Energian varastointitekniikka

Energian varastointiin liittyvä teknologia on ollut vilkkaan tutkimus- ja kehitystyön alaisena jo useamman vuoden ajan. USA:n ja myös EU:n isot tutkimusprojektit ajoittu-vat vuosituhannen vaihteen molemmin puolin ja aktiivista tutkimustoimintaa on tapah-tunut myös Japanissa. Patenttien määrän kehitystä seurattaessa havaitaan vuonna 1999 tapahtunut selkeä hyppäyksenomainen kasvu ja sen jälkeinen voimakkaampi kasvu-suuntaus. Eniten kasvua on tullut polttokennopatenttien määrässä, mutta myös uuden teknologian akut, sähkökemialliset kondensaattorit, vauhtipyörät ja SMES- järjestelmät ovat olleet kehityksen kohteena.

Energian varastointitekniikkaan liittyvän kehityksen ajavana voimana on ollut sähkö- ja hybridiajoneuvojen kehitys, hajautetun sähkönjakelun kehitys, uusiutuvia energialäh-teitä hyödyntävän voimantuotannon kehitys, ympäristönsuojelulliset näkökohdat ja säh-kön jakelun luotettavuus- ja laatuongelmat. Energian varastoteknologia on pääosin pe-rusteiltaan vanhaa tekniikkaa, mutta selkeästi esim. materiaalitekniikan kehittyminen on vauhdittanut sitä viime aikoina. Esimerkiksi mikro- ja nanotekniikan tutkimus ja tietä-mys ovat tuomassa merkittävää panosta niin akku- kuin kondensaattori- ja polttokenno-tekniikkaan. Toisaalta useimmat energian varastointitekniikat (esim. vauhtipyörät, SMES, virtausakut, regeneroitavat polttokennot) vaativat tehokkaan monipuolisen hal-lintajärjestelmän, joten ohjausjärjestelmän tehoelektroniikkaan ja muuhun sähkö- ja oheistekniikkaan liittyvään kehitykseen tarvitaan panostusta edelleen. Samaten

verk-koon liitynnän hallintakonseptit, ohjeet, säännöt, standardit ja suojauksen/ohjauksen hallintalaitteet vaativat edelleen panostusta ja pitkälti myös maakohtaisia versioita.

Perinteisiä pitkän ja keskipitkän ajan varastointimenetelmiä ovat fossiilisten polttoainei-den (ei käsitelty tässä työssä), lämpö-/kylmä- ja paineilmavarastot. Pidempiaikaisessa lämmön varastoinnissa käytetään suuria lämpövarastoja, jotka voivat olla maanpäällisiä vesisäiliöitä tai maanalaisia varastoja. Uusimmat lämmön varastointiteknologiat perus-tuvat faasin muutokseen (Phase Change Materials, PCM) tai termokemialliseen reakti-oon, jolloin terminen lämmön varastointikapasiteetti on huomattavasti suurempi kuin perinteisissä järjestelmissä. Hajautetun energianjakelun yleistyessä pienimuotoisempien kiinteistötason lämpö/kylmävarastojen tarve tulee kasvamaan. Lämpöpumppuja, lähinnä kompressorikäyttöisiä maalämpöpumppuja, on kehitetty Suomessa vilkkaasti koko 90-luvun ajan. Kotimaisia valmistajia löytyy useita. Lämmityskattiloiden uusimpia ratkai-suja ovat pellettikattilat ja erilaiset monipolttoainekattilat.

Paineilmavarastoja käytetään ns. CAES (Compressed Air Energy Storage) -laitoksissa keskitetyssä sähköntuotannossa. Paineilmaa voidaan varastoida useantyyppiseen luon-nolliseen muodostelmaan, kuten maanalaiseen suolakiviesiintymään, suolavesiesiinty-mään tai vaihtoehtoisesti louhia kallioon. Suolavesiesiintymän käyttö paineilmavarasto-na on nykyään halvin vaihtoehto. Paineilmavarasto soveltuu suuren kokoluokan ener-gian kysynnän hallintaan, mutta myös pienen kokoluokan paineilmavarastojen tarve voi hajautetun sähkönjakelun yleistyessä kasvaa esim. pienten kaasuturbiinien yhteydessä käytettynä.

Pumppuvoimalaitosten piirissä on tapahtunut kehitystä, ja viimeisen kymmenen vuoden aikana käyttöön on tullut ns. kehittynyt pumppuvoimalaitos. Näiden laitosten hydrau-liikka ja mekaniikka on suunniteltu siten, että erittäin nopeat (< 15 s) moodimuutokset ovat mahdollisia. Pienten pumpattujen vesivarastojen ja voimalan käyttö voi olla uusi mahdollisuus esim. tuulivoimaan yhdistettynä.

Vedyn varastointitekniikka on tänä päivänä kiivaan kehitystyön kohteena. Ympäristön-suojelulliset näkökohdat ajavat liikenne- ja kuljetuspuolella sähkö- ja hybridiajoneuvo-jen käyttöön, ja esim. vetyä polttoaineena käyttävät polttokennot energialähteinä vaati-vat tällöin kehittyneen tekniikan ja koko infrastruktuurin vedyn käsittelyyn ja jakeluun.

Vedyn perinteisiä varastointimenetelmiä ovat paineistettu kaasu ja nesteytetty vety.

Uusimmat varastointimenetelmät kuten metallihydridit, kemialliset yhdisteet ja etenkin hiilinanotekniikka ovat vielä vilkkaan kehitystyön alla, vaikkakin kaupallisia versioita-kin on jo saatavissa.

