Avainsana: energian varastointi

Jokakodin lämpöpumppu viemällä pakastimesta jäätä ulos

Lapset jäähdyttivät limonadipulloa pakastimessa ja sinnehän se unohtui. Pullo sulaa nyt jääkaapissa monta päivää ja voi hyvinkin räjähtää. Vai kannattaisiko pullo viedä ulos?

Mutta tästä tulikin mieleeni, voisiko ulkoa hakea viisiasteitta vettä räystään alta, pistää sen litran pulloon ja pakastimeen.(*) Sittenhän talo lämpenee, kun jään vie takaisin ulos? Voisiko taloa lämmittää tuolla tavalla? Jokakodin lämpöpumppu!

Pakastinhan on sähkölämmitystalossa yksinkertaisesti lämpöpatteri. Kaiken sisältä ulos pumppaamansa energian se luovuttaa sisäilmaan ja myös tässä työssä tarvittava energia luovutetaan sisäilmaan. Sähkön hinnan ollessa edullisempi kuin useimpien muiden lämmitysmuotojen – erityisesti öljyn – öljylämmitystalo säästää rahaa käyttämällä pakastinta mahdollisimman paljon kahta ja puolta kesäkuukautta lukuunottamatta.

Pakastimen käyttö on siis ilmaista ja ekologista jos kulumista ei lasketa.

Litra viisiasteista räystäsvettä luovuttaa -20-asteisessa pakastimessa ensin viisi astetta veteen varastoitua energiaa, sitten jäätymisessä vapautuvan energian ja vielä 20 astetta jäähän varastoitua energiaa. Kaikki energia vapautuu siis huoneilmaan. Kilojouleina (joule=wattisekunti) kilosta vettä vapautu energiaa:

vesi: 5 * 4,2 kJ = 21 kJ
jäätyminen: 333 kJ
jää: 20 * 2,1 kJ = 42 kJ

Eli yhteensä 396 kJ eli 0,11 kWh. Melkein kaikki energia vapautuu jäätymisestä.

Kun vesi palautetaan jäänä ulos, sisään on jäänyt 0,11 kWh lämpöä eli noin yhdellä sentillä energiaa.

Jatkuvatoiminen pakastin, joka pursottaisi 10 kiloa sadevedestä tehtyä jäätä tunnissa suoraan seinästä ulos olisi (**) 1,1 kilowatin ilmainen lämmitin. Rahaa tuo säästäisi kymmenen senttiä tunnissa, 2,40 euroa päivässä, melkein 300 euroa 9,5 lämmityskuukauden aikana. Tosin, kun talvella jouduttaisiin enemmäkseen käyttämään vesijohtovettä, vuodessa tarvittu 68 kuutiota vettä maksaa lähes yhtä paljon. Ja tuo 68 kuution jääkasa voisi olla myös näkemisen arvoinen (4,1m x 4,1m x 4,1m).

Hupaisa laskutoimitus, mutta tähän kiteytyy monta asiaa, jotka nopeasti ajattelisi päinvastoin.

(*) sama vaikutus tietysti on myös viisiasteisella kraanavedellä
(**) käyttämänsä energian eli koneiston sisäilmaan tuttaman lämmön lisäksi

Lämpövarastot: vesi: loistava, tiili: OK

(Päivitys: alkuperäisen artikkelin laskelmat graniitin osalta olivat väärin. Graniitti onkin lämpövarastona yksi parhaista, vaikka alun perin se laskettiin huonoimmaksi.)

Naapuri kertoi aikoinaan isälleni ylpeänä laittaneensa jäterautaa talon suureen yösähkön vesivaraajaan, että se pitäisi paremmin lämpöä. Isä joutui valitettavasti kertomaan hänelle, että rauta varastoi tilavuuteensa nähden vähemmän lämpöä kuin vesi.

