Kuva: Polar Night Energyn Project Manager Liisa Naskali ja CTO Markku Ylönen sekä Ilmattaren Project Developer Samuel Heino ja New Business Development Manager Katja Koponen IImattaren Humppila-Urjala -tuulipuistossa
Hiekka-akku on korkean lämpötilan lämpöenergiavarasto, jossa käytetään hiekkaa tai hiekan kaltaisia materiaaleja lämmön varastointiaineena. Polar Night Energy ja Ilmatar ovat kehittämässä teknologiaa, jossa hiekka-akkujen avulla on mahdollista optimoida tuulivoiman tuotantoa varastoimalla tuotettua sähköä lämpönä siten, että lämpö voidaan muuttaa uudelleen sähköksi.
Tuulivoiman vaihtelevuus aiheuttaa ajoittain haasteita sähköverkolle. Joustavan energiajärjestelmän kehittäminen onkin kaikkien alalla toimivien etu ja se tuo varmuutta myös vakaata sähköntuotantoa tarvitseville investointipäätöksille. Hiekka-akkujen teknologian ja kokoluokan kehitys voivat olla yksi ratkaisu, joka varmistaa, että puhtaan energian alijäämätuotannosta on mahdollisuus saada hyötyä monestakin näkökulmasta.
Hiekka-akuista syötetään sähkö markkinoille hetkinä, jolloin tuotantoa ei ole tai tuotantoteho on alhainen. Sähköä taas varastoidaan niinä hetkinä, kun tuotanto on huipussaan. Näin siirtoverkko ei ylikuormitu piikkituotantohetkinä ja uusiutuvan sähkön saatavuus erilaisissa sääolosuhteissa tasaantuu.
”Viikosta kymmeneen päivään kestävä varasto olisi tähtäimessä, jotta voimme optimoida ulospäin menevää tuulivoiman sähköntuotantoa. Se olisi kustannustehokas tapa. Tuulivoiman kannalta mahdollisuus energian varastointiin pitkällä aikavälillä sähköstä lämmöksi ja takaisin sähköksi on tässä se kehitettävä teknologia,” Polar Night Energyn teknologiajohtaja Markku Ylönen sanoo.
Lämpö voidaan muuntaa takaisin sähköksi esimerkiksi höyryturbiinilla. Ilmatar osallistuu uuden järjestelmän kehitykseen ja tarjoaa Polar Night Energylle pilotointikohteita tuotantopuistoissaan siinä vaiheessa, kun teknologia on saatu koeponnistusvaiheeseen.
”Uusiutuvan energian tuotanto on saavuttamassa Suomessa pisteen, jossa tuotannon voimakkaan ja nopean kasvun myötä on alettava aktiivisesti löytämään skaalautuvia ratkaisuja tuotetun energian kustannustehokkaaseen varastointiin. On sekä energiatuottajien että -kuluttajien etu, että voimakkaasti vaihteleva sähkön hinta saadaan tasaantumaan. Näin luodaan ennakoitavuutta sekä uusiutuvan energian toimialalle että sähkön kuluttajille”, Ilmattaren liiketoimintojen kehitysjohtaja Katja Koponen sanoo.
Teknologiakehitysprojektin aikana tehdään myös markkinatutkimusta ja selvitetään millainen suorituskyky energiavarastolla tulee olla, jotta se soveltuu ihanteellisesti tuulivoiman tarpeisiin.
”Tällä hetkellä teemme rekrytointeja ja kun hanke lähtee liikkeelle, tutkimme millä tavalla muokkaamme olemassa olevaa perusteknologiaa. Teemme muutoksia, jotta voisimme tuottaa paineistettua höyryä turbiinille, jolla puolestaan saadaan lämpö takaisin sähköksi mahdollisimman taloudellisesti”, Ylönen kertoo.
Hiekka-akku ladataan sähköverkosta saatavalla sähköllä tai paikallisella tuotannolla, kuten tuulivoimalla. Akusto ladataan silloin, kun sähköä on runsaasti saatavilla. Sähköenergia siirretään lämpövarastoon suljetun ilmaputki-ilmakierron avulla. Ilma lämmitetään sähkövastuksilla ja kierrätetään lämmönsiirtoputkistossa.
Fyysisesti varasto on teräskotelosta valmistettu ja eristetty siilo, joka on täytetty hiekalla ja lämmönsiirtoputkilla. Lisäksi teknologiaan tarvitaan automaatiokomponentteja, venttiileitä, puhallin ja lämmönvaihdin tai höyrygeneraattori.
