Miksi sähköä on niin vaikea varastoida?

23.2.2018

Sähköenergian varastointi on ollut iso haaste. Akkuteknologia kehittyy kuitenkin vauhdilla, mikä saattaa mullistaa tulevaisuuden sähkömarkkinat.

Kainuulaisissa kodeissa koettiin vuodenvaihteessa kylmiä ja pimeitä öitä. Tykkylumen takia tuhansia kotitalouksia oli sähköttä pahimmillaan jopa viikkoja, ja monilla sähköt toimivat vain tunnin kerrallaan. Uutisissa puhuttiin sähkökaaoksesta ja poikkeustilasta. Entä jos kodeissa olisi ollut omat sähkövarastot? Olisiko niiden avulla estetty alueellinen hätätilanne, josta varoitettiin jopa valtakunnanverkossa? Sähköenergian varastointi helpottaisi toiminnan ennakointia sähköyhtiöissä ja tekisi kotitalouksista omavaraisempia.

Akkuvarastoja on jo
Sähkö on liiketoiminta-alue, jossa kysynnän ja tarjonnan on oltava tasapainossa sekuntitasolla. Monella muulla alalla tasapainoa hoidetaan varastoilla. Lelutehdaskaan ei valmista uutta lelua ennen kuin lapsi keksii sellaista vaatia. Toisaalta sähköenergian pienimuotoinen varastointi akkuihin on arkipäivää: kännyköissä ja autoissa on akut. Miksei sähköä saada varastoitua laajemmin?

Varastoinnissa on monta pulmaa. Kännykän akussa on energiaa muutaman wattitunnin verran, normaalissa auton akussa korkeintaan yhden kilowattitunnin verran. Jos tuuli- ja aurinkosähkön päivittäisiä vaihteluita halutaan tasoittaa sähköenergian varastoinnilla, energiaa pitää varastoida tuhansia kilowattitunteja eli megawattitunteja.

Sähkönjakeluala on haikaillut varastoinnin perään siitä lähtien kun sähkö otettiin käyttöön 1800-luvulla. Jo 1900-luvun alussa Helsingin
sähköasemilla oli isoja akkuvarastoja. Varastointi on ollut mahdollista, muttei kustannustehokasta eikä tarpeellista.

Kivihiilestä päästöttömyyteen
Jos ajattelee laajemmin, energiajärjestelmässä on jo isot varastot, joita hyödynnetään tehokkaasti. Ne vain ovat erikoisessa muodossa: maan alla maakaasuna, hiilenä ja öljynä. Pohjoismaissa on myös huomattavan isot vesivarannot, joilla voidaan tasoittaa päivittäisiä sähkönjakelupiikkejä. Joka aamu Pohjoismaissa ajetaan ylös tuhansia megawatteja vesivoimatehoa. ”Myös Helsingin hiilikasat ovat sähkövarasto”, sanoo VTT:n johtava tutkija Pasi Vainikka. Maailman energiasta 80 prosenttia tuotetaan hiilen kaltaisilla fossiilisilla polttoaineilla. ”Muulle ei ole ollut tarvetta.” Mutta nyt on: ilmastonmuutoksen takia kivihiilestä pitäisi päästä eroon. Sen käyttö kielletään vuonna 2030, ja Pariisin ilmastosopimuksen mukaisesti vuoteen 2050 mennessä Suomessakin on oltava päästötön energiajärjestelmä. ”Sähkö todennäköisesti ottaa primäärienergian roolin”, Vainikka sanoo. ”Jos tulevaisuudessa käytetään pääasiassa – tai ainoastaan – uusiutuvia energialähteitä, tarvitaan sekä lyhytaikaista että pidempiaikaista varastointia”, Vainikka toteaa.

Sähköakut ja vesivarannot säätelijöinä
Jos uusiutuvaa energiaa olisi paljon, vaadittaisiin kahdenlaista sähkön tasausta: vuorokauden sisäistä ja kausittaista. ”Neo-Carbon Energy -tutkimushankkeessa kehitetyt mallit osoittavat selvästi, että sähköakut toimivat hyvänä tehovarastona.” Suomen olosuhteissa sähköakut voisivat hoitaa aurinkoenergian varastoinnin maalis–syyskuussa, kun Suomessa on pitkät päivät ja siksi yllättävän suuri aurinkoenergiantuotantoteho. Akut säätäisivät tehoa päivisin ja purkaisivat latausta illalla ja yöllä.

