ForTheDoers-blogi

Tulevaisuuden energiajärjestelmässä varastointi on avainasemassa

Eero Vartiainen  ·  24 tammikuu 2020

Tulevaisuuden energiajärjestelmä perustuu pitkälle aurinko- ja tuulisähköön, joiden saatavuus vaihtelee. Järjestelmän tasapainottamiseen tarvitaan energian varastointia.

Aurink- ja tuulivoimaloita

Aurinkosähkön hintakehitys on ollut hurjaa viime aikoina, ja aurinkovoima on jo halvin tapa tuottaa sähköä monissa maissa. Edellisessä kirjoituksessani kerroin, että monissa Euroopan maissa aurinkosähkön tuotantokustannus on jo alle keskimääräisen sähkön pörssihinnan (kuva 1). Tulevaisuuden energiajärjestelmä perustuu pitkälle aurinko- ja tuulisähköön.

Haasteena on kuitenkin tuotannon vaihtelevuus. Onneksi tuuli ja aurinko täydentävät toisiaan siten, että ne tuottavat parhaiten eri aikoihin. Aurinko paistaa eniten päivällä ja kesällä, kun taas yöllä ja talvella tuulee suhteellisen hyvin. Joskus tulee kuitenkin tilanteita, jolloin aurinko- tai tuulivoima ei tuota riittävästi sähköä – silloin energian varastointi astuu kuvaan.

Tarkastelen seuraavassa erilaisia energian varastointiratkaisuja. Kaikkia niitä tarvitaan tulevaisuuden energiajärjestelmässä, joka perustuu yhä vahvemmin saatavuudeltaan vaihteleviin energialähteisiin.

Vesivoima ja kaukolämpöverkot varastoina

Yksi tärkeä ratkaisu aurinko- ja tuulivoiman tuotannon tasapainottamiseen on vesivoima, jota meillä Pohjoismaissa on runsaasti. Vesivoimaa voidaan varastoida vesialtaisiin pitkäaikaisesti ja toisaalta vesivoiman tuotantoa voidaan lisätä tai vähentää hyvinkin nopeasti tarpeen mukaan. Jos sopivia vesialtaita on käytettävissä, ylimääräistä aurinko- tai tuulivoimaa voidaan hyödyntää pumppaamalla vettä alemmasta altaasta ylempään ja tuottaa vesivoimaa silloin kun ei paista tai tuule.

Energiaa voidaan varastoida myös lämmön muodossa. Lämmitettyä vettä voidaan varastoida päivistä jopa kokonaisen vuoden tarpeisiin, mikäli vesivarasto on riittävän iso. Useimmissa omakotitaloissa on jo lämminvesivaraaja, jota voitaisiin hyödyntää myös oman aurinkosähkön tuotannon varastointiin. Kaukolämpöverkot taas tarjoavat suuria vesivarastoja, joiden merkitys tuotannon vaihtelujen tasaamisessa kasvaa tulevaisuudessa.  

Litium-akuista tulossa kannattava ratkaisu sähkön lyhytaikaiseen varastointiin

Akkuteknologiat, erityisesti litium-akut, ovat kehittyneet nopeasti viime vuosina. Niiden hinta on laskenut yli 80 prosenttia viimeisen kymmenen vuoden aikana ja hinta tulee laskemaan vielä vähintään 80 prosenttia nykyisestä vuoteen 2050 mennessä. Akuista on siis tulossa varteenotettava vaihtoehto sähkön lyhytaikaiseen varastointiin jo lähivuosina. Saksassa jo nyt valtaosa kotitalouksien aurinkosähköjärjestelmistä myydään akkujen kanssa. Myös kulkuneuvoissa akut ovat avainasemassa liikenteen sähköistyessä, ja sähköautojen akkujen lisääntynyt kysyntä laskee muidenkin akkujen hintoja.  

Isossa kokoluokassa aurinkosähkö yhdistettynä akkuihin, joilla voidaan kattaa huomattava osa lyhytaikaisesta tuotannon vaihteluista, on jo edullisempaa kuin pörssisähkö Espanjassa ja Italiassa (kuva 2). Koska suurin osa maapallon väestöstä asuu suhteellisen lähellä päiväntasaajaa, heillä on aurinkosähköä tarjolla vuoden jokaisena päivänä ja akkuja tarvitaan ainoastaan lyhyitä aikoja.

Fortum testaa myös sähkön varastointiratkaisuja. Kolme vuotta sitten Fortumin Järvenpään lämpölaitokselle asennettiin litium-akusto, jonka teho on 2 megawattia (MW) ja kapasiteetti 1 MWh. Viime vuonna Fortum asensi Ruotsiin Forshuvudin vesivoimalan yhteyteen 5 megawatin litium-akuston, jonka kapasiteetti on 6,2 MWh. Molempia akkujärjestelmiä käytetään lähinnä sähköverkon taajuusvaihteluiden tasaamiseen.

Akkujen käytön lisääntyessä niiden valmistuksessa tarvittavien arvokkaiden metallien vastuullinen hyödyntäminen ja kierrättäminen on tärkeää. Myös Fortum on hiljattain vahvistanut osaamistaan akkujen kierrättämisessä ostamalla arvokkaiden akkumetallien kierrätykseen erikoistuneen Crisolteqin.

Power to X – sähkön kausivarastointi vetyyn

Meillä pohjoisilla leveysasteilla tarvitaan lyhytaikaisen varastoinnin lisäksi myös sähkön ja lämmön kausivarastointia.  

Yksi ratkaisu sähkön kausivarastointiin on Power to X. Menetelmä toimii esimerkiksi näin: kun aurinko- tai tuulivoimaa on tarjolla runsaasti, voidaan vesi pilkkoa elektrolyysin avulla hapeksi ja vedyksi ja jälkimmäinen varastoida myöhempää käyttöä varten. Vetyä voidaan käyttää suoraan polttokennoissa, tai sitten se voidaan edelleen metanoida hiilidioksidin avulla, jolloin syntyy synteettistä uusiutuvaa kaasua. Tätä kaasua voidaan käyttää lämmitykseen tai sähkön tuotantoon esimerkiksi kaasuturpiineissa. Näin maakaasu, jota energiajärjestelmämme vielä tänä päivänä tarvitsee, voidaan tulevaisuudessa korvata uusiutuvalla ja hiilineutraalilla kaasulla.

Teknologia vedyn tuottamiseen ja varastointiin on jo olemassa, ja nyt katseet kääntyvätkin Power to X -menetelmän kilpailukykyyn laajemmassa käytössä. Vedyn lisäksi ”X” voi olla myös muita  polttoaineita, lämpöä, nesteitä ja jopa ruokaa, joiden tuotannossa ylimääräistä tuuli- ja aurinkovoimaa voidaan käyttää. Erityisen tarpeellisia nestemäiset polttoaineet ovat liikenteessä ja alueilla, missä ei ole toimivaa sähkö- tai kaasuverkkoa.

Varastointi mahdollistaa aurinko- ja tuulivoiman lisääntymisen

Keinot energian varastointiin ovat monet: vesivoima ja lämpöverkot toimivat niin pitkäaikaisina varastoina kuin säätövoiman lähteinä, litium-akkuja voidaan hyödyntää lyhytaikaisina varastoina ja Power to X on tulevaisuuden ratkaisu pitkäaikaiseen varastointiin erityisesti siellä, missä vesivoimaa ei ole saatavilla. Jatkossa tulemme näkemään muitakin vaihtoehtoja, kuten sähkön paineilmavarasto tai lämmön varastointi maaperään. Myös kysyntäjoustoja voidaan käyttää energian tuotannon ja kulutuksen välisten erojen tasapainottamiseen.

On selvää, että tulevaisuuden energiajärjestelmä tulee perustumaan täysin uusiutuviin energialähteisiin. Ainoa kysymys on, kuinka nopeasti siihen päästään. Jotta välttäisimme ilmastokatastrofin, on aurinko- ja tuulivoiman rakentamista voitava lisätä, mikä onnistuu nopeammin energian varastoinnin ja älykkäiden säätöjärjestelmien avulla.

Blogikirjoitus kesäkuu 2019: Aurinkosähkö on kannattavaa jo Suomessakin niin tuottajalle kuin ilmastollekin

Lisätietoa täysin uusiutuvasta energiajärjestelmästä: http://energywatchgroup.org/wp-content/uploads/EWG_LUT_100RE_All_Sectors_Global_Report_2019.pdf

Lisätietoa aurinkosähkön ja akkujen hintakehityksestä: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pip.3189

Kuva 1: Aurinkosähkön tuotantokustannuksen vertailu sähkön pörssihintaan

Aurinkosähkön tuotantokustannus vs. sähkön pörssihinta

Aurinkosähkön nykyisen tuotantokustannuksen vertailu keskimääräiseen sähkön pörssihintaan 2019 kuudessa Euroopan maassa. Investointikustannus 2020 0,43 €/Wp, käyttö- ja kunnossapitokustannus 9 €/kWp/vuosi, nimelliskorko (WACC) 7 %, inflaatio 2 % vuodessa.

Voimalaitoskokoluokan aurinkosähkön tuotantokustannus vuonna 2020 Euroopassa 7 prosentin nimelliskorolla vaihtelee välillä 22 €/MWh Malagassa ja 39 €/MWh Helsingissä. Tämä on merkittävää, sillä sähkön keskimääräinen pörssihinta oli vuonna 2019 Suomessa 44 €/MWh ja Espanjassa 48 €/MWh. Aurinkosähkö oli siis halvempaa kuin pörssisähkö jo lähes koko Euroopassa.

Kuva 2: Aurinkosähkön ja akkuvaraston tuotantokustannus

Aurinkosähkön ja akkuvaraston tuotantokustannus

Aurinkosähkön ja akkuvaraston yhteenlaskettu tuotantokustannus (LCOE) Euroopassa vuosina 2020-2050 laskettuna 7 prosentin nimelliskorolla

Aurinkosähkön ja akkuvaraston yhteenlaskettu tuotantokustannus Euroopassa tänä vuonna vaihtelee välillä 36 €/MWh Malagassa ja 64 €/MWh Helsingissä, kun varaston koko on mitoitettu suhteessa 1 kWh akkukapasiteettia kohti 1 kWp aurinkosähköä. Jos varasto suhteessa tuplataan, on tuotantokustannus 50-88 €/MWh. Isommallakin varastolla tuotantokustannus lienee alle keskimääräisen sähkön pörssihinnan Roomassa ja Malagassa jo ensi vuonna. Aurinkosähkö pienemmällä varastolla on kannattava investointi Helsingissä, Lontoossa, Munchenissä ja Toulousessa 4-6 vuoden kuluessa. On selvää, että aurinkosähkö ja akkuvarastot muodostavat tulevaisuuden energiajärjestelmän perustan, mikäli haluamme ratkaista ilmastokriisin nopeasti ja kustannustehokkaasti.

Eero Vartiainen
Aurinkoteknologiapäällikkö ja aurinkosähkön pientuottaja.
Eero edustaa Fortumia ja Suomea Euroopan aurinkosähköteknologiakomiteassa.
eero.vartiainen@fortum.com

AU11

ForTheDoers-blogi