ENERGIAN VARASTOINTIMUOTOJEN VAIKUTUS YMPÄRISTÖÖN

Transkriptio

1 ENERGIAN VARASTOINTIMUOTOJEN VAIKUTUS YMPÄRISTÖÖN Seminaarityö MATTI LAINE ANNA LAUHASMAA TUIJA PEISANEN HELI RISTAMÄKI

2 2 SISÄLLYS 1. Johdanto Vety Vedyn tuotanto Sähkökemiallinen varastointi Polttokennot Polttokennojen ympäristövaikutukset Akut Akkujen ympäristövaikutukset Sähkökemiallinen kondensaattori Sähkömagneettinen varastointi Suprajohtavat magneetit Mekaaninen varastointi Pumpatut vesivarastot Pumpattujen vesivarastojen ympäristövaikutukset Vauhtipyörä Vauhtipyörien ympäristövaikutukset Paineilmavarastot Lämpövarastot Johtopäätökset Lähteet... 17

3 3 1. JOHDANTO Energiantuotannon ja -siirron katkeamattomuus on nyky-yhteiskunnassamme välttämätöntä. Suomen kaltainen tietoyhteiskunta on täysin riippuvainen jatkuvasta ja riittävän hyvälaatuisesta sähkönsaannista. Energian varastointi luo osaltaan edellytykset laadukkaalle sähkönsiirrolle (verkon kulutushuippujen tasaus, taajuuden säätö) sekä sähkönjakelun katkeamattomuudelle erilaisissa häiriötilanteissa. Energian varastointimuotoja on kehitetty ja kaupallistettu lukuisia. Lisäksi uusia varastointimuotoja ja -tekniikoita tutkitaan jatkuvasti. On välttämätöntä selvittää eri varastointimuotojen mahdolliset turvallisuusriskit sekä vaikutukset ympäristöönsä. Tämän seminaarityön tarkoitus on selvittää energian varastointimuotojen vaikutuksia ympäristöönsä. Työ kuuluu pakollisena osana kurssiin SMG-4050, Energian varastointi ja uudet energialähteet. Työssä keskitytään pääosin seuraaviin aihekokonaisuuksiin: vedyn hyödyntäminen energian varastoinnissa, sähkökemiallinen varastointi, sähkömagneettinen varastointi, mekaanisen energian varastointi sekä lämpövarastot. Jokaisesta aihe-alueesta käsitellään tärkeimmät energian varastointiin liittyvät sovellukset sekä perehdytään niiden ympäristövaikutuksiin. Fossiilisia polttoaineita hyödyntäviä varastoja ei työssä käsitellä. Mainittakoon kuitenkin että esimerkiksi diesel-käyttöisiä varavoimakoneita on vielä laaja-alaisesti käytössä teollisuuslaitoksissa sekä muun muassa vesivoimalaitoksissa.

4 4 2. VETY Sähköenergiaa voidaan varastoida välillisesti vedyn muodossa, jolloin vesi hajotetaan sähkökemiallisesti vedyksi ja hapeksi käyttäen esimerkiksi auringon säteilyenergiaa tai ydinvoimaa. Tunnetuista polttoaineista vedyllä on korkein energiasisältö painoyksikköä kohti. Normaalioloissa vety esiintyy kuitenkin kaasuna, jolloin sen energiatiheys tilavuusyksikköä kohti on pieni. Energiatiheyden nostamiseksi vetyä varastoidaan pääasiassa paineistettuna kaasuna ja nesteytettynä. Vedyn erilaisia varastointimuotoja tutkitaan parhaillaan ja mahdollisina vaihtoehtoina voidaan pitää varastointia metallihydrideissä, nanoputkimateriaaleissa sekä pienten lasikuulien sisällä. Lisäksi vetyä voidaan varastoida aktiivihiilen tai zeoliitin huokosiin, sekä sitoa johonkin kemialliseen yhdisteeseen kuten metanoliin. (Alanen et al. 2003) Varastoitaessa vetyä yhdisteisiin, voidaan huonona puolena pitää, että vedyn energiasisältö kilogrammaa kohti putoaa huomattavasti (Mikkola, 2002). 2.1 Vedyn tuotanto Luonnonvaraisena vetyä ei esiinny kuin yhdisteissä, joten käyttöä varten vety tulee aina valmistaa jollain menetelmällä (Rainio). Yleisimmin käytössä olevat menetelmät vedyn valmistamiseen ovat maakaasun hajottaminen (eli reformointi), biomassan kaasuttaminen sekä veden hajottaminen hapeksi ja vedyksi sähkön avulla, eli elektrolyysi. Eniten käytetty menetelmä on maakaasun reformointi. Se on samalla myös edullisin, mutta aiheuttaa jonkin verran hiilidioksidipäästöjä. Hiilivedyn hiiliketjut ja hiilen ja vedyn väliset kemialliset sidokset rikotaan reformoidessa. Hiili hapetetaan hiilidioksidiksi, jolloin reaktiotuotteina saadaan aikaan haluttua vetyä sekä vähemmän haluttua hiilidioksidia. (Mikkola, 2002) Vetyä voidaan valmistaa myös kaasuttamalla biomassaa. Tämä operaatio ei vapauta ilmakehään hiilidioksideja, mutta syntyvä vetypitoinen kaasu sisältää paljon muita epäpuhtauksia. Syntyvä kaasu joudutaan siis puhdistamaan ennen käyttöä. Tämä teknologia vaatii vielä kehittymistä soveltuakseen paremmin vedyn tuotantoon. (Mikkola, 2002) Käytössä olevista vedyn tuotantomenetelmistä puhtainta vetyä tuottaa veden elektrolyysi, jolloin vesi hajotetaan hapeksi ja vedyksi. Reaktio on käytännössä vastakkainen polttokennoissa tapahtuvaan reaktioon nähden. Menetelmä on kuitenkin kallis kuluttaen huomattavasti sähköä. (Mikkola, 2002)

