RIKU PASONEN ENERGIAN VARASTOINTITEKNOLOGIOIDEN TEKNINEN JA TALOUDELLINEN VERTAILU

RIKU PASONEN ENERGIAN VARASTOINTITEKNOLOGIOIDEN TEKNINEN JA TALOUDELLINEN VERTAILU Kandidaatintyö Tarkastaja: Lehtori Risto Mikkonen

II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma PASONEN, RIKU: Energian varastointiteknologioiden tekninen ja taloudellinen vertailu Kandidaatintyö, 39 sivua Huhtikuu 008 Pääaine: Vaihtoehtoiset sähköenergiateknologiat Tarkastaja: Lehtori Risto Mikkonen Avainsanat: Energian varastointi, CAES, akku, pumpattu vesivarasto, polttokenno, vauhtipyörä, SMES, superkondensaattori. Energian varastointi on merkittävä osa energian käyttöä. Energian varastointi mahdollistaa energian myöhemmän käytön, sekä myös energian siirron paikasta toiseen. Tässä työssä vertaillaan energian varastointiteknologioita teknisestä ja taloudellisesta näkökulmasta. Tavoitteena oli selvittää kunkin teknologian ominaisuudet, sovellusalueet ja kustannustaso. Työstä on rajattu pois energian varastointi synteettisiin polttoaineisiin ja terminen energian varastointi. Aluksi työ selvittää miksi energiaa varastoidaan ja mitä tietoja tarvitaan ja käytetään energiavarastojen vertailuun. Työssä käydään siis läpi vertailun kannalta tärkeät fysikaaliset suureet ja esitetään yksi matemaattinen malli taloudellisen kannattavuuden tarkastelua varten. Toisessa vaiheessa esitetään kunkin varastointiteknologian yleisominaisuudet ja sovellusalueet sekä tyypillisiä suoritusarvoja tai eri valmistajien laitteiden teknisiä tietoja. Työn loppuun on koottu taulukko yhteisvertailua varten ja tulkitaan taulukon osoittamia tietoja. Työ osoittaa, että energian varastointiteknologian valinnalla on suuri merkitys järjestelmän suorituskykyyn ja kustannuksiin. Lukuisien energian varastointitapojen joukossa ei ole ainakaan vielä ratkaisua, joka sopi jokaiseen tilanteeseen. Jokaisella varastointitavalla on oma ja joskus hyvinkin spesifinen sovellusalue. Työstä selviää myös, että kaikkien varastointiteknologioiden suora hintavertailu on vaikeaa ja yleensä ei edes kovin tarkoituksenmukaista.

III ALKUSANAT Tämä työ on tehty kandidaatintyöksi Tampereen teknillisen yliopiston elektroniikan laitokselle. Työn aloitin keräämällä taustatietoa helmikuun alkupuolella ja varsinaiseen kirjoittamiseen pääsin kuun vaihteessa. Kiitokset haluan esittää sähkömagnetiikan opinnäytetyötutorille yliassistentti Aki Korpelalle kiinnostavasta aiheesta ja kurssin SMG-4350 aikana annetuista opeista opinnäytetöitä varten. Lisäksi kiitän työn ohjaajaa ja tarkastajaa lehtori Risto Mikkosta hyvistä ohjeista työhön liittyen. Tampereella 14.4.008 Riku Pasonen 040-01373 riku.pasonen@tut.fi

IV SISÄLLYS 1. Johdanto... 1. Energian varastoinin tarve ja sopivan teknologian valitseminen....1 Tekniset reunaehdot ja perustietoa.... Taloudellinen kannattavuus... 4 3. Mekaaninen energian varastointi... 6 3.1 Vauhtipyörä... 8 3. Pumpattavat vesivarastot... 1 3.3 Paineilmavarasto... 13 4. Sähkökemiallinen energiavarasto... 16 4.1 Akku... 16 4.1.1 Lyijyakku... 17 4.1. Nikkeli-kadmiumakku(NiCd)... 17 4.1.3 Nikkeli-metallihydridiakku (NiMh)... 17 4.1.4 Litium-ioni- ja litium-polymeeriakut... 18 4.1.5 Natrium rikkiakut(nas)... 18 4.1.6 Virtausakut... 19 4. Galvaaniset parit... 1 4.3 Kondensaattorit... 1 4.4 Polttokennojärjestelmät... 4 5. Suprajohtava sähkömagneettinen energiavarasto, SMES... 7 5.1 Suprajohtavuus... 7 5. SMES... 9 6. Energiavarastojen hintatietoja ja ominaisuuksia... 31 7. Yhteenveto... 33 Lähteet... 35

