Katsaus uudenaikaisiin energianlähteisiin

Transcription

leikkaamaton 360 mm
leikattu 354 mm
leikkausvara
3 mm
Pauli Koski
Katsaus uudenaikaisiin
energianlähteisiin
Pauli Koski
leikkaamaton 256 mm
leikattu 250 mm
KATSAUS UUDENAIKAISIIN ENERGIANLÄHTEISIIN
Puh. +358 (0) 299 800
Fax. +358 (0) 299 550 918
www.puolustusvoimat.fi
Publications
10/2006
Puolustusvoimien
Teknillinen Tutkimuslaitos
PL 10
11311 Riihimäki
Suomi Finland
Julkaisuja 24/2011
ISBN 978-951-25-2243-9
ISBN 978-951-25-2244-6 (PDF)
ISSN 1457-3938
Puolustusvoimien
Teknillinen
Tutkimuslaitos
Julkaisuja 24
4 mm
175 mm
175 mm
Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos
Julkaisuja 24
Katsaus uudenaikaisiin energianlähteisiin
Pauli Koski
12. syyskuuta 2011
RIIHIMÄKI 2011
Kansikuva:
Sana Sandler, Argonne National Laboratory
Kannen Suunnittelu:
Pirjo Laurimaa
ISBN 978-951-25-2243-9
ISBN 978-951-25-2244-6 (PDF)
Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos
ISSN 1457-3938
Juvenes Print Oy
Tampere 2011
Alkusanat
Seppo Härköselle sekä erityisesti ohjaajalleni Mikko Moisiolle: kiitos ja anteeksi!
Helsinki, 12. heinäkuuta, 2011
Pauli Koski
Tiivistelmä
Tämän selvityksen tavoitteena on antaa lukijalle yleiskuva kehitteillä olevista
vaihtoehtoisista sähköenergian tuotanto- ja varastointimenetelmistä. Raportissa käydään läpi perusteet eri energiantuotanto- ja varastointimuotoihin sekä
vertaillaan kilpailevien tekniikoiden ominaisuuksia ja soveltuvuutta eri kohteisiin. Lisäksi selvityksessä esitellään mielenkiintoisia jo käytössä olevia ja potentiaalisia sovelluskohteita sekä pohditaan vaihtoehtoisten energiantuotantomenetelmien tulevaisuuden näkymiä.
Asiasanat: vaihtoehtoinen energiantuotanto, energian varastointi, polttokennot, polttoprosessit, energian haalinta, biomekaaninen energia, ydinparisto,
aurinkokennot, termosähköinen konversio
5
Lyhenteet
AEM
Anion exchange membrane
Anioninvaihtomembraani
AFC
Alkaline fuel cell
Alkalipolttokenno
APU
Auxiliary power unit
Apuvoimalaite
CAES
Compressed air energy storage
Paineilmaenergiavarasto
CI
Compression ignition
Puristussytytys
CIGS
Copper indium gallium selenide
Kupari-indium-galliumdiselenidi
DBFC
Direct borohydride acid fuel cell
Suoraborohydridipolttokenno
DDMEFC
Direct dimethylene ether fuel cell
Suoradimetyylieetteripolttokenno
DEFC
Direct ethanol fuel cell
Suoraetanolipolttokenno
DFAFC
Direct formic acid fuel cell
Suorametaanihappopolttokenno
DHFC
Direct hydrazine acid fuel cell
Suorahydratsiinipolttokenno
DME
Dimethylene ether
Dimetyylieetteri
DMFC
Direct methanol fuel cell
Suorametanolipolttokenno
DSSC
Dye-sensitized solar cell
Väriaineherkisteinen aurinkokenno
ELDC
Electric double-layer capacitor
Superkondensaattori
HCCI
Homogeneous charge compression ignition
Homogeeninen puristussytytys
6
HT-PEMFC
High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell
Korkean lämpötilan polymeerielektrolyyttipolttokenno
IT-SOFC
Intermediate temperature solid oxide fuel cell
Keskilämpötilan kiinteäoksidipolttokenno
LFFC
Laminar flow fuel cell
Mikrofluidistinen polttokenno
MCFC
Molten carbonate fuel cell
Sulakarbonaattipolttokenno
MEA
Membrane electrode assembly
Elektrodielektrolyyttiasennelma
MEMS
Microelectromechanical system
Mikrosähkömekaaninen järjestelmä
MHFC
Metal hydride acid fuel cell
Metallihydridipolttokenno
PAFC
Phosphoric acid fuel cell
Fosforihappopolttokenno
PBI
Polybenzimidasole
Polybentsimidasoli
PBIFC
Polybenzimidasole fuel cell
Polybentsimidasolipolttokenno
PCFC
Proton ceramic fuel cell
Keraaminen protoninvaihtopolttokenno
PCM
Phase change material
Faasimuutosmateriaali
PEM
Polymer electrolyte membrane
Proton exchange membrane
Polymeerielektrolyytti
PEMEC
Polymer electrolyte membrane electrolyzer cell
Polymeerielektrolyyttielektrolyyseri
PEMFC
Polymer electrolyte membrane fuel cell
Proton exchange membrane fuel cell
Polymeerielektrolyyttipolttokenno
PSZT
Lead stannate zirconate titanate
Lyijyzirkonaattistannaattititanaatti
7
PTFE
Polytetrafluoroethylene
Polytetrafluoroetyleeni
RMFC
Reformed methanol fuel cell
Reformerimetanolipolttokenno
RTG
Radioisotope thermoelectric generator
Termosähköinen radiatiivinen generaattori
SAFC
Solid acid fuel cell
Kiinteähappopolttokenno
SI
Spark ignition
Kipinäsytytys
SMES
Superconducting magnetic energy storage
Suprajohtava magneettinen energiavarasto
SOEC
Solid oxide electrolyzer cell
Kiinteäoksidielektrolyyseri
SOFC
Solid oxide fuel cell
Kiinteäoksidipolttokenno
SSCAES
Small scale compressed air energy storage
Pienikokoinen paineilmaenergiavarasto
TPV
Thermophotovoltaic
Termovalosähköinen
UAV
Unmanned aerial vehicle
Miehittämätön lentoalus
UGV
Unmanned ground vehicle
Miehittämätön maa-alus
ULSD
Ultralow sulphur diesel
Rikkipuhdistettu diesel
URFC
Unitized regenerative fuel fell
Yksiköity regeneratiivinen polttokenno
UUV
Unmanned underwater vehicle
Miehittämätön sukellusalus
YSZ
Yttria-stabilized zirconia
Yttrium-stabiloitu zirkonium
8
SISÄLTÖ
Sisältö
1 Johdanto
10
2 Energian tuotanto
2.1 Polttoprosessit . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Turbiinit . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Mäntämoottorit . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Polttimet . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Polttokennot . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Polymeerielektrolyyttipolttokennot .
2.2.2 Alkalipolttokennot . . . . . . . . . .
2.2.3 Korkean lämpötilan polttokennot . .
2.3 Lämpöenergia sähköksi . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Lämpövoimakoneet . . . . . . . . .
2.3.2 Termosähköiset materiaalit . . . . .
2.3.3 Pyrosähköiset materiaalit . . . . . .
2.3.4 Termovalosähköinen konversio . . .
2.4 Kineettinen energia . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Biomekaaninen energia . . . . . . .
2.4.2 Virtausenergia . . . . . . . . . . . . .
2.5 Sähkömagneettinen säteily . . . . . . . . . .
2.5.1 Radiotaajuisen energian talteenotto
2.5.2 Aurinkoenergia . . . . . . . . . . . .
2.6 Biologiset energianlähteet . . . . . . . . . .
2.6.1 Biopolttokennot . . . . . . . . . . . .
2.6.2 Kasvien aineenvaihdunta . . . . . .
2.7 Radiatiivinen hajoaminen . . . . . . . . . .
2.7.1 Termosähköinen konversio . . . . .
2.7.2 Ei-terminen konversio . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
11
12
12
15
16
17
18
21
23
25
25
25
26
27
28
29
30
32
32
32
37
37
38
39
39
41
3 Energian varastointi
3.1 Kemiallinen varastointi . . . .
3.1.1 Vety . . . . . . . . . . .
3.1.2 Hiilivedyt . . . . . . . .
3.1.3 Kemialliset hydridit . .
3.2 Sähkökemiallinen varastointi
3.2.1 Lyijyakku . . . . . . . .
3.2.2 Nikkeliakut . . . . . . .
3.2.3 Litium-ioniakut . . . .
3.2.4 Sulasuola-akut . . . . .
3.2.5 Virtausakut . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
42
42
42
44
45
45
46
46
48
49
50
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
SISÄLTÖ
9
3.2.6 Regeneratiiviset polttokennot . . . . . .
3.3 Sähkömagneettinen varastointi . . . . . . . . .
3.3.1 Kondensaattorit . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Suprajohtava magneettinen varastointi
3.4 Lämmön varastointi . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Lämpökapasiteettivarastot . . . . . . . .
3.4.2 Faasimuutosmateriaalit . . . . . . . . .
3.5 Kineettinen varastointi . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Potentiaalienergian varastointi . . . . . . . . .
3.6.1 Paineilmavarastointi . . . . . . . . . . .
3.6.2 Veden potentiaalivarastointi . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
50
51
51
52
53
54
54
54
55
55
55
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
56
56
58
62
66
68
5 Yhteenveto ja johtopäätökset
5.1 Tehonlähteet ja varastointitekniikat . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Sovellukset ja järjestelmät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Infrastruktuuri ja logistiikka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
72
73
74
Viitteet
74
4 Sovellukset
4.1 Sensorien tehonlähteet . . . . . . . .
4.2 Yksittäisen sotilaan energianhallinta
4.3 Miehittämättömät alukset . . . . . .
4.4 Ajoneuvot ja kuljetuskalusto . . . . .
4.5 Stationääriset tehonlähteet . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
Johdanto
1990-luvulta lähtien tietoisuus energiantuotannon synnyttämien päästöjen vaikutuksista on noussut huimaa vauhtia ja pyrkimys uusien vaihtoehtojen kartoittamiseen on johtanut energia-alan renessanssiin. Ympäristöystävällisiä energiantuotantotekniikoita on tutkittu jo kauan, mutta niille ei ole aiemmin nähty
mitään konkreettista tarvetta. Fossiilisten polttoaineiden hupeneminen ja uhka hyvinvoinnin romahtamisesta on saanut vaihtoehtoisten energiatekniikoiden kehitykseen vauhtia ja eri tutkimusorganisaatiot ovat kehitelleet ja visioineet mitä moninaisimpia mahdollisuuksia tulevaisuuden energiatuotantoskenaarioista.
Myös puolustussektorin on syytä pysyä mukana tulevassa energiainfrastruktuurin muutoksessa, sillä sotilasteknologian ei ole järkevä jäädä riippuvaiseksi hupenevista fossiilisista energiavaroista. Energiantuotantoperustan muuttaminen on kallista, mutta samalla on mahdollista adaptoida mukaan vielä tuntemattomampia ja potentiaalisesti hyvinkin suorituskykyisiä energiantuotantotekniikoita, jotka olisivat ilman muutostarvetta jääneet kokonaan kartoittamatta. Tulevissa sovelluksissa mukana kuljetettavien elektronisten laitteiden lukumäärä ja suurempi tehonkulutus muodostuvat haasteeksi nykyisille sähköntuotantotavoille. Uusista energiantuotantomenetelmistä on löytynyt potentiaalisia, energiatiheydeltään perinteiset akut päihittäviä vaihtoehtoja yksittäisen
taistelijan ja miehittämättömien alusten sähköenergiantuotantoon.
Tämän dokumentin tarkoituksena on antaa lukijalle yleinen käsitys erilaisista
vaihtoehtoisista energiantuotantomenetelmistä. Raportti keskittyy enimmäkseen vielä hieman tuntemattomampiin energiantuotantomenetelmiin, jotka
ovat vielä kehitysasteella tai vailla mittavaa kaupallista tuotantoa. Teksti on
suunnattu aiheeseen tutustumattomalle lukijalle, eikä yksittäisiä teknologioita
käsitellä selvityksen laajuuden johdosta pintaa syvemmältä. Kiinnostuksen herätessä kannattaakin kääntyä viitteinä mainitun materiaalin puoleen.
Kappaleessa 2 käsitellään olemassa olevien energiantuotanto- ja muunnosteknologioiden perusteet ja käsitellään aiheita tutkimuksen ja tuotekehityksen näkökulmista. Seuraavassa kappaleessa perehdytään energianvarastointitekniikoihin. Kappaleessa 4 käydään läpi vaihtoehtoisten energiatekniikoiden
jo käytössä olevia ja potentiaalisia sotilassovelluksia. Yhteenvedossa arvioidaan
uusien energiatekniikoiden mahdollisuuksia ja haasteita sekä pohditaan mitä
uutta ne tulevat mahdollistamaan lähitulevaisuudessa.
10
2
Energian tuotanto
Kannettavasta elektroniikasta miehittämättömiin aluksiin, tuotekehityksen päämääränä on ollut laitteiden koon pienentäminen ja toiminta-ajan pidentäminen. Mikrosähkömekaanisilla järjestelmillä (MEMS) on saatu aikaan huomattavia parannuksia kaikilla sovellettavan teknologian osa-alueilla, poislukien tehonlähteet [1]. Laitteiden jatkokehityksen kannalta onkin tärkeää löytää uusia
suorituskykyisiä tehonlähteitä nykyisten akkujen ja paristojen energiatiheyden
lähestyessä kattoaan.
Perinteisten hiilivetyjen (40 MJ/kg) ja vedyn (120 MJ/kg) energiatiheys ylittää
moninkertaisesti nykyisten litium-ioniakkujen (<1 MJ/kg) energiatiheyden [2–
4]. Jos polttoaineen kemiallinen energia saadaan edes osaksi muunnettua sähköksi, saavutetaan hiilivetyjen gravimetrisilla energiatiheyksillä huima harppaus nykyisiin akkuihin verrattuna.
Kemiallisen energian muuntamiseksi sähköksi on perinteisesti käytetty polttomoottoriin yhdistettyä sähkögeneraattoria, mutta viime vuosikymmeninä vahvaksi kilpailijaksi ovat nousseet erityyppisten polttokennojen kavalkadi. Kehityskelpoisia ratkaisuja löytyy myös mikrokokoisten turbiinien ja polttimien saralta [5].
Toinen vaihtoehto energiatehokkuuden parantamiseen on haalia tarvittavaa
energiaa käytettävän järjestelmän ympäristöstä (energy scavenging). Hyötykäyttöön voidaan ottaa ihmisen tuottama lämpöenergia (termosähköiset generaattorit), biomekaaninen energia tai jopa ympäristöstä löytyvän kasvillisuuden
aineenvaihdunta [6]. Uusiutuvien energiantuotantomenetelmien kova kehitys
on vauhdittanut myös aurinkokennoihin ja tuulivoimaan perustuvien energiajärjestelmien kaupallistamista.
Erikoissovelluksissa vakiintuneen paikan saavuttaneiden radiatiivisten tehonlähteiden teknologia on myös murroksessa. Radiatiivisten tehonlähteiden korkea energiatiheys ja toimintavarmuus houkuttavat kehittämään nykyisten termosähköisten järjestelmien tilalle yhä pienempiä ei-termiseen muunnokseen
perustuvia ydinparistoja [7].
Seuraavissa kappaleissa käydään läpi eri energian tuotanto ja konversiotekniikoita, lähtien kemiallisen energian muuntamisesta polttoprosesseilla ja polttokennoilla (kappaleet 2.1 ja 2.2), jatkaen lämpöenergian (2.3) ja kineettisen energian (2.4) talteenotolla. Lopuksi käydään läpi sähkömagneettisen säteilyn (2.5)
avulla tuotettu energia, sekä biologiset (2.6) ja radiatiiviset (2.7) energianlähteet.
11
12
2.1
2.1 POLTTOPROSESSIT
Polttoprosessit
Pienen skaalan polttoprosessit (mikro- ja mesoskaala) ovat lähiaikoina saaneet
osakseen lisääntyvää huomiota, koska niiden on huomattu soveltuvan moniin
eri kohteisiin, ei vain sähköenergian, mutta myös lämmön ja mekaanisen energian tuotantoon [8]. Mahdollisiin sovelluskohteisiin kuuluvat sensorit, aktuaattorit, kannettava elektroniikka, robotit, miehittämättömät alukset, lämmityslaitteet. Lisäksi polttoprosessit soveltuvat lämmön ja mekaanisen energian varavoimanlähteeksi ilmastointiin erilaisissa kulku- ja kuljetusvälineissä. Kuten jo
edellä mainittiin, konsepti polttoprosessien hyödyntämisestä energiantuotannossa perustuu hiilivetyjen korkeaan energiatiheyteen, joka on jopa kaksi kertalukua korkeampi kuin nykyisellä akkuteknologialla on saavutettavissa.
Polttoprosessia hyödyntävät laitteet voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmään:
lämpövoimakoneisiin ja polttimiin. Lämpövoimakoneet ovat laitteita jotka
muuntavat lämpöenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Tähän luokkaan kuuluvat polttomoottorit sekä kaasuturbiinit, joissa polttoaineen kemiallinen energia
muunnetaan rotaatioenergiaksi termodynaamisen työkierron avulla. Polttimet
taas muuntavat polttoaineen kemiallisen energian mahdollisimman tehokkaasti lämmöksi, josta sitä voidaan hyödyntää muihin tarkoituksiin (ks. kappale 2.3).
Isokokoiset turbiinit ja polttomoottorit ovat jo vakiintunutta tekniikkaa, joten todellinen haaste piileekin teknologian skaalautuvuudessa pienempään kokoon, erityisesti kannettavien laitteiden sähköntuotantoon [1, 8]. Ennen valmistustekniikan kehittymistä mikrotason komponenteille ja MEMS-teknologialle,
polttoprosessien käyttö pienen skaalan laitteissa oli lähinnä akateemisen mielenkiinnon kohde. Mikroelektromekaanisten laitteiden yleistyminen loi tarpeen
pienikokoisille energianlähteille. Seuraavissa kappaleissa perehdytään pienikokoisiin polttoprosessia hyödyntäviin laitteisiin.
2.1.1
Turbiinit
Mikrokokoisten turbiininen kehitys on lähtenyt liikkeelle käytössä olevan teknologian skaalaamisesta pienempään kokoon. Tämä ei kuitenkaan onnistu vain
pienentämällä laitteen dimensioita, sillä näin pienessä koossa virtausmekaniikka ja lämmönhallinta joudutaan miettimään kokonaan uudelleen. Vaikka teknologia on vielä kaukana kaupallistamisesta, mikroturbiineista on kuitenkin
tehty useita onnistuneita demonstraatioita.
Polttoaineena mikroturbiineissa voidaan käyttää kaasumuotoista hiilivetyä tai
puhdasta vetyä. Turbiinien käyttämä Brayton-sykli on ylivoimainen verrattuna
muihin polttomoottorityökiertoihin, sillä se tarjoaa korkeimman tehotiheyden
2.1 POLTTOPROSESSIT
13
Kuva 2.1: Kaaviokuva mikroturbiinin poikkileikkauksesta. Alkuperäiseen rakenteeseen [9] on myöhemmin ehdotettu parannuksia mm. polttokammion
osalta [11]. Kuva: MIT OpenCourseWare.
ja hyötysuhteen [9]. Lisäksi turbiinit ovat mekaanisesti kestäviä ja lämpötila voidaan pitää laitteen sisällä hyvin tasaisena. Mikroturbiini on sähkön tuottamiseksi kytkettävä sähkögeneraattoriin (ks. kappale 2.4).
Tunnetuin kehitteillä oleva mikroturbiinikonsepti on MIT:n MEMSteknologiaan perustuva piipohjainen radiaalikompressoriturbiini. Turbiini
on halkaisijaltaan 10 mm ja sen arvioitu sähköteho on noin 20 W [10]. Kuvissa
2.1 ja 2.2 on esitetty poikkileikkaus turbiinin rakenteesta ja lähikuva roottorilavoista. Turbiini koostuu useasta piihin etsatusta kerroksesta, jotka pinotaan
päällekkäin kuvan 2.3 mukaisesti. Mikroturbiinista on tarkoitus kehittää suoraan piirilevyyn integroitava tehonlähde.
Mikroturbiinin lupaavasta suorituskyvystä huolimatta konseptissa on vielä
huomattavia ongelmia ratkaistavana. Riittävän tehontuotannon kannalta turbiiniin on pyörittävä hyvin suurella kierrosnopeudella (2.4 × 106 rpm [10]), mikä aiheuttaa ongelmia laakeroinnin kanssa [12]. Toinen ongelma on varsinkin roottorilapojen materiaalin väsyminen korkeissa lämpötiloissa (jopa 1500 ◦C
pakokaasulämpötila [9, 10]). Väsyminen voidaan ratkaista käyttämällä piin sijasta piikarbidia, piinitridiä tai alumiinioksidia, mikä toisaalta vaatisi soveltuvien etsausmenetelmien kehitystä [9, 11].
Ongelmia on pystytty ratkaisemaan myös vaihtoehtoisella turbiinirakenteella. Tohokun yliopistossa on demonstroitu mikroturbiini, joka pystyy Braytonsykliin jo 360 000 rpm kierrosluvuilla käyttölämpötilan pysytellessä 800–900 ◦C
tuntumassa [10].
14
2.1 POLTTOPROSESSIT
Kuva 2.2: Lähikuva mikroturbiinin roottorilavoista. Kuva: MIT OpenCourseWare.
