Tesla Powerwall: Ostaisitko yöksi omaa aurinkoenergiaasi 59 c/kWh vai ostaisitko sittenkin sähkösi ennemmin verkosta 10 c/kWh?

Tesla julkaisi suurella hypellä kotien sähkövaraston, Tesla Powerwall -laitteen. Tämä on oikein söpö, satakiloinen seinälle ripustettava jytkäle. Tämän luvataan varastoivan 7 kWh myöhemmin käytettäväksi. 7 kWh mallin luvataan kestävän kymmenen vuoden ajan vuorokausittainen täyttö ja tyhjentäminen.

Tarkoitus on varastoida päivällä syntynyttä aurinkoenergiaa yöksi tai varastoida halpaa sähköverkosta otettua sähköä, ja käyttää sitä, kun sähkö on verkossa kallista.

On olemassa myös 10 kWh malli, joka on tarkoitus ladata ja tyhjentää vain kerran viikossa. Se ei ole kovin kiinnostava sähkön hinnan tasaajana vaan pikemminkin varavoimana sähkökatkosten varalta.

Ilmaisenkaan sähkön varastointi ei ole yhtä halpaa kuin saman määrän sähköä ostaminen verkosta.

Ihan yksinkertainen peruslaskelma: laitten hinta on 3000 dollaria (~ euroa, käytän myöhemmin 1:1), kymmenen vuoden takuu, yksi sykli per vuorokausi, 7 kWh. Laitteesta siis saa irti 25550 kWh luvattuna elinaikana. Yhden kilowattitunnin hinnaksi tulee 11,7 c/kWh.

Sitten, kun luetaan pienellä painettu teksti, huomataan, että kerrottu hinta on hinta jälleenmyyjille, ja tarvitaan vielä 2000 euron invertteri ja 1000 euron asennus. Tämän vuoden alussa kuluttajat pakotettiin hiljaisesti hyväksymään sähköntoimitusehtojen muutos, jossa invertterin asennus vaatii aina myös paikallisen sähköyhtiön luvan. Sähkön hinta nousee tasolle 23 c/kWh.

Sitten, kun etsitään vielä pienemmällä painettu teksti, että akun lataaminen ja purkautuminen kestää aina vähintään 3,5 tuntia, tajutaan, että kaikkina päivinä koko sykliä ei ehditä tehdä. Aurinko ei paista talvella tarpeeksi pitkään tms. Realistisempi käyttöastetavoite voisi olla vaikka 50%. Ja laite hukkaa sähköstä luokkaa 80% (esite kertoo akun tehokkuuden olevan 92%, mutta myös invertterin yms. häviöt pitää ottaa huomioon). Nuo alempi käyttöaste ja häviöt lisää hintaan, kilowattitunnin hinnaksi tuleekin jo 59 senttiä.

Ja tämä siis oletti sähkön olevan ilmaista. Aurinkoenergiaa, joka menisi muuten hukkaan.

Vielä pahemmiksi luvut menevät, jos haaveillaan halpaan aikaan gridistä ostetun sähkön varastoimista käytettäväksi kalliiseen aikaan. Halvimman ja kalleimman tunnin hintaero Suomessa on 2-3 c/kWh(*). Kuluttajahinnassa ero on arvonlisäveron verran korkeampi kuin tukkuhinnassa.

3,5 tunnin lataus- ja purkuaika tarkoittaa sitä, että halvinta ja kalleinta tuntia ei saada hyödynnettyä kuin osittain.

Jos kuinkin löytäisimme vuorokaudesta 2 c/kWh hintaeron, tienaamme vuorokaudessa 7 kWh * 2 c/kWh = 14 c. Kymmenessä vuodessa tämä tekee 511 euroa. Aika huono takaisinmaksu investoinnista, joka maksaa jopa 6000 euroa. Ja tuossakin pitäisi vielä ottaa huomioon alempi käyttöaste ja häviöt. Jätän tämän lukijoille kotitehtäväksi.

