Suprajohtava sähkömagneettinen energiavarasto

Abstract

Energiamurros on tuonut mukanaan kasvavan tarpeen energiavarastoille, joiden eräs teknologia on suprajohtava sähkömagneettinen energiavarasto (engl. Superconducting magnetic energy storage, SMES). Työssä käydään läpi SMES:n toimintaan liittyvää teoriaa ja käytännön haasteita, vertaillaan SMES:n teknillisiä ja taloudellisia tunnuslukuja muiden tyypillisten energiavarastoteknologioiden vastaaviin tunnuslukuihin ja tarkastellaan SMES:n tyypillisimpiä käyttökohteita sekä globaalia tilannetta. SMES on suprajohdekäämistä, tehonmuunnin-, jäähdytys- ja ohjausjärjestelmästä koostuva sähköinen energiavarasto. Tasasähkövirran kulkiessa sen suprajohdekäämin läpi SMES varastoi sähköverkosta saadun energian magneettikenttäänsä. Energia säilyy suprajohdekäämin magneettikentässä muuttumattomana myös lataustilanteen päätyttyä käämin olemattoman resistanssin ansiosta. Käämissä käytetyllä suprajohteella on ominainen kriittinen lämpötila, jonka ylitettyään suprajohde menettää suprajohtavan tilansa. Suprajohdekäämi on siis pidettävä kriittisen lämpötilansa alapuolella jäähdytysjärjestelmän avulla. Jäähdytyksen välttämättömyyden lisäksi SMES:n käytännön haasteita ovat muun muassa energian varastoinnissa syntyvät voimakkaat magneettikentät ja suprajohteiden toiminnalliset ominaisuudet, kuten esimerkiksi herkkyys ulkoisten magneettikenttien vaikutuksille. Työssä vertaillaan SMES:n teknillisiä tunnuslukuja muihin tyypillisiin energiavarastoihin. Vertailukohteita ovat muun muassa erilaiset akkuteknologiat, vetypolttokennot, mekaaniset energiavarastot ja superkondensaattorit. Vertailu osoittaa, että SMES:n vahvuuksia ovat korkea hyötysuhde, korkea tehotiheys, suuri nimellisteho, lyhyt purkausaika ja pitkä käyttöikä. SMES:n heikkouksia taas ovat pieni energiatiheys, pieni nimellinen energiakapasiteetti ja merkittävä itsepurkautumisnopeus. Työssä vertaillaan myös SMES:n taloudellisia tunnuslukuja muihin tyypillisiin energiavarastoihin. Vertailu osoittaa, että SMES:n kustannukset energiayksikköä kohti ovat hyvin suuret, mutta tehoyksikköä kohti pienet. Vertailun lisäksi työssä käydään läpi SMES:n kustannuksiin vaikuttavia tekijöitä, joista merkittävimmät ovat suprajohdekäämin ja tehonmuunninjärjestelmän kustannukset. Muutaman lähteen mukaan suprajohteiden kustannukset ovat kuitenkin laskussa. Työssä esitellään SMES:n tyypillisimmät käyttökohteet, jotka suurimmaksi osaksi liittyvät sähkövoimajärjestelmien tukemiseen, esimerkiksi tuotannon ja kuormituksen vaihtelun tasaamiseen. SMES:llä on eniten potentiaalia suuren tehon, mutta pienen energiakapasiteetin sovelluksissa. Lisäksi työssä tarkastellaan SMES:n tilannetta maailmalla ja Suomessa. SMES:jä ei olla maailmalla otettu paljoa käyttöön, eikä käynnissä olevista demonstraatioista juurikaan löydy tietoa. SMES:iin liittyviä hankkeita on ollut myös Suomessa, muttei kuitenkaan lähivuosina. Suprajohtavuuteen liittyvää tutkimusta toteutetaan kuitenkin Suomessa ja maailmalla edelleen, mikä voi uusien läpimurtojen myötä parantaa SMES:n asemaa.