Kiinteiden energianvarastointijärjestelmien materiaalivaatimukset ja kierrätys

Abstract

Kiinteät energianvarastointijärjestelmät tarjoavat ratkaisun uusiutuvan energian integrointiin osaksi sähköverkkoa ja mahdollistavat energian varastoinnin, kun tarjonta ylittää kysynnän. Energian varastointi on keskeisessä roolissa, kun halutaan varmistaa jatkuva sähkönsaanti, vähentäen sähkökatkojen riskiä sekä tasaten kuormituspiikkejä.

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuuskatsaus, jossa tarkasteltiin kiinteiden energianvarastointijärjestelmien suorituskykyä, materiaalivaatimuksia ja kierrätystä. Työssä keskityttiin erityisesti materiaalivaatimuksiin akkujen osalta, mutta tutkittiin myös mekaanisten ja sähköisten varastointijärjestelmien materiaalivaatimuksia ja kierrätystä. Työssä esitetään yleisimmät energiavarastointimenetelmät poissulkien termiset energiavarastot sekä kemialliset energianvarastointimenetelmät. Yleisimpiin kiinteisiin energianvarastointijärjestelmiin kuuluu muun muassa pumppuvoimalaitokset, paineilmaenergiavarastot, vauhtipyörät sekä akut.

Tutkielmassa keskityttiin erityisesti materiaalivaatimuksiin materiaalien saatavuuden kannalta sekä siihen, miten kierrätys vaikuttaa materiaalien saatavuuteen. Akuissa käytettävien kriittisten materiaalien, kuten litiumin, koboltin ja nikkelin saatavuudesta saattaa syntyä pulaa, jolloin nämä materiaalit tulee korvata ja niiden kierrätettävyyttä tulee parantaa.

Litium-rautafosfaattiakut sopivat energian varastointiin hyvän syklinkestävyyden ja kustannustehokkuutensa ansiosta. Litium-rautafosfaattiakut eivät ole yhtä riippuvaisia kriittisistä materiaaleista kuin muut kaupalliset akkuteknologiat, tehden niistä kestävämmän vaihtoehdon. Kiinteistä energianvarastointijärjestelmistä pumppuvoimalaitokset ovat kuitenkin suosituin teknologia vielä korkean hyötysuhteen, pitkän käyttöiän sekä teknologian kypsyyden takia.

Stationary energy storage provides a solution for integrating renewable energy into the grid and enables energy to be stored when supply exceeds demand. Energy storage plays a major role in ensuring a continuous power supply, reducing the risk of power outages, and balancing peak loads.

This bachelor's thesis is a literature review that examines the performance, material requirements and recycling of stationary energy storage systems. The primary focus is on battery technologies although the material demands, and recycling aspects of mechanical and electrical storage systems are also discussed. The thesis presents the most common energy storage methods, excluding thermal and chemical energy storage. The most common stationary energy systems include pumped hydro energy storage, compressed air energy storage, flywheels and batteries.

The thesis focuses particularly on material requirements in terms of material availability and how recycling affects material availability. The limited availability of critical materials used in batteries, such as lithium, cobalt, and nickel, may lead to supply shortages. To address this, these materials must be re-placed, and their recyclability must be improved.

Lithium iron phosphate batteries are well suited for energy storage due to their good cycle life and cost-effectiveness. Furthermore, lithium iron phosphate batteries are less dependent on critical raw materials compared to other commercial batteries, making them a more sustainable alternative. Among stationary energy storage systems, pumped hydro energy storage remains the most widely adopted technology due to its high efficiency, long service life, and technological maturity.