V SYMBOLIT JA TERMIT SI-järjestelmä Perushankintahinta UPS-järjestelmä Isoterminen prosessi Käyttökerroin Takaisinmaksuaika Normaalipotentiaali Galvaaninen Anodi Katodi Katalyytti SMES CAES Persistointi Quench Sähkömagneettinen induktio Quench-back Kansainvälinen standardoitu järjestelmä fysikaalisten ja kemiallisten suureiden esitykseen seitsemän perussuureen avulla.[1]( engl. the International System of Units) Investoinnin hankintakustannus, joka sisältää hyödykkeen hinnan lisäksi mahdolliset rakennus- ja käyttöönottokustannukset(engl. base cost of an asset). Järjestelmä, josta saa pääenergianlähteen poissa ollessa energiaa UPS:llä suojattujen laitteiden käyttöön. Prosessi, jossa lämpötila pysyy vakiona. Prosentuaalinen osuus, jonka kone tai voimala käy täydellä kapasiteetilla. Aika, jonka kuluessa investointi on tuottanut hankintakustannuksia vastaavan tuoton. Jännite joka syntyy aineen liuettua anodisesti vetyyn verrattuna. Vedyn normaali potentiaali on 0 V. Sähköä johtava Johtava rakenne, joka luovuttaa elektronin Johtava rakenne, joka vastaanottaa elektronin Reaktiota nopeuttava komponentti Suprajohtava magneettinen energiavarasto. (superconducting magnetic energy storage) Paineilmavarasto (Compressed air energy storage,) Pysyvä varastointi Suprajohteen siirtyminen normaalitilaan Ilmiö, jossa muuttuva magneettikenttä aikaansaa sähkövirran ympäristöön. Suprajohteen suojausmenetelmä, jossa suprajohdetta lämmitetään E P η i n Energia Teho Hyötysuhde Laskentakorkokanta Aika

VI T K E P F s m g h λ L k x J ω r ρ V J T n P 0 P i γ Q U C Vuosittainen tuotto Investoinnin perushankintakustannus. Potentiaalienergia Vaikuttavien voiminen summavektori kuljetun matkan vektori Massa Maan vetovoiman kiihtyvyys Korkeus Elastinen kerroin Pituus lepotilassa Jousivakio, muotokerroin vauhtipyörille kappaleen venymä potentiaalin nolla-tasosta Hitausmomentti Kulmanopeus Säde Tiheys Tilavuus Hitausmomentti Lämpötila Mooleja kaasussa Paine alkutilassa Paine lopputilassa Ominaislämpökapasiteettien vakiopaineessa ja vakiotilavuudessa suhde Varaus Jännite Kapasitanssi n Yksikkövektori V Tilavuuden V pinta E D E ε ε 0 ε r A d L I T C sähkökentän voimakkuus sähkövuon tiheys sähkökentän voimakkuus Permittiivisyys Tyhjiön permittiivisyys, Aineen suhteellinen permittiivisyys tyhjiöön nähden pinta-ala etäisyys Induktanssi sähkövirta Kriittinen lämpötila

1 1. JOHDANTO Energiankäytön yhä lisääntyessä myös tarve energian varastoinnille lisääntyy. Tämä näkyy sekä uusien että vanhojen energian varastointiteknologioiden kehittämisenä ja alan liikevaihdon kasvuna. Toinen merkittävä energian varastointiteknologioiden kehittämiseen vaikuttava asia on ilmastonmuutos. Ilmastonmuutoksen pääsyynä pidettävät hiilidioksidipäästöt johtuvat osittain energian tuotannossa syntyvistä ja osittain energian loppukäyttäjän synnyttämistä päästöistä. Energian varastointiteknologian valinta vaikuttaa epäsuorasti molemmista päätekijöistä syntyviin päästöihin. Paremman hyötysuhteen omaava energian varastointitapa vähentää tarvittavan tuotannon määrää. Tuotannon väheneminen puolestaan pudottaa tuotannossa syntyviä päästöjä. Energian varastointiteknologian valinta vaikuttaa myös loppukäyttäjän energian hyödyntämistapaan. Siitä hyvänä esimerkkinä on vetyä hyödyntävien polttokennojärjestelmien ja sähkömoottorin käyttäminen fossiilisten polttoaineiden ja polttomoottorin sijaan. Myös varastointiteknologioiden tehokkuutta pyritään parantamaan taloudellisista näkökulmista, jotta pysytään kilpailukykyisinä globaaleilla markkinoilla. Tässä työssä selvitettiin energian varastoinnin syyt sekä tekniset ja taloudelliset seikat varastointiteknologian valitsemiseen. Teknologioiden osalta käsiteltiin käytetyimmät mekaanisen, sähkökemiallisen sekä sähkömagneettisen energian varastointiteknologiat ja selvitän kunkin edut ja haitat. Työstä on tietoisesti rajattu pois termisen energian varastointi ja synteettiset polttoaineet.

