Aurinkoenergia: Taloustieteilijät ennustavat akkuja käyttävän mikroverkkoteknologian nopeaa kasvua. Ympäristötietoinen Saksa, Japani, Australia ja muut maat ovat käyttäneet aurinkopaneeleja useiden vuosien ajan vähentääkseen energiakustannuksia. Niissä osissa Afrikkaa, joissa vaihtovirtaverkkoa ei ole riittävästi kehitetty tukemaan kaikkia kotitaloustoimintoja, aurinkopaneelit, joissa on varaparisto, ovat pakollisia.
Kuva 1: Susan River Solar Farm Queenslandissa, Australiassa
176-hehtaarin aurinkotila tuottaa 180,000MWh vuodessa 290,000 aurinkopaneelista.
Henkilökohtainen energiantuotanto siirtyy USA:n aurinkovyöhykkeelle; halvemmat aurinkopaneelit ja pidempään kestävät akut tekevät tästä houkuttelevan. Akut varastoivat energiaa huipputuotannon aikana, kun tuotannossa on ylituotantoa, umpeen umpeen, kun vapaa energia pysähtyy yöllä tai kun tuuli pysähtyy. Akut hillitsevät huippukulutusta, kun vaihtovirtaverkko on jännittynyt katkeamispisteeseen asti.
Uusiutuva energia on taloudellisesti järkevää, mutta se on kallista. Suurin osa läntisestä maailmasta toimitetaan halvalla ja luotettavalla sähköverkosta, jonka kilowattituntihinta on niinkin alhainen kuin $0.06 osissa Kanadaa, ${{5 }}.15 monissa kaupungeissa ja jopa $0.40 joissakin Euroopan maissa. Aurinkopaneelin tuottaman sähkön hinta on noin 0,20 dollaria kWh:lta. Oheiskulut mukaan lukien aurinkosähkö on suurimmassa osassa maailmaa kalliimpaa kuin sähkön ostaminen kunnallisilta, ja karkeasti ottaen varastoitu energia kaksinkertaistaa hinnan.
Huolimatta näennäisesti korkeammista kustannuksista, aurinkopaneelien asettaminen taloihin on tulossa muotiin. Laitteiden hinnat laskevat ja niin myös asennus. Yleisimmät aurinkokennot (PV) ovat kiteisiä piitä, joiden hyötysuhde on noin 20 prosenttia. Kannettavaan käyttöön tarkoitettujen taipuisten paneelien hyötysuhde on vain noin 10 prosenttia. Laitteiston hinta 1 watin sähkön tuottamisesta kiinteillä paneeleilla on 2 $.00–2,50, ja kustannukset laskevat.
Auringon rikkaissa maissa, joissa sähkö on kallista, aurinkopaneeleista saatava energia syötetään takaisin vaihtovirtaverkkoon. Tämä saa sähkömittarin pyörimään taaksepäin, mikä kompensoi aiemmin kulutettua energiaa, mutta se voi myös aiheuttaa ongelman. Tuotetun sähkön määrä ei voi ylittää kulutusta. Jos verkkoon syötetään enemmän energiaa kuin kulutetaan, järjestelmästä tulee epävakaa, mikä johtaa jännitteen vaihteluihin, jotka voivat ylikuormittaa piiriä ja johtaa sähkökatkoksia.
Uusiutuvalla energialla on ystäviä ja vihollisia korkealla. Toisaalta hallitukset jakavat tukia uusiutuvien energiajärjestelmien asentamiseen, kun taas toisaalta sähkölaitokset yrittävät epätoivoisesti pysäyttää sähköntuotannon siirtymistä kotitalouksiin alentamalla kannustimia ja lisäämällä maksuja. Sähköyhtiöt väittävät, että asunnonomistajien tekemä huijausenergian tuotanto vaikeuttaa valvontaa ja leikkaa tuloja. He näkevät sen luovan yltäkylläisyyttä ja nälänhätää ylitarjonnan avulla yltäkylläisyyden ja nälänhädän aikoina, kun kysyntä on korkea, mutta uusiutuvia energialähteitä ei ole saatavilla.
