Uusiutuvan energian varastoiminen hajautetussa energiantuotantomallissa
Hietaranta, Jenni (2023)
Hietaranta, Jenni
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305055311
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305055311
Tiivistelmä
Uusiutuvilla energiantuotantomuodoilla on tärkeä rooli ilmastonmuutoksen hillinnässä, minkä seurauksena niiden käyttö energiantuotannossa tulee lisääntymään merkittävästi tulevaisuudessa. Hajautetussa energiantuotantomallissa uusiutuvilla energiantuotantomuodoilla tuotetaan sähköä pienissä ja ympäri sähköverkkoa hajautetuissa energiantuotantoyksiköissä. Aurinko- ja tuulivoimalla tuotetun energian sääriippuvuus lisää kuitenkin joustavuuden tarvetta sähköverkossa. Joustavuutta voidaan lisätä sähköverkkoon energiavarastojen avulla. Energiavarastoihin voidaan varastoida sähköenergiaa myöhempää käyttöä varten, kun sähköenergian tuotanto on kulutusta suurempaa. Energiavarastot mahdollistavat sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapainottamisen.
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan, miten uusiutuvan energian varastoimisesta saadaan toimiva osa hajautettua energiantuotantomallia. Työssä perehdytään erityisesti aurinko- ja tuulivoimalla tuotetun uusiutuvan energian varastoimiseen. Energian varastointimahdollisuuksiksi on tässä työssä rajattu akut ja vety. Akut on rajattu tarkemmin käsittämään vain litiumioniakut. Työssä tarkastellaan ensin, millaisia erityispiirteitä uusiutuvilla energiantuotantomuodoilla ja energiavarastoilla on. Tämän jälkeen tarkastellaan miten sähkön mikro-, pien- ja suurtuotannossa syntyvä ylijäämäsähkö voidaan varastoida energiavarastoon. Lopuksi kandidaatintyössä tarkastellaan vielä sähkömarkkinoiden vaikutusta energiavarastoihin.
Litiumioniakut ovat hyviä energiavarastoja, koska niillä on korkea ominaisenergia ja hyvä hyötysuhde. Litiumioniakkujen ominaisenergian arvo on 75–265 Wh/kg ja hyötysuhde jopa 97 %. Vedyllä on litiumioniakkua korkeampi ominaisenergian arvo, mutta sen hyötysuhde on merkittävästi litiumioniakun hyötysuhdetta matalampi. Vedyn ominaisenergian arvo on 33 000 Wh/kg ja hyötysuhde noin 25 %. Akkuvarastot soveltuvat parhaiten pieniksi ja lyhytaikaisiksi energiavarastoiksi. Akuista voi purkaa energiaa nopeasti, minkä ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti sähköverkon taajuuden tukemiseen. Vastaavasti vety soveltuu parhaiten suureksi ja pitkäaikaiseksi energiavarastoksi.
Suurimmat esteet energiavarastojen toimivalle liittämiselle osaksi hajautettua energiantuotantoa ovat akkuvarastojen korkea hinta ja vetyvarastojen kehittymättömyys. Vaikka akkuvarastojen hinta on laskenut litiumioniakkujen kehityksen myötä, niiden hinta on edelleen liian korkea. Vetyvarastot tarvitsevat toimiakseen paljon muutoksia infrastruktuurissa, sillä vedyn ja sähkön tuotantolaitokset vievät paljon tilaa. Akku- tai vetyvarastot eivät ole kannattavia sellaisissa maissa, joissa energiaa voidaan varastoida vesivoiman avulla. Akku- ja vetyvarastojen käyttö toisiaan tukevina energiavarastoina mahdollistaa uusiutuvan energian tehokkaan ja taloudellisen käytön tulevaisuudessa.
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan, miten uusiutuvan energian varastoimisesta saadaan toimiva osa hajautettua energiantuotantomallia. Työssä perehdytään erityisesti aurinko- ja tuulivoimalla tuotetun uusiutuvan energian varastoimiseen. Energian varastointimahdollisuuksiksi on tässä työssä rajattu akut ja vety. Akut on rajattu tarkemmin käsittämään vain litiumioniakut. Työssä tarkastellaan ensin, millaisia erityispiirteitä uusiutuvilla energiantuotantomuodoilla ja energiavarastoilla on. Tämän jälkeen tarkastellaan miten sähkön mikro-, pien- ja suurtuotannossa syntyvä ylijäämäsähkö voidaan varastoida energiavarastoon. Lopuksi kandidaatintyössä tarkastellaan vielä sähkömarkkinoiden vaikutusta energiavarastoihin.
Litiumioniakut ovat hyviä energiavarastoja, koska niillä on korkea ominaisenergia ja hyvä hyötysuhde. Litiumioniakkujen ominaisenergian arvo on 75–265 Wh/kg ja hyötysuhde jopa 97 %. Vedyllä on litiumioniakkua korkeampi ominaisenergian arvo, mutta sen hyötysuhde on merkittävästi litiumioniakun hyötysuhdetta matalampi. Vedyn ominaisenergian arvo on 33 000 Wh/kg ja hyötysuhde noin 25 %. Akkuvarastot soveltuvat parhaiten pieniksi ja lyhytaikaisiksi energiavarastoiksi. Akuista voi purkaa energiaa nopeasti, minkä ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti sähköverkon taajuuden tukemiseen. Vastaavasti vety soveltuu parhaiten suureksi ja pitkäaikaiseksi energiavarastoksi.
Suurimmat esteet energiavarastojen toimivalle liittämiselle osaksi hajautettua energiantuotantoa ovat akkuvarastojen korkea hinta ja vetyvarastojen kehittymättömyys. Vaikka akkuvarastojen hinta on laskenut litiumioniakkujen kehityksen myötä, niiden hinta on edelleen liian korkea. Vetyvarastot tarvitsevat toimiakseen paljon muutoksia infrastruktuurissa, sillä vedyn ja sähkön tuotantolaitokset vievät paljon tilaa. Akku- tai vetyvarastot eivät ole kannattavia sellaisissa maissa, joissa energiaa voidaan varastoida vesivoiman avulla. Akku- ja vetyvarastojen käyttö toisiaan tukevina energiavarastoina mahdollistaa uusiutuvan energian tehokkaan ja taloudellisen käytön tulevaisuudessa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]