Kuva 2.3: Kaavio kuudesta piikerroksesta koostuvan mikroturbiinin valmistusprosessista. Kuva: MIT OpenCourseWare.
2.1 POLTTOPROSESSIT
2.1.2
15
Mäntämoottorit
Mäntämoottorit ovat tänä päivänä vakiintunutta teknologiaa ja niitä käytetään
erilaisissa kulkuneuvoissa sekä varavoiman tuotannossa. Mäntämoottoriteknologiaa ei ole kuitenkaan kehitetty pienempään kokoluokkaan lähinnä valmistusteknisistä syistä. Kuten jo edellä mainittiin, hiilivetyjen korkea energiatiheys
on herättänyt tutkijoiden kiinnostuksen myös mikrokokoisia mäntämoottoreita kohtaan.
Mikromäntämoottoreissa fysikaaliset prosessit kuten palaminen, kaasujen kinetiikka ja lämmönvaihto tapahtuvat täysin eri skaalassa kuin täysikokoisissa
polttomoottoreissa. Tämän johdosta suunnitteluperiaatteet eroavat radikaalisti
suuremmista moottoreista.
Mäntämoottorit on perinteisesti jaettu kipinäsytytteisiin (SI, Otto-sykli) ja puristussytytteisiin (CI, Diesel-sykli) moottoreihin. Kipinäsytytteisessä moottorissa osa palamisessa syntyvästä energiasta kuluu kaasuseoksen lämmittämiseen,
ja tästä aiheutuva liekin tukahtuminen rajoittaa kipinäsytytteisen moottorin
minimidimensioita [1]. Tätä rajoitusta ei kuitenkaan synny, jos käytetään sekä kipinä- että puristussytytteisen tekniikan yhdistelmää, HCCI-sykliä. HCCIsyklissä kokoa rajoittaviksi tekijöiksi muodostuvat kitka ja mäntä-sylinterirajapinnan vuodot [13].
HCCI-syklin soveltuvuutta mikromoottoreihin on demonstroitu 3.0 mm halkaisijan kertalaukaistavalla vapaamännällä n-heptaani/ilmaseoksella [10]. Käytettäessä ferromagneettista vapaamäntää voidaan moottoriin kytkeä induktioon perustuva sähkögeneraattori, jolloin ei tarvita kampiakselia ja erillistä
sähkögeneraattoria[10].
Sylinterimoottorien lisäksi Berkeleyn yliopistossa (UCB) on kehitteillä pienikokoinen kiertomäntämoottori (Wankel). Projektin tavoitteena on kehittää
MEMS-pohjainen halkaisijaltaan 2.4 mm roottoria käyttävä moottori, joka pystyisi tuottamaan 90 mW tehon [10]. Moottorin suurennosmallia on testattu
vety/ilma-seoksella, jolloin saavutettiin 2.7 W teho 9300 rpm kierrosluvulla [14].
Tavoitteena on myös saada moottori toimimaan nestemäisellä hiilivedyllä [14].
Yleisenä ongelmana mäntämoottoreissa on kuitenkin soveltuvan valmistusmateriaalin ja -tekniikan löytäminen. Mäntämoottorien valmistusmateriaaliksi on
ehdotettu mm. alumiinioksidia [15].
16
2.1.3
2.1 POLTTOPROSESSIT
Polttimet
Tällä hetkellä kehitteillä on huomattava määrä erityyppisiä mikropolttimia, joita on tarkoitus käyttää joko suoraan pienen skaalan lämmöntuotantoon tai rinnakkain jonkin lämpöenergiaa sähköksi muuntavan tekniikan, esim. termosähköisen generaattorin, kanssa (ks. kappale 2.3). Polttimien hyvänä puolena on
kiinteä mekaaninen rakenne. Valitettavasti sähköntuotantoon käytettävien järjestelmien kokonaishyötysuhde jää yleensä alhaiseksi. Pienen koon polttimien
ongelmana on myös liekin ylläpitäminen, koska tarvittava lämpö karkaa helposti hukkaan polttimen seinämistä [8]. Palamisen kynnysenergiaa voidaan myös
alentaa katalyyteillä (esim. platina tai palladium), jolloin palamista pystytään
ylläpitämään alemmassa lämpötilassa [14].
Eniten tutkittu poltintyyppi on ns. spiraalikanavapoltin (Swiss Roll combustor),
jossa polttokammiosta erkanee kaksi limittäin kulkevaa spiraalikanavaa, toinen
polttoaineen syöttökanava ja toinen pakokaasujen poistokanava [5, 14]. Tämä
rakenne mahdollistaa syötettävän polttoaineen esilämmityksen pakokaasusta
kanavaseinämän läpi johtuvan lämmön avulla.
Stereolitografialla valmistetulla 12.5 mm×12.5 mm×5.0 mm-kokoisella TEG-elementtiin kytketyllä spiraalipolttimella on pystytty 100 mW tehontuotantoon,
kokonaishyötysuhteen vaihdellessa 1–5 % välillä, riippuen polttoaineesta [5].
Yalen yliopiston tutkijat ovat raportoineet katalyyttisestä 1000 ◦C lämpötilassa
toimivasta polttimesta, jolla on saavutettu jopa 97 % palamishyötysuhde, eli
miltei kaikki polttoaineen energia muuttui lämmöksi [5].
Spiraalikanavan lisäksi on esitelty myös vaihtoehtoisia tekniikoita. Polttimissa
voidaan käyttää pyörteistä palamista, jolloin liekki saadaan pienessäkin koossa stabiiliksi [2]. Toinen vähemmän tutkittu ja isommassa koossa paljon käytetty tapa on käyttää huokoista poltinkammiota, jolloin pystytään vähentämään
lämmön karkaamista ja samalla lämmittämään syötettävää polttoainetta [14].
2.2 POLTTOKENNOT
17
e−
Ulkoinen
piiri
Polttoaine
sisään
Ilma sisään
H2
O2
H+
H2
Ylimääräinen
polttoaine
Virtauskanavalevy
PEM
KDK
Elektrodit KDK
Ilma ja
vesi ulos
O2
H2 O
Virtauskanavalevy
Kuva 2.4: Vetykäyttöisen protoninvaihtopolttokennon rakenne ja toimintaperiaate. Kuva: Pauli Koski [16].
2.2
Polttokennot
Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka pystyvät tehokkaasti muuntamaan polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi. Polttokennot käyttävät yleensä polttoaineenaan vetyä, hiilivetyjä tai muita sopivia vedynkantajia. Polttokennoille tyypillisiä ominaisuuksia ovat korkea hyötysuhde ja virrantiheys, hiljaisuus, kiinteä rakenne (ei liikkuvia osia), sekä hyvä skaalautuvuus
milliwateista satoihin kilowatteihin. Polttokennot eivät myöskään tuota palamisreaktiosta tuttuja ilmansaasteita. Riippuen käytetystä polttoaineesta, polttokennot tuottavat ilmansaasteita hyvin vähän tai eivät ollenkaan. Saasteettomuus yhdessä korkean hyötysuhteen kanssa tekee polttokennoista ympäristöystävällisen tavan tuottaa sähköä, mikä onkin yksi keskeisimpiä motiiveja
polttokennojen tutkimus- ja tuotekehitystyössä.
Polttokennojen korkea hyötysuhde perustuu sähkökemialliseen hapetus-pelkistysreaktioon polttoaineen ja hapettimen välillä. Toisin kuin polttomoottoreissa, polttokennoissa kemiallinen reaktio tapahtuu kahtena puolireaktiona, kennon kummallakin elektrodilla. Koska kokonaisreaktiossa ei tapahdu
palamista, polttokennon hyötysuhde voi ylittää termodynaamisen Carnothyötysuhteen. Kuvassa 2.4 on esitetty vetykäyttöisen protoninvaihtokennon rakenne ja toimintaperiaate.
Yksittäisen polttokennon tuottama avoimen piirin jännite on yleensä 0.4 V –
18
2.2 POLTTOKENNOT
Kuva 2.5: Tyypillinen PEM-polttokennosto eli ”stack”. Yksittäiset kennot on puristettu yhteen metallisten päätylevyjen väliin. Kuva: NREL.
1.0 V väliltä [17]. Tästä johtuen yksittäisen kennot nivotaan sarjaan kennostoiksi
eli stackeiksi, jollainen on esitetty kuvassa 2.5. Kun polttokennoa aletaan kuormittaa, kennon tuottama jännite laskee avoimen piirin jännitteen alapuolelle.
Jännitteen aleneminen johtuu häviömekanismeista, jotka on esitetty tarkemmin kuvassa 2.6. Polttokennojen toimintaan voi perehtyä tarkemmin mm. lähteistä [17–24].
Polttokennotyypit jaotellaan yleensä ryhmiin niiden käyttölämpötilan, polttoaineen tai elektrolyytin mukaan. Seuraavissa kappaleissa käydään läpi yleisesti
tunnetuimmat ja teknologialtaan lupaavimmat polttokennotyypit.
2.2.1
Polymeerielektrolyyttipolttokennot
Polymeerielektrolyyttipolttokenno tai protoninvaihtopolttokenno (PEMFC,
PEFC) on eri polttokennotyypeistä selvästi tutkituin ja teknologialtaan kypsin.
PEM-polttokennot käyttävät polttoaineenaan vetyä ja hapettimena happea,
yleensä suoraan ilmasta. Elektrolyyttinä toimii ohut polymeerikalvo, joka
on saatu protonijohtavaksi kiinnittämällä PTFE-runkoon sulfonihapporyhmiä. Koska tyypilliset elektrolyyttimembraanit vaativat kostutusta, rajoittaa
nestemäisen veden tarve PEM-polttokennon käyttölämpötilan suhteellisen
alhaiseksi, yleensä 30 ◦C - 90 ◦C välille. PEM-polttokennot hyviä ominaisuuksia
2.2 POLTTOKENNOT
19
1
600
Alue I
0,9
500
E (V)
400
Alue II
0,7
0,6
Alue III
0,5
300
200
0,4
Jännite
Tehotiheys
0,3
P (mW/cm2 )
0,8
100
0,2
0
0
200
400
600
800
j (mA/cm2 )
1000
1200
1400
Kuva 2.6: Esimerkki protoninvaihtopolttokennon nk. polarisaatiokäyrästä
(punainen). Kun kennosta aletaan ottaa virtaa, tippuu jännite avoimen piirin jännitteen alapuolelle erilaisten varauksen ja reaktanttien siirrosta aiheutuvien häviöiden johdosta. Kuvaan on merkitty kolme aluetta, joissa kunkin
häviömekanismin vaikutus on selvimmin havaittavissa: (I) aktivaatiohäviöt,
(II) Ohminen häviö ja (III) aineensiirtohäviöt. Kennon tuottama teho on esitetty kuvaajan oikeanpuoleisella akselilla (vihreä). Kuva: Pauli Koski [16].
20
2.2 POLTTOKENNOT
ovat nopea käynnistys ja korkea virrantiheys. Membraanin kostuttaminen vaatii kuitenkin huomattavan määrään kennon ulkopuolista lisälaitteistoa.
Reformeripolttokennot
PEM-kennoissa on höyryreformoinnin avulla mahdollista käyttää polttoaineena myös erilaisia hiilivetyjä. Tyypillisiä reformoinnissa käytettäviä polttoaineita ovat metanoli ja maakaasu, joiden lisäksi on mahdollista käyttää mm. propaania, bensiiniä, dieseliä tai etanolia. Reformerin käytössä on haasteena sen
vaatiman korkean lämpötilan ylläpito, varsinkin alhaisen lämpötilan polttokennoissa. Höyryreformointia on kuitenkin onnistuneesti käytetty mm. reformerimetanolipolttokenno (RMFC), joita on kaupallisesti saatavilla [25].
Suorareaktiopolttokennot
Reformoinnin lisäksi vetyä sisältäviä polttoaineita on mahdollista käyttää nk.
suorareaktiopolttokennoissa, joissa polttoaine syötetään sellaisenaan kennon
elektrodille. Suorareaktiopolttokennot eroavat PEMFC:sta lähinnä polttoaineen
syötön osalta. Polttoaineena voidaan käyttää nestemäisiä pienimolekyylisiä hiilivetyjä, kuten metanolia, etanolia, eettereitä tai muita orgaanisia yhdisteitä
(esim. metaanihappo) [26]. Suorareaktiopolttokennojen käyttölämpötilat ovat
yleensä hieman alhaisempia kuin vedyllä toimivien PEM-kennojen.
Suorametanolipolttokenno (DMFC) on suorareaktiopolttokennoista lähimpänä kaupallistamista. Polttoaineena DMFC:ssa käytetään metanoli-vesiliuosta.
Kemiallisessa reaktiossa anodi vastaanottaa vetyä suoraan metanolimolekyylistä (CH3 OH), jolloin ei tarvita erillistä reformeria. Kuorman alaisena DMFC
pystyy yleensä tuottamaan noin 0.3V–0.5 V jännitettä [19]. DMFC:a käytettään
yleensä kannettavissa laitteissa, kuten kameroissa ja tietokoneissa, joiden tehovaatimukset ovat 1 W–1 kW väliltä. DMFC:n ongelmana on metanolin diffuusio
elektrolyyttimembraanin läpi ja metanolin hidas hapettuminen anodilla [26].
Suoraetanolipolttokennossa (DEFC) anodille syötetään etanolia (C2 H5 OH), joka hapettuu tuottaen hiilidioksidia, protoneja ja elektroneja. DEFC:n tuottama jännite on 0.5–0.9 V väliltä ja tehotiheys huomattavasti DMFC:a matalampi [19, 27].
Suoradimetyylieetteripolttokennossa (DDMEFC) käytetään polttoaineena dimetyylieetteriä (CH30 CH3 , DME). Polttoaineen DME sisältää paljon enemmän
energiaa kuin metanoli, sillä yhdessä hapettumisreaktiossa syntyy metanolin
kuuden elektronin sijasta 12 elektronia [27]. DME ei myöskään diffundoidu
2.2 POLTTOKENNOT
21
membraanin läpi yhtä helposti ja on turvallisempaa käyttää kuin metanoli. DDMEFC suorituskyky on samaa luokkaa DMFC:n kanssa [27].
Suorametaanihappopolttokennossa (DFAFC) polttoaineena toimii metaanihappo (HCOOH). Metaanihappo ei tunkeudu polymeerielektrolyytin läpi, joten
kennoon voidaan syöttää jopa 20–40 % liuosta, verrattuna suorametanolipolttokennon noin 6 prosenttiin [19]. DFAFC tuottama jännite on noin 0.55 V, joka
on hyvin kaukana teoreettisesta 1.45 V [19].
2.2.2
Alkalipolttokennot
Alkalipolttokennot (AFC) toimivat noin 100 ◦C lämpötilassa ja niiden hyötysuhde on 60–70 % luokkaa [19]. Polttoaineena toimii vety ja elektrolyyttinä käytetään veteen liuotettua kaliumhydroksidia (KOH), joka kuljettaa negatiivisia ioneja anodilta katodille [28].
Alkalipolttokennoille on ominaista nopea käynnistyminen. Elektrolyytti on hyvin herkkiä hiilidioksidille, joten kennoon syötettävä ilma on suodatettava ennen käyttöä. Haittapuolena on myös elektrolyytin korrosiivisuus, joka lyhentää käyttöikää. AFC:t ovat ensimmäisiä polttokennoja, jotka laitettiin hyötykäyttöön jo 1900-luvn alussa [28]. Alkalipolttokennoja on käytetty mm. ajoneuvoissa
ja avaruussukkuloissa, mutta 1980-luvulla kiinnostus AFC:n lopahti.
Uudentyppisten ohutkalvoelektrolyyttien (PEM) kehitys on kuitenkin herättänyt uutta kiinnostusta alkalipolttokennoihin ja aikaisemmin ongelmana olleita
heikkouksia yritetään kiertää kehittämällä polymeeripohjaista anioninvaihtomembraania (AEM) [28]. Seuraavaksi esitellään muutamia alkaliseen kennoon
(ja AEM:n) perustuvia vaihtoehtoisia polttoaineita käyttäviä kennotyyppejä.
Suoraborohydridipolttokenno (DBFC) Suoraborohydridipolttokenno käyttää polttoaineenaan veteen liuotettua natriumborohydridiä (NaBH4 ), joka
alkaalisissa olosuhteissa vapauttaa vetyä ja lopulta hapettuu booraksiksi
(NaBO2 ). DBFC:a käytetään noin 70 ◦C lämpötilassa ja katalyyttinä voidaan
käyttää jalometallien sijasta nikkeliä, jolla saavutetaan noin 50 % hyötysuhde
[29].
DBFC:n tuottama suhteellisen korkea jännite (1.64 V), hyvä tehotiheys ja matala
käyttölämpötila yhdessä natriumborohydridin 10.4 massaprosentin vedynkantokykyyn tekevät siitä lupaavan tehonlähteen kannettaviin laitteisiin [19, 29].
Haittapuolen on kuitenkin borohydridien korkea hinta [19].
22
2.2 POLTTOKENNOT
Suorahydratsiinipolttokenno (DHFC) Suorahydratsiinipolttokenno käyttää
polttoaineenaan hydratsiinia (N2 H4 ), jota on tutkittu alkalikennojen polttoaineen jo 1970-luvulta [26]. DHFC on kuitenkin vielä tutkimus- ja kehitysasteella.
DHFC:a on kokeiltu sekä kationin- ja anioninvaihtomembraaneilla, joista anioninvaihtokenno todettu huomattavasti paremmin toimivaksi [26]. DHFC:n teoreettinen jännite on 1.56 V [26].
Hydratsiini ei sisällä hiiltä, joten hapettumisessa ei synny hiilidioksidia, eivätkä hiiliyhdisteet pääse myrkyttämään katalyyttejä [26]. Hydratsiini on kuitenkin
hyvin myrkyllistä, joten järjestelmien suunnittelu vaati erityistä huolellisuutta. Anioninvaihtomembraaneja on myös hyvin heikosti saatavilla, joten AEM:n
kaupallistaminen ja MEA-synteesin kehittäminen on olennainen askel DHFC:n
implementoinnissa [26].
Metallihydridipolttokennot MHFC Metallihydridipolttokenno vastaa suurelta osin AFC:a, mutta sen anodi on valmistettu metallihydiridikomposiitista, joka pystyy varaamaan polttoaineena käytettyä vetyä polttokennon sisälle. Täten MHFC on mahdollista ladata kuin akku, jolloin anodille varautuu uudelleen käytettävissä olevaa vetyä. MHFC on tällä hetkellä hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa ja tehotiheydet ovat tähän mennessä olleet varsin alhaisia, noin
100 mW/cm2 luokkaa [30]. Tästä huolimatta MHFC on erittäin mielenkiintoinen huomattavan alhaalle, jopa −20 ◦C ulottuvan toimintalämpötilansa johdosta [30].
Mikrofluidistinen polttokenno Mikrofluidistinen polttokenno (LFFC) on
membraaniton laminaariseen virtaukseen perustuva kennotyyppi. LFFC:ssa
polttoaine ja oksidantti virtaavat laminaarisesti kanavassa, jolloin kahden
nesteen rajapinta muodostaa virtuaalisen ioninvaihtokalvon [31]. Kennon
elektrodit on sijoitettu kanavan vastakkaisille seinustoille. Virtaus on mahdollista pitää laminaarisena vain todella pienen skaalan kanavassa, jolloin
suurempitehoisissa LFFC-tehonlähteissä on oltava suuri mikrokanavien muodostama verkosto.
Polttoaineena LFFC:ssa käytetään vetyä, metanolia, metaanihappoa tai mitä tahansa muuta matalan lämpötilan polttokennoista tuttuja polttoaineita [32]. Virrantiheydet vaihtelevat suuresti, 0.01–100 mW välillä, riippuen kennon rakenteesta ja polttoaineesta [32]. LFFC on vasta varhaisessa tutkimusvaiheessa, mutta lupaus membraanittomuudesta ja sen tuomista hyödyistä ajaa tutkimusta
kiivaasti eteenpäin.
2.2 POLTTOKENNOT
2.2.3
23
Korkean lämpötilan polttokennot
Fosforihappopolttokenno PAFC Fosforihappopolttokennon toimintalämpötila on 175–200 ◦C, joka on kaksinkertainen polymeeripolttokennon verrattuna.
PAFC:ssa käytetään nestemäistä elektrolyyttiä, vahvaa fosforihappoa, joka,
toisin kuin PEM tai AFC, sietää hyvin reformoitujen hiilivetypolttoaineiden
epäpuhtauksia. PAFC:ssa kennoreaktio on sama kuin PEMFC:ssa. Korkeamman
lämpötilan johdosta vedyn generointi onnistuu kätevästi kennoston yhteydessä, ja syntynyt hukkalämpö voidaan valjastaa vesikierron avulla hyötykäyttöön.
PAFC:n heikkouksia on vaadittavien platinakatalyyttien hinta. PAFC tehonlähteitä on kaupallisesti saatavilla stationääriseen käyttöön 200–500 kW kokoluokassa [19]. Jopa 1.3 MW voimala on käytössä Milanossa ja PAFC tehonlähteitä
on asennettu yli 70 paikkaan Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa [19].
Korkean lämpötilan protoninvaihtopolttokennot (HT-PEMFC) Koska perinteisten PEM-polttokennojen käyttölämpötila rajoittuu veden kiehumispisteeseen, ovat tutkijat alkaneet kehittää vaihtoehtoisia elektrolyyttejä, jotka kestäisivät yli 100 ◦C lämpötilan. Korkeampi lämpötila olisi erityisen hyödyllinen ajoneuvoissa, jolloin polttokennon käyttöolosuhteiden ylläpito olisi helpompaa.