Kuinka paljon nykyaikainen talo varastoi lämpöä? Kuinka suuri osa varastoidusta lämmöstä on ilmassa ja kuinka suuri osa rakenteissa? Kuinka paljon lämpöä varastoi tuhat kiloa painava leivinuuni? Mitä materiaalia kannattaa pistää kasvihuoneeseen, että päivän ylikuumuudesta siirretään mahdollisimman paljon lämpöä yön yliviileyteen?

Mielenkiintoinen tapaus lämpövarastolle on sellainen, että meillä on kasvihuone, jonka lämpötilan haluamme pysyvän yli 15 asteen (kasvit kasvavat parhaiten). Voimmeko vähentää lämmitystarvetta laittamalla kasvihuoneeseen lämpövaraston?

Kuvassa näemme lämpötilan 31.5.2011 tunneittain. Tietyillä oletuksilla(*) meillä voi olla lämpövarasto, joka hidastaa kasvihuoneen sisälämpötilan muutosta punaisen tai keltaisen käyrän tavalla.

Pitääksemme lämpötilan 15 asteen yläpuolella, ilman lämpövarastoa meidän on lämmitettävä 58 astetuntia. Astetunti on suoraan verrannollinen lämmitykseen tarvittaviin kilowattitunteihin. Jos meillä on keltaisen käyrän mukainen lämmön varastointi, lämmitystarve on vain noin puolet, 34 astetuntia. Jos meillä on vielä voimakkaampi punaisen käyrän mukainen varastointi, lämmitystarve putoaa 17 astetuntiin. Jos voisimme pitää kasvihuoneen vuorokauden keskilämmössä, lämpötila ei koskaan laskisi 15 asteen alapuolelle.

Lämmön varastointi siis kannattaa.

Laskekaamme kuinka paljon mitäkin ainetta tarvitaan kilowattitunnin lämmön varastoimiseen kymmenen asteen lämpötilaerolla. Pienimmästä tilavuudesta suurimpaan:

           om.lämpö paino   tilavuus  hinta
           kJ/Kkg   kg/kWh  dm³/kWh   eur/kWh
                    (10C)   (10C)     (10C)
Vesi        4,18      86      86      0,24
Rauta       0,45     799     102      400 (vrt. <200 jos myy)
Alumiini    0,90     400     148      400
Graniitti   0,75     480     182        ?
Betoni      0,75     480     192       38
Kahi-tiili  0,84     428     238       60
Lyijy       0,13    2767     244     4200
Hiekka      0,83     433     248        2
Puu         1,50     240     480      150* (vrt. <15 jos myy)
Ilma**      0,71     507     422m³      0
* höyläämätön sahatavara 300e/m³
** vakiotilavuudessa


Taulukossa on varmasti muutama yllätys. Saavillisessa kymmenen astetta huoneenlämpöä lämpöisempää vettä on kilowattitunti energiaa. Kaksisataaneliöisen talon sisäilmassa on vain yhtä paljon energiaa kuin saavillisessa vettä! Kummassakin tapauksessa kymmenen asteen lämpötilan nosto maksaa noin kymmenen senttiä.

Rauta on tilavuudeltaan paras kiinteä lämpövarasto, mutta se ei silti ole aivan veden veroinen. Painavana äkkiseltään hyvältä kuulostava lyjy on yllättäen jopa tilavuudeltaan lämpövarastona surkea – lyijyä tarvittaisiin miltei kolme tonnia. Sekin on kuitenkin tilavuudeltaan yli kaksi kertaa parempi kuin puu. Suomalainen puutalo ei paljoa lämpöä varastoi. Kahi-tiili (valkoinen halpa kalkkihiekkatiili) on myös kaksi kertaa puuta parempi lämpövarasto, mutta sekin on kaukana raudasta tai vedestä.
Hinnaltaan edullinen ja joustavasti muotoiltava ja siirrettävä kasvihuoneen lämpövarasto on Kahi-tiili. Yksi 270x130x75-tiili maksaa 0,68 euroa ja se on painoltaan 4,9 kg ja tilavuudeltaan 2,43 litraa. Kilowattitunnin lämpövarastoon tarvitaan 87 tiiltä, se painaa 428 kiloa ja on tilavuudeltaan 238 litraa. Tällä määrällä voi siis siirtää kymmenellä sentillä energiaa päivästä yöhön.
Tiilet maksavat 60 euroa. Lämmönsiirrosta on hyötyä ehkä satana päivänä vuodessa, jolloin vuosisäästö on 10 euroa. Takaisinmaksuaika on siis kuusi vuotta. Toisaalta, tiililämmitys voi säästää sähköpatterin, joka maksaa ainakin samaa luokkaa kuin tiilet. Sähköpatterin sähkönkulutus olisi 10 euroa vuodessa – mutta jäähdytys jäisi tällä tavalla saamatta. Tiilien vähäinen huoltotarve ja odotettu käyttökelpoinen elinaika on myös aivan omaa luokkaansa.

