Energia

by

Mihin sähkö varastoidaan? Akkuteknologioiden seuraavat askelet

Keskustelimme kesälomalla sähköautoista. Eräs seurueen jäsenistä totesi, että sähköautojen määrän kasvu voi jäädä kiinni akkuteknologiasta: akkujen kehitys kun on jämähtänyt paikalleen kun vertaa vaikkapa mikroprosessorien prosessointitehon tai aurinkopaneelien kehitykseen. Myöskään näköpiirissä ei ole suurta läpimurtoa.

Jäin miettimään väitettä, koska muistelin kuitenkin lukeneeni monista lupaavista tutkimuksista, joissa akkuteknologiaa on viety eteenpäin tämän hetken de facto-toteutuksista, lyijy– ja litiumioniakuista. Näistä, yleensä tiedesivujen pikku-uutisista ei vielä ole todistamaan tulevaa, koska tutkimustuloksista on vielä pitkä matka toteutuskelpoiseen tuotteeseen. Päätin kuitenkin tehdä pienen tutkimusmatkan internetin puolella akkujen nykytilaan.

Akunkehityksen ongelmista kertookin se, että akut kestävät nykyään heikonlaisesti: näytöt ja prosessoritehot kasvavat, mutta virtasyöppöjen ominaisuuksien kasvaessa akut eivät ole parantuneet samassa suhteessa. Sähköautoilla on vielä pitkä matka bensiinikäyttöisen auton kantamaan. Akkuja tarvitaan moneen asiaan, ja tällä hetkellä niistä tavalliselle kansalaiselle tutuin ja näkyvin ovat erilaisten kannettavien päätelaitteiden akut.

Mobiililaitteiden lisäksi on kuitenkin muutama kategoria, joissa tulevaisuudessa tullaan tarvitsemaan valtava määrä sähkön varastointikapasiteettia tai vaihtoehtoisesti uusia, paljon nykyistä tehokkaampia akkuteknologioita:

Nämä kolme ovat

  • Uusiutuvan energian varastointi
  • Pitkän kantaman sähköautot
  • Mobiililaitteiden uudet muodot eli puettava teknologia.

Näillä kaikilla kolmella kategorialla on hyvin eri vaatimukset akuille, joten samat ratkaisut eivät välttämättä toimi kaikille.

Uusiutuvat sähköntuotantomenetelmät ovat kovassa nosteessa. Aurinkopaneelien tehot(hyötysuhde) ovat kasvaneet ja uusiutuvien tuotanto on jo hinnaltaan parhaina aikoina ja parhaissa paikoissa fossiilisia menetelmiä edullisempaa. Eräänlainen vedenjakaja on Australian energiantuotannosta kertova juttu, jossa fossiilisten hinta on kääntynyt hetkellisesti negatiiviseksi. Matkaa on vielä vastaaviin tehoihin muualla maailmassa, mutta tällä hetkellä sähköntuotannon varastoiti on uusiutuville suuri ongelma ja samalla suurin pullonkaula fossiilisesta säätövoimasta eroon pyrittäessä.

Sähköautot ovat tulleet markkinoille, mutta kantamassa on haasteita. Myös latausajan tulee olla nopea, kun autoja aletaan ladata matkalla.

Puettava teknologia ja ”lisätyn todellisuuden” teknologiat kuten Google Glass, erilaiset anturit ja vastaavat ovat matkalla hypekäyrän huipulle, mutta ilman akkuteknologian läpimurtoa näiden kehitys tai vähintäänkin laajempi käyttöönotto voi viivästyä.

Nykytila

Tällä hetkellä akkuja on pääosin kahdenlaisia: lyijyakkuja sekä litiumakkuja. Lyijyakut ovat tutuimpia autojen starttimoottoreista, kun taas litiumakkuja ovat pääosin kaikki muut kuluttajatuotteissa käytettävät akut: kännyköiden, kannettavien tietokoneiden ja sähköautojen. Tesla Motors on lyönyt suunnitteilla olevalla tehtaallaan vetoa siitä, että litiumioniakut tulevat olemaan tulevaisuudessakin sähköautojen pääasiallinen akkutyyppi [1].

