Tulevaisuudessa saamme sähköä entistä huomattavasti enemmän tuuli- ja aurinkovoimasta. Myös ilmasta otettua vetyä ja hiilidioksidia voidaan hyödyntää. Suomen Akatemia rahoittaa hankkeita, joissa etsitään uusia vaihtoehtoja. Kun energiaa saadaan yhä useammasta lähteestä, hajautettu energiajärjestelmä tuo omat haasteensa.

”Järjestelmästä on tulossa yhä moninkertaisemmin hajautettu”, kertoo älykkäitä sähköverkkoja tutkiva professori Sami Repo Tampereen yliopistosta.

Samalla kysyntä alkaa joustaa suunnitellusti yhä useammasta paikasta. Esimerkiksi tehtaat siirtävät sähköä vaativaa tuotantoa yhä tarkemmin halvan sähkön hetkiin. Kotitaloudet alkavat lämmittää talojaan ja vettä silloin, kun sähkö on halpaa.

Myös sähköä tai sillä tuotettua lämpöä aletaan varastoida yhä hajautetummin. Esimerkiksi sähköauto saattaa ladata akkujaan halvan sähkön hetkinä ja myydä akkuunsa varastoitua sähköä.

Työkaluja uudenlaista sähköjärjestelmää varten

Professori Sami Repo Tampereen yliopistosta tutkii älykkäitä sähköverkkoja. Kuva: Tampereen yliopisto.

Tehokas jousto ei kuitenkaan vielä onnistu nykyvälineillä.

”Tarvitsemme uuden tietojärjestelmän hajautetun energiajärjestelmän hallintaan”, Repo kertoo. ”Tämän takia kehitämme hajautettua tieto- ja automaatiojärjestelmää sähköjärjestelmän hallintaan ja energiainformaatioon perustuviin palveluihin.” Hajautetussa järjestelmässä on paljon päätöksentekijöitä, jotka tekevät itsenäisiä päätöksiä mutta tekevät päätökset keskinäisen vuorovaikutuksen tai neuvottelun tuloksena.

Tiedonvaihtoalustan avulla kokonaisuus voidaan saada toimimaan automaattisesti. Kuluttajat saattavat tehdä sopimuksen sähkön tuottajan ja kuluttajan välillä toimivan sähköoperaattorin kanssa, jotta tämä seuraa kuluttajan puolesta sähkömarkkinoiden tarjontaa ja kysyntää ja sen mukaan siirtelisi automaattisesti esimerkiksi sähköauton latausaikaa. Tähän tarvitaan tiedonvaihtoa kuluttajan ja muiden osapuolten välillä, jotta kokonaisuus toimii ja muutokset ja häiriöt osataan huomioida.

Asia monimutkaistuu, kun kuluttaja laittaa aurinkopaneelit katolle ostaen välillä lisäsähköä verkosta ja välillä myyden ylimääräistä aurinkosähköään muille. Yhtenä vaihtoehtona on muodostaa energiayhteisö, jossa kuluttajat, tuottajat ja varastoijat toimivat yhdessä myyden ylijäämäenergiaa ja joustokykyä tavoitteena pienentää kustannuksia ja maksimoida tuottoja. Kunnon tietovaihtoalustan ja älykkäiden algoritmien avulla tästä selvitään. Kaikille sähkömarkkinoiden osapuolille yhteisen tiedonvaihtoalustan ansiosta ohjauslaitteita ei tarvitse vaihdella, kun kuluttaja vaihtaa yritystä, joka hoitaa hänen sähköasioitaan.

Tarvitaan tekoälyä

Älykkäiden energiajärjestelmien tutkimusprofessori Kari Mäki kehittää VTT:llä adaptiivista analytiikkaa. Kuva: VTT.

Hajautetun sähköjärjestelmän hallinta muuttuu niin monimutkaiseksi, että siinä tarvitaan yhä enemmän tekoälyä. Älykkäiden energiajärjestelmien tutkimusprofessori Kari Mäki kehittää VTT:llä Akatemian rahoituksella adaptiivista analytiikkaa sähköverkkojen hallintaa parantamaan.