(*) Tätä on aina välillä tällä sivustolla laskeskeltu. Esim. Jättimäiset energiavarastot. Ei ole syytä olettaa, että luvut olisivat olennaisesti erilaiset nyt kuin vuonna 2012.

Kuinka ison kasan polttoainetta voimala kuluttaa puolessa vuodessa?

Ilmalaiva-artikkeli herätti keskustelua varmuusvarastojen koosta.

Pikainen laskelma siitä, minkä tilavuuksinen on yhden tunnin polttoainevarasto eri polttoainetyypeillä 100 MW voimalassa (= 100 MWh/h): [1 s. 9]

                    m³/100 MWh

Kevyt polttoöljy       10
Kivihiili              17
Puupelletti            30
Koivuhalot             66 (pino-m³)
Jyrsinturve           111 (irto-m³)
Maakaasu            10000 (ei LNG)

Tiiveimpään tilaan menee kevyt polttoöljy, kivihiili vie tilaa lähes kaksi kertaa niin paljon. Kivihiili kuitenkin on selvästi toiseksi paras energiavarasto tilavuuteen nähden. Se on myös ainoa, jonka voi varastoida huoletta kasaan ulos. Pienimpään tilaan menevä biopolttoaine puupelletti vie kolme kertaa öljyn verran tilaa. Koivuhalot vievätkin sitten tilaa 7 kertaa enemmän ja jyrsinturve 11 kertaa enemmän. Ei-nesteytetty maakaasu on sitten omassa sarjassaan tuhatkertaisella tilavuudellaan.

Tämä aika kauniisti selittää sen, miksi Suomen huoltovarmuusvarastot ovat 80% öljyä ja 20% kivihiiltä eikä sitten muuta.[3]

100 MW vastaa noin Keravan kokoisen kaupungin voimalan tuotantoa. Helsingin voimaloissa kulutus pitää kertoa noin viidellä.

Jotkut kunnanäidit ovat hakoteillä kuvitellessaan, että hiilikasat pienenevät, kun siirrytään enimmäkseen biopolttoaineisiin. [2] Ei ihmeessä. Huoltovarmuusvarastot ovat varmasti tulevaisuudessakin kuuden kuukauden (*) kokoiset. Jos joudutaan varastoimaan jyrsinturvetta kivihiilen sijaan, kasan koko nousee yli kymmenenkertaiseksi (ja tuota kasaa on koko ajan kasteltava tai kuivattava – ja se voi räjähtää).

Tässä vielä kuuden kuukauden varaston koko eri polttoainetyypeillä tuhansina kuutioina ja kokoa vastaavan varastokuution sivun pituutena:

                    1000 m³/6 kk varasto 100 MW kulutuksella

Kevyt polttoöljy       43
Kivihiili              77
Puupelletti           133
Koivuhalot            288
Jyrsinturve           480
Maakaasu            43200

                    Kuution muotoisen varaston sivun pituus (m)
                    6 kk varasto 100 MW kulutuksella

Kevyt polttoöljy       35
Kivihiili              43
Puupelletti            51
Koivuhalot             66
Jyrsinturve            78
Maakaasu              350

Pikkuvoimalan puolen vuoden maakaasuvarasto olisi Suomen korkeimman radiomaston korkuinen kuutio. [4] Jyrsinturvevarastokuutio olisi hieman korkeampi kuin Puijon torni eli myös samaa luokkaa kuin Suomen korkein asuinrakennus Cirrus Vuosaaressa (26 kerrosta). Koivuhalkovarastokuutiokin olisi vielä korkeampi kuin yksikään vesitorni Suomessa. Puupellettivarastokuutio olisi Linnanmäen korkeimman laitteen, Panorama-tornin korkuinen. Kivihiilikasa olisi Kerimäen kirkon kellotapulin korkuinen kuutio. Kevyt polttoöljysäiliö olisi vain kymmenkerroksisen kaupunkikerrostalon kokoinen (esim. samaa luokkaa kuin Sanomatalo Helsingissä).

