Kun tulet töistä ja kytket päälle valon, television ja uunin, aurinko on laskemassa eivätkä aurinkopaneelit toimi. Jos samalla on tyyntä ja tuulivoimalatkin seisovat, vain hiili- tai ydinvoima tuottaa virtaa pistorasiaan.
Vihreän, uusiutuvan energian huono puoli onkin juuri tuotannon epävakaus. Kun aurinko on laskenut eikä tuuli puhalla, joudutaan usein turvautumaan hiilen ja öljyn kaltaisiin energianlähteisiin. Toisina hetkinä taas aurinko ja tuuli tuottavat enemmän energiaa kuin kuluttajat tarvitsevat, ja siksi kaivataan menetelmiä, joilla ylijäämäenergia voidaan varastoida.
Tähän mennessä ei ole onnistuttu suunnittelemaan energiavarastoa, joka voitaisiin rakentaa minne tahansa kohtuuhintaan, joka säilöisi suuret määrät energiaa ja joka ei saastuttaisi lainkaan. Manchesterin lähelle tehtiin kuitenkin viime vuonna laitos, jonka toiminta perustuu ilmaan ja joka pystyy kilpailemaan esimerkiksi litiumioniakkujen kanssa. Highview Power -energiayhtiö esitteli maailman ensimmäisen kylmäilmaenergiavaraston – ja samalla mahdollisen ratkaisun vihreän vallankumouksen suurimpaan haasteeseen: mitä tehdä energialla, jota ei tarvita juuri nyt?
Vihreä kumous tuo haasteita
Energiaa ei aina tarvita samassa tahdissa tuotannon kanssa. Esimerkiksi aurinkokennot tuottavat enemmän virtaa päiväsaikaan, kun taas kulutus on huipussaan illalla perheiden laittaessa ruokaa ja katsoessa televisiota. Jos kulutus on keskipäivällä vaikkapa vähän yli 50 GW, illalla se on lähes 60 GW. Jos tuulivoiman tuotanto on vähäistä ja aurinko on jo laskemassa, joudutaan turvautumaan hiilivoimaan, jonka tuotantoa voidaan säädellä aina tilanteen mukaan.
Ratkaisu on sähköjärjestelmään rakennettava energiasäiliö, jossa voidaan varastoida energiaa sekä lyhytaikaisesti päivän tunneista iltaan, kun uunit ja valaistus kytketään päälle, että myös pitkäaikaisesti säilömällä valoisan kesän ylijäämäenergiaa pimeää ja kylmää talvea varten.
Ylijäämäenergia jäähdyttää ilmaa
Aiemmin ei ole onnistuttu kehittämään energiavarastoa, jossa ei olisi merkittäviä rajoitteita.
Pumppuvoimalaitoksissa pumpataan ylijäämäenergialla vettä ylhäällä sijaitseviin altaisiin, ja kun sähköä tarvitaan, vesi lasketaan turbiinin läpi. Tekniikka edellyttää kuitenkin maastoa, jossa on suuret korkeuserot. Toinen vaihtoehto ovat virtausakut, jotka muuttavat sähköisesti varautuneiden kemikaalien kemiallista energiaa sähkövirraksi.
Viime vuosina on kehitetty valtavia litiumioniakkuja, jotka voivat varastoida suuria energiamääriä. Niiden valmistus edellyttää saastuttavaa kaivostoimintaa, ja ne sisältävät ympäristölle haitallisia aineita, minkä vuoksi akkujen kierrätys on vaikeaa. Ja akkujen käyttöikä on vain kymmenisen vuotta.
Kun ilmaa puristetaan kokoon ja jäähdytetään nestemäiseksi vihreällä ylijäämäenergialla, ilman tilavuus kutistuu seitsemässadasosaan. Tämä on suuri etu, koska näin saadaan pieneen tilaan mahtumaan paljon energiaa. Pumppuvoimalaitoksissa pumpataan ylijäämäenergialla vettä alhaalta korkeammalla sijaitsevaan altaaseen ja kun sähköä taas tarvitaan, vesi päästetään virtaamaan sähköä tuottavien turbiinien läpi. Menetelmän huono puoli on se, että vesi vie tilaa yli 300-kertaisesti nestemäiseen ilmaan verrattuna. Virtausakut menettävät nopeasti tehonsa, ja litiumioniakut, jotka tosin ovat paljon kylmäilmavarastoja tehokkaampia, kestävät käytössä huomattavasti lyhyemmän ajan ja ne ovat riippuvaisia saastuttavasta kaivostoiminnasta.