5 5 3. SÄHKÖKEMIALLINEN VARASTOINTI 3.1. Polttokennot Polttokenno on sähkökemiallinen laite jonka tarkoituksena on muuttaa polttoaineen ja hapettimen kemiallinen energia lämmöksi ja sähköksi. Polttokenno sisältää anodin, jolle tuodaan polttoaine ja katodin, jolle puolestaan tuodaan hapetin. Anodin ja katodin välissä on elektrolyytti. Elektrolyytin tehtävänä on estää polttoaineen ja hapettimen suora sekoittuminen ja palaminen, mutta se päästää lävitseen jonkin tietyn ionin. Anodille tuotu polttoaine hapettuu anodilla, jolloin syntyy elektrolyytin lävitseen päästämä ioni ja elektroneja. Ionit kulkeutuvat elektrolyytin läpi vastakkaismerkkisesti varatulle katodille, elektronit puolestaan johdetaan ulkoisen kuorman kautta katodille, näin syntyy pieni sähkövirta, ja varaustasapaino säilyy. Katodilla tapahtuu hapetusreaktiosta vapautuneiden ionien, elektronien sekä hapettimen pelkistymisreaktio. Kuvassa 1 on esitettynä polttokennon toiminta. (Aarnio) Yleisimmin käytetty polttoaine on vety ja yleisin hapetin happi. Tällöin reaktiotuotteena syntyy vettä ja lämpöä, joten itse reaktio ei kuormita ympäristöä. Reaktiotuotteet riippuvat käytetystä polttoaineesta ja hapettimesta. Käytettäessä polttokennoja matalilla lämpötiloilla saatetaan joutua käyttämään katalyyttejä sekä anodilla että katodilla reaktioiden nopeuttamiseksi. (Aarnio) Kuva1. Polttokennon periaatekuva (Aarnio) Polttokennoja käytetään yleisesti sarjaankytkettyinä kennostoina, sillä yksittäisen polttokennon tuottama jännite on rajallinen. (Aarnio) Polttokennojen ympäristövaikutukset Polttokennoissa käytetään yleisesti polttoaineena vetyä. Vedyn tuotannon ympäristövaikutuksista on kerrottu lyhyesti edellisessä kappaleessa. Vetyhappipolttokennojen lisäksi on olemassa myös metalli-ilmapolttokennoja. Metalleina voidaan käyttää mm. sinkkiä, alumiinia tai magnesiumia. Esimerkiksi sinkkiilmapolttokennossa syntyy reaktion tuloksena sinkkioksidia, joka on myrkytön