Akkujen tämänhetkisten heikkouksien vuoksi on mahdollista, että monet pienikulutuksiset laitteet pyritäänkin saamaan ensisijaisesti tuottamaan oma virtansa. 80-luvun lapset muistanevatkin vanhoja taskulaskimia joissa oli patterien lisäksi, joskus jopa ainoana virranlähteenä pieni aurinkokenno. Nytkin on myynnissä mekaanisia kelloja, jotka saavat tarpeellisen virran kehon liikkeestä. Näitä kelloja tosin ei ole hyvä unohtaa pariksi päiväksi yöpöydälle.

Laitteeseen liitettävät latausmekanismit (suomalaisen Leia Median epaperi, kännykkään lisättävä aurinkokenno, Powermat, älypiilarit) varmasti tulevat yleistymään. Vaikka kaikissa laitteissa tämä ei riittäisikään, nämä menetelmät tulevat auttamaan vähintään akunkeston pidentäjänä. Pienimmillä ja vähiten virtasyöpöillä laitteilla ei tulla tarvitsemaan erillistä latausta.

Akunkeston osa-alueet

Akkuteknologiassa on monta eri osa-aluetta. Tärkeimmät ominaisuudet ovat

  • hinta
  • akunkesto ja käyttöikä
  • kierrätyskelpoisuus, terveysriskit ja ympäristömyrkyt
  • energiatiheys (energy density) ja koko – nämä kaksi siis ovat naimisissa sillä mitä suurempi energiatiheys, sen pienempään tilaan saman määrän energiaa varastoiva akku menee
  • lämpötila (eli toimiiko akku ääriolosuhteissa, kuten hyvin kylmässä ja kuumassa. Tästä jo Suomen oloissa on ikäviä esimerkkejä älypuhelimissa.
  • latausnopeus
  • purskeisuus, tasainen energianluovutus

Eri käyttökohteissa eri osa-alueilla on isompi painoarvo. Hinta on merkittävä tekijä lähes kaikissa kategorioissa. Kuitenkin esim. energian varastoinnissa hintaa tärkeämpää on akunkesto, koska kallis akku voi kuroa hintaeron takaisin luotettavuudella ja pitkällä käyttöiällä. Kännykän akun vaihtaa helposti, isoa energiavarastoa ei niin mielellään. Vanhat, edelleen autoissa käytössä olevat lyijyakut ovat terveysriski. Kierrätyskelpoisuus tulee olemaan entistä isompi tekijä, mitä enemmän akkuja tarvitaan. Sekä lyijy- että litiumioniakuilla on ongelmia käyttöiän kanssa, joskin litiumioniakku on näistä kahdesta merkittävästi parempi.

Uusiutuvan energian varastoinnissa akun viemä tila ei ole niin kriittinen, mutta akun on kyettävä tasaiseen ja varmaan virran purkuun ja kestettävä jatkuvaa lataamista. Sähköautolla vaadittu virta on purskeisempaa ja latauksessa vaaditaan nopeutta. Mobiiliteknologiassa pieni koko ja myrkyttömyys ovat ensisijaisia. Koska akun koko ja varastointikyky ovat suhteessa toisiinsa, voi kuitenkin sanoa että jokainen askel akkuteknologiassa edistää koko kenttää tavalla tai toisella.

Litiumakun seuraavat askeleet ja litiumista eteenpäin

Tesla Motors luottaa siihen, että litiumioniakut tulevat jatkamaan. Uusi Gigafactory on valmis tuottamaan vuonna 2020 yhtä paljon akkukapasiteettia kuin 2013 tuotettiin koko maailmassa [1]. Tesla arvioi, että skaalaetu voi alentaa litiumioniakkujen hintoja jopa 30%.

Tällä hetkellä on meneillään paljon tutkimusta litiumakkujen parantamisesta, ja potentiaalia akkujen kehittämiseen on.

