Sähkön varastoinnin tarve kasvussa - uudet teknologiat vastaavat tarpeeseen hitaasti

Ohijuoksutuksia voitaisiin estää varastoimalla vettä sähkön tasaiseen tuotantoon. Sähkön vaihteleva tuotanto ja kaiken aikaa muuttuva kulutus eivät kohtaa toisiaan, kun toistaiseksi sähkön laajamittaiseen varastointiin ei ole kyetty kehittämään kaikkialle soveltuvaa taloudellisesti kannattavaa varastointiteknologiaa. Vaihtelevan tuuli- ja aurinkovoiman lisääntyminen tulee kasvattamaan säätövoiman tarvetta ja siitä seuraavaa sähkön varastoinnin ongelmaa nykyisestään. Laajamittaisen sähkön varastoinnin tarve on noussut säätövoiman tarpeen kasvaessa energiapoliittisen keskusteluun.

Viime vuonna lokakuun loppuun mennessä jouduttiin juoksuttamaan vettä tulvaluukuista Perämereen voimalaitosten koneistojen ohi jo 500 GWh, mikä vastaa lähes 115 000 kotitalouden sähkönkulutusta vuodessa

Viime vuosi oli vesivoimatuotannon kannalta ennätyksellinen. Runsaiden sateiden seurauksena vesivoimalaitokset tuottivat sähköä 45 prosenttia edellisvuotista enemmän. Vesivoimalla tuotettiin sähköä noin viidesosaa kulutetusta sähköstä, mikä mahdollisti kivihiilen kulutuksen vähentämisen 35 prosentilla. Vesivoimalla on myös turvattu sähköntuotantoa ydinvoimalaitosten tilapäisten huoltotöiden aikana.

Sähkön tuonti Pohjoismaista Suomeen yli kolminkertaistui viime vuonna edellisvuodesta. Ruotsin tuottamasta sähköstä puolet ja Norjan sähköstä lähes kaikki tuotetaan vesivoimalla. Sähkö-markkinoilla pohjoismainen vesivoima nähdään ”isona akkuna” ja uskotaan, että pohjoismaisen vesivoiman kysyntä Keski-Euroopan säätövoimamarkkinoilla tulee kasvamaan. Tämä tulee nostamaan vesivoiman arvoa, kun sen merkitys kasvaa vesivoiman säädettävyyden ansiosta.

– Tarve sähkön varastointiin kasvaa säätövoiman tarpeen kasvun rinnalla valtavasti kaikkialla, sanoo VTT:n tutkija Veikko Kekkonen. Norjan suuriin vesialtaisiin perustuva sähkön tuotanto mahdollistaa tulevaisuudessa yhä enemmän sähkön vientiä Keski-Euroopan rahakkaimmille markkinoille. Se merkitsee sitä, että säätövoiman hinta nousee myös Suomessa. Kysynnän ja hinnan kasvun myötä sähkövarastojen kannattavuus hieman paranee, mutta ei riittävästi. Säätövoiman tuotantoa varten pitää rakentaa uusia voimalaitoksia ja sen lisäksi kovalla hinnalla pakottaa sähkön kulutusta joustamaan, arvioi Kekkonen tulevaa säätövoiman kapasiteettitarvetta tilanteessa, missä uusia sähkön laajamittaisen varastoinnin teknologioita ei ole käytettävissä.

Sähkön varastointi sähköjärjestelmän kannalta välttämätön

Sähkön varastointi on sähköjärjestelmän toimivuuden kannalta välttämätöntä, koska tuotannon ja kulutuksen pitää olla koko ajan tasapainossa. Perinteisesti vesivoimalla on tämän tasapainon turvaamisessa ollut tärkeä rooli. Kun vaihtelevan uusiutuvan sähkön osuus koko sähköntuotannosta kasvaa, tarvitaan lisää säätövoimaa sekä joustoja tuotantoon että kulutukseen.

Esimerkiksi Espanjassa aurinko- ja tuulivoimalat voivat suotuisissa olosuhteissa tuottaa jopa enemmän sähköä kuin koko maa kuluttaa. Mutta kun yöllä ei aurinkosähköä synny eikä tuulimylly pyöri tyynellä, miten hetkellinen ylijäämäsähkö voitaisiin varastoida? Tätä sähkön varastoinnin teknologista ratkaisua on etsitty jo vuosia tutkimuslaitoksissa eri puolilla maailmaa, mutta läpimurtoa ei toistaiseksi ole tehty.

