Elektritööstuse lähitulevik kuulub taastuvenergeetikale, peamiselt tuule- ja päikeseenergiale, nullilähedase emissiooniga majapidamistele ja elektrisõidukitele. See trend suurendab paratamatult ka nõudlust energia salvestamise järele. Kristjan Eljand Eesti Energiast tutvustab energiasalvestustehnoloogia mitmekesist maailma liitiumioonakudest gravitatsioonilise salvestuseni ja selgitab, millised võiksid olla nende tehnoloogiate kasutuslood.

Elektritööstuse tulevik on taastuvenergia

Üks peamine väljakutse taastuvate energiaallikate valdkonnas on taastuvenergiaallikate ebastabiilsus. Teisisõnu – tuuleenergiat saab toota ainult tuulise ilmaga ja päikeseenergiat päikeselise ilmaga. Lahendus peitub energia salvestamises – osa toodetud energiast pannakse tuule-/päikesevaba perioodi jaoks hoiule.

Elektrisõidukid kasutavad kogu vajaliku energia kaasas kandmiseks akusid, seetõttu peab nende mahutavus jõudma järele praegu bensiini- ja diiselmootoritega toodetavate võimsusteni.

Meie igapäevased kogemused energia salvestamisega on praegu seotud peamiselt nutitelefonide ja teiste väikeste elektriseadmetega, mis kasutavad energiakanduritena liitiumioonakusid. Seetõttu on liitiumoon saanud energia salvestamise sünonüümiks, aga reaalne keskkond on oluliselt ulatuslikum ja areneb kiirelt. Artiklis on tutvustatud vaid väikest, kuid väga põnevat osa sellest maailmast.

Pumbatud hüdroenergia salvestamine

Pumbatud hüdroenergia on energia salvestamise tehnoloogia, mille puhul vesi pumbatakse madalast reservuaarist kõrgemasse ja see läbib turbiini(d), mis genereerivad elektrit. Süsteemi tavapärasteks osadeks on kaks veehoidlat, neid ühendav veetee ja pumbast ning turbiinist koosnev elektrijaam.

Pumbatud hüdroenergiat peetakse kõige küpsemaks energiasalvestustehnoloogiaks. 2018. aasta seisuga moodustab pumbatud hüdroenergia üle 98% kogu olemasolevast energiasalvestuse võimsusest.

See tehnoloogia sobib väga suurte (üle 100 MW) energiasalvestusprojektide jaoks (100 MW+). Esialgsed investeerimiskulud on suhteliselt suured, kuid pärast rakendamist on võimalik paigaldist kasutada enam kui 15 000 salvestustsükliks.

Teised gravitatsioonilise energia salvestamise võimalused

Lisaks pumbatud hüdroenergiale on gravitatsiooni abil töötavaid energia salvestamise viise veelgi. Näiteks on USA energiaettevõte ARES kavandanud gravitatsioonilise energiasalvestussüsteemi, kus rööbastel kantakse suuremale kõrgusele raskeid betoonblokke. Kui kandur libiseb blokiga allapoole, vabaneb energia, mis muundatakse elektriks. ARES väidab, et seda süsteemi saab skaleerida tasemele 100–3000 MW.

Iduettevõtja Energy Vault kasutab betoonblokkide tõstmiseks kraanasüsteemi. Kõrguse suurenemisel energia salvestub. Seda süsteemi saab skaleerida vahemikus 4–8 MW ja energia vabastatakse pidevalt 8–16 tunni jooksul.

Nii ARES kui ka Energy Vault on energia salvestusega alles alustanud ja on veel selgusetu, millistes tingimustes on neid tehnoloogiaid parim kasutada.

Suruõhk energiasalvestid

Suruõhkenergiasalvestite (SÕES) aluseks on elektri kasutamine suruõhu tootmiseks ja salvestamiseks maa-alustes õõnsustes. Õhk vabastatakse vastavalt vajadusele ja turbiini läbides genereerib see elektrit. Selliselt kasutatavaid kompressoreid ja gaasiturbiine peetakse väljakujunenud tehnoloogiaks.

Sarnaselt pumbatavale hüdroenergiale võib ka SÕES olla sobiv valik pikaajaliseks energia salvestamiseks. Väiksemad investeerimiskulud ja võrreldav tööiga (üle 10 000 salvestustsükli) tähendab, et sellel tehnoloogial on potentsiaali olla ka hüdroenergiast soodsam.