6 6 materiaali ja siten vaaraton. (Alanen et al. 2003) Kuitenkin sinkkioksidi on luokiteltu aineluettelossa N,R50/53 luokan aineeksi. N tarkoittaa ympäristölle vaarallista ainetta, R50/53 puolestaan kertoo aineen myrkyllisyydestä. Sinkkioksidipitoisuus kuitenkin ratkaisee kuinka vaarallisesta aineesta on kyse. Mikäli sinkkioksidipitoisuus nousee suureksi, saattaa sillä olla ympäristövaikutuksia. (Ympäristöministeriö) Alumiini-ilmapolttokennoihin tarvittava alumiini on valmistettava erikseen. Alumiini on piin jälkeen tavallisin alkuaine maankuoressa, mutta sitä ei esiinny vapaana. (Lanne 2005) Alumiinin valmistus vaatii paljon energiaa ja aiheuttaa päästöjä (Rakennusmateriaalien terveellisyys ja ympäristövaikutukset 2004). Alumiinin valmistaminen tuottaa kasvihuonekaasuja, PFC-päästöjä (perfluorihiilivety) (Kasvihuonekaasut 2004). Polttokennoissa käytetään useita eri elektrolyyttimateriaaleja, kuten fosforihappoa, sulakarbonaattia, keraamisia materiaaleja, kaliumhydroksidia sekä polymeeriä (Alanen et al. 2003). Fosforihappo on syövyttävää ja sen luokitus on C,R34. Fosforihapon myrkyllisyys perustuu sen ph-arvon laskuun. (Johnson Diversey 2003) Kaliumhydroksidi on luokiteltu C; R22-35 luokan aineeksi. C tarkoittaa syövyttävää, R22 terveydelle haitallista nieltynä ja R35 voimakkaasti syövyttävää (Varoitusmerkit, R- ja S-lausekkeet 2004). Kaliumhydroksidi-polttokennoista tulee lisäksi reaktiotuotteena hiilidioksidia (Alanen et al. 2003). Metanolipolttokennoissa käytetään vedyn sijasta polttoaineena metanolin ja vedyn seosta (Aarnio), jolloin reaktiotuotteena syntyy hiilidioksidia (Alanen et al. 2003). Sekä metanolipolttokennoissa että polymeerielektrolyytti-polttokennoissa käytetään elektrolyyttinä ionijohtavaa membraania (Aarnio). Membraani on hyvin ohutseinäinen polymeerikalvo (AGA 2007). Sulakarbonaattikennon polttoaineen tulee sisältää hiiltä, jolloin reaktiotuotteena on aina myös hiilidioksidia. Kiinteälle oksidipolttokennolle, jolla on elektrolyyttinä keraaminen materiaali, riippuu reaktiotuote polttoaineesta. Mikäli polttoaineena käytetään joko hiilimonoksidia tai metaania, on reaktiotuotteena hiilidioksidia. (Aarnio) 3.2. Akut Uudelleenladattavat patterit ja akut ovat vanhin ja laajasti käytetty energiavarastomuoto, niissä sähköä varataan kemiallisen reaktion avulla. Akkujen kehitystyö on ollut hidasta, sillä uusien akkujen käyttöönotossa elinikätestit kestävät useita vuosia ja laboratoriomitasta siirtyminen kaupalliselle asteelle on riskialtista. Eniten käytettyjä akkutyyppejä ovat nikkeli-kadmiumakut ja lyijyakut, jotka ovatkin tunnetuimpia akkuja. Näiden lisäksi markkinoille on viimeaikoina tullut nikkeli-metallihydridiakkuja,

7 7 litium-ioniakkuja, alumiini-ilma-akkuja sekä alumiini-rikkiakkuja. Useita erilaisia akkutyyppejä on kehitteillä koko ajan. (Alanen et al. 2003) Akkujen toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2. Kuva 2. Akun periaatekuva (Tietoverkkolabrotatorio) Akkujen ympäristövaikutukset EU-lainsäädännössä paristot ja akut on jaettu vaarallisten ja vaarattomien tuotteiden luokkiin. Nikkelikadmiumakut, lyijyakut sekä elohopeaa sisältävät paristot ja akut lasketaan vaarallisiksi. Lyijy, kadmium ja elohopea ovat ympäristölle erittäin haitallisia raskasmetalleja. Ne ovat hyvin pieninäkin pitoisuuksina myrkyllisiä kasveille ja eläimille ja voivat myös kertyä eliöihin. (Ympäristöministeriö) Mikään akkutyyppi ei ole täysin ympäristöystävällinen ja ne luokitellaankin usein ongelmajätteeksi. Kotelot kuitenkin ovat nykyisin yleisimmin kierrätettävää polypropeenimuovia. Ongelmana on myös akkujen jokseenkin lyhyt elinikä, joka lisää kierrätyksen merkitystä. Akkujen ympäristöhaitoiksi voidaankin määritellä valmistuksesta aiheutuvat haitat sekä mahdollisuus, että niiden sisältämiä aineita joutuisi ympäristöön. Seuraavassa on esitelty ympäristölle haitallisimpien akkutyyppien sisältämien aineiden ympäristöhaittoja. Jotkin paristot sisältävät elohopeaa, mikä on eliöille myrkyllistä pieninäkin pitoisuuksina ja se kertyy tehokkaasti ravintoketjussa. Orgaanisista luonnossa esiintyvistä elohopean muodoista ympäristön kannalta haitallisin ja yleisin on metyylielohopea. Elimistössä elohopea vaikuttaa muun muassa solumyrkkynä sitoutumalla valkuaisaineiden sulfhydryyliryhmiin ja vaikuttamalla täten edelleen proteiinien rakenteeseen sekä toimintaan. Elohopean on myös todettu muuttavan solukalvojen läpäisyominaisuuksia. (Ympäristöministeriö) Lyijyakuissa toimii katodina lyijyoksidi, anodina lyijy sekä elektrolyyttiliuoksena rikkihappo. (Alanen et al. 2003) Lyijy muodostaa helposti orgaanisia yhdisteitä ja kulkeutuu elimistössä rasvaa sisältäviin kudoksiin. Se vaikuttaa voimakkaimmin hermosoluihin, joiden toimintaa lyijy-yhdisteet vahingoittavat pahasti. Pahassa lyijymyrkytyksessä henkilö vaipuu nopeasti koomaan ja kuolee. Erityisen herkkiä lyijymyrkytykselle ovat pienet lapset. (Vihersaari) Rikkihappo puolestaan syövyttää nopeasti muun muassa alumiinia, kuparia ja niitä sisältäviä seoksia. Reaktiossa metallien kanssa voi kehittyä syttyvää vetykaasua.