Isolle voimalalle varaston koko kerrotaan ainakin viidellä. Olkiluoto kolmea vastaa 15 kertaa näin suuri polttoaineenkulutus. Ruotsista koko ajan tuotava sähkö vastaa 27 kertaa näin suurta polttoaineenkulutusta.

(*) Huomasin lopussa, että varmuusvarastojen vaadittu koko on 5 kuukautta, josta kolme kuukautta voimalassa. Pidin kuitenkin luvut kuudessa kuukaudessa.

[1] Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. Eija Alakangas, 2000, VTT Energia tiedotteita 2045. http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2000/T2045.pdf

Sähkön varastointia Pyhäsalmen kaivokseen.

Rakennuslehti kertoo, että Pyhäsalmen kaivoksesta suunnitellaan sähkön varastointiin käytettävää laitosta, kun kaivostoiminta loppuu.

http://www.rakennuslehti.fi/uutiset/suunnittelu/31885.html

Rakennelma olisi varmasti mielenkiintoinen. Pudotuskorkeus olisi jopa 1400 metriä.

Yksi kuutio vettä pudotettuna 1400 metriä tuottaa noin 4 kWh

  E = mgh = 1000 kg * 10 m/s² * 1400 m = 14 MJ = 3,9 kWh
  (1 kWh = 1000J/s * 3600s = 3,6 MJ)

Laitoksen tehoksi kaavaillaan 200 MW eli 200.000 kWh/h, jolloin vettä on pudotettava tunnissa 50.000 kuutiota. Ison kuuloinen määrä vettä, mutta kooltaan se on alle 40*40*40 metriä.

Kuulostaa hyvältä suunnitelmalta, mutta muualla maailmassa tehdyissä kokeissa on huomattu, että pumppauksen hyötysuhde on aika huono.

Kuluttajan sähkön hinta ei motivoi älykkääseen sähkön käyttöön

Kuluttajahinta

Kun pörssihinta elää merkittävästi, sähkön kuluttajahinta ei valitettavasti muutu kovin paljoa. Kuluttajan mahdollisuudet säästää sähkön hinnassa ovat masentavan rajalliset suuresta etäluettavista mittareista pidetystä metelistä huolimatta.

Oheisessa kuvassa on sähkön hinnan vaihtelu tyypillisellä sähkön kuluttajahinnalla. Lähes kaikki kulut ovat sähkön hintaan riippumattomia.

Pörssihinta

Kun sähkön ainoaan muuttuvaan osaan, pörssihintaan (+ALV), lisätään sähkönmyyjän provisio, paikallisen sähköyhtiön hinta, sähköverot, huoltovarmuusmaksu, sähköverojen arvonlisävero ja huoltovarmuusmaksun arvonlisävero, sähkön hinta on melko vakio.

Sähkön hinta on pääkaupunkiseudulla tällä hetkellä suunnilleen:

(5,31 + (pörssihinta * 1,24)) c/kWh

Esimerkiksi tänään kuluttuajahinta liikkuu 11 c/kWh ja 14 c/kWh välillä. Ero ei ole lähelläkään pörssihinnan lähes kaksinkertaistumista halvimmasta kalleimmaksi tunniksi.

Hallitus on tehnyt päätöksen sähköveron merkittävästä korotuksesta, mikä vähentää entisestään älykkään sähkön käytön hyötyjä.

Oikaisu: graniitti onkin hyvä lämpövarasto

Olen aikaisemmin väittänyt, että graniitti on todella huono lämpövarasto.

Voin ripoitella tuhkaa päälleni ja toistaa sata kertaa, ettei taulukkolaskimen tuloksiin pidä luottaa tarkastamatta. Lähtötiedot olivat oikein, mutta taulukkolaskimen kaava näkymättömissä graniitti-rivillä oli aivan väärä.

Graniitti on aivan kelvollinen lämpövarasto ja se todennäköisesti kestää hyvin lämmön nostamisen satoihin asteisiin paremmin kuin moni muu materiaali.

Tässä siis tarkastettu eri aineiden lämpövarastointikyky:


           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 siis tieto, kuinka monta kiloa tai litraa tarvitaan ko. ainetta yhden kilowattitunnin lämpöenergian tallettamiseen kymmenen asteen lämpötilanmuutoksella.

Graniitti on aika lähellä betonia lämpövarastona.

Niin kuin eilisen artikkelin kommentoija kirjoittaa, tuhat astetta lämmitetty kuutiometri graniittia varastoi  550 kWh energiaa. Tämä vastaa sähkön kuluttajahintana 55 euroa. Kontillinen (2 x 4 x 6 m) lämmitettyä graniittia olisi todellakin luokkaa 26 MWh eli kuluttajalle 2600 eurolla energiaa (pari omakotitaloa pysyisi lämpöisenä talven yli). Tosin kontilla on painoa silloin hulppeat 127 tonnia eli sisältö pitäisi jakaa kolmeen täysperävaunurekkaan.

Omakotitalon voisi lämmittää tuomalla sen keskelle kerran kuukaudessa kymmenen tonnin lastin graniittia (vajaa neljä kuutiota), jonka lämpö on 1000 astetta. Tämä kulkee kevyellä nosturikuorma-autolla, tosin nosturin kantavuus on vain 1-3 tonnia eli maksimissaan kuutio kerrallaan. Hinta on kilpailukykyinen, jos se on alle 200 euroa / lasti.

Monet lämmön ja sähkön varastoimistavat ovat tällä hetkellä juuri kannattavuusrajalla. Niitä todellakin pitäisi kokeilla juuri nyt.

Jättimäiset energiavarastot, osa I, Kannattaako Suomessa?

Perinteisen energian kanssa hyödyllisiä, mutta uusiutuvan energian kanssa välttämättömiä.

Suuritehoisista sähkövarastoista ei Suomessa puhuta. Ne kuitenkin olisivat meilläkin aivan välttämättömiä. Tuulienergiaa syntyy kun tuulee ja aurinkoenergiaa silloin, kun aurinko paistaa. Nuo energiamuodot ovat melko hyödyttömiä ilman suuria energiavarastoja. Hiilivoimaloista ei tulla pääsemään eroon ilman sähkövarastoja.

Kuvassa 1 on Suomen vuoroauden kalleimman ja halvimman tunnin sähkön hinta alkuvuonna 2012 (tammi-syyskuu).

Päivän minimi- ja maksimihinta
Kuva 1. (*)

Tavallisinakin päivinä hinnoissa on iso ero, ja erityisesti niinäkin päiviä,jolloin sähkön hinta on yhtenä tuntina hyvin kallista, halvin tunti on melko normaalin hintainen. Voimme siis ostaa markkinoilta sähköä halvimpana tuntina, ja myydä sen kalleimpana tuntina melkoisella voitolla. Seuraavassa tutkitaan tuottoja, joita tällainen yhden tunnin siirtävä sähkövarasto olisi saanut tänä vuonna Suomessa.

Hintaero on kerätty kuvaan 2. Siinä on myös kyseisen päivän keskiarvohinta. Esimerkiksi ydinvoimala saa sähköstään tuon keskiarvohinnan. Sähkövarasto saisi sähköstään hintaeron verran voittoa ilman muita raaka-ainekuluja kuin akkujen kuluminen (mutta siis vain yhdestä tunnista vuorokaudessa).

Hintaero vuorokauden halvimman ja kalleimman tunnin välillä
Kuva 2. (*)

Kuvasta nähdään, että aina, kun sähkö on kallista, hintaero on vielä suurempi. Noina päivinä sähkövarasto ansaitsee kilowattitunnista enemmän kuin sähkövoimala.(**)

Tammi-syyskuun hintaeron keskiarvo on peräti 2,7 c/kWh. Joka päivän halvimman tunnin talteen ottanut sähkövarasto tienaa siis keskimäärin 2,7 c/kWh jokaisesta tallettamastaan kilowattitunnista.Sähkövarasto on myös vapaa olemaan kuluttamatta akkuja sellaisena päivänä, kun sähköstä ei saa niin hyvää hintaa, että voitto ei kata akkujen kulumista (elleivät ne purkaudu itsestään).

