Koetelluin tekniikka on varastoida energiaa patoaltaaseen. Kuva: Matti Berg
Koetelluin tekniikka on varastoida energiaa patoaltaaseen. Kuva: Matti Berg

Aina ei puhalla eikä porota. Tarvitsemme keinoja, joilla tuulivoimaa ja aurinkoenergiaa voi varastoida tyynen ja pilvisen päivän varalle.

1. Pumpataan voimala-altaisiin

Yksinkertaisin tapa varastoida energiaa on pumpata vettä vesivoimalan alapuolelta patoaltaaseen sen yläpuolelle. Kun sähkön kysyntä kasvaa, vettä lasketaan ylävarastosta turbiinin läpi alavarastoon.

Varastoidun energian määrä riippuu veden määrästä ja vesiputouksen korkeudesta.  Hyötysuhde on tavallisesti 70–80 prosenttia.

Pumppuvoimaloita on kohtalaisen helppo sijoittaa minne tahansa, missä on riittävä korkeusero. Ne toimivat myös merivedellä. Pumpattavia vesivarastoja voi varta vasten rakentaa muuallekin kuin luonnollisiin vesistöihin.

Pumppuvoimalat myös käynnistyvät nopeasti, jos sähköä pitää saada äkkiä tai jos kantaverkkoon tulee liikaa sähköä, joka pitäisi saada jonnekin varastoon. Usein pumppuvoimalat kuitenkin kannattavat taloudellisesti vain, jos sähkön päivittäishinta vaihtelee suuresti.

Pumppuvoimalat ovat vakiintunutta tekniikkaa. Tätä nykyä 95 prosenttia maailman varastointikapasiteetista on toteutettu pumpattuina vesivarastoina. Pumppuvoimaa on rakennettu Euroopassa kymmeniä ydinvoimaloita vastaava kapasiteetti, 44 500 megawattia.

Suomessa ei vielä ole yhtään pumppuvoimalaa, koska vesivoimaa on toistaiseksi ollut riittävästi käytettävissä. Pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla pumppuvoimaa on ainoastaan Norjassa ja Ruotsissa.

2. Lämmitetään vettä

Lämpöä on helpompi varastoida kuin sähköä. Suurimmissa kaukolämpöverkoissa lämpöä voi tallettaa suuriin vesisäiliöihin. Esimerkiksi Oulussa tällaisena niin sanottuna kaukolämpöakkuna toimii kallioluola, joka aiemmin käytettiin nestemäisen polttoaineen varmuusvarastona.

Kaukolämpöä voidaan tuottaa yhdistetyssä lämmön ja sähkön tuotannossa varastoon silloin, kun sähköä saadaan paljon esimerkiksi tuulivoimaloista. Kun sähkö taas on kallista, voidaan yhteistuotannossa painottaa enemmän sähkön tuotantoa ja ottaa koteihin lämpöä kaukolämpöakuista.

3. Päästetään vauhtipyöriin

Vauhtipyörässä sähkö varastoidaan mekaaniseksi energiaksi, joka tarvittaessa muutetaan takaisin sähköksi.

Vauhtipyörät käyvät tuulivoiman tueksi erityisesti pieniin sähköverkkoihin. Ne soveltuvat varavoimaksi kohteisiin, joiden sähkönjakelu ei saa koskaan katketa, kuten sairaaloihin. Suurten mittojen ratkaisuksi vauhtipyöristä ei ole.

4. Säilötään polttoaineeksi

Metsäteollisuuden laitokset voivat tuottaa massan, paperin ja kartongin ohella sähköä ja lämpöä tarpeen mukaan. Lisäksi ne voivat jalostaa pitkäaikaisesti varastoitavia polttoaineita.

Useimmat energian varastointikeinot riittävät parhaimmillaankin vain tasoittamaan sähköntarpeen viikoittaista vaihtelua, mutta biopolttoaineita voi säästää myös sydäntalven suurimpaan sähkön ja lämmön kysyntään.

Vetyä voi käyttää polttoaineena polttokennoissa sellaisenaan, tai siitä voi jalostaa muita polttoaineita. Vetyä voi valmistaa vedestä elektrolyysimenetelmällä tai korkean lämpötilan elektrolyysissä lämpöenergian avulla. Tämä onnistuu tulevaisuudessa esimerkiksi korkean käyttölämpötilan ydinvoimaloissa.

5. Pakataan akkuihin

Kesämökeillä aurinkosähköjärjestelmän tuotannon ja kulutuksen tasapainottamiseen riittää usein tavallinen lyijyakku tai pari.

