Artikkel Elektrienergia salvestamine kirjeldab elektrienergia salvestustehnoloogiaid. Elektrienergia salvestamine tähendab lihtsustatuna teatud salvestusseadme kasutamist või olemasolu. Sellise salvestusseadme põhimõte seisneb printsiibil, et elektrivõrgust võetud energia muundatakse mõnda teise energialiiki, mille salvestamine teatud põhjustel on lihtsam. Igal vajalikul hetkel on salvestatud energiat võimalik kasutusse suunata, misjaoks tuleb salvestatud energia muundada tagasi elektrienergiaks.
Energia salvestamine ja tehnoloogiad
Energiat on erinevaid liike ( joonis 1) ning samuti on ka energiasalvesteid erinevaid liike. Energiasalvestid on toodud järgnevas loetelus 1:
- a) mehaanilise energia salvestid;
- b) kineetilise energia salvestid;
- c) soojusenergia salvestid;
- d) keemilise energia salvestid;
- e) elektrienergia salvestid.
Käesoleva artikli eesmärk on kajastada elektrienergia salvestamise võimalusi ning tehnoloogiaid. Erinevad elektrienergia salvestustehnoloogiad ning samuti ka nende hinnangulised maksumused (aluseks võetud USD valuutakurss 2012 aasta keskmisena) on toodud tabelis 1. Tabelis kasutatud tehnoloogiaid kirjeldavad lühendid lahtikirjutatuna on toodud järgnevalt:
- PHES - pumphüdroakumulatsioonijaam;
- CAES - suruõhkenergiasalvesti;
- FES - hooratasenergiasalvesti;
- SCES - ülikondensaatorid;
- SMES - ülijuhtivad energiasalvestid;
- NaS - väävel-naatrium akud
- LA - pliiakud;
- NiCd - nikkel-kaadmium akud;
- Li-ion - liitiumioonakud.
|
Joonis 1. Erinevad salvestustehnoloogiad ning hargnemine20 |
|
|
Elektrienergia salvestamine
Salvestamise tehnoloogiad
Elektrienergiat on võimalik salvestada erinevatel viisidel. Nimetatud viisid on toodud järgnevalt esitatud loetelus 2:
- a) kondensaatorites (elektrivälja energiana);
- b) induktiivpoolides (magnetvälja energiana);
- c) primaarsetes ja sekundaarsetes galvaanielementides(keemilise energiana).
Loetelu viimases punktis kajastatu all peetakse silmas lihtsustatuna patareisid ning akumulaatoreid.
Siinkohal tuuakse elektrienergia salvestamise võimalustena välja hooratasenergiasalvestid, kondensaator-energiasalvestid, patarei energiasalvestid (akumulaatorid) ning ka induktiivpoolid elektrienergia salvestitena. 34
Hooratasenergiasalvesti
Hoorataste omadusteks on ülikiire dünaamiline reageerimiskiirus, pikk eluiga ning küllaltki madal hooldusvajadus ning nad on keskkonnasõbralikud (tööpõhimõte toodud joonis 2) .
Eeldatavaks elueaks loetakse orienteeruvalt 20 aastat või kümned tuhanded töötsüklid. Kuna salvestusseadmeks on mehaaniline keha, siis on võimalik seadet korduvalt täis ja maha laadida, ilma, et selle omadused halveneksid. Sellest tulenevalt kasutatakse antud tehnoloogiat elektri kvaliteedi parendamise rakendustes (Uninterruptable Power Supply - UPS)ning salvestamaks elektersõidukites muidu soojuseks muunduvat pidurdamisel tekkivat energiat.
Hetkel veel on kiirekäiguliste hooratasenergiasalvestite investeeringukulud võrdlemisi suured (19230 €/kW·h), mis tuleneb tehnoloogia arendusstaadiumist.5
|
Joonis 2. Hooratta tööpõhimõte21 |
|
|
Kondensaatorenergiasalvesti
Kondensaatoreid elektrienergia salvestitena on mitmeid tüüpe:
- a) plaatkondensaator (lihtsaim kondensaator);
- b) elektrolüütkondensaatorid;
- c) ülikondensaatorid ( joonis 3).
