Energialukutaidon kurssi, syksy Luento 10. Sähköä säilömään ja säästämään! Taina Kurki-Suonio,

Transkriptio

1 Energialukutaidon kurssi, syksy 2016 Luento 10 Sähköä säilömään ja säästämään! Taina Kurki-Suonio,

2 Energian varastoinnista «Akut «Vauhtipyörä «Pumppuvoimalaitos «Paineilma «Lämpöpumppu (ei tällä kertaa) «Vedyn tuotto Jos maailma halutaan pelastaa, niin varastoinnin täytyy skaalautua järkevästi yhteiskunnalliselle tasolle!!!

3 Akku Huomattavia akku-asioita: «energiatiheys: paljonko energiaa/massa «hyötysuhde «kuinka monta kertaa kestää latausta «elinikä «Turvallisuus, terveellisyys, ympäristö

4 Perusjuttuja akuista «Akkujen kapasiteetti voidaan ilmoittaa monella eri tavalla: MJ/litra(!), mah, kwh/kg, «Akuilla hyvä hyötysuhde: approx. 0,9x0,9 = 80% «Akut purkautuvat myös itsestään, self-discharge, nopeus riippuu akkutyypistä (Li-ion akku: pari % / kk) «Akuilla on äärellinen elinikä, joka riippuu Purkaus/lataus kertojen lukumäärästä (Li-ion akku: latausta) Fyysisestä iästä «Akkujen suorituskyky heikkenee käyttöiän myötä Riippuu esim. käyttölämpötilasta (Li-ion akku hyötyy jäähdyttämisestä )

5 Akkuja energiansäilöntään (siis ei auton käynnistykseen eikä elektroniikkahärpäkkeisiin) Wh/kg HS (%) Lataus# Elinikä Myrkky? Käyttö Lyijy Vuosia YES mökki NiMH vuosia yes S-auto? LiFePO4 100? v?? S-auto? sulasuola ? 1000?? varavoima virtaus low??? yes varavoima? Peukalosääntö: Yhden öljylitran sisältämän energiamäärän säilömiseen tarvitaan ämpärinkokoinen akku. Summa summarum: Etsiessä tietoa akkujen suuren mittakaavan sovelluksista, teksti on hyvin usein kirjoitettu konditionaalissa ja täynnä sanoja kuten ehkä ja mahdollisesti ja tulevaisuudessa. Muutaman vuoden takaiset mullistavat keksinnöt näyttävät pääsääntöisesti hävinneen.

6 Li-ioni-akku energiansäilöntään «Li-ion akun energiatiheys Wh/kg!! (Litium on niin kevyt alkuaine) «Litium on helposti syttyvä alkuaine Ł Samsungin tehokänny kielletty lennoilla «Kunnon jäähdytys Ł isompia akkuja Łkännyköistä energianvarastointiin mutta Ł jäähdytys syö energiaa Ł litium-varantojen riittävyys? Japan Airlines Boeing 787 lithium cobalt oxide battery that caught fire in 2013

7 Tesla Powerwall "Tämä on läpimurron alku. Tästä se alkaa HS Näin kommentoivat Powerwallia Aallon professorit: «Teslan tuote ei sisällä mitään erityistä uutta teknistä innovaatiota iso loikka liittyy teknologian kaupallistamiseen (Peter Lund, Teknillinen fysiikka) «Teslan yksi etu on "applemainen" suunnittelu ja muotoilu. Kuvien perusteella Teslan akku on tyylikäs laite, jonka voi nostaa seinälle (Raimo Lovio, Kauppakorkea) «Yksi este on akussa käytettävän litiumin saatavuus jos akkuja alettaisiin valmistaa isossa mittakaavassa, maailman litiumtuotanto ei pysyisi perässä (Lasse Murtomäki, sähkökemia)

8 Mitä muualta kuuluu? «Teslan akkujen houkuttelevuutta varaenergianlähteenä kuitenkin vähentää niistä saatava olematon 2 kilowatin jatkuva teho. Pelkkä pakastelokerolla varustetun jääkaapin pitäminen päällä samaan aikaan pölynimurin kanssa saattaisi olla akulle liikaa, Tekniikka&Talous «Kyseessä on luksustuote sellainen joka on hieno omistaa, mutta en näe siinä taloudellista potentiaalia, Bloombergin älykkäiden energiajärjestelmien analyytikko Brian Warshay.

