Tulevaisuuden akku perustuu painovoimaan

Painovoima saa kaikki massalliset kappaleet vetämään toisiaan puoleensa ja varmistaa näin, että jalat pysyvät maassa.

Seuraavaksi painovoima auttaa varastoimaan energiaa.

Ajatuksen takana on Energy Vault -niminen yritys, jolla on selvä käsitys toimintatavasta. Painovoima valjastetaan ottamaan talteen esimerkiksi tuulisähköä, jolle ei ole juuri sillä hetkellä käyttöä.

Energy Vault on rakentanut Bellinzonaan Sveitsiin kuusipuomisen torninosturin, joka kohoaa 70 metrin korkeuteen.

Nosturi ja sen nostamat 35 tonnin painoiset betoniharkot eivät tuo ensimmäisenä mieleen akkua, mutta nimenomaan energiavarastosta on kyse.

Nosturi nimittäin varastoi ylijäämäsähköä nostamalla betoniharkkoja pinoksi. Ja varastoa voidaan hyödyntää silloin, kun sähköä kulutetaan niin paljon, että sen riittävyys on uhattuna.

Eikä tämä ole suinkaan ainoa tapa, jolla painovoima tukee vihreää siirtymää. Myös syvät kaivot ja kokonaiset järvet voivat säilyttää ylimääräistä energiaa.

Sähköä pahan päivän varalle

Painovoimaan perustuva akku vastaa hyvin ajan henkeä. Ilmastosyistä kestävien energiaratkaisujen, kuten aurinko- ja tuulivoiman, toivotaan korvaavan esimerkiksi kivihiilellä tuotettua sähköä.

Aurinko- ja tuulivoimaan siirtyminen ei ole kuitenkaan ongelmatonta.

Kun on tyyntä eikä aurinko paista, sähköä on vaikea tuottaa riittävästi jakeluverkkoon. Voi myös syntyä päinvastainen tilanne, jossa aurinko- tai tuulivoimaa on tarjolla paljon enemmän kuin sitä juuri silloin tarvitaan.

Greenpeacen arvion mukaan esimerkiksi Kiinassa hukattiin peräti 17 prosenttia vihreästä sähköstä vuonna 2016. Määrä vastaa noin 20 miljoonan kotitalouden kulutusta.

Tanskassa, jossa tuulivoimalla katetaan jokseenkin puolet sähkönkulutuksesta, joudutaan turvautumaan ajoittain kivihiileen tarpeen tyydyttämiseksi.

Sveitsiläisen kuusipuomisen nosturin kaltaiset energiavarastot ovat siksi välttämättömiä, kun halutaan varastoida ylijäämäsähköä säätövoimaksi, jolla tuotanto saadaan vastaamaan kulutusta. Samalla estetään vihreän sähkön haaskaantuminen.

Liikkuvat painot varastoivat energiaa

CDU- eli Commercial Demonstration Unit -niminen nosturi sai loppusilauksen vuonna 2021, ja nyt se voidaan ottaa kaupalliseen käyttöön.

”Järjestelmäämme voidaan käyttää siellä, missä on mahdollista liittyä sähköverkkoon. Varastointi tapahtuu nostamalla harkot esimerkiksi tuuli- tai aurinkovoimaloiden ylijäämäsähköllä ja purku laskemalla harkot silloin, kun sähköä tarvitaan”, selittää Energy Vaultin toimitusjohtaja Robert Piconi Tieteen Kuvalehdelle.

Toiminta perustuu siihen, että kappaleen nostaminen maasta vaatii energiaa. Nosturin moottorit, jotka vetävät teräsvaijereihin kiinnitetyt betoniharkot ylös, voivat käydä esimerkiksi ylimääräisellä tuulisähköllä.

Kun säätövoimasta on pulaa, nosturi antaa betoniharkkojen vajota hitaasti alas. Liike pyörittää sähkögeneraattoria. Samaa periaatetta hyödynnetään muun muassa kellossa, jonka koneiston pitää käynnissä vähitellen laskeutuva punnus.

Se energia, jolla nosturi nosti harkot ylös, palautuu siten käyttöön – enimmäkseen. Järjestelmällä ei päästä 100 prosentin hyötysuhteeseen.

Akut syttymisherkkiä

CDU:n viimeistellyllä versiolla on Energy Vaultin omien laskelmien mukaan mahdollista saavuttaa yli 75 prosentin varaushyötysuhde. Se tarkoittaa, että varastoinnista huolimatta alkuperäisestä energiamäärästä menetetään melko pieni osa.

Häviötä syntyy noin 25 prosentin verran resistanssin eli sähköisen vastuksen takia ja moottoreiden ja liikkuvien osien lämpenemisenä.

Vertailun vuoksi mainittakoon, että litiumioniakkujen varaushyötysuhde on noin 90 prosenttia. Ne kuitenkin menettävät varauskykyään jokaisella lataus- ja purkukerralla, ja ero painovoimalaitokseen pienenee jatkuvasti.

