Energian tuotanto, jakelu ja varastointi (Akkuvoimalaitokset, akkuvarastot, Lämpökeskukset ja -laitokset)
Energiatehokkuus ja energiansäästö (Lämmön talteenotto ja hyötykäyttö)

Energian varastointiin on monenlaisia ratkaisuja

Uusiutuvaan energiaan perustuvan sähkön- ja lämmöntuotannon kapasiteetti voi vaihdella paljonkin sääolosuhteiden mukaan. Energiaa olisi kuitenkin saatava käyttöön jatkuvasti. Kun fossiilisten polttoaineiden osuutta tuotannossa vähennetään, tarvitaan entistä parempia ja tehokkaampia vaihtoehtoja energian varastointiin. Innovatiivisia uusia hankkeita on vireillä Suomessakin.

AKKUJA ON käytetty maailmalla pitkään energian varastoinnin erilaisissa sovelluksissa.

Määritelmällisesti akku on laite, johon energiaa voidaan varata ja josta sitä voidaan tarvittaessa purkaa. Ensimmäiset lyijyakut kehitettiin 1850-luvulla, minkä jälkeen niiden eri versioilla on ollut paljon käyttöä muun muassa ajoneuvojen sähköjärjestelmissä. Arkeologit ovat löytäneet Irakista ja Egyptistä huomattavasti vanhempiakin akkujen ja paristojen esiasteita, joita on mahdollisesti käytetty elektrolyyttiseen pinnoitukseen.

Uudemmissa käyttötilanteissa akkuja on sovellettu energiavarastoina esimerkiksi keskeytymättömän sähkönsyötön UPSlaitteissa. Niillä voidaan turvata vaikkapa tärkeiden viestintäja tietojärjestelmien sekä lääkintälaitteiden toimintaa sähkökatkojen sattuessa.

Toisaalta sähköautojen yleistyminen on tuonut ajoneuvoihin uudenlaista akkutekniikkaa, jonka kysyntä ja valmistus lisääntyvät koko ajan.

Uusia akkuja ja akkumateriaaleja

Vielä joitakin vuosia sitten nikkeli-kadmium-akut (NiCad) olivat yleisiä voimanlähteitä vaikkapa kannettavissa radiopuhelimissa ja muissa ladattavissa sähkölaitteissa.

Nykypäivän tietokoneet ja GSM-puhelimet varustetaan kuitenkin yleensä litium-ioni-akuilla, jotka varaavat energiaa paremmin. Ne antavat siis laitteille enemmän käyttöaikaa. Niinpä ne ovat sopiva vaihtoehto myös täyssähköautoihin, joissa tarvitaan pitkää toimintasädettä yhdellä latauksella.

Eurooppaan on tätä nykyä suunnitteilla noin 1 200 gigawattitunnin verran akkukennotuotantoa vuoteen 2030 mennessä, joten EU-maissa tarvitaan paljon akkumateriaalien tuotantoa. Tämä on Suomessa huomattu esimerkiksi Vaasassa, missä viime vuosina on kehitelty monenlaisia akkuteollisuussuunnitelmia.

Alkuvuodesta 2021 Johnson Matthey -yhtiö ilmoitti perustavansa Vaasaan kestävän kehityksen mukaisen akkumateriaalitehtaan. Sittemmin yhtiö kuitenkin myi akkuliiketoimintansa, joten tämä hanke ei edennyt.

Vuoden 2022 lopulla Epsilon Advanced Materials ja Suomen Malmijalostus Oy sen sijaan solmivat aiesopimuksen, jonka puitteissa Vaasaan harkitaan anodimateriaalitehtaan perustamista. Laitos toimittaisi raaka-aineita Euroopan akkuja akkukennotehtaille. Vaasassa tehtaalle on jo tehty tonttivaraus, ja ympäristövaikutusten arviointimenettely on alkamassa vuonna 2023.

”Akkuja on käytetty maailmalla pitkään energian varastoinnin erilaisissa sovelluksissa.

Uutta akkuteollisuutta rakennetaan juuri nyt ulkomaillakin. USA:ssa autonvalmistaja Ford ilmoitti helmikuussa 2023 suunnittelevansa Michiganiin sähköautojen akkutehdasta, joka valmistaisi vuosittain akkuja 400 000 sähköautolle.

Fordin uuden tehtaan on määrä valmistaa sähköautoille sekä litium-rautafosfaattiakkuja (LFP) että nikkeli-koboltti-mangaaniakkuja (NCM). Hankkeeseen on ainakin näillä näkymin tulossa mukaan myös kiinalainen CATL-yhtiö, joka on maailman suurin sähköautoakkujen valmistaja.

Tehtaan arvioidaan olevan toiminnassa vuonna 2026. Investoinnin arvo on 3,5 miljardia dollaria.

Sen sijaan Britanniassa vireillä ollut jättimäinen Britishvolt- akkutehdashanke Northumberlandissa kaatui vuodenvaihteessa 2022–23 rahoitusvaikeuksiin. Tehtaan oli määrä elvyttää paikallista autoteollisuutta ja tuoda maahan tuhansia uusia työpaikkoja. Projektia yritetään vielä pelastaa etsimällä uusia sijoittajia.

Kaukolämmölle vesivarastoja

Kun fossiilisen energian käyttö vähenee valtakunnallisessa sähköntuotannossa, tarvitaan sähkövarastoja tasapainottamaan tuuli- ja aurinkoenergian kysynnän ja tarjonnan huippuja. Tuulivoimalaitoksista ja aurinkopaneeleista saadaan aika ajoin liikaa sähköä, toisinaan taas liian vähän.

