Tämä artikkeli on toinen osa sähkön varastoinnin perusteita käsittelevää juttusarjaamme.
Sähkövarasto (englanniksi Battery Energy Storage System eli BESS) on akkuihin perustuva järjestelmä, jolla voidaan varastoida energiaa esimerkiksi ylituotannon aikana ja purkaa sitä käyttöön myöhemmin tarpeen mukaan. Järjestelmän avulla voidaan muun muassa ottaa talteen itse tuotettua uusiutuvaa energiaa, varautua sähkökatkoihin ja sähkön hinnan vaihteluun, tasata sähkön kulutuksen huippuhetkien tehopiikkejä ja tukea valtakunnan sähköverkkoa.
Sähkövarasto mahdollistaa sähkön hinnanheilahteluiden hyödyntämisen, kun sähköä otetaan talteen sen ollessa edullista, ja vastaavasti latausta puretaan kalliina aikoina. Lisäksi sähkövarasto toimii varavoimana ja auttaa näin varautumaan sähkökatkoksiin. Fiksuimmat ratkaisut mahdollistavat myös osallistumisen reservimarkkinoille, mistä hyötyvät sekä sähkövaraston omistajat ja käyttäjät, että koko valtakunnan sähköverkko.
Sähkövarastot ovat yleistymässä osana niin kotitalouksien kuin yritystenkin energiaratkaisuja. Tässä artikkelissa käsittelemme sähkövarastoja etenkin yritysten ja organisaatioiden näkökulmasta.
Jos olet harkitsemassa sähkövarastojen hankintaa, autamme sinua ymmärtämään kaiken tarvittavan niiden toiminnasta, hyödyistä ja olemassa olevista ratkaisuista:
Sähkövarasto on kokonaisuus, jolla voidaan varastoida sähköä, ja ottaa sitä käyttöön myöhemmin. Tämä mahdollistaa oman sähkönkulutuksen ja -tuotannon optimoinnin niin, että jokaisesta järjestelmän läpi kulkevasta kilowattitunnista saadaan parempi rahallinen hyöty. Samalla järjestelmällä varaudut myös sähkönjakelun häiriöihin.
Sähkövaraston avulla voit:
Sähkövarastot voidaan jakaa käyttötarkoituksen perusteella kolmeen eri ryhmään:
Paikallisesssa käytössä sähkövaraston tehtävä on optimoida kiinteistön sähkönkulutusta. Sähkövarastoja voidaan käyttää aurinko- ja tuulivoiman kaltaisten uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähkön varastointiin, mutta niitä voidaan ladata myös sähköverkosta. Ottamalla varastoitua energiaa käyttöön myöhemmin voit tasata sähkön siirron tehopiikkejä ja siirtää kulutusta kalliilta hetkiltä havelmmille. Varastoitu sähkö toimii myös varavoimana sähkön hintapiikkien ja sähkökatkosten aikana. Tämä on kriittisen tärkeää yrityksille, joiden tuotantoprosessi on riippuvainen jatkuvasta sähkönsaannista.
Tajuusreservikäytössä sähkövarastot auttavat sähköverkon ylläpitäjää Fingridiä säilyttämään verkon taajuuden 49,9 ja 50,1 hertsin välissä. Tämä on tärkeää, sillä taajuuden heiluessa riittävästi koko sähköjärjestelmä on vaarassa romahtaa tai kaatua. Fingridin ylläpitämille markkinoille osallistuvat sähkövarastot lataavat ja purkavat akkujaan verkon taajuuden mukaan. Sähkövarastoa käyttäville yrityksille maksetaan tästä korvauksena reservimarkkinatuottoa.
Yhdistelmäkäytössä sähkövarasto toteuttaa paikallisia sähkön varastoinnin tarpeita ja osallistuu samalla taajuusreservimarkkinoille. Tällainen sähkövarasto ottaa siis talteen oman sähköntuotannon ylijäämän, ennakoi ja tasaa kiinteistön sähkönkulutuksen huiput, huomioi pörssisähkön tuntikohtaiset hinnanheilahtelut, toimii varavirtalähteenä, sekä tahkoaa omistajalleen euromääräistä tuottoa taajuusreservistä.
Esimerkiksi Cactoksen sähkövarastot toimivat yhdistelmäkäytössä, ja ne pyrkivät kaikkina hetkinä tuottamaan käyttäjilleen mahdollisimman suuren euromääräisen hyödyn.
