Energiavarastot ovat yksi vastaus haasteisiin, joita muun muassa energiantuotantokentän hajautuminen ja uusiutuvan energian tuotannon lisääntyminen asettavat sähköverkon toiminnalle. Kolmiosaisen blogisarjan toisessa osassa pohditaan, miksi akustoja tarvitaan ja mitä ominaisuuksia akustoteknologioita tarkastellessa kannattaa ottaa huomioon.
Energiavarastot ovat tärkeä osa toimivaa sähköverkkoinfrastruktuuria. Pohjoismaisessa sähköverkossa varastoina on hyödynnetty perinteisesti vesialtaita, joilla voidaan paikata pitkäaikaista tuotantovajetta. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää myös nestemäistä maakaasua. Superkondensaattoreilla ja vauhtipyörillä taas on mahdollista reagoida nopeisiin, pienemmän energiatarpeen muutoksiin. Tässä blogissa keskitytään kuitenkin akustoratkaisuihin, jotka ovat varteenotettavia ratkaisuja, kun uusiutuvan energian tuotanto integroidaan osaksi olemassa olevaa sähköverkkoa.
Akustot mahdollistavat nopean taajuussäädön
Standardit vaativat, että sähkön pitää olla riittävän laadukasta. Käytännössä sähköverkon taajuus on 49,9 - 50,1 hertsiä 10 sekunnin sykleissä mitattuna. Taajuus määrittyy tuotannon ja kulutuksen suhteesta tehotasapainon mukaan. Suurten voimaloiden tuotantomäärä on melko helppoa arvioida, mutta kulutuksen määrässä tapahtuu enemmän muutoksia. Niihin täytyy reagoida nopeasti, jotta taajuutta saadaan ohjattua oikeaan suuntaan. Tehoakut ovatkin hyviä ratkaisuja, kun taajuuteen on voitava vaikuttaa nopeasti. Akustojen hyötyjä taajuudensäädössä tutkitaan jo tarkemmin Suomessa, esimerkiksi Fingrid on osallisena erilaisissa akustoprojekteissa.
Taajuussäätöä tarvitaan erityisesti silloin, kun uusiutuvan energian tuotanto integroidaan osaksi olemassa olevaa sähköverkkoa: kun pyörivillä koneilla toimivia tuotantolaitoksia korvataan aurinkopaneeleilla ja tuulivoimaloilla, häviää verkosta samalla huomattava määrä inertiaa, joka tarkoittaa kykyä vastustaa taajuuden muutosta. Pienillä inertiamäärillä voimaloiden äkilliset putoamiset verkosta aiheuttavat suurempia taajuusheilahteluita koko sähköverkkoon. Akustoilla on mahdollista luoda verkkoon synteettista inertiaa, jolloin tuotantotekniikoiden muuttuessa inertiatasot saadaan pidettyä riittävän korkealla. Taajuussäädön lisäksi akustot pystyvät vaikuttamaan paikalliseen jännitesäätöön.
Yksittäisenä toimintona taajuussäätömarkkinat (FCR-N-markkinat) ovat akustojen suurin arvontuottaja. Akustojen tulevaisuudennäkymiin kuuluukin, että synteettisen inertian tarpeen lisääntyessä voi syntyä tarve myös inertiamarkkinoille, mikä lisäisi akustojen arvoa entisestään.
Uusiutuvat energialähteet vaativat paljon tuotannon kompensointia
Uusiutuvien energialähteiden määrä lisääntyy jatkuvasti, kun tuulivoimaa ja aurinkopaneeleita otetaan käyttöön ja esimerkiksi aurinkosähkön hinta alenee. Vaihtelevat keliolosuhteet kuitenkin tekevät uusiutuvan energian tuotannon ennustamisesta hyvin hankalaa, mikä aiheuttaa haasteita sähköverkon toiminnalle ja tehotasapainolle. Ohessa on kuvamuodossa esitetty, miten aurinkopaneelien tuottama teho vaikuttaa verkon tehotasapainoon tunneittain ja viiden minuutin sykleissä.
Kuva 1: Aurinkovoiman tuotannon vaikutukset tehotasapainoon tuntitasolla
Kuva 2: Aurinkovoiman tuotannon vaikutukset tehotasapainoon 5 minuutin sykleissä. Oranssi viiva kertoo tehotasapainon vaihtelusta, kun tehotasapainon ylläpitämiseen käytetään apuna akustoa.
Tuntitasolla mitattuna muutokset ovat varsin maltillisia, mutta viiden minuutin syklissä tehotuotanto voi laskea jopa 90 %. Akustoilla voidaan ylläpitää tehotasapainoa: aamun ja illan alhaisen tuotannon aika, kuten myös huipputuotannon aika, käytetään akuston lataamiseen. Tuotantovajeiden aikana akun tehoa voidaan käyttää kompensoimaan vajaata tuotantoa ja näin saadaan verkkoon syötetty tuotanto huomattavasti tasaisemmaksi.