Konflikti on ymmärrettävää, koska sähköyhtiöt ovat vastuussa vakaan energian toimittamisesta kaikkina aikoina, kun taas riippumattomat tuottajat eivät pysty vähentämään huolta odotettavissa olevasta viasta, jonka aiheuttaa ikääntyvä verkko, joka vaikeroi kysyntähuippujen aikana. Oikein tai väärin, puhtaan energian tuotantoa uusiutuvista luonnonvaroista ei saa koskaan rajoittaa, varsinkin jos resurssi voidaan varastoida, ja aurinkoyhtiöt taistelevat vastaan sääntelyviranomaisten, lainsäätäjien ja tuomioistuinten kautta.
Pumpattu vesi:Sähköenergian varastointi ei ole uutta. Yksi tehokkaimmista suurten vesivoimaloiden varastointivälineistä on pumpata vettä takaisin säiliöön alhaisen sähköntarpeen aikana ja tarjota se käyttöön ruuhka-aikoina. 70–85 prosentin hyötysuhteella pumpattu vesi on helpompi hallita kuin generaattoreiden säätäminen vaihtelevien tehotarpeiden mukaan. Vauhtipyörät toimivat myös energiavarastoina. Suuret sähkömoottorit pyörittävät yhden tonnin vauhtipyöriä, kun ylimääräistä energiaa on käytettävissä lyhytaikaisten energiavajeiden täyttämiseksi ja verkon vakauttamiseksi. Paineilman pumppaaminen suuriin maanalaisiin onteloihin on toinen tapa varastoida energiaa, mutta pienissä ja keskisuurissa asennuksissa akut toimivat parhaiten.
Kuva 2: 20 miljoonaa kWh "Water Battery" Sveitsissä
Pumpattu vesijärjestelmä auttaa vakauttamaan Euroopan energiaverkkoa.
Vauhtipyörättoimii energian varastoijana akkujen sijasta. Suuret sähkömoottorit pyörittävät yhden tonnin vauhtipyöriä, kun ylimääräistä energiaa on käytettävissä lyhytaikaisten energiavajeiden täyttämiseksi ja verkon vakauttamiseksi. Nopeat vauhtipyörät pyörivät nopeudella 30,000–50,000 kierrosta minuutissa usein magneettisissa laakereissa tyhjiökammiossa. Kestomagneeteilla varustetut sähkömoottorit/generaattorit lataavat ja purkavat kineettistä energiaa tarpeen mukaan.
Vauhtipyörät tarjoavat korkean tehotiheyden pikemminkin kuin liiallisen energian. Kun nykyaikaisen Li-ion-akun ominaisenergia on 250 Wh/kg, vauhtipyörän vastaava on noin 5 Wh/kg, mutta ominaisteho on jopa 2 500 W/kg, mikä on 10- kertaa korkeampi kuin Li-ion akku.
Tehon toimittamisessa vauhtipyörällä on verrattavissa superkondensaattorin ominaisuuksia. Vauhtipyörän valmistaja sanoo: "Sovelluksiin<20–30kW you'd rather use supercaps. Above this power requirement, the flywheel offers advantages." In terms of longevity, the flywheel delivers a few million full cycles whereas the longevity of the supercap is around 500,000 cycles. The drawback of the flywheel is mechanical wear-and-tear with mechanical bearings.
Paineilma: Paineilman pumppaaminen suuriin maanalaisiin onteloihin on toinen tapa varastoida energiaa. Tällaiset järjestelmät tarjoavat energiaa suuriin asennuksiin akkujen sijaan. Paineilmaa ei käytetä yleisesti. Se tarvitsee pääsyn suureen vesialtaaseen, ja ilmapallon muotoinen ontelo voidaan puhkaista.
Paineilma maanalaisissa luolissa on mielenkiintoinen yritys, joka ei toiminut suunnitellusti. Myrskyisistä häviöistä, maanalaisten luolien vuotamisesta ja järjestelmän rakentamiskustannuksista johtuvat tehottomuudet estävät tätä innovatiivista yritystä. Raha ja lahjakkuus eivät voi ratkaista kaikkia ongelmia.