Korkeamman lämpötilan kennot tarjoavat myös parempaa protonijohtavuutta,
alhaisempaa polttoaineen permeaatiota membraanin läpi, parempaa hiilimonoksidinsietokykyä, hyvää kemiallista ja termodynaamista vakautta, mekaanista kestävyyttä ja halvempia valmistuskustannuksia [33–35].
Yleisesti tunnettuja korkean lämpötilan kennotyyppejä ovat polybentsimidasolipolttokenno (PBIFC), kiinteähappopolttokenno (SAFC) ja keraaminen protoninvaihtopolttokenno (PCFC).
Polybentsimidasolipolttokennoissa (PBIFC) käytetään elektrolyyttinä fosforihapolla seostettua polybentsimidasolia (PBI), jonka optimikäyttölämpötila on
noin 140 ◦C. PBI-pohjaisilla membraaneilla on parhaillaan päästy PEMFC:a
vastaavaan suorituskykyyn [33].
Kiinteähappopolttokennossa (SAFC) elektrolyyttinä toimii kiinteä cesium- tai
zirkoniumfosfaatti. SAFC kykenee toimimaan ilman membraanin kostutusta.
Käyttölämpötilat vaihtelevat 100–200 ◦C välillä. Lämmitettäessä yli 141 ◦C lämpötilan, cesiumfosfaatti rakenne muuttuu superprotoniseksi ja protonijohtavuus kasvaa 2–3-kertaiseksi [36, 37]. SAFC soveltuu käytettäväksi dieselpolttoaineen kanssa ja siitä on tällä hetkellä kehitteillä kaupallinen diesel-tehonlähde
[38, 39].
24
2.2 POLTTOKENNOT
Keraaminen protoninvaihtokenno (PCFC) on suhteellisen uusi kennotyyppi, joka on kehitetty keraamisen elektrolyytin ympärille. PCFC:n käyttölämpötila on
edellä mainittuja kennotyyppejä huomattavasti korkeampi, noin 750 ◦C. Korkean lämpötilan johdosta PCFC ei vaadi erillistä reformeria hiilivetypolttoaineille [19]. PCFC:n avoimen piirin jännite on todella lähellä teoreettista maksimia. PCFC:n haittapuolena on alhainen virrantiheys, jota on mahdollista parantaa kehittämällä ohuempaa, paremmin johtavaa elektrolyyttiä sekä optimoimalla elektrodeja. Tutkimus tähtää myös maakaasulla toimivan PCFC:n hyötysuhteen nostamiseen 55–65 % alueelle [19].
Sulakarbonaattipolttokenno (MCFC) Sulakarbonaattipolttokenno toimii
noin 600–700 ◦C lämpötilassa ja se koostuu kahdesta huokosesta elektrodista,
jotka ovat kontaktissa sulakarbonaattikennon kanssa [18, 19]. MCFC:lla on
korkea hyötysuhde (50–60 %), eikä se korkean lämpötilan johdosta tarvitse
jalometallikatalyyttejä tai erillistä reformeria [19]. MCFC kuitenkin myrkyttyy helposti rikkipitoisesta polttoaineesta ja sen käynnistäminen on hidasta.
MCFC:a käytetään lähinnä keski- ja suurikokoisissa, jopa 2 MW voimaloissa
[19].
Kiinteäoksidipolttokenno (SOFC) Kiinteäoksidipolttokenno ovat hyvin korkean lämpötilan (700–1000 ) polttokennoja, jotka käyttävät elektrolyyttinä keraamista Yttrium-stabiloitua zirkoniumia (YSZ) [18, 19]. YSZ-keraami johtaa
happi-ioneja (O2– ), jotka reagoivat anodilla protonien (H+ ) kanssa tuottaen vettä. SOFC toimii 50–60 % hyötysuhteella, eikä muiden korkean lämpötilan kennojen tavoin tarvitse erillistä reformeria [19].
SOFC:n heikkoja puolia ovat hidas käynnistyminen, korkea hinta ja alhainen
rikkitoleranssi. SOFC:a on käytetty lähinnä keski- ja suurikokoisissa voimaloissa, mutta hiljattain kennoja on saatu pienennettyä myös kulkuneuvoihin integroitavaksi APU-voimaksi muutaman kilowatin luokassa. Eräs tutkimus tähtää myös noin 250 kW SOFC-tehonlähteen kehittämiseksi [19].
Perinteisten korkean lämpötilan SOFC:n lisäksi viime vuosikymmenen alusta
on ollut kehitteillä matalammassa, jopa 500 ◦C lämpötilassa toimiva IT-SOFC
[40]. Lämpötilan laskiessa SOFC:n katodin toiminta heikkenee huomattavasti,
joten matalamman käyttölämpötilan saavuttamiseksi on jouduttu kehittämään
uudentyyppisiä katodimateriaaleja [40]. Käyttölämpötilan madaltaminen laskisi huomattavasti SOFC:n valmistuskustannuksia ja pidentäisi heikosti lämpöä
kestävien materiaalien ja täten koko kennoston käyttöikää.
2.3 LÄMPÖENERGIA SÄHKÖKSI
2.3
25
Lämpöenergia sähköksi
Lauhdevoimaloissa on jo pitkään käytetty turbiinin ja sähkögeneraattorin yhdistelmää lämpöenergian muuntamiseksi sähköksi. Viime vuosikymmeninä
huomiota ovat saaneet myös pienemmän kokoluokan energianmuuntimet, joilla saadaan hyödynnettyä prosessien hukkalämpöä huomattavasti pienemmällä
lämpötilaerolla (matalammissa lämpötiloissa). Hukkalämmön talteenotossa on
paljon potentiaalia, sillä mm. vuonna 2009 63 % Yhdysvaltain nettoprimäärienergiasta päätyi hukkalämmöksi [41].
Lämpövoimakoneiden (2.3.1) lisäksi lämpöenergiaa voidaan muuntaa sähköksi erilaisten termosähköisten generaattorien avulla. Seuraavissa kappaleissa on
esitelty termosähköiseen (2.3.2), pyrosähköiseen (2.3.3) ja termovalosähköiseen
(2.3.4) teknologiaan perustuvat generaattorit.
2.3.1
Lämpövoimakoneet
Lämpövoimakoneita voidaan käyttää lämpövaraston energian muuntamiseen
rotaatioenergiaksi ja edelleen sähkögeneraattorin avulla sähköksi. Lämpövoimakoneet vaativat yleensä toimiakseen suuren lämpötilaeron.
Tietyntyyppisiä Stirling-sykliin perustuvia lämpövoimakoneita voidaan käyttää
jo pienelläkin lämpötilaerolla. Nykyaikaisten nk. LTD-Stirling-koneiden hyötysuhde voi olla jopa 55 % Carnot-hyötysuhteesta, mutta laitteiden koko ja paino rajoittaa niiden käyttöä pienimmissä sovelluksissa [42]. LTD-Stirlingin hyötysuhdetta rajoittavat lähinnä lämpöhäviöt [42].
2.3.2
Termosähköiset materiaalit
Termosähköiset generaattorit (TEG) ovat laitteita, jotka muuntavat lämpöenergiaa suoraan sähköksi. Generaattorin toiminta perustuu nk. Seebeck-ilmiöön,
jossa lämpötilaero synnyttää jännitteen termosähköisen materiaalin yli. Atomiskaalalla tämä tarkoittaa, että lämpötilagradientti saa varauksenkuljettajat
kulkemaan materiaalin kuumalta pinnalta kylmälle pinnalle. Suurin osa matalan lämpötilan lämpögeneraattorien tutkimuksesta on keskittynyt juuri termosähköisiin muuntimiin [43]. Kuvassa 2.7 on esimerkki TEG-elementin rakenteesta.
TEG-elementtejä on aiemmin valmistettu kaksoismetalleista, mutta nykyisin
ne valmistetaan puolijohdeteknologialla esim. vismutti-telluurista (Bi2 Te3 ) [44].
TEG-elementtejä voidaan käyttää suoraan hukkalämmön talteenottoon [44–47]
tai muuntamaan mikropoltinten tuottama lämpöenergia sähköksi [5]. Kaupal-
26
Kuva 2.7: Kaaviokuva termosähköisestä generaattorista. Elementin yläpuoli
on kytketty lämpölähteeseen (Hot side) ja alapuoli kylmään (Cold side), esim.
jäähdytysrivastoon. P- ja n-tyypin termosähköiset materiaalit on kytketty sähköisesti sarjaan ja termodynaamisesti rinnan. Kuva: Wikimedia Commons
(user: michbich).
listen TEG-elementtien hyötysuhteet ovat noin 5%-10% luokkaa ja niitä pystytään hyödyntämään jo muutaman Celsius-asteen lämpötilaerolla [43]. TEGelementin eduksi voidaan myös laskea liikkuvien osien puute.
2.3.3
Pyrosähköiset materiaalit
Pyrosähköistä materiaalia jäähdytettäessä tai lämmitettäessä materiaalin polarisaatio muuttuu ja sen yli syntyy jännite. Pyrosähköisen materiaalin lämpötilaa
voidaan varioida, kuten lämpövoimakoneessa, tuloksena käyttökelpoista sähköä. Pyrosähköisen konversion hyötysuhde riippuu paljolti käytettävän materiaalin rakenteesta.
Parhaaseen suorituskykyyn päästään lyijyzirkonaattistannaattititanaatilla
(PSZT), jonka pyrosähköisen muunnoksen Carnot-hyötysuhde on parhaimmillaan 55.4 % [47]. Pyrosähköisten generaattoreiden ensimmäiset prototyypit ovat
toimineet noin 1% hyötysuhteella, mutta tähän on odotettavissa parannuksia
jatkotutkimusten myötä [43].
2.3.4
27
Termovalosähköinen konversio
Termovalosähköisessä konversiossa (TPV) lämpöenergiaa käytetään lämmittämään korkearadianssista valolähdettä (esim. piikarbidi, SiC), jonka säteily
muunnetaan sähköksi valosähköisen kennon avulla. Termovalosähköistä generaattoria käytetään yleensä mikropolttimen rinnalla, koska säteilylähteiden
lämmitys vaatii korkeaa lämpötilaa. Lähteen emittoima säteily sijoittuu enimmäkseen infrapuna-alueelle, joten tässä yhteydessä käytetään nk. infrapunakennoja, jotka poikkeavat perinteisistä aurinkokennoista. Infrapunakennoissa
käytetään gallium-antimoniin (GaSb) perustuvia puolijohteita [48].
Termovalosähköisellä muunnoksella on päästy noin 1 % hyötysuhteeseen, mutta periaatteessa on mahdollista saavuttaa noin 4 % hyötysuhde, joka on lähellä nykyisten TEG-elementtien tasoa [48]. Säteilylähteen hyötysuhde paranee
käänteisessä suhteessa sen kokoon, minkä johdosta termovalosähköinen konversio on kiinnostava vaihtoehto erityisen pienissä laitteissa [14].
28
2.4 KINEETTINEN ENERGIA
Kuva 2.8: Kineettisen energian muunninteknologiat sijoitettuna niiden
toiminta-alueilleen taajuus-siirtymä-kuvaajalle. Kuva: MIT OpenCourseWare.
2.4
Kineettinen energia
Kineettisen energian muuntaminen sähköenergiaksi on tähän päivään perustunut lähes kokonaan sähkögeneraattoriin, jossa rotaatioenergia muutetaan induktion avulla sähköenergiaksi. Sähkögeneraattorin avulla on mahdollista tuottaa energiaa mm. polttomoottorien ja turbiinien avulla. Generaattorit voidaan
myös yhdistää ajoneuvon jarruihin, jolloin osa jarrutusenergiasta saadaan otettua talteen.
Mikrokokoiset rotaatioenergiaa tuottavat laitteet, kuten kappaleessa 2.1 esitellyt mikroturbiinit, vaativat rinnalleen paljon pienempiä sähkögeneraattoreita ja
29
niiden kehittämisen haasteet ovat vastaavasti valmistus- ja materiaalitekniikassa. Toisen haasteen kineettisen energian talteenottoon tuo ns. biomekaaninen
energia eli ihmisen kehon liikkeiden hyödyntäminen sähköntuotannossa. Sovelluksia on jo kauan sitten ollut nähtävillä mm. rannekelloissa. Biomekaaninen energia on usein hyvin satunnaista sekä liikkeen taajuuden että poikkeaman suhteen.
Viime vuosikymmenien aikana on markkinoille tullut myös muihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuvia konversiotekniikoita mm. pietsosähköiset muuntimet
ja resonanssikeräimet. Edellä mainitut muuntimet mahdollistavat energian talteenoton hyvinkin pienienergiaisista liikkeistä. Kuvassa 2.8 on eritelty eri kineettisen energianmuunnostekniikoiden toiminta-alueita liikkeen taajuuden ja
poikkeaman suhteen.
Biomekaanisen energian talteenottoa on esitelty kappaleessa 2.4.1. Lisäksi kappaleessa 2.4.2 käsitellään lyhyesti virtaavan fluidin (kaasu/neste) energian talteenottoa.
2.4.1
Biomekaaninen energia
Biomekaaniset energiankeräimet kiinnitetään värähtelevään tai liikkuvaan kappaleeseen, jolloin energiankeräimen sisäiset osat liikkuvat inertian johdosta ulkoisen kappaleen liikkeitä mukaillen. Ihmisen liikkeistä saatava biomekaaninen
energia on käytännössä 0.5–5 Hz taajuudella tapahtuvaa hyvin satunnaista värähtelyä. Värähtelyenergiankeräimiä voidaan myös käyttää esim. kulkuneuvojen renkaissa [49]. Biomekaanisen energian muuntamiseksi on käytössä kolme
vakiintunutta tekniikkaa: sähköstaattinen, sähkömagneettinen ja pietsosähköinen muunnos.
Sähköstaattisissa muuntimissa kondensaattorin elektrodien etäisyys tai limittäisyys vaihtelee toisen elektrodin vapaasti liikkuessa tai värähdellessä. Liike aiheuttaa jännite-eron kondensaattorin yli ja edelleen virran ulkoiselle kuormalle. Sähkömagneettisissa muuntimissa magnetoidun massan liike indusoi ympärillä olevaan käämiin AC-jännitteen. Pietsosähköisissä muuntimissa taas liike tai värähtely aiheuttaa pietsokiteen deformoitumista, josta syntyy jännite kiteen yli.
Biomekaanisten energiankeräinten sähköteho on yleensä 10–100 mW luokkaa
[50]. Teho riippuu paljolti keräimen suunnittelusta. Erityisen tärkeää on saada
sovitettua keräimen resonanssitaajuus liikkeen taajuuteen. Värähtelyenergiankeräinten sähköiset hyötysuhteet vaihtelevat suuresti. Erityisesti nanorakentei-
30
sia pietsokiteisiin perustuvia keräimiä tutkitaan kovasti [51].
Biomekaanista värähtelyenergiaa hyödyntäviä laitteita, kuten rannekelloja on
jo ollut pitkään markkinoilla, mutta erillisiä värähtelyenergian keräimiä on tällä hetkellä heikosti saatavilla [6]. Esimerkkejä keräimistä on mm. AA-pariston
muotoinen keräin, jota voidaan käyttää monissa kannettavissa laitteissa. Tällä
hetkellä markkinoilla on myös suuria, pinta-alaltaan 100–200 cm2 kokoisia värähtelyenergiakeräimiä, jotka pystyvät tuottamaan muutaman kymmenen milliwatin tehon 50–120 Hz värähtelytaajuudella [52]. Niiden valmistus on kuitenkin hyvin kallista ja niitä käytetäänkin lähinnä erikoissovelluksissa [52].
Värähtelyenergian lisäksi on mahdollista hyödyntää lineaarista liikettä, esim.
kävelyliikkeen aiheuttamaa materiaalin taipumista kengän pohjissa tai repun
hihnoissa. Repun kuorma voidaan myös kiinnittää mekaaniseen kelkkaan, joka
kävellessä liikkuu vertikaalisuunnassa. Tällä järjestelmällä saatiin aikaan 7.2 W
sähköteho repun kuorman ollessa 38 kg [53]. Lineaarisen keräimen voi myös
kiinnittää esim. polveen, jolloin saadaan aikaan muutaman watin sähköteho
ketterän liikkumisen kustannuksella [53].
2.4.2
Virtausenergia
Kineettistä virtausenergiaa löytyy sekä luonnollisista että ihmisen rakentamista
ympäristöistä niin tuulen ja veden virtauksesta, kuin kaasun ja nesteen virtauksesta putkissa ja kanavissa. Tuuli- ja vesivoimaa käytetään lähinnä suuremman
skaalan energiantuotannossa kuten tuulivoimapuistoissa tai padon avulla toimivissa vesivoimaloissa.
Pienemmässä teholuokassa patoaminen ei ole järkevää ja mahdollisen veden
virtausta hyödyntävän tehonlähteen on toimittava virtauksen keskellä, kuten
tuulivoimalassa. Tästä syystä kaikki pienen teholuokan eri virtausmediaa hyödyntävät laitteet eivät suunnittelultaan poikkea huomattavasti toisistaan [6].
Nykyisellä teknologialla tuulivoima on ainoa markkinoilla oleva vaihtoehto
kannettavaan tai semi-stationääriseen sähköntuotantoon virtausmekaanisesta energiasta. Pienikokoisia siirrettäviä tuulivoimaloita on jo markkinoilla ja
ne pystyvät jopa 45 % hyötysuhteeseen [54]. Vesivoimaa on myös periaatteessa mahdollista käyttää pienessä skaalassa, asentamalla virtaavaan veteen tuulivoimalan kaltainen roottori. Pienikokoisia veden virtausta hyödyntäviä laitteita
ei valitettavasti ole markkinoilla, mutta se voisi olla kätevä vaihtoehto tuottaa
energiaa muutaman watin teholuokassa. Otollisten virtaavien vesistöjen (esim.
purot) löytäminen voi kuitenkin olla haastavaa.
31
Kuten monet muut ympäristöstään energiaa keräävät järjestelmät, tuulivoiman
energiaresurssi, eli ympäröivät tuuliolosuhteet ovat yleensä hyvin ailahtelevia. Tämän johdosta jatkuvaa tehoa tuottava tuulivoimajärjestelmä vaatii myös
energiapuskurin, kuten akun tai polttokenno-elektrolyyseri laitteiston (ks. kappale 3).
32
2.5
2.5.1
2.5 SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY
Sähkömagneettinen säteily
Radiotaajuisen energian talteenotto
Radiotaajuisen energian talteenotto perustuu ympäröivän radiotaajuisen säteilyn, kuten TV-mastojen ja matkapuhelintukiasemien lähettämien signaalien
hyödyntämiseen. Radiotaajuista säteilyä voidaan kerätä asianmukaisilla antenneilla ja tehonsäätöjärjestelmillä. Antennien tuottama teho on yleensä mikrotai milliwattien luokkaa [6]. Potentiaalisia sovelluskohteita ovat erilaiset autonomiset sensori- ja valvontajärjestelmät.
Vaikka radioaaltoja risteilee periaatteessa kaikkialla, on hyötykäyttöön tarvittavien tehomäärien tuottaminen käytännössä mahdotonta, ellei antenni ole aivan radiolähteen lähettyvillä. Esimerkiksi GSM- ja WLAN-taajuuksista energiaa
on käytettävissä todella niukasti. 25–100 m etäisyydellä GSM-tukiasemasta, yhden lähetystaajuuden säteilytehotiheys on 0.1–1.0 mW/m2 väliltä [52]. WLANtaajuuksilla tehotiheydet ovat vielä kertalukua pienempiä. Energian haalinta
näiltä taajuuksilta ei ole järkevää, ellei keräämiseen käytetä suurta pinta-alaa.
Ainoa järkevä tapa on siis sijoittaa radiotaajuista energiaa haalivat antennit lähelle radiolähdettä. Laitteisto on myös mahdollista sijoittaa ”loisimaan” suurien
AC-voimansiirtolinjojen läheisyyteen, jolloin linjan ympärille syntyvää kenttää
voidaan induktion avulla käyttää tehontuotantoon [6].
2.5.2
Aurinkoenergia
Aurinkokennot perustuvat valosähköiseen ilmiöön, jossa valo muuttuu suoraan sähköksi ilman termodynaamista muunnosta. Aurinkokennoon osuva valo, fotoni, absorboituu puolijohdemateriaaliin saaden aikaan elektroni-aukkopareja. Näistä varauksista syntyvä virta voidaan valjastaa hyötykäyttöön.
Kuvassa 2.9 on esitetty kiteisestä piistä valmistetun aurinkokennon rakenne ja
toimintamekanismi. Eri aurinkokennoteknologioiden hyötysuhteen kehitys on
esitetty kuvassa 2.10. Aurinkokennojen valmistuksessa päämateriaali on pii, joka muodostaa miltei 90 % kennosubstraateista [55]. Suurin osa kehitteillä olevista teknologioista on nk. ohutkalvokennoja.