Käesolevalt on rõhuasetus Ülikondensaatoritel. Ülikondensaatori peamiseks eeliseks on selle kiire laadimis- ja tühjenemistsükkel ning väga pikk eluiga (ligikaudu 1×106 tsüklit). Võrrelduna konventsionaalsete patareidega on ülikondensaatoritel pikem eluiga, puudub "mäluefekt", omavad minimaalselt degradatsiooni täiesti tühjaks laadimisel, töötamise hetkel ei kuumene ning ühtlasi ei tekita ka keskkonnale ohtlikke jäätmeid. Vaatamata madalale energiatihedusele, on ülikondensaatoritele perspektiivikateks väljunditeks hübriidsõidukid, mobiiltelefonid ning koormuse ühtlustamise ülesanded. Eelkõige kasutatakse rakendustes, kus on tarvis suuri võimsusi ainult lühikeste ajaperioodide (~1 minut), pärast mida jätkavad konventsionaalsed seadmed.
Majanduslikust vaatenurgast on ülikondensaatorite kasutamine suurtes rakendustes ebaotstarbekas, mis on tingitud suurtest investeeringukuludest (9969...21538 €/kW·h). 6
|
Joonis 3. Ülikondensaatori tööpõhimõte22 |
|
|
Patarei energiasalvesti
Patarei energiasalvestites toimub energia salvestamine keemilise protsessi abil. Elektrienergiat keemilise energiana on võimalik salvestada nii primaarsetes kui ka sekundaarsetes galvaanielementides ehk akumulaatorites. 7
Akumulaatoreid ehk akusid on, baseerudes erinevatel elektrokeemilistel süsteemidel, kasutusel üldse 50 - 100 erinevat liiki. Käesolev artikkel kajastab mainitud erinevatest akumulaatoriliikidest kahte: 8
- a) pliiakud;
- b) liitiumioonakud
Mõnede energiasalvestite ligikaudsed väärtused, mis iseloomustavad erisalvestusvõimet ning erivõimsust on toodud ( joonis 4 ning samuti ka joonis 5)
|
Joonis 4. Erinevad energiasalvestid23 |
|
|
|
Joonis 5. Erinevad elektrienergia salvestustehnoloogiad24 |
|
|
Induktiivpoolid
Induktiivpoolid on üheks tehnoloogiaks salvestamaks elektrienergiat.
Induktiivpoolide erisalvestusvõime on tavaliselt väga väike (0,03...0,3 mW·/kg). Üksnes ülijuhtivate mähiste korral võivad induktiivpoolid salvestada energiakoguseid, mis sobiksid kasutamiseks nt. energiasüsteemides kiirete koormuskõikumiste tasandamiseks. 9
Vesinikuenergeetika
Vesinikuenergeetika oma kontseptsioonilt on energia salvestamine ning selle edastamine vesiniku kujul. Lähtepunktiks selle juures on vesiniku kõrge kütteväärtus. Vesinikku toodetakse hetkel peaasjalikult teistest kütustest, nagu maagaas, nafta, süsi. Vesiniku hind on võrdlemisi kõrge ning rakendamaks vesinikku energeetikas laiemalt, tuleb leida selle tootmiseks tõhusamaid viise. Üheks nendeks on vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel ja seda näiteks tarbimiskeskustest kaugemal paiknevates hüdro- ja päikeseelektrijaamades või tuuleelektrijaamades energia ühe salvestamisviisina või samuti ka eriehitusega tuumareaktorites, mis päevasel ajal toodavad elektrienergiat, öösiti aga vesinikku. Vee elektrolüüsi kasutegur on ligikaudu 70%. Kui elektrit genereeriva kütuseelemendi ligikaudne kasutegur on 60%, kujuneb elektrienergia akumuleerimise kasuteguriks 60%. 10
Hetkel on vesinikuenergeetika seisukohalt aktuaalne tuuleenergeetika ning selle võimsusmuutuste kompenseerimine. Ideeks on tuulegeneraatorite koostöö kütuseelementidega, mis on kiire reageerimisega ning mis tarbivad teist taastuvaist vahendeist pärit kütust – vesinikku. Eesmärgiks on leida optimaalne režiim, kus elektrituuliku poolt toodetav ülejääk kasutatakse ära veest elektrolüüsi teel vesinku tootmiseks ning hiljemalt kasutatakse seesama vesiniku kütuseelementide kaasabil tuulest toodetud elektri pulsatsioonide katmiseks. Tööpõhimõtet selgitav joonis on toodud joonisel 6 11