8 8 Rikkihapposumua muodostuu lyijyakkuja ladattaessa. Se ärsyttää ja syövyttää hengitysteitä aiheuttaen polttavaa tunnetta nenässä ja kurkunpäässä, liman muodostusta, yskänärsytystä ja hengenahdistusta. Väkevän rikkihapon roiskuminen silmään aiheuttaa vakavia silmävaurioita ja näön menetys on mahdollinen. (Työterveyslaitos) Nikkeli-kadmium-akuissa on nikkelioksidikatodi, kadmiumanodi ja alkalinen kaliumhydroksidiliuos elektrolyyttinä. (Alanen et al. 2003) Akuilla ja paristoilla on suuri merkitys ympäristön kadmiumkuormituksessa. EU:ssa käytetystä kadmiumista 75 % sisältyy paristoihin ja akkuihin. Kadmium ei alkuaineena ole kovin myrkyllinen, mutta se on erittäin pysyvä (puoliintumisaika ihmiskehossa on 20 vuotta). Nisäkkäillä kadmium kerääntyy pääasiassa maksaan aiheuttaen suurina pitoisuuksina munuaisten vajaatoimintaa. (Ympäristöministeriö) Kaliumhydroksidin ympäristövaikutuksia käsiteltiin jo polttokennojen tapauksessa Sähkökemiallinen kondensaattori Sähkökemiallisilla kondensaattoreilla, joita on ultra-, pseudo- ja kaksikerroskondensaattorit, on korkea syklinen elinikä, tehotiheys ja hyötysuhde, pienet huoltokustannukset ja laaja toimintalämpötila-alue. Superkondensaattori koostuu elektrolyytistä (vesiliuos tai orgaaninen), elektrodeista ja eristeestä. Superkondensaattorien tapauksessa on olemassa pieni, kemiallinen ja sähköinen, riski. Elektrolyytteinä käytetään happo- (H2SO4) tai emäs- (KOH) liuoksia hiili- tai metallioksidimateriaalien kanssa tai orgaanisissa asetonitriiliä, kuten on 90 % suuren kokoluokan kondensaattoreissa, ja joissa on lisäksi suolana Et4NBF4. Liuokset ovat vaarallisia ympäristölle joutuessaan pois kondensaattoreista. Myös liuotteita käytetään superkondensaattoreissa. Ylilatautumisessa purkautuminen yli 4V:n jännitteellä aiheuttaa savua mutta ei liekkejä tai räjähdystä, lämpötila nousee noin 200 C:een. (Alanen et al. 2003; IEA 2004) Toisaalta superkondensaattoreilla voidaan muodostaa modulaarinen ja ympäristöystävällinen järjestelmä. Heikkoutena on kennojännitteen pienuus, yleensä alle 3 V, jolloin joudutaan kytkemään paljon kondensaattoreita sarjaan ja sarjoja rinnakkain riittävän jännitteen ja tehon aikaansaamiseksi. Superkondensaattorit ovat ylijänniteherkkiä, ja suuri kennomäärä vaatii hyvän latausjännitteen säätöpiirin kennojännitteen tasaamiseksi kennojen erilaisten ominaisuuksien vuoksi. (Alanen & Hätönen 2006)

9 9 4. SÄHKÖMAGNEETTINEN VARASTOINTI 4.1. Suprajohtavat magneetit Suprajohtavat magneettivarastot (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) perustuvat suprajohtavassa käämissä lähes häviöttömästi kiertävään tasavirtaan ja energian varastointiin virrankulusta aiheutuvaan sähkökenttään. Suprajohtavien magneettien kaupallistaminen on kuitenkin edellyttänyt suprajohdemateriaalinen, rakenne- ja jäähdytystekniikoiden sekä tehoelektroniikan ratkaisujen kehittymistä. (Alanen et al. 2003) Matalan lämpötilan SMES-järjestelmiä, joissa jäähdytys suoritetaan nestemäisen heliumin avulla, on kaupallisesti saatavilla. Korkean lämpötilan SMES-järjestelmissä jäähdytys hoidetaan puolestaan nestemäisen typen avulla, mutta nämä ovat vasta kehitteillä. SMES-järjestelmillä sinällään ei ole muita ympäristövaikutuksia, kuin sen ympärilleen levittämä magneettikenttä. (Alanen et al. 2003) Magneettikentän vaikutuksia pystytään ehkäisemään esimerkiksi koteloinnilla tai sijoittamalla se tarpeeksi syvälle maaperään, jolloin sen vaikutus maan pinnalle olisi vähäinen. Sinänsä magneettikentän haitallisuudesta ihmiselle ei ole saatu luotettavia tutkimustuloksia. Varmaa on kuitenkin sen haitallisuus sydäntahdistinpotilaille sekä muut käytännön asiat, kuten pankkikortin tyhjentyminen. Magneettikenttä saattaa aiheuttaa myös vähäisen syöpä- tai aivosairausriskin, mutta tätä ei ole pystytty todistamaan. Jäähdyttämiseen käytettävillä nestemäisellä heliumilla ja typellä on jotain haittavaikutuksia. Molemmat saattavat alhaisen lämpötilansa vuoksi kosketuksessa aiheuttaa paleltumavamman tai ympäristöön joutuessaan tuhota näin kasvillisuutta. Pitoisuuksien ollessa korkeita, ne aiheuttavat tukehtumisvaaran. Säiliöiden altistuminen liialliselle lämmölle voi johtaa niiden räjähtämiseen. (AGA 2005; AGA 2003)