Tätäkin energiaa voidaan varastoida perinteisiin akkuihin, mutta sellaisia tarvittaisiin paljon. Suurten akkuvarastojen rakentaminen olisi epäkäytännöllistä.

Monissa kaukolämpöyhtiöissä sen sijaan varastoidaan voimalaitosten tuottamaa ylijäämäenergiaa isoihin vesivarastoihin, joista energiaa saadaan kaukolämpöön tai kaukojäähdytykseen.

Esimerkiksi Helsingin energiayhtiö Helen on rakennuttanut sekä kaukolämmön että kaukojäähdytyksen käyttöön maanalaisia vesivarastoja. Pasilassa maanalainen järvi varastoi kylmää vettä kaukojäähdytystä varten. Halkaisijaltaan 20-metrisessä ja yli 30 metriä syvässä järvessä on 11 miljoonaa litraa vesijohtovettä. Toinen suuri jäähdytysvesivarasto sijaitsee Esplanadin puiston alapuolella.

Kaukojäähdytyksen tarve vaihtelee kesän sääolosuhteiden mukaan. Maanalaisissa vesivarastoissa jäähdytysvesi pysyy viileänä ympäri vuoden. Kaukojäähdytyksen avulla kiinteistöissä oleva ylimääräinen auringon lämpö voidaan jalostaa hyötykäyttöön sopivaksi ja edelleen siirtää kaukolämpöverkkoon.

Mustikkamaan saaren alapuolella on Helen-yhtiön kaukolämpöluolia, jotka on täytetty vedellä ja joita käytetään helsinkiläisten kotien lämmitykseen. Luolien kokonaistilavuus on 320 miljoonaa litraa ja ne otettiin käyttöön vuonna 2021.

Lämpöluolat tasaavat kaukolämpöverkon kulutushuippuja vuoden ympäri. Niihin voidaan varastoida esimerkiksi jätevesien ja kiinteistöjen hukkalämpöä ja sitten ottaa sitä käyttöön tarpeen mukaan. Helenin lämpöluolaan sijoitetun veden lämpötila vaihtelee noin +45 °C ja +100 °C välillä.

Lämpövarastojen hyödyntämiseen liittyy myös suuri lämpöpumppulaitos Helsingin Sörnäisissä, Katri Valan puiston alapuolella. Helen selvittelee myös merivesilämpöpumppujen hyödyntämistä.

”Tuulivoimalaitoksista ja aurinkopaneeleista saadaan aika ajoin liikaa sähköä.

Hiekka-akku Kankaanpäässä

Ylimääräistä lämpöenergiaa on mahdollista varastoida paitsi veteen myös esimerkiksi hiekkaan.

Tamperelaisyritys Polar Night Energyn kehittämässä ratkaisussa liikaenergiaa – kuten aurinko- tai tuulivoiman ylituotantoa – varastoidaan hiekkaan lämpöenergiana. Sen jälkeen sitä voidaan tarvittaessa luovuttaa kaukolämpöverkkoon tai kiinteistöille kysyntähuipputilanteissa.

Tätä innovaatiota varten Suomessa on otettu käyttöön maailman ensimmäinen ”hiekka-akku”, joka sijaitsee Kankaanpäässä ja jota koekäytetään yhteistyössä paikallisen kaukolämpöyhtiön Vatajankoski Oy:n kanssa. Akun lämpöä siirretään kaukolämmöksi.

Kankaanpääläisen kaukolämpölaitoksen pihalle rakennetun ja kesällä 2022 käyttöönotetun lämpövarastojärjestelmän keskeinen osa on teräslieriötyyppinen hiekka-akku, jonka korkeus on seitsemän metriä ja jossa on sata tonnia hiekkaa.

Sitä lämmitetään sähkövastuksen kuumentamalla ilmalla yli +500 °C:n lämpötilaan. Akun lämmitysteho on 100 kW (kilowattia) ja varastoimiskyky 8 MWh (megawattituntia). Hankkeessa on mukana muun muassa Schneider Electric, joka on toimittanut energiavarastolle automaatiojärjestelmän.

Ennen kuin akku rakennettiin Kankaanpäähän, Polar Night Energy testasi hiekka-akun periaatetta Tampereella pienemmässä koelaitoksessa, jossa hiekkaa oli 42 tonnia.

Paineilmaa ja vetyä

Tuulivoimalaitosten ylijäämäsähkön varastointiin kehitellään maailmalla muitakin ratkaisuja. Englannin Manchesterissä testataan Highview Power -yhtiön uudentyyppistä 50 MW:n tehoista tuulivoimalaa, jonka yhdeksi osaksi on rakennettu paineilmasäiliö.

Laitoksen omalla ylijäämäsähköllä toimiva painepumppu puristaa ilmaa ylipaineella nestemäiseksi ja samalla erittäin kylmäksi. Tuulettomina päivinä säiliön venttiili voidaan avata, jolloin lämpenevä ja laajeneva ilma pyörittää voimalaitoksen turbiinia samaan tapaan kuin tuulimyllykin.

Tällainen energiavarasto tasaa tuulivoimalaitoksen tuotantoa siten, että siitä saadaan viideksi tunniksi sähköä noin 50 000 kotitaloudelle. Paineilmaenergiaa voidaan varastoida useiksi viikoiksi.

Eräänlainen ylijäämäenergian varastointitapa on myös se, että uusiutuvan energian voimalaitoksista saatavalla liikaenergialla valmistetaan vetyä varastoon. Sen jälkeen vetyä voidaan käyttää esimerkiksi teollisuuden voimanlähteenä, jolloin samalla pystytään korvaamaan fossiilisia ja ympäristölle haitallisia energiamuotoja.

Teksti: Ari Mononen

Seuraa Enertec

Enertec uutiskirje