Hiekka-akku on tehokas varasto

Lämpöä ja sähköä hiekasta?

08.03.2024, kello 09:06

Teksti Heikki Jaakkola | Kuva Scanstockphoto

Hiekka-akku kykenee varastoimaan suuria määriä lämpöä. Hiekka-akku ei kiehu eikä paisu. Hiekka-akun omistaja voi myös osallistua sähkömarkkinoille tarjoamalla tehonsäätöä kumpaankin suuntaan.

Hiekan hyödyntäminen lämpövarastona ei ole uusi idea. Pienessä mittakaavassa ideaa on sovellettu jo kauan asuntojen pönttöuuneissa. Tamperelainen Polar Night Energy on nyt skaalamassa konseptia reilusti suuremmaksi.

Yritys on rakentanut Kankaanpäähän sähköllä lämmitettävän "hiekka-akun". Hiekka-akkuun varastoitu lämpö hyödynnetään kaukolämpöverkossa. Pilottihankkeen lämmitysteho on 200 kilowattia. Lämpöä hiekka-akku kykenee varastoimaan kahdeksan megawattituntia.

Hiekkamassan ytimessä lämpötila on noin 500 astetta, reunoilla vajaat 200 astetta. Taso riittää hyvin kaukolämpöverkon tarpeisiin, missä menoveden maksimilämpötila on 120 asteen luokkaa.

Polar Night Energyn myyntipäällikkö Matti Ulvinen kertoo järjestelmän perustuvan hiekan keskellä kulkevaan suljettuun ilmakanavaan, jossa kiertävä ilma lämmitetään sähkövastuksella. Lämmityksessä voidaan näin hyödyntää uusiutuvista lähteistä saatavaa sähköä silloin, kun sen hinta on sopiva.

Mekaniikka on periaatteessa simppeliä. Pakettiin kuuluu ilmakanavan ohella hiekan varastosiilo, pumput, vastukset ja lämmönvaihdin. Lähemmäs rakettitiedettä päästään, kun mukaan liitetään älykäs automaatiojärjestelmä.

Siilon seinä muodostuu kahdesta teräspinnasta, joiden välissä on 300 mm lämmöneristettä. Itse hiekkaan ei kohdistu erityisiä vaatimuksia.

— Varaavana massana voidaan käyttää helposti ja edullisesti saatavaa perushiekkaa. Hiekan etuna on iso massa ja lämmönvarauskyky suhteessa tilavuuteen. Vedestä poiketen hiekka ei pyri kiehumaan, mikä mahdollistaa tarvittaessa erittäin kuumat lämpötilat. Etua on myös hiekan heikosta lämmönjohtavuudesta: ulkokerroksen matalampi lämpötila auttaa torjumaan lämmön johtumisen hukkaan.

— Mitä rajumpi lämpötilaero rajapintojen välillä on, sen tehokkaammin ero pyrkii tasoittumaan. Matalampi lämpötilaero ulkoilmaan hiekkamassan ulkoreunalla auttaa osaltaan torjumaan lämpöhäviöitä.

Ulvisen mukaan kaukolämpöverkkoa palveleva kahden megawatin teholla lämmitettävä varasto voisi toimia "realistisessa" skenaariossa noin 85 prosentin hyötysuhteella.

— Tämä on laskettu oletuksella, että vuodessa on 3500 huipunkäyttötuntia, joiden kuluessa varastosta otetaan lämpöä seitsemän gigawattituntia.

Järjestelmää voidaan skaalata isompaankin mittakaavaan. Yritys kehittelee jo 200 megawatin lämmitysteholla toimivaa sovellusta, missä hiekkamassan sisälämpötila voitaisiin nostaa tuhanteen asteeseen. Tällainen akku voisi palvella korkeita prosessilämpötiloja tarvitsevaa teollisuutta. Se mahdollistaisi myös sähkö-lämpö-sähkö -ketjun toteuttamisen.

— Korkea lämpötila mahdollistaa tulistetun höyryn tuottamisen, jota voidaan käyttää sähköntuotannossa.

