tuuli- tai aurinkoenergian varastoinnin mittakaavaan.

Natrium-rikkiakun ohella virtausakku saattaa mahdollistaa tuuli- ja aurinkoenergian tehokkaamman varastoinnin. Toisin kuin muissa akuissa, joissa energia varastoidaan akkukennon sisällä oleviin elektrodeihin, virtausakussa energia varastoidaan akkukennon läpi virtaavaan liuokseen. Siten akun varastointikapasiteetti kaksinkertaistuu jos tankkien tilavuus kaksinkertaistuu. 

Irti saatava teho taas riippuu akkukennojen pinta-alasta ja lukumäärästä, joten virtausakut voidaan räätälöidä sekä tehon että energian suhteen: esimerkiksi omakotitalon kahdeksan tunnin energiavarasto voidaan kennoja lisäämällä muuttaa kahden omakotitalon neljän tunnin energiavarastoksi. Tankit kolminkertaistamalla saataisiin kahdentoista tunnin energiavarasto. Omakotitalon kahdeksan tunnin litium-ioniakkujärjestelmässä riittäisi tehoa siis kahdeksan talon tarpeisiin tunniksi. 

Virtausakkujenkin osalta suurin ongelma on hinta. Kaupallisesti saatavilla olevat akut perustuvat vanadiiniin, jonka tuotantomäärät eivät pysty vastaamaan energianvarastoinnin mittaviin tarpeisiin ilman merkittävää hinnannousua. Tutkimus on toki pyrkinyt kehittämään vanadiinia korvaavia materiaaleja, ja Euroopassa onkin syntynyt muutamia start-uppeja kaupallistamaan uusiin kemioihin perustuvia virtausakkuja. 

Toisaalta virtausakkujen merkittävät  edut on helppo kierrätettävyys sekä paloturvallisuus: energiavarastointiin käytetyt liuokset voidaan helposti erottaa systeemistä, ja muut osat voidaan helposti purkaa. Vesiliuoksia ei myöskään voi polttaa. Omassa tutkimuksessamme etsimme yleisiin raaka-aineisiin perustuvia materiaaleja virtausakkusovelluksiin. Yksi esimerkki tutkimuksestamme on biopohjaiset materiaalit, kuten vitamiini B6:n johdannaiset.

Sähkön varastoinnista ei toistaiseksi makseta tarpeeksi ja se ei kannusta energianvarastoinnin kehittämiseen

Kun tuuli- ja aurinkovoimantuotanto saavuttaa vesivoimantuotannon noin viiden vuoden sisällä, ajoittainen epätasapaino sähkön kulutuksen ja tuotannon välillä syvenee ja tarve keskipitkän ajan energianvarastointiin (4-16 tuntia) räjähtää. 

Keskipitkän ajan energiavarastointiin  soveltuvat parhaiten korkean lämpötilan natrium-rikkiakut sekä kehitteillä olevat erilaiset virtausakkuteknologiat. 

Teknologioiden yleistymistä ja kaupallistamista hidastaa, ettei sähkön keskipitkän aikavälin varastoinnista makseta riittävästi. Kysyntää ei ole yksinkertaisesti sen vuoksi koska sähkön varastointi on kalliimpaa kuin fossiilisten varavoimaloiden käyttö. 

Tilanne muuttuu radikaalisti fossiilisten polttoaineiden päästöoikeuksien hintojen kasvaessa. Keskipitkän ajan akkuteknologioiden kaupallistamisella ja tuotannon käynnistämisellä on siis kova kiire. 

Viiden vuoden päästä saatetaan olla tilanteessa, jossa keskipitkän ajan varastoinnille olisi suuri tarve mutta teknologiat eivät ole valmiita. Tällöin voi syntyä suuri kiusaus käytössä olevien fossiilisten varavoimaloiden alasajamisen lykkäämiseen ja lisävoiman rakentamiseen. Lisäksi kuluttajat saavat varautua yhä suurempaan sähkön hinnan vaihteluun.

Ja kun tarvitaan pidempiaikaista, viikon varastoa, uuden teknologian akut alkavat käydä liian kalliiksi. Kärjistetysti, ei ole järkeä rakentaa akkua, jota puretaan ja ladataan 25 kertaa vuodessa, jolloin toiseksi vaihtoehdoksi jää sähkön hyödyntäminen polttoaineena kuten vetynä.

 

Tämä artikkeli on julkaistu Creative Commons CC BY-ND 4.0 -lisenssillä.

Piditkö artikkelista?

Rekisteröidy ja kokeile MustReadia 14 päivää maksutta

Tutkittutieto.fi

Keskustelu

Timo Kuusela 23.10.2021 22:10
Aurinkokennojen- ja tuulimyllyjen tuottamalla edullisella sähköllä voi tehdä vedestä elektrolyysin avulla vetyä vetyvarastoon (vaikkapa kallioon rakennettuun säiliöön?) ja ottaa sitten myöhemmin tarpeen vaatiessa käyttöön ja tehdä vedystä polttokennosysteemillä Platina ja/tai Palladium katalyyteillä sähköksi. Aurinkokennoillahan voi mm Lapissa (kesäaikaan kun aurinko voi paistaa, jos ei ole pilvistä jopa useamman kuukauden ja keväällä syksyllä myös kun on aurinkovaloa) tehdä vedestä isot määrät vetyä varastoitavaksi myöhempää käyttöä varten samoin kuin myös tuulimyllyjen tuottamalla sähköllä vedestä elektrolyysin avulla vetyä Vedyn varastointi taitaa olla vielä erittäin haasteellista???

Jätä kommentti