Tuulivoiman varastointi

Tuulienergiaa pidetään yhtenä tulevaisuuden energian tuotantomuotona, ja hyvistä syistä; Tuulienergia on uusiutuvaa, sen tuotanto ei saastuta ja sen tuotanto on (periaatteessa) melko yksinkertaista. 

Huonojakin puolia sillä on. Yhtä tuuligeneraattoria kohden saatava teho on melko vaatimaton vaikkapa tavanomaiseen vesivoimalaan verrattuna, ja yksittäisiä voimaloita tarvitaan paljon (tuulivoimapuistot), jotta tuotannosta siirtolinjojen rakentamisineen ja voimaloiden yksikkökustannuksineen tulisi kilpailukykyistä. Esimerkiksi Taivalkosken vesivoimalaitos Kemijoessa tuottaa vuodessa keskimäärin saman määrän sähköenergiaa (540,7 GWh) 540,7 gigawattituntia (GWh) kuin noin 60 tuulivoimalaa  vuoden 2021 tuotantolukujen perusteella (keskimäärin 891,5 voimalaa 8,1TWh kokonaistuotannolla).

Toinen huono puoli tuuli- ja myös aurinkoenergialla on niiden nk. matala inertia sähköverkossa. Sähköverkon inertialla tarkoitetaan sähköverkon kykyä kestää lyhytaikaisia kuormituspiikkejä ilman, että verkon jännite tai taajuus muuttuisi haitallisesti. Höyry- ja vesivoimalaitoksissa suoraan sähköverkkoon liitetty vaihtovirtageneraattori on yhdistetty turbiiniin, joka toimii energiaa säilövänä vauhtipyöränä. Äkillisen kuormituspiikin tapahtuessa vauhtipyörään säilötty energia saadaan nopeasti muutettua lisätehoksi sähköverkkoon ennen kuin tuotantotehoa saadaan muuten lisättyä. Tuulivoimaloissa käytettävä tekniikka ei kuitenkaan (nykyisin) mahdollista voimalan roottoriin sisältyvän inertian käyttöä samaan tarkoitukseen.

Kolmas, ja tähän mennessä pahimmaksi osoittautunut ongelma on yhden luonnonvoiman, tuulivoiman, tuotannon epätasaisuus ja satunnaisuus. Tuulivoiman tuotanto saattaa vaihdella lähes nollan ja täyden tehon välillä täysin riippumatta kulutuksesta, ks. esimerkiksi Fingridin sivut. Huipputehojen aikaan sähkön ylituotanto pitäisi saada myytyä ulkomaille tai varastoitua, mutta toisaalta tuulisähkön tuotannon ollessa nollassa, sähköä pitäisi mahdollisesti tuoda ulkomailta, saada käyttöön varastoista tai järjestää suuria ja yleensä epätaloudellisia ja saastuttavia varavoimalaitoksia säätövoimaksi. Tämä näkyy nykyisin rajuna pörssisähkön hinnan heilahteluna, josta kärsii niin yksityiset kotitaloudet kuin teollisuuskin.

Järkevin ratkaisu olisi sähkön varastointi ylituotannon aikana ja varastojen purkaminen kulutuksen taas ylittäessä tuotannon. Sähköenergian suora tallentaminen sellaisenaan suuriin akkuihin tuntuisi aluksi luonnollisimmalta ratkaisulta. Nykyaikainen akkutekniikka ei kuitenkaan vielä mahdollista tarvittavan energiamäärän tallentamista taloudellisesti, kuten esimerkiksi oheisessa raportissa esitetään. Ylituotannon tallentaminen esimerkiksi kemiallisena energiana vedyntuotannossa on puolestaan hyötysuhteeltaan varsin huono ja kallis ratkaisu, vaatien suuria investointeja, eikä välttämättä riskitönkään. Toki jos tuotettua vetyä tarvitaan jatkojalostukseen tai esimerkiksi liikennevälineiden polttoaineeksi sellaisenaan tai jatkojalostettuna esimerkiksi metanoliksi tai ammoniakiksi, on tässäkin järkeä.

Patoaltaiden veden potentiaalienergia

Tehokas ja turvallinen tapa varastoida energiaa on käyttää hyväksi veden potentiaalienergiaa. Uusien altaiden rakentamisen sijaan käytettäisiin hyväksi jo olemassa olevaa infrastruktuuria. Vesivoimaloissa jokiin ja patoaltaisiin varastoitunutta potentiaalienergiaa alakanavan suhteen muutetaan sähköenergiaksi jo nykyäänkin. Potentiaalienergiaa on kuitenkin mahdollista myös lisätä ja varastoida pumppaamalla vettä vastakkaiseen suuntaan. 

Esimerkkinä olevan Taivalkosken voimalaitoksen patoaltaan pinta-ala on 1706ha ja sen (keskimääräinen) putouskorkeus 14,5 metriä, jolla esimerkiksi yhden metrin vedenpinnan lasku vastaa 0,67 GWh energiamäärää. Tämä vastaa yhden keskimääräisen tuulivoimalan tuotantoa vajaan kuukauden ajalta, tai kohtuullisen kokoisen tuulifarmin puskurivarastona toimimista lyhyempien tuotantohuippujen tasaajana. Vaikka tämä onkin kokonaisuuden kannalta pienehkö kapasiteetti, niin otettaessa valtaosa Suomen nykyisistä patoaltaista energian varastointikäyttöön saataisiin joka tapauksessa käyttökelpoinen työkalu tuulivoiman tuotantohuippujen tasaukseen yleisemminkin.

