Samuli Sievi-Korte
AURINKOSÄHKÖAKUSTON TEKNILLINEN JA TALOU-
DELLINEN OPTIMOINTI
Diplomityö
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta
Prof. Seppo Valkealahti
Leht. Risto Mikkonen
Joulukuu 2020
TIIVISTELMÄ
Samuli Sievi-Korte: Aurinkosähköakuston teknillinen ja taloudellinen optimointi Diplomityö
Tampereen yliopisto
Tieto- ja sähkötekniikan tutkinto-ohjelma Joulukuu 2020
Kotitalouden aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä toimiva sähkökemiallinen energiavarasto on tehokas keino kohteen energiankulutuksen ja -tuotannon eriaikaisuuksien tasapainotta- miseksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan aurinkosähkön ja sähkökemiallisen energiavaraston yhteistoimintaa, sekä esitetään perusteet aurinkosähköakuston toiminnan optimoimiseksi. Työn tavoitteena on selvittää aurinkosähköakuston toimintaperiaatteet ja suomalaisilla markkinoilla ole- vat teknologiavaihtoehdot, sekä esittää järjestelmäkokonaisuuden optimaaliset mitoitusperiaat- teet loppukäyttäjän motiiveihin perustuen.
Diplomityön alkuosion kirjallisuustutkimuksessa perehdytään sähkökemiallisen energiavaras- ton toimintaperiaatteeseen ja vertaillaan eri teknologiavaihtoehtojen tärkeimpiä ominaisuuksia.
Työssä keskitytään erityisesti laajalti käytössä olevien eri litiumakkuteknologioiden ominaisuuk- sien vertailuun. Kirjallisuustutkimusosa käsittelee myös aurinkosähköakuston eri komponenttien tehtäviä ja toimintaperiaatteita, sekä energiavaraston asettamia vaatimuksia rajapinnassaan toi- miville kokonaisuuksille, kuten aurinkopaneeleille, sähköverkolle ja kulutusprofiileille. Työn kirjal- lisuusosion tarkoituksena on kuvata sähkökemiallisen energiavaraston toimintaa osana kohteen aurinkosähköjärjestelmää suomalaisissa olosuhteissa.
Diplomityön tutkimusosion tarkoituksena on selvittää aurinkosähköakuston loppukäyttäjälleen luomat aineelliset ja aineettomat hyödyt, sekä antaa perusteet optimaalisen energiavarastovalin- nan määrittämiseksi. Aurinkosähköakuston käyttäjälleen tuomat hyödyt muodostuvat omavarai- suuden kasvattamisesta ja uusiutuvan energian käytön lisäämisestä, sekä energiavaraston käy- tön muodostamista taloudellisista hyödyistä. Omavaraisuuden kasvattaminen perustuu aurin- kosähköakuston keskeiseen toimintaperiaatteeseen, jossa aurinkosähköjärjestelmän tuottama ylituotanto varastoidaan kohteen energiavarastoon verkkoon myymisen sijasta, ja varastoitu energia käytetään kohteen energiankulutuksen kattamiseksi myöhempänä ajankohtana. Tähän perustuvat myös aurinkosähköakuston luomat taloudelliset hyödyt, jotka syntyvät myydyn ylituo- tannon ja ostosähkön erotuksesta. Järjestelmäkoon optimaalinen mitoittaminen perustuu koh- teessa muodostuvan ylituotannon ja kohteen energiakulutuksen suhteeseen loppukäyttäjän mo- tiivit huomioiden. Diplomityön tutkimusosiossa tarkastellaan myös aurinkosähköjärjestelmän yh- teydessä toimivan sähkökemiallisen energiavaraston toimintaa kahden konkreettisen esimerkki- kohteen avulla. Kerätyn mittausdatan perusteella aurinkosähköakuston toimintaa voidaan tarkas- tella vuorokausi-, kuukausi- ja vuositasolla.
Avainsanat: Aurinkosähkö, Energiavarasto, Litiumakku
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ABSTRACT
Samuli Sievi-Korte: Technical and economic optimization of a photovoltaic battery Master’s thesis
Tampere University
Degree Programme in Electrical Engineering December 2020
The cooperation between a household solar power system and an electrochemical energy storage is an efficient way to balance the differences between the supply and demand of the household energy system. In the master’s thesis the said cooperation is inspected together with the basic principle of an electrochemical energy storage system. The goal of this thesis is to examine the operation of an electrochemical energy storage, present the current technology var- iations in the Finnish market and to propose a way to optimize the electrochemical energy storage system to meet the end users’ criteria.
In the literature review part of the thesis the basic principle of an electrochemical energy stor- age system is presented together with a comparison between different energy storage technolo- gies. The main focus of the thesis is on Li-ion batteries and their main properties between the most common li-ion technologies. The literature review part of the thesis also covers the main energy storage components and their basic operation principles, and the limitations the energy storage system sets for solar panels, energy grid and the customer energy profile. The goal of the literature review is to describe the cooperation between solar power system and electrochem- ical energy storage in Finnish circumstances.
The goal of the research part of the master’s thesis is to find out the different benefits the electrochemical energy storage system offers for the end user, and to present the basic principle for techno-economic optimization of a solar energy storage. The benefits for the end user are formed by the increased self-use of the locally produced energy, the increased share of renewa- ble energy usage and the economic benefits from using the energy storage. The increase in the self-use of the energy is explained by the main operation principle of a solar energy storage, where instead of selling the surplus solar energy, the energy is stored inside the energy storage element and used later on locally. The economic benefit follows the same phenomena, where the benefit is the price difference between the sold surplus energy and the energy purchased from the grid. The techno-economic optimization of a solar energy storage is based on the relationship between the surplus solar energy and the energy demand of the targeted location, taking in the account the end users’ criteria. The research section of the master’s thesis also includes an ex- ample case of two different solar power systems with a solar energy storage included. From the measurement data of the two example cases, the basic principle of the cooperation between a solar power system and an electrochemical energy storage can be examined. The examination is executed in a timespan of a day, a month and a year.
Keywords: Solar Power, Energy storage, Li-ion battery
The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty Biolan Ekoasuminen Oy:lle kesän ja syksyn 2020 aikana.
Vaikka työssä on jouduttu tekemään matkan varrella useita erilaisia kompromisseja, ovat työn tavoitteet kuitenkin täyttyneet onnistuneesti.
Haluan kiittää työn järjestämisestä ja merkittävästä avunannosta Biolan Groupin Matti Hakalaa ja TkT Petri Konttista. Suuri kiitos myös Diplomityön tarkastajille professori Seppo Valkealahdelle ja lehtori Risto Mikkoselle, jotka antoivat arvokasta ohjausta ja palautetta työn eri prosessien aikana. Kiitos Christian Lignellille diplomityössä esitettyjen tarkastelukohteiden etsimisestä, kuten myös Solarwatt GmbH:lle yhteistyöstä työn ai- kana. Iso kiitos myös kotijoukoille ja läheisille kaikesta tuesta työn eri vaiheiden aikana.