Mikäli rakenteita tekee enemmän, betoni on tiiltä halvempi vaihtoehto. Hinta 38 euroa/kWh (10C) ei sisällä betoniauton käyntiä. Graniitti on suunnilleen yhtä hyvää kuin betoni, jos sellaista sattuu löytymään.

Puukaan ei ole aivan mahdoton lämpövaraston materiaali: jos höyläämätöntä sahatavaraa löytää 300 euroa/m³ (ainakin Virosta löytyy), siitä voi tehdä kilowatin lämpövaraston noin 150 eurolla. Tilavuutta sille tosin tulee puoli kuutiota, mikä on kaksi kertaa isompi kuin Kahi-tiilistä tai betonista tehty lämpövarasto.

Eri materiaalien yhdistelykin on järkevää (ja siitä voi tehdä jopa järkevän rakennelman), koska niiden lämmönluovutusominaisuudet ovat erilaiset eli ne tasaavat toisiaan.

Autiomaat ovat öisin kylmiä, koska kivien ja hiekan lämmönvarastointikyky on huono. Auringon lämmön varaamisen öiksi tekevät Suomessakin puut ja maassa oleva kosteus, ei itse maa.

Itse kuitenkin olen kokeilemassa 200 litran paksusta muovista tehtyä vesitonkkaa. Ostin tuollaisen muutamalla kympillä Juurikorven käytettyjen tavaroiden kaupasta(**) ja siinä oli ilmeisesti ollut laivakäyttöä varten varastoituja intialaisia suolakurkkuja. Tonkan pystyy sulkemaan täysin tiiviisti, vaikka se olisi kallellaan. Miinuspuolia on se, että 200 kilon painosta täyttä vesitonkkaa ei pysty siirtämään kovinkaan helposti ja täyttäminen lopullisessa paikassa voi olla hankalaa.
200 litraa vettä vastaa tonnia kahitiiliä (puoli kuutiota, 113 kappaletta, 77 euroa). Tuo tonkka pystyy siis  säilömään 2,3 kilowattituntia lämpöä, noin 23 sentillä. Sisällä oleva vesi maksaa noin 50 senttiä. Tonkka maksaa itsensä vuodessa.
Ainakin teoriassa. Vaimo nimittäin inhoaa tonkan ulkonäköä ja yrittää piilottaa sen epätarkoituksemukaisiin piiloihin.
PS. Miksi Suomessa ei tehdä järvellä kelluvia kasvihuoneita?
PPS. Vastaus retoriseen kysymykseen: jos tuhatkiloinen tiilinen leivinuuni lämpenee kaikkialta neljäkymmentä astetta huoneenlämpöä lämpöisemmäksi, se varastoi hieman yli yhdeksän kilowattituntia, noin eurolla lämpöä.

Jatkuu myöhemmin osalla II: faasinmuutosmateriaalit.

(*) lämmön varastoinnin oletetaan pitävän kasvihuoneen lämpötilassa, joka reagoi tunnissa vain 10%/20% ulkolämpötilan ja sisälämpötilan eroon. Esimerkiksi jos ulkona on 15 astetta ja sisällä 17 astetta, seuraavan tunnin sisällä on 0,2 * (17-15) astetta eli 16,6 astetta)
(**) http://www.uuttajawanhaa.fi/, tonkista kuva heti etusivun kuvan vasemmassa laidassa.