Suurempien mittojen sovelluksiin käyvät esimerkiksi natriumrikkiakut. Ne vaativat korkeita, jopa 300 asteen lämpötiloja, mutta ne sopivat hyvin tuuli- ja aurinkosähkön varastointiin.

Akkutekniikassa on useita vaihtoehtoja, ja tutkijat keksivät uusia koko ajan. Science Daily -nettisivusto kirjoitti elokuussa polttokennoa muistuttavasta akkutekniikasta, joka perustuu nestemäisen bromin ja vedyn reaktioihin.

Massachusettsin teknisessä yliopistossa kehitetty tekniikka voi suunnittelijoidensa mukaan mahdollistaa sähkövaraston, jonka kustannukset alittaisivat sata dollaria kilowattitunnilta. Yhdysvaltain energiaministeriön mukaan akkutekniikan on päästävä tämän kustannustason alle, jotta se olisi verkkoyhtiöille taloudellisesti houkuttelevaa.

6. Varastoidaan paineilmaan

Kun sähköstä on ylitarjontaa, sillä voidaan puristaa ilmaa maanalaisiin varastoihin korkeaan paineeseen. Kun kysyntä kasvaa, paineilma johdetaan turbiiniin.

Paineilmavarastot ovat tavallisesti suuria, satojen megawattien laitoksia. Hyötysuhteeltaan ne häviävät pumppuvoimaloille: noin puolet energiasta muuttuu tavallisessa paineilmavarastossa lämmöksi. Hyötysuhdetta voi parantaa esimerkiksi käyttämällä kaasukombiturbiineita ja hyödyntämällä puristuksessa syntyvää lämpöä.

Paineilmavarastoja voi sijoittaa esimerkiksi maanalaiseen suolakivi- tai suolavesiesiintymiin tai käytöstä poistettuihin kaivoksiin.

Varaston purkaminen ja sähkön tuotanto pystytään paineilmavarastossa käynnistämään noin 15 minuutissa, ja voimaa riittää useiksi tunneiksi.
Suomessa tutkittiin 1990-luvulla vanhan sinkkikaivoksen hyödyntämistä paineilmavarastona, mutta taloudellisista syistä hanke jäi toteuttamatta.

7. Johdetaan suprajohteisiin

Suprajohtavat magneettiset varastot varastoivat sähköä sähkönä. Tekniikka perustuu suprajohtavassa käämissä kiertävään lähes häviöttömään tasavirtaan. Energia varastoituu virran synnyttämään magneettikenttään.

Suprajohtavuuteen perustuvien sähkövarastojen hyviä puolia ovat nopeus, jopa yli 95 prosentin hyötysuhde ja pitkäikäisyys. Koska suprajohtavuus edellyttää erittäin kylmiä lämpötiloja, tarvitaan suuret jäähdytysjärjestelmät. Niiden kalleuden takia suprajohtavuus ei ole sähkön varastointikeinona lyönyt itseään läpi.

Lisäksi suprajohtavuuteen perustuvat järjestelmät levittävät ympärilleen voimakkaan magneettikentän. Järjestelmä on siksi syytä koteloida ja sijoittaa syvälle maaperään.

Uusiutuvat energianlähteet vaikuttavat oivalta keinolta tuottaa sähköä ilman hiilidioksidipäästöjä. Jokainen tuulella tai auringolla saatu megawattitunti korvaa fossiilisen polttoaineen megawattitunnin ja pienentää sen verran hiilijalanjälkeä.

Marko Hamilo on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Lähteet:Mistä lisäjoustoa sähköjärjestelmään? ÅF-Consult Oy:n raportti Energiateollisuus ry:lle ja Fingridille.
The energy storage problem. Nature, 7. tammikuuta 2010

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2013
 

Säätämistä tarvitaan

Jos sää muuttuu nopeasti, tuuli- ja aurinkosähkön tuotanto voi yhden päivän aikanakin vaihdella paljon.

Toistaiseksi tuotannon vaihtelua on tasoiteltu säätövoimalla, jota saadaan vaikkapa fossiilisista polttoaineista. Ydinvoima sopii tehtävään huonosti, sillä sitä pyritään kustannussyistä tuottamaan jatkuvasti täydellä teholla.  

Parhaiten säätövoimaksi luontuu vesivoima, erityisesti nopeimpaan säätöön. Sillä tasataankin Suomessa pääosa päivittäisistä kulutuseroista.

Valtaosa Suomen vesivoimaloista on kuitenkin jokivoimalaitoksia, joiden patoaltaat ovat niin pieniä, että ne riittävät säätöön vain muutamia tunteja kerrallaan. Rakentamatonta vesivoimapotentiaalia on vähän, ja esimerkiksi Vuotoksen altaan rakentaminen tuhoaisi merkittäviä luontoarvoja.