10 10 5. MEKAANINEN VARASTOINTI 5.1. Pumpatut vesivarastot Pumppuvoimalan toimintaperiaatteena on varastoida energiaa veden potentiaalienergian muotoon. Sähkön hinnan ollessa riittävän alhainen pumpataan vettä ala-altaasta yläaltaaseen putkistoa pitkin ja saadaan näin vedelle potentiaalienergiaa. Tarvittaessa juoksutetaan vettä ala-altaaseen turbiiniin läpi. Turbiiniin on kytketty generaattori, jolloin saadaan muutettua liike-energia takaisin sähköenergiaksi. Vesivarastoina voidaan hyödyntää luonnonvesiä tai tekoaltaita. Pumppuvoimala voidaan sijoittaa esimerkiksi vanhaan kaivosrakenteeseen tai vuoristoon, jolloin saadaan järjestelmälle suuret korkeuserot. Käyttökohteita ovat muun muassa kulutushuippujen tasaus, energian pitkäaikainen varastointi tai verkon taajuuden säätö. Pumppuvoimalan hyötysuhde on noin 70 % ja teho MW (Alanen et al. 2003). Kuva 3. Pumppuvoimalan toimintaperiaate. (Evaluation of energy storage devices in stand-alone PV power systems) Suomessa ei ole tällä hetkellä yhtään pumppuvoimalaa, mutta suunnitelmia laitosten rakentamisesta on tehty jo 1960-luvulta lähtien. Varteenotettavimpana suunnitelmana voidaan pitää Keski-Suomen Korpilahdelle kaavailtua luonnon vesiä hyödyntävää pumppuvoimalaa, jota ei kuitenkaan toteutettu kannatuksen puutteesta johtuen.

11 Pumpattujen vesivarastojen ympäristövaikutukset Pumppuvoimalan haitalliset vaikutukset ympäristöön koostuvat pääosin rakennusvaiheessa aiheutuvasta ympäristörasituksesta sekä voimalan käytöstä johtuvasta vedenpinnan vaihtelusta. Teko-altaiden sekä laitokselle johtavien voimalinjojen rakentaminen vaatii laajoja maa-alueita. Itse voimalan käyttö on paikallisesti tarkasteltuna päästötöntä käytettäessä normaalia vesivoimaturbiinia sekä generaattoria varastoidun energian muuttamiseksi sähköksi. Ala-altaasta vesi pumpataan takaisin yläaltaaseen sähkökäyttöisillä pumpuilla. Altaiden vedenpinnan vaihteluilla voi olla vaikutusta alueiden eliöstölle sekä esimerkiksi mahdolliselle virkistyskäytölle riippuen siitä ovatko altaat luonnonvesiä vai tekoaltaita. Käytettäessä ylä-altaana esimerkiksi suurta vesistöaluetta, pinnankorkeudenvaihtelut saadaan erittäin pieniksi Vauhtipyörä Vauhtipyörän toimintaperiaatteena on varastoida energiaa vauhtipyörän roottoriin liikeenergian muotoon. Syötettäessä energiaa vauhtipyörään, roottorin pyörimisnopeus kasvaa. Vastaavasti purettaessa energiaa vauhtipyörästä roottorin pyörimisnopeus pienenee. Vauhtipyörien etuna on mahdollisuus purkaa lataus täysin tyhjäksi toisin kuin useimmilla akkutyypeillä. Sovelluskohteita ovat esimerkiksi UPS-laitteet tai ajoneuvojen jarrutusenergian talteenotto. Energiatiheydeltään, käyttökohteiltaan ja teholuokaltaan vauhtipyörät ovat verrattavissa esimerkiksi akustoihin. Vauhtipyörillä on suuret hankintakustannukset sekä energiahäviöt (<2%/vrk) (Alanen et al. 2003) Vauhtipyörien ympäristövaikutukset Vauhtipyörissä käytettävät materiaalit eivät sisällä ongelmajätteitä vaan ovat pääosin kierrätyskelpoisia (mm. teräs, alumiini, hiilikuitu, kupari) (Ruddel 2003). Laitteilla on pitkä elinikä, jopa kertainen akkuihin verrattuna, ne ovat rakenteeltaan kevyitä ja tarvitsevat vain harvoin huoltoa. Vauhtipyörä ei toimiessaankaan aiheuta päästöjä ympäristöönsä joten vauhtipyörän voidaan todeta olevan ympäristöystävällisempi varastointimuoto kuin esimerkiksi akut.

