Energianvarastointimuotojen vertailu sähkön vaihtelevan tuotannon ja kulutuksen tueksi

Abstract

Uusiutuvan energian jatkuva lisääntyminen kasvattaa sähkön tuotannon epävarmuutta. Sähkö on hyödykkeenä erityisessä asemassa, sillä sen tuotannon ja kulutuksen tulee aina olla tasapainossa. Ennen säästä riippuvien uusiutuvien energianlähteiden yleistymistä tätä tasapainoa hallittiin säätämällä kulutusta tai tuotantoa tasapainon saavuttamiseksi. Uusiutuvan energian yleistyessä energian tuotannon vaihtelut kasvavat kuitenkin niin suuriksi, ettei kulutuksen ja tuotannonsäätö ole enää järkevästi toteutettavissa. Energiavarastoilla pyritään vastaamaan tähän ongelmaan varastoimalla energiaa ylituotannon aikana ja purkamalla niistä energiaa, kun muu tuotanto on vähäistä. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on perehtyä energianvarastointiteknologioihin, niiden vertailuun ja lopulta soveltamiseen Suomen toimintaympäristössä.

Tämä työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena ja se perustuu Scopus-tietokannasta kerättyihin artikkeleihin, sekä relevantteihin tilastoihin. Tilastojen avulla selvitettiin Suomen sähköjärjestelmän nykytilaa sekä perusteltiin tarve energianvarastoinnille. Tilastojen ja artikkeleiden pohjalta rakennettiin ymmärrys energianvarastoinnin nykytilaan ja käytössä oleviin teknologioihin. Kirjallisuuden ja tilastojen pohjalta valittiin kolme teknologiaa, joita voidaan mahdollisesti hyödyntää Suomen sähköjärjestelmän tukena. Nämä teknologiat olivat pumpattu vesivoima, litiumioniakut sekä vetyvarastot. Artikkeleiden avulla löydettiin avaintekijöitä, joiden avulla energiavarastoja voidaan vertailla. Nämä tekijät jakautuivat teknisiin (vasteaika, teho ja purkautumisaika), taloudellisiin (elinkaarikustannukset ja tasoitetut varastointikustannukset) sekä teknologioille ominaisiin riskeihin ja haasteisiin. Tekniset tekijät määrittelevät, millä sähkömarkkinoiden osa-alueilla kukin teknologia voi toimia sekä minkä kokoluokan laitoksiin teknologiaa voidaan hyödyntää. Taloudelliset tekijät kertovat teknologian kustannusten nykytilaa ja pyrkivät ennustamaan kustannuksia tulevaisuudessa. Haasteiden ja riskien tunnistamiseksi hyödynnettiin muokattua PESTEL-analyysiä, jotta saatiin suoritettua kattava analyysi teknologioiden suurimmista yhteiskunnallisista haasteista ja riskeistä. Tulososiossa teknologioita verrataan määritettyjen tekijöiden avulla ja näiden tulosten perusteella päätelmät osiossa pohditaan teknologioiden kelpoisuutta Suomen sähköjärjestelmään.

Työn päähavaintoihin kuuluu se, ettei yhdellä energianvarastointiratkaisulla voida ratkaista jokaista sähköverkon ongelmaa. Litiumioniakut soveltuvat todella monipuolisesti lyhyen ja keskipitkän tarpeen energianvarastointiin. Litiumioniakkujen kustannukset ovat korkeat, mutta ne laskevat jatkuvasti. Niillä on myös todettuja turvallisuusriskejä liittyen akkujen palamiseen. Vetyvarastot ovat utopistinen vihreä ratkaisu energian varastointiin, mutta todellisuudessa ne ovat kustannustehokas vain pitkäaikaiseen energianvarastointiin. Niiden implementointia on ajettu poliittisesti jo pitkään, mutta tulokset ovat heikkoja. Pumpattu vesivoima on tämän hetken hallitseva energianvarastointiratkaisu. Sen suosio on kuitenkin jatkuvasti laskussa, sillä se ei ole kokenut merkittävää kehitystä teknisesti tai taloudellisesti. Tämän työn perusteella vety soveltuu siis pitkän aikavälin ja litiumioniakut lyhyen sekä keskipitkän aikavälin energianvarastointiin. Tutkimuksen tulokset tarjoavat organisaatioille yksinkertaisen katsauksen energiavarastojen vertailuun. Työn tulokset eivät kuitenkaan ole täysin aukottomia, sillä työssä ei huomioida kaikkia energianvarastointiteknologioita eikä varastointiteknologioiden yhdistelmiä, niin kutsuttuja hybridiratkaisuja.