Energiainfra ja uudet energiateknologiat
Energian tuotanto, jakelu ja varastointi
Ympäristöteknologia
Energiaa varastoidaan pieniin akkuihin ja isoihin tekojärviin
Aurinko- ja tuulivoiman yleistyminen sekä sähkö- ja hybridiautojen kehitys ovat lisänneet tarvetta energian varastointiin. Kun aiemmin tuotettua sähköä tai lämpöä otetaan talteen, sitä voidaan tarpeen mukaan käyttää myöhemminkin. Sähköenergiaa on perinteisesti varastoitu erilaisiin akkuihin ja paristoihin. Toisaalta kaukolämmön tuotantoa ja käyttöä optimoidaan esimerkiksi suurten luolalämpövarastojen avulla.
Suomessa esimerkiksi VTT tutkii aktiivisesti energian varastointia ja akkuteknologioita. Akut tekevät mahdollisiksi liikenteen sähköistämisen sekä uudenlaiset tulevaisuuden sähköjärjestelmät, mutta akkujen tekniikassa on vielä kehittämistä.
”Olisi optimaalista, että energiaa varaava akku olisi sekä halpa että kestävä”, sanoo johtava tutkija Mikko Pihlatie VTT:stä.
”Tekniikka toki kehittyy koko ajan, ja akkuja optimoidaan eri käyttötarkoituksiin soveltuviksi. VTT:llä on useitakin tiimejä, jotka selvittävät akkuteknologioiden mahdollisuuksia.”
Monipuolista tutkimusta
Pihlatien mukaan VTT:n tutkimuksista suuri osa liittyy akkujen suorituskykyyn ja käyttöikään, sekä mobiilisovelluksissa että sähköverkkojen energiavarastoinnissa.
”Lisäksi tutkimme akkujen uusia materiaaleja, kierrätystä sekä valmistustekniikkaa.”
Mahdollisuuksia parantaa akkujen ja akkumateriaalien kierrätystä selvitellään muun muassa VTT:n, Geologian tutkimuskeskus GTK:n ja Aalto-yliopiston yhteisessä kiertotalouden laboratoriossa, joka aloitti toimintansa Espoon Otaniemessä alkuvuodesta 2020.
Jo runsaat viisi vuotta sitten VTT rakensi akkulaboratorion, jossa voidaan esimerkiksi testata akkukennoja ja -moduuleja sekä tutkia eri teknologioiden soveltuvuutta akkujen valmistukseen. ”Voimme myös selvitellä erilaisten käyttösyklien sekä virtapiikkien ja lämpötilojen vaikutuksia.” ”Erikokoisissa akuissa voi esimerkiksi olla kennoja joko sarjassa tai rinnankytkettyinä, jolloin voidaan lisätä akkujen kapasiteettia”, Pihlatie mainitsee.
Tehokkaita akkuja tulossa
Pihlatie arvioi, että 2030-luvun alussa käytössä saattaa olla energiatiheydeltään kaksinkertaisia akkujärjestelmiä nykyisiin verrattuna.
”Maailmalla kehitellään esimerkiksi kiinteän elektrolyytin akkuja, jotka vaikuttavat lupaavilta.”
Toinen kehityskohde ovat niin sanotut bioakut. Myös VTT:ssä on tutkittu sellaisia.
”Monesti bioakut ovat pienitehoisia, mahdollisesti kertakäyttöisiä ja erikoissovelluksiin tarvittavia. Niitä voitaisiin käyttää vaikkapa RFID-tunnisteissa.”
”Bioakut voivat olla biohajoavia, mutta myös kestävämpiä vaihtoehtoja on tutkittu. Muun muassa Stora Enso tutkii parhaillaan biopohjaisen hiilen käyttömahdollisuuksia energian varastoinnissa”, Pihlatie kertoo.
Hänen mukaansa energian stationäärisessä varastoinnissa ei välttämättä vaadita yhtä paljon energiatiheyttä kuin autojen akuissa. Silloin kennot voivat olla halvempia valmistaa, ja niitä voidaan käyttää kerralla suuria määriä.
”Tällaisissakin sovelluksissa on ollut paljon litium-pohjaisia akkuja, varsinkin pilottihankkeissa. Sittemmin on tutkittu myös natriumpohjaisia akkuja sekä elektrolyytin hapetus/pelkistys -reaktioon perustuvia virtausakkuratkaisuja.”
Hinta putoaa - akut paranevat
Sekä autojen että matkapuhelimien ja muiden mobiililaitteiden akuissa on jo pitkään käytetty litium-ionitekniikkaa.
”Se on toimiva tekniikka, joka kehittyy jatkuvasti. Autoliikennekäyttöä varten akkuihin on saatava lisää energiatiheyttä”, arvioi Pihlatie.
”Akkujen olisi kestettävä pitempään ja myös kestettävä pikalatauksia. Tätä varten selvittelemme uusia valmistusprosesseja.”
Vuosien mittaan akkujen ominaisuudet ovatkin jo selvästi parantuneet. Nykyisin valmistettavien sähköautojen akuissa on enemmän kapasiteettia kuin vaikkapa kymmenen vuotta sitten, joten autojen toimintasädettä yhtä latausta kohti on voitu pidentää.
