Täysin uusiutuva energiajärjestelmä – näin se rakennetaan

Tulevaisuuden energiajärjestelmässä energia on päästötöntä, halpaa ja riippumatonta. Se perustuu pääasiassa aurinkoon ja tuuleen sekä sähköverkkoon kytkettäviin joustaviin energiavarastoihin. Sähköjärjestelmä on kytköksissä myös muihin energiasektoreihin, kuten liikenteeseen ja lämmitykseen. Tällaista energiajärjestelmää kehitetään parhaillaan LUT:n, Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n ja Turun yliopiston Tulevaisuuden tutkimuskeskuksen meneillään olevassa yhteistutkimuksessa.

"Varastointijärjestelmien tutkiminen ja koko energiajärjestelmän sähköistäminen ovat tässä avainasioita, mutta vähintään yhtä tärkeää on tiedostaa uusien liiketoimintamallien mahdollisuudet sekä niiden yhteiskunnalliset ja taloudelliset vaikutukset. Tutkimuksessa teemme energiajärjestelmästä eri versioita ja laskemme, millaisena tämä uusiutuva energiajärjestelmä on taloudellisesti kannattava ja järkevä" sanoo tutkimusta johtava tutkija, LUT:n dosentti ja VTT:n johtava tutkija Pasi Vainikka.

Uuden ja vanhan tehokasta yhdistelyä

Aurinko- ja tuulisähkön ongelma on riippuvuus säästä, mistä johtuen sen saatavuus vaihtelee. Tämä voidaan ratkaista luomalla energiajärjestelmästä joustava ja varastoimalla sähköä. Yksi päästöttömän energiajärjestelmän kantavista ajatuksista on varastoida energiaa hiilidioksidista valmistettuihin polttoaineisiin. Kyseessä on yksikertainen idea, jossa yhdistetään olemassa olevaa teknologiaa: hiilidioksidin talteenottoa, vedyntuotantoa ja näiden synteesejä erilaisiksi lopputuotteiksi.

Tutkittavassa menetelmässä kaikki raaka-aineet saadaan ilmasta. Aurinko- tai tuulisähköä käytetään elektrolyysiin, jossa vedestä tuotetaan vetyä eli vesimolekyylit hajotetaan sähkövirran avulla vety- ja happikaasuiksi. Elektrolyysi voidaan toteuttaa yksikertaisimmillaan autonakun kaltaisilla laitteilla.

Prosessissa tarvittava hiili otetaan talteen niin ikään ilmasta. Näin järjestelmässä tapahtuva energiatuotanto on eräänlainen suljettu kierto: se on hiilidioksidin suhteen neutraali, koska tällä tapaa valmistettujen polttoaineiden päästöt otetaan uudestaan käyttöön hyödyntämällä ne energiajärjestelmän hiilenlähteenä.

Hiilen ja vedyn muuttaminen polttoaineiksi, kemikaaleiksi tai vaikkapa muovien raaka-aineiksi tapahtuu synteesin kautta. Synteesissä kahdesta tai useammasta raaka-aineesta muodostuu uusi yhdiste. Hiilivetyjä syntyy, kun vety ja hiilidioksidi reagoivat keskenään korkeassa paineessa ja lämpötilassa. Hiilivetyjen lisäksi prosessissa syntyy vettä. Sama synteesireaktio voidaan toteuttaa myös biologisilla menetelmillä käyttämällä tehtävään eläviä soluja, kuten erilaisia mikrobeja.

Uusi järjestelmä, uutta liiketoimintaa

Tulevaisuuden energiajärjestelmä edellyttää varastoinnin ja uusien palveluiden lisäksi myös energialiiketoimintaan liittyvän lainsäädännön, energiamarkkinoiden ja uusien liiketoimintaketjujen luomista.

Suomen lainsäädäntö ei ota vielä huomioon tarpeita, joita uudet energiamuodot, niihin liittyvä jakelu ja varastointi sekä esimerkiksi kotitalouksien tai yksityishenkilöiden aurinko- ja tuulienergialla tekemä kaupankäynti synnyttävät.

Järjestelmä luo tarpeen esimerkiksi kysynnän joustolle sekä vuorovaikutukselle sähkö-, lämmitys- jäähdytys- ja liikennejärjestelmien kesken. Kysynnän jousto tarkoittaa sitä, että kuluttajat tai yritykset pienentävät sähkönkulutustaan korkean kulutuksen ja hinnan aikana tai siirtävät sähkönkulutusta halvempaan ajankohtaan. Näin sähköjärjestelmä pysyy tasapainossa ja samalla sähkön käyttäjä hyötyy siitä sähkölaskussaan.

Kotitalouksilla ja kiinteistöillä on tutkijoiden arvion mukaan tulevaisuudessa merkittävä osuus sähköenergian tuottamisessa yleiseen verkkoon. Kuluttajat haluavat kasvavissa määrin tuottaa sähköä itse sen sijaan, että ostavat kaiken sähkön energiayhtiöltä: suurissa voimaloissa tuotetun energian rinnalla yleistyy lähienergia, joka on tuotettu aurinko- tai tuulivoimalla. Näin energiantuotanto hajautuu maantieteellisesti sekä omistuksellisesti.

Käytännössä tämä voisi tarkoittaa esimerkiksi sitä, että kuka tahansa kuluttaja voisi luovuttaa sähköautonsa akuista sähköä sähköverkkoon silloin kun siitä saa hyvän hinnan. Aktiivisen energiajärjestelmän mahdollistaa energian internet, jonka osaksi koneet ja laitteet tulevat. Rahat myydystä sähköstä tulisivat automaattisesti myyjän pankkitilille. Kaikki tapahtuisi erilaisten pilvipalveluiden kautta.

"Muutos ei ole vain tekninen, vaan paljon laajempi kokonaisuus. Tätä kokonaisuutta on meneillään olevassa tutkimuksessa tarkasteltu maailmanlaajuisesti tekemällä elävä mallinnus uusiutuvaan energiaan perustuvasta energiajärjestelmästä", sanoo Christian Breyer, LUT:n aurinkotalouden professori ja johtava tutkija mallin takana.

Tutkijat ovat mallintaneet tuntitasolla sitä, paljonko eri puolilla maailmaa on aurinko- ja tuulienergian sekä muuta uusiutuvan energian tuotantoa, miten ne voivat tasapainottaa toisiaan ja milloin varastointia ja siirtoa tarvitaan. Kun malliin tuodaan mukaan liikenteen lisäksi myös teollisuus ja rakennukset, syntyy kuva siitä, paljonko erilaisia toimintoja tarvitaan ja miltä uusi energiajärjestelmä näyttää. Malleihin voit tutustua osoitteessa http://neocarbonenergy.fi/internetofenerg.

Olemme yliopisto, jossa uteliaisuus kohtaa rohkeuden. Olemme maailma, jossa innostuneet innostavat toisiaan. Olemme kunnianhimoinen ja kannustava yhteisö, joka tekee parempaa huomista vihreällä kampuksella. Ole yksi meistä. LUT:ssa voit opiskella tekniikkaa, kauppatieteitä tai molempia.

Lue lisää