Käytössä olevat akkuteknologiat

Sähkökemiallisen akun tapauksessa, käytettävän akkuteknologian valinta riippuu ener-giavaraston käyttötarkoituksesta. Käytännössä ensimmäinen valinta käytettävän tekno-logian suhteen on aina valinta sekundääri- ja primääriakun välillä. Primääriakkuja eli siis kertakäyttöisiä paristoja käytetään usein pienten elektroniikka-applikaatioiden yhtey-dessä, joiden energiantarve on pieni ja käyttö satunnaista, jolloin kertakäyttöinen paristo on kustannustehokkain teknologiavaihtoehto. Sekundääristen eli uudelleen ladattavissa

olevien akkujen, niiden eri akkuteknologioiden, sekä erilaisten käyttötarkoitusten kirjo on laaja. Tässä diplomityössä keskitytään tarkastelemaan tällä hetkellä käytössä olevia kaupallisesti vakiintuneita teknologioita, mutta lisäksi tarkastellaan myös lyhyesti tulevai-suuden potentiaalisimpia ratkaisuja. [3]

Merkittävin energiavarastojen perussuureista tekniikan läpilyönnin ja yleistymisen kan-nalta ovat sen investointikustannukset eli euroa per kilowattitunti. Vaikka käytetty akku-tekniikka olisi esimerkiksi hyötysuhteeltaan ja energiatiheydeltään erinomainen, ei se pysty yleistymään merkittäväksi kaupalliseksi vaihtoehdoksi, mikäli se ei ole myös kus-tannustehokas. Jotta akkutekniikka muodostuu kaupallisesti vakiintuneeksi, tulee sen olla kustannustehokkuuden lisäksi kestävä ja ennen kaikkea turvallinen. Tässä diplomi-työssä tarkastellaan neljää maailmanlaajuisesti asennetulta energiakapasiteetiltaan suu-rinta akkuteknologiavaihtoehtoa [9]. Tarkastelussa olevat akkuteknologiat ovat lyijyakut, litiumioniakut, natrium-rikki -akut, sekä redox -virtausakut. Näiden eri teknologioiden omi-naisuuksia ja potentiaalia tarkastellaan aurinkosähköakkujen näkökulmasta. [9,10]

Taulukkoon 2 on koottuna yllä mainittujen akkuteknologioiden tärkeimpiä perusominai-suuksia.

Taulukko 2. Valittujen akkuteknologioiden perussuureet [9,10].

Taulukossa 2 lyhenne Pb tarkoittaa lyijyakkua, Li-ion litiumakkua, NaS natrium-rikkitek-niikkaan perustuvaa akkua, ja VRB tarkoittaa vanadiini redox virtausakkua (Engl. Va-nadium redox battery) [10]. Taulukossa esitetyt arvot ovat kunkin teknologiavaihtoehdon

keskimääräisiä arvoja, sillä kullakin akkutekniikalla on useita erilaisia alakategorioita to-teutustavasta riippuen. Kuitenkin näiden keskiarvo-ominaisuuksien avulla pystytään te-kemään johtopäätöksiä valittujen akkuteknologioiden soveltuvuudesta eri käyttökohtei-siin.

Lyijyakut edustavat perinteistä akkuteknologiaa, ja ovat joustavan energiakapasiteet-tinsa ja edullisten investointikustannustensa ansiosta laajasti käytetty akkuteknologia jo yli sadan vuoden ajalta [11]. Lyijyakkuja on perinteisesti käytetty autoissa ja muissa liik-kuvissa koneissa, sähköverkkoon kytkemättömissä off-grid aurinkosähköjärjestelmissä, sekä myös isommissa stationäärisissä energiavarastoissa. Lyijyakkujen huonon syklisen keston takia akkuja käytetään autojen yhteydessä pääasiallisesti niin sanottuina käyn-nistysakkuina, jolloin niistä otetaan kerralla suuri määrä tehoa, mutta puretaan vain osit-taisesti, jolloin akun elinikää saadaan kasvatettua huomattavasti syväpurkaukseen ver-rattuna. Huonon energiatiheyden takia liikkuvissa applikaatioissa, kuten autoissa on siir-rytty suosimaan muita teknologioita lyijyakun sijaan, ja teknologian lyhyt elinikä rajoittaa sen hyödyntämistä verkkoon kytketyissä on-grid aurinkosähköjärjestelmissä. Aurin-kosähköakusta saadaan täysi hyöty kun mahdollisimman iso osa akun kapasiteetista on kerralla hyödynnettävissä, mikä taas vaikuttaisi lyijyakun elinikään heikentävästi. Vaikka itse akkuteknologian vaatimia raaka-aineita on runsaasti saatavilla, on akku elinikänsä jälkeen ympäristölle haitallinen. [11,12]