Akut ovat vanhaa tekniikkaa, mutta uusimpia, vielä kehitystyön alla olevia ovat lähinnä korkean lämpötilan akut, natrium-rikkiakut, metalli-ilma-akut, nikkeli-rauta-akut ja

polymeeri-litiumakut. Virtausakut ja redoksivirtausakut, jotka käytännössä ovat neste-mäisillä reaktanteilla varustettuja regeneroitavia polttokennoja, ovat uusin kohde ja jat-kuvatoimisina mielenkiintoinen energian varastointitekniikkaratkaisu kiinteisiin sovel-luksiin. Akkujärjestelmien kehitystyö kohdistuu lähinnä energiatiheyden, tehotiheyden ja eliniän lisäykseen sovelluksen tämänhetkisessä toimintaympäristössä. Akkuihin liit-tyvää tutkimustyötä tehdään mm. akkumateriaalien, akkujen valmistusprosessin kehit-tämiseen sekä toimintaolosuhteiden laajentamiseen suhteen.

Polttokennojen kehitys on alkanut jo 1800-luvun alkupuolella, mutta materiaaliteknii-kan kehittyminen, energian jakeluun liittyvät ongelmat ja hybridiautojen kehitys on vauhdittanut polttokennojen kehitystä viime vuosina. Polttokennoihin liittyvien patent-tien määrä on selkeästi ja jatkuvasti noussut viime vuosien aikana. Eniten kasvussa oli polymeeripolttokennoja, kiinteäoksidipolttokennoja ja metanolipolttokennoja koskevien patenttien määrä. Regeneroitavat polttokennot (tai redoksivirtausakut) ovat uusin vii-meisen kahden vuoden aikana kasvavaa mielenkiintoa saanut polttokennojärjestelmä-tyyppi, joka joustavuutensa ja jatkuvatoimisuutensa ansiosta tullee saaman jalansijansa sähkönjakelun hallinnan sovelluksissa. Esim. jo kaupallisena sovelluksena saatavalla sinkki-ilmapolttokennolla on kaksi sovellustyyppiä. Laite voi toimia polttokennoversio-na (sinkkipelletit vaihdetaan), jolloin saavutetaan 100 %:n purkausaste ja akkuversiopolttokennoversio-na (lataus sähköllä), jolloin saavutetaan 50–60 %:n kapasiteetti.

Vauhtipyörät ovat yksi vanhimpia ja eniten sovellettuja energianvarastointitekniikoita.

Uusinta kehityssuuntaa ovat keveät ja suurinopeuksiset (10 000–100 000 rpm) ja suuren ominaisenergian omaavat vauhtipyörät. Komposiittimateriaalit ja suprajohtavat mag-neettiset laakerit ovat olleet edellytys näiden vauhtipyörätyyppien kehityksessä. Vauhti-pyöräjärjestelmät vaativat itse vauhtipyörän lisäksi myös kehittynyttä sähkötekniikkaa moottori-generaattorin ja ohjausjärjestelmän optimointiin. Suuri osa vauhtipyöriin liit-tyvistä patenteista onkin kohdistunut mekaniikan ohella sähkötekniikkaan ja lähinnä sähködynaamisiin koneisiin ja sähkötehon syöttö- ja jakelujärjestelmiin ja sähköener-gian varastointijärjestelmiin. Patenttien määrässä oli selkeä kasvukausi vuosien 1997–

2000 aikana. Sen jälkeen patenttien vuotuinen määrä on vähennyt.

Suprajohtavan magneettisen energian varaston (SMES-järjestelmät) peruskonsepti pe-rustui yksinkertaisesti suprajohtavassa käämissä lähes häviöttömästi kiertävään tasavir-taan ja energian varastoimiseen virran synnyttämään magneettiseen kenttään. Matalan lämpötilan SMES-järjestelmiä, joissa jäähdytys suoritetaan nestemäisen heliumin avul-la, on kaupallisesti saatavilla. Korkean lämpötilan SMES-järjestelmiä, joissa jäähdytys suoritetaan nestemäisen typen avulla, on parhaillaan kehitteillä. Suprajohtavan materi-aalin, rakenne- ja jäähdytystekniikoiden ja tehoelektroniikan kehitystyö jatkuu edelleen, vaikkakin alaan liittyvien patenttien määrä on ollut viime vuosina muutaman patentin luokkaa.

Sähkökemiallisten kondensaattoreiden (super-/ultra-/pseudokondensaattorit) perustek-niikka on ollut tunnettua jo kauan ja toimintaperiaatteisiin liittyvä ensimmäinen patentti myönnettiin jo vuonna 1957. Sähköajoneuvojen kehityksen myötä superkondensaatto-ritekniikka on tullut jälleen ajankohtaiseksi ja sähkökemialliset kondensaattorit ovat saaneet merkitystä suurta tehoa ja nopeaa varautumista vaativissa energian varastointi-kohteissa. Tekniikkaan kohdistuva kehitystyö on meneillään, vaikkakin kaupallisia tuotteita on jo runsaasti saatavilla. Nanotekniikkaan perustuva elektrodimateriaalien kehitys, elektrolyyttien ja valmistustekniikan kehitys on tuomassa markkinoille entistä suuremman teho- ja myös energiatiheyden omaavia kondensaattoreita, joiden sovellus-alueet ovat laajoja ja jotka muiden varastointitekniikoiden kanssa yhdessä käytettynä laajentavat energianvarastoinnin toimintaa mahdollistamalla lyhyellä vasteajalla suurten tehopurskeiden tuottamisen jatkuvamman tasaisen tehon tuotannon lisäksi.