. ENERGIAN VARASTOININ TARVE JA SOPIVAN TEKNOLOGIAN VALITSEMINEN Energian varastointia tarvitaan kun energiaa ei haluta käyttää samaan aikaan kuin se on tuotettu, tai energiaa ei haluta käyttää samassa paikassa, jossa se on tuotettu. Sähköverkko on esimerkki järjestelmästä, jossa energiaa ei varastoida, vaan kulutus ja tuotanto ovat tasapainossa. Tämän tasapainon säilyttämiseksi tarvitaan kuitenkin varastointia sähkön tuotannossa, koska esimerkiksi tuulivoimalan tuotanto vaihtelee mm. tuulisuuden mukaan. Jos kyseisellä tuulisella hetkellä verkkoon ei tarvitse syöttää tehoa, tuulivoimalan energia voidaan varastoida sopivalla tavalla, niin että tyynellä kelillä energiavarasto voidaan purkaa verkkoon. Tämä oli siis esimerkki tilanteesta, jossa energia varastoidaan myöhempää käyttöä varten. Monien tuntema akku, esimerkiksi matkapuhelimesta, mahdollistaa energian myöhemmän käytön, mutta myös antaa mahdollisuuden puhelimen siirtämiselle paikasta toiseen. Oikean energian varastointiteknologian valitseminen lähtee liikkeelle tarkastelemalla käyttötarkoituksen tekniset kriteerit täyttäviä vaihtoehtoja, ja valitsemalla niistä kustannustehokkain vaihtoehto..1 Tekniset reunaehdot ja perustietoa Varastoitavaa energiaa tarkastellaan yleensä energian SI-järjestelmän[1] yksikössä jouleina (J) tai wattitunteina (Wh). Energian määrän ohella tärkeä parametri on teho, jonka yksikkö watti (W), ilmaisee, kuinka nopeasti varastoitu energia voidaan ladata tai purkaa. Usein varaston lataus ja purku tapahtuu eri tehoilla ja lataus- ja purkuajat ilmoitetaan erikseen. Energian E ja tehon P välillä on siis yhteys: t E = P dt (1) t 1

. Energian varastoinnin tarve ja sopivan teknologian valitseminen 3 Energiatiheys ilmaisee kuinka paljon energiaa voidaan varastoida tilaavuus- tai massayksikköä kohden. Energiatiheys massayksikköä kohden on erityisen tärkeä liikuteltavissa sovelluksissa. Hyötysuhde η kertoo, kuinka paljon energiavaraston lataus- ja purkusyklin aikana energiaa saadaan varastoitua ja purettua suhteessa järjestelmään syötettyyn energiaan. Hyötysuhde voidaan esittää kaavan () avulla. lataus purku η = () E lataus E + E hukka lataus E purku E + E hukka purku E lataus = Järjestelmään varastoitu energia E hukka lataus = Latausvaiheen hukkaenergia E purku = Purettaessa saatu energia E hukka purku = Purettaessa hukattu energia Lataus purkusyklien maksimimäärä ilmoittaa kuinka monta kertaa varasto voidaan ladata ja purkaa. Lisäksi useissa varastointiteknologioissa on erityisominaisuuksia, jotka vaikuttavat järjestelmän käyttöön, suorituskykyyn tai ympäristöön. Näitä ominaisuuksia ovat mm. järjestelmän suorituskyvyn heikkeneminen ajan mukaan, rakennusaika, sopiva rakennuspaikka, ulos saatava energiamuoto, turvallisuus, ympäristövaikutukset ja olosuhteiden vaikutus toimintaan. Yleisiä varastointitarpeita ja kohteita ovat: Pyörivä reservi on varavoimajärjestelmä, joka voidaan kytkeä käyttöön alle kymmenessä minuutissa ja toimia ainakin kaksi tuntia käynnistämisen jälkeen. Verkosta erillään olevat sähköjärjestelmät, esimerkiksi loma-asuntojen aurinkoenergialla toimivat sähköjärjestelmät. Sähkön kulutushuippujen tasausta tarvitaan, kun kulutus kasvaa hetkellisesti yli tuotannon. Tällöin siis energiaa puretaan varastosta verkkoon. Sähkön tuotannon huippujen tasaus puolestaan tarkoittaa että kulutus on hetkellisesti pienempää kuin tuotanto. Tätä tarvitaan kun esim. tuulivoimalan tuotanto vaihtelee tuulen nopeuden vuoksi. Joskus puhutaan myös hajautetun sähköntuotannon tarpeesta. Sähkön laadun hallintaa on mm. häiriöttömän sähkön syötön järjestelmät, eli UPSjärjestelmät sekä sähköverkon taajuuden stabilointi. Mobiilisovellukset, eli liikuteltavat laitteet ja ajoneuvot.