Adaptiivisella eli mukautuvalla analytiikalla kerätään osin reaaliaikaisestikin dataa verkossa olevista sähkön tuottajista, varastoijista ja käyttäjistä. Parhaiden johtopäätösten saamiseksi käytetään algoritmeja. Mukautuva analytiikka voi esimerkiksi tarkastella, miten muut sähkön myyjät ovat samanlaisissa tilanteissa reagoineet vaikkapa sähkön lisätarjontaan tai automaattisesti siirrettyyn sähkön kulutukseen. Sen perusteella analytiikka antaa myyjälle ohjeita sen hetken sähkömarkkinatilanteessa.

”Tässä hankkeessa kehitetään adaptiivista analytiikkaa tunnistamaan nopeita muutoksia ja päivittämään käytössä olevia malleja niin, että koneoppimisen edut saadaan hyödynnettyä”, Mäki kertoo. ”Tavoitteena on kehittää adaptiivisia malleja, jotka hyödyntävät laajasti saatavilla olevaa dataa ja yhdistävät erilaisten mallinnusmenetelmien vahvuuksia. Tavoitteena on kehittää malleja, jotka ovat riittävän vakaita siirrettäväksi kaupallisiin järjestelmiin ja oikeaan toimintaympäristöön.”

Tärkein hyöty on parempi ennustetarkkuus - varsinkin nopeissa muutoksissa ja toimintaympäristön muuttuessa. Samalla menetelmäkehitys voi myös antaa käyttäjälle tietoa kulloinkin käytettävän ennusteen epävarmuuksista eli siitä, miten hyvään varmuuteen analyysien tulokset perustuvat.

”Tämä palvelee varsinkin energiamurroksen edetessä nopeasti ja toimintaympäristön muuttuessa kaiken aikaa”, Mäki selittää.

Uusia polttoaineita sähkön avulla

Tutkijoilta tarvitaan uusia ratkaisuja niille energiankäytön alueille, joissa ei käytetä suoraa sähköä.

Suomessa ollaan autojen sähköistymisessä yleiseurooppalaista tasoa pidemmällä. Kaikkiin liikennevälineisiin nykyiset sähköakut eivät vielä sovi. Rekat, iso rahtilaiva tai suuri lentokone tarvitsevat niin paljon energiaa liikkuakseen pitkiä matkoja, että niihin ei mahdu tarpeeksi isoja akkuja. Niiden on siksi liikuttava vielä pitkään polttoaineilla.

Polttoaineen ei kuitenkaan tarvitse olla öljystä jalostettua, vaan dieseliä tai lentokerosiinia voidaan valmistaa myös muusta. Jo lähitulevaisuudessa sähkövirralla vesimolekyyli hajotetaan vety- ja happimolekyyleiksi. Tai hiilidioksidimolekyylit hajotetaan, jotta niistä saadaan hiiltä polttoainevalmistukseen häkäkaasuna. Kun saatu vety ja hiili yhdistetään, syntyy hiilivetyjä. Kaikki nyt käytössä olevat fossiiliset polttoaineet ovat hiilivetyjä. Ihmisen tekemät synteettiset hiilivedyt eli sähköpolttoaineet eivät kemiallisesti poikkea vastaavista fossiilisten polttoaineiden hiilivedyistä.

Hiilidioksidia hyötykäyttöön ilmakehästä

Professori Christian Breyer tutkii LUT-yliopistolla aurinkoenergiaa sen eri muodoissaan. Kuva: LUT-yliopisto.

LUT-yliopiston aurinkoenergian professorin Christian Breyerin tavoitteena on pystyä arvioimaan paremmin, miten erilaiset mahdolliset muutokset energiajärjestelmissä vaikuttavat lopputuloksiin.

”Minun roolini usean yliopiston tutkimushankkeissa on ymmärtää paremmin hiilidioksidin talteenottoa ilmasta ja tämän jälkeen hiilidioksidin hyödyntämistä”, Breyer kertoo.

