Uusiutuvan energian varastointijärjestelmistä virtaa tulevaisuuteen

Vuonna 2020 uusiutuvien energialähteiden osuus sähkön kokonaiskulutuksesta EU:ssa oli 37,5 prosenttia. Kasvua oli tapahtunut edellisen vuoden 34,1 prosentista, ja tuuli- ja vesivoiman osuus uusiutuvista energialähteistä tuotetun sähkön kokonaismäärästä oli yli kaksi kolmasosaa. Vuonna 2020 edelläkävijä Euroopassa oli Ruotsi, jossa 60 prosenttia energiasta oli peräisin uusiutuvista lähteistä. Seuraavina tulivat Suomi (43,8 prosenttia), Latvia (42,1 prosenttia) ja Itävalta (36,5 prosenttia).

EDF:n mukaan tällä hetkellä 26 prosenttia maailman sähköstä tuotetaan uusiutuvista energialähteistä, ja osuuden odotetaan kasvavan 30 prosenttiin vuoteen 2024 mennessä. Kansainvälisen energiaviraston (IEA) kesäkuussa 2022 julkaiseman raportin mukaan energiaan tehtävät investoinnit kasvavat vuonna 2022 koko maailmassa 8 prosenttia 2,4 biljoonaan dollariin, ja kasvu on peräisin pääasiassa vihreästä energiasta.

Mitä uusiutuva energia tarkalleen ottaen on? Pohjimmiltaan kyseessä on energia, joka on kestävää. Puhdasta, edullista ja luotettavaa energiaa, joka ei koskaan pääse loppumaan, toisin kuin kestämätön energia, kuten fossiiliset polttoaineet, erityisesti teollisuusvallankumouksen polttoaineena käytetty hiili.

Uusiutuvan energian tärkeimmät tyypit ovat aurinko, tuuli, vesivoima, vuorovesi, maalämpö ja biomassa. Muita tyyppejä ovat meren lämpöenergia ja biokaasu. EDF:n mukaan maanpinnan yhdessä tunnissa saavuttavan aurinkoenergian määrä on enemmän kuin maapallon koko vuoden energiantarve. Tämä kuulostaa ihanteelliselta ratkaisulta. Se, kuinka paljon aurinkoenergiaa pystytään varastoimaan ja käyttämään, riippuu kuitenkin erittäin paljon säästä ja vuorokaudenajasta. Tuulisella säällä tuuli on erinomainen uusiutuvan energian lähde, ja tuulivoimaloita rakennetaan yhä enemmän. Tuulivoimalat edellyttävät kuitenkin valtavia tuuliturbiineja, joita monet pitävät visuaalisena haittana, vaikka ne olisi sijoitettu kauas merelle. Lisäksi monet asiantuntijat varoittavat tuuliturbiinien hiilijalanjäljestä ja käyttökustannuksista. Tuulienergian varastointijärjestelmiä rajoittaa tietysti myös kerralla esiintyvän tuulen määrä.

Kehityksen kannalta edistynein uusiutuvan energian lähde on vesivoima. Sitä varten on rakennettava patoja ja esteitä sekä suuri säiliö, jonka avulla tuotetaan turbiinia ohjaava hallittu veden virtaus. Vesivoima ei ole säästä riippuvaista, mutta se edellyttää suuria rakenteita ja kookkaita altaita.

Vuorovesienergia on samanlaista kuin vesivoima, mutta se tuottaa kaksi kertaa päivässä luonnollisen vuorovesivirtauksen, jota käytetään turbiinigeneraattoreiden ohjaamiseen. Tämä tarkoittaa, että energialähde ei ole jatkuva, mutta se on ainakin ennustettavissa. Maalämpöenergia hyödyntää maanpinnan alla olevaa luonnollista lämpöä, jota voidaan käyttää sähkön tuottamiseen tai asuntojen lämmittämiseen. Sen saatavuutta ei kuitenkaan voida taata, ja esimerkiksi Islanti tuottaa tällaista energiaa paljon enemmän kuin Iso-Britannia. Biomassaenergia edellyttää orgaanisten materiaalien polttamista sähkön tuottamiseksi. Tätä lähestymistapaa ei ole otettu yhtä laajasti käyttöön kuin muita, mutta sillä on merkittäviä etuja ympäristön ja kokonaiskustannusten kannalta, koska se muuntaa maatalous-, teollisuus- ja kotitalousjätteen kiinteäksi, nestemäiseksi ja kaasumaiseksi polttoaineeksi.