Muita mekaanisia energianvarastointijärjestelmiä ovat painon nostaminen tornissa ja kuormatun auton raiteille vetävän rautatien rakentaminen sekä vapauttaminen energian varastoimiseksi. Vuorovesiturbiineja käytetään myös erilaisilla onnistumisasteilla.
Akun kemiat: Säilytysakut ovat enimmäkseen lyijyhappoa ja käyttäjät valittavat niiden lyhyestä käyttöiästä. Tämä johtuu osittain liiallisesta pyöräilystä, koska akku latautuu päivällä ja purkautuu yöllä. Lyijyhapolla on rajoitettu sykliluku, ja se kärsii sulfatoitumisesta, kun sitä ei ole ajoittain ladattu täyteen. Täysin kyllästetty lataus kestää 16 tuntia, eikä mikään aurinkojärjestelmä pysty toimittamaan energiaa näin pitkään. Lisäksi sähkönkulutuksella on taipumus kasvaa ajan myötä, kun taas aurinkopaneelit vähentävät tehoaan lian kertymisen ja ikääntymisen vuoksi. Tämä jättää usein lyijyhappoon riittämättömäksi.
Vaihto Li-ioniin ratkaisee tämän osittain. Li-ion kestää pyöräilyä paremmin kuin lyijyhappo, eikä sitä tarvitse ladata täyteen; itse asiassa osittainen lataus on parempi, koska se lievittää stressiä. Mutta Li-ion on edelleen kaksinkertainen tai kolminkertainen lyijyhapon kustannukset järjestelmän oston kannalta.
Tesla Powerwall tarjoaa 7 kWh:n ja 10 kWh:n akun, joka riittää pitämään kodin valaistuna useita tunteja. Molemmissa pakkauksissa on sama määrä soluja; 7 kWh:n akussa käytetään vankkaa NMC:tä, jota käytetään monissa teollisuussovelluksissa, kun taas 10 kWh:n akussa käytetään Teslan S-malleissa virtaa käyttävää NCA:ta. NCA tarjoaa korkean energiatiheyden ja lyhyen latausajan, kun taas NMC tarjoaa korkean syklien määrän pienemmällä kapasiteetilla.
Sekä NCA että NMC ovat energiasoluja, jotka eivät pidä raskaista kuormista. Powerwallin teho on rajoitettu 2 kW:iin. Tämä riittää jääkaapin, ruskean paahtoleivän ja ehkä paidan silittämiseen, mutta teho on liian pieni aterian valmistamiseen sähköliesillä, sähkökuivaimen käyttämiseen tai ilmastointilaitteen pitämiseen käynnissä. korkean energian laitteet kuluttavat yli 2 kW. Täyttääkseen aukon AC-verkko käynnistyy saumattomasti kotitalouksien ruuhkan aikana. 10 kWh:n akku 2 kW:n huipputeholla ei voi irrottaa kotitaloutta verkosta, mutta se vähentää sähkölaskua kolmanneksella puoleen.
10 kWh:n akun lataaminen täyteen 5 tunnin optimaalisen auringonpaisteen aikana vaatii aurinkojärjestelmän, joka tuottaa 5–12 kW. Arvioidulla 2 dollarin wattihinnalla 10 kW:n aurinkosähkölaitteisto maksaa 20 dollaria,000. Asennus ja DC-AC-invertteri aurinkosähkön DC:n muuntamiseksi yhteensopivaksi AC-sähköksi ja sen synkronoimiseksi verkkoon voivat kaksinkertaistaa kustannukset. Akku tulee myös ylimääräiseksi.
Toinen piilotettu kustannus, joka usein unohdetaan, on käyttöiän loppuminen. Aurinkopaneelien käyttöikä on 25 vuotta ja akkujen takuu on yleensä 10 vuotta. 5 prosentin rahakustannuksella ja 20 vuoden poistolla 25 dollarin000 järjestelmä voisi maksaa omistajalle 2 500 dollaria vuodessa. Energiansäästön tulisi olla tätä suurempi tai muuten harjoitus voidaan tulkita väärin. Vielä suurempia energiansäästöjä voidaan saavuttaa vähentämällä henkilökohtaista kuljetusta tai pienentämällä tällaisen vaunun kokoa ja tehoa.