. Energian varastoinnin tarve ja sopivan teknologian valitseminen 4. Taloudellinen kannattavuus Investointien taloudellista kannattavuutta voidaan tarkastella monella tavalla, mutta investointivaihtoehtoja verrattaessa edullisuusjärjestys on sama laskentatavasta riippumatta. Annuiteettimenetelmä on yksi eniten käytetyistä tavoista arvioitaessa investoinnin pääomakustannuksia. Annuiteetilla tarkoitetaan vuosittaista persushankintahinnan aiheuttamaa pääomakustannusta[, s.03]. Investointia voidaan pitää kannattavana, mikäli vuotuiset nettotulot ylittävät annuiteetin[, s.03]. Annuiteetti saadaan kertomalla perushankintakustannus annuiteettikertoimella, joka määritellään: [, s. 04] n i(1 + i) n (1 + i) 1 i = käytetty laskentakorkokanta. n = vuosien lukumäärä. (3) Vuosien lukumäärä on käytännössä laina-aika rahalle investointia varten. Laina-aika on järkevää asettaa yhtä suureksi kuin investoinnin käyttöaika, eli tässä tapauksessa energiavaraston kustannukset kohdentuvat sen koko käyttöajalle. Laskentakorkokanta on pääomakustannuksia laskettaessa pankin vaatima vuosikorko lainalle. Mikäli lainarahaa ei käytetä, laskentakorkokannaksi asetetaan investoinnin vuotuinen tuottotavoite. Tällöin siis käytännössä mietitään, ylittääkö investoinnin tuotto muiden mahdollisten investointien tuotot. Vuosittaiset nettotulot saadaan kun energiavaraston tuloista vähennetään käyttökustannukset. Käyttökustannuksia ovat mm. työvoima-, huolto-, ja energiahäviökustannukset, sekä purku- ja latausvaiheen hyötysuhteista johtuvat lisäenergiakustannukset. Lisäksi energiavarasto saattaa tarvita jonkin verran energiaa varaston ylläpitoon, mikä myös näkyy käyttökustannuksissa. Investointilaskennan yksi tavoite onkin maksimoida nettotulon ja annuiteetin erotusta, eli vuosittaista tuottoa. Vuosittainen tuotto voidaan siis esittää käyttö-, pääomakustannuksien ja tulojen avulla: n i(1 + i) T = Tulot Käyttökustannukset K (4) n (1 + i) 1 T = Vuosittainen tuotto K = Investoinnin perushankintakustannus.

. Energian varastoinnin tarve ja sopivan teknologian valitseminen 5 Yleensä kuitenkin energiavarasto on ns. pakollinen investointi, jolle ei voida suoraan osoittaa tuloja. Tällöin on tarkasteltava epäsuoria tuloja, joita saadaan esim. energian tuotantomahdollisuutta lisättäessä säätövoimana toimivan energiavaraston avulla. Joissain tapauksissa on järkevää tarkastella vain vuotuisia energiavaraston kuluja esim. energiasisältöön suhteutettuna, kun eri vaihtoehtoja verrataan. Tuottoperäiseen laskentaan on järkevää siirtyä viimeistään kun energiavaraston kapasiteettia lisätään. Varastointitarpeen kasvaessa tulee miettiä, minkälaisia ja minkä kokoisia varastoja kannattaa hankkia, mutta erityisesti, miten investoinnit kannattaa ajoittaa. Käyttöajan päätyttyä energiavarastolla saattaa olla vielä jokin jälleenmyyntiarvo. Yleensä jälleenmyyntiarvo on kuitenkin pieni investointikustannuksiin nähden ja sitä on hankala arvioida pitkällä aikavälillä. Mikäli jälleenmyyntiarvo tiedetään nykyrahassa, voidaan se vähentää investoinnin perushankintakustannuksista. Jälleenmyyntiarvo on usein negatiivinen; energiavaraston hävittämisestä joutuu maksamaan. Jäännösarvo huomioidaan laskemalla tuotto: [, s. 0.; 3] T n i(1 + i) jäännösarvo Tulot Käyttökust. K n (4) (1 + i) 1 (1 + i) = n

6 3. MEKAANINEN ENERGIAN VARASTOINTI Mekaaninen energia on joko liike-energiaa tai potentiaalienergiaa. Mekaanisen energian varastot siis varastoivat energiaa, joko toiseen tai molempiin muotoihin. Potentiaalienergiaa omaavalla kappaleella on potentiaali voimakentässä johonkin valittuun potentiaalin nollatasoon nähden. Mikäli kappaleeseen vaikuttavat voimat ovat vakioita, voidaan kappaleen potentiaalienergia kirjoittaa voimien summavektorin ja kuljetun matkan vektorin avulla: E P = F s (5) E P = potentiaalienergia F = vaikuttavien voiminen summavektori s = kuljetun matkan vektori Esimerkkeinä potentiaalienergiasta ovat mm. : Maan gravitaatiosta johtuva potentiaalienergia, jos kappale on korkeudella h valitusta nollapotentiaalista: E P = m g h (6) m = kappaleen massa m g = maan vetovoiman kiihtyvyys(~9,81 s ) h = korkeus potentiaalienergian valitusta nollatasosta Elastiseen eli venyvään, mutta alkuperäiseen muotoon palautuvaan kappaleeseen varastoitunut potentiaalienergia saadaan[4]: x E P = λ L x = kappaleen venymä potentiaalin nolla-tasosta λ = elastinen kerroin L = kappaleen pituus lepotilassa(ei jännitystä) (7)

3. Mekaaninen energian varastointi 7 Kun suhde L λ on vakio, kaava (7) kirjoitetaan yleensä: E P 1 k x = (7) k = L λ, jousivakio x = kappaleen venymä potentiaalin nolla-tasosta Liike- eli kineettistä energiaa ovat liikkuvan tai pyörivän kappaleen energiat. Nopeudella v liikkuvan massan m omaavan kappaleen liike-energia: E k 1 = m v (8) Pyörivän kappaleen pyörimisenergia[5]: 1 ω E r = J (9) kg J = kappaleen hitausmomentti [ ] m ω = kappaleen pyörimisen kulmanopeus [ rad ] s