Samanlaista sähkön raaka-aineen, veden ylituotantoa on ollut myös Kemijoen vesistöalueella. Viime vuonna lokakuun loppuun mennessä jouduttiin juoksuttamaan vettä tulvaluukuista Perämereen voimalaitosten koneistojen ohi jo 500 GWh, mikä vastaa lähes 115 000 kotitalouden sähkönkulutusta vuodessa. Energiavarastoille nähdäänkin nyt olevan selkeä markkinarako, jonka tulisi olla teknologisesti toimiva, taloudellisesti kannattava ja yhteiskunnallisesti hyväksyttävä. Sähkön säätövoiman turvaamiseen liittyvästä varastointikysymyksestä on tullut keskeinen osa energiapoliittista keskustelua.

Vesialtaan käyttö sähkön varastoijana on yleisin sähkön varastointimenetelmä maailmassa. Suomessa sähkön varastoijina ovat toimineet Lokan ja Porttipahdan kaltaiset säännöstelyaltaat, joissa on 1,5 TWh:n edestä varastoitua energiaa.

Monissa Euroopan maissa kuten Itävallassa ja Portugalissa on käytössä pumppuvoimalaitoksia, joiden toimintaidea perustuu veden nostoon halvan energian aikana laitoksen yläpuolella olevaan altaaseen, josta vettä juoksutetaan kalliin energian aikana sähkön tuotantoon. Pumppu-voimalaitoksia on Euroopassa useita kymmeniä ja useita uusia on rakenteilla mm. Portugaliin, Itävaltaan, Sveitsiin, Romaniaan ja Saksaan alueille, joissa on suuria korkeuseroja. Maailman-laajuisesti pumppulaitoksien yhteenlasketun tehomäärän arvioidaan olevan noin 130 000 MWh luokkaa.

– Pumppuvoimaloita vaivaa heikko hyötysuhde, koska energiaa häviää liikaa varastosyklin aikana, sanoo Kekkonen. Pumppulaitoksissa tarvitaan suuri korkeusero ja altaalle valmis luonnonkuoppa, jonka voi täyttää ketään häiritsemättä. Ja kun suurista vesialtaista on aina joillekin haittaa, vastustus on äänekästä, sanoo Kekkonen.

Aurinko- ja tuulivoiman lisääminen kasvattavat varastoinnin tarvetta

Sähkön varastointiteknologian kehitystyötä tehdään laajalla rintamalla maailmalla. Sähkön vaihteleva tuotanto ja kaiken aikaa muuttuva kulutus eivät kohtaa toisiaan eikä toistaiseksi sähkön varastointiin ole kyetty kehittämään kaikkialle soveltuvaa ratkaisua. Vaihtelevan tuuli- ja aurinkovoiman lisääntyminen tulee kasvattamaan sähkön varastoinnin ongelmaa nykyisestään.

Energian varastointiteknologian kehittämistä sähkötekniikan professori Jarmo Partanen Lappeenrannan yliopistosta pitää tärkeänä energiapoliittisena kysymyksenä. – Näköpiirissä ei ole nyt taloudellisesti kannattavia ratkaisuja suurvarastoinnille, pikemmin syntyy pieniä hajautettuja akkuihin perustuvia varastoja, arvioi Partanen.

Partanen muistuttaa, että suurien energiamäärien varastointi on taloudellisesti kannattavaa toistaiseksi varastoimalla vesivoimalaitosten käyttämää vettä altaisiin tai käyttämällä sitä pumppuvoimalaitoksissa. Toinen tapa varastoida sähköä veteen on veden lämmittäminen lämmitysvesivaraajiin, jolloin varastointiaikajakso on tällöin kuitenkin selvästi allasvarastointia lyhempi.

Sähkön varastoinnissa professori Jarmo Partanen näkee kaksi peruskysymystä kuten sähköenergiajärjestelmässä muutenkin; tehon ja energian määrä. – Tehoakuilla ja super-kondensaattoreilla voidaan nykyisin taloudellisesti kannattavasti rajoittaa tai aikaansaada lyhytaikaisia tehopiikkejä esimerkiksi liikenne- ja työkonekäytössä.