Raisiossa, 13.12.2020
Samuli Sievi-Korte
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
2. SÄHKÖKEMIALLISEN AKUN TOIMINTAPERIAATE ... 3
2.1 Akun rakenne ja toimintaperiaate ... 3
2.2 Sähkömotorinen voima ... 7
2.3 Sähkökemiallisten energiavarastojen perussuureet... 9
2.4 Käytössä olevat akkuteknologiat ... 12
2.5 Litiumakkujen ominaisuudet ... 16
3.AKKUJÄRJESTELMÄN RAKENNE ... 21
3.1 Järjestelmän komponentit ... 21
3.2 Aurinkosähköjärjestelmän topologiat ... 27
3.3 Kokonaishyötysuhteen muodostuminen ... 30
4. AKKU OSANA AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄÄ ... 33
4.1 Kulutusprofiilit... 33
4.2 Vaatimukset aurinkosähköjärjestelmälle ... 39
4.3 Olemassa olevat kaupalliset vaihtoehdot Suomessa ... 41
4.4 Litiumakkujen elinkaarirakenne ja hintakehitys ... 47
5. ENERGIAN VARASTOINNIN MERKITYS LOPPUKÄYTTÄJÄLLE ... 52
5.1 Järjestelmän vaikutus kohteen energiankulutukseen... 52
5.2 Taloudellisten hyötyjen muodostuminen ... 54
5.3 Omavaraisuus ja saarekekäyttö ... 59
6. AKKUKAPASITEETIN MITOITTAMINEN ... 62
6.1 Järjestelmän mitoittamisen perusperiaatteet ... 62
6.2 Optimaalisen järjestelmäkoon määrittäminen ... 68
7. AKKUJÄRJESTELMÄN TARKASTELU ESIMERKKIKOHTEIDEN AVULLA ... 73
7.1 Työssä tarkasteltavat esimerkkikohteet ... 73
7.2 Saadut tulokset tarkastelujaksolla ... 74
7.3 Energiavaraston vaikutus tarkastelukohteisiin ... 85
8. YHTEENVETO ... 93
LÄHTEET ... 96
KUVALUETTELO
Kuva 1. Galvaanisen kennon rakenne varausta purettaessa. ... 4
Kuva 2. Aurinkosähköjärjestelmän periaatekaavio ... 21
Kuva 3. Litiumakun hallintajärjestelmän toimintokaavio ... 23
Kuva 4. Litiumakun hallintajärjestelmän muodostamat parametrit ... 25
Kuva 5. Systeemin AC -puolella olevan akun topologiakaavio ... 28
Kuva 6. Systeemin DC -puolella olevan akun topologiakaavio ... 29
Kuva 7. Systeemin AC/DC hybridiakun topologiakaavio... 30
Kuva 8. Pirkanmaalaisen omakotitalokohteen kuukausitason kulutusprofiili 2017. ... 34
Kuva 9. Pirkanmaalaisen omakotitalokohteen kuukausitason kulutusprofiili ostosähkön osalta 2019. ... 35
Kuva 10. Pirkanmaalaisen omakotitalokohteen tuntitason kulutusprofiili 2017. ... 36
Kuva 11. Pirkanmaalaisen omakotitalokohteen tuntitason kulutusprofiili 2019 ostosähkön osalta ... 38
Kuva 12. Satakuntalaisen teollisuuskohteen kuukausitason kulutusprofiili 2019 ... 39
Kuva 13. Pirkanmaalaisen omakotitalon aurinkosähköjärjestelmän ylituotanto 2019. ... 46
Kuva 14. Litiumakun elinkaarirakenne osa-alueittain. ... 48
Kuva 15. Litiumakun keskihintojen vuosikehitys ... 51
Kuva 16. Sähkökemiallisen akun toiminta aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä ... 53
Kuva 17. Day-ahead tuntikohtaisten spot-hintojen mediaani kesä- ja heinäkuussa 2020 ... 55
Kuva 18. Energiavaraston taloudellinen hyöty tarkasteltujen siirtoverkkoyhtiöiden alueilla eri marginaalein ... 58
Kuva 19. Akkumoduulien lukumäärän vaikutus PV tuotannon jakautumiseen ylituotantotilanteessa (MyReserve) ... 64
Kuva 20. Akkumoduulien lukumäärän vaikutus PV tuotannon jakautumiseen alituotantotilanteessa (MyReserve) ... 65
Kuva 21. Akkumoduulien lukumäärän vaikutus modulaarisen energiavaraston kokonaisinvestointiin (MyReserve) ... 68
Kuva 22. Esimerkkikohde West-Sussex 04.07.2020 tuntitason mittausdata.. ... 75
Kuva 23. Esimerkkikohde West-Sussex 04.08.2020 tuntitason mittausdata.. ... 77
Kuva 24. Esimerkkikohde Eskilstuna 04.07.2020 tuntitason mittausdata ... 78
Kuva 25. Esimerkkikohde Eskilstuna 04.08.2020 tuntitason mittausdata ... 79
Kuva 26. Esimerkkikohde West-Sussex heinäkuun 2020 vuorokausitason mittausdata, SOC% -arvo vuorokauden vaihtuessa ... 80
Kuva 27. Esimerkkikohde Eskilstuna heinäkuun 2020 vuorokausitason mittausdata, SOC%-arvo vuorokauden vaihtuessa ... 82
Kuva 28. Englantilaisen esimerkkikohteen energiakulutuksen jakautuminen eri tuotantomuotojen välillä heinäkuussa 2020.. ... 83
Kuva 29. Ruotsalaisen esimerkkikohteen energiakulutuksen jakautuminen eri tuotantomuotojen välillä heinäkuussa 2020.. ... 84
Kuva 30. Englantilaisen esimerkkikohteen energiakulutuksen jakautuminen eri tuotantomuotojen välillä 12 kk tarkastelujaksolla ... 87
Kuva 31. Ruotsalaisen esimerkkikohteen energiakulutuksen jakautuminen eri tuotantomuotojen välillä 12 kk tarkastelujaksolla ... 91
LYHENTEET JA MERKINNÄT
AC engl. alternating current, vaihtovirta
AD engl. Acidification, ympäristön happamoituminen A/D -muunnin analogia-digitaalimuunnin
Al Alumiinin jaksollisen järjestelmän lyhenne
alv Arvonlisävero
aq lat. aqua, aineen nestemäinen faasi B Boorin jaksollisen järjestelmän lyhenne
BMS engl. Battery Management System, akun hallintajärjestelmä
BOS engl. Balance Of System, aurinkosähköjärjestelmän komponentit pois lukien aurinkosähköpaneelit
CAIDI engl. Customer Average Interruption Duration Index, kuluttajan ko- kemien keskeytysten keskimääräisen kestoajan indeksi
CAIFI engl. Customer Average Interruption Frequency Index, kuluttajan ko- kemien keskeytysten keskimääräisen esiintyvyyden indeksi
CCCV -laturi engl. Constant Current Constant Voltage, akkulaturityyppi CED engl. Cumulative Energy Demand, kumulatiivinen energiantarve Co Koboltin jaksollisen järjestelmän lyhenne
CSV engl. Comma-separated Values, tiedostomuoto Cu Kuparin jaksollisen järjestelmän lyhenne
DC engl. Direct Current, tasavirta
DOD engl. Depth Of Discharge, akun syväpurkaus -ominaisuus EMF engl. Electromotive Force, sähkömotorinen voima
F Fluorin jaksollisen järjestelmän lyhenne Fe Raudan jaksollisen järjestelmän lyhenne
GWP engl. Global Warming Potential, ilmaston lämpenemis -potentiaali H Vedyn jaksollisen järjestelmän lyhenne
IEEE engl. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Sähkö- ja elektroniikka insinöörien instituutti
IPXX engl. International Protection, sähkölaitteen kotelointiluokka LAN engl. Local Area Network, paikallisverkko
LCA engl. Life Cycle Assessment, metodi tuotteen elinkaarensa aikana aiheuttamien ympäristövaikutusten selvittämiseksi
LCO engl. Lithium Cobalt Oxide, litiumkobolttioksidi -litiumakkuteknologia LFP engl. Lithium Iron Phosphate, litiumrautafosfaattiakku
Li Litiumin jaksollisen järjestelmän lyhenne Li-ion Litiumioniakku
LMO engl. Lithium Manganese Oxide, litium-mangaanioksidiakku Mn Mangaanin jaksollisen järjestelmän lyhenne
MPP engl. Maximum Power Point, maksimitehopiste Na Natriumin jaksollisen järjestelmän lyhenne
NaS Natrium-rikki -akku
NCA engl. Nickel Cobalt Aluminium, nikkeliä, kobolttia ja alumiinia sisältä- vä litiumakun katoditekniikka
Ni Nikkelin jaksollisen järjestelmän lyhenne O Hapen jaksollisen järjestelmän lyhenne OC engl. Open circuit, avoin piiri
P Fosforin jaksollisen järjestelmän lyhenne Pb Lyijyn jaksollisen järjestelmän lyhenne PV engl. Photovoltaic, valosähköinen ilmiö
ROI engl. Return On Investment, sijoitetun pääoman tuotto
RS-232 engl. Recommended Standard 232, tietoliikenneportti standardi S Rikin jaksollisen järjestelmän lyhenne
s lat. solidus, kiinteän faasin lyhenne
SAIDI engl. System Average Interruption Duration Index, verkon kokemien keskeytysten keskimääräisen kestoajan indeksi
SAIFI engl. System Average Interruption Frequency Index, verkon koke- mien keskeytysten keskimääräisen esiintyvyyden indeksi
SEI engl. Solid Electrolyte Interphase, anodielektrodin ympärille kertyvä kiinteä aines
SOA engl. Safe Operating Area, akun parametrien turvallisen toiminnan raja-arvot
SOC engl. State Of Charge, akun varaus suhteessa sen nimelliseen ka- pasiteettiin
SOH engl. State Of Health, akun terveydentila
Spot -hinta Pohjoismaalaisen sähköpörssin mukaan määräytyvä sähköenergian hinta tietyllä vuorokauden tunnilla
STC engl. Standard Test Conditions, standardoidut testiolosuhteet TC engl. Temperature Coefficient, lämpötilakerroin
TCO engl. Total Cost Of Ownership, keino kuvata hankinnan kokonais- kustannuksia
TMA Investoinnin takaisinmaksuaika
VBA engl. Visual Basic for Applications, Microsoft Excelin valmis työkalu makrojen luomiseksi
VRB engl. Vanadium Redox Battery, Vanadiini redox -virtausakku Wh Wattitunti ja sen monikerrat, energianmäärä watteina yhtä tuntia koh-
den
Wp Wattipiikki ja sen monikerrat, aurinkosähköjärjestelmän nimellisteho Zn Sinkin jaksollisen järjestelmän lyhenne
E Energia
I Virta
P Teho
q Alkeisvaraus
R Resistanssi
T Lämpötila
V Jännite
W Työ
∈ Sähkömotorinen voima
η Hyötysuhde
1. JOHDANTO
Nykypäivänä aurinkoenergia on saavuttanut merkittävän roolin kaupallisesti vakiintu- neena energiantuotantomuotona maailmassa, jossa kysyntä ja tarve ympäristöä vähän kuormittaville energialähteille on suuri. Aurinkoenergia yhdessä tuulienergian kanssa ovat kaksi kiihtyvimmässä kasvussa olevaa uusiutuvaa energiantuotantomuotoa, ja au- rinkosähkön osuus koko maailman energiantuotantopaletissa tulee kasvamaan merkit- tävästi myös tulevaisuudessa [1]. Energiantuotantomuotona aurinkoenergia on hyvin joustava, ja voimaloiden koot vaihtelevatkin aina gigawattiluokan aurinkovoimalapuis- toista yksittäisiä aurinkopaneeleja käsittäviin järjestelmiin saakka.