”Aiempaa tehokkaammat valmistusprosessit myös pudottavat akkujen hintaa, vaikka tuotteiden ominaisuudet samalla paranevat”, Pihlatie toteaa.
Joissakin nykyisissä akkumateriaaleissa on se ongelma, että ne ovat myrkyllisiä tai muutoin haitallisia. Lisäksi osa materiaaleista on niin harvinaisia, että ne uhkaavat lähiaikoina loppua maailmasta kokonaan.
Joillakin uusilla akkumateriaaleilla on hyviä sähköisiä ominaisuuksia, joten niitä hyödyntämällä olisi kenties mahdollista valmistaa aiempaa nopeammin latautuvia akkuja.
Painavia syitä akkukehitykseen
Viime aikoina esimerkiksi sähköautojen akkukapasiteetti on jo kasvanut siten, että isoimmilla akuilla voi yhdellä latauksella ajaa satoja kilometrejä – vaikka ei ihan tuhatta kilometriä sentään. ”Akkujen energiatiheys vaatii edelleen kehittämistä, samalla tosin jo keskikokoinen sähköauton akku täyttää monella käyttäjällä jo lähes kaikki ajotarpeet”, Pihlatie pohtii.
Sähköautojen akkujen kehittelyssä on usein pyritty pitämään akun kokoa vakiona, samalla kun akun kapasiteettia on pyritty lisäämään.
”Toistaiseksi akun hinta ja paino rajoittavat sähköautojen toimintasädettä ja sillä on vaikutusta erityisesti ammattikäytössä. Jos autoon asennetaan useita akkuja, autosta tulee helposti liian painava, mikä rajoittaa sen kuljetuskapasiteettia.”
”Joissakin sähkökäyttöisissä kaupunkibusseissa voi olla lähes 400 kWh:n (kilowattitunnin) tehoisia akkuja, mutta sellaiset voivat painaa jo kolmisen tonnia”, Pihlatie mainitsee.
”Toisaalta silloin voidaan päivän aikana ajaa enemmän kilometrejä yhdellä latauksella. Akkumallin valinta riippuu paljon käyttötarkoituksesta.”
Lämpöenergiaa talteen luolalämpövarastoihin
Energiaa on mahdollista varastoida muillakin tavoilla. Kaukolämpöä tuottavat energiayhtiöt ovat ryhtyneet varastoimaan lämpöenergiaa maanalaisiin säiliöihin tai tekojärviin.
Luolalämpövarastoja kehitetään, koska ne helpottavat kaukolämmön tuotannon optimointia. Esimerkiksi HELEN (Helsingin Energia) on käynnistänyt kaksi suurta luolalämpövarastohanketta, joista toinen on jo rakenteilla Mustikkamaalle ja toista suunnitellaan Kruunuvuorenrantaan.
Maanalaisen luolalämpövaraston rakentamisesta Helsingin Mustikkamaalle tehtiin investointipäätös keväällä 2018. Varaston tilavuus on 260 000 kuutiometriä ja siihen on mahdollista varastoida 11,6 gigawattituntia (GWh) kaukolämpöenergiaa.
Varastointiaineena toimii lämmin vesi, jota siirretään Hanasaaren voimalaitokselta Sompasaareen ja sieltä tunnelin kautta Mustikkamaalle. Lämpövaraston on määrä valmistua vuonna 2021.
Pienempiä lämpövarastoja on jo käytössä Helsingin eri kaukolämpölaitoksilla. Mustikkamaan varastosta on kuitenkin tulossa kymmenen kertaa suurempi kuin esimerkiksi Vuosaaren varastosta.
Kuvassa Mustikkamaan vanhat öljyluolat, jonne rakennetaan Suomen suurin lämpövarasto.
Öljyluolat uusiokäytössä
Helsingin Mustikkamaalle rakennettavan lämpövaraston keskeisenä ajatuksena on kaukolämmön kulutushuippujen tasaaminen. Varaston avulla voidaan vähentää varavoimalaitosten käyttötarvetta, jolloin pystytään pienentämään lämmöntuotannon hiilidioksidipäästöjä.
Sekä Mustikkamaan että Kruunuvuorenrannan rakennuskohteissa on kyse käytöstä poistettujen tyhjien öljyluolien uusiokäytöstä ja hyödyntämisestä lämmön varastointiin. Toisaalta nämä lämpövarastot toteutetaan eri tavalla ja hieman eri käyttötarkoituksiin.
Mustikkamaalle varastoitava ylijäämälämpöenergia soveltuu kaukolämpökäyttöön sellaisenaan. Kruunuvuorenrannassa taas on tarkoitus varastoida merivettä, jonka lämpötila vaihtelee vuodenajan mukaan. Silloin tarvitaan vielä erillisiä lämpöpumppuja, jotta varastoitua vettä voidaan hyödyntää kaukolämmöksi.
Teksti: Ari Mononen
Kuvat: Helen Oy / Katri Tamminen