Japanissa Tokion yliopisto kehittää yhteistyössä Nippon Shokubain kanssa litiumakkua, jonka energiatiheys olisi jopa seitsenkertainen nykyiseen verrattuna.  Muut litiumakun muunnokset, kuten litium-happi ja litium-rikki lupaavat myös parempaa energiatiheyttä ja osa esimerkiksi nopeampaa ladattavuutta. Näistä monet ovat kuitenkin vasta tutkimusvaiheessa. [2] [4]

Myös muita vaihtoehtoja tutkitaan jatkuvasti. Aquion Energy kehittää erityisesti uusiutuvan energian varastointiin sopivaa, myrkytöntä akkua, joka käyttää litiumin sijaan mangaanioksidia ja hiiltä. Akut ovat jo markkinoilla, ja seuraavaksi tehdas pyrkii laajenemaan. Nämä akut ovat parempia uusiutuvan energian varastointiin, koska ne vapauttavat energiaa tasaisemmin kuin purskeisempi litiumakku. [3]

Seuraavat askelet

Akkuteknologian suurimmat ongelmat saattavat, paradoksaalista kyllä, olla siinä, että markkinat eivät ole vielä kypsät. Alalla on ollut monia konkursseja ja kasvuun tarvittava rahoitus voi olla vaikeaa saada. Isoimmat pelurit, kuten Tesla, näyttävät keskittyvän skaalaetuihin ja nykyteknologian pieneen kehittämiseen. Kokonaan uudenlainen teknologia voi olla vaikea saada markkinoille. Toisaalta vaikkapa Aquionin liiketoiminnan alku vaikuttaa lupaavalta, ja kasvava kysyntä voi muuttaa pelikenttää nopeastikin.

[1] Tesla li-ion Gigafactory: http://venturebeat.com/2014/08/01/how-teslas-battery-gigafactory-could-change-everything-not-just-electric-cars/

[2] http://gigaom.com/2014/07/28/researchers-hard-at-work-to-make-the-workhorse-lithium-ion-battery-better/

[3] http://gigaom.com/2014/07/20/behind-the-scenes-of-aquion-energys-battery-factory-the-future-of-solar-storage/

[4] http://www.nature.com/news/the-rechargeable-revolution-a-better-battery-1.14815

by

Ydinvoimamietintöjä

Uutisviikko on ollut lievästi sanottuna mielenkiintoinen. Hallitustunnustelujen lopputulosta ei uskalla enää edes arvailla (moni alkaa jo epäillä uusintavaaleja ja perussuomalaista pääministeriä, mutta katsotaan ensin pääseekö SDP tai Keskusta vielä mukaan peliin ja pysyykö uusi mahdollinen hallitus pystyssä), Nokian osake tippuu sellaista kyytiä että ihmetyttää, ehtiikö uusi puhelin uloskaan ennenkuin firma on vallattu, ja Saksassa päätetään (tosin ei ensimmäistä kertaa) luopua useammasta kymmenestä ydinvoimalasta.

Uutiset eivät ole ihan rohkaisevia. Erityisen mielenkiintoinen rinnastus tuli sinä päivänä kun Saksa ilmoitti luopuvansa ydinvoimasta ja samaan aikaan uutisoitiin hiilidioksidipäästöjen nousseen räjähdysmäisesti. Osittain ehkä otettiin kiinni vielä taantuman aikoja, mutta viimeistään kohta mennään nopeasti ohi.

En ole suuri ydinvoiman ystävä – riskit ovat suuria, ottaen huomioon vaarat kun harvinainen ydinturma sattuu. En kuitenkaan ymmärrä ydinvoiman periaatteellista vastustamista; kaikessa pitää ottaa huomioon kokonaisuus. Ydinvoiman riskit ovat ydinturmissa, ydinjätteen varastoinnissa ja ydinaseissa. Ydinvoiman vaikutuksiin kuuluvat myös uraanin louhinnan aiheuttamat ympäristöongelmat sekä louhintaan ja kuljetukseen liittyvät hiilidioksidi- ja muut päästöt. Pitkällä aikavälillä uraanin riittävyys on myös ongelma – suuret unelmat ydinvoiman riittävyydestä kariutuisivat siihen, että uraani vähenisi aikaa myöten niin että louhinta kävisi kannattamattomaksi.