Vaikka itse aurinkosähköpaneeli onkin merkittävä tekijä aurinkoenergiajärjestelmän kan- nalta, on se kuitenkin vain yksi osa isoa kokonaisuutta. Kaikista muista järjestelmään liittyvistä komponenteista käytetään yleisesti lyhennettä BOS (engl. Balance of system), käsittäen esimerkiksi aurinkosähköpaneelien kiinnitysjärjestelmän, vaihtosuuntaajan eli invertterin, sekä aurinkosähköakut. Aurinkoenergiaan liittyvistä komponenteista varsin- kin akkuratkaisut ovat olleet suurimman muutoksen alaisuudessa, johtuen kyseisen tek- niikanalan kysynnän merkittävästä kasvusta, sekä kiihtyvästä tuotekehityksen kilpai- lusta. Akkuteknologioihin liittyvä kehitystyö on viimevuosina ollut merkittävä, johtuen esi- merkiksi sähköautoteollisuuden luomasta kasvavasta tarpeesta.
Tämän diplomityön tarkoituksena on tarkastella aurinkosähköakkujen toimintaa osana aurinkosähköjärjestelmää niin sanotuissa on-grid kohteissa eli järjestelmissä, jotka ovat liitettynä osaksi sähköverkkoa. Työssä tehtävä tarkastelu keskittyy pääasiassa tyypilli- sen omakotitalokohteen kokoluokkiin aurinkosähköjärjestelmän ja energiankulutuksen osalta. Työn keskeisenä tutkimustarkoituksena on selvittää, millaisilla kulutusprofiileilla ja akustoratkaisuilla aurinkosähköjärjestelmällä varustetun kohteen kulutuksen ja oma- tuotannon eriaikaisuuksia saadaan tasoitettua, johtaen kohteen suurempaan omavarai- suuteen energian käytön suhteen. Työssä tarkastelu tapahtuu olemassa olevan datan, kuten erilaisten kulutuskäyrien ja energiankulutuksen historiatietojen avulla, sekä tarkas- telemalla esimerkkikohteita, joissa on asennettuna aurinkosähköakkujärjestelmät. Saa- tujen tulosten avulla pyritään luomaan suuntaviivat aurinkosähköakuston kapasiteetin mitoittamiselle ja järjestelmän käytännön toteutukselle, jotta kokonaisuus saadaan toimi- maan mahdollisimman optimaalisesti sen teknillistaloudellisesta näkökulmasta.
Tämän diplomityön luvussa 2 perehdytään sähkökemiallisen akun toimintaperiaattee- seen ja erilaisiin kaupallisessa käytössä oleviin akkuteknologioihin. Eri akkuteknolo- goista erityisesti keskitytään litiumakkujen ominaisuuksien tarkasteluun. Luvut 3 ja 4 kes- kittyvät kuvaamaan itse akkujärjestelmän rakennetta kokonaisuudessaan aina kompo- nenttitasosta lähtien, sekä selvittämään mitä akuston liittäminen osaksi aurinkosähköjär- jestelmää tarkoittaa käytännössä. Luvussa 5 on tuotu esille aurinkosähköakuston tuomat vaikutukset loppukäyttäjän näkökulmasta, ja luvussa 6 on tarkasteltu akkukapasiteetin mitoittamisen perusperiaatteita, ja järjestelmän kapasiteettia rajoittavia tekijöitä. Luvussa 7 on kuvattu diplomityössä tutkimuskohteena olevat aurinkosähköakkujärjestelmät, sekä koottu niiden osalta kerätyt tutkimustulokset. Luku 8 käsittää yhteenvedon saaduista tu- loksista, sekä pohdintaa niiden merkityksestä.
2. SÄHKÖKEMIALLISEN AKUN TOIMINTAPERI- AATE
Menetelmiä energian varastoimiseksi sen eri muodoissa on lukemattomia. Oli kyse sitten esimerkiksi lämpö- tai sähköenergian talteen ottamisesta, on tarve energian varastoi- miseksi tuonut mukanaan laajan kirjon erilaisia varastointiteknologioita. Kaupalliset rat- kaisut vaihtelevat aina isoista veden potentiaalienergiaan perustuvista pumppuvoimalai- toksista pieniin elektroniikassa käytettäviin paristoihin saakka. Tässä työssä tarkastelu keskittyy erilaisiin sähkökemiallisiin akkuratkaisuihin, niiden merkittävän markkina-ase- man ja tekniikan kypsyyden vuoksi. [1]
2.1 Akun rakenne ja toimintaperiaate
Sähkökemiallinen akku on toimintaperiaatteeltaan niin sanottu galvaaninen kenno, joka koostuu kahdesta erilaisesta johtavaan materiaaliin upotetusta metallisesta elektrodista.
Johtavana materiaalina käytetään tyypillisesti joko elektrolyyttiliuosta tai sulasuolaa.
Kennon eri puolet ovat yhdistettynä toisiinsa esimerkiksi joko ulkoisen sähköisen kuor- man välityksellä jolloin kennosta pystytään purkamaan varausta, tai ulkoisen jänniteläh- teen välityksellä jolloin kennon varausta pystytään puolestaan kasvattamaan. Kennon eri johtavat liuokset ovat erotettuna toisistaan joko suolasillan tai puoliläpäisevän kennon välityksellä. Galvaanisen kennon rakennetta on havainnollistettu kuvan 1 mukaisessa tilanteessa, jossa kennon varausta puretaan ulkoiseen sähköiseen kuormaan. [2, 3]
Kuva 1. Galvaanisen kennon rakenne varausta purettaessa.
Kuvan 1 mukaisesti galvaaninen kenno voidaan jakaa kahdeksi eri puolikennoksi, jotka ovat erotettuna toisistaan joko puoliläpäisevällä kennolla tai suolasillalla. Kumpikin puo- likenno käsittää oman elektrodimateriaalinsa, eli tyypillisesti kiinteän metallin omassa io- niliuoksessaan. Kuva 1 esittää tilannetta, jossa galvaanisen kennon varausta puretaan ulkoiseen sähköiseen kuormaan. Mikäli kennon varausta haluttaisiin kasvattaa, korvat- taisiin kuorma ulkoisella jännitelähteellä. Tällöin prosessi on käänteinen kuvan 1 esittä- mään tilanteeseen nähden. [2, 3]
Galvaanisen kennon toiminta energiavarastona perustuu sen puolikennoilla tapahtuviin hapettumis-pelkistymisreaktioihin. Kennossa käytetyistä elektrodimateriaaleista riip- puen, epäjalommalla metallilla tapahtuu hapettumisreaktio eli se luovuttaa elektroneja, ja jalommalla metallilla tapahtuu pelkistymisreaktio eli se taas ottaa elektroneja vastaan.