3. Mekaaninen energian varastointi 8 3.1 Vauhtipyörä Vauhtipyörä perustuu pyörimisenergian varastointiin pyörivään kiekkomaiseen kappaleeseen. Vauhtipyörän energia noudattaa siis edellä esiteltyä pyörimisliikkeen yhtälöä. Yhtälössä oleva hitausmomentti on kappaleelle ominainen vakio, joka voidaan laskea[6]: J = r ρ dv (10) r = pyörimisakselin säde [m] ρ = kappaleen tiheys kg 3 m 3 v = kappaleen tilavuus, jonka yli integrointi suoritettaan [ m ] Hitausmomentti voidaan myös ilmaista[7, s.67]: J k m r = (11) k = vauhtipyörän muodosta riippuva kerroin (enintään 1) m = massa [kg] r = vauhtipyörän säde [m] Muutamia yleisiä vauhtipyörän muotokertoimia on esitetty kuvassa 1. Kuva 1. vauhtipyörien muotokertoimia Vauhtipyörän energian kannalta hitausmomentin ja pyörimisnopeuden tulisi olla suuri. Hitausmomentin kasvattaminen vaikuttaa kuitenkin maksimaaliseen pyörimisnopeuteen, jonka kappale kestää. Vauhtipyörää suunniteltaessa onkin siis maksimoitava vauhtipyörän energiaa hitausmomentin(materiaalin ja muodon) ja pyörimisnopeuden funktiona.

3. Mekaaninen energian varastointi 9 Viimeaikojen kehityssuunta on ollut valmistaa erittäin suurilla, jopa 100k:n kierroksen minuuttinopeudella pyöriviä vauhtipyöriä hiilikomposiittimateriaaleja käyttäen[7, s. 67]. Tämä on johtanut materiaaliratkaisuiden vuoksi entistä kevyempien ja täten suuremman energiatiheyden omaaviin vauhtipyöriin. Toinen vauhtipyörän suorituskykyyn vaikuttava asia on laakeristo, ja etenkin sen aiheuttamat häviöt. Laakeriston tehtävä on aikaansaada mahdollisimman kitkaton kontakti vauhtipyörän akselin ja tukirakenteiden välille. Vauhtipyörän laakerointivaihtoehtoja häviöiden mukaan jaoteltuna[8]: Lähes häviötön: Kestomagneetti Häviöt ~10 W 100 W 30 kg:n vauhtipyörällä: Magneettinen ohjattu laakeri, korkean lämpötilan suprajohdelaakeri Häviöt ~60 W 30 kg:n vauhtipyörällä: Kitkalaakeri Häviöt ~50 W 00W 30 kg:n vauhtipyörällä: Rullalaakeri Häviöt ~1000 W 30 kg:n vauhtipyörällä: Ilmalaakeri ja kalvolaakeri