Aurinkokennot ovat mekaanisesti kestäviä, rakenteeltaan yksinkertaisia, huoltovapaita ja aurinkokennojärjestelmien teho voidaan skaalata aina mikrowateista useisiin megawatteihin. Aurinkokennoja käytetään tehonlähteinä veden
pumppaamisessa ja puhdistuksessa, syrjäisissä rakennuksissa, kotitalouksissa,
kommunikaatiojärjestelmissä, satelliiteissa ja jopa suuremmissa verkkoon kytketyissä voimalaitoksissa. Aurinkokennojärjestelmät mielletään luotettaviksi ja
33
Ag
Pd
Ti
Si
-e
n
Antireflection layer
SiO2
n+
P
P+
+hole
Aluminum
Kuva 2.9: Piipohjaisen aurinkokennon rakenne ja toimintamekanismi. Kuva:
Wikimedia Commons.
pitkäikäisiksi. Tämä on totta tällä hetkellä itse aurinkokennojen osalta, mutta
järjestelmien muut komponentit eivät välttämättä ole teknologialtaan yhtä kypsiä [56]. Monien sovelluskohteiden johdosta aurinkokennojen kysyntä kasvaa
joka vuosi.
Kiteinen pii Kiteiseen piihin perustuvat aurinkokennot ovat eniten käytettyjä
kennoja niiden markkinaosuuden ollessa tällä hetkellä noin 80 % kaikista aurinkokennoista [57]. Kennon toiminta perustuu piipohjaiseen p-n-liitokseen. Kiteiseen piihin perustuvat kennot voidaan jakaa eri luokkiin niiden valmistamisessa käytetyn piiharkon tyypin perusteella yksi- tai monikiteisiin piikennoihin.
Yksikiteisestä piistä (Mono-crystalline) valmistettujen kennojen hyötysuhteet
vaihtelevat 20–25 % välillä. Kokonaisten aurinkokennojärjestelmien hyötysuhde on kuitenkin kontaktivastusten ja valon takaisinheijastumisen johdosta hieman alhaisempi, parhaimmillaan noin 20 % luokkaa [57].
Monikiteiseen piihin (Poly-crystalline, Multi-crystalline) perustuvat kennot
ovat yksikiteistä piitä huomattavasti halvempia valmistaa, mistä syystä suurin
osa markkinoilla olevista aurinkokennojärjestelmistä perustuu nimenomaan
monikiteiseen piihin. Monikidepiikennojärjestelmien hyötysuhde on hieman
alhaisempi, yleensä 14–19 % väliltä [58].
34
Kuva 2.10: National Renewable Energy Laboratoryn (NREL) koostama kuvaaja erityyppisten aurinkokennojen hyötysuhteiden kehityksestä viime vuosikymmeninä. Kuva: Lawrence Kazmerski, NREL.
35
Ohutkalvokennot Poiketen kiteisistä aurinkokennoista, joissa puolijohteet puristetaan lasilevyjen väliin, ohutkalvokennot valmistetaan pinnoittamalla esim. lasi- tai metallisubstraattia ohuilla kerroksilla. Kaupallisesti merkittäviä ohutkalvoteknologioita ovat amorfiseen piihin pohjautuvat
ohutkalvokennot (a-Si), kadmium-telluurikennot (CdTe) ja kupari-indiumgalliumdiselenidikennot (Cu(In,Ga)Se2 , CIGS).
Amorfiseen piihin perustuvat kennot olivat ensimmäisenä kehitettyjä ohutkalvokennoja ja ne muodostavat suurimman osan markkinoilla olevista ohutkalvokennoista. Niiden hyötysuhde on alhaisempi kuin kiteiseen piihin perustuvilla kennoilla. Laboratorio-olosuhteissa yksiliitoksisen kennon maksimihyötysuhde on 12 %, mutta hyötysuhde tippuu auringonvalon aiheuttaman degradaation johdosta 4–8 % tasolle [57]. Moniliitostekniikalla hyötysuhdetta on saatu kohotettua parilla prosentilla. Toinen vaihtoehto on käyttää amorfista piitä
liitoksessa mikrokiteisen piikennon kanssa, jolloin saavutetaan 8–9% hyötysuhde [57].
CdTe-kennot ovat tällä vuosituhannella nousseet amorfiseen piihin perustuvien
kennojen haastajiksi. CdTe-kennoja on halvempi valmistaa ja niiden hyötysuhde on korkeampi, 9–15 % [57]. CdTe-teknologia soveltuu hyvin suuriin MWluokan voimaloihin. Teknologian ongelmana ovat kuitenkin kadmiumin ympäristöhaitat sekä degradaatio kosteissa ja kuumissa olosuhteissa.
CIGS-kennot ovat monikerroksisia ohutkalvokomposiitteja, joiden kennohyötysuhde on parhaimmillaan 20 % ja koko järjestelmän hyötysuhde 13 % luokkaa
[57]. CIGS-kennojen absorptiokyky on erittäin hyvä ja materiaalikustannukset
suhteellisen alhaiset [58]. Valmistusmenetelmät vaativat vielä tutkimusta, jotta
CIGS-tekniikkaa voitaisiin käyttää massatuotannossa. Ongelmana on myös valmistuksessa käytetyn indiumin saatavuus.
Moniliitoskennot Moniliitoskennot ovat monimutkaisia useasta päällekkäisestä kidekerroksesta koostettuja korkeahyötysuhteisia kennoja. Moniliitoskennojen ideana on pinota useita limittäisen energia-aukon kennoja yhteen, jolloin
saadaan absorboitua suurempi osuus auringon säteilyspektristä kuin kullakin
kennolla olisi yksinään mahdollista.
Moniliitoskennoilla voidaan saavuttaa hyvin korkeita hyötysuhteita.
GaAs/InGaP-kolmiliitoskennolla on päästy jopa 40.8 % hyötysuhteeseen [57].
Yleensä sovelluskohteeseensa räätälöidyt moniliitoskennot ovat hyvin kalliita
ja niitä käytetään lähinnä satelliiteissa tai muissa kriittisissä järjestelmissä.
36
Orgaaniset ohutkalvokennot Orgaaniset aurinkokennot tai polymeeriaurinkokennot koostuvat orgaanisten puolijohteiden ohutkalvoista (paksuus noin
100 nm), kuten polymeereistä ja pienimolekyylisistä yhdisteistä, esim. pentaseenistä, polfenyyli vinyylistä tai hiilifullereeneista [57, 59]. Korkein polymeerikennoilla saavutettu hyötysuhde on 4–5 %, mutta polymeerikennoissa kiinnostavinta on kuitenkin niiden taipuisuus ja kertakäyttörakenteisiin [59]. Koska
polymeerikennot on valmistettu lähes kokonaan muovista, on niiden valmistaminen piikennoihin verrattuna halpaa ja suhteellisen yksinkertaista. Kennon
kallein komponentti on indiumtinaoksidi, jota harkitaan korvattavaksi halvemmalla hiilinanoputkikerroksella [57].
Väriaineherkisteiset ohutkalvokennot (DSSC) Väriainekennot koostuvat
puolijohteesta, kuten pii, ja johtavasta elektrolyyttinesteestä, esim. vesisuolaliuoksesta. Puolijohde ja elektrolyytti toimivat yhdessä tuottaakseen
valosta elektroni-aukkopareja. Varausparien lähteenä toimii valoherkkä väriaine, josta kennot ovat saaneet nimensä. Väriaineen sitomiseen paikalleen
käytetään nanomateriaaleja, yleensä titaanidioksidia (TiO2 ).
Väriainekennojen hyötysuhde vaihtelee 5–10 % välillä ja parhaiden kennojen
päästessä 11 % hyötysuhteeseen [57, 58]. Väriainekennojen ongelmana on herkästi höyrystyvän elektrolyyttiliuoksen karkaaminen kennon muovisen kapselointirakenteen läpi. Tästä huolimatta väriainekennoissa on paljon potentiaalia,
sillä niitä on mahdollista valmistaa halvalla rullapainon kaltaisella menetelmällä. Suurin osa tämän alueen tutkimustyöstä keskittyy väriaineiden absorptiokyvyn nostamiseen ja kennorakenteen parantamiseen mm. etsimällä vaihtoehtoja
nestemäiselle elektrolyytille [57].
Nanoteknologiaan perustuvat kennot Hiilinanoputkia käytetään tällä hetkellä elektrodimateriaalina taipuisissa ja läpinäkyvissä kennoissa [57]. Tutkijat
ovat myös onnistuneet kehittämään yhdestä hiilinanoputkesta muodostuvan
fotodiodin, jonka odotetaan parantavan seuraavan sukupolven kennojen suorituskykyä. Tämänhetkisten hiilinanoputkiin perustuvien kennojen hyötysuhteet ovat vasta 3–4 % luokkaa [57].
Muita lupaavia seuraavan sukupolven teknologioita edustavat kvanttipisteisiin
(Quantum dot) perustuvat kennot ja nk. Hot Carrier -kennot, jotka pystyvät teoriassa 66 % konversiohyötysuhteeseen [57]. Näiden kennojen kehitys on kuitenkin vielä hyvin varhaisessa vaiheessa ja demonstraatioiden toteuttaminen vaatii
uusien materiaaliteknisten ratkaisujen kehittämistä.
2.6 BIOLOGISET ENERGIANLÄHTEET
2.6
37
Biologiset energianlähteet
Biologiset tehonlähteet poikkeavat huomattavasti kaikista muista tässä selvityksessä tarkastellusta energiatekniikasta. Idea aineenvaihdunnan valjastamisesta energiantuotantoon ei ole kuitenkaan niin kaukainen, sillä ihmiskehokin muuntaa kemiallista energiaa adenosiinitrifosfaattiin varautuneeksi sähköenergiaksi, ja on täten verrattavissa biopolttokennoon.
2.6.1
Biopolttokennot
Kuten PEM-polttokennot, biopolttokennot koostuvat anodista ja katodista, jota erottaa protonijohtava membraani. Biopolttokennot eivät kuitenkaan tarvitse kalliita jalometallikatalyyttejä, vaan reaktiot saadaan aikaan biologisilla katalyyteillä [60]. Biopolttokennot voidaan katalyysimekanismin perusteella jaotella
mikrobipolttokennoihin ja entsymaattisiin polttokennoihin.
Mikrobipolttokennoissa käytetään mikrobien aineenvaihduntaa polttoaineen
hapettamiseksi. Anaerobisissa olosuhteissa elävät mikro-organismit hapettavat
polttoaineena käytetyn materian tuottaen elektroneja, protoneja ja muita aineenvaihdunnan tuotteita. Jotkin mikrobit eivät pysty suoraan luovuttamaan
elektroneja kennon anodille, joten niiden kanssa käytetään mediaattoreita, kuten ferrisyanidia ja metyleenisinistä [61].
Entsymaattisissa biopolttokennoissa mikrobien sisällä toimivat entsyymit on
eristetty ja ne toimivat suoraan katalysoiden hapettumisreaktioita. Entsymaattiset polttokennot vaativat myös lisätekijöitä, jotka auttavat varauksensiirrossa
entsyymin ja mediaattorin välillä [60]. Entsymaattisen polttokennon toimintaolosuhteet ovat paljon rajoitetummat kuin mikrobisella kennolla, sillä mikrobit
itsessään pitävät sisältämänsä entsyymit oikeissa toimintaolosuhteissa.
Biopolttokennojen polttoaineena voidaan teoriassa käyttää kaikkea mikrobeille kelpaavaa materiaa, esim. yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä, biopolttoaineita tai vaikkapa jätevettä, riippuen käytettävästä mikrobi/entsyymikannasta
[60, 62]. Mikrobipolttokennojen hyötysuhde voi olla suhteellisen korkea (yleensä 20–80 %), joten ne saattaisivat soveltua hankalasti saavutettavien kohteiden
autonomiseen virrantuotantoon [63, 64]. Ongelmana on kuitenkin vielä kennon
alhainen käyttöikä.
Jos käytettävissä on energiarikasta polttoainetta, biopolttokennoissa on potentiaalia myös kannettavan elektroniikan tehonlähteeksi. Entsymaattisia polttokennoja olisi periaatteessa mahdollista käyttää esim. ihmiseen tai eläimeen
kiinnitetyissä sensoreissa, jolloin polttoaineena käytetään isännän verensoke-
38
2.6 BIOLOGISET ENERGIANLÄHTEET
ria [53]. Nykyinen suorituskyky jää kuitenkin vielä kauas kannettavan elektroniikan vaatimuksista parhaiden tehotiheyksien ollessa 1 mW/cm2 luokkaa [63].
2.6.2
Kasvien aineenvaihdunta
Polttokennojen lisäksi sähköntuotannossa on mahdollista hyödyntää kasvien
aineenvaihduntaa. On havaittu, että elossa olevan kasvin juurakon ja kasvualustan välille syntyy 50–200 mV suuruinen jännite [65]. Jännite syntyy juurakon
solukalvon yli vallitsevasta pH-erosta, jota kasvi pitää yllä [65, 66].
Sopivalla jännitteen reguloinnilla varustettuna puita on siis mahdollista käyttää energianlähteenä matalatehoiselle elektroniikalle. Puun aineenvaihdunnan
käyttäminen vaatii kuitenkin täysin uudenlaisten energiapihien piirien kehittämistä. Demonstraationa on jo nähty mm. kokonaan tammipuusta energiansa
saava kellopulssigeneraattori [66]. Muuttamalla kohtioiden avulla puu sähkökemialliseksi kennoksi voidaan tuottaa tehoa myös raskaammille sensorijärjestelmille [67]. Mielenkiintoisimmat kasvien aineenvaihduntaa käyttävät sovelluskohteet piilevätkin juuri sensoriverkkojen saralla [68].
2.7 RADIATIIVINEN HAJOAMINEN
2.7
39
Radiatiivinen hajoaminen
Radioaktiiviseen hajoamiseen perustuvat tehonlähteet tai ydinparistot tunnetaan huomattavan pitkästä toimintaiästä, korkeasta energiatiheydestä, huoltovapaudesta ja häiriökestävyydestä [7, 69–71]. Tarvittavan radioaktiivisen materiaalin rajatun saatavuuden ja ydinproliferaation johdosta radiatiivisia tehonlähteitä on käytetty hyvin niukalti, lähinnä erikoissovelluksissa kuten avaruusluotaimissa tai kaukana sähköverkon ulkopuolella toimivissa valvonta- tai tukiasemissa [71].
Hyvin suunnitellulla säteilysuojauksella hajoamisesta syntyvät säteilyhaitat
saadaan pidettyä paristorakenteen sisällä ja esim. lääkinnällisissä sensoreissa
voidaan käyttää isotooppeja, joiden tuottamat säteilyannokset jäävät suositeltujen annosrajojen alle [53]. Kaikkia tehonlähteitä ei kuitenkaan pystytä eliniän jälkeen uudelleenkäyttämään. Käytettyjen isotooppien puoliintumisajat
ovat yleensä alle 100 vuotta [72].
Radiatiiviset tehonlähteet jaotellaan yleensä kahteen eri kategoriaan perustuen
muunnosmekanismin lämpöenergian hyödyntämiseen. Ensimmäisessä hyödynnetään hajoavien hiukkasten kineettisen energian tuottamaa lämpöenergiaa, joka muunnetaan sähköksi. Vaihtoehtoisesti hajoamisesta syntyvä sähkömagneettinen säteily voidaan muuntaa lämmöksi ja edelleen sähköksi. Jälkimmäisen kategorian ydinparistoissa ei käytetä lainkaan termistä konversiota.
2.7.1
Termosähköinen konversio
Termosähköistä konversiota käyttävät radiatiiviset generaattorit tunnetaan lyhenteellä RTG tai RITEG. RTG:ssä lämmönlähteenä on perinteisesti käytetty
238 Pu- tai 90 Sr-isotooppeja [7]. Pelleteistä syntyvä lämpö muunnetaan termosähköisellä elementillä tai jollain muulla vastaavalla teknologialla sähköksi (ks.
kappale 2.3). Keveimmät RTG:t ovat painoltaan muutaman kymmenen kilogramman luokkaa ja ne pystyvät tuottamaan tehoa 10 – 500 kW luokassa [70, 72].
Joissain tapauksissa energiaa ei ole pitkän ajanjakson aikana saatavilla mistään ulkoisesta lähteestä, jolloin RTG:t ovat ainoa mahdollinen tapa tuottaa
tarvittava sähköenergia. Kuvassa 2.11 on esitelty NASA:n luotaimissaan käyttämää GPHS-RTG-tehonlähdettä. Parhaimpaan suorituskykyyn on päästy ASRGprojektissa, jossa lämpölähteeseen on liitetty kaksi Stirling-generaattoria. Tällä menetelmällä on saavutettu 7 W/kg sähkötehotiheys ja liki 30 % hyötysuhde
[70].
40
Active Cooling System
(ACS) Manifold
Pressure
General Purpose
Relief Device
Heat Source (GPHS)
Aluminum Outer
Shell Assembly
Cooling Tubes
Heat Source
Gas Management
Support
Assembly
RTG Mounting
Multi-Foil
Flange
Insulation
Silicon-Germanium
(Si-Ge) Unicouple
Midspan Heat
Source Support
(a) Poikkileikkaus GPHS-RTG radioisotooppitehonlähteestä. Kuva: NASA.
(b) GPHS-RTG:ssä käytetty PuO2 pelletti. Kuva: US DOE.
(c) GPHS-RTG kiinnitettynä Cassini luotaimeen. Kuva: NASA-KSC.
Kuva 2.11: Kuvia NASA:n käytössä olevasta GPHS-RTG radioisotooppitehonlähteestä.
2.7.2
41
Ei-terminen konversio
Lämpöenergian lisäksi sähköä voidaan tuottaa ns. suoran konversion kautta.
Tämä voi tapahtua suoraan hajoamisessa syntyviä varauksellisia hiukkasia keräämällä, säteilyn ionisoimia hiukkasia keräämällä tai radioluminesenssin ja valosähköisen kennon avulla [7].
Suoravarausparistoissa toisen elektrodin pinnalla olevan radioaktiivisen materiaalin synnyttämä varauksellisten hiukkasten virta kerätään hyötykäyttöön.
Suoravarausparistoissa käytetään yleensä alfaemittoivaa radioisotooppia ja ne
pystyvät tuottamaan jopa satojen kilovolttien jännitteitä nanoampeerien virralla [7]. Suoravarausparisto pystyy mikrotai milliwattiluokan tehontuotantoon.
Ionisointia hyödyntävissä paristoissa kondensaattorin välissä olevaa materiaalia, yleensä kaasua, ionisoidaan alfa, beeta tai gammasätein. Tämäntyyppisillä
paristoilla saavutetaan noin 1 V jännite ja hyötysuhde jää noin 0,5 prosenttiin
ionisoinnin korkean kynnysenergian takia [7].
Puolijohdeteknologian avulla hyötysuhdetta on saatu parannettua huomattavasti nk. beetasähköisessä paristossa. Beetasähköisen pariston toimintaperiaate on hyvin samankaltainen kuin aurinkokennoissa: beetahiukkasilla säteilytetään puolijohde-elementtiä, jossa jokainen beetahiukkanen saa aikaan useita
tuhansia elektroni-aukkopareja [7, 69]. Tällöin hyötysuhde saadaan nostettua
6–8 % tasolle, riippuen käytetyn puolijohde-elementin laadusta [7, 71]. Beetasähköisellä paristolla on hyvin korkea energiatiheys ja niistä voidaan valmistaa
hyvin pieniä ja keveitä, jolloin ne on helppo integroida elektroniikkapiirilevyille [71]. Puolijohteisiin perustuvat radioisotooppitehonlähteet ovat todella varteenotettava vaihtoehto sotilaskäyttöön, niiden pitkän toiminta-ajan, huoltovapauden ja häiriökestävyyden johdosta.
3
Energian varastointi
Energian varastointi ja tehonhallinta ovat nousseet tärkeään asemaan monissa
maissa, joissa keskitytään yleensä teholtaan vaihtelevan uusiutuvan energian
kehitykseen. Kannettavan elektroniikan vallankumous on vauhdittanut akkuteknologian kehitystä, ja nykyisen trendin jatkuessa akuilta vaaditaan entistä
suurempaa kapasiteettia. Lyhyemmän aikaskaalan energiavarastot, kuten kondensaattorit, kineettiset energiasäilöt ja SMES ovat myös tärkeässä asemassa
kun sovellus vaatii hyvin korkeaenergisiä purskeita.
Käytettävän energiavaraston valinta riippuu hyvin vahvasti sovelluksen tarvitsemasta tehosta ja aikaskaalasta. Kokonaishyötysuhteen lisäksi energiavaraston karakteristisia suureita ovat varastointikapasiteetti (Wh), energiatiheys
(Wh/kg), tehotiheys (W/kg), elinikä, syklikestävyys ja Coulombinen hyötysuhde, joka kertoo lataussyklin varaustaseen. Kuvassa 3.1 on esitetty muutamien
energiavarastointiteknologioiden ominaisuuksia nk. Ragone-kuvaajassa.
Seuraavissa kappaleissa käydään läpi saatavilla olevat energian varastointitekniikat aloittaen kemiallisesta (3.1), sähkökemiallisesta (3.2) ja sähkömagneettisesta (3.3) varastoinnista, jatkaen lämmön (3.4), kineettisen energian (3.5) sekä
potentiaalienergian (3.6) varastointimenetelmillä.
3.1
Kemiallinen varastointi
Viime vuosikymmeninä on tehty huomattavat määrät tutkimusta fossiilisten
polttoaineiden syrjäyttämiseksi primäärienergianlähteinä. Fossiilisten polttoaineiden varantojen ehtyessä myös puolustussektorin on hiljalleen siirryttävä
käyttämään uusiutuvia polttoaineita. Lupaavimpina vaihtoehtoina pidetään
tällä hetkellä vetyä ja biopolttoaineita, joista esim. biodieselin avulla pystytään
jatkamaan nykyisten polttomoottoripohjaisten järjestelmien käyttöä. On myös
syytä ottaa huomioon, että vedyllä toimiva tehonlähde on reformoinnin avulla
mahdollista valjastaa toimimaan lähes millä tahansa hiilivedyllä, kun taas polttomoottorit on optimoitu toimimaan tietyllä polttoaineella.