Akkujen latauksen kova hinta – sähkön varastointi ei vielä kannattavaa

Olen muutaman kerran väittänyt, ettei sähköautojen akkujen käyttö sähkön tilapäiseen varastointiin ole kovin hyvä ajatus, vaikka tätä usein ehdotetaankin. Keskustelun herättämänä palaan aiheeseen.

Sähköauton akkujen latauksen hinta

Hyvän lähtökohdan laskelmille antaa Jukka Kuisman insnöörityö vuodelta 2011 [1]. Tiedot ovat tuskin kovin paljoa vuodessa muuttuneet.

Talukosta 2 [1] saadaan suoraan eri sähköautoakkutekniikat. Olen valinnut kaikissa tapauksissa optimistisimman luvun (halvin, tehokkain, kevyin). Jos näillä luvuilla sähkön varastointi ei ole järkevää, niin se ei ole sitä millään muualtakaan löytyvillä luvuilla nykyisellä akkutekniikalla.

Akkutyyppi  Energiatiheys Hyötysuhde Hinta Hajoaminen
            kWh/kg        %          e/kWh latauskertoja
Lyijy       0,055         80          70   1000 
NiMH        0,080         70         141   2000
Li-Ion      0,130         95         141   3000
Li-Pol      0,200         ?          106   3000

Olkaamme lisää optimistisia ja unohtakaamme joidenkin akkujen huono hyötysuhde. Samoin litiumakkujen latauskerrat eivät taulukossa ole lähteen taulukossa olleet 1000 vaan tekstissä optimistisemmin arvioitu 3000.

Laskemme taulukon perusteella, minkälainen akku on yhden kilowattitunnin akku ja kuinka paljon sen lataaminen maksaa ja kuinka monta kiloa yhdestä latauksesta syntyy akkujätettä.  Taulukkomme tiedot ovat siis positiivisemmat mahdolliset, mitä nykyakuilla voidaan saavuttaa.

Akkutyyppi  Paino Hinta Yhden latauksen  Jätettä
                        hinta            /1000 latausta
            kg    e     c                kg
Lyijy       18,2   70   7,0              18
NiMH        12,5  141   7,4               6
Li-Ion       7,7  141   4,7               3
Li-Pol       5,0  106   3,5               2

Jatkaessamme optimistisia laskelmiamme, voimme keskittyä Litium-polymeeri-akkuun. Tosin ne eivät ole vielä kovin yleisiä autoissakaan mm. siksi, että ne vaativat toimiakseen 80-120 asteen lämpötilan. Emmekä siis tiedä Litium-polymeeriakun hyötysuhdettakaan, joten olemme olettaneet sen häviöttömäksi.

Kannattaako?

Kysymyksemme on siis, että jos autossani on Litium-polymeeriakut, kaikki infrastruktuuri on jo maksettu, koska sähköauto on jo ostettu ajamista varten, kannattaako minun mihin hintaan antaa sähköyhtiön antaa ladata ja tyhjentää akkuni.

Vastaus on, ettei ainakaan halvemmalla kuin 3,5 c/kWh.

Ja tuo hinta on jumalattoman optimistinen.

Ja jokaista tuhatta kilowattituntia kohden (arvo kuluttajalle tällä hetkellä noin 100 euroa, pörssissä 40 euroa) syntyy ainakin kaksi kiloa akkujätettä. Lyijyakuilla jätettä syntyy 18 kiloa. Uutta akkua on ostettava tuhatta kilowattituntia kohden ainakin 35 eurolla (Li-Pol).

Kannattaisiko sähköä varastoiva laite tehdä?