Lisäksi litiumioniakuissa piilee palovaara. Tältä osin painovoimalaitokset ovat paljon turvallisempia.

Sveitsin Alpeille pystytetty nosturi ei ole suinkaan ainoa painovoimaa hyödyntävä energiavarasto.

Yleisin painovoimalaitosmalli on vesipumppuvoimalaitos. Sen toiminta perustuu veden pumppaamiseen ylimääräisellä sähköllä ala-altaasta yläaltaaseen.

Kun säätövoimalle tulee tarvetta, veden annetaan virrata alas ja pyörittää turbiinia, joka käyttää sähkögeneraattoria.

Energiavarastolla on kaksi puutetta.

Ensinnäkin altaat vaativat paljon tilaa, ja toiseksi pumppuvoimalaitos voidaan perustaa vain paikkaan, jossa korkeusero on riittävä.

Energy Vaultin nosturi ratkaisee korkeusero-ongelman ja sopii käytettäväksi vaikkapa tasangolla.

Painot paikallisista aineista

Sen lisäksi, että kuusipuominen nosturi varastoi vihreää energiaa, se kuormittaa suhteellisen vähän ilmastoa. Esimerkiksi 35 tonnia painavat harkot valmistetaan betoniseoksesta, joka sisältää normaalisti kaatopaikalle päätyviä aineksia.

Harkkoihin voidaan käyttää muun muassa tuhkaa, rakennusjätettä tai käytöstä poistetujen tuulivoimaloiden yhdistelmämateriaalia.

Energy Vault on suunnitellut nosturin rinnalle koneen, joka tekee harkkoja erilaisista seoksista. Betonin runkoaineeksi tarvittavat kiviainekset on tarkoitus hankkia aina lähialueelta kuljetusten aiheuttamien hiilidioksidipäästöjen pienentämiseksi.

Nosturin toiminnan kannalta vaativimpia tehtäviä on ollut harkkojen valmistuksen ja varastoinnin automatisoiminen.

Käyttökustannusten minimoiminen on tärkeää, ja kuluja leikkaa tehokkaimmin se, että painovoima-akku latautuu ja purkautuu omin avuin – siis ilman työntekijöitä.

Itsenäistä toimintaa tukee muun muassa se, että harkkoihin kiinnittyvät tartuntaelimet ovat oppivan tekoälyn ohjauksessa. Jokainen siirtokerta parantaa järjestelmän kykyä pinota harkkoja.

Lisäksi tietokone säätää harkkojen siiirtoliikettä ja estää äkkipysähdykset. Jos nopeus pienenee liian nopeasti, on olemassa vaara, että nosturi joutuu sen vakautta uhkaavaan heiluriliikkeeseen.

Aurinkovoimaa aavikolta

Energy Vaultin mukaan on mahdollista korvata kolmen gigawatin hiilivoimala, joka tyydyttää kahden miljoonan kotitalouden sähköntarpeen, aurinkovoimapuistolla ja siihen liittyvällä painovoimavarastolla jo vuonna 2023.

Esimerkiksi ilmastoltaan kuumaan ja aurinkoiseen Dubaihin yritys aikoo rakentaa EVx-nimisen energiavaraston, jonka kapasiteetti on 30 kertaa niin suuri kuin Sveitsissä toimivan kuusipuomisen koemallin. Siten sillä voidaan turvata vuorokauden ajan 180 000 kotitalouden sähkönsaanti.

EVx sopisi maailman suurimman yksityisen – Muhammad ibn Rašid Al Maktumin – aurinkovoimapuiston energiavarastoksi.

Energy Vault ei ole suinkaan ainoa painovoimaenergiavarastoja kehittävä yritys.

Kilpailijoihin kuuluu Gravity Power, joka on suunnannut katseensa taivaan sijasta maahan. Sen ratkaisussa valtava mäntä upotetaan kaivoon, jossa on vettä.

Kun ylijäämäsähköä on tarjolla, sillä käytetään pumppua, joka nostaa männän yläasentoon. Kun sähköä tarvitaan lisää, mäntä laskeutuu hitaasti ja painaa vettä sähkögeneraattoria pyörittävän turbiinin läpi.

Gravitricity-nimisen yrityksen vaihtoehto perustuu siihen, että jopa 12 000 tonnia painavaa painoa liikutetaan edestakaisin kaivon kuilussa. Yhtiön mukaan varaushyötysuhde on 80–90 prosenttia.

Erilaisia painovoimaenergiavarastoja yhdistää se, että niiden perustaminen ja sähköverkkoon liittäminen on kallista. Koska niiden käyttöikä on kuitenkin ehkä jopa noin 50 vuotta, ne voivat olla taloudellisesti kannattavia.

Painovoimasta voi siten tulla edullinen, ympäristöystävällinen ja turvallinen vaihtoehto akuille.