Fossiilisten polttoaineiden korvaajana se on tällä hetkellä kuitenkin tarpeellinen. Ydinvoima on siirtymäajan teknologiaa (en tässä nyt puutu mahdollisiin neljännen sukupolven ja fuusioreaktoreihin, niitä kun ei vielä ole olemassa) odoteltaessa riittävän tehokkaita uusiutuvia.

En tiedä mikä Saksan ydinvoimaloiden tilanne on – onko esim. moni voimala jo sulkemassa oviaan siirtymäajalla vanhenemisen vuoksi – mutta varsinkin toimintakuntoisen voimalan sulkeminen ennen elinkaaren päätä on tyhmyyttä. En maininnut vielä yhtä riskiä edellä olleessa listauksessa, koska se ei ole varsinainen ydinvoiman ongelma: jos ei voi tuottaa sähköä itse, joutuu ostamaan sen, ja esimerkiksi Suomessa yksi ostopaikka on Venäjä. Menneisyydestä muistanemme esimerkkejä siitä, miten turvallisia ydinvoimalat naapurissa voivat olla ja kuinka paljon ne voivat myös meidän tontillamme vaikuttaa.

Suomen ydinvoimalupien määrät kuulostivat varsin isoilta kun niitä myönnettiin viimeksi – oletan nimittäin että vanhoille voimaloille kyllä löytyy näiden päälle luvat korvaaviin voimaloihin. Se lienee ollut suurin syy myös siihen,ettei Fortum saanut erillistä lisälupaa. En ole nähnyt tarkkoja laskelmia, mutta kuulin jopa väittämän että tällä kapasiteetilla Suomesta tulisi energian nettoviejä. Se muuttaa hieman pakkaa.

Kotoisessa energiankulutuksessa tulee pyrkiä säästöön silloinkin, kun energia on halpaa. (Tästä pitänee kirjoittaa erikseen, joku kuitenkin haluaa sanoa että ”jos se on halpaa eikä siitä ole haittaa, totta kai pitää käyttää”. Ei pidä – alkaen siitä, että energiankäyttö tuottaa mm. hukkalämpöä ja siitä, että energiaa kuluttavat prosessit usein syövät myös paljon raaka-aineita. Meillä on muitakin ongelmia kuin hiilidioksidi.) Jo siksi, että tilanteet elävät ja se, mikä oli viime vuosikymmenellä halpaa, voi kallistua tällä vuosikymmenellä. Lyhyt tähtäin harvoin ratkaisee ongelmia, näin myös energiataloudessa. Saksan päätöksen myötä omamme ei ehkä enää vaikuta ihan niin absurdilta, mutta mahdollisten uusien ydinvoimaloiden innossa ei pidä unohtaa muiden energiamuotojen kehittämistä.

—

Aiheeseen liittyen Discoveryllä oli mielenkiintoinen documentti, jossa etsittiin sopivaa vaihtoehtoa tulevaisuuden ”Ecopoliksen” energiamuodoksi. Auringoenergia voitti, dokumentissa esiteltyjen uuden sukupolven tehokkaampien aurinkokeräinten (ja parantuvan akkuteknologian) voimin. Dokumentissa käytiin läpi myös tehokkaita hiilidioksidin talteenottotekniikoita kivihiilivoimaloille sekä ydintekniikan mahdollisuuksia. Suomessa puolestaan on kehitetty erittäin mielenkiintoinen uusi tapa neutraloida hiilidioksidia – kirjoitan referaatin, kun pääsen kotiin pari viikkoa vanhan Tekniikka&Talouden ääreen.

Päivitetty 4.6: pikapostauksen jäljiltä jäänyt otsikkoluonnos muutettu aiottua vastaavaksi.