9 Powerwallin ominaisuuksia «Li-ion akku, energiatiheys 179MJ/m 3, 100Wh/kg «7 kwh akku sallii päivittäisen käytön kestää 5000 sykliä «10 kwh akku voidaan purkaa/ladata kerran viikossa (sic!) kestää sykliä Ł Ei mikään teknologinen läpimurto

10 Vauhtipyörä «Yksinkertainen idea: varastoidaan sähköä liike-energiana raskaaseen, pyörivään kappaleeseen! Ympäristöystävällinen! Pitkäikäinen! «Esim. vauhtipyörä fuusiotutkimuksessa (Max Planck instituutt)i: paino 76 tonnia, varastoi 0,3MWh, antaa kymmeniä MW max 10s. Hyvä ratkaisu suuren hetkellisen tehon tuottamiseen, mutta ei oikein varavoimaksi

11 Yksinkertainen on kaunista: Pumppuvoimalaitos (Pumped-storage hydroelectricity (PSH) tarvitaan vain PALJON vettä ja/tai ISO korkeusero PSH kattaa 99% maailman energianvarastoinnista, n. 127,000 MW (2012) PSH:n hyötysuhde 70 75%

12 Paineilmavarastointi CAES (Compressed Air Energy Storage) Tällä hetkellä maailmassa vain 2 CAES-laitosta: «321 MW plant in Huntorf, Germany (1978) «110 MW plant in McIntosh, Alabama, USA (1991) «Ovat kaasuvoimaloita, mutta paremmalla hyötysuhteella «Käytetään uusiutuvien ylimääräisen tehon talteenottoon Huntorf CAES Plant Paineilma ( m 3 ) varastoidaan vanhoihin suolakaivoksiin m syvyyteen 321MW:n teho saavutetaan 6 minuutissa ja sitä voidaan tuottaa vähän yli 2 tuntia Hyötysuhde 42%

13 Vedyn valmistus -- ja maakaasun! «Parikymmentä vuotta sitten hehkutettiin vetytaloutta onnen tuojaksi ja vetyautoja liikenteen puhdistajaksi. Jostain syystä näin ei tapahtunut. Idea on yksinkertainen: 2H 2 O < > 2H 2 + O 2 Oikealle menevä reaktio vaatii energiaa Vasemmalle menevä reaktio vapauttaa energiaa Prosessin (AC-to-AC) hyötysuhde 20-45% «Tänään vetyteknologiaa voitaisiin käyttää siihen, ettei uusiutuvien tuottamaa liikatehoa tarvitsisi heittää hukkaan. «Toinen vaihtoehto on luodakin lisää maakaasua = metaania: CO 2 + 2H 2 O < > CH 4 + 2O 2

14 E2GAS: Industrial 6.3 MW PtG plant (Audi e-gas plant) «ETOGAS has built the world's largest and first industrial Power-to-Gas plant with 6.3 MW input power on behalf of Audi AG. «The plant has been producing Audi's e-gas since 2013 in dynamic and intermittent operation from wind power and from the CO 2 from a biogas processing plant: Renewable synthetic natural gas which is fed into the natural gas transmission network on-site and can supply an environmentally friendly synthetic fuel to a fleet of 1,500 A3 g-tron gas vehicles with an annual kilometer performance of 15,000 km. Every year, the plant recycles around 2,800 tons of CO 2 as raw material. The plant's conversion efficiency from electricity to gas is approx. 54%.

