Uusiutuviin ja kestäviin energialähteisiin perustuvassa energiajärjestelmässä erilaiset energiavarastointimallit ovat ratkaisevan tärkeitä, jotta kuluttajille voidaan turvata stabiili energiahuolto. Yksi mahdollinen ratkaisu on isoterminen paineilmaenergian varastointi (I-CAES), joka voisi toimia puskurina tuotannon vaihteluissa. Tätä Ilmattaren vuoden 2023 kesäharjoittelija Linnea Karsten on tutkinut ja tehnyt siitä seuraavan yhteenvedon:
Kuluneen vuoden aikana energian ja sähkön hinnoista on tullut Euroopan energiakriisin vuoksi yleisen kiinnostuksen kohde. Poliittinen tilanne ja äkillinen pula esimerkiksi maakaasusta johtivat siihen, että energiatuotanto keskittyientistä enemmän uusiutuviin energialähteisiin, kuten tuulivoimaan. Se, että maan energiajärjestelmä tukeutuu voimakkaasti esimerkiksi tuulivoimaan, tekee siitä haavoittuvamman markkinoihin ja sähkön hintaan vaikuttaville säänmuutoksille. Tämä osoittaa, miten haastavaa on siirtyä uusiutuviin ja kestäviin energialähteisiin perustuviin energiajärjestelmiin.
Energiajärjestelmäiin joissa energian varastointi on ratkaisevan tärkeää, jotta kuluttajat saavat energiaa tasaisesti.
Järjestelmä vaatii vakauttamista
Sähkön tuntihinnat, jotka me kuluttajat näemme, heijastavat energian tuotannon ja kulutuksen välistä tasapainoa kunkin tunnin aikana. Tämä tarkoittaa, että sähkön hinta on alhaisempi silloin, kun energiantuotanto on kulutusta suurempi, ja korkeampi silloin, kun haluamme kuluttaa enemmän kuin tuotetun energian määrän.
Tuulivoiman näkökulmasta voimakkaammat tuulet ja siten suurempi tuotanto johtaisivat alhaisempiin hintoihin. Vastaavasti hinnat nousisivat silloin, kun tuulee vähän tai ei lainkaan. Hintojen vakauttamiseksi ylimääräinen energiantuotanto olisi siirrettävä tunneille, jolloin kulutus on suurempaa. Yksi mahdollinen ratkaisu tähän haasteeseen on isoterminen paineilmaenergian varastointi, I-CAES, joka voisi toimia puskurina vaihtelevalle tuotannolle.
Yksinkertainen rakenne
Merenalainen I-CAES-järjestelmä koostuu vakiotilavuuden säiliöstä, joka on täytetty ilmalla ja sijoitettu merenpohjaan, sekä kaksisuuntaisesta pumpusta/turbiinista, joka tarkoittaa, että se toimii sekä pumppuna latausta varten että turbiinina purkausta varten. Se on myös varustettu tukikehyksellä ja painoankkurilla, jotka vahvistavat ja vakauttavat säiliötä.
Järjestelmä ladataan pumppaamalla ympäröivästä merestä merivettä säiliöön, jossa on vakiomäärä ilmaa. Kun säiliö täytetään merivedellä, olemassa oleva ilma pakotetaan pienempään tilavuuteen, jolloin sen potentiaalienergia kasvaa. Tämä prosessi muuntaa tuuliturbiinin sähköenergian ilman potentiaalienergiaksi. Nyt paineistettu ilma varastoi energiaa, kunnes järjestelmä tyhjennetään.
Kun varastointijärjestelmä puretaan, potentiaalienergia muunnetaan takaisin sähköenergiaksi. Tämä tapahtuu antamalla paineistetun ilman laajentua säiliössä alkuperäiseen tilavuuteensa ja työntämällä samalla merivesi säiliöstä takaisin mereen. Kun vesi työnnetään ulos, se ohittaa jälleen pumpun, joka toimii nyt turbiinina ja palauttaa energian sähköksi.
Voidaan verrata pumppuvoimalaitokseen
Tätä varastointimallia voidaan verrata pumppuvoimalaitokseen jossa vettä pumpataan matalammasta säiliöstä korkeampaan säiliöön varastoitavaksi silloin, kun energian hinta on alhainen, joka tarkoittaa, kuten aiemmin mainittu, että kulutusta on vähemmän kuin tuotantoa. Veden nostaminen korkeammalle antaa sille potentiaalista energiaa joka vastaa korkeuseroa.