Elektrodia, joka luovuttaa elektroneja, nimitetään anodiksi ja sitä usein merkitään nega- tiivisena napana. Vastaavasti elektrodia, joka ottaa vastaan elektroneja, kutsutaan kato- diksi ja sitä usein merkataan positiivisena napana. Elektrodiparin alkuaineet pyritään va- litsemaan siten, että niiden hapetusluvut ovat mahdollisimman edulliset toistensa kan- nalta, jolloin hapettumis-pelkistymisreaktio pääsee tapahtumaan spontaanisti. Puoliken- non metalliset elektrodit ovat omassa johtavassa ioniseoksessaan. Esimerkiksi klassisen Danielin kennon anodina toimiva sinkkielektrodi on sinkkisulfaattiliuoksessa, kun taas katodina toimiva kupari on kuparisulfaattiliuoksessa. [3]
Hapettumis-pelkistymisreaktiossa anodilta katodille vapautuvat elektronit synnyttävät sähkönjohdinta pitkin kulkiessaan sähkövirran, mihinkä kennon toiminta energiavaras- tona perustuu. Kun puolikennot ovat yhdistettynä toisiinsa sähköisen kuorman välityk- sellä, kennon anodin luovuttamat elektronit kulkeutuvat katodielektrodille, ja katodipuo- len elektrolyytin ionit eli kationit pelkistyvät elektrodin pinnalle. Nyt galvaaninen kenno toimii jännitelähteenä. Vastaavasti anodipuolella muodostuvat ionit eli anionit liukenevat anodipuolen elektrolyyttiliuokseen. Kennon varausta pystytään purkamaan kunnes kaikki anionit ovat luovuttaneet varauksensa. Kyseisten reaktioiden johdosta elektrolyyt- tiliuosten koostumukset muuttuvat, ja niiden välille syntyy varausero. Jotta elektronit pää- sevät kulkeutumaan anodilta katodille, tulee liuosten olla varaukseltaan neutraalit. On- gelma on ratkaistu joko suolasillan tai puoliläpäisevän kennon avulla, jotka sen lisäksi että pitävät elektrolyyttiliuokset erillään toisistaan estäen niiden sekoittumisen, mahdol- listavat myös anionien ja kationien vapaan kulun puolikennojen välillä. Nyt elektronit pää- sevät kulkemaan sähköjohdinta pitkin ja ionit siirtymään elektrolyyttiliuosten välillä, yh- dessä mahdollistaen sähkövirran synnyn. Kun galvaaniseen kennoon halutaan varata energiaa, on prosessi päinvastainen. Tällöin puolikennot yhdistävä ulkoinen sähköinen kuorma korvataan ulkoisella jännitelähteellä, kuten esimerkiksi aurinkosähköpaneelilla.
Ulkoisen jännitelähteen avulla elektronit saadaan kulkeutumaan anodille, josta ne pää- tyvät anodipuolen elektrolyyttiliuokseen varaten liuoksen molekyylit jälleen anioneiksi.
Näitä kahta kuvattua prosessia hyödyntämällä voidaan kennoon joko varastoida ener- giaa tai purkaa sitä tarpeen mukaisesti. [3]
Yksi keino kuvata galvaanisen kennon toimintaa on kennokaavio. Kennokaavion avulla pystytään ilmaisemaan yksinkertaisesti kennon sisältämät elektrodi- ja elektrolyyttimate- riaalit. Esimerkiksi aiemmin mainitun Danielin kennon kennokaavioksi saadaan kaavan 1 mukaisesti:
𝑍𝑛(𝑠)|𝑍𝑛𝑆𝑂4(𝑎𝑞)‖𝐶𝑢𝑆𝑂4(𝑎𝑞)|𝐶𝑢(𝑠), (1)
missä yksi pystyviiva kuvaa faasirajaa kiinteän elektrodin ja nestemäisen elektrolyytin välillä. Kahdella pystyviivalla taas kuvataan puolikennot erottavaa suolasiltaa tai puolilä- päisevää kennoa. Merkintää s käytetään ilmaisemaan aineen kiinteää faasia (lat. so- lidus) ja merkintää aq ilmaisemaan aineen nestemäistä faasia (lat. aqua). Hapettuva elektrodi eli anodi merkitään kennokaavion vasemmalle puolelle, ja pelkistyvä elektrodi eli katodi oikealle. [2,3]
Kun galvaanisen kennon puolikennoilla tapahtuvat kemialliset reaktiot aiheuttavat säh- kövirran, käytetään kennosta nimitystä sähkökemiallinen kenno. Olemassa on myös niin sanottuja konsentraatiokennoja, joiden toiminta perustuu eri elektrolyyttimateriaalien konsentraatioiden sekoittumiseen. Lähes kaikissa kaupallisessa käytössä olevissa akuissa käytetään sähkökemiallisia kennoja [2]. Erilaiset galvaaniset kennot voidaan ja- kaa myös primääri- ja sekundäärikennoihin sen mukaan, onko puolikennojen välillä ta- pahtuva kemiallinen reaktio reversiibeli vai irreversiibeli. Primäärikennoilla tapahtuvat ke- mialliset reaktiot ovat irreversiibeleitä, sillä kennon anodielektrodi ajan myötä liukenee omaan elektrolyyttiliuokseensa. Primäärikennon uudelleenkäyttö vaatisi siis anodin ja sen elektrolyyttiliuoksen korvaamista uusilla. Primäärikennoihin lukeutuvat esimerkiksi usein elektroniikassa käytettävät erikokoiset paristot. [2]
Tässä työssä keskitytään sekundäärikennoihin, joissa tapahtuvat reaktiot ovat reversii- beleitä. Sekundäärikennot tuottavat purkautuessaan sähkövirtaa, mutta reaktio pysty- tään toteuttamaan myös käänteiseen suuntaan elektrolyysin avulla. Elektrolyysillä saa- daan ulkoisen virtalähteen avulla kennoreaktiot tapahtumaan epäspontaaniin suuntaan, jolloin kennoa pystytään purkamaan ja varaamaan useita kertoja. [2,3]
Yhtenä esimerkkinä sekundäärikennon toiminnasta on laajassa käytössä olevan lyijy- akun purkamis- ja varaamisreaktiot. Perinteisessä lyijyakussa puolikennoina toimivat rik- kihappoelektrolyyteissä olevat lyijy- ja lyijyoksidielektrodit. Kun akusta otetaan sähkövir- taa, eli sitä puretaan, saadaan sen kokonaisreaktioyhtälöksi kaavan 2 mukaisesti:
𝑃𝑏𝑂2+ 𝑃𝑏 + 𝐻2𝑆𝑂4→ 2𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂 (2)
Kuten kaavan 2 reaktioyhtälöstä voidaan havaita, kummankin puolikennon elektrodi peit- tyy lyijysulfaatilla, jonka lisäksi muodostuu myös vettä. Kun akkuun varataan sähköener- giaa, on kokonaisreaktio päinvastainen:
2𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂 → 𝑃𝑏𝑂2+ 𝑃𝑏 + 𝐻2𝑆𝑂4 (3)
Lyijyakkua varattaessa sen elektrodit palautuvat siis takaisin alkuperäisiin muotoihinsa.
Aurinkosähköakkujen tapauksessa kyseinen ulkoinen sähkövirta akun latausta varten saadaan aurinkopaneeleista. [3]
Rakenteeltaan galvaanista kennoa muistuttavien energiavarastoratkaisujen lisäksi on myös olemassa niin sanottuja sähkökemiallisia virtausakkuja (engl. Flow battery). Vir- tausakku poikkeaa rakenteeltaan ja toiminnaltaan siten, että akku koostuu kahdesta eri- laisesta elektrolyyttiliuoksesta ja liuokset erottavasta membraanista. Sen sijaan, että sähkövirran muodostavat ionit kulkevat elektrodien välillä olevan johtimen kautta, vir- tausakussa ionit pakotetaan liikkeelle pumppujen avulla. Virtausakku voidaan varata joko fyysisesti lisäämällä elektrolyyttimateriaaleja, tai sitten pakottamalla reaktio päin- vastaiseksi ulkoisen virtalähteen avustuksella. [4]
2.2 Sähkömotorinen voima
Koska galvaanisen kennon puolikennojen elektrodi- ja elektrolyyttimateriaalit ovat toisis- taan poikkeavat, muodostuu sen elektrodiparien välille potentiaaliero. Tästä muodostu- neesta potentiaalierosta käytetään yleisesti nimitystä sähkömotorinen voima eli EMF (engl. electromotive force). Sähkömotorinen voima kuvaa työtä, joka tehdään yhtä va- rausyksikköä kohden, kun kennon lävitse ei kulje virtaa. [3]
Sähkömotorinen voima voidaan määrittää kaavan 4 mukaisesti:
∈=𝑑𝑊
𝑑𝑞, (4)
missä ∈ kuvaa sähkömotorista voimaa, 𝑊 työtä ja 𝑞 alkeisvarausta, jonka arvo on 1,602176634*10-19 Coulombia [5]. Sähkömotorisen voiman suuruus pystytään myös määrittämään, mikäli puolikennojen potentiaalit tunnetaan. [3]
Sähkömotorisen voiman avulla päästään käsiksi itse kennon tuottamaan napajännittee- seen. Napajännitteellä tarkoitetaan kennon jännitettä, joka saadaan kun kennon napoi- hin, eli positiiviseen ja negatiiviseen elektrodiin, ei ole liitettynä kuormaa. Ideaalisessa tapauksessa kennolla ei ole sisäistä resistanssia, jolloin napajännitteen suuruus on suo- raan sama kuin sähkömotorisen voiman suuruus. Todellisessa tapauksessa sisäinen re- sistanssi on kuitenkin huomioitava, minkä takia napajännite on aina pienempi kuin säh- kömotorisen voiman arvo. [3]
Kennon sisäiseen resistanssiin vaikuttavia tekijöitä on useita, ja niiden kaikkien huomi- oonottaminen saattaa olla puolikennomateriaaleista riippuen haastavaa. Pääasiallisesti
sisäinen resistanssi on riippuvainen energiavarastona käytetyn galvaanisen kennon va- raustilanteesta. Mitä pienempi kennon varaus, eli käytännössä mitä tyhjempi akku tai paristo on, sitä suurempi on sen sisäisen resistanssin arvo. Tämä johtuu anodielektrodin hapettumisen kasvamisesta, sekä elektrolyyttiliuosten laimenemisesta. Muita sisäisen resistanssin suuruuteen vaikuttavia tekijöitä ovat esimerkiksi kennon läpi kulkevan virran suuruus ja suunta, kennon lämpötila, sekä joillain kennomateriaaleilla myös lataus-pur- kaussyklien määrä. [5]
Kun kennon sisäinen resistanssi otetaan huomioon, saadaan kennon napajännite mää- ritettyä kaavan 5 mukaisesti:
𝑉𝑛=∈ −𝐼𝑟, (5)
jossa 𝑉𝑛 tarkoittaa kennon napajännitettä, ∈ elektrodien välillä olevaa sähkömotorista voimaa, I kennon läpi kulkevaa virtaa ja r sisäistä resistanssia. Termi Ir kuvaa siis sisäi- sen resistanssin kennossa aiheuttamaa potentiaalin, eli jännitteen alenemaa [5]. Tilanne muuttuu jälleen kun kennoon kytketään ulkoinen kuorma, jolla on jokin resistanssi R.