Hiilidioksidia voidaan sitoa pois ilmakehästä istuttamalla lisää metsiä, mikä on yksi Breyerin tutkimuksen kohde. Breyer muistuttaa, että metsitys ei riitä. Metsiä varten tarvitaan hyvin suuria alueita, koska neliökilometriä kohden metsät eivät sido tarpeeseen nähden kovin suurta määrää hiiltä. Uudet metsät pitäisi saada kasvamaan autiomaiden paikalle eikä ruoan viljelyalueille.

Koska metsittäminen ei riitä ilmaston lämpenemisen hidastamiseen, Breyer tutkii myös hiilidioksidin talteenottoa koneellisesti ilmasta. Hiilidioksidin suora talteenotto ilmasta ja hiilensidonta on pinta-alaltaan tehokas vaihtoehto nettonegatiivisten hiilidioksidipäästöjen aikaansaamiseksi, kun tarvittava energia saataisiin aurinkosähköstä tai tuulivoimasta. Ennen kuin päästään ilmakehän, vesistöjen ja maaperän välisestä hiilikierrosta hiiltä vähentävään yhteiskuntaan, on tärkeää saavuttaa hiilineutraalius. Tätä voidaan edistää hiilidioksidin suoralla ilman talteenotolla ja hiilidioksidin hyödyntämisellä.

”Meillä on jo teknologiaa hiilidioksidin erottamiseksi ilmasta. Se on kehitetty 1950- ja 60-luvulla sukellusveneitä ja avaruusaluksia varten. Kyse on vain jo käytetyn teknologian ottamisesta aikaisempaa laajempaan käyttöön ja kustannusten alentamisesta”, Breyer sanoo.

Edullisimmin hiilidioksidia saadaan talteen, jos sitä voidaan kerätä pistemäisestä lähteestä. Tehtaan savupiipusta pursuaa ulos kaasuseosta, jossa on tavallisesti paljon hiilidioksidia. Sen talteen ottaminen tästä on edullista ja helppoa.

LUT-yliopiston konttiin rakennetussa kaasunerotuslaboratoriossa tutkitaan muun muassa hiilidioksidin erottamista ilmakehästä. Kuva: LUT-yliopisto.

Kaikista halutuinta on ottaa hiilidioksidia talteen paperitehtaiden poistokaasuista. Tällöin hiilidioksidi on yleensä syntynyt jätepuun polttamisesta ja puusta syntynyt hiilidioksidi taas olisi lopulta luonnossakin puun lahotessa päässyt ilmakehään.

”Sopivia pistemäisiä hiilidioksidilähteitä ei kuitenkaan ole riittävästi, jos kaikki nyt käytettävät fossiiliset hiilivedyt halutaan korvata synteettisillä, ihmisen valmistamilla hiilivedyillä. Tällöin meidän on napattava hiilidioksidia käyttöömme suoraan hengittämästämme ilmasta”, Breyer kertoo.

Hiilidioksidin erottamiseksi ilmasta tarvitaan paljon energiaa. Tähän ongelmaan vastaus on aurinkoenergia. Auringolla tuotetun sähkön hinta on laskenut nopeasti ja suuressa osassa maailmaa edullisinta sähköä saadaan rakentamalla aurinkovoimala. Joillakin alueilla myös tuulivoima on yhtä edullista.

Breyer näkee hiilidioksidin talteenoton muuttuvan tulevaisuudessa merkittäväksi maailmanlaajuiseksi liiketoiminnaksi, joka keskittyy sinne, missä sähkö on halvinta. Synteettisten polttoaineiden lisäksi hiilidioksidia tarvitaan synteettisten kemikaalien valmistukseen.

LUT-yliopiston Soletair-pilottilaitos käyttää hiilidioksidia uusiutuvien polttoaineiden ja kemikaalien tuottamiseen. Kuva: LUT-yliopisto.

Teksti: Visa Noronen