Elektrienergia salvestamine

Allikas: Energiatalgud

Energiatehnoloogiad.png

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.


Peaartikkel: Energiatehnoloogiad
Seotud artiklid: Energiatarbimine transpordisektoris; Energiaressursid; Tuuleenergia ressurss; Päikeseenergia ressurss


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:

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. [1][2]

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.[1]

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). [1]

Patarei energiasalvesti

Patarei energiasalvestites toimub energia salvestamine keemilise protsessi abil. Elektrienergiat keemilise energiana on võimalik salvestada nii primaarsetes kui ka sekundaarsetes galvaanielementides ehk akumulaatorites. [2]

Akumulaatoreid ehk akusid on, baseerudes erinevatel elektrokeemilistel süsteemidel, kasutusel üldse 50 - 100 erinevat liiki. Käesolev artikkel kajastab mainitud erinevatest akumulaatoriliikidest kahte: [2]

a) pliiakud;
b) liitiumioonakud

Mõnede energiasalvestite ligikaudsed väärtused, mis iseloomustavad erisalvestusvõimet ning erivõimsust on toodud (joonis 4 ning samuti ka joonis 5)

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. [2]

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%. [3]

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 [4]

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. [5]

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. [5],[6]

Elektriauto

Seotud artiklid: Energiatarbimine transpordisektoris; Transpordi ENMAK stsenaariumid

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. [7]

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. [8]

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.[8]

Elektriautode plussid ning miinused

Elektriautode suurimaks miinuseks on energia salvestusseade (akumulaator) ning selle võimaldatav läbisõit (joonis 7) ning eluiga. ELMO poolt on koostatud elektriautode kasutamise uuring ning selle alusel on toodud autot omavate inimeste tüüpiline läbisõit nii suvel kui ka talvel.[9]

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 [10].

RSS uudisvoog


Joonis 1. Erinevad salvestustehnoloogiad ning hargnemine[1]
Erinevad salvestustehnoloogiad.jpg


Joonis 2. Hooratta tööpõhimõte[1]
Hooratta tööpõhimõte.jpg


Joonis 3. Ülikondensaatori tööpõhimõte[1]
Ülikondensaatori tööpõhimõte.jpg


Joonis 4. Erinevad energiasalvestid[2]
Erinevad energiasalvestid.jpg


Joonis 5. Erinevad elektrienergia salvestustehnoloogiad[11]
Elektrienergia salvestustehnoloogiad.jpg


Joonis 6. Vesinikuenergeetika koostöös elektrituulikute ning kütuseelementidega - tööpõhimõte[6]
Vesinikuenergeetika.JPG


Joonis 7. Elektriauto tüüpiline läbisõit 2013 a.[9]
Elektriauto tüüpiline läbisõit.jpg



Viited

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Rosin, A., Link, S., Drovtar, I. Energiasalvestid ja salvestustehnoloogiad.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Risthein, E. Sissejuhatus energiatehnikasse, Tallinn 2007.
  3. Meldorf, M., Kilter, J. Elektrisüsteem.
  4. Leppiman, A. Tuulegeneraatorite elektri sobivusest Eesti elektrisüsteemi.
  5. 5,0 5,1 Kiviselg, R. Tuuleenergeetika, selle arengut mõjutavad tegurid ja perspektiiv Eestis.
  6. 6,0 6,1 Andrijanovitš, J., Egorov, M., Lehtla, M., Vinnikov, D. New Method for Stabilization of Wind Power Generation Using Energy Storage Technology.
  7. Liiske, M. Tehnoloogiaseadmete elektriajamid I osa. - Tartu: EPMÜ, 1998. - 97 lk.
  8. 8,0 8,1 Eesti Elektromobiilsuse programm. http://elmo.ee/elmo/.
  9. 9,0 9,1 Tuisk, J. Elektriautode kasutamise uuring, Tallinn 2013.
  10. 10,0 10,1 Electric Car Battery Cost. http://evsroll.com/Electric_Car_Battery_Cost.html
  11. Denholm, P., Ela, E., Kirby, B., Milligan, M.The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation. 2010.


Täiendavat lugemist

Aasta Kategooria Pealkiri
2014 Veebileht Eesti Elektromobiilsuse programm
2013 Uuring Elektriautode kasutamise uuring
2013 Analüüs Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele - Energiasalvestid ja salvestustehnoloogiad
2007 Õppematerjal Energiatehnika
2010 Uuring The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation
2013 Uuring Levelized Cost of Electricity Renewable Energy Technologies
2014 Uuring Technology Roadmap. Energy Storage
- Ettekanne Romann, T. Tartu Ülikool. Uued elektrienergia salvestamise tehnoloogiad
2013 Ettekanne Energiatehnoloogiate tulevikust
- Aruanne New Method for Stabilization of Wind Power Generation Using Energy Storage Technology
2002 Lõputöö Tuulegeneraatorite elektri sobivusest Eesti elektrisüsteemi
2003 Lõputöö Tuuleenergeetika, selle arengut mõjutavad tegurid ja perspektiiv Eestis
2008 Õppematerjal Elektrisüsteem
2007 Ettekanne Eesti energiatehnoloogiate arendusstrateegia eeluuring
2007 Aruanne Energiatoodete maksustamise uuring
2015 Uuring Current and Future Cost of Photovoltaics
2014 Aastaraamat Taastuvenergia aastaraamat 2014


Kontaktvõrgustik

Kontaktvõrgustik on koostamisel. Kui soovite artikli kontaktvõrgustikuga liituda, võtke ühendust artikli teemahalduriga.


On Teil ettepanekuid, kuidas "ELEKTRIENERGIA SALVESTAMINE" artiklit täiendada? Leidsite infot, mis ei ole enam ajakohane või vajab täpsustamist? Võtke ühendust artikli "ELEKTRIENERGIA SALVESTAMINE" teemahalduriga MARGUS ALTEMENT e-aadressil margus.altement@arengufond.ee või avaldage arvamust selle artikli ARUTELU all.

Personaalsed tööriistad
Energiatalgud Energiaühistud
Nimeruumid

Variandid
vaatamisi
Toimingud
Tööriistad