Vaikka kaikilla edellä mainituilla vaihtoehdoilla on etunsa ja haittansa, uusiutuvan energian varastointi on ollut suurin haaste näiden vaihtoehtoisten energialähteiden täysimääräiselle hyödyntämiselle. Uusiutuvan energian varastointitekniikka pääsee oikeuksiinsa, kun pystytään tarjoamaan kustannustehokas tapa ottaa uusiutuvaa energiaa talteen ja vapauttaa sitä tarvittaessa. 

Uusiutuvan energian varastointiratkaisuja on pääasiassa neljää tyyppiä: pumppuvoimalaitos, lämpöenergian varastointi, mekaanisen energian varastointi ja akkupohjaiset energian varastointijärjestelmät.

Vettä pumpataan ylöspäin, varastoidaan säiliössä ja vapautetaan turbiinien kautta. IEA:n uusiutuvia energialähteitä koskevan raportin mukaan yli 50 prosenttia Euroopan uudesta vesivoimasta on vuonna 2025 peräisin pumppuvoimalaitoksista, erityisesti Sveitsissä, Portugalissa ja Itävallassa. Sama koskee myös Kiinaa suunnilleen vuosien 2023–2025 välillä.

Yleensä uusiutuvista lähteistä tai hukkalämmöstä peräisin olevaa ylimääräistä energiaa varastoidaan myöhempää käyttöä varten. Vesi, hiekka ja kivet voivat varastoida lämpöenergiaa. International Renewable Energy Agency arvioi, että varastoidun lämpöenergian määrä voi saavuttaa 800 gigawattituntia (GWh) asennetusta kapasiteetista vuoteen 2030 mennessä.

Sähkön varastoimiseen käytetään painovoimaa tai liikettä (kuten vauhtipyörää). Mekaanisen energian varastointi voi sisältää myös paineilma- tai kaasuenergian varastoinnin, jolloin paineilmaa tai kaasua lämmitetään ja laajennetaan turbiinin avulla.

On laajasti tunnustettua, että tehokkain tapa varastoida ja toimittaa uusiutuvista lähteistä peräisin olevaa energiaa on käyttää akkupohjaisia uusiutuvan energian varastointijärjestelmiä. Mitä enemmän uusiutuvaa energiaa varastoidaan akkuihin, sitä vähemmän perinteisiä virtalähteitä tarvitaan.

Atlas Copcon energian varastointijärjestelmät ovat hiljaisia ja niiden huoltotarve on vähäinen, joten ne soveltuvat erinomaisesti etäisten kohteiden tai kaupunkirakentamisen televiestintätarpeisiin. Hybridivarastointijärjestelminä ne sopivat täydellisesti tasoittamaan käyttöhuippuja ja alhaisia kuormia. Näiden uusiutuvan energian varastointijärjestelmien ansiosta käyttäjät voivat pienentää polttoaineenkulutusta ja kasvihuonekaasupäästöjä, sillä ne voivat varastoida 46–535 kWh uusiutuvaa energiaa ja toimittaa virtaa yli 12 tunniksi yhdellä latauksella.

Tehokkaimmat järjestelmät uusiutuvan energian varastointiin perustuvat ladattaviin litiumioniakkuihin. Nämä kevyet mutta tehokkaat akut ovat nykyään ensisijainen vaihtoehto monista syistä eikä vähiten siksi, että 1 kg:n litiumioniakku pystyy varastoimaan 150 wattituntia kilogrammaa kohti (Wh/kg). Nikkelimetallihydridiakkuun (NiMH) voidaan yleensä varastoida 60–70 Wh/kg, kun 6 kg:n lyijyhappoakkuun voidaan varastoida vain noin 25 Wh/kg.

Jos verrataan litiumioniakkuja ja lyijyhappoakkuja, ensin mainittujen käyttöikä on pidempi ja suorituskyky parempi ennakoimattomilla ja vaihtelevilla kuormilla sekä korkeissa lämpötiloissa. Nikkelimetallihydridiakkujen suorituskyky on lyijyhappoakkuja parempi ajan myötä ja korkeissa lämpötiloissa, mutta silti litiumioniakkujen tarjoamaa heikompi.