3.1.1
Vety
Vety (H2 ) on tunnustettu vahvimmaksi kandidaatiksi tulevaisuuden kemiallisen
energian kantajaksi sen päästöttömyyden, energiatehokkuuden ja käytännössä loputtoman saatavuuden johdosta [73]. Vety on ilmanpaineessa hyvin harva kaasu, joten sen varastointi sellaisenaan ei ole järkevää. Yksinkertaisin tapa
42
3.1 KEMIALLINEN VARASTOINTI
43
Energy density (Wh/kg)
1000
Fuel cells
100
Conventional
batteries
10
1
10 hours
1 hour
1 second
Ultracapacitors
0.03 second
0.1
0.01
10
Conventional
Capacitors
100
1000
10000
Power density (W/kg)
Kuva 3.1: Ragone-kuvaajalla voidaan kätevästi vertailla eri energianvarastointiteknologioiden teho- ja energiatiheyksien lisäksi laitteiden toiminnan aikaskaaloja. Kuva: Maxwell Technologies.
on varastoida vety paineistettuun säiliöön samaan tapaan kuin maakaasu. Kaupallisissa säiliöissä vety paineistetaan 200–250 bar paineeseen ja kehitteillä on
järjestelmiä, jotka pystyvät jopa 700 bar paineeseen ja 11 % vetysisältöön kokonaismassasta [73, 74]. Säiliöt ovat kuitenkin isokokoisia ja suuripaineisen vedyn
turvallisuus epäilyttää [73–75].
Toinen yleisesti tunnettu varastointitapa on vedyn nesteytys ja säilöntä kylmässä, jolloin ei tarvita korkeaa painetta. Nesteyttämällä vety saadaan säilöttyä
huomattavasti pienempään tilaan paremmalla gravimetrisella energiatiheydellä. Nestesäiliön haittapuolia taas ovat nesteytyksessä syntyvät energiahäviöt (33
%) sekä, nykyaikaisista eristeistä huolimatta, vedyn höyrystyminen lämpövuodon takia [74, 75].
Näiden kahden tavan lisäksi vetyä voidaan varastoida lukemattomiin metalleihin ja metalliseoksiin metallihydrideinä. Metallihydridit jaotellaan korkean ja
matalan lämpötilan materiaaleihin, riippuen siitä onko niiden vedyn absorptio/desorptiolämpötila yli vai alle 150 ◦C. Kalliin hinnan lisäksi metallihydridien
heikkouksia ovat matalan lämpötilan materiaalien heikko vedynvarastointikyky
(2 m-%), kun taas korkean kapasiteetin materiaalien (3–7 m-%) desorptiolämpötila ja -paine ovat yleensä harmillisen korkeita [74, 75].
Edellä mainittuja heikkouksia voidaan kiertää ionisidoksellisten metallihydri-
44
3.1 KEMIALLINEN VARASTOINTI
Kuva 3.2: Vedyn varastointimateriaalien volumetrisia ja gravimetrisia energiatiheyksiä. Arvot eivät sisällä koko järjestelmän painoa. Metallihydridit on merkitty neliöillä ja ionisidoksiset hydridikompleksit kolmioilla. Kuvaan on myös
merkitty DOE:n vuositavoitteet. Kuva: Anders Andreasen.
dien ja katalyyttien avulla [74]. Mm. alanaatit ja muut kevyiden alkuaineiden
(litium, boori, natrium) hydridit on havaittu lupaaviksi kandidaateiksi. Kuvassa 3.2 on esitetty kaavio muutaman metallihydridin energiasisällöstä verrattuna paineistettuun ja nesteytettyyn vetyyn. Suorituskykyisimmät metallihydridit
pystyvät jopa 18 massaprosentin varastointikapasiteettiin (LiBH4 ) [74]. Muutamissa kiistellyissä raporteissa hiilinanorakenteiden on raportoitu nostavan
absorptiokykyä kymmenillä massaprosenteilla[74, 75]. Nanorakenteissa on selvästi potentiaalia, mutta niiden kehittäminen vaatii vielä paljon tutkimustyötä
[74, 75].
3.1.2
Hiilivedyt
Koska vedyn varastointi on osoittautunut hyvin haastavaksi, ovat myös hiilivetyihin pohjautuvat polttoaineet saaneet paljon huomiota [76]. Nestemäisten
hiilivetyjen energiasisältö on korkea ja varastointi helppoa. Niiden valmistus
saattaa kuitenkin vaatia huomattavia määriä energiaa, mikä on syytä ottaa huomioon koko prosessiketjun energiataseessa.
Hiilivetyjä, joiden jokaiseen sidosryhmään on sitoutunut vetyä, kutsutaan saturoituneiksi. Näihin kuuluu biodiesel, joka on kasvi- tai eläinrasvasta valmis-
3.2 SÄHKÖKEMIALLINEN VARASTOINTI
45
tettavaa pitkäketjuista mono-alkyyli (metyyli, propyyli, etyyli) esteriä [77]. Biodieseliä voidaan valmistaa perinteisellä transesteröintimenetelmällä tai vetydeoksygenaation avulla [77, 78]. Biodieseliä voidaan käyttää nykyisissä dieselmoottoreissa tai lämmitysöljynä. Dieseliä voidaan käyttää myös polttokennoissa, kunhan sen rikkiyhdistepitoisuus on riittävän matala. Vetydeoksygenaation
avulla valmistettu polttoaine on rikkivapaata, mikä mahdollistaa rikittömän
dieselin (ULSD) valmistukseen [77].
Toinen yleisesti käytetty biopolttoaine on etanoli, jota voidaan valmistaa biomassasta käymisprosessin avulla. Myös metanolia ja butanolia on mahdollista
valmistaa biomassan käymisestä syntyvistä kaasuista [79]. Saturoituneiden hiilivetyjen vetysisältöä on pystytty parantamaan myös lisäämällä hiilivetyketjuun
funktionaalisia ryhmiä, kuten hydroksyyli- (–OH), amini- (–NH2 ) tai tioliryhmiä
(–SH) [76].
3.1.3
Kemialliset hydridit
Tavallisten hiilivetyjen lisäksi vedynkantajana voidaan käyttää myös epäorgaanisia hydridejä, joilla vety saadaan sidottua nestemäiseen liuokseen. Kemialliset hydridit varastoidaan yleensä emäksiseen liuokseen, jolloin liuoksen hydridipitoisuus on maksimissaan noin 40 massaprosenttia [80]. Vetyä voidaan sitoa mm. natriumborohydridiin (NaBH4 ) tai natriumalanaattiin (NaAlH4 ) [80].
Sitoutunut vety saadaan vapautettua lämmittämällä tai paineistamalla, kuten
kiinteissä metallihydridisäiliöissä.
Joissain polttokennotyypeissä hydridiliuoksia voidaan käyttää polttoaineena
syötettynä suoraan elektrodille, jolloin vetyä ei tarvitse erikseen vapauttaa liuoksesta. Esimerkkejä ovat mm. suoranatriumborohydridi- ja suorahydratsiinipolttokennot [26, 29].
3.2
Sähkökemiallinen varastointi
Sähkökemialliset kennot jaetaan primääri- ja sekundäärikennoihin. Primäärikennoilla tarkoitetaan paristoina tunnettuja kertakäyttöisiä kennoja. Tässä selvityksessä keskitytään vain sekundäärisiin eli ladattaviin akkuihin, jotka perustuvat reversiibeliin sähkökemialliseen reaktioon.
Akut pystyvät varaamaan sähköä korkealla hyötysuhteella, mutta varauskapasiteetti heikkenee hieman jokaisen varaussyklin aikana. Akkujen tapauksessa syklikestävyys määritellään sinä purku/lataus-syklien määränä, jonka jälkeen akun
varauskapasiteetti on tippunut alle 80 % alkuperäisestä [81]. Varsinkin kannettavissa sovelluksissa akut järjestetään paremmuusjärjestykseen niiden energia-
46
Lithium Polymer
250
Prismatic
200
WattHours/Kilogram
Lithium Phosphate
150
100
Lithium Ion
Cylindrical
Aluminum Cans
Prismatic
Nickel Cadmium
Cylindrical
Prismatic
50
Lead Acid
Nickel Metal Hydride
Cylindrical
Prismatic
50
100
150
200
250
300
350
400
450
WattHours/Litre
Kuva 3.3: Kuvaaja akkujen volumetrisistä ja gravimetrisistä energiatiheyksistä.
Kuva: Wikimedia Commons.
tiheyden mukaan, joita on esitetty kuvassa 3.3. Käytettävän akun valinnassa on
myös syytä ottaa huomioon käyttölämpötila. Kuvassa 3.4 on esitetty yleisimpien
akkujen energiatiheydet lämpötilan funktiona.
Seuraavissa kappaleissa esitellään markkinoilla olevia akkuteknologioita sekä
muutamia potentiaalisia kehitteillä olevia menetelmiä.
3.2.1
Lyijyakku
Lyijyakkuja on käytetty sähköjärjestelmissä jo yli vuosisadan. Lyijyakut ovat halpa ja hyväksi todettu vaihtoehto moniin eri sovelluksiin. Lyijyakkujen heikkouksiin kuuluvat jokseenkin rajoittunut kestävyys lataussyklien määrän suhteen, alhainen energiatiheys ja suuri koko/paino. Lyijyakkuja on käytetty onnistuneesti
suuren skaalan energian varastoinnissa, sekä kulkuneuvoissa. Kannettaviin järjestelmiin lyijyakut eivät painonsa takia sovellu. [82]
3.2.2
Nikkeliakut
Nikkeli-kadmiumakku (NiCd) Nikkeli-kadmiumakut ovat lyijyakkujen rinnalla toinen teknologisesti kypsä vaihtoehto. NiCd-akku on alkaliakku, joka
käyttää elektrodeinaan nikkelioksidihydroksidia ja metallista kadmiumia. Viime vuosikymmeninä NiCd-akut ovat olleet käytössä voimatyökaluissa ja kannettavissa laitteissa. Lisäksi NiCd-akkuja on käytetty sähköautojen tehonlähteenä 1990-luvulla. Nykyään NiCd-akut ovat valmistuksessa käytetyn kadmiumin
47
Specific energy (Wh/kg)
175
Li Ion
150
125
Zn/AgO
100
Zn/MnO2
Ni-MH
75
Ni-Zn
50
Lead Acid
Ni-Cd (sintered plate)
N-Fe
25
Ni-Cd (pocket-plate, high rate)
–40
–20
0
20
40
60 °C
Kuva 3.4: Akkujen energiatiheyksiä käyttöympäristön lämpötilan funktiona.
Kuva: David Linden.
48
myrkyllisyyden johdosta suureksi osaksi poistuneet markkinoilta. Kaikesta huolimatta NiCd-akut ovat luotettava ja kestävä vaihtoehto lyijyakuille, tarjoten paremman energiatiheyden, suuremman lataussyklikestävyyden ja alhaisemmat
huoltovaatimukset. [82]
Nikkeli-metallihydridiakku (NiMH) Nikkeli-metallihydridiakku on rakenteeltaan hyvin samankaltainen kuin NiCd-akku. NiMH-akuissa käytetään kadmiumin sijasta vetyä absorboivaa metalliseosta, jolla saavutetaan NiCd akkuihin verrattuna noin 2–3-kertainen energiatiheys. NiMH-akkujen valmistus on
halvempaa, eivätkä metallihydridit ole yhtä suuri ympäristöuhka kuin kadmium. Haittapuolena on kuitenkin nopeampi varauksen itsepurkautuminen.
[82]
3.2.3
Litium-ioniakut
Litium-ioniakut ovat kehittyneet alle 20 vuodessa tutkimus- ja erikoissovelluksista massamarkkinatuotteeksi. Li-ioniakkujen ominaisuuksiin kuuluvat korkea
energiatiheys (110 Wh/kg – 160 Wh/kg) ja kohtuullisen pitkä käyttöikä, mikä tekee niistä oivallisen tehonlähteen kannettaviin sovelluksiin. Kokoluokassaan Liioniakut ovat käytännössä syrjäyttäneet markkinoilta muut kennokemiat. [82]
Li-ioniakkujen toiminta perustuu reversiibeliin Li-ionien siirtoon: akkua varattaessa Li+ -ionit irtoavat litiummetallioksidikatodista ja sitoutuvat grafiittipohjaiseen anodiin, vastakkaisen reaktion tapahtuessa akkua purettaessa. Elektrolyyttinä toimiva ionijohtava orgaaninen liuotin ei osallistu varsinaiseen kennoreaktioon [82, 83].
Li-ioniakuilla on kuitenkin haittapuolensa, sillä niiden käyttö vaatii tarkasti kontrolloituja olosuhteita. Käyttörajojen laiminlyöminen saattaa vaurioittaa
kennoa pysyvästi tai tuhota sen kokonaan. Li-ionikennostoilla ei myöskään
ole luontaista mekanismia varauserojen tasaamiseen, mikä rajatun käyttöolosuhdeikkunan kanssa vaatii huomattavan kehittyneitä hallintajärjestelmiä. Liioniakkujen käyttö on rajoittunut suhteellisen pienen teholuokan sovelluksiin,
mutta lähivuosina litium-kemiaa on kehitetty mm. ajoneuvokäyttöön. Kuvassa
3.5 on esitetty ajoneuvokäyttöön kehittyjä Li-ionikennostoja.
Perinteisestä Li-ioniakusta on myös kehitetty muutamia mielenkiintoisia variaatioita. Litium-polymeeriakussa (LiPo) elektrolyyttinä käytetään kiinteää polymeerikomposiittia. LiPo-akkujen etuihin voidaan laskea halvemmat valmistuskustannukset, kennon rakenteen vapaampi muotoilu ja mekaaninen kestävyys
[83]. LiPo-akut eivät kuitenkaan ole teknologian tuoreuden takia vielä yhtä laa-
49
Kuva 3.5: Hybridiajoneuvoihin kehitettyjä litium-ioniakustoja. Kuva: Argonne
National Laboratory.
jassa tuotannossa.
Muita lupaavia litiumpohjaisia akkuja ovat mm. litium-rautafosfaattiakku
(LiFePO4 ), litium-ilma-akku sekä ohutkalvolitiumakut, joita pystytään valmistamaan alle 200 µm paksuisiksi laminoitaviksi kerroksiksi [83, 84]. Erilaisia elektrodimateriaalien kombinaatioita on lukemattomat määrät ja nanoteknologian
avulla myös elektrodien morfologiaa voidaan muokata suorituskyvyn parantamiseksi [83, 85]. Asiasta kiinnostunutta lukijaa kehotetaan tutustumaan lähteisiin [3, 83, 85, 86].
3.2.4
Sulasuola-akut
Natrium-rikkiakku (NaS) Natrium-rikkiakut toimivat korkeassa, yleensä noin
300 ◦C lämpötilassa. Kennon sularikkianodin ja sulanatriumkatodin erottaa
beeta-alumiinista koostuva elektrolyytti. Tämä akku tarjoaa 100 % Coulombisen
hyötysuhteen, eli kaikki akkuun varattu sähkö saadaan purettua takaisin. NaSakku vaatii kuitenkin ulkoiset lämmitysvastukset, jotta käyttölämpötila saadaan
pidettyä yllä. NaS-teknologiaa on kehitetty viimeiset 30 vuotta. Korkean käyttölämpötilansa ja sulasuolaelektrodien johdosta NaS-akut soveltuvat lähinnä stationäärisiin järjestelmiin mm. tasoittamaan sähköverkon kulutuspiikkejä. [82]
Natrium-nikkelikloridiakku (ZEBRA) Natrium-nikkelikloridiakku on toinen
korkean lämpötilan akku, joka on kehitetty ja testattu erilaisiin ajoneuvoso-
50
velluksiin. Akku koostuu natrium- ja nikkelikloridielektrodeista sekä beeta-alumiinielektrolyytistä, joka johtaa Na+ -ioneja, mutta ei elektroneja. NaS-akkuihin
verrattuna ZEBRA-akut ovat turvallisempia käyttää, tuottavat korkeamman jännitteen ja kestävät jossain määrin ylilatausta ja -purkua. Vaikka ZEBRA-akkujen
kennokemia on testattu perusteellisesti ajoneuvokäytössä, sitä ei ole sovellettu
suuremman teholuokan (>MW) järjestelmissä. [82]
3.2.5
Virtausakut
Sähkökemialliset virtausakut, jotka tunnetaan myös nimellä REDOX-akku,
muuntavat sähköenergiaa kemialliseksi energiaksi reversiibelissä kahden
nestemäisen elektrolyyttiliuoksen välisessä reaktiossa. Normaalista akusta
poiketen virtausakut varastoivat varauksen elektrolyyttiliuoksiin. Kuvassa 3.6
on esitetty esimerkki virtausakun toimintaperiaatteesta. Lisäksi, virtausakkujen
teho ja varauskapasiteetti ovat toisistaan riippumattomia muuttujia, sillä akun
teho määräytyy kennoston aktiivisen pinta-alan mukaan kun taas kapasiteetti
riippuu ainoastaan elektrolyyttinesteen määrästä. Virtausakuilla on pitkä lataussyklikestävyys ja riippuen kennokemiasta täydellinen varaushyötysuhde.
Virtausakkujen energiatiheydet eivät kuitenkaan yllä Li-ioniakkujen tasolle,
varsinkaan kun kennosto vaatii huomattavan määrän hallintalaitteistoa [82].
Viimeisen 20 vuoden aikana tutkimus ja tuotekehitys on keskittynyt seuraavan
neljän kennokemian ympärille: vanadium/vanadium, sinkki/bromini, polysulfidi/bromidi ja sinkki/cerium [82]. Tämänhetkiset stationääriset installaatiot
käyttävät lähinnä vanadium- tai sinkki/bromini-kennokemioita, poikkeuksena
Regenesysin polymeerielektrolyyttiä käyttävä polysulfidi/bromidi-virtausakku
[23, 82].
Koska virtausakut on mahdollista ”ladata” nopeasti vaihtamalla kennon elektrolyytti, ovat ne myös mielenkiintoinen vaihtoehto ajoneuvojen tehonlähteeksi.
Lupaavasta teknologiasta huolimatta virtausakkupohjaisten järjestelmien kehitys ja valmistus etenee hitaasti, johtuen lähinnä toimittajien vähäisestä määrästä [82].
3.2.6
Regeneratiiviset polttokennot
Regeneratiiviset polttokennot osuvat hyvin samaan kategoriaan virtausakkujen kanssa, ja joissain tapauksissa rajan veto näiden kahden välille on hankalaa. Tässä selvityksessä regeneratiivisella polttokennolla tarkoitetaan sekä vedyn elektrolyysiin että polttokennotoimintaan kykenevää laitetta, johon on kytketty vetysäiliö energian varastoimiseksi. Regeneratiiviset polttokennot ovat herättäneet mielenkiintoa keskeisenä osana vetytalouden konseptia, jossa ener-
3.3 SÄHKÖMAGNEETTINEN VARASTOINTI
51
Kuva 3.6: Havainnekuva vanadiumvirtausakun toimintaperiaatteesta. Kuva:
Wikimedia Commons.
giankuljettajana toimii sähkön sijasta vety [87].
Regeneratiivisissa kennoissa käytetään yleensä polymeerielektrolyyttielektrolyyseriä (PEMEC) tai vaihtoehtoisesti kiinteäoksidielektrolyyserikennoa (SOEC)
[87–90]. Kehitteillä on myös nk. URFC-laitteita joissa samaa polymeerielektrolyyttiin perustuva kennoa voidaan käyttää sekä elektrolyyserinä että polttokennona [87–89]. URFC:n kokonaishyötysuhde on hyvin lähellä erillislaitteita,
mutta erikoisvalmisteisella MEA:lla polttokennomoodin tehotiheydet jäävät alle puoleen vastaavasta erilliskennosta [88].
3.3
3.3.1
Sähkömagneettinen varastointi
Kondensaattorit
Kondensaattorissa energiaa varataan sähköstaattiseen kenttään, joka syntyy varattujen metallilevyjen välille. Kondensaattorit voidaan jakaa kolmeen luokkaan: perinteisiin sähköstaattisiin, elektrolyyttisiin sekä superkondensaattoreihin. Näistä ensimmäisessä varauslevyt on erotettu sähköneristeellä. Elektrolyyttikondensaattorissa katodi on korvattu nestemäisellä elektrolyytillä, millä saavutetaan huomattavasti korkeampi varauskapasiteetti. Superkondensaattorien
(EDLC) toiminta taas perustuu sähkökemialliseen kaksoiskerrokseen, jolla saavutetaan jopa satoja kertoja suurempi varauskapasiteetti kuin elektrolyyttikon-
52
3.3 SÄHKÖMAGNEETTINEN VARASTOINTI
Electrostatic
Electrolytic
d
d
Electrochemical double-layer
d'
dx
- -
+
Al2O 3
A
+ +
+ +
- -
+
+
-
er
C=
-
er
+
+
er e0 A
d
+
+
-
E
-
+
+
-
Electrode
V
V
-
+
-
+
-+
-
+
-
+
V
E=
d
+
-
-
+
+
+
-
-+
-
-
+
-
-
-
+
+
--
+
-
+
Separator
Activated carbon
E
d
d
Kuva 3.7: Kaaviokuva kolmesta eri kondensaattorityypistä: sähköstaattinen,
elektrolyyttinen ja sähkökemiallinen (superkondensaattori). Kuva: Stan Zurek.
densaattoreilla. Kuvassa 3.7 on esitetty kolmen edellä mainitun kondensaattorin rakennekaaviot. [81]
Superkondensaattorien vahvuus on niiden kyky vapauttaa nopeasti suuria
määriä energiaa (800–2000 Wh/kg). ELDC:n varauskapasiteetti on yleensä 5–
30 Wh/kg. Koska yksittäisen superkondensaattorin käyttöjännite on 2–3 V, kytketään ne suuremman jännitteen aikaansaamiseksi sarjaan, kuten kuvassa 3.8
on esitetty. Superkondensaattorit kestävät satoja tuhansia lataussyklejä ja niiden hyötysuhde on korkea (95 %), mutta ne eivät sovellu pitkäaikaiseen varastointiin, sillä niiden varauksesta purkautuu päivittäin noin 5 %. Superkondensaattoreita käytetään tasaamaan ja absorboimaan suuria energiapiikkejä, esim.
sähköajoneuvojen kiihdytyksissä ja jarrutuksissa. [81]
3.3.2
Suprajohtava magneettinen varastointi
Suprajohtava magneettinen energiavarasto (SMES) saadaan aikaan indusoimalla tasavirtaa suprajohtavaan kelaan, jossa elektronit pystyvät liikkumaan lähes häviöttömästi. Suprajohtimet valmistetaan yleensä niobiumtitaanisäikeistä (NbTi), jotka vaativat toimiakseen hyvin matalan 4 K lämpötilan (−270 ◦C).