3.1 Vauhtipyörä 10 Vaikkakin toiset laakeristot näyttäisivät olevan parempia häviöiden suhteen, muut laakeriston ominaisuudet kompensoivat suorituskykyä molempiin suuntiin. Häviöt ovat osa laakeriston kustannuksia. Kustannukset riippuvat myös käyttötavasta. Esimerkiksi jos vauhtipyörää ei käytetä jatkuvasti, ei pyörintähäviöillä ole suurta merkitystä kokonaiskustannuksissa. Jotkin laakerivaihtoehdot eivät edes sovi käytettäväksi kaikissa tilanteisiin liian painavan vauhtipyörän, vaaditun tilan tai käytettävyyden vuoksi. Huoltovapaus voi olla myös haluttu ominaisuus, jolloin magneettiset laakerit ovat hyvä vaihtoehto. Laakeriston valintaa voi pohtia luvussa.. esitetyn kaavan (4) avulla ja selvittämällä käyttö- ja hankintakulut laakerin valmistajan antamilla tiedoilla. Tulevaisuudessa erityisesti suprajohtaviin sähkömagneetteihin perustuvien vauhtipyörän laakerointien uskotaan lisääntyvän.[7, s. 68] Nanotekniikan kehittyminen voi myös mahdollistaa entistä kestävämpiä komposiittirakenteita ja siten korkeampi energisiä vauhtipyöriä. Vauhtipyörä liitetään yleensä sähkökoneeseen, joka ladattaessa toimii moottorina, antaen vauhtipyörälle kierrosnopeuden ja purettaessa generaattorina, tuottaen tehoa sähköjärjestelmään. Tätä perusjärjestelyä käytetään useimmissa vauhtipyöräratkaisuissa, kuten UPS-järjestelmissä, tuottaen sähköä sähkökatkojen aikana. Vauhtipyörän pyörimisnopeus alenee vauhtipyörän energiaa purettaessa. Pyörimisnopeuden putoaminen johtaa generaattorin taajuuden putoamiseen. Vauhtipyöräjärjestelmästä saatu sähkö täytyy siis ajaa taajuusmuuntajan läpi, jotta varasto on liitettävissä verkkotaajuutta käyttäviin laitteisiin. Vauhtipyörien energian purkautumisaika on yleensä muutamista sekunneista minuutteihin, mutta joissakin erikoissovelluksissa jopa useita tunteja. Joka tapauksessa vauhtipyörän energia on rajallinen, kuten kaikkien muidenkin energiavarastojen. Tästä johtuen mikäli UPS:n tapauksessa sähkökatko kestää kauemmin kuin varaston purkuaika, tulee toinen varavoimajärjestelmä ehtiä käynnistymään vauhtipyörän pyöriessä. UPS- järjestelmässä tämä toinen varavoima voi olla esim. diesel-generaattori. Vauhtipyörän sovelluskohteita edellä mainittujen lisäksi ovat mm. erilaiset nosturit, joissa tavaran laskuvaiheessa kuorman potentiaalienergia varastoidaan vauhtipyörään. Nostettaessa vauhtipyörä siis tuottaa generaattoriperiaatteella osan sähköstä nosturin moottoreille. Vastaavasti vauhtipyöriä voidaan käyttää junissa ja autoissa, joissa jarrutus tehdään siirtämällä kulkuvälineen liike-energiaa vauhtipyörälle. Saatava hyöty riippuu siitä, kuinka paljon pysähdyksiä ja kiihdytyksiä tulee. Ajoneuvoissa ei päästä hyödyissä aivan nostureiden tasolle, mutta erityisesti kaupunkikäytössä jarrutusenergian hyödyntäminen ajoneuvoissa kannattaa. Eri asia on, että onko vauhtipyöristä haastamaan tulevaisuudessa muut energian varastointiteknologiat esim. jarrutusenergian taiteenottamisessa ajoneuvoissa. Vauhtipyöriä käytetään myös sähkön taajuuden stabilointiin, jolloin generaattorin mukana pyörivä vauhtipyörä(massa) hidastaa taajuuden muutoksia eli pyrkii pitämään taajuuden häiriötä edeltäneessä tilassa.

3.1 Vauhtipyörä 11 Vauhtipyörän etuja ovat suhteellisen nopea reagointi, pienet huoltokustannukset ja että varaston voi tarvittaessa purkaa kokonaan.[7, s. 70] Myös lataus-purkusyklien maksimimäärä, noin 100k, käyttölämpötila-alue ja käyttöaika, 0 vuotta ovat hyviä.[43] Vauhtipyörien voidaan ajatella olevan myös ympäristöystävällisempiä kuin akut, koska vauhtipyörissä ei ole myrkyllisiä kemikaaleja. Toisaalta ympäristöystävällisyyttä tulisi tarkastella myös valmistusvaiheen päästöjen osalta. Suurin negatiivinen asia vauhtipyörissä on mahdollinen laakeriston vikaantumistilanne, jolloin koko vauhtipyörän energia vapautuu muutamissa sekunneissa ja pahimmassa tapauksessa vauhtipyörä irtoaa ja aiheuttaa mittavat vahingot. Vauhtipyörien varastoinnissa tuleekin ottaa huomioon mahdollinen vikaantumistilanne.[7] Vauhtipyörien itsepurkautuvuus on suuri verrattuna muihin varastointimuotoihin, joten vauhtipyörät eivät sovellu pitkäaikaisen varastointiin. Taulukossa 1. on esitetty muutamia jo kaupallistuneita ja kehitteillä olevia vauhtipyöräjärjestelmiä[9]. Taulukko 1. Vauhtipyöräjärjestelmiä Active Power Clean- Source UPS Beacon Power (ei vielä valmis) Beacon Power matrix(5 KWh:n yksiköistä kasattu) Energia 5kWh 5 MWh (0MW ) Nominaaliteho 130-100 kva purkuaika 100% kuorma 5s(130KVA ) 14s(100KV A) <4s täyteen tehoon 0 MW <4s täyteen tehoon Jännite (ulos) 480 VAC 3-vaihe 480 VAC 3-vaihe 480 VAC 3-vaihe Vauhtipyörä Latausaika Käynnistysaika Itsepurkautumisteho % nominaalitehosta % nominaalitehosta VYCON Regen crane system 10Kw VYCON Regen rail system 0,54 kwh 1,66kW h 10 kw 15s 15s 550-600 VDC 500 kw 1s 1s 400-1000 VDC 4 kw 5 kw VYCON DIRECT CONNEC T VDC140 0,6Kw h 140 kw Tyypillisesti 1 min 15s 400-500 VDC kw Pentadyne VSS+dc 190 kw 15s 350 850 VDC <0.3 kw Hitec power protection 400-150 KVA 15min 15s. 100% kuormalla, 30 s. Puoli kuormalla 50 ms (puolikuormalla) 1000 ms (täydellä) 400V / 480 ±10% 3-vaihe Powercorp power store 500 5 kwh 500 kva 30s 30s 5ms -> nominaalitehoon 380-440 VAC 1-15 kw