12 12 Kuva 4. Esimerkki vauhtipyörän sijoituksesta maanalaisiin tiloihin. (R.L Hockney and C.A. Driscoll, Powering of Standby Power Supplies Using Flywheel Energy Storage, Conf. Proc. INTELEC 97, 1997, pp , Alanen, Koljonen, Hukari & Saari 2003 mukaan) Vauhtipyörät jaetaan pyörimisnopeutensa perusteella pieninopeuksisiin (<6000 rpm) ja suurinopeuksisiin ( rpm). Suuri pyörimisnopeus aiheuttaa luonnollisesti turvallisuusriskin. Laite on rikkoutuessaan vaarallinen lähiympäristölle, minkä vuoksi vauhtipyörä voidaan sijoittaa esimerkiksi maan pinnan alle (Kuva 4). Komposiiteista valmistetun roottorin rikkoutuessa vapautuu kaasuja, joiden haitallisuus on rinnastettavissa diesel-moottorin aiheuttamiin pakokaasuihin. Vauhtipyörät ovat melko hiljaisia käyntiääneltään, mallista riippuen noin 60dB (Ruddel 2003) Paineilmavarastot Paineistetun ilman energian varastointia hyödynnetään CAES (Compressed Air Energy Storage) laitoksissa eri tekniikoin. Yksi tällainen tekniikka on vielä kehittelyasteella oleva neste-mäntä suunnitelma (liquid piston design), joka on lähes isoterminen ja jossa kaasun paine vaihtelee bar energian tarpeen ja varastojen mukaan. Ilma-öljyrajapinta systeemissä (air-to-oil interface system) ilmanpaine muutetaan öljynpaineeksi jaksottaisella laajennuksella/puristuksella. Kyseisessä systeemissä on riittävä isoterminen käyttäytyminen ja säiliöiden, jotka ovat täynnä ilmaa, tilavuus on 8-10kertaa pienempi kuin ensimmäiseksi mainitussa tekniikassa. Kolmas tapa on suoraanilmasta-akseliin systeemi, jossa on nopea laajennussysteemi, mutta ei käänteistä tapahtumaa, joten se ei sovellu itsenäisiin systeemeihin. (IEA 2004). Kuvassa (Kuva 5) on jaettu CAES-tekniikan sovellukset kahteen eri luokkaan: tilavuusohjatut koneet säiliöineen sekä kineettiset koneet maanalaisine säiliöineen (Investire network 2003). Painesäiliöt on suunniteltu kestämään ja säilyttämään turvallisuutensa huomattavassa paineen kasvussa. Venttiilit pystyvät myös rajoittamaan painetta koko hydraulisessa järjestelmässä. Toisaalta maanalaisten varastoiden, kuten suolakiviesiintymien, suolavesiesiintymien ja kallioon louhittujen varastoiden, riskinä

13 13 on varaston vaurioituessa, esimerkiksi maanjäristyksen sattuessa, että vapautuu kovalla paineella paljon kaasua. (IEA 2004) Kuva 5. Paineilmavarastojen kaksi päätyyppiä. (Investire network 2003) Paineilmavaraston prosessissa ei vapaudu saastuttavia päästöjä. Suurin osa materiaaleista (teräs, öljy, ) ovat kierrätettävissä tai uudelleenkäytettävissä. Varastoinnin melutaso ei ylitä 85dB, ja suojaukset rajoittavat päästöjä ja melutasoa. Pohjavesiin paineilmavarastointi ei suoranaisesti vaikuta, sillä pohjavedet ovat 1-30m syvällä, tosin kaivot kulkevat tuonkin kerroksen läpi 600metriin. (IEA 2004; Ympäristöministeriö 2007) Kuva 6. Huntfortin laitos Pohjois-Saksassa (Crotogino, Mohmeyer, Scharf 2001) Pohjois-Saksassa olevassa 290MW Huntfortin (Kuva 6) CAEStekniikkaa hyödyntävässä voimalaitoksessa käytetään kahta luolaa, tilavuuksiltaan ja m³, jotka ovat 600 m maanpinnan alapuolella, ja luolan syvyys on noin 200m. (Crotogino, Mohmeyer, Scharf 2001) Maisemointiin voidaan oletettavasti panostaa, mutta kuten mikä tahansa voimalaitos näkymätön CAESlaitoskaan ei ole.

