Älykkäämpää energiaa

Uusiutuvien energiamuotojen käytössä ja kehityksessä on viimeisen parin vuosikymmenen aikana otettu maailmalla isoja edistysaskeleita. Lähes kaikkialla suurin osa energiasta on yhä peräisin fossiilisista polttoaineista, mutta sähköntuottajat ovat entistä kiinnostuneempia sijoittamaan kestäviin vaihtoehtoihin, kuten tuuli- ja aurinkoenergiaan sekä vesivoimaloihin.

Tähän asti suurin osa tutkimuksesta ja kehitystyöstä on keskittynyt energian tuotantoon. Mitä pidemmälle energiaketjun tarjonnan päässä on edetty, sitä enemmän kiinnostus on alkanut suuntautua muuallekin, kuten sähkön varastointiin, muuntamiseen ja kulutuksen joustoon. Ne kaikki ovat erittäin tärkeitä tulevaisuuden uusiutuvassa sähköntuotannossa.

Varastointi haasteena

Aalto-yliopiston kemian ja materiaalitieteen laitoksen professori Tanja Kallio on työskennellyt vetypolttokennojen ja muiden sähkökemiallisten laitteiden parissa yli kaksi vuosikymmentä. Polttokennot ja muut sähkökemialliset laitteet voisivat toimia uusiutuvien energiamuotojen rinnalla osana kestävää sähköverkkoa, johon ne toimittaisivat varastoimaansa energiaa sitä tarvittaessa.

”Sähkökemiallisten laitteiden käyttäminen on äärimmäisen tehokas tapa tuottaa ja varastoida energiaa, mutta niiden valmistaminen on valtavan kallista”, Kallio kertoo.

”Siksi valmistuskustannuksia täytyy laskea käyttämällä halvempia rakennusmateriaaleja – tai on löydettävä keinoja pidentää merkittävästi laitteiden elinkaarta.”

Sähkökemiallisten laitteiden kalleus johtuu niissä kemiallisten reaktioiden katalyytteinä käytettävien jalometallien – tavallisesti platinan ja iridiumin – markkinahinnoista. Katalyyttejä tarvitaan sekä energian tuottamiseen että varastoimiseen. Näitä metalleja on maankuoressa rajallinen määrä. Se paitsi nostaa niiden hintaa myös tarkoittaa, että ennen pitkää ne loppuvat, jolloin viimeistään tarvitaan vaihtoehtoja.

”Kun huomioidaan tunnetut platina- ja iridiumvarannot ja sähkökemiallisten laitteiden odotettu kasvu, on selvää, että kymmenen tai kahdenkymmenen vuoden päästä näitä jalometalleja ei ole tarpeeksi vastaamaan tarpeisiimme”, Kallio jatkaa.

”Siksi mielenkiintomme kohdistuu materiaaleihin, joita on runsaasti saatavilla ja jotka eivät ole geopoliittisesti ongelmallisia. Ne myös riittäisivät tarpeisiimme huomattavasti pidempään."

Kallio kuuluu tutkimusryhmään, joka on tehnyt yhteistyötä useiden pienten ja keskikokoisten yritysten kanssa harvinaisten jalometallien katalyyttikäytön vähentämiseksi. Laboratoriokokeissa ryhmä on onnistunut luomaan tapoja varastoida energiaa vetyyn käyttämättä lainkaan platinaa. Koska tuloksia on vaikea toisintaa teollisessa mittakaavassa, Kallio ryhmineen keskittyy nanomateriaaleja hyödyntävään vaihtoehtoon, joka vähentää platinan tarpeen kymmenesosaan nykyisestä.

Kohti suljettua kiertoa

Jalometallien kierrättäminen käytetyistä laitteista on jo tärkeä osa kestävää kehitystä sekä tehokkuuden että turvallisuuden takia. Kierrätyksestä tulee kuitenkin hyvin vaikeaa, kun laitteissa käytettävien metallin määrää vähennetään.

Kallio on tarttunut haasteeseen CloseLoop-hankkeen kautta. Sitä rahoittaa Suomen akatemian strategisen tutkimuksen neuvosto. Ryhmä tekee yhteistyötä Aalto-yliopiston professoreiden Mari Lundströmin ja Maarit Karppisen kanssa kehittääkseen kierrätysprosesseja, joiden avulla voitaisiin tehokkaasti erottaa ja puhdistaa litiumin ja koboltin kaltaisia materiaaleja. Niitä voitaisiin sen jälkeen uusiokäyttää litiumioniakuissa.