Vaikka itse energian voikin ostaa käytännössä miltä sähköyhtiöltä tahansa, verkkoyhtiö määräytyy sijainnin perusteella. Sähkön siirron hinnoittelumalli riippuu sähköverkkoyhtiöstä.
Nyrkkisääntö: mitä enemmän sähköä verkkoyhtiön täytyy olla valmis kiinteistöön siirtämään, sitä enemmän liittymä maksaa. Toisaalta hinta per siirretty kilowattitunti on edullisempi isoille asiakkaille.
Yritysten ja yhteisöjen siirtohinnoittelussa on usein mukana niin sanottu tehomaksu. Se määräytyy tarkastelujakson korkeimman siirretyn sähkömäärän mukaan. Jos kulutus on kovin piikikästä, tulee se yritykselle paljon kalliimmaksi, kuin verkon tasainen kuormitus.
Sähkövarasto auttaa tasaamaan näitä kulutuspiikkejä. Kun paljon sähköä vaativan prosessin (esimerkiksi sähköauton latauksen) aikana sähköverkon tukena on aikaisemmin akkuihin varastoitua sähköä, on myös verkon hetkellinen kuormitus pienempi.
Yhä useammalla yrityksellä on käytössä pörssisähkö, jossa tuntikohtainen hinta vaihtelee rajusti sähkön kysynnän ja tarjonnan mukaan. Sähkövaraston avulla voit hyödyntää pörssisähkön hinnan heilahteluja ja käyttää sähköä kustannustehokkaasti.
Pörssisähkön tuntikohtaiset hinnat julkaistaan aina edellisenä päivänä. Tämä auttaa sekä tuottajia että kuluttajia ennakoimaan sähkön tuotantoa, käyttöä ja varastointia. Jos aamupäivän sähkö on iltapäivän sähköä kalliimpaa, sitä kannattaa ottaa talteen jo etukäteen. Myös paljon sähköä kuluttavia toimintoja voi ajoittaa fiksusti hinnan ollessa tiedossa.
Vastaavasti jos sähkön hinta on pian laskussa, on järkevää lykätä sähkösyöppöjä toimintoja, ja koettaa pärjätä akkujen voimalla kalliin verkkovirran sijaan.
Sähkövarasto ja oma uusiutuva energiantuotanto tukevat hyvin toisiaan. Aurinko- ja tuulisähkön saanti on aina säästä kiinni. Varastoidun sähkön avulla voit varautua päivä- ja tuntikohtaisiin heilahteluihin ja käyttää omaa uusiutuvaa energiantuotantoasi tehokkaammin osana kiinteistösi energiaratkaisuja.
Kun aurinko paistaa ja tuuli puhaltaa, kaikki lähialueen paneelit ja tuulivoimalat puskevat verkkoon puoli-ilmaista energiaa. Sen sijaan, että myisit tuottamasi sähkön heikkoa korvausta vastaan, voit ottaa sen talteen omia tarpeitasi varten. Näin pienennät verkkosähkön tarvettasi tulevaisuudessa, ja saat omasta tuotannostasi suhteessa paremman hinnan.
Suomi on pitkä maa, jossa sähköverkot kulkevat pääosin maan pinnalla. Myrskyjen kaataessa puita langoille saattavat sähköt katketa kymmeniltä tuhansilta ihmisiltä.
Sähkövarasto tuo turvaa jakeluhäiriöiden varalle. Tällaisessa varavirtakäytössä ratkaisu tunnetaankin lyhenteellä UPS (Uninterruptible Power Supply eli keskeytymätön virtalähde).
Oikein mitoitetulla sähkövarastolla pidät huolen siitä, että voit jatkaa tärkeitä toimintoja myös jakeluhäiriöiden aikana. Oli kyseessä sitten lämmitys, vaikeasti alas ajettavien tuotantoprosessien hallinta tai logistiikkayrityksen ajoneuvojen lataus, varavirta auttaa pääsemään haastavien tilanteiden yli.
Fingrid pitää yllä Suomen sähköverkkoa ja huolehtii siitä, että verkon taajuus pysyy 49,9 ja 50,1 hertsin välissä. Äkilliset voimaloiden, tehtaiden tai maiden välillä sähköä siirtävien yhteyksien irtoamiset nostavat ja laskevat verkon taajuutta hetkellisesti. Jos näitä ei tasapainotettaisi välittömästi, verkko ja siihen kytketyt laitteet voisivat mennä rikki.
