Olen aikaisemmin viitannut siihen, etten usko sähkönvarastoinnin olevan lähitulevaisuudessa missään määrin realistinen vaihtoehto esimerkiksi tuulivoimatuotannon tasoittamiseen kulutusta vastaavaksi. En kuitenkaan perustellut tätä sen laajemmin, koska pidin asiaa melko itsestäänselvänä. Olen kuitenkin huomannut, että monelle tämä EI ole itsestäänselvyys joten päätin kirjoittaa asiasta hiukan tarkemmin.
Tekemättä mitään kummallisia oletuksia saan tuulivoiman kustannukseksi noin 10 senttiä/kWh. Kapasiteettikertoimen oletin kuitenkin optimistisesti olevan 30%. Tähän lisäsin rinnalle akun, johon voidaan varastoida 10% vuosituotannosta. Tämä on taso mitä vaaditaan rajusti hajautetun tuulivoimatuotannon tasoittamiseen kulutusta vastaavaksi. Totesin sen itse täällä raportoiduissa leikeissäni, mutta saman suuntaiseen (hiukan korkeampaan tosin) lukuun on päädytty myös oikeissa julkaisuissa (Heide et al.). Oletan optimistisesti, ettei mistään hukkaprosesseista tarvitse välittää, ja että akun elinikä on vähintään 20 vuotta. Saan näin laskettua arvion sähkön hinnalle varastoinnin kanssa ja esitän sen oheisessa kuvassa.
Tällä hetkellä maksamme sähköstä joitain prosenttiyksiköitä BKT:sta ja jos asetamme kipurajan 10% tasolle niin uusiutuviin nojaavan verkon sähkövarasto ei saisi maksaa enempää kuin noin 10$/kWh. (En sano, että 10% taso olisi mitenkään suotavaa. Koska sähkö on niin keskeisessä roolissa lähes kaikkialla, on sen merkitys taloudessa paljon suurempi kuin sen osuus BKT:sta. 10% taso tarkoittaisi taloudellista katastrofia.) Kuten kuvasta käy ilmi mahdollisten varastointiratkaisujen kustannukset ovat rajusti tätä tasoa korkeampia. En merkinnyt kuvaan paineilmavarastoinnin kustannuksia, mutta ne ovat ilmeisesti korkeampia kuin veden pumppaamisen kustannukset ja lisäksi järjestelmät toimivat maakaasulla mikä on ilmastosyin ikävämpi asia. Samoin energian varastoiminen elektrolyysillä tuotettavaan vetyyn ei muuta mitään olennaista. Sähkönvarastointi on vanha ongelma ja jos se olisi helppoa ja halpaa, laajamittaista sähkönvarastointia harrastettaisiin jo nyt.
Usein törmään ihmisiin, jotka hehkuttavat milloin mitäkin varastointiteknologiaa ja perustelevat intoaan sillä, että tavalla x varastoinnin hinta on vain tämä kolminumeroinen luku eikä suinkaan tämä vaihtoehtoinen kolminumeroinen luku. Mikäli varastoinnilla voisi olla olennaista roolia poistamaan satunnaisten uusiutuvien riippuvuuden fossiilisista polttoaineista täytyy sen kustannuksen olla YKSInumeroinen luku. Mikään esitetty vaihtoehto ei pääse tätä edes lähelle. Pelkät akkujen materiaalikustannukset ovat merkittävästi korkeampia kuin yllä esitetty kipukynnys. Ei siis vaadi suuria ennustajanlahjoja nähdä, että näitä ratkaisuja ei tulla tekemään muuten kuin suurin kustannuksin pienessä mittakaavassa. Olen kuitenkin melko varma, että näitä yhdentekevyyksiä tullaan hehkuttamaan paljon. Niille on ideologiaan sopiva tilaus ja siksi moni mieluummin sulkee silmänsä niiden yhdentekevyydelle ja fantasoi niille maailman missä ne ovat merkittävämpiä.
On myös hyvä huomata mitä nuo materiaalivaatimukset voivat käytännössä tarkoittaa. Jos maailma tuottaa satunnaisilla uusiutuvilla keskimääräisen 5000GWe tehon ja varastoimme siitä 10%, on akkujen kyettävä varastoimaan reilut 4 petawattituntia. Nopea (ja kenties huolimaton) googlaus antaa ymmärtää, että lyijyä vaadittaisiin ehkä noin 800 kertaa maailman lyijyreservien verran, litiumia ehkä 140 kertaa reservien verran ja vanadiumia noin 500 kertaa enemmän kuin reservien koko….ja tämä siis omana elinaikanani. Akkujen olisi kyettävä tuottamaan koko yhteiskunnan kuluttuma sähköteho mikä tarkoittaa, että esimerkiksi kaikki vesivoimalat eivät missään nimessä voi riittää, koska niiden kapasiteetti on riittämätön.