Partanen laskee akuissa varastoidun energiayksikön hinnaksi 10-12 snt/kWh, kun akkujen hinta on nykyisin 500-1000 €/kWh ja otetaan huomioon akkujen ikä, hyötysuhde, latauskerrat ja ympäristön lämpötila. – Tämä tarkoittaa käytännössä, että sähkön akkuvarastointi on taloudellisesti kannattavaa vain lyhytaikaisten huippujen leikkaukseen, selventää Partanen.

Partanen korostaa kuitenkin, että akkujen hintakehitys on ollut aleneva ja näin tullee tapahtumaan myös jatkossa. – Kun ja jos energiayksikön varastointikustannus saadaan puristettua tasolle 1-2 snt/kWh, niin akkuvarastoista tulee joka paikan tuotteita ja ne mullistavat energiamarkkinoita radikaalisti, ennakoi Partanen.

Sähkön suurvarastointiin soveltuvan akkuteknologian käyttöönotto vie aikaa

Entinen Akkuteollisuus Oy on nykyisin osa maailmanlaajuista EnerSys -konsernia, joka on energian varastointiratkaisuja kuten akkuja teollisiin sovelluksiin valmistava ja kehittävä yhtiö. EnerSys Europe Oy:n markkinointijohtaja Anssi Laitisen mukaan energian varastointi eri muodoissa tulee olemassa tärkeässä roolissa tulevaisuuden sähköverkkoliiketoiminnassa. Kehityskohteena on erilaisia teknologioita mukaan lukien sähkökemialliset menetelmät, kuten akut.

– Nykypäivän akkuteknologiat eivät ole taloudellisesti vielä kannattavia, jos tarvitaan säätövoimaa esimerkiksi sähköverkon vikatilanteissa, pitkäaikaisessa ja korkeatehoisessa energiantarpeessa, muistuttaa Laitinen.

Akkuteollisuuden mahdollisuuksien toimia säätövoiman tuottajana olemassa olevalla teknologialla arvioidaan olevan vielä ajallisesti kaukana. Kaupallisesti laajamittaiseen säätöön arvioidaan tarvittavan ainakin viidestä kymmeneen vuotta. Akkuteollisuudenkaan piirissä ei olla vielä vakuuttuneita siitä, että, onko akkuteknologia edes sopiva teknologia laajamittaisen säätösähkön varastointiin.

Laitinen näkeekin olemassa olevan akkuteknologian soveltuvan parhaiten tässä vaiheessa parhaiten lyhytaikaisena puskurivarastona tuuli- ja aurinkovoiman kaltaisessa vaihtelevan sähkön tuotannossa.

– Uusiutuvien energianlähteiden käyttöönotossa, käyttöhuippujen tasaamisessa sekä voimantuotannon laatuun ja luotettavuuteen liittyvissä ratkaisuissa aktiivista osaa näyttelevät akut voidaan nähdä varteenotettavana mahdollisuutena, kuvailee Laitinen.

On arvioitu, että akuilla voitaisiin hoitaa paikallisia kiinteistöjä ja kaupunginosia muutaman megawatin akkukonteilla. Tulevaisuudessa häiriötilanteita varten isoilla kiinteistöillä ja kaupunginosilla voisi olla sähkövarastokontteja ja keskustaajamissa integroituja sähköautojen akkuvarastoja, jotka toimivat varavoimana sähkön tuotannon häiriötilanteissa.

– Esimerkiksi sairaalan sähköntarve voitaisiin täyttää hybridiratkaisulla, jossa hyödynnettäisiin aurinko- ja tuulivoimaa, energian varastointia akkupankilla sekä sähköverkon virtaa. Kun tulevaisuudessa älykkään sähköverkon mallia kehitetään lisää, kaupunginosien asukkaiden sähköajoneuvot voitaisiin kytkeä tähän järjestelmään ja luoda näin huomattava varmuusvarasto ajoneuvojen ollessa poissa käytöstä vaikkapa yöaikaan, visioi Laitinen.