14 14 6. LÄMPÖVARASTOT Lämmön varastointi, kuten energian varastoinnin muutkin tavat, on ympäristöystävällisempää kuin varastoimatta jättäminen. Esimerkiksi Oulun kalliolämpövarastosta purettu lämpö korvaa öljykattilalämpöä ja on lisäksi varalämmön lähde läheisessä Toppilan vastapainelaitokselle lyhytaikaisissa vikatilanteissa. (Lindström, Sipilä & Tervo 1990) Lämpöenergiaa voidaan varastoida perustuen tuntuvan lämmön, latenttilämmön tai termokemialliseen varastointiin. Yleisin tapa on tuntuvan lämmön varastointi, jolloin lämpö varastoidaan yleensä veteen, maanalaisissa säiliöissä yleensä kiinteään aineeseen saveen, hiekkaan tai kallioon (kuten Oulussa) sekä osittain pohjaveteen. Lämpöä voidaan varastoida myös terässäiliöihin, rakennusten seinämiin ja tulisijojen rakenteisiin. Lisäksi on olemassa avoimia järjestelmiä, joissa otetaan lämpöä esimerkiksi lämpöpumpuilla. Latentti- eli sitoutuneen lämmön käytössä hyödynnetään eri faasien energiaeroja, jolloin on mahdollista varastoida suuri lämpömäärä pienellä lämpötilanmuutoksella. Lämpövarastoinnin väliaineina ovat muun muassa PCM(Phase Change Material)- materiaalit, vesi/jää, suolaliuokset, suolojen hydraatit, rasvahapot, parafiinit ja eutektiset suolahydraatit. Suolojen ongelmana on korroosionaiheuttavuus ja liuoksen palautumattomuus, jonka takia se menettää varauskykyään vanhetessaan. Rasvahapot ovat helppokäyttöisempiä kuin suolat, mutta niiden varauskyky on heikompi. PCMmateriaalit ovat monessa paikassa käyttökelpoisia, mutta niiden heikkoutena on pieni lämmönjohtavuus, ja siten pienet siirtonopeudet. Kylmävarastoiden ongelmana on liuoksen alijäähtyminen ennen jäätymistä, jota pyritään estämään käyttämällä lisäaineita. Termokemiallinen lämmönvarastointi perustuu reaktioenergiaan, mutta sen ongelmana on reaktion toistettavuuden huonous. (Alanen et al. 2003) Lämpövarastot (TES) voidaan jakaa myös lämpötilojen perusteella: matalalämpötila- (<150 C), kohtalainen lämpötila- ( C) ja korkealämpötila- (>500 C) varastot. Kuvassa (Kuva 7) on korkealämpötilavarasto. Kaaviosta käy myös ilmi, että systeemi on suljettu, ja siten se ei erityisemmin tuota saastuttavia, ympäristölle haitallisia aineita.

15 15 Kuva 7. Korkealämpötilavaraston toimintakaavio. (IEA 2004) Kuva 8. Johnstownissa olevia säiliöitä (Finster 1992) Lämpövaraston esteettisyys (Kuva 8) on samalla tasolla ydinvoimalaitoksen kanssa: sen säiliötankin kokoa ja siten myös näkyvyyttä voidaan verrata ydinvoimalaitoksen jäähdytystorneihin. Maanalaiseen säiliöön varastoituna tuota ongelmaa ei ole, paisuntasäiliöiden ja itse laitoksen lisäksi. (IEA 2004)

16 16 7. JOHTOPÄÄTÖKSET Yleisesti voidaan todeta, että energian varastointi on melko ympäristöystävällistä. Oikein käytettynä varastointiteknologiat eivät juuri kuormita ympäristöä. Itse laitteistoilla ja niiden käytöllä ei saada aikaan suuria päästöjä. Suurin ympäristöä rasittava tekijä onkin laitteistojen valmistus ja raaka-aineiden prosessointi. Sähkökemiallisissa varastointimenetelmissä eli polttokennoissa, akuissa ja superkondensaattoreissa, suurimman ympäristöriskin muodostavat elektrolyyttimateriaalit. Luontoon joutuessaan nämä materiaalit saattavat reagoida haitallisesti muiden aineiden kanssa. Sähkökemiallisilla varastoilla on suhteellisen lyhyt elinikä, joten laitteistojen sisältämät materiaalit on syytä valita huolella niiden kierrätettävyys huomioiden. Myös mekaaniset varastointimenetelmät ovat varsin ympäristöystävällisiä. Näissä suurimmaksi ongelmaksi muodostuu niiden kohtalaisen suuri koko, jolloin varaston näkyvyys nousee suureen rooliin. Tätä voidaan kuitenkin kompensoida joissain tapauksissa sijoittamalla varasto maan alle. Mahdollisissa laitteistojen vauriotapauksissa vahingot saattavat kasvaa suuriksi. Mekaanisesta varastoinnista aiheutuu lisäksi jonkin verran melupäästöjä. Vedyn tuotannon tapauksessa suurimmaksi tekijäksi nousevat valmistuksen yhteydessä syntyvät kasvihuonekaasut tai muut epäpuhtaudet. Ennen käyttöä vety pitää puhdistaa epäpuhtauskaasuista, joka rasittaa jonkin verran luontoa. Suprajohtavien magneettien ainoana ympäristöriskinä voidaan pitää sen magneettikenttää ja mahdollisesti syntyviä hajakenttiä. Energian varastointi on välttämätöntä kulutushuippujen ja taantumien tasaamiseksi. Varastoinnista koituva hyöty on usein merkittävämpi kuin ympäristölle aiheutuvat haittatekijät. Yleisesti voidaankin todeta, että energian varastointi on ympäristöystävällisempää kuin varastoimatta jättäminen.