Tuues näiteks situatsiooni, kus energia tootmine ületab tarbimise (tugeva tuule olukord), tekib vajadus ülejäänud energia salvestamiseks, hoidmaks seda ajaks, mil tuulevaikusest või tarbimise kasvust tingituna on vaja rohkem energiat, kui turbiinid antud hetkel toota suudavad. Väiksemate ning autonoomsete turbiinide puhul sobivad salvestamiseks akud, kuid võrku ühendatud suurte generaatorite puhul jab akudest väheks. Siinkohal ongi üheks võimaluseks muundada ülejäänud tuuleenergia elektrolüüsi abil vesinikuks ning hiljemalt vajadusel kütuseelementi kasutades muundada see tagasi elektriks ning kasutada seda tuuleenergia ebaühtluse katmiseks. 12
Tehnoloogia lihtsus on atraktiivsuse aluseks, kuna vesinikku veest ning elektrist on suhteliselt lihtne toota ning vastupidine protsess vesinikust elektrit (k.a soojust) on samuti lihtne. Temaatika teatud problemaatiliseks aspektiks on rentaablus. Vee elektrolüüs on energiamahukas protsess, vesiniku hoiustamine ning transport on küllaltki energiamahukas ning samuti on kütuseelementide maksumus küllaltki kõrge. Kuid siiski tehnoloogia perspektiiv arvestades märkimisväärset fossiilsete kütuste kasutamise vähenemist ning samuti ka tuuleenergia potentsiaali, on tegemist paljutõotava tehnoloogiaga. 13,14
|
Joonis 6. Vesinikuenergeetika koostöös elektrituulikute ning kütuseelementidega - tööpõhimõte25 |
|
|
Elektriauto
Üldist
Energia tarbimine ning selle vähendamine transpordisektoris on üks energiamajanduse võtmeküsimusi. Kuivõrd enamik kasutatavatest transpordikütustest on fossiilkütused, kaasneb energia tarbimisega transpordisektoris suhteliselt suur keskkonnamõju. Elektriautode kasutamine on üks võimalikest lahendustest, kuidas vähendada keskkonna saastamist arvestades heitmeid ja transpordiga seotud energiavajaduse rahuldamist.
Elektriautode salvestusseadmed
Elektriautodes on energiasalvestiteks akumulaatorid. Kuna akumulaatoreid on palju, siis on need koondatud, saamaks suurema mahutavusega akupakk. Antud artiklis kirjeldatakse lühidalt elektriautosid ning nende energia salvestusseadmeid puudutavaid probleeme.
Tänapäeval kasutatakse elektriautode akudena enim liitiumioonakusid (Li-ion akud). Eestlastele enamtuntud ja tutvustatud elektriautosid (Mitsubishi i-MiEV, Citroen C-Zero, Peugeot iOn, Nissan Leaf) kasutavad liitium-ioonakusid. Kasutatud on ka pliiakusid ja nikkelmetallakusid. Pliiakud tänapäeval enam uutes elektriautodes kasutust ei leia, seda nende madala erienergia, erivõimsuse ja suure massi tõttu. Võrrelduna liitium-ioonakudega mahutavad pliiakud sama massi juures vähem. Tehnilistelt näitajatelt on liitium-ioonakude näol tegu parema akutüübiga, kuid negatiivseteks aspektideks on kallim hind ning ohtlikumad ja agressiivsemad koostisosad. 15
ELMO programm
ELMO programmi raames ja selle abiga on elektriauto on iga aastaga kasvatamas populaarsust Eesti elanikkonnas. 2014 a. esimese kahe kvartaliga on laekunud ning seejuures ka rahuldatud rohkem avaldusi elektriauto ostuks toetuse saamiseks kui terve 2013 a. peale. 16
Ajakava