Sähkön varastointiteknologian kehitystyötä hidastaa Laitisen mukaan yhteisen eurooppalaisen tahtotilan ja standardisoinnin puute. – Energian varastoinnissa yhteiset standardit tekisivät tuotekehittelystä tehokkaampaa. Tämä voisi lisäksi nopeuttaa markkinoille tuotavien komponenttien ja tuotteiden hintojen laskua, sanoo Laitinen. Samalla on tärkeää muistaa, että energian varastointi on hyvin laaja käsite, ja se sisältää valtavan määrän ratkaisuja ja potentiaalisia käyttöalueita, mikä tekee standardoinnista haastavaa. Lisäksi maakohtaiset erot hankaloittavat yhteisymmärryksen löytämistä, muistuttaa Laitinen.

Monia teknologioita tutkimuksen kohteena

Satojen megawattien teholuokan varastointiin on kehitetty paineilman käyttöön perustuva CAES-varastointijärjestelmä (compressed air energy storage), jossa ilma paineistetaan ja varastoidaan lämpimänä esimerkiksi käytöstä poistettuun kaivokseen. Paineilmavarasto varastoi ilman pumppauksessa muodostuvaa lämpöä kaivoksen kivimassaan. CAES-varastoinnin heikkoutena pidetään sen huonoa hyötysuhdetta, kun lämpö häviää ilmaa puristettaessa kovempaan paineeseen.

Paineilma-akuissa on sama ongelma kuin kemiallisissa prosesseissa eli huono hyötysuhde, kommentoi Partanen. – Mutta jos sähköä saadaan rajattomasti, niin myös ne voivat olla myös ratkaisumalli tehotasapainon hoitamiseksi. Investointikustannukset määräävät tällöin niiden kilpailukyvyn.

Myös kallioperää voidaan käyttää energian varastointiin monilla tavoilla. – Energiantuotantoon käytettäviä polttoaineita, kuten öljyä, kaasuja ja lämpöenergiaa sellaisenaan on varastoitu maanpinnan alle jo kymmeniä vuosia, muistuttaa professori Mikael Rinne Aalto yliopistosta. – Kallioperän käyttö öljyn varastointiin on ollut suurta erityisesti pohjoismaissa, kuten myös lämmön varastointi kallioon porareikämenetelmällä. Paineilman ja maakaasun varastointi on maailmanlaajuisempaa, eikä menetelmiä ole käytetty niin paljon Suomessa, toteaa Rinne.

Sähkön muuttaminen erilaisiksi kemiallisiksi vedyn kaltaisiksi yhdisteiksi ja niiden muuttaminen takaisin sähköksi on yksi laajasti tutkimustyön alla oleva kysymys. – Nykyisin haasteena on prosessien huono hyötysuhde, mutta jos sähköä tulevaisuudessa voidaan tuottaa hyvin edullisesti ja lähes rajattomasti esimerkiksi aurinkopaneeleiden avulla, niin tällöin tällainen sähkön varastointimuoto voi olla taloudellinen ratkaisu tehotasapainon hoitamiseksi. Mutta ei siis vielä tänään, sanoo professori Jarmo Partanen.

Tutkija Veikko Kekkonen on samoilla linjoilla. Kehitteillä olevien sähkön varastointiteknologioiden taloudellista hyötysuhdetta Kekkonen pitää huonona, koska niihin sitoutuu suuria pääomia.

Tutkimustyötä on tehty myös sähkön varastointiin suprajohtavassa renkaassa SMES-varastoissa (superconductive energy storage). Sähkö kulkee suprajohteissa ilman vastusta. Kehitystyö on hidastunut, kun suprajohtavuus toimii vain erittäin kylmissä vähintään 160 celsius-asteen pakkasolosuhteissa. Jäähdyttäminen näin kylmiin olosuhteisiin vaatii paljon energiaa. Nyt tutkimuksen painopiste on löytää materiaalia, jossa suprajohtava varastointi toimisi lämpimimmissä olosuhteissa.

Suprajohtavien energiavarastojen Partanen sanoo olleen lupaavia jo vuosikymmenet. – Teknologinen läpimurto, joka pudottaisi kustannukset monta kertaluokkaa alemmaksi antaa edelleen kuitenkin odottaa itseään, muistuttaa Partanen.

Artikkelipalvelu / Markku Laukkanen

Lisätietoja:

Veikko Kekkonen, tutkija, veikko.kekkonen@vtt.fi

Jarmo Partanen, professori, jarmo.partanen@lut.fi

Mikael Rinne, professori, mikael.rinne@aalto.fi

Anssi Laitinen, markkinointijohtaja, anssi.laitinen@fi.enersys.com