Tästä tasapainottamisesta huolehtii taajuusreservimarkkina. Markkinoille osallistuvat sähkövarastot reagoivat verkon taajuuden korjaustarpeeseen lataamalla ja purkamalla akkuja. Omistajat saavat rahallisen korvauksen tehoreservin ylläpidosta, riippumatta siitä, kuinka isoa osuutta maksamastaan kapasiteetista Fingrid päätyy lopulta hyödyntämään.
Fingrid ostaa ylläpitämiltään markkinoilta niin kutsuttua tehoreserviä, jota se ottaa tarvittaessa käyttöön tasatakseen verkon taajuutta. Tehoreservissä markkinoille tarjottava minimimäärä on melko iso, joten harva yksittäinen osallistuja yltää tarvittavaan tehoon. Mutta osana isompaa poolia myös pienemmät toimijat voivat olla mukana tasapainottamassa sähköverkkoa.
Esimerkin tällaisesta taajuusreserviyhteensopivasta sähkövarastosta tarjoaa Cactos. Kaikki Cactoksen älyohjatut sähkövarastot osallistuvat Fingridin taajuusreservimarkkinoille osana samaa poolia. Sähkövarastot lataavat ja purkavat energiaa taajuuden mukaan, ja kaikki poolissa mukana olevat varastot saavat korvauksen markkinoille osallistumisen mukaisesti.
Yksinkertaisimmillaan sähkövarasto tai “akkuvarasto” koostuu akustosta ja invertteristä. Vähänkään kehittyneimmissä ratkaisuissa on mukana myös ohjausohjelmisto.
Sähkövaraston ilmeisin komponentti on akusto. Se koostuu akkusoluista, joihin ladataan sähköä. Akkusolujen määrää riippuu akuston tyypistä ja kapasiteetista.
Akkuihin ladataan tasavirtaa (DC). Sitä saadaan esimerkiksi aurinkopaneeleista tai omasta tuulivoimalasta. Myös tavallisesta sähköpistokkeesta saatavaa vaihtovirtaa (AC) voidaan muuttaa tasavirraksi. Tähän tarvitaan invertteri.
Invertteri muuttaa sähkön tyyppiä. Tavallinen invertteri osaa muuttaa vain tasavirtaa vaihtovirraksi, mutta hybridimalli toimii molempiin suuntiin.
Pelkällä akkukennolla ei vielä pitkälle pötkitä; jonkin pitää ohjata invertteriä ja sitä kautta akkuja tekemään jotain hyödyllistä. Ohjausohjelmisto auttaa optimoimaan akkuihin ja niistä ulos virtaavaa sähköä hetki hetkeltä. Mitä fiksumpi ohjelmisto järjestelmää pyörittää, sitä enemmän euroja saat irti akustosi kapasiteetista.
Jotkin sähkövarastojen valmistajat tarjoavat kaupanpäällisiksi ilmaisen ohjausohjelmistonsa. Näiden ominaisuudet saattavat kuitenkin olla melko rajallisia. Tarjolla on myös maksullisia ohjelmia, jotka hankitaan joko kertahinnalla tai kuukausimaksulla. Esimerkiksi Cactoksen mallissa ohjausohjelmisto kuuluu kuukausittaiseen leasing-maksuun.
Akkujen perustehtävä on aina samanlainen: ottaa sähköä talteen, säilyttää sitä mahdollisimman pienellä hävikillä, ja purkaa se takaisin käyttöön.
Sähkövarastojen vaatimukset akuille poikkeavat hieman esimerkiksi pienelektroniikasta ja sähköautoista. Lähtökohtaisesti paikallaan pysyvissä akkuvarastoissa massa ja koko eivät ole ongelma. Siksi niissä voidaan käyttää yleisesti saatavilla olevia materiaaleja, joiden energiatiheys on esimerkiksi mahdollisimman kevyiden sähköautojen akkumateriaaleja matalampi. Energiavarastokäyttöön soveltuvissa akkutyypeissä korostuu seuraavat tekijät:
Alla esittelemme sekä alalla vakiintuneet akkutyypit että muutaman tulevaisuudessa lupaavalta vaikuttavan ratkaisun.
Litiumioniakun (Li-Ion) etuja ovat suuri energiatiheys, pitkä 10 – 20 vuoden käyttöikä, sekä nopea lataus ja purku. Haittapuolelta taas löytyvät korkea hinta ja herkkyys korkeille lämpötiloille.
