Energiajärjestelmän murros vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä aiheuttavaksi edellyttää uusia ratkaisuja, joilla lämmöntuotantoon osallistuvia voimalaitoksia voidaan sähköistää ja uusiutuvilla energianlähteillä tuotettua sähköä voidaan varastoida edullisemmin suuressakin mittakaavassa. VTT:n koordinoimassa BitKein-tutkimushankkeessa rakennettiin ainutlaatuisia tutkimusympäristöjä, joissa voimalaitoskattilaa lämmitetään sähkövastuksilla ja aurinkosähköä varastoidaan virtausakkuun. Tulokset osoittavat, että joustava sähkön hyödyntäminen voi vähentää polttoaineen käyttöä ja päästöjä sekä parantaa energiajärjestelmän joustavuutta ja omavaraisuutta.
Voimalaitoskattiloiden sähköistys tuo joustavuutta ja vähentää päästöjä
BitKein-hanke toteutti pilottimittakaavan kokeilun, jossa leijukerroskattilaan liitetyt sähkövastukset tuottivat lämpöä polttoaineen asemasta. Sähkövastuksia hyödyntämällä voimalaitoksen polttoaineenkulutusta voidaan vähentää silloin, kun sähköä on saatavilla edullisesti ja runsaasti. Erilliseen sähkökattilainvestointiin verrattuna integroinnilla saadaan myös pidennettyä polttokattilan elinikää koska sen kokemat lämpötilanvaihtelut vähenevät. Kun kattilaa lämmitettiin sähkövastuksilla, päästiin täydellisen palamisen (ei CO-päästöjä) vaatimaan lämpötilatasoon minimikuormatilanteessa pienemmällä biomassamäärällä.
Järjestelmätason mallinnuksessa havaittiin, että sähkövastusratkaisun taloudellinen kannattavuus riippuu järjestelmän sähköistysasteesta ja sähköenergian hinnasta: kohtalaisesti sähköä hyödyntävässä kaukolämpöjärjestelmässä uudet sähkövastukset voivat olla tuottoisia, mutta jo valmiiksi pitkälle sähköistetyssä järjestelmässä lisähyödyt jäävät pienemmiksi. ”Mallinnus vahvisti kuitenkin, että joustava sähkönkäyttö voimalaitoksessa voi parantaa koko järjestelmän taloudellista kannattavuutta sekä vähentää polttoaineen kulutusta ja hiilidioksidipäästöjä – erityisesti osittain sähköistetyissä kaukolämpöjärjestelmissä – ja parantaa energiantuotannon joustavuutta uusiutuvien energianlähteiden ja saatavilla olevan hukkalämmön vaihtelevassa tuotantotilanteessa”, sanoo VTT:n erikoistutkija Timo Leino.
Virtausakulla varastoidaan aurinkoenergiaa ja opitaan uusia käyttömahdollisuuksia
Projektin toisena keskeisenä saavutuksena VTT:lle hankittiin ja otettiin käyttöön konttikokoluokan virtausakkujärjestelmä, joka on yhdistetty seinärakenteiseen aurinkosähköjärjestelmään. Virtausakku on sähkökemiallinen energian varastointijärjestelmä, joka varastoi energian nestemäiseen elektrolyyttiin. Lataaminen ja purkaminen perustuvat hapetus-pelkistysreaktioihin. BitKein-hankkeessa toteutettu vanadiini-redox-virtausakkuun perustuva aurinkosähköjärjestelmä datan keruuratkaisuineen on Suomessa ainutlaatuinen ja tarjoaa ympäristön sekä varastointimenetelmän, että materiaalien tutkimus- ja kehitystyöhön ja energian käytön optimointiin erilaisissa tilanteissa. Ensimmäisissä testisarjoissa järjestelmän kokonaishyötysuhde ylitti jo 60 prosenttia ja voi saavuttaa 67 % tason. Varaston mittakaavan suurentaminen näyttäisi parantavan sen kannattavuutta ja toisaalta jopa usean MWh:n suuruiset järjestelmät ovat jo todellisuutta.
Hankkeessa virtausakun käyttöä erilaisissa kohteissa ja sähkömarkkinatilanteissa simuloitiin dynaamisella mallinnuksella ja optimoinnilla. Sähkövarastoilla voidaan parantaa merkittävästi energian käytön omavaraisuutta ja mahdollisesti myös kriittisten järjestelmien toimintavarmuutta esimerkiksi kiinteistöissä, mutta pelkästään kiinteistön oman aurinkosähkön varastoiminen ei osoittautunut taloudellisesti kannattavaksi nykyhinnoilla.