Galvaanisen kennon toimiessa jännitelähteenä tulee sen jännitteen olla sama, kuin ul- koisen kuorman yli oleva jännite eli
𝐼𝑅 =∈ −𝐼𝑟, (6)
jossa R tarkoittaa ulkoisen kuorman resistanssia, ja r sisäistä resistanssia. Koska ulkoi- nen kuorman kytketään sarjaan jännitelähteen kanssa, on niiden läpi kulkeva virta I sama. Kun molemmat resistanssit ja kennon sähkömotorinen voima tunnetaan, saadaan virta ratkaistua kaavan 7 mukaisesti
𝐼 = ∈ 𝑅 + 𝑟
(7)
Kuten kaavasta 7 voidaan havaita, resistanssien kasvaessa kennon läpi kulkeva virta pienenee. Kun saatu virta sijoitetaan kaavaan 5, saadaan kennon napajännite selvitet- tyä. [3,5]
2.3 Sähkökemiallisten energiavarastojen perussuureet
Ensimmäisenä sähkökemiallisena energiavarastona pidetään Italialaisen Alessandro Voltan vuonna 1799 julkistamaa niin sanottua Voltan patsasta (engl. Voltaic pile), joka käytännössä koostui päällekkäin pinotuista kupari- ja sinkkilevyistä, jotka olivat erotet- tuina toisistaan suolavedessä kastelluilla kankailla [6]. Vuosisatojen saatossa elektrodi- parimateriaaleja ja elektrolyyttejä on kehitetty ja kokeiltu lukemattomia, mutta perusperi- aate on silti pysynyt hyvinkin samanlaisena.
Akkuteknologioiden vuosien myötä kehittyessä, sekä itse akkujen käyttötarkoitusten laa- jentuessa ja muuttuessa yhä monipuolisemmiksi, havaittiin että ei ole olemassa vain yhtä ja oikeaa akkuteknologiaratkaisua. Eri käyttötarpeet vaativat omanlaisensa ratkaisun aina materiaalivalinnoista itse akun fyysiseen ulkomuotoon ja kokoon. Esimerkiksi jos sähkökemiallista energiavarastoa halutaan käyttää sähköverkon pienjännitelähdön va- ravoimalähteenä, halutaan energiavarastolta suurta energiakapasiteettia, mutta itse energiatiheydellä ei ole niin suurta merkitystä, tarkoittaen että energiavarasto voi olla fyysiseltä kooltaan hyvinkin suuri. Vastaavasti nykyaikaisiin älypuhelimiin halutaan ener- giatiheysominaisuuksiltaan hyvä akku, jotta se olisi kevyt ja fyysiseltä kooltaan mahdol- lisimman pieni. Sähkökemiallisten energiavarastojen ominaisuuksia kuvaamaan on syn- tynyt joukko erilaisia suureita, joiden avulla eri teknologiaratkaisuja pystytään vertaa- maan toisiinsa. Taulukkoon 1 on koottu yleisimmin käytössä olevat vertailusuureet, sekä niiden yksiköt.
Taulukko 1. Energiavaraston ominaisuuksia kuvaavat suureet [7].
Suure Yksikkö
Energiakapasiteetti Wh, kWh, MWh, Ah…
Maksimi ottoteho W, kW, mW…
Maksimi tuottoteho W, kW, mW…
Energiatiheys kWh/kg, kWh/l…
Reaktioaika ms, s, min…
Itsepurkautuminen %/a, %/d…
Lataus-purkaus -syklin hyötysuhde %
Syklinen kesto kpl
Elinikä Vuosi
Investointikustannukset €/kWh, €/kW
Operatiiviset kustannukset €
Energiavarastojen ominaisuuksia tarkasteltaessa, energiakapasiteetilla tarkoitetaan yk- sinkertaisesti sitä energian määrää, joka energiavarastoon pystytään varastoimaan.
Tämä energia voi olla esimerkiksi sähkö- tai lämpöenergiaa. Esimerkiksi akun sisältä- män sähköenergian määrää kuvattaessa käytetään usein yksikköä kilowattitunti. Käy- tännössä kilowattitunti ja sen monikerrat kuvaavat kulutettavissa olevaa tehoa yhden tunnin aikana. Toinen vakiintunut termi kuvaamaan sähkökemiallisen akun energiakapa- siteettia on ampeeritunti, jota käytetään usein sellaisten akkujen yhteydessä, joita pure- taan tai ladataan jollain tietyllä nimellisvirralla. [7]
Energiavaraston maksimi tuotto- ja ottoteho liittyvät sen purkamis- ja varaussyklien ajal- liseen kestoon. Mitä suurempi energiavaraston maksimi ottoteho on, sitä nopeammin sen kapasiteetti saadaan varattua täyteen. Vastaavasti mitä suurempi energiavaraston tuottoteho on, sitä enemmän energiaa siitä saadaan purettua kerralla. Energiavaraston energiatiheydellä taas pyritään suhteuttamaan varaston energiakapasiteetti sen fyysi- seen kokoon. Energiatiheyttä voidaan kuvata esimerkiksi kilowattituntina kilogrammaa tai kuutiota kohti. Energiatiheyttä käytetään usein sähkökemiallisten akkujen yhteydessä silloin, kun fyysinen tila akun sijoittamiselle on rajattu. Suuri energiatiheys on kriittinen esimerkiksi mobiileissa elektroniikan sovelluksissa, mutta sen merkitys on pienempi kiin- teiden aurinkosähköakustojen kannalta. [7]
Reaktioajalla tarkoitetaan sitä vasteaikaa, jolla energiavarasto pystyy reagoimaan sen kapasiteetin muutoksiin liittyvissä tehtävissä. Energiavaraston käyttötarkoituksesta riip- puen, reaktioaika voi vaihdella aina millisekunneista minuutteihin saakka. Esimerkiksi juuri aurinkosähköakustoilla lyhyt reaktioaika on tärkeä ominaisuus, sillä niiden on pys- tyttävä vastaamaan mahdollisimman nopeasti jatkuvasti vaihteleviin tuotannon ja kulu- tuksen eroihin. Energiavaraston itsepurkautumisella (engl. self discharge) tarkoitetaan ajan suhteen tapahtuvaa prosentuaalista kapasiteetin heikkenemistä, joka aiheutuu ken- non sisäisisesti tapahtuvien kemiallisten reaktioiden takia. Kapasiteetin heikkenemisen suuruuteen vaikuttaa käytettävän akkuteknologian lisäksi esimerkiksi lämpötila. Itsepur- kautuminen voidaan ilmoittaa esimerkiksi prosentteina vuotta tai yhtä vuorokautta koh- den. [8]
Kun tarkastellaan yksittäisen energiavaraston hyötysuhdetta, useimmiten keskitytään varatun ja purettavissa olevan energiamäärän suhteeseen. Hyötysuhdetta lähes poik- keuksetta tarkastellaan koko energiavaraston kannalta, eli siinä otetaan huomioon kaikki järjestelmän komponentit, kuitenkin itse jännitelähdettä kuten aurinkopaneelia, sekä ul- koista kuormaa huomioimatta. Yksinkertaistetusti hyötysuhde saadaan selville, kun ver- rataan energiavarastoon varattua energiaa ja sieltä konkreettisesti purettua energiaa.