1. Lämpövarasto, jossa esim. öljyä
2. Virtausakku
3. Kylmäilmavarasto
4. Litiumioniakku
Kylmäilmavarastoja sen sijaan voidaan rakentaa kaikkialle eivätkä ne tarvitse muuta kuin ilmaa. Lisäksi niiden arvioitu käyttöikä on 30–40 vuotta ja ne rakennetaan teräksestä, joka voidaan helposti kierrättää.
Akku hyödyntää ympäröivää ilmaa
Kun happi jäähdytetään –196 asteeseen, se muuttuu nestemäiseksi. Juuri tätä ilmiötä Highview Power on hyödyntänyt kylmäilmavaraston luomisessa. Siinä ilma jäähdytetään tuulivoimaloista tai aurinkokennoista saatavalla energialla ja varastoidaan eristettyihin terässäiliöihin, jotka toimivat kuin termospullot.
Kun sähköä taas tarvitaan, jääkylmä nestemäinen ilma päästetään säiliöistä, paineistetaan ja lämmitetään vihreällä energialla. Lämmitys muuttaa nesteen ilmavirraksi, joka laajenee 700-kertaiseksi ja pyörittää sähköä tuottavaa turbiinia.
Tarpeeksi suuren energiatehokkuuden saavuttamiseksi järjestelmässä kierrätetään sekä lämpöä että kylmyyttä. Kun ilma jäähdytetään –196-asteiseksi nesteeksi, vapautuu lämpöä, samoin kuin käytössä oleva pakastin säteilee lämpöä.
Highview Powerin koelaitoksessa ylijäämälämpö varastoidaan ja käytetään jääkylmän nestemäisen ilman lämmittämiseen, kun jälleen on tarkoitus tuottaa sähköä. Ja kun ultrakylmä neste sähköä tuotettaessa laajenee ilmaksi, vapautuu kylmyyttä, jota taas käytetään uudelleen seuraavassa jäähdytysvaiheessa.
Elintarvikkeiden pakastaminen
Ilmavaraston energiaa voidaan hyödyntää paitsi sähkön tuottamisessa myös elintarvikkeiden jäähdyttämisessä. Laitos voidaan nimittäin kytkeä jatkuvasti paljon jäähdytysenergiaa vaativiin pakkasvarastoihin.
Pakaste- ja kylmävarastot vaativat paljon energiaa jäähdytykseen. Kustannukset laskevat, kun jäähdytyksessä voidaan käyttää myös nestemäistä ilmaa.
Elintarvikkeiden pakastaminen vie valtavasti energiaa. EU:ssa 70 prosenttia ruoasta jäähdytetään tai pakastetaan. Etenkin suuret pakastevarastot, joiden energiantarve on 500 kW – 10 MW, voidaan hyvin yhdistää kylmäilmaenergiasäiliöihin.
Yhteiseurooppalainen tutkimushanke CryoHub aikoo tänä vuonna perustaa nestemäistä ilmaa varastoivan laitoksen pakastevaraston viereen Lommelissa Belgiassa. Aluksi rakennetaan pieni 100 kilowatin laitos, mutta tulevaisuudessa ehkä paljon suurempi.
Kylmäilmaenergian ja pakastevarastojen yhdistelmä voi saavuttaa 70–80 prosentin energiatehokkuuden, kun se Highview Powerin laitoksella on noin 60–70 prosenttia, koska energian säilömisestä ylijäävä kylmyys hyödynnetään tehokkaasti pakastevarastossa.
CryoHub on kartoittanut suurten pakastevarastojen jakautumista EU:n alueella. Valtaosa niistä sijaitsee tiheästi asutuilla alueilla Euroopan luoteisrannikoilla, eli juuri alueilla, joilla tulevaisuuden suuret tuulivoimapuistot ajoittain kovalla tuulella lähettävät maihin suuria määriä ylijäämäenergiaa.
Uusi menetelmä toimii
Highview Power on kylmäilmaenergiavarastollaan osoittanut teknologian toimivan. Seuraavina vuosina yritys aikoo laajentaa ja avata jo vuonna 2022 uuden laitoksen, joka voi tuottaa 50 000 kotitaloudelle sähkön kolmeksi tunniksi. Nykyisellä laitoksella Manchesterin lähellä vastaava luku on vain 5 000.
Näin on saatu jälleen uusi energianvarastointiteknologia ratkaisuksi vihreän vallankumouksen suurimpaan ongelmaan.
Kun tulevaisuudessa tulet töistä kotiin pimeänä ja tyynenä päivänä, lamput ja televisio toimivatkin sähkövirralla, joka on lähtöisin jäähdytetystä ilmasta.
Tutkijat selittävät itse energian varastointia
Katso, miten kylmäilmavaraston kehittäneet tutkijat selittävät ideaansa.