Perinteisen litiumioniakun valmistuksessa käytetään harvinaisia maametalleja: nikkeliä, kobolttia ja mangaania. Tämä yhdistelmä tunnetaan myös lyhenteellä NMC. Koska näillä metalleilla on korkea hinta, hankala saatavuus ja tuotantoketjun vastuullisuuteen liittyviä haasteita, rinnalle on kehitetty vaihtoehtoisia materiaaleja.
Sekä materiaaleja että kokonaisia akkuja voidaan toki myös kierrättää.
Perinteisten litiumioniakkujen korvaajista lupaavimpia on rautafosfaatti- eli LiFePO4-akut. Rautafosfaattiakku on edelleen litiumioniakku, mutta harvinaisten maametallien sijaan sen katodimateriaalina käytetään helposti saatavaa ja huomattavasti huokeampaa rautafosfaattia.
LiFePO4-akkujen energiatiheys ei yllä ihan NMC-akkujen tasolle. Toisaalta rautafosfaattiakku on huomattavasti edullisempi valmistaa, eivätkä paino ja koko nouse kynnyskysymyksiksi staattisessa energiavarastokäytössä. LiFePO4 on NMC-materiaalia vakaampi ja turvallisempi, sillä se ei ole herkkä lämpökuohumiselle tai räjähdyksille. Se on myös pitkäikäinen ratkaisu: rautafosfaattiakun arvioidaan kestävän käytössä 15 – 20 vuotta.
Nämä ominaisuudet yhdessä tekevät raurafosfaattiakusta tällä hetkellä parhaan valinnan sähkövarastokäyttöön. Myös esimerkiksi Cactoksen sähkövarastoissa käytetään yksinomaan rautafosfaattiakkuja.
Lyijyakku on akkutyypeistä huokein. Se voi varastoida suuria määriä energiaa. Haittapuolella on kuitenkin matala energiatiheys: lyijyakut painavat huomattavasti muita akkutyyppejä enemmän, ja vievät enemmän tilaa. Lisäksi niiden käyttöikä on lyhyempi, joten akut on vaihdettava useammin. Myös ympäristön kannalta lyijyakut ovat lyhytnäköinen valinta.
Tyypillinen lyijyakku kestää käytössä 5-8 vuotta. Akun käyttöikää voivat kuitenkin lyhentää:
Lyijy on myrkyllinen metalli, joka saastuttaa maaperää ja vesistöjä. Näitä haittoja pyritään torjumaan kierrätyksellä. EU:ssa lyijyakkujen kierrätys on pakollista, joten valmistajien ja myyjien on otettava vastaan käytetyt lyijyakut. Kierrätys ei kuitenkaan ratkaise kaikkia lyijyakkujen ongelmia. Uusien akkujen valmistus vaatii edelleen lyijyn louhintaa, joka on ympäristölle haitallista. Lisäksi lyijyä voi vapautua ympäristöön myös kierrätysprosessin aikana.
Virtausakku on eräänlainen nestemäinen akku, joka varastoi energiaa kahden elektrolyyttiliuoksen avulla. Virtausakut ovat tehokkaita ja niillä on erittäin pitkä käyttöikä, jopa 20 vuotta. Ne ovat myös turvallisia, kestäviä ja ympäristöystävällisiä.
Virtausakkujen suurimmat haasteet ovat korkea hinta ja hankala asennus. Ne ovat myös melko painavia ja vievät paljon tilaa. Virtausakkujen käyttö on vielä varsin tuore asia ja teknologiaa kehitetään eteenpäin. Uusia materiaaleja ja valmistusmenetelmiä tutkitaan hinnan laskemiseksi ja suorituskyvyn parantamiseksi.
Vaikka virtausakut ovat lupaava tulevaisuuden teknologia, ne eivät välttämättä ole paras ratkaisu useimmille yrityksille nyt tai edes parin vuoden päästä. Toistaiseksi ne soveltuvat teollisiin ja verkkotason kohteisiin, eivät niinkään yksittäisen yrityksen tai kiinteistön ratkaisuksi.
Tulevaisuuden ratkaisu sähkön varastointiin voi löytyä niinkin arkisesta aineesta kuin suola. Natriumsuolaan perustuvat akut eivät sisällä lainkaan harvinaisia metalleja, joten niiden valmistaminen on varsin edullista. Natriumakkuja on kehitelty myös Suomessa, muun muassa Aalto-yliopistolla, LUT:issa, VTT:llä, sekä muutamissa startupeissa.
Natriumakut alkavat olla jo valmiita kaupalliseen käyttöön. Lopullista läpimurtoa varten on kuitenkin ratkaistava vielä muutama perustavanlaatuinen lastentauti: matala energiatiheys ja tehottomuus kylmissä olosuhteissa.