15 Conversion efficiencies Eurelectric union of the electricity industry «Kaasu (maakaasu tai synteettinen): 39 58% «Muita (ihan huviksi): Öljy: % Biomassa tai kaasu: 30 40% Jäte: 22 28% Geoterminen: < 19% (@190C) Niinpä syklillä e2gas2e saadaan kokonaishyötysuhteeksi parhaimmillaan Eli Suomenrahassa: 0,54x0.58 = 0,31 max 30% varastoidusta sähköstä saadaan uudelleen käyttöön Edullisemmilla tekniikoilla 0,54x0,39 = 0,21 eli 21%.

16 Barnhart & all, Stanford University: The energetic implications of curtailing versus storing solarand wind-generated electricity, Energy and Environmental Science 6 (2013) 2804 Puhtaan energian hukkaaminen vaikuttaa huonolta idealta, mutta varastointikaan ei ole ongelmatonta. Laskelmiemme mukaan on järkevämpää rakentaa enemmän tuulivoimakapasiteettia ja tarvittaessa rajoittaa tuulivoiman tuotantoa, kuin rakentaa energiavarasto nykyisin käytettävissä olevalla akkuteknologialla. Aurinkosähkön varastoiminen sen sijaan tietyissä olosuhteissa voi olla kannattavaa verrattuna siihen, että aurinkopaneeleilla tuotettua sähköä jätettäisiin käyttämättä. Tämä johtuu siitä, että aurinkopaneelien valmistaminen vaatii suhteessa enemmän energiaa.

17 Energian säilöntämahdollisuudet eivät siis oikeuta meitä holtittomaan energiantuhlaukseen Lisäksi meidän (erityisesti teidän) on syytä ottaa järeät aseet (laskutaito takaisin kunniaan!) käyttöön ilmastonmuutosta vastaan eikä jäädä mielikuvamarkkinoinnin uhreiksi

18 May 9, 2013: Ilmakehän CO 2 pitoisuus ylitti 400 ppm WMO: vuonna 2015 tuo raja ylittyi pysyvästi, ei vain hetkellisesti ja jossain. Tällaisia CO 2 tasoja on toki ollut ennenkin: 3 5 miljoonaa vuotta sitten, jolloin napajäätiköt loistivat poissaolollaan ja merenpinta oli 40m korkeammalla The New Scientist 2015: Merenpinta tulee nousemaan ainakin viisi metriä ja ainoastaan pikaiset muutokset pystyvät enää estämään yli 20 metrin nousun (T&T )

19 Ł Velvollisuutemme on etsiä tapoja sähkön säästämiseen! Ideoita?

20 Kotona «Valaistus: ledit, liiketunnistimet, valot pois tyhjistä huoneista «Suihku kesto ja lämpötila «Veden keitto optimoi tapa ja määrä. Muistakaa myös kansi, kun mahdollista! «Pyykinpesu tehokkuus! «Sauna järkevä ajoitus «Kodin lämpötila ei bikineissä talvella,tiivistys «Kylmälaitteet järkevä valinta, järkevä käyttö! «Elektroniikkahärpäkkeet järkevä valinta, järkevä käyttö

21 Ja kun kotoa lähdetään «Kulkuvälineet: joukkoliikenne, oma kroppa järkevä asuinpaikan valinta «Hissi «Harrastukset «Auton valinta ja käyttöaika! «Asunnon valinta ratkaisee paljon

22 Kotona 2015 «Kahvia «Valot «Liesi/mikro «Puhelin & herätyskello «Tietokone «Jääkaappi «Suihku «Lämmitys/ilmastointi + eristys «Valitut elintarvikkeet «Sauna «Lapsenteko «Pyykinpesu «siivous

23 Kotoa lähdettäessä 2015 «Liikkumismuoto ulkona «Käytännöt työ- ja opiskelupaikalla Koneen käyttö työpaikalla Siirtyminen kerroksesta toiseen Valot Mitä syödään Tietokoneluokkien pöytäkoneet «Kaupassa Ei liukuportaita Kylmät tavarat? Kulutushyödykkeiden ostoperusteet Valmistuotteet vs raaka-aineet Kertakäyttö vs kestohyödykkeet Pakkausmateriaalien minimointi «Harrastukset: järki käteen, suosi ulkoilmaa ja sähköttömiä vempaimia