Hyppäys edellyttää Ulvisen mukaan vielä tuotekehittelyä. Lämpötilojen noustessa materiaaleihin kohdistuva rasitus kasvaa eikä lämmönvaihtoakaan voida ehkä toteuttaa samalla tavalla kuin matalammissa lämpötiloissa. Myös hiekan lämmittäminen voidaan toteuttaa eri tavalla.

— Erittäin korkeita lämpötiloja tuotettaessa lämmitys voidaan toteuttaa ilmakanavan sijasta hiekan kanssa suorassa kontaktissa olevalla vastuksella.

Ulvisen mukaan hiekka-akun operoinnissa voidaan reagoida sähkömarkkinoiden tilanteisiin alle sekunnin viiveellä. Akku tarjoaa näin mahdollisuuden osallistua myös sähkön taajuusmarkkinoille.

— Akku tarjoaa valmiuden joko lisätä tai vähentää tehonottoa verkosta tilanteen mukaan, eli joustoa voidaan tarjota molempiin suuntiin.

Kaikki tulovirta lienee tarpeen. Akkulämpöä voidaan pitää lähtökohtaisesti kalliina, koska sen hintaa kasvattaa itse syöttöenergian hinnan lisäksi akkulaitoksen investointikustannus.

— Kahden megawatin tehoinen hiekka-akku maksaa noin kaksi miljoonaa euroa, kymmenen megawatin tehoinen noin kahdeksan miljoonaa euroa.

Mikä on sähkö-hiekkalämpö-sähkö-ketjun kannattavuus?

Polar Night Energyn tuotekehittelyä seurataan energiayhtiö Ilmattaressa. Kehitysjohtaja Katja Koponen kertoo yritysten yhteistyön olevan tässä vaiheessa alkuvaiheen tuotekehitystä. Tuulisähköä tuottavassa Ilmattaressa on kuitenkin tunnistettu tarve energian varastointikeinojen laajentamiseen.

— Perinteiset litiumakut eivät tarjoa kohtuullisella hinnalla riittävän isoa kapasiteettia.

Tuulisähkön tuottajaa kiinnostaa tietysti erityisesti sähkö-lämpö-sähkö-ketjun toteuttaminen hiekka-akun avulla. Koposen mukaan ketjun hyötysuhde on "pykälän verran" parempi kuin sähkö-vety-sähkö-ketjussa. Tässä teknisen hyötysuhteen heikkous rajoittaa tiukasti taloudellista kannattavuutta.

— Hiekka-akku-ratkaisussa kannattavuutta parantaa mahdollisuus myydä varastoitua ja sähköntuotannossa syntyvää lämpöä, mutta myös sähköä.

Lämmön myynti edellyttää kuitenkin akun rakentamista varsin lähelle asiakasta tai kaukolämpöverkkoa. Koposen mukaan tähän ei liity lähtökohtaisesti suuria ongelmia.

— Hiekka-akkuun ei liity erityistä riskiä kemikaalivuodoista tai tulipaloista.

Akkuinvestoinnin taloudellinen kannattavuus perustuu sähkön tuntihintojen rajuun vaihteluun. Sen taustalla on sähkömarkkinoiden kypsymättömyys ja sään mukaan voimakkaasti vaihtelevan sähköntuotannon kasvu. Sähkön kulutusjoustot ja varastointiratkaisut eivät ole kehittyneet samaa vauhtia aurinko- ja tuulisähkön yleistymisen kanssa. Moni yrittää nyt hyödyntää eri keinoilla tilannetta, mikä voi osaltaan tasoittaa tuntihintojen vaihtelua tulevaisuudessa.

Koponen uskoo sähkön hinnan voimakkaan vaihtelun jatkuvan 2030-luvun alkupuolelle. Vetyteknologian kehitys ei vielä mullista markkinoita lähivuosina. Lisäksi uutta teknologiaa käyttävien suurten energiavarastojen rakentaminen vie oman aikansa.

— Isoja energiavarastoja on kaavailtu pumppuvoimaloiden muodossa, mutta nämäkin ovat 5–8 vuoden projekteja.

#kaukolämpö #uusiutuva energia