Muutaman kerran vuodessa sähköpörssissä sähköä ostavan ja myyvän yrityksen kannattaisi käyttää litium-polymeeriakkuja kuorman tasaukseen – jos akuista ei tarvitse maksaa. Sähkön hintaero vuorokauden kalleimman ja halvimman tunnin välillä ei esimerkiksi  viimeisen kahdeksan päivän aikana ole ollut kolmea ja puolta senttiä kilowattitunnilta. Suurin minimi- ja maksimihinnan välinen ero oli maaliskuun 12. päivä ja se oli hieman alle kolme senttiä kilowattitunnilta. Keskimääräinen ero oli 2,2 c/kWh. Kaikkein kovimmilla pakkasilla ero voi olla paljonkin, mutta näitä päivä ei ole vuodessa kovinkaan montaa. Latauksen pitäisi maksaa todennäköisesti luokkaa yksi sentti kilowattitunnilta, että investointi maksaisi itsensäkin.

Mikäli sähkön varastointia tekee tavallinen kuluttaja, laskelmaa sotkee verot, sähkön siirtohinnat, provisiot jne. Arvonlisäveroa lukuunottamatta kuluttajan sähkön hinnan ero on kuitenkin sama kuin pörssisähkön vaihtelu. Prosentuaalisesti kuluttajan sähkön hinta vaihtelee paljon vähemmän kuin pörssihinta, mutta absoluuttisesti sentteinä kilowattitunnilta hinta vaihtelee arvonlisäverolla nostetun määrän. Kuluttajan kannattaa siis varastoida sähköä omaan käyttöönsä jo, kun hintaero vuorokauden sisällä on 2,8 c/kWh. Myös yösähkön halvempi siirtohinta lisää tätä kannttavuutta noin sentillä. Eli kuluttajan ehkä kannattaa tasata omaa kuormaansa jo noin kahden sentin vuorokausittaisilla hintaeroilla – mutta kovin muhkeisiin säästöihin tuossa ei vielä päästä. Korostan vielä, että tämäkin laskelma on optimistisin mahdollinen.

[1] Jukka Kuisma, Sähköautojen lataustekniikat (Metropolia, insinöörityö)