Päivitys 30.4.2023: Uutisten mukaan Kemijoki Oy onkin virallisesti tutkimassa pumppuvoimaloiden käyttöönottoa. Näissä tehdään kokonaan uusi tekojärvi johonkin korkealle paikalle, kuten asumattoman vaaran laelle asutuksen keskellä olevien, jokeen perustettujen voimalaitosten patoaltaiden sijaan. Näin pystytään minimoimaan vedenkorkeuden vaihtelun aiheuttamat haitat altaan rannoilla asuville ihmisille.

Kaukanakin olevan tuulivoiman huipputuotannon aikana pumppuja voisi käyttää sähköverkosta energiansa ottavilla sähkömoottoreilla kokonaistuotannon tasaamiseksi. Voimayhtiöiden olisi mahdollista pumpata ylituotannon tai muista syistä edullisen sähkön aikana patoaltaat täyteen ja myydä varastoitu energia sähkön tarpeen ja hinnan ollessa korkeampi. 

Menettelyä voi käyttää myös sähköverkon inertian parantamiseen. Käytettäessä pyöriviä keskipakopumppuja ja turbiineja pumppuvoimaloissa, voidaan niiden mekaanista inertiaa käyttää hyväksi tässäkin tarkoituksessa.

Vesipumppuja veden pumppaamiseen voisi käyttää tuulivoimaloilla myös suoraan mekaanisella välityksellä. Mekaanisella välityksellä olisi mahdollista saada aikaan hyvä kokonaishyötysuhde ja edullinen ratkaisu ilman tarvetta kalliisiin generaattoreihin ja inverttereihin apulaitteineen, joita tavallisissa, sähköä verkkoon tuottavissa tuulivoimaloissa tarvitaan. Haittapuolena on ainakin se, että mekaanisten tuulivoimaloiden tulisi sijaita pumppuvoimalan, vesivoimalaitoksen tai sen patojen yhteydessä, jotta pumppaaminen olisi taloudellista. Tämä ei ole myöskään ratkaisu energian varastointipulmaan kaukana olevien tuulifarmien suhteen.

Perinteisiä, vettä pumppaavia tuulimyllyjä Kinderlijkissä, Hollannissa (kuvan lähde: Wikimedia). Näillä myllyillä pumpataan vettä kuivatettavalta viljelys- ja rakennusmaalta padon toiselle puolelle kanavaan energian säilömisen tai tuotannon sijaan.

Sähköakut

Yhden merikontin kokoisella, kaupallisella sähköakulla on nykyään tyypillisesti mahdollista varastoida vain noin 1MWh verran sähköenergiaa, eli tällaisia akustoja tarvittaisiin 670 kappaletta vastaavaan kapasiteettiin kuin edellä Taivalkosken patoaltaan esimerkistä saadaan 1m vedenpinnan muutoksella. 

Vauhtipyörät

Myös vauhtipyöriä on esitetty tuulienergian puskurivarastoiksi tai kompensaattoreiksi lisäämään sähköverkon inertiaa voimalaitosten turbiinien ja generaattorien avuksi. Verrattuna esimerkiksi potentiaalienergiaan perustuviin energian säilömistapoihin sen huonona puolena on mm. energian "vuotaminen" hukkaan kitkailmiöiden vuoksi ja onnettomuusriskit. 

Energiamäärä, jonka tällä menetelmällä saa säilöttyä, ei ole suuri. Energiamäärä riippuu vauhtipyörän materiaalista. Mitä suurempi sallittu vauhtipyörämateriaalin vetolujuus on, sitä enemmän energiaa tilavuudeltaan tietyn kokoinen ja muodoltaan määrätty vauhtipyörä voi varastoida ennen hajoamistaan. Normaali rakenneteräs, jonka murtolujuus on noin 520MPa, pystyy teoriassa säilömään noin 9.2Whr/kg energian käytettäessä vauhtipyöränä pyörivää, ohutseinäistä sylinteriä. Esimerkiksi em. 0.67 GWh energian säilöminen vaatisi erittäin monta vauhtipyörää. Vaikka materiaalina käytettäisiin erityiskomposiittiakin jolla saataisiin jopa 400 Whr/kg energiansäilömiskyky, pitäisi tällaistenkin, hyvin kalliiden vauhtipyörien kokonaismassan olla noin 1700 tonnia vastatakseen yhden metrin korkeuseroa em. patoaltaassa. 

Perinteinen vauhtipyörä ei siis ole käytännössä ratkaisu suurten energiamäärien pitkäaikaiseen varastointiongelmaan. Ehkä joskus vielä voidaan käyttää esimerkiksi suljetussa silmukassa suureen energiaan kiihdytettyjä elektroneja tai protoneja energian tallentamiseen "vauhtipyöränä", muttei ihan vielä.

Linkkejä

Sabine Hossenfelderin video energian varastoinnista, mainiten myös muita mahdollisuuksia, kuten painesäiliöt ja lämpövarastot ongelmineen.