Esimerkiksi jos sähkökemialliseen akkuun varataan energiaa 1 kWh, mutta sieltä saa- daan purettua käyttöön vain 0,9 kWh, on akun hyötysuhde 90%:ia. Akuille on tyypillisesti ilmoitettu jokin nimelliskapasiteetti akkuun varattavissa ja sieltä purettavissa olevan energian suhteen. Koko nimelliskapasiteetti on todellisuudessa kuitenkin käytettävissä vain akun syväpurkauksen avulla, jolla on negatiivisia vaikutuksia akun toiminnan ja elin- iän kannalta. Konkreettisesti akuista käytettävissä olevan kapasiteetin kuvaamiseksi, akuille annetaan valmistajan puolesta DOD -arvo. (engl. Depth Of Discharge). DOD ku- vaa sitä energian osuutta, joka akun nimelliskapasiteetista on todellisuudessa käytettä- vissä. [7]
Energiavarastojen elinikää voidaan tarkastella useasta eri näkökulmasta. Useimmiten eri laitteiden käyttöikää tarkastellaan vuosissa, mutta tämä on akkujen ja muiden ylei- simpien kaupallisessa käytössä olevien energiavarastojen tapauksessa sangen hanka- laa. Tämä johtuu siitä, että laitteiden elinikä on hyvin pitkälti sidoksissa energiavaraston käyttötapaan ja ulkoisiin olosuhteisiin, kuten sijoituspaikan lämpötilaan ja kosteuteen.
Useimmiten energiavarastojen käyttöikää kuvataankin niiden syklisen keston avulla.
Syklisellä kestolla tarkoitetaan niiden purkamis-varaamis -syklien lukumäärää, joista energiavaraston on todettu selviytyvän elinikänsä aikana. Tässä lukumäärässä otetaan huomioon vain täydet purkamis-varaamis -syklit, eli kun energiavarasto on varautunut
täyteen kapasiteettiinsa, ja se puretaan sen jälkeen DOD -rajaan asti. Yleisesti energia- varaston syklisen keston rajan katsotaan ylittyneen, kun sen nimellisestä kapasiteetista on jäljellä alle 80%:ia. Akun ominaisuuksien heikkenemistä iän myötä kuvataan termillä SOH, joka tulee englannin kielisestä termistä state of health. SOH kuvaa siis energiava- raston ”terveydentilaa” verrattuna täysin uuteen vastaavaan tuotteeseen ja se ilmoite- taan prosentteina, 100 % ollessa täysin uusi akku. [7]
Yksi tärkeimmistä energiavarastojen vertailukohteista ovat niiden kustannukset. Kustan- nukset voidaan jakaa investointikustannuksiin, sekä energiavaraston käytöstä johtuviin operatiivisiin kustannuksiin. Investointikustannukset riippuvat pääasiassa käytetystä ak- kuteknologiasta ja itse energiavaraston koosta, muodostuen hyvin pitkälti materiaali- ja valmistuskustannuksista. Lopullisissa kokonaiskustannuksissa on huomioitava myös jär- jestelmän asennuksesta aiheutuvat kustannukset. Investointikustannuksia vertaillessa käytetään kustannusten yksikkönä yleensä euroa kilowattituntia kohden. Operatiivisiin kustannuksiin sisältyvät esimerkiksi erilaiset huolto- ja kunnossapitotoimenpiteet. Usein energiavaraston kustannuksia tarkastellaankin siitä aiheutuvien kokonaiskustannuksien näkökulmasta, jotka saadaan muodostettua esimerkiksi kaavan 8 mukaisesti
𝑇𝐶𝑂 = 𝑘𝐼+ 𝑘𝑂− 𝑘𝐽𝑀, (8)
jossa TCO tarkoittaa kokonaiskustannuksia (engl. Total cost of ownership), 𝑘𝐼 tarkoittaa investointikustannuksia ja 𝑘𝑂 taas tarkoittaa käytöstä aiheutuvia operatiivisia kustannuk- sia ilmoitettuna laitteen koko suunnitellun pitoajan, esimerkiksi 10 vuoden osalta. Termi 𝑘𝐽𝑀 kuvastaa laitteen mahdollista jälleenmyyntiarvoa, mikä sillä saattaa mahdollisesti olla pitoajan jälkeen. Esimerkiksi iso osa sähkökemiallisista akuista voidaan toimittaa kierrätykseen niiden käyttöiän tullessa vastaan, jolloin materiaalit saadaan hyötykäyt- töön, ja omistaja saa pienen korvauksen. Mikäli investointiin käytetään osittain esimer- kiksi pankista saatavaa lainarahaa, tulle myös lainan korko ottaa huomioon kustannus- laskelmissa. [8]
2.4 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].
Akkutek- niikka
Energia- kapasiteetti (kWh)
Ener- giati- heys (Wh/kg)
Itsepur- kautu- minen (%)
Hyöty- suhde (%)
Reaktio- aika (ms)
Syklinen kesto (sykliä)
Investoin- tikustan- nukset (€/kWh) Pb 10-2-105 30-45 0,1-0,3 80-90 < 1000 250-4500 50-300 Li-ion 10-2-105 60-200 0,1-0,3 85-98 < 20 1000-
10000
155-1800
NaS 6x103- 6x105
100-250 0,05-20 70-90 < 20 2500- 4500
200-900
VRB 10-104 15-50 0,2 60-85 < 20 > 13000 100-1000
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. Litiumakkujen 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 varaamis-purkamis - 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 suojataan 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]. Virtausakun 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]
2.5 Litiumakkujen ominaisuudet
Mobiileiden elektroniikkalaitteiden yleistyminen ja kehitys loi tarpeen kompakteille ja energiatiheydeltään suurille akkuratkaisuille. Litium-ion -tekniikkaan perustuvien sähkö- kemiallisten akkuteknologioiden kehitys alkoi jo 1980 -luvun alkupuolella, ja ensimmäi- nen kaupallinen ratkaisu saatiin markkinoille vuonna 1991. Tästä lähtien litiumakkujen osuus maailman markkinoilla on ollut jatkuvassa kasvussa, ja kiihtyvä nousu on tuonut mukanaan uusia potentiaalisia akkuratkaisuja eri käyttötarkoituksiin. [14]
Litiumakut seuraavat rakenteeltaan perinteistä galvaanista kennoa, ja koostuvat kah- desta erotetusta puolikennosta, joista katodilla on jokin litium -ioneja sisältävä yhdiste ja anodilla on taas perinteisesti käytetty hiilen eri yhdisteitä. Elektrodiparit ovat omissa elektrolyyttimateriaaleissaan, jotka ovat erotettuna toisistaan ohuella membraanilla. Ko- konaisuus on taas pakattu tiiviisti käyttötarkoitukseen sopivan kotelon sisälle. [14, 15]
Ylivoimaisesti suurin osuus litiumakkujen yhteydessä käyttävistä anodimateriaaleista on grafiitilla. Grafiittia käytetään joko suoraan luonnossa esiintyvässä muodossa, tai sitten ominaisuuksia kemiallisesti hieman muokattuna. Grafiitti on materiaalina hyvin sähköä johtava, sekä mahdollistaa litium-ionien helpon kulkeutumisen. Grafiitti on lisäksi kustan- nuksiltaan edullista, sekä sen saatavuus on hyvä. Grafiitin käyttö anodimateriaalina oli yksi seikoista, joka mahdollisti litiumakkujen kaupallisen yleistymisen, mutta nykypäi- vänä on tutkittu myös eri metallioksidien käyttöä grafiitin sijaan. Esimerkiksi raudan ja piin oksideilla on saavutettu suurempia energiakapasiteetin arvoja kuin grafiitilla, mutta haittapuolena ovat esimerkiksi suuremmat investointikustannukset. [14, 15]
Koska eri litiumakkutekniikoiden yhteydessä käytetyt anodimateriaalit ovat usein saman- kaltaiset, eri teknologiat nimetäänkin yleisesti niissä käytetyn katodimateriaalin perus- teella. Litiumakkujen katodimateriaaleina käytetään eri siirtymämetallien ja litiumin yh- disteitä. Siirtymämetalleille on ominaista niiden elektronikuoren d-orbitaalin täyttyminen vain osittain [16], mikä mahdollistaa litium -ionien vapaan kulkeutumisen metallin kide- rakenteen lävitse. Ionien kulkeutuminen voi olla joko yksi-, kaksi-, tai kolmiulotteista ki- derakenteesta riippuen. Katodien kiderakenteet voidaan toteutustapansa mukaan ja- otella kerroksittaisiin, kuutiollisiin, rombisiin ja trikliinisiin kiderakenteisiin. [14, 17]
Taulukkoon 3 on koottuna yleisimmin käytössä olevien litiumakkuteknologioiden tärkeim- piä ominaisuuksia [14].
Taulukko 3. Yleisimpien litiumakkuteknologioiden ominaisuuksia [14, 15].
