Uusi menetelmä sähkön varastoimiseen

Rauta-akusta apuja?

21.11.2024, kello 13:00

Teksti Heikki Jaakkola | Kuva Scanstockphoto

Raudan ruostumiseen ja pelkistymiseen perustuva rauta-akku on raskas ja vaatii paljon tilaa. Puhtaan sähkön massiivisessa kenttävarastoinnissa painosta ei ole haittaa. Rauta-akun materiaalikustannukset ovat kymmenesosa litiumakun materiaalikustannuksista.

Amerikkalainen Form Energy on rakentamassa rauta-akkua Georgia Power -nimiselle energiayhtiölle Länsi-Virginiaan. Akun teho on 15 megawattia. Akkuun voidaan varastoida 1500 megawattituntia tuuli- tai aurinkosähköä.

Massiiviset ja painavat rauta-akut soveltuvat hyvin sähkön pitkäaikaiseen varastointiin. Länsi-Virginiassa akkujen avulla ylläpidetään sähköverkkojen vakautta.

Rauta-akku tarvitsee toimiakseen rautaa, vettä ja ilmaa. Halpojen perusmateriaalien hinta on vain kymmenesosa litiumakkujen hinnasta.

Raudan valmistuksessa rautamalmista poistetaan happea, ruostumisessa prosessi on päinvastainen. Kun rauta-akkua ladataan, pelkistävät negatiiviselle rautaelektrodille syötettävät elektronit ruostetta raudaksi, jolloin lipeäelektrolyyttiin vapautuu hydroksidi-ioneja. Nämä kulkeutuvat positiiviselle ilmaelektrodille hajoten vedeksi, uusiksi elektroneiksi ja ilmakehään vapautuvaksi hapeksi. Purkuvaiheessa prosessi on päinvastainen.

Rauta-akku ei ole uusi keksintö. Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LUT) sähkötekniikan professori Pertti Kauranen kertoo alalla esitellyn muitakin metalliin ja ilmaan perustuvia akkukonsepteja. Niiden kaikkien ongelmana on ollut huono hyötysuhde.

— Hyötysuhde on jäänyt eri muunnelmissa usein alle 60 prosentin, tässä tapauksessa ilmeisesti alle 50 prosentin.

Hyötysuhde olisi parempi, jos sähkövirta saataisiin hyödynnettyä kokonaan raudan pelkistymisessä. Prosessin sivutuotteena syntyy myös vetyä.

— Sivureaktio kuluttaa virtaa tuottaen vetyä, jota ei saada hyödynnettyä.

Elektrolyysi tapahtuu vesipohjaisessa liuoksessa, joka sisältää yleensä myös lipeää. Jos prosessissa tarvittava happi otetaan suoraan ilmasta, tulee sen mukana myös hiilidioksidia. Hiilidioksidi reagoi lipeän kanssa muodostaen karbonaattia, joka pyrkii tukkimaan positiivisena napana toimivan ilmaelektrodin huokoisen pinnan.

— Ongelma voidaan välttää käyttämällä hiilidioksidista puhdistettua ilmaa, mutta tämä monimutkaistaa järjestelmää ja nostaa hintaa. Vaikka raaka-aineet olisivat halpoja, itse akku ja tämän käyttö ei välttämättä ole, Kauranen huomauttaa.

Rauta-akku latautuu ja purkaantuu suhteellisen hitaasti. Kauranen arvioi lataukseen kuluvan kolmesta kuuteen tuntia. Tämä ei kuitenkaan ole suuri ongelma, kun akkua ladataan tuulisella ilmalla. Valmistajan mukaan akku pystyy säilyttämään varauksensa sata tuntia.

— Konsepti ei ole paras mahdollinen kovien tehopiikkien tasoittamiseen.

Kauranen toivottaa hankkeelle onnea, mutta ei ole täysin vakuuttunut asiasta. Hän toteaa konseptin olevan "monimutkainen ja haasteellinen". Asiassa onnistuminen edellyttää monien hankalien teknisten ongelmien ratkaisemista.

— Vuosien varrella on nähty monia yrityksiä toteuttaa sähkön pitkäaikaisvarastointia metalli-ilma-konseptilla. Alaa pitkään seuranneena suhtaudun kaikkiin ”läpimurtouutisiin” varauksella.

Valmistus alkaa tänä vuonna

Form Energyn viestintäjohtaja Sarah Bray vahvistaa Kaurasen arvion rauta-akun 50 prosentin hyötysuhteesta oikeaksi. Hyötysuhdetta kannattaa kuitenkin arvioida järjestelmätasolla vuoden kuluessa.

— Vaikka akun varaus on joskus käytettävä kokonaan, ladataan ja puretaan akkua suurimmaksi osaksi tilanteen mukaan. Syklit menevät harvoin nollasta sataan tai toisinpäin.

Brayn mukaan yrityksen tiimi on kehitellyt uusia innovaatioita kemialliseen prosessiin, laitesuunnitteluun ja akkujen valmistusprosessiin. Toistaiseksi työ ei ole johtanut rauta-akun hyötysuhteen merkittävään parantumiseen. Tällä hetkellä tavoitteena on parantaa akun käytön kannattavuutta heikommalla hyötysuhteella.

Brey kertoo, että tehtaalla rakennetaan parhaillaan akkujen valmistuslinjoja. Tavoite on aloittaa akkujen valmistus tänä vuonna.

Georgia Powerin ohella kauppoja on hierottu Great River Energyn, Xcel Energyn, California Energy Commissionin, Domination Energyn ja NYSERDA:n kanssa.

#energiantuotanto