Sähköntuotannon kalleimmat promillet: tuulivoima

Tuulivoimainnostusta on vaikea ymmärtää. Muuten kuin sillä, että valtio maksaa mahtavat tukiaiset.
Uuden artikkelin [1] mukaan
”Vuoden 2010 lopussa Suomessa oli 130 voimalaa, joiden yhteenlaskettu teho on 197 megawattia.”
Tuulivoimaloita Japanin rannikolla
Kuva: yellow_bird_woodstock (Flickr, CC BY)
Koska tahansa voit käydä katsomassa Fingridin sivulta, kuinka paljon Suomessa tuulienergiaa tuotetaan [2]. Tiistaina lumimyrskyssä tuotanto kävi 40 MW:ssa, mutta sen jälkeen tuotanto on enimmäkseen ollut tyypillisessä arvossa eli selvästi alle kymmenessä megawatissa. Melko usein tuotanto on jopa selvästi alle viisi megawattia. Kun olen tarkkaillut tuota sivua viimeisen parin kuukauden aikana, tuotanto on harvoin yli kymmenen megawattia. Yli neljänkymmenen megawatin en ole tuotannon nähnyt nousevan ikinä.
Kun Suomen tuulivoimaloiden nimellinen kapasiteetti on yli 197 megawattia, tuulivoimalat käyvät tyypillisesti muutaman prosentin teholla ja korkeintaan kahdenkymmenen prosentin teholla. Suomen sähkönkulutuksesta tuulivoima muodostaa muutaman promillen.
Voi olla, että tehoja liioitellaan, koska tukia saa vain, kun voimalan generaattoreiden yhteinen nimellisteho on vähintään 0,5 MW.[3]
Laki takaa tuulivoimaloille sähköstään 8,53 c/kWh.[3][4] Valtio maksaa erotuksen pörssihintaan. Vuoden 2012 todennäköisesti kalleimpana kuukautena eli helmikuussa valtion tuki on 3,25 c/kWh. Kaikkina muina kuukausina veronmaksajat maksavat paljon enemmän.
Tuulivoimala saa siis helmikuussa tuloistaan vajaan kaksi kolmannesta myydystä sähköstä ja yli kolmanneksen veronmaksajien tukina. Syksyllä tuki oli noin puolet tuloista.
Jos tuulivoimaa olisi tuotettu helmikuussa koko ajan 40 MW teholla, yhteensä tuulivoimaa tulisi 27,8 miljoonaa kilowattituntia. Silloin helmikuussa tuulivoimalat saivat pörssistä puolitoista miljoonaa euroa tuloja ja veronmaksajat tukevat tuulivoimaa hieman alle miljoonalla eurolla. Toivottavasti tuki ei tuosta paljon nouse.
Toinen mielenkiintoinen laskelma on se, voiko tuulivoimala tuesta huolimatta mitenkään kannattaa. Jos Suomen 130 tuulivoimalaa tuottavat loistavana kuukautena (20% nimellistehosta) edellä lasketun 2,5 miljoonaa euroa, se tekee 20000 euroa / tuulivoimala. Yltiöoptimistisellakaan vuosiliikevaihdolla 240.000 euroa vuodessa ei makseta kovin kummoisia lyhennyksiä, huoltokuluja ja henkilöstökuluja. Ja todellinen vuosituotto ei ole varmaankaan kuin murto-osa tuosta, selvästi alle satatuhatta euroa. Keskimääräinen tuulivoimala maksaa ehkä 2,5 miljoonaa euroa (ks. Tapaus Ii lopussa), mikä tarkoittaa, että kaikki tuotot menevät 10-25 vuotta perustamiskustannusten takaisinmaksuun, vaikka korot ja voitot unohdettaisiinkin. Arvio tuulivoimalan romutusiästä on kuitenkin alle 20 vuotta. USA:ssa on jo 14000 pystyyn jätettyä hylättyä tuulivoimalaa, jotka muodostavat melkoisen ympäristöongelman.[5] Tuulivoimaloilla on melkoisia ongelmia ansaita romutuskustannuksensa eli konkurssi on todennäköisin loppu voimalalle ja yhteiskunnan on purettava hankalat romut.
Tuulivoiman tuottajille on katastrofi, jos sähkön pörssihinta putoaa alle kolmen sentin kilowattitunnilta (kolmen kuukauden jaksona). Silloin tukia leikataan kolmella sentillä kilowattitunnilta. Syksyllä useamman kuukauden keskihinta oli vain hieman yli 3,5 c/kWh. On mahdollista, että kesällä ollaan lähellä kolmen sentin rajaa.
Sitten konstruktiivinen ehdotus kaiken negatiivisuuden jälkeen: kuluttakaa ylimääräinen ympäristöinnostuksenne tuulipropellien sijaan tekemään sellainen laite, johon voi varastoida verkosta ostettua sähköä noin neljäksi tunniksi. Merkittävän osan vuodesta on sellaisia päivä, joissa yöllä ostetusta sähköstä saa neljän tunnin kuluttua aamulla moninkertaisen hinnan. Luulisi, ettei sähkön varastointi voi olla niin paljon kalliimpaa kuin sähkön tekeminen.
Tapaus Ii
Iin kahdeksan yksikön tuulivoimala maksaa 40 miljoonaa eli 5 miljoonaa per yksikkö.[6] Nuo ovat kolmen megawatin voimaloita, kun Suomen keskimääräinen voimala on vain 1,5 MW. Tästä arvioin, että keskimääräinen tuulivoimala Suomessa maksaa 2,5 miljoonaa euroa. 20% käyttöasteella kolmen megawatin yksikkö tuottaa sähköä 448.000 eurolla vuodessa eli jos unohdetaan korot, voimala maksaa itsensä 11 vuodessa, sitten parin vuoden tuotot menevät purkukuluihin ja 13 vuoden jälkeen se tuottaa viitisen vuotta sähköä kulujen katteeksi ennen romutusta. 20% käyttöaste nimellistehosta on äärimmäisen optimistinen. 10% käyttöasteella voimala ei ehdi 20 vuodessa maksaa itseään vaikka mitään muita kuluja ei olisi. Nykyisenkaltaisilla sähkön hinnoilla ja tukirakenteilla veronmaksajat maksavat viiden miljoonan euron voimalasta (20% käyttöasteella) tukea noin kolme miljoonaa euroa (se tuottaa noin 8,5 miljoonalla eurolla sähköä 19 vuodessa, josta reilu kolmannes on takuuhintatukea). Iin kahdeksan yksikköä tulevat siis maksamaan veronmaksajille noin 24 miljoonaa euroa. Optimistisesti arvioiden Iin kahdeksalla tuulivoimalalla saa tuotettua 0,05% (puoli promillea) Suomen sähkönkulutuksesta kahdenkymmenen vuoden ajan. Kun tuulee.