3. Pumpattavat vesivarastot 1 3. Pumpattavat vesivarastot Pumpattavissa vesivarastoissa energia varastoidaan potentiaalienergiaksi pumppaamalla vesi korkeammalla olevaan varastoon. Pumpattavan vesivaraston energia riippuu siis kaavan (6) mukaisesti veden massasta ja sen nostokorkeudesta. Laitoksen teho purettaessa riippuu varaston ja turbiinin välisestä korkeuserosta, turbiinin muotoilusta sekä turbiinin pinta-alasta. Vesiturbiinien hyötysuhteet ovat parhaimmillaan yli 90% kun veden potentiaalienergia muutetaan akselin liike-energiaksi.[10, s. 7] Kokonaishyötysuhteeksi pumppaus ja purku huomioiden saadaan kaavan () periaatteella yleensä yli 70%[7, s. 45] ja parhaimmilla laitteistoilla jopa yli 83%[11, s. 8]. Vesivarastoksi tarvitaan siis kaksi eri korkeudella olevaa allasta tai säiliötä. Vesivarasto on yleensä luonnon muodostama paikka, mutta joskus pienempiä altaita myös kaivetaan tarkoitusta varten. Veden putoamiskorkeus määräytyy yleensä paikallisen maaston mukaan, joten pumpattavat vesivarastot soveltuva vain alueille, joissa on suuria luonnollisia korkeuseroja. Yksi mahdollinen paikka on ehtyneiden kaivosten muuntaminen pumpattavan vesivaraston alemmaksi altaaksi, jolloin vaikutukset maisemaan ovat vähäisempiä, kuin periteisen ulkoilmassa olevan patotyyppisen pumpattavan vesivaraston. Kuva. esittää pumpattavaa vesivarastoa. Kuva. Pumpattava vesivarasto Pumpattavia vesivarastoja käytetään mm. pyörivänä reservinä, loistehon kompensointiin, verkon taajuuden säätöön ja stabilointiin sekä tehohuippujen tasaukseen.[7, s. 45] Taloudellisen kannattavuuden näkökulmasta varaston pumppaus tulisi tehdä halvemmalla sähkön hinnalla kuin purkuvaiheessa tuotetaan.

3. Pumpattavat vesivarastot 13 Mikäli sähkön hinta vaihtelee prosentuaalisesti enemmän kuin laitos hukkaa energiaa, voidaan pumpattavalla vesivarastolla ansaita rahaa tuottamalla korkean hinnan aikaan ja lataamalla halvemman hinnan aikana. Taulukossa. on jo rakennettujen ja suunnitteilla olevien laitosten tietoja. Taulukko. Pumpattavia vesivarastoja Käynnistysaika pyörivä laitteisto / s Laitos / maa Käyttöönottovuosi Energia / MWh nominaaliteho (purku) / MW Purkuaika / h Lake Elsinore Advanced Pump Storage /USA [11] ~017 9000 500 18 <15 10 Bath County Pumped Storage Station USA [1] 1985 6x350 (3000 009 mennessä) Dinorwig Power Station /UK [13] 1984 8640 6x88 5 <1s 130MW:iin Kylmäkäynnistys -aika / min Korkeusero Pumped storage power station Goldisthal / Saksa [14] 004 4x65 350m 99m 3.3 Paineilmavarasto Paineilmavarasto (Compressed air energy storage, CAES) perustuu ilman varastointiin korkeapaineisena umpinaiseen säiliöön. Ilmalla on kyky tehdä työtä vapautuessaan painesäiliöstä matalampaan paineeseen, eli yleensä ulkoilmaan. Paineilmalla on siis eräänlainen potentiaali ja potentiaalin purkautuessa energia muuttuu liike-energiaksi, joka voidaan hyödyntää ilmaturbiinissa sähköntuotantoon.(vertaa pumpatut vesivarastot) Laajenevan kaasun tekemä työ saadaan: W = P dv (1) P = paine [Pa] W = saatava energia tai tehtävä työ [J] 3 V = tilavuus [ m ]

