Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Nestemäinen ilma varastoi vihreää sähköä

Kun aurinkoa ei näy eikä tuuli puhalla, sähköntuotantoon tarvitaan hiilivoimaa. Nyt britti-insinöörit ovat rakentaneet varaston, jossa uusiutuvien energianlähteiden tuottama ylijäämäenergia voidaan säilöä jääkylmään nestemäiseen ilmaan.

Staff Sgt. Jim Araos

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?

Jääkylmä ilma varastoi ylimääräisen sähkön

Highview Powerin laitoksen kaltaisten varastojen on määrä säilöä energia siihen asti, kun sitä tarvitaan sähköverkossa.

  • Vihreät energianlähteet tuottavat virtaa

    Kun uusiutuvaa energiaa tuottavien laitosten, kuten tuulivoimaloiden ja aurinkopaneelien, tuotanto on suurempi kuin kyseisen hetken tarve, ylimääräinen energia siirretään kylmäilmaenergiavarastoon eikä se siten mene hukkaan, kuten nykyään usein tapahtuu.

  • Energia varastoidaan ilmana

    Saadulla energialla jäähdytetään ilma 196 pakkasasteeseen, missä ilma muuttuu nestemäiseksi. Ilma varastoidaan kryotankkiin siksi aikaa, kun sitä taas tarvitaan virran tuottamiseen. Samalla jäähdytyksessä vapautuu lämpöä, joka säilötään, kunnes neste jälleen pitää muuttaa sähkövirraksi.

  • Laitos liitetään sähköverkkoon

    Kun sähköä taas tarvitaan, nestemäinen kylmä ilma lämmitetään jäähdytysprosessissa syntyneellä ylijäämälämmöllä. Se muodostaa ilmavirran, joka lähetetään turbiinin läpi. Turbiini tuottaa siinä yhteydessä sähköä, joka siirretään suoraan energiaverkkoon.

  • Ylijäämäenergia viilentää kylmähalleja

    Nestemäistä ilmaa voidaan käyttää paitsi sähkön tuottamiseen myös elintarvikkeiden säilytykseen. Kylmähallit voidaan liittää energiavarastoihin niin, että jäähdytetty ilma voi kiertää halleissa ja siten osaltaan kylmentää niitä, ennen kuin ilma jälleen lämmitetään virran tuottamiseksi.

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

© Lasse Alexander Lund-Andersen

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.

© Shutterstock

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.

Lue myös:

Aurinkokennot

Käänteinen aurinkopaneeli tuottaa sähköä yöllä

8 minuuttia
Energia

Fuusioreaktori valmistuu ehkä jo vuonna 2030

3 minuuttia
Energia

Fyysikot rakentavat fuusioreaktoria: Tavoitteena loppumattomasti vihreää energiaa

12 minuuttia

Kirjaudu sisään

Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
Näytä Piilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!

Nollaa salasana

Syötä sähköpostiosoitteesi, niin saat ohjeet salasanasi nollaamiseksi.
Tarkista sähköpostiosoite

Tarkista sähköpostisi

Olemme lähettäneet sinulle sähköpostia osoitteeseen . Siinä on ohjeet, joiden avulla voit nollata salasanasi. Jos et ole saanut sähköpostia, tarkista, että se ei ole joutunut roskapostin joukkoon.

Anna uusi salasana.

Nyt sinun pitää antaa uusi salana. Salasanassa pitää olla vähintään 6 merkkiä. Kun olet luonut uuden sanasanan, sinua pyydetään kirjautumaan sisään palveluun.

Salasana vaaditaan
Näytä Piilota