”Kierrätysmateriaaleissa jalometalleja on hyvin pieniä määriä, mikä tekee niiden erottelemisesta vaikeaa”, Kallio kertoo.

”Litiumakkuihin käytettävän materiaalin tulee olla erittäin puhdasta, sillä epäpuhtaudet lyhentävät pariston elinikää. Käynnissä oleva tutkimuksemme osoittaa, että kierrätysakuista voidaan erottaa jalometallit. Niitä voidaan työstää uudelleen käytettäväksi materiaaliksi, jonka suorituskyky akun elinkaaren alussa on erinomainen.”

Energiajärjestelmä murroksessa

Sähkökemiallisten laitteiden ja niiden katalyyttien tutkimuksen lisäksi Aalto-yliopistossa tarkastellaan maailman kestävään energiatalouteen siirtymistä myös yhteiskuntatieteellisestä näkökulmasta. Kauppakorkeakoulun professori Armi Temmes on erään hankkeen vetäjä.

”Mitä merkittävämmäksi uusiutuvista energiamuodoista saatava vaihteleva energiantuotanto tulee, sitä tärkeämpää on tämän vaihtelevuuden hallinta”, Temmes selittää.

”Tällaiset teknologiset murrokset muuttavat ihmisten tapaa ajatella ja toimia, ja lisäksi ne vaikuttavat toimijoihin myös kulissien takana.”

Hyvä esimerkki tästä on sähköntuotannon ja lämmöntuotannon entistä vahvempi linkittyminen. Tähän saakka sähköä on tuotettu lämmön avulla, mitä taas on tuotettu polttamalla eri polttoaineita. Tulevaisuudessa sähköverkkoon tulee entistä enemmän uusiutuvista energianlähteistä peräisin olevaa sähköä ja lämmitys hoidetaan yhä useammin sähköllä esimerkiksi lämpöpumppujen avulla. Suomessa lämmitystarve on suuri, ja siksi lämmityksen muutokset ovat tärkeitä.

Yhdessä Teknologian tutkimuskeskus VTT:n kanssa Temmes on tutkimusryhmineen mallintanut tapaa, jolla koko sähkö- ja lämmönjakeluverkosto voisi tulevaisuudessa pohjautua uusiutuviin energianlähteisiin.

”Sähkön ja lämmön tuottamisen, käytön ja jakelun tapojen täytyy linkittyä entistä perusteellisemmin yhteen, jotta Suomessa voitaisiin luopua hiilestä ja muista fossiilisista polttoaineista”, Temmes tähdentää.

”Lämpöpumput ovat erittäin joustavia, ja ne voisivat pitkälti vastata lämmitystarpeisiimme, mutta tuulivoiman osuutta tulisi merkittävästi kasvattaa, jotta lämpöpumppujen käyttämä sähkö olisi puhdasta.”

Temmeksen tutkimusryhmä keskittyy myös sähkön kulutuksen jouston mahdollisuuksiin. Tavoitteena on löytää tapoja, joilla sähkönkulutusta voitaisiin ohjailla ilman, että sillä olisi huomattavaa vaikutusta ihmisiin tai liiketoimintaan. Tällaisten säätöjen hallitseminen automatiikan avulla on jo joidenkin teollisten asiakkaiden, kuten kauppakeskusten käytössä. Kuluttajille vastaavia palveluja ei vielä yhtä laajasti ole saatavilla.

”Kulutusjouston malleja kehitetään, mutta niiden tuominen kuluttajamittakaavaan on vielä erittäin vaikeaa, koska kotitalousmittakaavassa tarvittava tekniikka ei vielä ole taloudellisesti kannattavaa. Siksi tutkimme kysyntäjouston liiketoimintamalleja löytääksemme uusia vaihtoehtoja”, Temmes selittää.

Politiikkaa yhdessä

Aalto-yliopistossa on tutkittu aktiivisesti myös kestävään energiaverkkoon siirtymiseen tarvittavia poliittisia toimia ja tuotu eri sidosryhmien edustajia keskustelemaan yhteisen pöydän ääreen. Professori Sampsa Hyysalon johdolla osallistujat tunnistivat kahdeksan energiamurroksen mukanaan tuomaa haastetta. Niiden ratkaisemisessa ja ilmastonmuutoksen vaatimien kunnianhimoisten ja välttämättömien toimien toteuttamisessa tarvitaan yhteistyötä.

”On olennaista, että tulevaisuuden ratkaisuja etsitään muualtakin kuin energiantuotannosta”, Temmes sanoo. ”

”Meillä on jo keinoja energian päästöttömään tuottamiseen, mutta muut järjestelmän osat eivät ole valmiina.”