SMES:n varaustila vastaa suoraan käämissä kulkevan virran määrää, jota kontrolloidaan AC/DC- tai DC/DC-muuntimella, riippuen sovelluskohteesta. [81]
Hetkellisen varaussyklin hyötysuhde on SMES:n tapauksessa lähes 98 %, mutta varausta ylläpidettäessä virta heikkenee häviöiden johdosta hiljalleen huk-
3.4 LÄMMÖN VARASTOINTI
53
Kuva 3.8: Maxwell Technologiesin valmistamia superkondensaattoreita kytkettynä sarjaan. Kuva: Argonne National Laboratory.
kalämmöksi [91]. Akuista poiketen SMES järjestelmät pystyvät purkamaan koko varauksensa ja nopean vasteajan (alle 100 ms) johdosta SMES on ideaalinen vaihtoehto stabiloimaan sähköverkon kuormia [81]. SMES-järjestelmät
ovat kuitenkin hyvin kalliita rakentaa ja ylläpitää, johtuen lähinnä suprajohtimien vaatimasta jäähdytysjärjestelmistä [81].
Niin kutsuttuja mikro-SMES järjestelmiä on saatavilla kaupallisesti 1–10 MW teholuokassa, mutta suprajohtavien materiaalien toimintalämpötilan noustessa
teknologiaa voitaisiin soveltaa myös pienemmässä skaalassa [91]. Tämänhetkiset korkean lämpötilan suprajohteet ovat rakeisia, jolloin rakeiden rajapinnat
rajoittavat johteeseen syötettävän virran määrää. Ongelmana on myös materiaalien kiteisyydestä johtuva anisotrooppisuus [91].
3.4
Lämmön varastointi
Lämmön varastointi perustuu yleensä materiaalien ominaislämpökapasiteettiin tai faasimuutoslämpöön [81, 82]. Termisen energian varastoinnissa aikaskaalat ovat tunneista jopa kuukausiin, mikä mahdollistaa kausittaisen energianvarauksen [82]. Termiset varastot vaativat rinnalleen sopivan tavan muuntaa
lämpöenergiaa sähköksi esim. kombiturbiinin (ks. kappale 2.3).
54
3.4.1
3.5 KINEETTINEN VARASTOINTI
Lämpökapasiteettivarastot
Lämpökapasiteettiin perustuvassa varastoinnissa lämmitetään materiaalia, joka ei varauksen aikana muuta olomuotoaan (esim. natrium, sula suola, paineistettu vesi) [81]. Eräs lupaavimmista tekniikoista, on lämmittää tulenkestävää
materiaalia sähkövastuksilla 1400 ◦C lämpöiseksi ja jälkeenpäin syöttää ilmaa
materiaalin läpi turbiinille. Tällä tekniikalla päästään arviolta 60 % hyötysuhteeseen [81].
3.4.2
Faasimuutosmateriaalit
Faasimuutosmateriaaleihin (PCM) perustuvissa varastoissa hyödynnetään materiaalin sulamis/jähmettymislämpöä, joka tarjoaa huomattavasti suuremman
termisen varauskapasiteetin kuin lämpökapasiteettivarastot. Yleisesti käytettyjä
PCM:a ovat erilaiset parafiinit, esterit, rasvahapot ja natriumhydridit [82]. Faasimuutosmateriaaleja säilytetään yleensä kaseteissa tai tankeissa, riippuen varaston koosta. PCM:a voidaan kapseloida materiaalien sisään, joka mahdollistaa
myös kannettavat lämmönvaraajat. Uusinta teknologiaa edustaa molekylaarinen kapselointi, jossa PCM integroidaan polymeerirunkoon estäen PCM:n vuotamisen materiaalia työstettäessä [82].
Natriumhydroksidi on korrosiivisuudestaan huolimatta todettu hyväksi lämmönvarastointimateriaaliksi suuremman skaalan laitoksissa. Transitiossa
120 ◦C ja 360 ◦C välillä sen energiatiheys on jopa 744 GJ/kg [81]. Faasimuutosmateriaaleja voidaan käyttää myös laitteiden hukkalämmön talteenottoon tai tarvittavan käyttölämpötilan ylläpitämiseen esim. polttokennoja
akkusovelluksissa. Pelkän sähkön varastointiin PCM:t soveltuvat huonosti
lämpö/sähkö-muunnoksen huonon hyötysuhteen johdosta.
3.5
Kineettinen varastointi
Kineettisen energian varastointijärjestelmät perustuvat pyörivän kiekon muotoisen massan, eli vauhtipyörän inertiaan. Muunnos sähköenergian ja liikeenergian välillä tapahtuu sähkömoottorin ja generaattorin avulla. Perinteisesti vauhtipyöränä on käytetty hitaasti pyörivää teräskiekkoa, mutta kehittyneemmissä järjestelmissä käytetään hiilikuitukomposiitteja, jotka mahdollistavat korkeamman kierrosnopeuden.
Korkean kierrosluvun järjestelmissä vauhtipyörä on suljettu tyhjiökammioon,
joka vähentää ilmanvastusta ja suojaa muuta laitteistoa vauhtipyörän rikkoutuessa. Kineettiset järjestelmät soveltuvat parhaiten korkeaenergisten purskeiden varastointiin ja purkuun, lyhyellä, muutaman minuutin aikavälillä. Kineet-
3.6 POTENTIAALIENERGIAN VARASTOINTI
55
tiselle varastoinnille on myös ominaista erinomainen syklikestävyys ja huomattavasti akkuja korkeampi energiatiheys.
Hitaamman kierrosluvun teräsvauhtipyöriä on perinteisesti käytetty mm. UPSjärjestelmissä ja tasaamaan suuria virtapiikkejä, kun taas korkeamman kierrosluvun varastointia voidaan käyttää ajoneuvoissa tai suuria energiapurskeita
vaativissa sähkömagneettisissa aseissa.
3.6
3.6.1
Potentiaalienergian varastointi
Paineilmavarastointi
Paineilmavarastointi (CAES) perustuu paineilmasäiliön ja ulkoilman väliseen
paine-eroon, joka muunnetaan sähköksi ja takaisin kaasuturbiinin avulla.
Säiliö paineistetaan yleensä 40 bar–70 bar paineeseen ja teho vaihtelee 10 MW–
500 MW välillä [81].
Pienemmän skaalan paineilmavarastoissa (SSCAES) ilma varastoidaan korkeammassa paineessa, hiilikuitukomposiittisäiliöiden mahdollistaessa jopa
300 bar paineen. Kaksitoimisen sähkökompressori/generaattorin avulla on saavutettu noin 50 % hyötysuhde. SSCAES:n varastointisyklien määrä voidaan laskea muutamissa kymmenissä tuhansissa, rajoittavana tekijänä on ainoastaan
paineilmasäiliön mekaaninen väsyminen. SSCAES on teholtaan noin 10 kW
luokkaa ja kehittyneimpien järjestelmien energiatiheys on noin lyijyakun luokkaa. [81]
3.6.2
Veden potentiaalivarastointi
Veden potentiaalienergiaa käyttävässä varastoinnissa vettä nostetaan sähköpumpuilla korkeammalle gravitaatiopotentiaalitasolle. Varastoa purettaessa
vesivirtaus johdetaan turbiinin läpi, kuten perinteisissä vesivoimaloissa. Veden
pumppaukseen perustuva varastointi on mielekästä vain suuressa mittakaavassa ja sitä käytetäänkin lähinnä sähköverkon energiantuotannon päivittäiseen
tai kausittaiseen tasaamiseen. Vesivarastoinnilla päästään nykyään noin 65–80
% hyötysuhteeseen ja kapasiteettia on ympäri maailmaa käytössä 90 GW:n
edestä [81, 82].
4
Sovellukset
Edellisissä kappaleissa esiteltyä teknologiaa voidaan riippuen niiden tehoskaalasta soveltaa useiden erilaisten nykyisin käytössä olevien laitteiden tehonlähteeksi. Energiatiheyden kasvaessa entisestään ja energianhaalintatekniikoiden
kehittyessä avautuu myös täysin uusia sovelluskohteita. Tässä kappaleessa käydään läpi lähitulevaisuuden käyttökohteita pitäen erityisesti silmällä sotilaskäyttöön sopivia sovelluksia.
Eri sovellukset on jaoteltu kappaleisiin niiden tehonkulutuksen ja käyttöprofiilin mukaan. Kappaleessa 4.1 käsitellään maastoon jätettäviä itsenäisesti toimivia sensoreita. Kappale 4.2 keskittyy kalustoon, jonka yksitäinen sotilas pystyy
kuljettamaan mukanaan. Kappaleissa 4.3 ja 4.4 esitellään miehittämättömien ja
miehitettyjen ajoneuvojen sovellukset ja lopuksi kappaleessa 4.5 käydään läpi
tukikohdissa, valvonta- tai kommunikaatioasemilla käytettyjä stationäärisiä tehonlähteitä.
4.1
Sensorien tehonlähteet
Perinteisesti sensorit ovat olleet kuvan 4.1 kaltaisia itsenäisesti toimivia laitteita,
jotka saavat tarvittavan virtansa sensorin mukaan koteloidusta akusta. Sensorit voidaan suunnitella hyvin energiapiheiksi, mutta joissain tapauksissa instrumentit, datan käsittely tai kommunikaatiolinkki saattavat vaatia paljon energiaa, jolloin akkujen tarjoama toiminta-aika jää valitettavan lyhyeksi.
Toiminta-aikaa on mahdollista pidentää ulkoisilla virtalähteillä, kuten polttokennoilla ja aurinkokennoilla. Riittävän suuren aurinkokennon avulla sensori voi toimia täysin ilman ylläpitoa, mutta aurinkokennoa ei välttämättä pysty kunnolla naamioimaan maastoon. Polttokenno taas on mahdollista piilottaa näkyvistä, esim. maahan haudattavan ilmanvaihtohormit sisältävän salkun
avulla. SFC:n valmistamaan Jenny metanolipolttokennoon on saatavilla tämäntyyppinen ratkaisu. Polttokenno vaatii kuitenkin ajoittaista ylläpitoa, sillä polttoainetta ei riitä loputtomiin asti.
Pidempään käyttökaareen suunnitelluissa sensorissa on myös mahdollista
käyttää radiatiiviseen hajoamiseen perustuvia tehonlähteitä, kuten ohutkalvobeetaparistoja, joilla voidaan saavuttaa yksittäiselle sensorille jopa useiden vuosien toiminta-aika.
Vaihtoehtoisesti on mahdollista suunnitella sensori hyvin energiapihiksi, jolloin
on mahdollista kerätä vaadittava energia sensorin ympäristöstä. Sensorin käyt56
4.1 SENSORIEN TEHONLÄHTEET
57
Kuva 4.1: Sotilas asettamassa paikalleen taktista itsenäistä sensoria. Kuva: U.S.
Army.
Kuva 4.2: Havainnekuva sensoriverkon tiedonkulusta. Mielenkiintoinen tieto
liikkuu purskeissa sensoriverkon läpi, kunnes se päätyy datankeräysnoodille.
Kuva: Adi Mallikarjuna Reddy V.
58
4.2 YKSITTÄISEN SOTILAAN ENERGIANHALLINTA
töenergia voidaan hankkia esim. puun aineenvaihdunnasta, kytkemällä TEGelementti johonkin ympäristöstä löytyvään lämpötilareserviin tai keräämällä
energiaa ympäristön radioliikenteestä [61, 66, 67]. Näiden tehonlähteiden energiatuotanto ei välttämättä riitä sensorin kokoaikaiseen käyttöön, jolloin energia
täytyy varata akkuun tai kondensaattoriin ja pitää sensori osan ajasta virransäästötilassa.
Matalatehoiset sensorit eivät välttämättä pysty havainnoimaan suuria alueita,
mutta paremman peittoalueen aikaansaamiseksi sensorit on mahdollista yhdistää nk. sensoriverkoksi. Yksittäisen sensorin tehonkulutuksesta suuri osa saattaa kulua tallennetun tiedon välittämiseen sensorilta tiedon käyttäjälle, esim.
satelliittiyhteyden välityksellä. Lähetyskuorman alentamiseksi voidaan useita
sensoreja järjestää verkoksi, jonka noodit välittävät tietoja ja komentoja toisilleen kuvan 4.2 osoittamalla tavalla.
Laajan havainnointialueen lisäksi sensoriverkon hyviä puolia ovat vikasietoisuus ja yksittäisen noodin suhteellisen alhainen tehonkulutus [68]. Pienikokoisina sensorit ovat myös ulkopuoliselle vaikeasti havaittavia kohteita. Sensoriverkko toimi parhaiten kun yksittäinen sensori pystyy itsenäisesti käsittelemään
tietoa ja päättämään mikä tieto on tarpeellista lähetettäväksi eteenpäin. Tavoitteena on, että sensorit saisivat kaiken tarvitsemansa energian ympäristöstä, jolloin sensoriverkon voisi ylläpidon suhteen ”unohtaa” toimipaikalleen [61, 92].
4.2
Yksittäisen sotilaan energianhallinta
Radio- ja kommunikaatiolaitteiden lisäksi tulevaisuuden sotilaalla on mukanaan paljon muutakin elektroniikkaa, kuten aseen- ja ammunnanhallintajärjestelmiä tai erilaisia valonvahvistukseen ja lämpökameraan perustuvia näkölaitteita. Nykyisin jokaisessa taistelijan kantamassa laitteessa on oma tehonlähteensä. Eri laitteille suunnitellut akut eivät yleensä ole keskenään vaihdettavissa, eikä niiden yhteenlaskettu energiatiheys yllä useiden kotelointien johdosta
kovin korkealle [93]. Erilaisten akkutyyppien toimittaminen taistelukentälle on
myös logistinen ongelma.
Ratkaisuna on ehdotettu keskitettyä energianhallintaa, jossa kaikki sotilaan
kantamat laitteet kytketään samaan tehonlähteeseen. Tehonlähde syöttää sähköä energiaväylään, johon yksittäiset laitteet saavat vaatimansa käyttöjännitteen DC/DC-muuntimen välityksellä. Keskitetyn tehonlähteen avulla on myös
mahdollista vaihtaa akkuja tai polttoainepatruunoja yksittäisten laitteiden toimintaa keskeyttämättä.
59
Kuva 4.3: Horizon MiniPAK polttokenno lataamassa puhelinta. Vety on säilötty
siniseen sylinteriin. MiniPAK tuottaa noin 1.5 W tehoa 5 V jännitteellä. Kuva:
Stephan Ridgway.
Keskitettynä tehonlähteenä on yleensä käytetty taisteluliivissä kannettavia
litium-ioni-akustoja. Yhtäjaksoisesti useamman vuorokauden jatkuvissa tehtävissä tarvittava mukana kannettavien akkujen määrä kasvaisi todella suureksi.
Tällaisissa tapauksissa akut on saatava vaihdettua täysiin tai ne voi ladata uudelleen käyttäen muita tehonlähteitä.
Tähän tarkoitukseen selvästi kehittynein ja jo kaupallisesti saatavilla oleva vaihtoehto on metanolipolttokenno. Polttokennon ja mukana kannettavien polttoainepatruunoiden avulla taistelijan taakka kevenee huomattavasti pidemmissä tehtävissä. Koska polttokenno ei välttämättä pysty tuottamaan energiaa täysin yhtäjaksoisesti, vaatii se rinnalleen akun, jonka kautta sähkö syötetään muille laitteille.
Tällä hetkellä lähes kaikki yli 10 W kannettavat kaupalliset polttokennotehonlähteet perustuvat suorametanoli- (SFC Jenny) tai reformerimetanolipolttokennoon (Ultracell XX-series), poikkeuksena AMI:n valmistamat IT-SOFCtehonlähteet. Markkinoilla on myös pienikokoisia vetypatruunoilla toimivia
muutaman watin tehoisia usb-latureita, kuten myFC:n PowerTrekkTM tai kuvassa 4.3 esitetty Horizon MiniPAK, joista saattavat olla hyödyllisiä pienitehoisten
sähkölaitteiden käytössä. PowerTrekkTM -laturi on lisäksi passiivinen, eli siinä ei
ole mitään liikkuvia tuulettimia tai polttoainepumppuja [94].
Mukana kannettavia akkuja voi myös ladata värähtely- ja liike-energiaa hyödyn-
60
Kuva 4.4: SFC:n Jenny 600 S suorametanolipolttokenno, joka pystyy tuottamaan 25 W jatkuvaa tehoa. Kenno on kytketty tehonhallintayksikön kautta
tuottamaan kannettavan tietokoneen tarvitseman sähkön. Kuva: Pauli Koski.
61
Kuva 4.5: Esimerkki rullattavasta aurinkokennosta. Kuva: Phillip Torrone.
tävillä keräimillä. Tällä hetkellä markkinoilla olevin värähtelykeräinten avulla
voidaan kuitenkin lähinnä pidentää akkuvarauksen kestoa, sillä päätoimiseksi
tehonlähteeksi värähtelykeräinten teho ei mitenkään riitä. Kaupallisia värähteR
lyenergiakeräimiä on mm. Tremont Electricin valmistama nPower
PEG [95] tai
Brotherin kehittämä kahden AA-pariston tilalle sijoitettava akkukeräinkombinaatio [96].
Akkujen lataamiseen voidaan myös käyttää aurinkokennoja. Tarvittavan energiantuotannon aikaansaamiseksi aurinkokennot vaativat muutaman neliömetrin pinta-alan. Kenttäolosuhteissa on hankala käyttää kiinteitä piipohjaisia kennoja sillä ne ovat painavia ja hankalasti kuljetettavia. Taipuisille ohutkalvokennoille taas on löytynyt paljon sovelluskohteita. Useat valmistajat ovat tuoneet
markkinoille kuvan 4.5 kaltaisia akkujen lataukseen soveltuvia rullattavia kennoja, jotka käytön ajaksi levitetään tasaiselle alustalle tai ripustetaan pystyasentoon. Joitakin kennoja on mahdollista päällystää naamiovärillä, jolloin kennosta
saatava jännite tippuu hieman. Naamioväristä huolimatta aurinkokennot erottuvat korkean valon absorptiokyvyn ansiosta helposti vaaleasta taustasta.
Tulevaisuudessa saatetaan vielä nähdä mikropolttimiin ja MEMS-turbiineihin
perustuvia kannettavia tehonlähteitä, mutta tällä hetkellä tekniikka on vasta ke-
62
4.3 MIEHITTÄMÄTTÖMÄT ALUKSET
Kuva 4.6: AeroVironmentin Puma
AE UAV:ta lähetetään tiedustelulennolle. Kuva: US Navy, Lt. Erik Reed.
Kuva 4.7: Elbit Skylark I LE MiniUAV. Kuva: Wikimedia Commons
(user: Vojak).
hitysasteella. Lämmönhallinta on haastavaa pienessä skaalassa, mutta nestemäisten hiilivetyjen korkean energiasisällön pohjalta mikropolttimien ja turbiinien on mahdollista saavuttaa ja jopa ohittaa polttokennoteknologian tarjoamat tehotiheydet [8].
4.3
Miehittämättömät alukset
Miehittämättömät alukset ovat viime vuosien saatossa muodostuneet tärkeäksi osaksi tiedustelua ja erikoissovelluksia. Erityisesti kauko-ohjattavat miehittämättömät lentoalukset (UAV) ovat lyöneet itsensä läpi tiedustelutehtävissä ja tällä hetkellä UAV-valmistajia on maailmassa useita kymmeniä. Kaukoohjattavat maata pitkin liikkuvat robotit (UGV) ovat myös pitkään olleet käytössä. Kehitteillä on myös muutamia veden alla toimivia miehittämättömiä sukellusveneitä.
Miehittämättömien aluksien tehonlähteenä on yleensä käytetty polttomoottoria (UAV) tai akkua (UGV, UUV). Suurikokoiset korkealla lentävät ja mahdollisesti raskaampaa kuormaa kantavat UAV:t käyttävät yleensä polttomoottoria,
mutta pienempikokoisissa on jo pitkään käytetty akkuja. Polttokennotehonlähteitä on alettu demonstroida erityisesti aikaisemmin akkuja käyttäneissä laitteissa, sillä polttokennojen energiatiheys on huomattavasti parempi kuin nykyisillä akuilla.