Sähkövaraston hankintapäätös on monen tekijän summa. Yritysten kannattaakin miettiä sähkövarastoa osana koko kiinteistön energiakokonaisuutta. Esimerkiksi lämmitysmuoto, oma sähköntuotanto sekä sähköautojen ja muiden laitteiden lataus vaikuttavat siihen, paljonko sähkölle ja sen varastoinnille on tarvetta.
Jos harkitset sähkövaraston hankintaa, huomioi ainakin seuraavat asiat:
VINKKI: Kiinteistön pääsulakekoko kertoo, paljonko sen läpi voi enimmillään ladata. Maksimitehon saat jakamalla sulakkeen amppeerit luvulla 1,44. Esimerkiksi 63 A pääsulakkeen läpi voi ladata maksimissaan noin 44 kW teholla. Laskelmissa pitää toki ottaa huomioon myös kiinteistön muu sähkönkulutus.
Sähkövaraston hinta ja toisaalta sen tuoma rahallinen etu ovat monen tekijän summa, ja niitä kannattaa arvioida kokonaisuutena. Myös erilaiset hankinta-, omistus- ja hinnoittelumallit vaikuttavat viivan alle jäävään numeroon.
Hintaan vaikuttaa huomattavasti rautapuoli, eli akusto ja invertteri. Mitä isomman akuston haluat kiinteistöösi asennuttaa, sitä enemmän se maksaa. Myös sähkövaraston ohjausohjelmisto on hyvä ottaa huomioon hintaa laskiessa.
Sähkövarastoa ei saa lähteä asentamaan omin päin. Ennen asennusta on haettava ja saatava asianmukaiset luvat. Lisäksi itse asennuksen saa tehdä vain sähköalan ammattilainen.
Sähkövaraston hankintaa ei pitäisi nähdä pelkkänä kulueränä vaan investointina. Hankintahinnan ohella tulisi miettiä sitä, miten paljon sähkölaskussa pystyy säästämään.
Varavirtalähteenä sähkövarasto on äärimmäisen arvokas, sillä esimerkiksi sähkökatkon takia keskeytynyt toiminta tai pilalle mennnyt tuotanto voi tulla todella kalliiksi. Sähkökatkoja on kuitenkin vaikea ennakoida. Yksinomaan varavirtalähteenä toimivaa sähkövarastoa voidaankin ajatella vakuutuksena, jonka hyöty mitataan vasta sitten, kun jokin menee pieleen.
Oman kulutuksen ja tuotannon optimoinnilla saavutetaan myös säästöjä: ottamalla itse tuotettu energia talteen myöhempää käyttöä varten voidaan pienentää ostosähkön tarvetta etenkin kalliiden tuntien aikaan. Tasaamalla kulutushuippuja voidaan välttää sähkönsiirron tehomaksuja. Jos kiinteistön sähkönsiirto pysyy juuri ja juuri liittymäkoon asettamissa rajoissa, akkujen mahdollistama “kuorman siirto” voi auttaa pärjäämään pidempään pienemmällä eli kuukausimaksultaan edullisemmalla liittymällä.
Valitettavasti näillä paikallisilla optimoinneilla saavutetut säästöt eivät aina yksinään riitä kuolettamaan sähkövaraston hankintaan tehtyä investointia kovin nopeasti.
Etenkin nykyisillä sähkönhinnoilla olennaisimmaksi tekijäksi euromääräistä hyötyä hakiessa nousee sähkövaraston kyky osallistua taajuusreservimarkkinoille. Sekä paikallis- että reservikäytössä tomivalla sähkövarastolla reservimarkkina auttaa saavuttamaan rahallista tuottoa, ja yllä kuvatut optimointiedut tulevat ikään kuin kaupanpäällisenä.
Kertainvestointina hankitun sähkövaraston takaisinmaksuaika voi olla pitkä. Siksi etenkin yritysten ja yhteisöjen kannattaa harkita sähkövaraston hankintaa leasing-sopimuksen kautta.
Leasing-mallissa sähkövaraston hintaa ei makseta pois kerralla, vaan varaston tarjoamista säästöistä ja tuotoista pääsee hyötymään kuukausimaksua vastaan.
Leasing-järjestelmissä on eroja, mutta esimerkiksi Cactoksen mallissa on monta etua, joita ei saa vain ostamalla isoa akkuvarastoa kertahankintana:
