Valoa tankkiin: Aurinko- ja tuulisähkö ovat sähköverkoille vaikeita hallittavia

Aurinkovoimala kreikkalaisessa Trikalan kaupungissa. Kuva Markus Pentikäinen.

Saksalla oli jo valmiiksi kunnianhimoinen hanke vähentää sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä massiivisen uusiutuvien energialähteiden tukiohjelman avulla. Vielä kunnianhimoisemmaksi hankkeen teki maan viimevuotinen päätös luopua ydinvoimasta kokonaan kymmenessä vuodessa.

Uusiutuvien osuus on määrä nostaa 35 prosenttiin sähköntuotannosta vuoteen 2020 mennessä ja 80 prosenttiin vuoteen 2050 mennessä.

Paitsi että aurinko- ja tuulisähkön tukipaketit tulevat kalliiksi, näistä sään vaihtelulle herkistä energianlähteistä on muodostumassa sähköverkkojen tehohäirikkö. Tuulisina, aurinkoisina kesäpäivinä tuulimyllyjä joudutaan pysäyttämään, kun myllyjen ja paneelien ylituotantoa ei pystytä hyödyntämään. Tyyninä talvipäivinä Saksa joutuu edelleen polttamaan valtavasti hiiltä.

Technology Review -lehden mukaan Saksalla on 31 vesivoimalaa, jotka pystyvät varastoimaan energiaa pumppaamalla vettä alemmasta ylempään altaaseen. Niiden yhteinen kapasiteetti on 38 gigawattituntia – kuulostaa massiiviselta, mutta Saksan tuulivoimalat tuottavat huipputeholla sen määrän sähköä alle 90 minuutissa.

Pilvisyyden ja tuulisuuden nopeat muutokset voivat aiheuttaa sähköverkossa myös sellaisia jännitevaihteluita, joita ei ehditä säätövoimalla tasoittaa. Vaikka tavalliset kodinkoneet kestäisivät pienet jännitevaihtelut ilman että kuluttaja niitä huomaisikaan, teollisuudessa sekunnin murto-osan kestävät sähkökatkot rikkovat laitteita.

Jotkin teollisuusyritykset ovat joutuneet jo investoimaan omiin varajärjestelmiin, mutta yhtiöt varoittavat voivansa jopa lähteä maasta, Der Spiegel kertoo. Sähkönjakelun lyhyet häiriöt ovat lehden mukaan lisääntyneet Saksan verkossa kolmessa vuodessa lähes kolmanneksella.

Suomessa aurinko- ja tuulivoiman osuus sähköntuotannosta on vielä paljon pienempi kuin Saksassa, mutta perusongelma on sama. Tehoa tarvitaan eniten tyyninä helmikuisina pakkaspäivinä, kun uusiutuvien tuotanto on kaikkein pienin. Säätövoimaa saisi lisää Vuotoksen altaasta, jota ympäristösyistä ei haluta rakentaa.

Uutta auringosta

Aivan uudenlainen aurinkoenergiatekniikka voisi olla osa ratkaisua. Stanfordin yliopiston materiaalitutkija William Chueh osoitti, että auringonvalon avulla voi erottaa vesihöyrystä vetyä. Periaate on tunnettu aiemminkin, mutta siihen on tarvittu katalyytiksi erittäin kalliita metalleja, kuten platinaa, Technology Review kertoo.

Chueh onnistui saamaan aikaan saman prosessin paljon halvemmalla ceriumoksidilla. Kun auringon valoa keskitetään peileillä pieneen ceriumoksidisäiliöön, kuumuus irrottaa happiatomit ceriumista. Kun jäähtyvään ceriumin annetaan reagoida vesihöyryn kanssa, cerium nappaa vesimolekyyliltä menettämänsä happiatomin. Jäljelle jää vetyä, ja ceriumoksidin voi uudestaan kuumentaa.

Tällä hetkellä prosessi vaatii 1 500 asteen lämpötilan. Vain poikkeukselliset ja tarkoitukseen aivan liian kalliit säiliömateriaalit kestäisivät näin suuren lämpötilan. Chueh kehitteleekin katalyytiksi ceriumoksidin ja muiden materiaalien seoksia, jotka kykenisivät tuottamaan vetyä 500 asteen lämpötilassa. Silloin säiliön materiaalina voisi käyttää ruostumatonta terästä.

Vetyä voi käyttää sellaisenaan polttoaineena esimerkiksi sähköä tuottavissa polttokennoissa. Ceriumoksidin avulla voi kuitenkin myös pelkistää hiilidioksidia hiilimonoksidiksi. Vedystä ja hiilimonoksidista voi taas valmistaa hiilivetyjä kuten uusiutuvaa metaania. Metaani on käyttökelpoinen niin sähkön ja lämmön tuotantoon kuin liikennepolttoaineenakin.

Uusiutuvaa energiaa voi ehkä tulevaisuudessa varastoida myös paineilman muodossa, Technology Review kertoo. LightSail Energyn perustajan Danielle Fongin mukaan tämä tekniikka voi vaikuttaa radikaalisti uusiutuvan energian taloudelliseen kannattavuuteen.

Paineilman käyttö energian varastoimiseen ei ole sekään uusi idea. Tuulimyllyjen tai aurinkopaneelien sähköllä pyöritetään moottoreita, jotka puristavat ilmaa isoon tankkiin. Kun sähköä taas tarvitaan, paineilma pyörittää generaattoria.

Ongelmana on ollut, että kokoon puristettavan ilman lämpötila nousee lähes tuhanteen asteeseen, ja iso osa energiasta menee hukkaan lämpönä.

Fong keksi suihkuttaa ilman sekaan vettä, joka muodostaa säiliöön sumua, joka ei lämpene niin paljon. Kuumeneva vesi voidaan myöhemmin erottaa paineilmasta ja hyödyntää lämpöenergiana.

Prosessi on yhtä tehokas kuin parhaat akut. Kymmenestä kilowattitunnista järjestelmään syötettyä energiaa saadaan tarpeen tullen seitsemän kilowattituntia takaisin.

Kaasu valtaa alaa

Vaikka ilmastonmuutos ei ole yhdysvaltalaisia juuri liikuttanut, he ovat kehittäneet uusiutuvia energiatekniikoita jo yksin tuontiöljyriippuvuutta vähentääkseen. Asetelma on nyt muuttumassa, kirjoittaa Wired-lehti.

Kahden viime vuoden aikana Yhdysvaltojen öljyntuotanto on kasvanut samalla kun öljyn kulutus on vähentynyt. Syy on uudet teknologiat, joilla öljylähteitä saadaan hyödynnettyä entistä tehokkaammin.

Uudet teknologiat ovat lisänneet kaasun tuotantoa öljyäkin enemmän. Energiaministeriön laskelmien mukaan Yhdysvalloista on tulossa kaasun nettoviejä tämän vuosikymmenen lopussa.

Wired-lehden mukaan edullisen kotimaisen kaasun yltäkylläisyys tappaa Yhdysvalloissa kilpailevat sähköntuotantomuodot: niin puhtaat ydinvoiman ja uusiutuvat kuin ilmastolle vahingollisimman kivihiilenkin.