Suomi ostaa vesivoimaa Norjasta, joka on suurella kapasiteetillaan varsinkin sateisina vuosina tasannut naapurimaidensa sähköverkon kulutushuippuja ja tuotantonotkahduksia. Norjan säätövoimasta kilpailevat yhä enemmän Tanska, Saksa ja muut pohjoisen Euroopan maat, jotka lisäävät tuulivoimaa.

Sähkön tarve vaihtelee

Sähkön tuotannon lisäksi kulutuskin vaihtelee voimakkaasti. Vuorokautinen vaihtelu seuraa ihmisten ja yritysten päivärytmiä. Yöllä sähköä kulutetaan vähiten. Jotkin tehtaat toimivat kellon ympäri läpi viikon, mutta useimmat toimistot sulkevat ovensa ja sammuttavat valonsa viikonlopuksi. Lauantaina ja sunnuntaina sähköä kuluu vähemmän kuin maanantaista perjantaihin.

Täällä pohjoisessa myös vuodenaikaisvaihtelu on suurta. Suurin osa sähkön- ja kaukolämmöntuotannon hiilidioksidipäästöistä syntyy Suomessa lämmityskaudella. Muulloin sähkö ja lämmin käyttövesi syntyvät jo lähes päästöttömästi ydin- ja vesivoimalla.

Talvisin aurinkopaneelit eivät tuota juuri mitään, ja kylmimpinä pakkaspäivinä on usein tyyntä. Säärintamat, erityisesti talven tyynet ja kylmät rintamat, voivat olla yli tuhat kilometriä leveitä. Uusiutuvan energian tuottajat eivät pysty tukemaan toisiaan edes laajalla markkina-alueella niin paljon kuin ehkä aikaisemmin on ajateltu.

Kysyntääkin voi säädellä

Yksi ratkaisu näihin pulmiin on pyrkiä säätelemään sähkön kulutusta. Kysynnän joustoa hyödynnetään jo nyt, ja tulevaisuudessa sitä voidaan edelleen lisätä.

Tämä tarkoittaa, että paljon energiaa käyttävä tehdas voi ajaa tuotantonsa alas, kun sähkön hinnan tiedetään nousevan. Tällaisen tilanteen voi ennakoida esimerkiksi sääennusteesta, joka lupaa tuulisen, leudon talvisään muuttuvan tyyneksi pakkaseksi. Silloin tuulivoiman tuotanto vähenee ja lämmityssähkön kysyntä kasvaa.

Kotitaloudet taas voivat ajoittaa varaavan sähkölämmityksen käytön hetkiin, jolloin sähkö on halvinta.

Sähköautojen yleistyminen voi aiheuttaa lisäongelmia, jos suurin osa niistä laitetaan lataukseen samaan aikaan työpäivän jälkeen. Toisaalta sähköautoista tulee osa ratkaisua, jos ne ohjelmoidaan lataamaan akkunsa silloin, kun sähkö on halvinta. Parhaimmillaan akut voisivat myös luovuttaa energiaa kantaverkkoon päin silloin, kun kysyntä on suurinta.

 

unbiased
Seuraa 
Viestejä1863
Liittynyt26.12.2010

7 tapaa säilöä tuulta

Jokainen aloituksen ehdotuksesta on tekniikassa tuttua, mutta mahdotonta toteuttaa kustannussyistä. Uusiutuvista energioista tuli suosittu puheenaihen hiilidioksidimörön tultua esille. Fossiilisia polttoaineita riittää pitkäksi aikaa ihmiskunnalle. Niiden käyttö tulee taas suosituksi, kun ilmastonlämpenemispuheet havaitaan propagandaksi.
Lue kommentti
Puuhevonen
Seuraa 
Viestejä5363
Liittynyt9.1.2011

7 tapaa säilöä tuulta

Aurinkosähkön varastoiminen akkuihin on paljon halvempaa kuin tuulisähkön varastoiminen, koska sähkön varastoiminen voidaan tehdä aurinkosähkön kuluttajan/tuottajan toimesta. Esimerkiksi Australiassa sähköyhtiöt alkavat tarjoilemaan syrjäseuduille off-grid sovelluksia, koska aurinkokennot + akut on halvempi ratkaisu kuin sähköverkon vetäminen sinne. Aurinkosähköistettyjen kotitalouksien kannattaa alkaa hankkia akkuja, jos niiden hinta on joku 200–300 dollaria kWh:lta ja kesto on 7–12 vuotta...
Lue kommentti

»According to the general theory of relativity space without aether is unthinkable.»