[1] HS: Tuulivoiman rakentaminen saattaa vuoden kuluessa kaksikertaistua (27.2.2012)

Akku vs. tulitikku

Akku voi syttyä tuleen. Kuinka suurta polttovoimaa vastaa akun energia?

Kännykän akun energia

Akkujen varaus ilmaistaan yleensä ampeeritunteina. Esimerkiksi kännykkäni akku on 1500 mAh, 3,7 V. Ampeeri kertaa voltti on watti eli akun kapasiteetti on 5,6 wattituntia.

Jos tätä verrataan puun polttamiseen, akun energiasisältö vastaa poltettaessa 1,4 grammaa koivua.

Koivun lämpöarvo (20% kosteus): 4,1 kWh/kg
5,6 Wh / (4,1 kWh / kg) = 1,4 g

Tulitikku painaa luokkaa 0,2 grammaa eli kännykän akun energiasisältö vastaa seitsemän tulitikun ”nuotiota”.

Kannettavan tietokoneen akun energia

Kannettavan tietokoneen akku on suurimmillaan noin 5000 mAh, 15 V eli 0,075 kWh (yhdellä sentillä sähköä). Poltettavana koivuna tämä on 18 grammaa. Kaksi tulitikkulaatikkoa.

Sähköauton akun energia

Fisker Karma -sähköautossa on 22 kWh akut eli poltettavana koivuna tämä on jo 5,3 kiloa (ja sähkönä maksaa kaksi ja puoli euroa). Tästä saa jo jonkinlaisen nuotion. Näiden akkujen painosta en löytänyt mainintaa, mutta arvioisin niiden painavan noin tonnin (koko auton paino on yli kaksi tonnia). Tästä voidaan päätellä, että akut varastoivat noin kahdeskymmenesosan siitä energiasta, minkä vastaan painoinen määrä koivua palaessaan tuottaisi. Tämä on vielä aika vähän.

Magnesiumin energia

Joissakin kannettavissa on magnesium-kuoret magnesiumin keveyden takia. Jos akku saa kilon magnesiumia syttymään, se palaa iloisella 3100-asteisella liekillä ja vastaa 3,3 kWh lämpoöenergiaa (+10% valoa) (*)(**)


Magnesium palaa

Yhteenveto

Akku vastaa koivun palamisena:

  • kännykkäakku: 1,4 grammaa
  • kannettavan tietokoneen akku: 18 grammaa
  • sähköauton akku: 5,3 kiloa

Mikäli tulevaisuudessa määrät kasvavat kymmenkertaisiksi (1), niin akun palaminen täytyy todella ottaa huomioon merkittävänä vaarana. Tällä hetkellä määrät ovat vielä kohtuullisia. Tulen suitseminen akun sisään on vielä vaikeaa.