3.3 Paineilmavarasto 14 Ilma voidaan ajatella ideaalikaasuksi. Ideaalikaasun tapauksessa ja olettaen että prosessi on isoterminen, saadaan: PV = nrt (13) P0 W = nrt ln (14) P i T = Lämpötila [K] n = mooleja kaasussa P 0 = paine alkutilassa P i = paine lopputilassa Todellisuudessa CAES-järjestelmän prosessi ei ole isoterminen, eli ilman energiaa muuntuu myös lämmöksi, jota ei voida yleensä hyödyntää turbiinissa. Adiabaattisen prosessin mallissa kaasu ei vaihda lämpöenergiaa ympäristön kanssa. Tällöin kun lämpötilan muutos otetaan huomioon, saadaan tehoksi[15]: P a γ = 1 γ p p i 0 γ γ 1 1 p 0 V 0 (15) γ = C C p v : Ominaislämpökapasiteettien vakiopaineessa ja vakiotilavuudessa suhde P 0 = paine alkutilassa P i = paine lopputilassa 3 V = Tilavuus alkutilassa [ m ] 0 Varastoa ladatessa ilman lämpötila kohoaa, ellei kaasua jäähdytetä. Vastaavasti kun varasto puretaan matalampaan paineeseen, tulee ilmaa lämmittää, jotta lämpötila ei putoaisi. Joissakin järjestelmissä purkautuvan ilman yhteydessä poltetaan samalla kaasua lämpötasapainon saavuttamiseksi. Paremmat järjestelmät pystyvät hyödyntämään osittain lämpöä joka syntyi varastoa ladatessa. Sähköntuotantoon saatava teho riippuu järjestelmän kokonaishyötysuhteesta. Kokonaishyötysuhde lasketan kertomalla kompressorin hyötysuhde ilmaturbiinin hyötysuhteella. Esimerkiksi 350bar:n CAESjärjestelmän hyötysuhde on noin 75%:n tasolla [16] Hyötysuhdetta voidaan parantaa rakentamalla öljy-hydraulinen järjestelmä, joka hyödyntää purkutilanteessa öljyä. Öljyn käyttäminen mahdollistaa korkeimpien paineiden käytön ja laajemman painealueen.

3.3 Paineilmavarasto 15 Korkeampi paine puolestaan nostaa järjestelmän hyötysuhdetta.[15]. Ongelmana on ollut luoda tarpeeseen soveltuva jakopinta öljyn ja ilman välille.[15] Varsinaiseen sähkönhyötysuhteeseen vaikuttaa vielä generaattoreiden ja vaihteiden. hyötysuhteet. Pienestä energiatiheydestä johtuen CAES-varastot ovatkin varsin suuria ja CAESjärjestelmiä on rakennettu enimmäkseen paikkoihin, jossa on luonnon muovaamia luolia tai onkaloita, jotta järjestelmä olisi taloudellisesti kannattavampi. Joissakin paikoissa tarvittavan onkalon kaivaminen on helppoa. Esimerkiksi kun luolaston seinistä voidaan liuottaa suolaa pumppaamalla sinne vettä, on kaivaminen kannattavaa[17]. Kuten pumpattavilla vesivarastoillakin, ehtyneet kaivokset ovat yksi mahdollinen järjestelmän sijoituspaikka. CAES-järjestelmää voidaan käyttää esim. kuormahuippujen tasaukseen ja verkon stabilointiin vaikkapa hajautetun sähköntuotannon yhteydessä[18]. CAESjärjestelmien tehot ovat yleensä satojen MW:n luokkaa ja purkuajat useita tunteja. Ohion suolakaivokseen on suunnitteilla nykyisiä suurempi, 700 MW:n laitos[19]. Järjestelmien käyttökertoimet ovat noin 95%:n luokkaa[0]. Laitosten perushankintakustannukset ovat noin 50 700 $/kw [1;,]. CAES-järjestelmä maksaa itsensä takaisin noin viidessä vuodessa.[1]

16 4. SÄHKÖKEMIALLINEN ENERGIAVARASTO Sähkökemiallisissa energiavarastoissa energia varastoidaan kemialliseksi energiaksi. Purettaessa kemiallinen energia muutetaan sähköenergiaksi. Sähkökemiallisia energiavarastoja ovat akut, kondensaattorit ja polttokennojärjestelmät. Sähkökemiallisista energiavarastoista tehdään usein sähkövirralla ladattavia, mutta myös kemiallisella energialla ladattavia järjestelmiä käytetään. On olemassa myös kertakäyttöisiä järjestelmiä, joiden kemiallista energiaa ei voida ladata muuten kuin valmistamalla uusi varasto. 4.1 Akku Akulla tarkoitetaan sähkövirralla uudelleen ladattavaa sähkökemiallista energiavarastoa. Akkujen toiminta perustuu reversiibeliin, eli palautuvaan hapetus pelkistysreaktioon. Akkuja kutsutaan sekundaäreiksi kennoiksi. Peruskomponentteja ovat anodi, katodi, elektrolyytti ja säiliö komponenteille. Anodi ja katodi ovat metallikappaleita ja elektrolyytti on väliaine, joka mahdollistaa ionejen liikkumisen anodin ja katodin välillä. Hapetus-pelkistysreaktion aikana anodi hapettuu, eli luovuttaa elektronin ja katodi pelkistyy ja vastaanottaa elektronin. Anodin ja katodin elektroniero voidaan tasata ulkoisen johdemateriaalin kautta. Akun toiminnan periaate on esitetty kuvassa 3. Akut ladataan pakottamalla sähkövirta ulkoisen piirin kautta toiseen suuntaan, jolloin reaktio on käänteinen. Akut nimetään yleensä niissä käytettävien materiaalien mukaan. Akkujen ilmoitetuista hyötysuhteissa ei ole otettu huomioon latausjärjestelmän hyötysuhdetta, mikä vastaisi akun hyötysuhteella kerrottuna järjestelmän kokonaishyötysuhdetta. Taulukosta 3. (sivu 0) löytyy tyypillisiä teknisiä tietoja yleisimmille akuille. Kuva 3. Akun toiminta