Perinteisesti aurinkosähköakut ovat olleet lyijyakkuja, mutta tehokkaammat litiumakut tulevat vähitellen myös aurinkosähkömarkkinoille. Esimerkiksi Saksassa markkinoilla on jo omakotitalojen aurinkosähköjärjestelmiin tarkoitettuja litiumakkuja. Toisin kuin lyijyakuissa, litiumakuissa ei ole ympäristölle haitallisia raskasmetalleja. Litiumakkujen ongelmana on ollut niiden epävakaus. Ne eivät ole sietäneet
ylilatausta. Kausienergian säätelyyn näyttäisivät tulevaisuudessakin toimivan tehokkaimmin vesivarannot. Niitä täydentävät sähköstä kaasua tai polttoainetta tuottavat tekniikat sekä maakaasuvarastot. ”Päästöttömässä energiajärjestelmässä ne voisivat pitää Suomen sähköjärjestelmän pystyssä tammi–helmikuussa, kun ei paista tai tuule moneen viikkoon”, Vainikka sanoo.

Sähköautot akkuteknologian kärjessä
Palataan nykypäivään. Toistaiseksi akut riittävät mökkiolosuhteisiin, mutta ne ovat kalliita. Muitakin vaihtoehtoja on, kuten varastointi kemialliseen polttoaineeseen. Sen suurin ongelma on kuitenkin huono hyötysuhde. Matka sähkön kannattavaan varastointiin on vielä pitkä. Vai onko? Akuilla on samanlainen hintakäyrä kuin aurinkopaneeleilla, muistuttaa Jarmo Partanen, sähkötekniikan professori Lappeenrannan yliopistosta. Karkeasti sanottuna hintakäyrä näyttää tältä: kun maailmanlaajuinen kapasiteetti kaksinkertaistuu, hinta putoaa 20 prosenttia. ”Ja nyt ollaan kehityskäyrän alkupäässä eli akut halpenevat vielä huomattavasti”, Partanen jatkaa.

Kehitys ei kehity itsestään, vaan sitä kiihdyttävät erityisesti sähköautot. Niissä akkujen kapasiteettitarve on suuri. Kaikki autonvalmistajat kehittävät tohinalla akkuteknologiaa, ja tahtia vauhdittaa lainsäädäntö: autonvalmistajilla on EU:ssa myytyjen autojen päästökatto. ”Oli Suomen liikennepolitiikka mitä tahansa, Suomessa ostetaan sellaisia autoja, joita valmistetaan”, sanoo Pasi Vainikka.

Siksi Suomenkin teillä tullaan lähivuosina näkemään entistä enemmän sähköautoja – ja samalla myös tehokkaita sähkövarastoja. Tutkijoiden mukaan sähköautoakkujen tulo voi myllertää sähkömarkkinat. Tutkijoiden hurjimmissa skenaarioissa kotitalouksista tulee sähkömarkkinaosapuolia. Autot hoitaisivat nykyistä varastointiongelmaa, sanoo Vainikka. ”Omilla varastoilla on jopa mahdollista saada rahaa. Kun rakennukset tulevat älykkäämmiksi, ne pistävät sähkömarkkinoita uusiksi. 

Älykoti hoitaa varastointia ja tasausta, ja laitteet itsessään säätävät energiantarvetta.” Samaan aikaan aurinkosähkö yleistyy kohisten. Sen käyttö kolminkertaistuu vuosittain.

Uuden ja vanhan ylimenokausi
Suomalaisista kotitalouksista tuskin tulee laajasti omavaraisia, tutkijat toppuuttelevat. Miksei? Jos sähköä saa taivaalta lähes ilmaiseksi, mihin sähköyhtiöitä enää tarvitaan? ”Suomen oloissa energiayhtiöiden rooli on tulevaisuudessakin keskeinen ja selkeä”, sanoo Jarmo Partanen. Syy on ihmisten mukavuudenhalu. ”Enemmistön toiveena on easy living, helppo elämä. Maksamme mielellämme sähkönjakelun varmuudesta ja siitä, ettei tarvitse touhuta akkujen ja aurinkopaneelien kanssa, kunhan kustannukset ovat kohtuulliset.”

Tutkijoiden mukaan sähkö on Suomessa kuluttajalle absoluuttisesti halpaa. ”Jos aurinkopaneeleilla voi säästää kymmenen prosenttia, se ei vielä innosta muutokseen. Tarvitaan ideologisempi syy. Hintaero on pieni verrattuna verkkosähkön tuomaan varmuuteen”, Pasi Vainikka toteaa.

Energiayhtiöiden rooli on ylläpitää verkkoa ja tasata tehopiikkejä. Sähkön varastoinnista huolehtivat entistä enemmän kotitaloudet. Tutkijoiden mukaan parhaillaan on käynnissä ylimenokausi, jossa uusi ja vanha teknologia elävät rinnakkain. Kymmenen vuoden päästä Suomessa voi elää sukupolvi, joka hämmästelee taloja, joiden katoilla ei ole aurinkopaneeleja.