Hoorattaga energia salvestamine

Hoorattaga energia salvestamise (FES) tööpõhimõte on rootori kiirendamine suurele kiirusele (keerlev ratas või hooratas) ja energia hoidmine pöörlemisenergiana. Tehnoloogia alustest on lihtne aru saada kui kujutlete ennast keerutamas, hoides käes rasket kotti – kotist lahti lastes lendab see eemale, sest andsite kotile energiat.

Vaata tehnoloogiast videot.

Võrreldes teiste energia salvestamise võimalustega on hooratta süsteemidel pikk eluiga, suur maksimaalne väljundvõimsus ja süsteemi saab laadida väga kiirelt (alla 15 minuti). Hooratas võib olla väga tõhus, koguni kuni 90%, aga sellega kaasnevad suured kulud. Seetõttu võib hooratas olla sobiv energia salvestamise meetod vaid rakendustes, kus vajatakse suurt võimsust lühikese aja jooksul.

Liitiumioonakud

Liitiumioonakud ( Li-Ion) on nutitelefonide peamised energiakandurid ja neid kasutatakse neid ka elektrisõidukites. Laetavad akud kasutavad elektri salvestamiseks ja genereerimiseks keemilisi reaktsioone.

Liitiumioon-tehnoloogia on populaarne suure energiatiheduse (iga grammi kohta salvestatakse suur hulk energiat) ja madala isetühjenemise (kasutamata aku energia tase säilib) tõttu. Erinevalt pumbatavast hüdroenergiast ja suruõhust saab Li-Ionakusid kasutada ka väikestes projektides. Esialgsed investeerimiskulud kW kohta on võrreldavad pumbatava hüdroenergiaga, kuid eluiga on oluliselt lühem (ligikaudu 4000–5000 salvestamise tsüklit) ja seetõttu salvestusmaksumus 3–4 korda kallim kui pumbatud hüdroenergia puhul.

Pliiakud

Väga populaarne on ka pliiaku tehnoloogia. See on suhteliselt odav ja suudab pakkuda kõrget tippvoolutugevust (suurt energiavõimsust). Need omadused teevad pliiakudest atraktiivse valiku mootorsõidukites kasutamiseks (ka tavaline autoaku on pliiaku).
Pliiakusid saab kasutada liitiumioonakudega sarnastes tingimustes, kuid nende lühem tööiga (ligikaudu 900 salvestamise tsüklit) muudab salvestamise kulu suuremaks.

Läbivooluakud

Ka läbivooluakud kasutavad elektri genereerimiseks elektrokeemilist reaktsiooni, kuid nende tööloogika on teistest akusüsteemidest oluliselt erinev. Need erinevused võimaldavad läbivooluakudel hoida 0% laetuse taset (traditsioonilist liitiumioonakut ei saa täielikult tühjaks laadida) ja saavutada ka pikema eluea (10 000 tsüklit võrreldes liitiumioonakude 3000–5000). Praegu ei ole see tehnoloogia aga veel piisavalt kasutusvalmis, et konkureerida traditsiooniliste laaditavate akudega.

Domineerib hüdroenergia

Globaalses energia salvestamise valdkonnas domineerib selgelt hüdroenergia, mis katab 98% kõigist süsteemidest. Suurema osa ülejäänust katavad liitiumioonakud ja arvatavasti kasvab nende olulisus tulevikus veelgi.

Väiksemahulistes salvestusprojektides on Li-Ion akud parimaks valikuks, kuna on savutanud tehnoloogilsie küpsuse ning on paindliku hinna ja mahuga.
Suurtes ja pikaajalistes projektides pakuvad pumbatud hüdro ja suruõhu tehnoloogiad madalaimat hinda KWh kohta.
Redoks-läbivooluakud võivad muutuda paljudes projektides konkurentsivõimelisteks, kuid selleks peab tehnoloogia saama küpseks ning hind oluliselt odavnema.
Hoorattad ja ja superkondensaatorid (viimaseid artiklis ei käsitletud) omavad mõtet vaid seal, kus on vaja lühiajaliselt väga suurt voolutugevust.
Erinevate akusalvestussüsteemide hinnale prognoositakse lähiaastateks suurt langust, samas kui pumbatud hüdro ja suruõhu tehnoloogia puhul selliseid muutusi ette näha ei ole.