Liikenteen kohdalla sähkönvarastointi ei ole aivan näin epärealistista (aika epärealistista kuitenkin nykytilanteessa). Liikenteessä riittää noin 1% varasto, joten varastoidun kWh:n hinta voi olla korkeampi ennen kuin kipukynnys ylittyy. (Jos tankkaat auton pari kertaa viikossa, niin tankki vastaa noin 1% vuotuisesta kulutuksesta.) Tämä mittakaavaero myös indikoi, että (toisin kuin jotkut hypettävät) sähköverkon tarvitsemaa varastointia ei voi rakentaa järkevästi auton akkujen varaan. Jos liikenne sähköistyy, niin auton akkujen sisältämä energiamäärä on pieni osa siitä sähkövaraston määrästä mitä esimerkiksi tuuleen pohjaava verkko tarvitsisi. Monien muiden hankaluuksien lisäksi nuo aiemmin jo mainitut materiaalivaatimukset ovat selvänä esteenä, kuten myös se, että autojen akut luultavimmin ladattaisiin yöllä ja ne eivät ole samalla tavalla käytettävissä päivällä, kun sähkönkulutus on korkeampaa. Liikenteen sähköistys nostaisi sähkönkulutusta nimenomaan yöllä eli se pienentäisi kulutushuipun ja -minimin välistä eroa. Sen seurauksena verkkoon mahtuu enemmän aina päällä olevaa perusvoimaa ja maailmassa missä fossiilisia polttoaineita ei enää hyväksytä, se perusvoima on, piti siitä tai ei, ydinvoimaa. Laajamittaisen sähkönvarastoinnin hankaluus ja kustannukset pitävät tästä huolta. On tavallaan hauskaa huomata kuinka vaikeaa tämän itsestäänselvyyden toteaminen voi olla silloin, kun vastaus on määritelty vääräksi ennen kysymystä.
Aiheeseen liittyen:
- “Pumped up storage” : Do the Math
- “Got storage? How hard can it be?”: Do the Math
- “A Nation-sized battery”: Do the Math
11 comments
Comments feed for this article
09/04/2012 at 8:56 AM
Rauli Partanen
Noista vaadituista raaka-aineista. Et ole ainoa lähde josta olen lueskellut tuon tyylisiä laskelmia siitä, minkä verran tarvitaan raaka-aineita alternatiivisen energia-infran rakentamiseen. Juuri kesken oleva teos:
– Global Resource Depletion (Diederen André)
Sekä
– Red Alert (Stephen Leeb)
Mainitsevat näistä asioista. Jälkimmäinen jopa menee niin pitkälle, että kutoo varsin mielenkiintoisen oloisen teorian Kiinan haluttomuudesta viedä harvinaisia maametallejaan ja toisaalta sen halukkuudesta buustata omaa alternatiivisten energianlähteiden (laitosten) tuotantoaan ja tuotantolaitoksiaan nyt, kun nämä resurssit vielä ovat suhteellisen halpoja ja runsaita.
Mutta joo, se mikä näissä keskusteluissa usein tuntuu unohtuvan, itseltänikin, on että mikäli haluamme rakentaa “Merkittävän” osan infrasta tai energiantuotannosta uudestaan, niin se vaatii tällöin varsin “Merkittävän” panostuksen energiaa ja raaka-aineita. Ihmisllä on se mielikuva että sähköautoja tai jotain muita saa niin paljon kuin kaupasta jaksaa käydä kotiin ostamassa. Se tuotantokapasiteetin, tai oikeastaan sen koko tuotantoketjun joka vaiheessa olevat potentiaaliset pullonkaulat kuitenkin viivyttävät tuotantoa nyt, ja viivyttävät sen kasvuvauhtia jos kysyntä onkin tarjontaa suurempaa.
10/04/2012 at 1:09 PM
J. M. Korhonen
Hyvä kirjoitus!
Voisi vielä mainita, että sähköautojen käyttö energian varastoinnissa ja tehon tasauksessa kaatuu myös siihen, että akku on auton kallein yksittäinen kuluva osa, ja varastointi tulee kuluttamaan akkua koko lailla.
Jos taas akkuteknologia ihmeellisesti halpenee, tulee silti olemaan halvempaa rakentaa vastaavan tehoinen kiinteä energiavarasto, eikä kitkutella auton akkujen kanssa.
10/04/2012 at 1:52 PM
Jani-Petri Martikainen
Jep, kovin turhalta mutkalta ne auton akut vaikuttavat. (Olin hiukan varovainen sen suhteen mitä sanoin akkujen kestävyydestä. Jostain luin, että vanadium akkujen elinikä ei ole yhtä rajoittunut kuin vaikka lyijy- tai litiumakuilla.)
11/04/2012 at 6:17 AM
Jani-Petri Martikainen
Kiitos kommenteista. Lyijyakkuihin varastoidaan noin 41 Wh/kg ja ilmeisesti painosta 60% on lyijyä ts. 15kg lyijyä/kWh. Litiumia tarvitaan wikipedian mukaan 400 g/kWh ja nyt linkitetty vanadium akkujen mainoshirvitys antaa pienellä tekstillä ymmärtää vanadium tarpeen olevan noin 2 kg/kWh. Luvuissa on tietenkin jonkin verran heittoja, mutta kustannusarviot olen pyrkinyt ottamaan pikemminkin sieltä hintahaitarin halvemmasta päästä.