Verrattuna perinteisiin lyijyakkuihin, Li-ion tekniikkaan perustuva akkutekniikka on san-gen uutta, mutta vallannut rajusti markkina-alaa varsinkin mobiilien applikaatioiden osalta. Energiakapasiteetiltaan litiumakut ovat yhtä joustavia kuin lyijyakutkin, mutta li-tiumakkujen etuna on niiden parempi energiatiheys ja syklinen kesto. Lili-tiumakkujen hyö-tysuhde on hyvin lähellä 100%:ia ja lähes koko niiden nimellinen kapasiteetti on käytet-tävissä [12]. Autoteollisuuden lisäksi litiumakut ovat käytetyin teknologia on-grid aurin-kosähköakuissa teknologian hyvän hyötysuhteen, energiatiheyden ja pitkän käyttöiän perusteella [13]. Myös hyvä reaktioaika on eduksi alati muuttuvan varaamispurkamis -tarpeen kannalta. Tällä hetkellä litiumakkujen heikkoutena on niiden suhteellisen kalliit investointikustannukset, jotka kasvavat rajusti kapasiteetiltaan isompien stationääristen energiavarastojen osalta. Tämä johtuu akkujen vaatimasta erikoiskoteloinnista, sekä si-säisistä ylikuormitussuojista. Yhtenä litiumakkujen haittapuolena voidaan pitää niiden turvallisuuteen liittyviä seikkoja. Litiumakuissa käytetyt metallielektrodimateriaalit ovat termisesti hyvin epästabiileja, ja saattavat varioitua esimerkiksi korkean lämpötilan seu-rauksena, päästäen ulos herkästi syttyviä kaasuja. Tämän takia jokaisen kennon toimin-taa monitoroiden tarkasti, ja kennot suojatoimin-taan ylivaraamisen ja -purkamisen varalta. [11, 12]

Energiakapasiteetiltaan usein suurikokoisia NaS -akkuja käytetään useimmiten sähkö-verkkojen yhteydessä esimerkiksi taajuusreserveinä tai varavoimalähteinä. NaS -akku-jen energiatiheys ja syklinen kesto ovat hyvät, mutta niiden heikkoutena ovat huono hyö-tysuhde ja korkeat operatiiviset kustannukset. Elektrodipareina olevat rikki ja natrium pi-detään sulassa olomuodossa, minkä takia akun lämpötila on aina 300 ja 350 celsius asteen välillä. Energia lämmön ylläpitämiseksi otetaan akun omista energiavarannoista, mikä näkyy sen korkeana itsepurkautumisena, ja pienentää sen kokonaishyötysuhdetta merkittävästi. NaS -akkutekniikan käyttöä kaupallisissa aurinkosähkösovelluksissa ra-jaakin sen suuren energiakapasiteetin vaatima fyysinen tila, sekä tekniikan turvallisuus-riskit. Jos akun lämpötila putoaa alle 300 asteen, aiheuttaa se mekaanista rasitusta ja vaurioita akun komponenteissa, aiheuttaen yhdessä korkean lämpötilan kanssa vakavan paloturvallisuusriskin. [11, 12]

Virtausakkuja käytetään erityisesti isoissa applikaatioissa, joissa energiavarastolta halu-taan suurta kapasiteettiä ja pitkää elinikää, eikä energiavaraston suuri fyysinen koko ole este. Taulukossa 2 esitetyt arvot ovat laajimmassa käytössä olevan vanadiini redox vir-tausakun osalta [8]. Virvir-tausakun kapasiteetti on suoraan sidonnainen sen elektrolyytti-liuosten tilavuuteen, ja sen kautta nesteet sisältävien tankkien kokoon. Virtausakkujen isojen investointikustannusten lisäksi, myös niiden käytöstä aiheutuvat operatiiviset kus-tannukset ovat merkittävät. Elektrolyyttiliuoksia liikuttavat pumput vaativat huoltoa ja vaihtamista, ja jos virtausakku halutaan varata nopeasti täyteen, tulee varauksensa luo-vuttanut elektrolyyttimateriaali korvata uudella varatulla materiaalilla. [11, 8]

Erilaisten aurinkosähkösovellusten näkökulmasta, jokaisella yllämainitulla akkuteknolo-gialla voi olla omat käyttökohteensa. Lyijyakut soveltuvat hyvin pienikokoisiin off-grid jär-jestelmiin, joissa halutaan kustannustehokas ratkaisu pieneen käytön tarpeeseen. Kui-tenkin lyijyakkujen huonon energiatiheyden ja heikon syklisen keston takia niiden saa-vuttama markkina-ala verkkoon kytkettyjen aurinkosähköakkujen osalta on sangen pieni.

Sekä natrium-rikki -akkujen, että virtausakkujen suurin potentiaali aurinkosähköakkuina on esimerkiksi isojen teollisuuskohteiden aurinkosähkövoimaloissa, sekä suurten aurin-kosähköpuistojen yhteydessä, joissa energiavaraston kapasiteetin tarve on suuri, eikä akuston vaatima fyysinen tila ole este. Litiumakkujen laaja markkina-ala aurinkosähkö-akustojen osalta perustuu muun muassa niiden hyvään hyötysuhteeseen ja pitkään käyt-töikään. Litiumakkuteknologian vankan kaupallisen aseman takia, tässä diplomityössä keskitytäänkin tarkastelemaan aurinkosähköakustoja pääasiassa litiumakkuratkaisujen näkökulmasta. [13]