Toetust elektriautode ostuks sai esialgsetel andmetel taotleda alates 18.07.2011 kuni 2014. aasta lõpuni, kuid erakordselt suure huvi tõttu peatas finantsasutus KredEx elektriautode ostu uute taotluste vastuvõtu Elektriautode kiirlaadimisvõrgu rajas Eestisse ABB. ELMO programmi vahenditest saab toetada hinnanguliselt 500 elektriauto ja laetava pistikhübriidi soetamist. Programmi perioodiks on 2011-2014, mis vastab Kyoto protokolli alusel toimuva saastekvoodi kaubanduse perioodile.17
Elektriautode plussid ning miinused
Elektriautode suurimaks miinuseks on energia salvestusseade (akumulaator) ning selle võimaldatav läbisõit ( joonis ) ning eluiga. ELMO poolt on koostatud elektriautode kasutamise uuring ning selle alusel on toodud autot omavate inimeste tüüpiline läbisõit nii suvel kui ka talvel.18
|
Joonis 7. Elektriauto tüüpiline läbisõit 2013 a.26 |
|
|
Elektriauto akude maksumus
Liitiumioonakude hinnaklass erinevate andmete alusel jääb suurusjärku 500 kuni 900 USD kW·h akude mahutavuse kohta (370...670 €/kW·h). Tuues siinkohal näitena elektriauto Nissan Leaf, mille 24 kW·h akupakk maksaks sellisel juhul keskmiselt 17 000 $, ehk suurusjärgus 12 600 €. Näitena on toodud ka hinnanguline aku maksumus, mis on toodud ( Tabel 2)
Erinevate uuringute andmetel ennustatakse elektriautode akude hindade langemist aastaks 2017 kuni kolmandiku võrra, mis võiks hinnaklassilt jääda suurusjärku 380 €/kW·h. Langus on tingitud elektriautode turuosa suurenemisest 19.
|
|
Täiendavat lugemist
|
Aasta |
Kategooria |
Pealkiri |
|---|---|---|
|
2014 |
Veebileht |
|
|
2013 |
Uuring |
|
|
2013 |
Analüüs |
Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele - Energiasalvestid ja salvestustehnoloogiad |
|
2007 |
Õppematerjal |
|
|
2010 |
Uuring |
The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation |
|
2013 |
Uuring |
|
|
2014 |
Uuring |
|
|
- |
Ettekanne |
Romann, T. Tartu Ülikool. Uued elektrienergia salvestamise tehnoloogiad |
|
2013 |
Ettekanne |
|
|
- |
Aruanne |
New Method for Stabilization of Wind Power Generation Using Energy Storage Technology |
|
2002 |
Lõputöö |
|
|
2003 |
Lõputöö |
Tuuleenergeetika, selle arengut mõjutavad tegurid ja perspektiiv Eestis |
|
2008 |
Õppematerjal |
|
|
2007 |
Ettekanne |
|
|
2007 |
Aruanne |
|
|
2015 |
Uuring |
|
|
2014 |
Aastaraamat |
Viited
- Rosin, A., Link, S., Drovtar, I. Energiasalvestid ja salvestustehnoloogiad.↩︎
- Risthein, E. Sissejuhatus energiatehnikasse, Tallinn 2007.↩︎
- Meldorf, M., Kilter, J. Elektrisüsteem.↩︎
- Leppiman, A. Tuulegeneraatorite elektri sobivusest Eesti elektrisüsteemi.↩︎
- Kiviselg, R. Tuuleenergeetika, selle arengut mõjutavad tegurid ja perspektiiv Eestis.↩︎
- Andrijanovitš, J., Egorov, M., Lehtla, M., Vinnikov, D. New Method for Stabilization of Wind Power Generation Using Energy Storage Technology.↩︎
- Liiske, M. Tehnoloogiaseadmete elektriajamid I osa. - Tartu: EPMÜ, 1998. - 97 lk.↩︎
- Eesti Elektromobiilsuse programm. http://elmo.ee/elmo/.↩︎
- Tuisk, J. Elektriautode kasutamise uuring, Tallinn 2013.↩︎
- Electric Car Battery Cost. http://evsroll.com/Electric_Car_Battery_Cost.html↩︎
- Denholm, P., Ela, E., Kirby, B., Milligan, M.The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation. 2010.↩︎
- Tuisk, J. [http://elmo.ee/public/Elektriautode_kasutamise_uuring_ELMO2013.pdf| Elektriautode kasutamise uuring], Tallinn 2013.↩︎
- Rosin, A., Link, S., Drovtar, I. Energiasalvestid ja salvestustehnoloogiad.↩︎