Polar Night Energyn nykyisillä energiavarastoilla päästään noin 550 lämpöasteeseen, jota voidaan hyödyntää kaukolämpöverkossa tai teollisuuden tarpeissa. Sähköntuotannossa pyritään 800-900 asteeseen. Polar Night Energyn ensimmäinen kaupalliseen tuotantoon tehty hiekka-akku sijaitsee Kankaanpäässä ja se on liitetty Vatajankosken kaukolämpöverkkoon. Käytännössä hiekkapohjaisen lämpövaraston maksimilämpötilaa eivät rajoita varastoinnissa käytettävän väliaineen ominaisuudet, vaan varaston rakentamisessa ja ohjauksessa käytettyjen materiaalien lämmönkestävyys.
Myös teollisuuden jäteainekset hyötykäyttöön
Oleellista on, että energiavarastot sijaitsisivat tuulipuiston alueella, jolloin ne ovat myös ympäristön ja yhteiskunnan kannalta kestäviä sekä taloudellisesti kannattavia. Hiekan kaltaiset aineet ovat materiaalina myös taloudellisia. Niitä voidaan lämmittää huomattavasti veden kiehumispistettä korkeampiin lämpötiloihin. Hiekkapohjaisiin lämpövarastoihin voidaan sijoittaa moninkertainen määrä energiaa verrattuna samankokoiseen vesisäiliöön, mikä johtuu hiekan sallimasta suuresta lämpötila-alueesta.
”Tarkoituksena on, ettei lämmön varastointiainesta tarvitsisi kuljetella pitkiä matkoja vaan sitä saataisiin läheltä, suoraan paikalliselta alueelta. Hyödynnämme pelkän hiekan lisäksi materiaaleja,
jotka eivät sovellu muuhun käyttöön, kuten esimerkiksi kaivosteollisuuden sivuvirrat. Hiekka-akun sisältö voi siis olla muutakin kuin hienoa hiekkaa”, Polar Night Energyn Data Scientist Terhi Moisala sanoo.
”Energian varastointi on tuottajille kannattavaa. Tuulivoiman tuottajathan joutuvat etukäteen määräämään taseensa ja jos ennuste onkin väärä, siitä syntyy kuluja”, Moisala jatkaa.
Kehittämistarvetta riittää, mutta myös uskoa ja tahtoa
Projektin edessä olevia tutkimuksellisia haasteita on saada selville parhaat hyötysuhteet, kuten kiven lämpötekniset ominaisuudet, varaston lämmönkestokyky ja miten näitä saadaan nostettua esimerkiksi rakennusteknisesti.
Normaalikäytössä lämpövaraston hyötysuhde on noin 85 prosenttia eli vain noin 15 prosenttia varastoidusta lämmöstä karkaa lämpöhukkana. Hukat ovat matalat, koska hiekka johtaa huonosti lämpöä ja korkeimmat lämpötilat löytyvät hiekka-akun keskiosista.
Nyt Ilmattaren kanssa yhteistyössä kehitettävän sähköntuotantoratkaisun hyötysuhde tulee olemaan 30 prosentin luokkaa; lopullinen vastaus saadaan tutkimusprojektin tuloksena. Mikäli turbiinilta tuleva kuuma ilma voidaan ottaa hyötykäyttöön esimerkiksi kaukolämpönä, kokonaishyötysuhdetta voidaan kasvattaa merkittävästi.
”Kyllä tässä kehittämistarvetta on, mutta energian välivarastointia todella tarvitaan ja myös halutaan tehdä. Metallien valmistusprosessit ja niistä syntyvien kuona-aineiden hyödyntäminen varastointimateriaalina voisi olla kiinnostava tutkimuskohde. Ylipäätään tiheitä aineksia, joilla on sopiva raekokojakauma, on tutkittava lisää. Hiekalle on varmasti olemassa myös monia uusia vaihtoehtoja”, Markku Ylönen toteaa.
”Pieni apu varastointiin on jo nyt markkinoilla olevat litiumakut, mutta ne ovat kalliita ratkaisuja ja niiden kapasiteetti on auttamatta pieni verrattuna tuulivoimalan huipputehoon. Pumppuvoimalat ovat tällä hetkellä ainoa relevantti vaihtoehto, mutta niitä ei voi tehdä joka paikkaan”.
Kristallipallosta katsottavaksi ja alalla pohdittavaksi vielä jää, olisiko hiekka-akuista apua laajemminkin sähköverkon välivarastoina, jolloin siirtoverkko ei ylikuormittuisi. Millä tavoin valtio voisi toimillaan vauhdittaa energiavarastojen kehitystä? Ainakin tuulivoiman hyväksyttävyyteen sillä voisi olla vaikutusta.
Mikä hiekka-akku?
HIEKKA-AKKU on korkean lämpötilan lämpöenergiavarasto, jossa käytetään hiekkaa tai hiekan kaltaisia materiaaleja varastointivälineenä. Hiekka-akku varastoi energian hiekkaan lämpönä uudelleen käyttöä varten. Sen päätarkoitus on toimia suuritehoisena varastona ylimääräiselle
energiantuotannolle, kuten tuuli- ja aurinkoenergialle.