Sen sijaan monipuolinen käyttö, kuten reservimarkkinoille osallistuminen sekä useiden kiinteistöjen yhdistetyt akustot, voisivat lyhentää akkuinvestoinnin takaisinmaksuaikaa huomattavasti, erityisesti suurissa kohteissa ja useilla reservimarkkinoilla samanaikaisesti toimittaessa. Hankitulla tutkimuslaitteistolla voidaan askel askeleelta kehittää ohjauslogiikkaa paremmaksi ja integroida järjestelmään esimerkiksi säätösähkömarkkinadataa, mikä vie teknologiaa kohti käytännön sovelluksia.
Materiaalikehitys tukee virtausakkujen jatkokehitystä
Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella kehitettiin hankkeessa menetelmiä, joilla virtausakkujen fossiilipohjaiset grafiittielektrodit voidaan korvata biomassapohjaisella hiilimateriaalilla (ns. biografiitti), ja testattiin näitä uusia elektrodeja laboratoriomittakaavan virtausakkuympäristössä. Materiaalitutkimuksen osana yliopistolla etsittiin myös edullisempia protoninsiirtokalvoja nykyisin käytössä olevien kalliiden fluoripolymeerikalvojen tilalle, jotta biopohjaisista elektrodeista saatava hyöty voidaan maksimoida. Ensitestit vahvistivat biomateriaalielektrodien toimivuuden ja lupaavan potentiaalin, mutta niiden suorituskyvyn ja kestävyyden parantamiseksi tarvitaan lisäkehitystä ja skaalaushaasteiden ratkaisua. Jyväskylän yliopiston tuottama materiaaliosaaminen täydensi BitKein-hanketta ja loi pohjaa uudenlaisille, kustannustehokkaille energiavarastointiratkaisuille, joita tarvitaan energiamurroksen edetessä.
Hankkeen tutkimusympäristöt tukevat sähköistymistä ja energiavarastointia myös jatkossa
BitKein-hankkeen aikana rakennetut uudet tutkimus- ja testiympäristöt edesauttavat kehitystyötä projektin päättymisen jälkeen. Sähköistetyllä kattilapilotilla voidaan jatkaa voimalaitosprosessien sähköistysvaihtoehtojen tutkimusta, ja virtausakkuympäristöstä saadun tiedon perusteella oppia ja mallintaa tarkemmin suurtenkin akkujen toimintaa ja roolia sähköntuotannon ja -kulutuksen joustavuuden lisääjänä. Nämä innovaatiot vastaavat teollisuuden ja yhteiskunnan ajankohtaiseen tarpeeseen vähentää päästöjä ja lisätä energiajärjestelmän joustavuutta tilanteessa, jossa aurinko- ja tuulisähkön tuotannon odotetaan kasvavan nopeasti. BitKein-hankkeen tulokset tarjoavat suuntaviivoja sille, miten teollisuus ja energiayhtiöt voisivat tulevaisuudessa hyödyntää edullista uusiutuvaa sähköä entistä paremmin esimerkiksi kaukolämmön tuotannossa ja energian varastoinnissa, samalla parantaen omavaraisuutta, tukien huoltovarmuustavoitteita sekä vähentäen kasvihuonekaasupäästöjä.
Lisätietoja:
VTT: Timo Leino, Senior Scientist, [email protected], +358407579493
VTT: Janne Kärki, Research Team Leader, [email protected], +358407510053
Jyväskylän yliopisto: Matti Haukka, professori, [email protected], +358040805466
BitKein on VTT:n ja Jyväskylän yliopiston ryhmähanke, päähankkeen toteuttaja on VTT
Hankkeen toteutusaika: 1.9.2023 – 31.5.2026
Kokonaisbudjetti: 826 107 €
Keski-Suomen Liitto on myöntänyt hankkeelle EU-rahoitusta 646 484 €
Hankkeen yritysrahoittajia ovat Alva-yhtiöt Oy, Vantaan Energia Oy, Lahti Energia Oy, Savon Voima Oyj, Kuopion Energia Oy, Kokkolan Energia Oy, Kainuun Voima Oy, Metsä Group Oyj, Elisa Oyj, Sumitomo SHI FW Energia Oy, New Stars & Company Oy, FinnVolt Oy ja Sähköäijät Oy.