Ly- henne
Katodimateriaali Kidera- kenne
Ominaisenergia- kapasiteetti (teo- reettinen/ko- keellinen/kau- pallinen) (mAh/g)
Keskiar- vollinen kenno jännite (V)
Kehitys- aste
LCO LiCoO2 Kerrok-
sittainen
274/148/145 3,8 Kaupal- listunut NMC LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Kerrok-
sittainen
280/160/170 3,7 Kaupal- listunut LMO LiMn2O4 Kuutiolli-
nen
148/120/- 4,1 Kaupal-
listunut NCA Lini0.8Co0.15Al0.05O2 Kerrok-
sittainen
279/199/200 3,7 Kaupal- listunut
LFP LiFePO4 Rom-
binen
170/165/- 3,4 Kaupal-
listunut
Taulukossa 3 on esitettynä yleisimpien kaupallisten litiumakkuteknologioiden katodi- materiaalien nimitykset ja tärkeimmät ominaisuudet. Materiaalin ominaisenergiakapasi- teetilla kuvataan käytetyn yhdisteen tyypillisiä ominaisuuksia kapasiteetin suhteen, ilmoi- tettuna milliampeeritunteina grammaa kohden. Katodimateriaalien ominaisenergiakapa- siteetin arvot ovat jaoteltu kolmeen eri osa-alueeseen. Ensimmäinen arvo kuvastaa teo- reettista arvoa, toinen kokeellista arvoa ja kolmas kaupallisen tuotteen tyypillistä arvoa.
Mikäli arvoja on vain kaksi, puuttuva arvo on kaupallisen tuotteen osalta. [15]
Litiumkobolttioksidi -litiumakkuteknologiasta käytetään yleisesti lyhennettä LCO (engl.
Lithium Cobalt Oxide), ja nimensä mukaisesti katodimateriaalina käytetään litiumin li- säksi koboltin ja hapen yhdistettä. LCO on kaupallisesti käytetyin litiumakkutekniikka, johtuen sen vankasta markkina-asemasta litiumakkujen kehityksen alkuaikoina [14].
LCO:n etuna on sen korkea teoreettinen ominaisenergiakapasiteetti, pieni itsepurkautu- minen ja hyvä syklinen kesto. Tekniikan rajoittavina tekijöinä ovat muun muassa koboltin korkea markkinahinta, sekä heikko terminen stabiilisuus. [15]
Lyhennettä NMC käytetään litiumakkuteknologiasta, jossa katodimateriaalina on litiumin lisäksi käytössä nikkelin, mangaanin, koboltin ja hapen yhdisteitä (engl. Nickel Man- ganese Cobalt Oxide). NMC on myös saavuttanut laajan markkinaosuuden, ja on omi- naisuuksiltaan hyvin samankaltainen LCO:n kanssa. NMC -litiumakkutekniikan etuna on kuitenkin sen hinta, sillä kalliin koboltin osuutta on pystytty pienentämään muiden lisät- tyjen yhdisteiden avulla. [14, 15]
Litium-mangaanioksidi -akusta käytetään lyhennettä LMO (engl. Lithium Manganese Oxide), ja akun katodimateriaalina toimii litiumin lisäksi mangaanin ja hapen yhdiste.
LMO -akkutekniikan etuna on sen kuutiollinen kiderakenne, joka mahdollistaa litium-io- nien kolmiulotteisen kulkeutumisen. Kuutiollisen kiderakenteen avulla saadaan akusta stabiilimpi kuin esimerkiksi kerroksittaisella rakenteella. Lisäksi mangaanin käyttö kato- dimateriaalina tekee akkutekniikasta edullisemman kuin esimerkiksi kobolttia ja nikkeliä käyttävät kilpailijansa. Akkutekniikan heikkoutena on kuitenkin sen huomattavasti pie- nempi energiakapasiteetti, sekä huono syklinen kesto etenkin korkeissa lämpötiloissa.
[14, 15]
Litiumin lisäksi katodimateriaalinaan nikkelin, koboltin, alumiinin ja hapen yhdistettä si- sältävästä akkutekniikasta käytetään lyhennettä NCA (engl. Nickel Cobalt Aluminium Oxide). NCA -litiumakut ovat suosittuja sähköautojen akkuina, sillä niiden hyvän omi- naisnergiakapasiteetin ansiosta akun vaatima tila on pieni ja itse akku on painoltaan ke- vyt. Esimerkiksi kobolttia sisältäviin akkutekniikoihin verrattuna, NCA:n elinikä on myös sangen pitkä. Akun nimellinen kapasiteetti kuitenkin heikkenee merkittävästi lämpötilan noustessa, johtuen kiinteän kerroksen muodostumisesta anodin ympärille eli niin sano- tusta SEI -ilmiöstä (engl. Solid Electrolyte Interphase). Kerros koostuu pääasiassa ha- jonneista elektrolyyttimateriaaleista ja suoloista, ja haittaa hapettumis-pelkistymisreak- tion kulkua. [15, 19]
LFP -lyhennettä käytetään litiumakuista, joiden katodimateriaaleina on litiumin lisäksi käytetty raudan, fosforin ja hapen yhdisteitä (engl. Iron Phosphate Oxide). LFP -tekno- logiaan perustuvat litiumakut ovat energiakapasiteetiltaan heikompia kuin esimerkiksi nikkeliä katodimateriaalinaan sisältävät akut, sekä niille on ominaista heikko ioninen joh- tavuus. Johtavuutta on kuitenkin pystytty parantamaan pienentämällä ionien kidekokoa ja päällystämällä katodielektrodi hiilen eri yhdisteillä. LFP- tekniikan litiumakkuja pide- tään kuitenkin yhtenä potentiaalisimmasta litiumakkuteknologiasta aurinkoenergian ja autoteollisuuden alalla, johtuen niiden hyvästä syklisestä kestosta ja tätä kautta pitkästä eliniästä. Myös helposti saatavilla olevat raaka-aineet ja niiden pienet ympäristövaiku- tukset, sekä ennen kaikkea hyvän termisen stabiilisuuden tuoma turvallisuus ovat myös LFP- akkujen ehdottomia etuja muihin litiumakkutekniikkoihin verrattuna. [15, 20]
Myös elektrolyyttiliuoksen rakenne ja ominaisuudet ovat erilaisia käytetystä litiumakku- teknologiasta riippuen. Litiumakkujen elektrolyyttiliuoksena toimii yhdistelmä orgaanisia liuottimia, sekä eri suolojen yhdisteitä. Elektrolyytin liuottimena toimii yhdistelmä kar- boksyylihappojen rengasrakenteisia estereitä kuten etaani- tai propaanihappoa, sekä sauvamaisia estereitä kuten dimetyylikarbonaatteja. Liuottimen lisäksi litiumakkujen elektrolyyttiliuoksissa käytetään litium-ioneja sisältäviä suolayhdisteitä kuten LiPF6 eli li- tiumheksafluorofosfaattia ja LiBF4 eli litiumtetrafluoroboraattia. Elektrolyyttiliuoksen teh- tävänä on mahdollistaa litium-ionien vapaa kulkeutuminen elektrodiparien välillä, mikä vaatii elektrolyyttiliuokselta korkeaa suhteellista permittiivisyyttä ja pientä viskositeettia.