12/04/2012 at 9:19 AM
Kaj Luukko
Minulla on tapana sanoa, että kaikki suuret energiatekniikan keksinnöt ydinenergiaa lukuunottamatta on tehty jo yli sata vuotta sitten. Tämä pätee myös sähkön varastointiin, valitettavasti. Mitään mullistavia uusia keksintöjä ei ole edes näköpiirissä. En ole pessimisti. Olen inhorealisti. Ne fysiikan lait jotka tässä pätevät ovat mitä ovat eivätkä muuksi muutu.
12/04/2012 at 9:39 AM
Jani-Petri Martikainen
Olen samaa mieltä. Pikku parannuksia siellä täällä tapahtuu, mutta ei mitään riittävän mullistavaa. Ehkä varastointi jollain toisella tapaa on toimivampaa autoissa. Fossiilisethan ovat tavallaan varastoitua kemiallista energiaa. Keskustelimme joskus lyhyesti Bleesistä, joka kirjoitti boorilla toimivista autoista.Tankkiin tarvittaisiin sitä kenties 14 kg (20litraa bensaa ekvivalentti) ja jos hinta on 5000$/kg yhdessä autossa tankki maksaisi 70000$. Summittainen hinta kwh:lle primäärienergiaa olisi sillä ehkä 360$/kwh. Kalliiksi sekin siis tulisi 😦 Reservien koko on kait nyt noin 400 miljardia kiloa booria eli ainakin nimellisesti tavaraa on tarpeeksi.
12/04/2012 at 12:22 PM
Kaj Luukko
Boorin käyttö polttoaineena on ideana kyllä mielenkiintoinen. Koska kaikki eivät ole Bleesin kirjaa lukeneet, ehkä lyhyt kertaus on paikallaan.
Auto “tankataan” boorilla. Se poltetaan puhtaassa hapessa, ja näin syntyneellä lämpöenergialla käytetään kaasuturbiinia, joka antaa käyttövoiman autolle. Happi valmistetaan ilmasta laitteistolla, jollaista ei ole vielä autoon soveltuvassa kokoluokassa olemassa (?). Palamistuotteena syntyvä puhdas boorioksidi varastoidaan, toimitetaan “huoltoasemalle”, ja tilalle tankataan booria. Boorioksidi pelkistetään sähköllä takaisin booriksi, joten järjestelmä ei varsinaisesti kuluta booria lainkaan, kuten ei lyjyakkukaan lyijyä.
Onko tuo konsepti toteuttamiskelpoinen, sitä en tiedä, mutta se on ainakin esimerkki innovaatiosta, joita maailma kipeästi tarvitsee. Edellytyksenä järjestelmän toimivuudelle on tietenkin edullinen primäärienergia, johon Blees tarjoaa nopeaa reaktoria U-Pu-polttoainekierrolla. Edullisempaa vaihtoehtoa tuskin tulee ikinä löytymään. Torium ehkä.
12/04/2012 at 2:11 PM
Jani-Petri Martikainen
Se oli kyllä kiinnostava idea. Blees oli vain niin innostunut asiasta, että aloin heti epäilemään, että jossain on koira haudattuna. Ehkä tuosta pitäisi jonkun joskus kirjoittaa paremmin. Ammoniakkia (ammonium englanniksi…kait sama aine?) on myös ehdotettu energiankantajaksi. Typpeä on kuitenkin ilmakehä täynnä. Sen kohdalla epäilen vain, että tankin vuotaminen on ongelma. Samoin se tuskin helpottaa ympäristöpaineita mitkä liittyvät reaktiividen typen vuotamiseen ympäristöön.
22/04/2012 at 8:32 PM
No mitä sitten mielestäni pitäisi tehdä? « PassiiviIdentiteetti
[…] korvaaminen liikenteessä on vaikeaa. Kirjoitin aikaisemmin siitä kuinka vaikeaa sähkönvarastointi on ja tämä varmasti rajoittaa sähköautojen […]
05/01/2013 at 9:14 AM
Energian kerrannaisvaikutuksia « PassiiviIdentiteetti
[…] mutta tekniikkaa jolla tämä voitaisiin tehdä riittävässä skaalassa ei ole olemassa, koska kustannukset ovat aivan liian korkeita. Jos varastointia yritetään, on sen kustannukset laskettava tuotantokustannuksiin mukaan, mutta […]
21/06/2013 at 6:57 AM
No mitä mielestäni sitten pitäisi tehdä? | PassiiviIdentiteetti
[…] korvaaminen liikenteessä on vaikeaa. Kirjoitin aikaisemmin siitä kuinka vaikeaa sähkönvarastointi on ja tämä varmasti rajoittaa sähköautojen […]