UAV:ssa tehonlähteen energiatiheys korostuu, sillä energiaa tarvitaan jatkuvasti
pitämään kone ilmassa. Tähän mennessä polttokennotoimisilla UAV:lla on saa-
63
Kuva 4.8: Merenpohjan kartoittamisessa, tiedustelu- sekä valvontatehtävissä
käytetty iRobot 1KA Seaglider UUV. Kuva: Boston’s NPR News Station.
64
tu huomattavia parannuksia lentoaikaan. Markkinoille on myös tullut valmiita UAV:n soveltuvia polttokennopaketteja, jotka voidaan ilman suurempia modifikaatioita asentaa entisten akkupakettien tilalle. Tällaisia ovat mm. Horizon
Energy Systemsin AEROPAK ja Protonexin UAV C-250 tehonlähteet [97, 98].
Israel Aerospace Industriesin valmistaman Birdeye 650 mini UAV:n lentoaikaa
on saatu yli kaksinkertaistettua vaihtamalla litiumakut AEROPAK-polttokennoon [99]. Samankaltaisia polttokennodemonstraatioita on rakennettu myös
AeroVironmentin Puma UAV:n (Kuva 4.6) ja Elbit Systemsin Skylarkin ympärille (Kuva 4.7) [100, 101]. Polttokennojen lisäksi UAV:n käyttämä akusto on tulevaisuudessa mahdollista muotoilla niin, että se muodostaa kantavia rakenteita,
jolloin laitteen kokonaispainoa saadaan vähennettyä [84, 102, 103].
Vedenalaisia aluksia (UUV) käytetään tiedustelussa, kartoituksessa tai miinanraivauksessa. Pienikokoiset UUV:t käyttävät yleensä tehonlähteenään litiumakkuja, kuten kuvassa 4.8 esitetty iRobot 1KA Seaglider, jonka toimintasäde on
4600 km [104]. Polttokennojen avulla toimintasädettä olisi mahdollista parantaa
entisestään, ja tällöin laitetta olisi myös mahdollista pitää pitkiä aikoja horrostilassa, mikä ei onnistu akkujen itsepurkautumisen johdosta. Vedenalaisissa sovelluksissa tehonlähteen paino ei ole niin tärkeässä asemassa, mutta haasteeksi
muodostuu polttokennon vaatiman hapen saanti. Vedenalaisiin aluksiin joudutaankin yleensä varsinaisen polttoainesäiliön lisäksi sisällyttämään myös happisäiliö. Happi säilötään yleensä paineistettuna, nesteytettynä tai vetyperoksidina [105].
Kolmas tärkeä sovellusalue on maassa liikkuvat miehittämättömät robotit
(UGV). Robotteja on käytetty ensisijaisesti pommien raivaamiseen, mutta niitä on myös sovellettu kaupunkitaistelussa hankkimaan näköhavaintoja vaarallisilta alueilta. Mm. laajalti käytössä olevaa iRobot-robottia on demonstroitu
Advanced Materials Inc:n 150 W SOFC-tehonlähteellä, jolla laitteen toimintasädettä saatiin akkukäyttöisestä versiosta parannettua jopa viisinkertaiseksi [106].
Kuvissa 4.9, 4.10 ja 4.11 on esitelty UGV-robotin toimintaa. Protonex on tuonut
markkinoille myös UGV:hin suunnatun UGV C-250 tehonlähteen, jolla voidaan
helposti korvata akut [107].
Vaativammat ja toimintapituudeltaan haasteellisimmat ympäristöt löytyvät
kuitenkin korkealta maanpinnan yläpuolelta. Maan kiertoradalle laukaistavien
viestintä ja tiedustelusatelliittien tehonlähteinä on perinteisesti käytetty aurinkokennon ja akkujen hybridiä. Suurempi lyhytaikainen teho on mahdollista tuottaa polttokennoilla, mutta useita vuosia kestäväksi jatkuvatoimiseksi tehonlähteeksi soveltuvat tällä hetkellä vain radiatiiviseen hajoamiseen perustuvat ratkaisut.
65
Kuva 4.9: iRobot PackBot UGV poimimassa harjoitusammusta. Kuva: US Army.
Kuva 4.10: UGV tarkkailemassa ympäristöään kameralaitteistolla. Kuva: Stephen Baack.
Kuva 4.11: UGV:ta ohjataan pienen näytön ja pelikonsoleista tutun ohjaimen avulla. Kuva: Stephen
Baack.
66
4.4 AJONEUVOT JA KULJETUSKALUSTO
(a) TriHyBus hybridibussin 48 kW polymeeripolttokennotehonlähde (Proton Motor Fuel Cell GmbH). Kennoston rinnalle on kytketty myös Litium-ioniakustoja (10 kWh/40 kW)
ja superkondensaattoreita (1.2 kWh/200 kW). Kuva: Jan
Kubík/Wikimedia Commons.
(b) General motorsin kehittämä viidennen sukupolven
polttokennotehonlähde, jonka avulla Chevrolet Volt pystyy kulkemaan 480 km:n matkan 4 kg:lla vetyä. Kuva: GM
Europe.
Kuva 4.12: Kuvia ajoneuvojen polttokennotehonlähteistä
4.4
Ajoneuvot ja kuljetuskalusto
Polttokennoihin perustuvia kuluttajamarkkinoille suunnattuja autoja on ollut kehitteillä jo miltei parin vuosikymmenen ajan, mutta varsinaiseen testikäyttöön ne ovat päässeet vasta joukkoliikenteessä, kuten kuvassa 4.12a esitetty trihybriditehonlähde. Yhdysvalloissa polttokennokulkuneuvojen kehitystä
on vauhdittanut uhka fossiilisten polttoaineiden ehtymisestä ja hallitus onkin
perustanut massiivisia avustusohjelmia tuotekehittelyn nopeuttamiseksi. Mm.
General Motorsilla on kehitteillä Chevrolet Volt sähköautoon soveltuva PEMFCtehonlähde, joka on esillä kuvassa 4.12b. Polttokennoautojen tuotteistamista
hidastaa polttokennojärjestelmien toimittajien vähyys 50–200 kW luokassa.
Raskaissa ajoneuvoissa polttokennoja on tähän mennessä demonstroitu lähinnä APU-voimana. APU-yksikkö mahdollistaa ajoneuvon päämoottorin sammuttamisen, kun sen koko kapasiteettia ei tarvita. Maastoautoissa ja tiedusteluajoneuvoissa tämä takaa käyttövoiman elektroniselle laitteistolle ilman polttomoottorista syntyvää meteliä. APU-yksikkönä voidaan käyttää mm. edellisestä kappaleesta tuttuja siirrettäviä muutaman noin sadan watin DMFC-
4.4 AJONEUVOT JA KULJETUSKALUSTO
67
Kuva 4.13: Boeingin polttokennodemonstraatio (Diamond HK36 Super Dimona EC-003) vuonna 2008 Farnborough Airshow. Kuva: Adam Brookes.
tehonlähteitä [108]. Useamman kilowatin tehoa vaadittaessa taas on monesti
turvauduttu SOFC-tehonlähteeseen, jotka voivat suoraan käyttää dieselpohjaista polttoainetta. SOFC APU-yksiköitä on demonstroitu kuorma-autoissa ja niitä
on ollut käytössä mm. laivoissa, jolloin dieselkoneita ei tarvitse käyttää aluksen
ollessa pysähdyksissä [109].
Vaikka polttokennoja on tähän mennessä demonstroitu lähinnä raskaan kuljetuskaluston APU-voimana, on hiljattain alettu kehittää M1 Abrams panssarivaunun 1000 hevosvoiman kaasuturbiinin korvaavaa polttokennotehonlähdettä [110]. Todennäköisesti SOFC-tekniikkaa hyödyntävän polttokennon avulla pystyttäisiin tuottamaan sensorien ja tietokoneiden tarvitsema sähkö suoraan ilman generaattoria. Panssariajoneuvon moottorista ei myöskään nykyiseen tapaan kuuluisi meteliä kilometrien päähän, mikä mahdollistaisi liikkumisen huomaamatta. Korkeassa lämpötilassa toimiva polttokenno mahdollistaisi myös nykyisten dieselpolttoaineiden käyttämisen ja joustavan siirtymisen
fossiilisten polttoaineiden käytöstä esim. biopolttoaineiden tai vedyn käyttöön
[77–79]. Maanpäällisten ajoneuvojen lisäksi polttokenno on hiljaisuutensa johdosta kiinnostava vaihtoehto sukellusveneiden tehonlähteeksi [111].
Polttokennoja on myös demonstroitu kevyissä lentokoneissa. Kuvassa 4.13 on
esitetty Boeingin suunnittelema Diamond HK36 Super Dimona EC-003, jonka
68
4.5 STATIONÄÄRISET TEHONLÄHTEET
päätehonlähteeksi on asennettu PEM-polttokenno [112]. Paljon tehoa vaativissa nousuissa ja laskuissa kone käyttää litium-ioniakkuja, jotka polttokenno lataa
täyteen normaalin lennon aikana. Polttokennoja ei ole kuitenkaan suuremmin
nähty miehitettyjen lentokoneiden ainoana tehonlähteenä, sillä ne ovat vielä
suhteellisen tuoretta tekniikkaa, jonka vuoksi sen toimintahäiriönsietoa ei ole
vielä pystytty varmistamaan. Polttokennot soveltuvat muutenkin lähinnä pienikokoisiin propellitoimisiin koneisiin, sillä niiden tehotiheys ei yllä suihkumoottorin tasolle.
4.5
Stationääriset tehonlähteet
Stationäärisissä sähköverkon ulottumattomissa olevissa kohteissa, kuten tukikohtien energiantuotannossa, on perinteisesti käytetty polttomoottoriin perustuvia aggregaatteja ja diesel-generaattoreita. Käyttämällä polttomoottorin tilalla polttokennoa, päästään eroon melusta ja ilmanlaatua heikentävästä pakokaasusta. Lisäksi, polttokennot lupaavat mekaanisten ominaisuuksiensa perusteella huomattavasti nykyisiä diesel-generaattoreja pidempää käyttöikää.
Useiden polttokennojen polttoaineen käyttämän vedyn kuljettamien kaukaisiin paikkoihin ei nykyisten vedynsäilöntäratkaisujen heikon energiatiheyden
johdosta ole järkevää. Siirrettäviä raskaita polttokennoja onkin kehitetty käyttämään polttoaineenaan nestemäisiä hiilivetyjä. Pienikokoisemmissa alle 1 kW
polttokennoissa käytetään yleensä polttoaineena metanolia. Suuremmissa,
konteissa kuljetettavissa polttokennojärjestelmissä taas voidaan sopivan esiprosessoinnin avulla käyttää samaa polttoainetta kuin vastaavan kokoluokan
diesel-generaattorissa.
Muutaman sadan watin kokoluokan metanolipolttokennoja voidaan käyttää
APU-voimana leiriytyessä tai kaukaisemmissa valvonta-asemissa. Kyseisiä laitteita valmistaa mm. SFC Energy 90 W ja 250 W tehoisina [113, 114] ja Protonex
300 W tehoisena [115]. Laitteiden paino vaihtelee 10–40 kg välillä riippuen teholuokasta, joten ne ovat helposti kuljetettavissa [113–115].
Raskaampaan teholuokkaan kuuluvat 1 kW–1 MW siirrettävät tehonlähteet ovat
yleensä PEMFC- tai SOFC-pohjaisia [116]. Laitteistot on rakennettu kontteihin, joita voidaan liikutella kuorma-auton lavalla. Tämän kokoluokan polttokennojärjestelmien tuottamaa hukkalämpöä voidaan käyttää hyödyksi veden
lämmityksessä (CHP). Jos polttokennoa käytetään dieselillä tai kerosiinilla, järjestelmään pitää sisällyttää polttoaineen esikäsittelylaitteistoa kuten reformeri
ja polttoaineen puhdistus/suodatus. SOFC on erityisen herkkä fossiilista polttoaineista löytyvälle rikille ja polttoaineen rikinpoistosuodatus on osoittautunut erityisen haastavaksi. Kuvassa on esitelty JP-8 kerosiinilla toimivan 5 kW
(a) Kaaviokuva JP-8:n prosessoinnista polttokennolle sopivaksi.
69
(b) Havainnekuva tehonlähteen rakenteesta.
Kuva 4.14: Kuvia Pacific Northwest National Laboratoryn kehittelemästä 5 kW
stationäärisestä tehonlähteestä. Kuvat: PNNL.
SOFC-järjestelmän prototyyppiä [117].
SOFC:n haastajana voidaan pitää SAFC-tehonlähteitä, joiden etuna on korkea
rikinsietokyky. Tällöin fossiilista polttoainetta ole tarvetta käsitellä yhtä tarkasti,
mikä vähentää polttokennon vaatimien ylläpitolaitteiden määrää merkittävästi [38, 39]. SAFCell ja Nordic Power Systems on demonstroinut 1.4 kW tehoista
dieselpolttoaineella toimivaa SAFC-tehonlähdettä [118]. SAFC on mielenkiintoinen vaihtoehto siirtymävaiheessa fossiilispohjaisesta dieselistä biodieseliin.
Biodieseliä voidaan kuitenkin lähtökohtaisesti valmistaa rikkivapaalla prosessilla [77].
Myös kappaleessa 4.2 mainituilla taipuisilla aurinkokennoilla on mahdollista
tuottaa riittävissä määrin sähköä pienehkön tukikohdan tarpeisiin. Yhdysvaltain armeija on kokeillut aurinkosuojaan kiinnitettyjä ohutkalvokennoja kenttäolosuhteissa. Aurinkokennot on kytketty akkujärjestelmään, joka on tuottanut noin 2 kW jatkuvaa sähkötehoa käytettäväksi tuulettimissa ja valaisimissa
sekä radiolaitteiden akkujen latauksessa [119]. Sähköntuotannon lisäksi aurinkokennot absorboivat 70–80 % auringon säteilystä, jolloin suojan alla on huomattavasti viileämpää, kuin normaalissa aurinkosuojassa tai teltassa [119]. Aurinkokennojärjestelmä ei myöskään pidä meteliä, mikä on huomattava parannus verrattaessa nykyisiin diesel-generaattoreihin. Kuva 4.15 on otettu kyseisen
aurinkosuojan pystytyksen aikana.
70
Kuva 4.15: Aurinkosuojan kankaaseen kiinnitettyjä taipuisia aurinkokennoja
testikäytössä. Kuva: U.S. Army.
Mielenkiintoisiin sovelluksiin kuuluvat myös hybridijärjestelmät, joissa aurinkokennot on kytketty toimimaan rinnan esim. virtausakun tai regeneratiivisen polttokennon kanssa (ks. kappale 3.2). Tällöin aurinkoenergiasta saatavaa
sähköä voidaan pidemmällä aikavälillä varastoida myöhempää käyttöä varten,
kun kausittaiset olosuhteet eivät mahdollista suoraa aurinkoenergian tuotantoa
[120].
Stationääriseksi tehonlähteeksi soveltuvat myös liikuteltavat tuuliturbiinit. Tuuliturbiini on mahdollista pystyttää nopeasti teleskooppimastolla ja niiden nimellistehot vaihtelevat muutaman kilowatin luokassa. Kuvassa 4.16 on esitetty
erään valmistajan tuuliturbiini. Pienikokoiset tuuliturbiinit pystyvät navakalla
15 m/s tuulella tuottamaan tehokkaasti sähköä, mutta kuten aurinkokennot, ne
vaativat rinnalleen puskuriakut tyveniä aikoja varten [54].
(a) Katolle asennettu turbiini.
71
(b) Lähikuva turbiinin roottorista.
Kuva 4.16: Kuvia TechnoSpin Inc:n valmistamasta TSW2000 tuuliturbiinista.
Turbiinimaston siirrettävä versio voidaan ankkuroida maahan teleskooppimastolla ja se pystyy tuottamaan noin 2 kW tehon [54]. Kuvat: TechnoSpin Inc.
5
Yhteenveto ja johtopäätökset
Tämän selvityksen tavoitteena on antaa lukijalle yleiskuva kehitteillä olevista vaihtoehtoisista sähköenergian tuotanto ja varastointimenetelmistä. Dokumentissa käydään läpi perusteet eri energiantuotanto- ja varastointimuotoihin sekä vertaillaan kilpailevien tekniikoiden ominaisuuksia ja soveltuvuutta eri
kohteisiin. Lisäksi selvityksessä esitellään joukko mielenkiintoisia jo käytössä
olevia ja potentiaalisia sovelluskohteita. Seuraavissa kappaleissa kootaan selvityksessä ilmenneet pääkohdat ja näkökulmat lähitulevaisuudessa odotettavaan
kehitykseen.
5.1
Tehonlähteet ja varastointitekniikat
Uusista vaihtoehtoisista energiaratkaisuista tällä hetkellä selvästi kehittyneimpiä ovat polttokennot ja aurinkokennot. Polttokennojen laajempaa käyttöönottoa hidastaa lähinnä teknologian korkea hinta. Matalan lämpötilan polttokennoissa hintaa nostavat kalliit jalometallikatalyytit, kun taas korkeamman lämpötilan kennojen haasteeksi muodostuvat sopivien lämpöä kestävien materiaalien löytäminen. Sovelluksissa, joissa pyritään minimoimaan tehonlähteen
gravimetrinen energiatiheys, polttokennot ovat tällä hetkellä paras, joskaan ei
edullisin vaihtoehto. Polttokennotehonlähteiden hinta on kuitenkin hiljalleen
laskemassa kaupallistamiseen soveltuvalle tasolle.
Kuten polttokennoja, aurinkokennoja on jo ollut pitkään markkinoilla, mutta
vasta viimeisen kymmenen vuoden aikana niiden hintataso on laskenut niin alhaiseksi, että ne ovat olleet varteenotettava vaihtoehto yksittäisten rakennusten sähköntuotantoon. Osa puolijohteisiin perustuvista aurinkokennoista vaatii valmistusmateriaalikseen harvinaisia maametalleja, jotka nostavat kennostojen hintaa. Ohutkalvokennoteknologiat ja erityisesti väriaineherkistetyt aurinkokennot saattavat tuoda helpotuksia valmistusprosesseihin ja näin vähentää entisestään aurinkokennojen hintaa. Nanoteknologiaan perustuvat varhaisella kehitysasteella olevat aurinkokennoteknologiat taas lupaavat huimia harppauksia suorituskykyyn.
Pienikokoiset polttimet, moottorit ja turbiinit ovat vielä tutkimusasteella, eikä
niistä ole tarjolla kaupallisia sovelluksia. Laitteiden ongelmat ovat niin ikään
materiaaliteknisiä: ongelmaksi on muodostunut mm. laakeroinnin kestävyys,
mekaaninen kuluminen ja korkean lämpötilan aiheuttama materiaalien väsyminen. Lämpötilaeroista (TEG) ja biomekaanisesta liikkeestä (esim. pietsokiteet) energiaa tuottavien laitteiden hyötysuhteen parantaminen vaatii myös
paljon materiaaliteknistä tutkimusta ja erityisesti nanoteknologian uskotaan
tuottavan suorituskykyä parantavia ratkaisuja.
72
5.2 SOVELLUKSET JA JÄRJESTELMÄT
73
Energian varastoinnissa on tapahtunut merkittävää parannusta viime vuosikymmenien aikana erityisesti litium-ioniakkujen ja superkondensaattorien
kaupallistamisen myötä. Litium-pohjaisiin akkuihin on odotettavissa merkittäviä parannuksia, mutta niiden energiasisältö ei silti kykene kilpailemaan hiilivetyjen energiasisällön kanssa. Akkuja tullaan joka tapauksessa superkondensaattorien tavoin käyttämään energiapuskureina primääritehonlähteen rinnalla. Sähkökemiallisen varastointiteknologian kehitykselle tärkeää on suorituskykyisempien elektrodimateriaalien ja elektrolyyttien löytäminen.
Pidempiaikaiseen varastointiin soveltuvista uusista teknologioista lupaavimpia
ovat REDOX-akut ja regeneratiiviset polttokennot. Nämä kennot pystyvät varaamaan sähköä ilman varauksen heikkenemistä, mikä tekee niistä soveltuvan
vaihtoehdon myös reserviakuiksi. Sähkökemialliseen reaktioon perustuvien
laitteiden, kuten polttokennojen ja akkujen käytössä on syytä ottaa huomioon
maapallon napa-alueiden matalien lämpötilojen tuottamat ongelmat, sillä
laitteiden reaktiokinetiikka heikkenee huomattavasti lämpötilan aletessa.
5.2
Sovellukset ja järjestelmät
Vaihtoehtoisista energianlähteistä polttokennojen ja aurinkokennojen sovellukset ovat tällä hetkellä edenneet kaupallistamisen osalta pisimmälle. Aurinkokennoja sovelletaan niin miehittämättömiin laitteisiin, kannettavina akkulatureina tai stationäärisinä tehonlähteinä. Polttokennoja on tähän mennessä sovellettu sotilaskäytössä lähinnä kannettavissa laitteissa tai APU-yksiköinä. Polttokennojen potentiaalia ei ole kuitenkaan vielä todenteolla päästy valjastamaan
miehitettyjen ajoneuvojen käyttöön, missä niistä uumoillaan todellista polttomoottorin haastajaa. Ajoneuvokäyttöön soveltuvat polttokennot eivät ole vielä
kovin hyvin lyöneet läpi edes siviilikäytössä, mutta teknologian odotetaan hiljalleen saavuttavan tarpeeksi alhaisen hintatason laajamittaiseen kaupallistamiseen [121].