Lisäksi elektrolyyttiliuoksen tehtävänä on parantaa tyypillisesti termisesti epästabiilien elektrodiparien termistä kestoa. [14]
Litiumakkujen puolikennot erotetaan toisistaan mikrohuokoisen polyolefiini membraanin avulla. Polyolefiineillä tarkoitetaan synteettisiä polymeerejä, kuten polyeteeniä tai poly- propeenia [21]. Mikrohuokoisten materiaalien huokoskoko on alle 2 nanometriä [22], mikä mahdollistaa ionien kulkeutumisen membraanin lävitse, mutta estää itse elektro- lyyttiliuosten sekoittumisen. Membraanikalvon valmistusprosesseja on erilaisia riippuen halutun lopputuloksen parametreistä. Esimerkiksi niin sanotussa kuivaprosessissa poly- meeriä venytetään ilman liuotinta, jolloin valmistuskustannukset ovat alhaiset, mutta kal- von huokoskokoon ja rakenteeseen ei pystytä vaikuttamaan. Niin sanotussa märässä - valmistusprosessissa liuottimien avulla pystytään kalvon huokosrakenteeseen vaikutta- maan, mutta kustannukset ovat taas suuremmat. Puolikennojen erottamisen lisäksi membraanilla on myös tehtävänä mahdollistaa kennon niin sanottu alasajo. Kalvolle on ominaista, että kun ulkoinen lämpötila nousee tiettyyn pisteeseen, kalvo alkaa sulamaan ja tukkimaan omia huokosiaan, joka taas estää ionien kulkeutumisen ja katkaisee säh- kövirran kulun. Kalvon alasajo estää omalta osaltaan akkua ylikuumenemiselta, paran- taen täten merkittävästi akun turvallisuutta. [14]
Elektrodiparin, elektrolyytin ja puolijohtavan kalvon muodostama kokonaisuus pidetään suljettuna tarkoitukseen sopivan koteloinnin avulla. Litiumakkujen koteloinnin pääasialli- sena tehtävänä on estää elektrolyyttimateriaalin häviöt ja liuoksen päätyminen akun ul- kopuolelle. Lisäksi kotelon tulee suojata sisältöään fyysiseltä rasitukselta ja iskuilta. Li- tiumakkujen yhteydessä käytetään kaupallisella tasolla kolmea erilaista kotelointivaihto- ehtoa: sylinteristä-, särmiön mallista- ja pussimaista kotelointia. Kutakin kotelointivaihto- ehtoa on saatavilla eri kokoluokissa, riippuen niiden sisältämien kennokokonaisuuksien lukumäärästä. [23]
Sylinterisesti koteloitu litiumakku muistuttaa ulkomuodoltaan primääristä alkaliparistoa, ja onkin tyypillisesti fyysisiltä mitoiltaan sangen pieni. Tyypillisesti sylinteri koostuu vain
yhdestä kennosta, jonka elektrodit löytyvät kotelon pohjasta ja kannesta. Elektrolyytti ja membraani ovat kierrettynä sylinteriä muotoilevaksi rullaksi, minkä takia tämän kaltai- sesta akkuratkaisusta käytetäänkin usein nimitystä ”jelly-roll” eli kääretorttu. Särmiön mallista kotelointia on saatavilla useissa eri muodoissa ja kokoluokissa, ja sen etuna on kennojen tiukempi pakkaaminen, minkä ansiosta särmiön muotoisen litiumakun ener- giatiheys on hyvä. Esimerkiksi autoteollisuudessa ja aurinkosähköjärjestelmissä käytetyt litiumakut ovat tyypillisesti särmiön muotoisia. Pussimainen kotelointi tyypillisesti koostuu kahdesta kennoa ympäröivästä muovikalvosta. Pussimaisen koteloinnin yhteydessä käytettävät kennot ovat usein hyvin litteitä litium-ionien kulkusuuntaan nähden. Kyseinen kotelointitapa on investointikustannuksiltaan arvokkaampi muihin ratkaisuihin verrattuna, mutta on energiatiheydeltään suuri. [23, 24]
3. AKKUJÄRJESTELMÄN RAKENNE
Aurinkosähköjärjestelmän yhteyteen liitetty energiavarasto, eli tyypillisesti sähkökemial- linen akku, on vain yksi osa suurempaa kokonaisuutta. Tässä kappaleessa tarkastellaan aurinkosähköakuston järjestelmätason komponentteja, kuitenkin keskittyen itse energia- varaston rajapinnassa oleviin komponentteihin ja niiden tärkeimpiin ominaisuuksiin. Kap- paleessa kuvataan myös aurinkosähköakustojen erilaisia järjestelmätopologioita ja nii- den tärkeimpiä ominaisuuksia, sekä energiavaraston kokonaishyötysuhteen muodostu- mista huomioimalla kaikkien siihen liittyvien komponenttien vaikutus.
3.1 Järjestelmän komponentit
Aurinkosähköakuston toimintaan liittyviä komponentteja on useita, yhteisenä tarkoituk- senaan mahdollistaa energiavaraston turvallinen käyttö ja mahdollisimman energiateho- kas hyödyntäminen. Aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä olevan energiavaraston toi- mintaa voidaan kuvata yksinkertaistetusti kuvan 2 mukaisella tavalla.
Kuva 2. Aurinkosähköjärjestelmän periaatekaavio [25].
Kuvasta 2 käy ilmi aurinkosähköakuston periaatteellinen toiminta. Kuvassa termillä PV tarkoitetaan järjestelmän yhteydessä olevaa aurinkosähköjärjestelmää (engl. Photovol- taic), joka on energiavaraston vaatiman varausvirran pääasiallinen lähde. Pääsääntöi- sesti aurinkosähköjärjestelmä tuottaa energiaa käyttökohteen kulutuksen tarpeeseen,
jolloin energiavaraston varaustilassa ei tapahdu muutoksia. Ajanhetkinä, jolloin järjestel- män energiantuotanto on suurempi kuin itse käyttökohteen kulutus, käytetään ylimääräi- nen tuotanto energiavaraston varaamiseksi. Vastaavasti energiavaraston varausta pu- retaan kohteen kulutuksen käyttöön ajanhetkinä, jolloin kulutus on tuotantoa suurempi.
Tämä sillä oletuksella, että energiavarastossa on varausta jäljellä. Joissain aurinkosäh- köakusto -ratkaisuissa myös akun varaaminen ulkoisen sähköverkon välityksellä on mahdollista. Kuvassa 2 energian varastointielementillä tarkoitetaan tässä tapauksessa sähkökemiallista akkua, ja energian muunnos elementillä taas tasa- ja vaihtosuuntaajia.
Kuvassa 2 on myös esitettynä energiavaraston komponenttien epäideaalisuuksista ai- heutuvat energiahäviöt.
Sähkökemiallisen energiavaraston oman toiminnan ja turvallisuuden kannalta tärkein jär- jestelmäkomponentti on akun hallintajärjestelmä eli BMS (engl. Battery Management System). Akun hallintajärjestelmän pääasiallisena tehtävänä on seurata akun tilaa, ja reagoida sen toimintaan vaikuttavien suureiden muutoksiin vaadittavalla tavalla. Litiuma- kun operatiivisille ominaissuureille, kuten esimerkiksi kennolämpötilalle ja varaukselle, on asetettu tietyt turvallisen toiminnan rajat eli SOA (Safe Operating Area). Määritettyjen rajojen ylittymisen tai alittumisen seuraukset vaihtelevat aina kennon eliniän heikkene- misestä vakaviin paloturvallisuusriskeihin. Esimerkiksi kennon varaaminen yli tietyn raja- arvon tai varauksen päästäminen liian alhaiseksi voi vahingoittaa kennoa fyysisesti. Sa- moin kennon purkaminen tai varaaminen määritettyjen lämpötilarajojen ulkopuolella vai- kuttavat merkittävästi kennon elinikään. Myös kennon purkaminen tai varaaminen liian suurella virralla voi vahingoittaa kennoa ja heikentää sen elinikää. [24]
Litiumakun hallintajärjestelmän eri tehtäviä ja toimintoja voidaan havainnollistaa kuvassa 3 esitetyn yksinkertaisen kaavion avustuksella.
Kuva 3. Litiumakun hallintajärjestelmän toimintokaavio [24].
Kuvassa 3 laatikon sisäpuoli kuvaa akun hallintajärjestelmän toimintoja ja tehtäviä, ener- giavarastolla tarkoitetaan tässä tapauksessa sähkökemiallista akkua, ja ulkoinen järjes- telmä käsittää esimerkiksi akkua varaavaan aurinkosähköjärjestelmän, sekä ulkoiset kuormat ja sähköverkon. [24]
Akun hallintajärjestelmän ensimmäisenä tehtävänä on kerätä mittausdataa suoraan energiavarastolta. Tyypillisesti dataa kerätään ainakin kennojännitteiden, yksittäisten kennojen lämpötilan, sekä koko energiavaraston virran osalta. Kennojännite mitataan jokaisen yksittäisen kennon osalta, joissain BMS ratkaisuissa mitataan myös kokonais- jännite, toisissa se vain lasketaan yksittäisten kennojännitteiden perusteella. Energiava- raston käyttökohteesta riippuen, mittausdataa voidaan kerätä esimerkiksi minuutin tai 10 sekunnin välein. Tällainen mittaustaajuus on riittävä esimerkiksi varaenergialähteenä toi- mivien akkujen yhteydessä, tai aurinkosähkön energiavarastoissa. Vähintään yksi mit- taus sekunnissa vaaditaan käyttökohteissa, joissa virran arvo vaihtelee nopeasti. Tällai- nen mittaustaajuus vaaditaan esimerkiksi ajoneuvojen yhteydessä. Energiavaraston lämpötilaa mitataan yleensä joko akkutasolla, tai sitten yksittäisten kennojen osalta. Ken- nokohtainen lämpötilan seuraaminen on akun turvallisuuden ja eliniän kannalta parempi vaihtoehto, mutta nostaa investointikustannuksia merkittävästi, sillä lämpötila-antureita tarvitaan useampia. Virran osalta mitataan tyypillisesti vain energiavaraston kokonaisvir- taa, jonka avulla pystytään määrittämään akun sisäinen resistanssi. Samalla varmiste- taan akun purkaus- ja latausvirran pysyminen määrättyjen raja-arvojen sisällä. Koska akun sisältämät kennot ovat sarjaan kytkettynä, on niiden läpi kulkeva virta myös sama, jolloin vain yksi mittauskohta on riittävä. Energiavaraston virtaa mitataan tyypillisesti joko