17 17 LÄHTEET Aarnio, P. Mitä polttokennot ovat? [WWW] [Viitattu ] Saatavissa: Oy AGA Ab, Käyttöturvallisuustiedote: Helium (nestemäinen), [Viitattu ]. Saatavissa : lisuuskaasut_helium_nestemainen/$file/helium_neste.pdf Oy AGA Ab, Käyttöturvallisuustiedote: Typpi (nestemäinen), [Viitattu ]. Saatavissa : xt.pdf Oy AGA Ab, Membraani [WWW] [Viitattu ] Saatavissa: DocByAlias/about_Ilmakaasut_Membraani Alanen, R., Hukari, S., Koljonen, T. & Saari, P., Energianvarastoinnin nykytila [WWW] VTT Tiedotteita - Research Notes Espoo [Viitattu ]. Saatavissa: Alanen, R. & Hätönen, H. Sähkön laadun ja jakelun luotettavuuden hallinta, State of art -selvitys. [WWW] VTT Working papers 52. Espoo [Viitattu ] Saatavissa: Crotogino, F., Mohmeyer K-U. & Scharf, R.Dr. Huntorf CAES: More than 20 Years of Successful Operation. [PDF] Orlando, Florida, USA [Viitattu ] Saatavissa: AKE_Archiv/AKE2003H/AKE2003H_Vortraege/AKE2003H03c_Crotogin o_ea_huntorfcaes_compressedairenergystorage.pdf Evaluation of energy storage devices in stand-alone PV power systems. [WWW]. Report IEA PVPS T3-18: [viitattu ] Saatavissa: Evaluation%20of%20energy%20storage%20devices.pdf Finster, H. Cowper stoves in Johnstown, USA,1992. [Viitattu ] Saatavissa:

18 18 Kasvihuonekaasut [WWW]. [Viitattu ]. Saatavissa: IEA : Evaluation of Energy Storage Devices in Stand-Alone PV Pover Systems [WWW]. Report IEA PVPS T3-18: [Viitattu ] Saatavissa: 20devices.pdf Investire network: Investigations on Storage Technologies for Intermittent Renewable Energies: Evaluation and recommended R&D strategy [WWW]. Investirenetwork,2003.[Viitattu ] Saatavissa: -> Storage Technologies -> Compressed air summary Johnson Diversey. Käyttöturvallisuustiedote, Tendex iltaneste Turku. [Viitattu ]. Saatavissa: rdonlyres/ f4-42b2-943f F57F/0/TENDEXILTANESTE.PDF Lanne, A-P. Alumiini [WWW].[Viitattu ]. Saatavissa: Lindström, P., Sipilä, K. & Tervo, J. Oulun kalliolämpövarasto. Osa 4. Lämpövaraston virtaustekniikka ja pienoismallikokeet (1990). [WWW]. Scientific Commons, [Viitattu ] Saatavissa: Mikkola, M. Vedyn valmistaminen ja kuljetus [WWW] Saatavissa: index.html Rainio, T. Vedyn tuotanto. [WWW] [Viitattu ]. Saatavissa: _05/Raunio_Vedynvalmistaminen.pdf Rakennusmateriaalien turvallisuus ja ympäristövaikutukset [WWW]. [Viitattu ]. Saatavissa: Ruddell, A.,Dr. STORAGE TECHNOLOGY REPORT ST6: FLYWHEEL [WWW]. CCLRC-Rutherford Appleton Laboratory [viitattu ] Saatavissa:

19 19 Tietoverkkolaboratorio. Teknillinen korkeakoulu. [WWW]. [Viitattu ] Saatavissa: Työterveyslaitos. [Viitattu ]. Saatavissa: Varoitusmerkit, R- ja S-lausekkeet [WWW]. [Viitattu ] Saatavissa: Vihersaari, T., Muutamia esimerkkejä ympäristökatastrofeista. Turun yliopisto. [Viitattu ] Saatavissa: Ympäristöministeriö. [Viitattu ]. Saatavissa: