Ylikriittiseen hiilidioksidiin perustuvat energiavarastot

Abstract

Kasvava energiankysyntä ja pyrkimys eroon fossiilisista polttoaineista ajavat kohti uusiutuvan energian tuotannon lisäämistä. Sähköverkon vakautta, turvallisuutta ja luotettavuutta uhkaa kuitenkin uusiutuvan energian tuotannon vaihtelevuus ja epävakaus. Tämän vuoksi tarvitaan energiavarastoja. Nykyiset energiavarastot kohtaavat monia haasteita ja rajoituksia, joten uusien energianvarastointiteknologioiden kehittäminen on tärkeää. Ylikriittiseen hiilidioksidiin perustuvat energiavarastot ovat lupaava vaihtoehto.

Ylikriittisen hiilidioksidin korkea energiatiheys mahdollistaa kompaktit järjestelmät. Sen kriittinen piste on helposti saavutettavissa. Näin jo pienillä lämpötilan ja paineen muutoksilla voidaan vaikuttaa sen ominaisuuksiin. Sillä on erinomaiset lämmönsiirto-ominaisuudet ja se on räjähtämätön ja palamaton kaasu ja siksi turvallinen. Hiilidioksidia on runsaasti saatavilla, joten se on myös kustannustehokas vaihtoehto.

Kiinnostus ylikriittistä hiilidioksidia kohtaan on noussut merkittävästi viime vuosina ja erilaisia energiavarastoteknologioita on tutkittu runsaasti. Pumpatut lämpöenergiavarastot PTES ja paineistetut hiilidioksidin energiavarastot CCES yhdessä aurinkolämpöön yhdistettyjen energiavarastojen ja erilaisten hybridijärjestelmien kanssa ovat saavuttaneet tutkimuksissa melko korkeita hyötysuhteita. Järjestelmät kohtaavat kuitenkin useampia haasteita. Suuresta kiinnostuksesta huolimatta olemassa on yhä useita tutkimusaukkoja. Tämä hankaloittaa järjestelmien todellista käyttöönottoa. Käytännön mittakaavan tutkimus ja taloudelliset analyysit ovat välttämättömiä teknologian kehittymiselle. Ylikriittiseen hiilidioksidiin perustuvat energiavarastot ovat siis lupaava mutta vielä kehitystä vaativa teknologia.

Growing energy demand and the effort to reduce reliance on fossil fuels are driving the expansion of renewable energy production. However, the variability and intermittency of renewable energy sources threaten the stability, security, and reliability of the power grid. For this reason, energy storage systems are needed. Existing energy storage technologies face several challenges and limitations, which makes the development of new energy storage solutions important. Energy storage systems based on supercritical carbon dioxide represent a promising alternative.

The high energy density of supercritical carbon dioxide enables compact system designs. Its critical point is relatively easy to reach, meaning that small changes in temperature and pressure can significantly affect its properties. It also has excellent heat transfer characteristics and is a non-explosive and non-flammable gas, making it a safe working fluid. Carbon dioxide is widely available, which also makes it a cost-effective option.

Interest in supercritical carbon dioxide has increased significantly in recent years, and various energy storage technologies based on it have been widely studied. Pumped thermal energy storage (PTES) and compressed carbon dioxide energy storage (CCES), together with solar-thermal integrated storage systems and various hybrid configurations, have achieved relatively high efficiencies in research studies. However, these systems still face several challenges. Despite the growing interest, there are still several research gaps. This complicates the system implementation. Experimental studies and economic analyses are needed for further development. Therefore, energy storage systems based on supercritical carbon dioxide can be considered a promising but still developing technology.