Kuvassa 3 on tasattu hintaeroa 7 päivän liukuvalla keskiarvolla. Tästä näkee selvemmin hinnan vaihtelun suuret linjat.

7 päivän liukuva keskiarvo
Kuva 3.

Kuvassa näkyvät kevään pakkaskaudet. Kesällä vaihtelu on ollut erittäin pientä, mutta jos Suomessa olisi aurinkosähköä käytössä, kesän yö-päivä-hintavaihtelut olisivat suuria. Elo-syyskuu olisi ollut sähkövarastoijalle todellista kultakautta.

Kuvassa 4 on vielä kuukausittainen ero, eli sähkövaraston potentiaalinen tuotto kuukaudessa kilowattitunnilta.

Kuukausittainen ero

Helmikuu erottuu selvästi noin kuuden sentin tuotoilla kilowattitunnilta. Tällaisilla tuloilla kannattaa pyörittää sähkövarastoa millä tahansa akkutekniikalla.

Olen aikaisemmin laskenut, että sähköautojen akkutekniikalla akku kuluu vähintään 3,5 c/kWh (ja tuottaa melkoisesti ongelmajätettä). Tuon rajan alapuolella ei siis sähkön varastointi kannata. Sähkön varastointi tuolla tekniikalla olisi tänä vuonna kannattanut helmikuussa ja elokuussa ja syyskuu on siinä ja siinä.

Kuluttaja ostaa sähkön arvonlisäverollisena. Kuluttajan tuotto omaan käyttöön varastoidusta sähköstä on 1,23 kertaa isompi kuin pörssisähkön hintaero eli kuluttajalle sähkön varastointi omaan käyttöön kannattaa jo hintaerolla 2,8 c/kWh. Tämän vuoksi syyskuussakin kuluttajalle sähkön varastointi olisi kannattanut. Sähkön ”sokea” varastointi juuri ja juuri ei olisi kannattanut kuluttajalle, koska eron keskiarvo on ollut 2,7 c/kWh. Kannattamattomat päivä on valikoitava pois, että varastointi kannattaisi.(***)

Sähköpörssistä puuttuu mekanismit sähkövarastojen tarjoukselle: ”myymme sähköä 10 megawattituntia, jos olemme onnistuneet ostamaan sen toisella tarjouksella aikaisemmin samana päivänä”. Sähköpörssissä on monen muun laisia erikoisia tarjoustyyppejä teollisuudelle, mutta tätä tietääkseni ei vielä ole.

Vähitellen on syntymässä tekniikoita, joilla sähköä voidaan varastoida hyvin suuressa mittakaavassa. Sähkön varastoinnissa tärkein kriteeri on kuitenkin hinta — sähköauton akuissa tärkein kriteeri on keveys. Siksi sähkön varastointia tuskin tullaan koskaan tekemään sähköauton akuilla. Sähkövarastoinnin tekniikkaa käsitellään artikkelin toisessa osassa.

(*) Päivistä on poistettu kesäaikaan siirtymispäivä.

(**) Mielenkiintoista sinänsä, että elo-syyskuussa on ollut noita paniikkipäiviä enemmän ja tasaisemmin kuin koko kevättalvena. Elo-syyskuun hinnanmuodostuksessa on ollut jotain melko luonnotonta: yöksi on siirrytty luonnolliseen Ruotsin hintatasoon, mutta päivisin on ollut aivan omat säännöt.

(***) Sähkön tuottaja ei saa sähköstään liikevaihtoveron suuruista etua, mutta yritys ei maksa akuistaankaan liikevaihtoveroa. Aiemman artikkelin laskelma 3,5 c/kWh on kuitenkin tehty kuluttajahinnoille — sellaisille hinnoille, mitä kuluttaja maksaa tyypillisesti sähköauton akuista.