Veden potentiaalienergian talteenottamiseksi, kun lisäenergiaa tarvitaan, vesi ohjataan turbiinin läpi, kun se virtaa takaisin alkuperäiseen altaaseen, jolloin energia muunnetaan takaisin sähköksi. Molemmissa energian varastointitapauksissa energia varastoidaan potentiaalienergiana väliaineisiin, veteen ja ilmaan. Erona on kuitenkin se, että I-CAES ei ole riippuvainen ympäristön korkeuseroista.
Koska järjestelmää ympäröivä meri tuottaa lisälämpöä silloin, kun lämpötila pyrkii laskemaan, varastointijärjestelmä ei tarvitse ulkoista lämmitystä polttamalla polttoainetta.
Tasainen lämpötila
Se, että varastointijärjestelmä on isoterminen, tarkoittaa, että lämpötila pysyy muuttumattomana. Tämä on mahdollista, koska ympäröivä meri pystyy kompensoimaan kaikki lämpömuutokset ja pitämään koko järjestelmän vakiolämpötilassa. Koska järjestelmää ympäröivä meri tuottaa lisälämpöä silloin, kun lämpötila pyrkii laskemaan, varastointijärjestelmä ei tarvitse ulkoista lämmitystä polttamalla polttoainetta.
Näin ollen tämä ratkaisu voi toimia ilman jatkuvia kasvihuonekaasupäästöjä, toisin kuin jotkin muut paineilmaenergian varastoinnin sovellukset. Meren käyttäminen jäähdytykseen ja lämmitykseen rajoittaa kuitenkin sitä, kuinka nopeasti järjestelmää voidaan ladata ja purkaa. Jotta vedellä olisi aikaa kompensoida lämpötilan muutokset, järjestelmä soveltuu parhaiten tasaamaan tuotannon eroja 4-12 tunnin välillä eikä niinkään nopeisiin vaihteluihin tunnin sisällä.
Konseptia on testattu
Edellä kuvattu järjestelmä perustuu Maltan yliopistossa ja alankomaalaisessa FLASC-yrityksessä kehitettyyn ratkaisuun. Yritys esitteli järjestelmän prototyypin reilut viisi vuotta sitten testatakseen, kuinka hyvin meri pystyy kompensoimaan lämpötilanvaihtelut toiminnassa. Prototyyppi toimi myös proof-of-concept -tutkimuksena, jolla osoitettiin, että ratkaisu voidaan toteuttaa.
Prototyypillä tehdyt tutkimukset osoittivat sekä lämmityksen ja jäähdytyksen korkean hyötysuhteen että Korkean kokonaishyötysuhteen, joka osoittaa, kuinka paljon järjestelmän lataamiseen käytettyä energiaa voidaan ottaa talteen purkamisen aikana ja palauttaa verkkoon kulutusta varten.
Ilmattaren suunnitellut offshore-hankkeet ulottuvat Pohjanlahdelle asti.
Soveltuu Pohjanlahdelle
Kun merituulivoima yleistyy Pohjoismaissa, energian vakauttavasta varastoinnista tulee yhä tärkeämpi osa nykyaikaista energiajärjestelmää. FLASCin esilataustekniikan ansiosta tämä varastointijärjestelmä ei vaadi suuria merisyvyyksiä eikä niiden tuomaa suurta hydrostaattista painetta, jotta saavutettaisiin suuri energiakapasiteetti tilavuusyksikköä kohti.
Sen sijaan FLASC-ratkaisu voidaan asentaa matalampiin vesiin, joiden syvyys on noin 40-400 metriä, minkä vuoksi järjestelmä soveltuu hyvin Pohjanlahdelle. Lisäksi varastointijärjestelmä ei juurikaan tuo haitallisia aineita ekosysteemiin, johon se sijoitetaan, koska koko järjestelmä käyttää energian varastointiin vain tavallista ilmaa ja paikallista merivettä.
Osana Suomen ja Pohjoismaiden sähköjärjestelmiä I-CAES-järjestelmä voisi edistää energiahuollon vakauttamista ja reagoida korkean kulutuksen tunteihin ja siten minimoida sään vaihtelun aiheuttamien äärimmäisten sähköhintojen riskiä.
Linnea Karsten on suorittanut energia- ja ympäristötekniikan kandidaatin tutkinnon Aalto-yliopistossa. Syksyllä 2023 hän aloittaa lämpö- ja energiatekniikan maisteriopinnot kaksoismaisterin tutkintoa varten Aalto-yliopistossa ja Chalmersin teknillisessä yliopistossa.