Pidempiaikaisia tuotantovajeita varten akustot voivat toimia hybridiratkaisuina dieselgeneraattoreiden tai kaasuturbiinien kanssa. Tällöin normaaleissa sääolosuhteissa akusto paikkaa nopeat tuotantovajeet ja toimii tarvittaessa varavoimakoneiden käynnistäjänä. Hybridiakustot ovat oivallisia ratkaisuita erityisesti mikroverkkoalueisiin, kuten sairaaloiden muodostamiin itsenäisiin pienjänniteverkon osiin.
Akustojen ominaisuuksien vertailun perusteet
Akuston teho- ja energiakapasiteetti ovat tärkeitä energiavarastojen ominaisuuksia, mutta eri teknologioiden keskinäisessä vertailussa tärkeimpiä termejä ovat syklimäärä, Depth Of Discharge (DOD) ja C-rate:
- Syklimäärä: kuinka monta kertaa akku voidaan ladata täyteen ja purkaa tyhjäksi
- DOD (Depth Of Discharge): akuston jäljellä oleva maksimikapasiteetti uuteen akkuun verrattuna
- C-rate: akuston purkunopeus
Syklimäärä kertoo akuston käyttöiästä, joka perustuu siihen, kuinka monta sykliä (akun täyteen lataaminen ja tyhjäksi purkaminen) akku kestää ennen kuin se on käyttökelvoton. Toinen käyttöikään vaikuttava tekijä on tietysti myös akustoratkaisuissa käytettävän elektroniikan kestävyys. DOD puolestaan tarkoittaa akuston jäljellä olevaa maksimikapasiteettia uuteen akkuun verrattuna. Mitä useamman syklin akusto suorittaa, sitä pienemmäksi DOD putoaa ajan kuluessa. Useimmiten, kun akusto saavuttaa 80 prosentin DOD-lukeman, akuston voi todeta tulleen elinkaarensa päähän. C-rate kertoo kuinka nopeasti akkua pystyy purkamaan ja lataamaan. Suurempi C-rate arvo tarkoittaa nopeampaa purkamista, eli esim. 2 C-raten akusto saadaan purettua puolessa tunnissa. C-raten kasvaessa myös häviöt kasvavat, joten optimaalinen C-rate pitää laskea tapauskohtaisesti.
Kuva 3: Akustot voidaan jakaa useisiin eri tyyppeihin
Kun akustoja vertailee keskenään, kannattaa tietenkin ottaa huomioon myös sen toimintaympäristö ja - olosuhteet. Pohjoisen ilmastossa on tärkeää, että akku kykenee operoimaan suurissa pakkaslukemissa, sillä kylmä ilma saattaa heikentää akustojen ominaisuuksia. Myös turvallisuusnäkökulmat on otettava huomioon akustoja valitessa. Alla olevissa kuvissa voi tarkastella eri akkutyyppien DOD-eroa ja kestoa eri lämpötiloissa:
Kuva 4: Eri akkutyyppien DOD
Kuva 5: Akustojen kesto eri lämpötiloissa
Litium-ioni-akustojen ominaisuudet
Tampereen teknilliselle yliopistolle tehdyssä lopputyössä tutkittiin erityisesti litium-ioni-akkuja. Niitä käytetään nykyään varsin monessa käyttötarkoituksessa, kuten matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa, johtuen niiden edullisesta hinnasta sekä riittävästä kapasiteetista pienessä tilassa.
Yksi litium-ioni-akun tyyppi on litiumtitanaattiakku, jonka käyttöikä on noin 15 vuotta, ja se kestää elinkaarensa aikana yli 16 000 sykliä. Lisäksi litiumtitanaattiakkujen C-rate-potentiaali on korkea, esimerkiksi uusimmissa sähköautojen akuissa lukema voi olla jopa 8C. Litiumtitanaattiakun suorituskyky on siis erinomainen. Akuston investointikustannukset ovat toistaiseksi muita akustotyyppejä suuremmat ja niiden energiatiheys voi jäädä hieman pienemmäksi. Joidenkin tutkimusten mukaan esimerkiksi litiumtitanaattiakun korkeampi C-rate tekee kuitenkin suuremmasta alkuinvestoinnista huolimatta niistä kannattavampia ratkaisuja kuin vaihtoehtoiset ja eliniältään huomattavasti lyhyemmät vaihtoehdot.
Blogi on osa blogisarjaa, jossa käsitellään tulevaisuuden sähköverkkoa sekä akustojen hyödyntämistä osana joustavaa sähköenergiajärjestelmää. Sarja perustuu Tampereen teknilliselle yliopistolle tehtyyn diplomityöhön. Ensimmäinen osa keskittyi tulevaisuuden sähköverkkojärjestelmässä tapahtuviin oletettuihin muutoksiin ja muutosten mukanaan tuomiin kysymyksiin.