(1) Tekniikka&Talous: Uusi ihmeakku tekeillä – moninkertainen kapasiteetti verrattuna litium-akkuihin

(*) tätä lukua oli hieman vaikeaa löytää enkä ole 100% varma siitä. Magnesiumin polttoarvo olisi alle  koivun, mikä kuulostaa matalalta. Reaktion 2Mg + O2 -> 2 MgO tuottama energia on 602 kJ / mooli, mikä ruostuneiden kemiantaitojeni mukaan tarkoittaisi, että 49 g magnesiumia palaessaan tuottaa tuon 602 kJ. Silloin kilo tuottaa 12 MJ eli 3,3 kWh. Magnesiumin palamiseen liittyy myös muita reaktioita ja huomattava osa energiasta muuttuu lisäksi valoksi.

(**) Törmäsin tässä yhteydessä mielenkiintoiseen ajatukseen käyttää magnesiumia akkuna: http://inventorspot.com/articles/japan_magnesium_energy_cycle_5887. Magnesiumin energian voi vapauttaa paljon polttamista rauhallisemmin yhdistämällä sen ensin veteen (tuottaa lämpöä) ja sitten polttaa vielä syntynyt magnesiumhydroksidi. Magnesiumia taas voi tehdä magnesiumoksidista laserin avulla esimerkiksi alueella, jossa aurinkoenergiaa on tarjolla. Magnesiumia on maapallosta kaksi prosenttia, joten se ei heti lopu.

Sauna pelastaa sähköautot?

Sähköfirmat ainakin USA:ssa ovat pitkään olleet huolestuneita sähköautojen vaatiman sähkön vaikutuksista sähköverkolle. Esimerkiksi puhutaan paljon ”smart grid” -teknologista, joka mm. voi kertoa sähköautolle, milloin verkosta saa ladata sähköä. Todella älykäs järjestelmä voi tehdä tämän myös niin päin, että sähköauto myy sähköä akustaan verkkoon silloin, kun sähköä tarvitaan tavallista enemmän.

Suomessa sähkösaunojen takia taloissa on tukevat sähköliittymät. Toisin on monissa muissa maissa. Esimerkiksi kerran tutustuin uuteen isoon omakotitaloon Italiassa ja totesin, ettei siihen taloon olisi voinut rakentaa saunaa. Sähköliittymä oli 5kW tienoilla. Fortum sähkönsiirron liittymähinnastossa pienin vaihtoehto on 3x25A eli yli 17kW.

Kannattaa myös muistaa, että USA:ssa verkkojännite on vain 110V eli kaikkien latausjohtojen on oltava kaksi kertaa paksumpia kuin Suomessa(*).

Eli jälleen kerran monet sähköautoihin liittyvät keskustelunaiheet maailmalta ei välttämättä päde Suomessa. Maailmalla ollaan kauhuissaan, kun ensimmäiset massatuotantoon tulevat sähköautot (Nissan Leaf ja Cevrolet Volt) tulevat ja niiden latausteho on 3,3kW. Meillä se tarkoittaa yksiön sähkökiuasta. Tulevilla sähköautoilla lataustehon ennustetaan nousevan kuuteen kilowattiin eli omakotitalon normaaliin sähkökiukaaseen. Telsa Roadsterin 16,8kW:n lataustehon kanssa pienellä omakotitalolla olisi jo vaikeuksia.

Suomesta voisi siis tulla sähköautojen mekka paljon helpommin kuin monesta muusta maasta.

Mutta kannattaa kyllä muistaa tuo aiemmin mainittu auton lämmitysongelma ja se, että nykyisillä akuilla akku maksaa yhtä paljon kuin siihen koko elinaikanaan varastoitu sähkö.

*) Sähköjohdon kuparin neliömillimetrien määrän on oltava suoraan verrannollinen amppeereihin eli kääntäen verrannollinen voltteihin – mikä on suuri ongelma myös matalajännitteisissä aurinkopaneeleissa ja tuulivoimaloissa.

Lähteitä: http://www.pressherald.com/business/opportunity-has-power-industry-scrambling-_2010-11-22.html, http://hardware.slashdot.org/story/10/11/28/0248212/First-Electric-Cars-Have-Power-Industry-Worried, Fortum sähkönsiirto, http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid