Energian varastointi hajautetussa energiantuotannossa
Eskelinen, Mikael (2021)
2021
Tieto- ja sähkötekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104273964
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104273964
Tiivistelmä
Työssä tutustuttiin energian varastointiin hajautetun energiantuotannon yhteydessä. Aurinko- ja tuulivoimaloiden toimintaperiaatteet käsiteltiin lyhyesti. Lisäksi tutkittiin hajautetun energiantuotannon yhteyteen sopivien energiavarastojen toimintaperiaatteita ja teknologian nykytilaa. Tutkittavia energiavarastoja olivat akku, vetyvarasto, vauhtipyörä ja SMES (engl. superconducting magnetic energy storage). Pitkäaikaisille energiavarastoille, akulle ja vetyvarastolle, laskettiin hyötysuhde ja kustannukset 36 MWh:n kapasiteetilla ja 3 pv:n varastointiajalla. Lyhytaikaisille energiavarastoille, vauhtipyörälle ja SMESille, laskettiin hyötysuhde ja kustannukset 500 kWh:n kapasiteetilla ja varastointiajalla 1 h. Energiavarastojen tehoksi oletettiin 1 MW.
Akun toiminta perustuu sähköenergian ja kemiallisen energian välisiin muunnoksiin. Anodilla ja katodilla tapahtuvat hapetus–pelkistys-reaktiot saavat aikaan elektronien liikkeen ulkoisen piirin kautta. Akkuteknologia on varsin kehittynyttä ja niitä on käytetty jo pitkään sähköenergiajärjestelmien tukena. Akut sopivat hyvin pitkäaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona akun hyötysuhteeksi laskettiin noin 77–86 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 14,4 milj. €.
Vetyvaraston toimintaperiaate on sähköenergian muuttaminen vedyksi ja takaisin sähköenergiaksi. Sähköenergia muutetaan vedyksi elektrolyysilaitteistolla. Tämän jälkeen vety varastoidaan joko paineistettuna kaasuna, jäähdytettynä nesteenä, metallihydridinä tai fyysisesti hiileen sidottuna. Varastoinnin jälkeen vety voidaan muuttaa takaisin sähköksi polttokennolla. Tällaisia vetyvarastojärjestelmiä ei ole käytetty muutamia pilottihankkeita lukuun ottamatta. Vetyvarasto sopii hyvin pitkäaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona vetyvaraston hyötysuhteeksi laskettiin noin 22–34 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 3,6 milj. €.
Vauhtipyörän toiminnan perusperiaatteena on sähköenergian ja liike-energian välinen muunnos. Vauhtipyörän yhteydessä olevalla moottori-generaattorilla energiavarastoa voidaan ladata ja purkaa muuttamalla vauhtipyörän pyörimisnopeutta. Jos vauhtipyörän laakeroinnissa käytetään suprajohtavaa magneettilaakerointia, vauhtipyörän resistiivisiä häviöitä saadaan pienennettyä merkittävästi. Suurien kitka- ja ilmanvastushäviöiden takia vauhtipyöräteknologiaa on käytetty pääasiassa lyhytaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona vauhtipyörän hyötysuhteeksi laskettiin noin 67–77 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 0,2–0,4 milj. €.
SMESissä sähköenergia muutetaan tasavirraksi, joka kiertää suprajohtavassa käämissä. Sähköenergia varastoituu syntyvään magneettikenttään. Suprajohtavuus tarkoittaa sitä, että kriittisen lämpötilan alapuolella aineen resistiivisyys katoaa. SMES-teknologia on kaupallistunut erityisesti alhaisen lämpötilan SMESien osalta. SMESit sopivat jäähdytystarpeen takia parhaiten lyhytaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona SMESin hyötysuhteeksi laskettiin noin 85 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 0,5 milj. €.
Akun toiminta perustuu sähköenergian ja kemiallisen energian välisiin muunnoksiin. Anodilla ja katodilla tapahtuvat hapetus–pelkistys-reaktiot saavat aikaan elektronien liikkeen ulkoisen piirin kautta. Akkuteknologia on varsin kehittynyttä ja niitä on käytetty jo pitkään sähköenergiajärjestelmien tukena. Akut sopivat hyvin pitkäaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona akun hyötysuhteeksi laskettiin noin 77–86 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 14,4 milj. €.
Vetyvaraston toimintaperiaate on sähköenergian muuttaminen vedyksi ja takaisin sähköenergiaksi. Sähköenergia muutetaan vedyksi elektrolyysilaitteistolla. Tämän jälkeen vety varastoidaan joko paineistettuna kaasuna, jäähdytettynä nesteenä, metallihydridinä tai fyysisesti hiileen sidottuna. Varastoinnin jälkeen vety voidaan muuttaa takaisin sähköksi polttokennolla. Tällaisia vetyvarastojärjestelmiä ei ole käytetty muutamia pilottihankkeita lukuun ottamatta. Vetyvarasto sopii hyvin pitkäaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona vetyvaraston hyötysuhteeksi laskettiin noin 22–34 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 3,6 milj. €.
Vauhtipyörän toiminnan perusperiaatteena on sähköenergian ja liike-energian välinen muunnos. Vauhtipyörän yhteydessä olevalla moottori-generaattorilla energiavarastoa voidaan ladata ja purkaa muuttamalla vauhtipyörän pyörimisnopeutta. Jos vauhtipyörän laakeroinnissa käytetään suprajohtavaa magneettilaakerointia, vauhtipyörän resistiivisiä häviöitä saadaan pienennettyä merkittävästi. Suurien kitka- ja ilmanvastushäviöiden takia vauhtipyöräteknologiaa on käytetty pääasiassa lyhytaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona vauhtipyörän hyötysuhteeksi laskettiin noin 67–77 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 0,2–0,4 milj. €.
SMESissä sähköenergia muutetaan tasavirraksi, joka kiertää suprajohtavassa käämissä. Sähköenergia varastoituu syntyvään magneettikenttään. Suprajohtavuus tarkoittaa sitä, että kriittisen lämpötilan alapuolella aineen resistiivisyys katoaa. SMES-teknologia on kaupallistunut erityisesti alhaisen lämpötilan SMESien osalta. SMESit sopivat jäähdytystarpeen takia parhaiten lyhytaikaiseen energian varastointiin. Energiavarastona SMESin hyötysuhteeksi laskettiin noin 85 %. Kustannuksiksi laskettiin noin 0,5 milj. €.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8997]