Ympäristön energian haalintaan perustuvat tehonlähteet tuottavat huomattavasti vähemmän tehoa kuin aurinkoenergiaan tai hiilivetyihin pohjaavat tehonlähteet. Pienestä tehosta huolimatta näillä tehonlähteillä on potentiaalia moniin sensorisovelluksiin. Energianhaalintaa voidaan jo tällä hetkellä käyttää laitteiden päätehonlähteen rinnalla parantamaan käyttöikää. Päätehonlähteenä
käytettäessä mikropiirit ja elektroniikka täytyy viedä aivan uudelle sulautetun
elektroniikan tasolle, jossa koko piiri on optimoitu toimimaan vain mikrotai
nanowattien teholla. Tällaiset tehonlähteet ovat omiaan esim. sensoriverkoissa, jotka on suunniteltu mahdollisimman vähää ylläpitoa vaativiksi. Villeim-
74
5.3 INFRASTRUKTUURI JA LOGISTIIKKA
missä visioissa termosähköisestä elementistä kaiken tarvittavan energiansa saavia sensori-implantteja voidaan asentaa ihmiskehoon, eikä sensori asennuksen
jälkeen tarvitse minkäänlaisia ylläpitotoimenpiteitä [61]. Sensorien ja pienien
elektroniikkalaitteiden tehonlähteiksi saattaisivat soveltua myös mikrokokoiset
turbiinit tai mikropolttokennot.
5.3
Infrastruktuuri ja logistiikka
Suuria kustannuksia syntyy myös vaihtoehtoisiin polttoaineisiin perustuvien
energianlähteiden mahdollisesti vaatimasta polttoaineinfrastruktuurista. Koska kenttäolosuhteissa ei pystytä tukeutumaan kiinteään sähköverkkoon, joudutaan polttoaine kuljettamaan paikan päälle. Vedyn käyttäminen polttoaineena on logistisesti erittäin haastavaa ja vetysäiliöt saattavat olla hyvinkin räjähdysherkkiä. Vedyn kuljettaminen vaatisi täysin uudenlaisten kuljetusmetodien
lanseeraamista. On huomioitava, että vetyinfrastruktuuri on energiataseeltaan
kannattava vaihtoehto vain jos tehonlähteinä käytetään korkean hyötysuhteen
takaavia polttokennoja [122].
Nestemäisien hiilivetyjen ja vedynkantajien tapauksessa voitaisiin käyttää nykyistä polttoaineinfraa hyvin pienin muutoksin. Nestemäistä polttoainetta käyttävät tehonlähteet ovat omalta osaltaan haastavia, mutta niiden tuottamat logistiset helpotukset ajavat reformointiin ja korkean lämpötilan stationäärisiin
polttokennoihin perustuvan teknologian nopeaa kehitystä. Fossiilisista polttoaineista on myös helppo siirtyä biopolttoaineisiin, jotka helpottavat laitekannan muutosta, sillä biopolttoaineita on mahdollista käyttää myös polttomoottoreissa. Nestemäisten polttoaineiden eduiksi voidaan myös laskea korkeampi
energiatiheys ja vetyä parempi käyttöturvallisuus.
Tähän mennessä ei kuitenkaan ole vielä löydetty yhtä ja oikeaa polttoainevaihtoehtoa, joka tulisi toimimaan niin kannettavissa kuin raskaammissa stationäärisissä tehonlähteissä. Todennäköisesti nykyisten akkujen rinnalla aletaan kuljettaa myös yksittäispakattuja, esim. metanoli tai vetytäytteisiä patruunoja kun
taas stationääriset tehonlähteet käyttävät suuremmissa säiliöissä kuljetettavaa
polttoainetta.
VIITTEET
75
Viitteet
[1] I. Sher, D. Levinzon-Sher, and E. Sher. Miniaturization limitations of hcci
internal combustion engines. Applied Thermal Engineering, 29(2-3):400 –
411, 2009.
[2] Byung il Choi, Yong shik Han, Myung bae Kim, Cheol hong Hwang, and
Chang Bo Oh. Experimental and numerical studies of mixing and flame
stability in a micro-cyclone combustor. Chemical Engineering Science,
64(24):5276 – 5286, 2009.
[3] Erin Baker, Haewon Chon, and Jeffrey Keisler. Battery technology for
electric and hybrid vehicles: Expert views about prospects for advancement. Technological Forecasting and Social Change, 77(7):1139 – 1146,
2010.
[4] Derek Dunn-Rankin, Elisângela Martins Leal, and David C. Walther. Personal power systems. Progress in Energy and Combustion Science, 31(56):422 – 465, 2005.
[5] David C. Walther and Jeongmin Ahn. Advances and challenges in the development of power-generation systems at small scales. Progress in Energy and Combustion Science, In Press, Corrected Proof:–, 2011.
[6] James P. Thomas, Muhammad A. Qidwai, and James C. Kellogg. Energy
scavenging for small-scale unmanned systems. Journal of Power Sources,
159(2):1494 – 1509, 2006.
[7] Kenneth E. Bower, editor. Polymers, Phosphors, and Voltaics for Radioisotope Microbatteries. CRC Press, 1st edition, 2002.
[8] Christopher M. Spadaccini and Ian A. Waitz. Micro-combustion. In
Yogesh Gianchandani, Osamu Tabata, , and Hans Zappe, editors, Comprehensive Microsystems, pages 475 – 497. Elsevier, Oxford, 2008.
[9] Alan H. Epstein. Millimeter-scale, micro-electro-mechanical systems gas
turbine engines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,
126(2):205–226, 2004.
[10] Kaoru Maruta. Micro and mesoscale combustion. Proceedings of the
Combustion Institute, 33(1):125 – 150, 2011.
[11] Z. Wang, M. Wu, X. Shan, and J. Hua. Mems-based combustor with
hairpin-shape design of gas recirculation channel. Microsystem Technologies, 12:993–997, 2006. 10.1007/s00542-006-0125-z.
76
VIITTEET
[12] M. McCarthy, C.M. Waits, and R. Ghodssi. Dynamic friction and wear
in a planar-contact encapsulated microball bearing using an integrated
microturbine. Microelectromechanical Systems, Journal of, 18(2):263 –273,
2009.
[13] E. Sher and I. Sher. Theoretical limits of scaling-down internal combustion engines. Chemical Engineering Science, 66(3):260 – 267, 2011.
[14] S.K. Chou, W.M. Yang, K.J. Chua, J. Li, and K.L. Zhang. Development of
micro power generators - a review. Applied Energy, 88(1):1 – 16, 2011.
[15] P Jin, Y L Gao, N Liu, J B Tan, and Kyle Jiang. Design and fabrication of
alumina micro reciprocating engine. Journal of Physics: Conference Series,
48(1):1471, 2007.
[16] Pauli Koski. Multisinglecell measurement facility for proton exchange
membrane fuel cells. Master’s thesis, Aalto University, 2010.
[17] Vladimir S. Bagotsky. Fuel Cells: Problems and Solutions. John Wiley &
Sons, 2009.
[18] Frano Barbir. PEM Fuel Cells: Theory and Practice. Academic Press, 2005.
[19] A. Kirubakaran, Shailendra Jain, and R.K. Nema. A review on fuel cell technologies and power electronic interface. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(9):2430 – 2440, 2009.
[20] H.-J. Neef. International overview of hydrogen and fuel cell research.
Energy, 34(3):327 – 333, 2009. WESC 2006, 6th World Energy System Conference; Advances in Energy Studies, 5th workshop on Advances, Innovation and Visions in Energy and Energy-related Environmental and SocioEconomic Issues.
[21] Xianguo Li. Chapter one: Thermodynamic performance of fuel cells and
comparison with heat engines. volume 1 of Advances in Fuel Cells, pages
1 – 46. Elsevier Science, 2007.
[22] Andrei A. Kulikovsky. Analytical Modelling of Fuel Cells. Elsevier, Amsterdam, 2010.
[23] Frederick J. Barclay. Fuel Cells, Engines and Hydrogen: An Exergy Approach. John Wiley & Sons, 2006.
[24] Epping Martin Kathi, Kopasz John P., and McMurphy Kevin W. Status of
Fuel Cells and the Challenges Facing Fuel Cell Technology Today, chapter 2,
pages 1–13.
VIITTEET
77
[25] Arunabha Kundu, Yong Gun Shul, and Dong Hyun Kim. Chapter seven:
Methanol reforming processes. volume 1 of Advances in Fuel Cells, pages
419 – 472. Elsevier Science, 2007.
[26] Alexey Serov and Chan Kwak. Direct hydrazine fuel cells: A review. Applied
Catalysis B: Environmental, 98(1-2):1 – 9, 2010.
[27] Alexey Serov and Chan Kwak. Progress in development of direct dimethyl
ether fuel cells. Applied Catalysis B: Environmental, 91(1-2):1 – 10, 2009.
[28] Géraldine Merle, Matthias Wessling, and Kitty Nijmeijer. Anion exchange
membranes for alkaline fuel cells: A review. Journal of Membrane Science,
In Press, Corrected Proof:–, 2011.
[29] Jia Ma, Nurul A. Choudhury, and Yogeshwar Sahai. A comprehensive review of direct borohydride fuel cells. Renewable and Sustainable Energy
Reviews, 14(1):183 – 199, 2010.
[30] D. Chartouni, N. Kuriyama, T. Kiyobayashi, and J. Chen. Metal hydride
fuel cell with intrinsic capacity. International Journal of Hydrogen Energy,
27(9):945 – 952, 2002.
[31] Seyed Ali Mousavi Shaegh, Nam-Trung Nguyen, and Siew Hwa Chan. A review on membraneless laminar flow-based fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 36(9):5675 – 5694, 2011.
[32] Erik Kjeang, Ned Djilali, and David Sinton. Microfluidic fuel cells: A review. Journal of Power Sources, 186(2):353 – 369, 2009.
[33] Saswata Bose, Tapas Kuila, Thi Xuan Hien Nguyen, Nam Hoon Kim, Kin
tak Lau, and Joong Hee Lee. Polymer membranes for high temperature
proton exchange membrane fuel cell: Recent advances and challenges.
Progress in Polymer Science, In Press, Corrected Proof:–, 2011.
[34] Frank A. de Bruijn, Robert C. Makkus, Ronald K.A.M. Mallant, and Gaby J.M. Janssen. Chapter five: Materials for state-of-the-art pem fuel cells,
and their suitability for operation above 100ˇrc. volume 1 of Advances in
Fuel Cells, pages 235 – 336. Elsevier Science, 2007.
[35] Benoît Lafitte and Patric Jannasch. Chapter three: On the prospects for
phosphonated polymers as proton-exchange fuel cell membranes. volume 1 of Advances in Fuel Cells, pages 119 – 185. Elsevier Science, 2007.
[36] W.H. J. Hogarth, J.C. Diniz da Costa, and G.Q.(Max) Lu. Solid acid
membranes for high temperature (> 140 ◦C) proton exchange membrane
fuel cells. Journal of Power Sources, 142(1-2):223 – 237, 2005.
78
VIITTEET
[37] Tetsuya Uda and Sossina M. Haile. Thin-membrane solid-acid fuel cell.
Electrochemical and Solid-State Letters, 8(5):A245–A246, 2005.
[38] SAFCell Inc. First step to kilowatt solid acid fuel cell diesel apu taken
by norwegian-californian partnership, 12.8. 2010. http://www.safcellinc.com/_press/20100812-SAFCell-NPS%20PR2.pdf [23.2.2011].
[39] Nordic power, safcell solid acid fuel cell apu running on diesel. Fuel Cells
Bulletin, 2010(2):4 – 4, 2010.
[40] Wei Zhou, Ran Ran, and Zongping Shao.
Progress in understanding and development of Ba0.5 Sr0.5 Co0.8 Fe0.2 O3-δ -based cathodes for
intermediate-temperature solid-oxide fuel cells: A review. Journal of
Power Sources, 192(2):231 – 246, 2009.
[41] U.S. Energy Information Administration. Annual energy review 2009.
10.1.2011. http://www.eia.doe.gov/aer/pdf/aer.pdf [2.3.2011].
[42] Bancha Kongtragool and Somchai Wongwises. A four power-piston lowtemperature differential stirling engine using simulated solar energy as a
heat source. Solar Energy, 82(6):493 – 500, 2008.
[43] Hiep Nguyen, Ashcon Navid, and Laurent Pilon. Pyroelectric energy converter using co-polymer P(VDF-TrFE) and olsen cycle for waste heat energy harvesting. Applied Thermal Engineering, 30(14-15):2127 – 2137, 2010.
[44] Kyoung Joon Kim and M. Hodes. Thermoelectric energy scavenging from
waste heat of power amplifier transistors. pages 75 –79, oct. 2009.
[45] Ziyang Wang, Vladimir Leonov, Paolo Fiorini, and Chris Van Hoof. Realization of a wearable miniaturized thermoelectric generator for human
body applications. Sensors and Actuators A: Physical, 156(1):95 – 102,
2009. EUROSENSORS XXII, 2008.
[46] Vladimir Leonov, Paolo Fiorini, and Ruud J.M. Vullers. Theory and simulation of a thermally matched micromachined thermopile in a wearable
energy harvester. Microelectronics Journal, In Press, Corrected Proof:–,
2010.
[47] Ashcon Navid, Damien Vanderpool, Abubakarr Bah, and Laurent Pilon.
Towards optimization of a pyroelectric energy converter for harvesting
waste heat. International Journal of Heat and Mass Transfer, 53(1920):4060 – 4070, 2010.
[48] Loy Chuan Chia and Bo Feng. The development of a micropower (microthermophotovoltaic) device. Journal of Power Sources, 165(1):455 – 480,
2007.
VIITTEET
79
[49] E. Bonisoli, A. Canova, F. Freschi, S. Moos, M. Repetto, and S. Tornincasa.
Dynamic simulation of an electromechanical energy scavenging device.
Magnetics, IEEE Transactions on, 46(8):2856 –2859, aug. 2010.
[50] Adnan Harb. Energy harvesting: State-of-the-art. Renewable Energy, In
Press, Corrected Proof:–, 2010.
[51] Sheng Xu, Benjamin J. Hansen, and Zhong Lin Wang. Piezoelectricnanowire-enabled power source for driving wireless microelectronics.
Nat Commun, 1(7):93–, October 2010.
[52] R.J.M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoof, and R. Mertens. Micropower energy harvesting. Solid-State Electronics, 53(7):684 – 693, 2009.
Papers Selected from the 38th European Solid-State Device Research Conference - ESSDERC’08.
[53] E Romero, R O Warrington, and M R Neuman. Energy scavenging sources
for biomedical sensors. Physiological Measurement, 30(9):R35, 2009.
[54] TechnoSpin Inc. Powerspin tsw2000 specification sheet, 2009.
[55] Sergio Pizzini. Towards solar grade silicon: Challenges and benefits for
low cost photovoltaics. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(9):1528
– 1533, 2010. PVSEC 18.
[56] Antonio Luque and Steven Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science
and Engineering. John Wiley & Sons, 2003.
[57] L. El Chaar, L.A. lamont, and N. El Zein. Review of photovoltaic technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(5):2165 – 2175, 2011.
[58] Bhubaneswari Parida, S. Iniyan, and Ranko Goic. A review of solar
photovoltaic technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews,
15(3):1625 – 1636, 2011.
[59] Torben D. Nielsen, Craig Cruickshank, Søren Foged, Jesper Thorsen, and
Frederik C. Krebs. Business, market and intellectual property analysis of
polymer solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(10):1553 –
1571, 2010.
[60] Tim Zhao, editor. Micro Fuel Cells: Principles and Applications. Elsevier,
1st edition, 2010.
[61] Zhong Lin Wang. Toward self-powered sensor networks. Nano Today,
5(6):512 – 514, 2010.
80
VIITTEET
[62] Du Fangzhou, Li Zhenglong, Yang Shaoqiang, Xie Beizhen, and Liu Hong.
Electricity generation directly using human feces wastewater for life support system. Acta Astronautica, In Press, Corrected Proof:–, 2010.
[63] M.H. Osman, A.A. Shah, and F.C. Walsh. Recent progress and continuing
challenges in bio-fuel cells. part i: Enzymatic cells. Biosensors and Bioelectronics, 26(7):3087 – 3102, 2011.
[64] M.H. Osman, A.A. Shah, and F.C. Walsh. Recent progress and continuing
challenges in bio-fuel cells. part ii: Microbial. Biosensors and Bioelectronics, 26(3):953 – 963, 2010.
[65] Christopher J. Love, Shuguang Zhang, and Andreas Mershin. Source of
sustained voltage difference between the xylem of a potted Ficus benjamina tree and its soil. PLoS ONE, 3(8):e2963, 08 2008.
[66] C. Himes, E. Carlson, R.J. Ricchiuti, B.P. Otis, and B.A. Parviz. Ultralow
voltage nanoelectronics powered directly, and solely, from a tree. Nanotechnology, IEEE Transactions on, 9(1):2 –5, jan. 2010.
[67] Voltree Power. Voltree power: Bioenergy harvester, 5.10. 2010. http://
voltreepower.com/bioHarvester.html [9.11.2010].
[68] Panayiotis Andreou, Demetrios Zeinalipour-Yazti, Andreas Pamboris, Panos K. Chrysanthis, and George Samaras. Optimized query routing trees
for wireless sensor networks. Information Systems, In Press, Corrected
Proof:–, 2010.
[69] Sook-Kyung Lee, Soon-Hwan Son, KwangSin Kim, Jong-Wan Park, Hun
Lim, Jae-Min Lee, and Eun-Su Chung. Development of nuclear microbattery with solid tritium source. Applied Radiation and Isotopes, 67(78):1234 – 1238, 2009. 6th International Conference on Isotopes, 6th International Conference on Isotopes.
[70] Robert G. Lange and Wade P. Carroll. Review of recent advances of radioisotope power systems. Energy Conversion and Management, 49(3):393 –
401, 2008. Space Nuclear Power and Propulsion.
[71] Guanquan Wang, Rui Hu, Hongyuan Wei, Huaming Zhang, Yuqing Yang,
Xiaoling Xiong, Guoping Liu, and Shunzhong Luo. The effect of temperature changes on electrical performance of the betavoltaic cell. Applied
Radiation and Isotopes, 68(12):2214 – 2217, 2010.
[72] R.C. O’Brien, R.M. Ambrosi, N.P. Bannister, S.D. Howe, and H.V. Atkinson.
Safe radioisotope thermoelectric generators and heat sources for space
applications. Journal of Nuclear Materials, 377(3):506 – 521, 2008.
VIITTEET
81
[73] Jinyang Zheng, Xianxin Liu, Ping Xu, Pengfei Liu, Yongzhi Zhao, and Jian
Yang. Development of high pressure gaseous hydrogen storage technologies. International Journal of Hydrogen Energy, In Press, Corrected Proof:–
, 2011.
[74] M. Conte, P. P. Prosini, and S. Passerini. Overview of energy/hydrogen
storage: state-of-the-art of the technologies and prospects for nanomaterials. Materials Science and Engineering B, 108(1-2):2 – 8, 2004. EMRS
2003, Symposium C, Nanoscale materials for Energy Storage.
[75] I.P. Jain, Pragya Jain, and Ankur Jain. Novel hydrogen storage materials:
A review of lightweight complex hydrides. Journal of Alloys and Compounds, 503(2):303 – 339, 2010.
[76] Manh Cuong Nguyen, Hoonkyung Lee, and Jisoon Ihm. Hydrogen storage using functionalized saturated hydrocarbons. Solid State Communications, 147(9-10):419 – 422, 2008.
[77] Gerhard Knothe. Biodiesel and renewable diesel: A comparison. Progress
in Energy and Combustion Science, 36(3):364 – 373, 2010.
[78] William J. Pitz and Charles J. Mueller. Recent progress in the development
of diesel surrogate fuels. Progress in Energy and Combustion Science, In
[79] Poonam Singh Nigam and Anoop Singh. Production of liquid biofuels
from renewable resources. Progress in Energy and Combustion Science, In
[80] Y. Chen and H. Kim. Preparation and application of sodium borohydride composites for portable hydrogen production. Energy, 35(2):960 – 963,
2010. ECOS 2008, 21st International Conference, on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems.
[81] H. Ibrahim, A. Ilinca, and J. Perron.
Energy storage systems–
characteristics and comparisons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(5):1221 – 1250, 2008.
[82] John Baker. New technology and possible advances in energy storage.
Energy Policy, 36(12):4368 – 4373, 2008. Foresight Sustainable Energy Management and the Built Environment Project.
[83] Bruno Scrosati and Jürgen Garche. Lithium batteries: Status, prospects
and future. Journal of Power Sources, 195(9):2419 – 2430, 2010.
82
VIITTEET
[84] S R Anton, A Erturk, and D J Inman. Multifunctional self-charging structures using piezoceramics and thin-film batteries. Smart Materials and
Structures, 19(11):115021, 2010.
[85] Kyu Tae Lee and Jaephil Cho. Roles of nanosize in lithium reactive nanomaterials for lithium ion batteries. Nano Today, 6(1):28 – 41, 2011.
[86] Jianlin Li, Claus Daniel, and David Wood. Materials processing for
lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 196(5):2452 – 2460, 2011.
[87] A. Doddathimmaiah and J. Andrews. Theory, modelling and performance
measurement of unitised regenerative fuel cells. International Journal of
Hydrogen Energy, 34(19):8157 – 8170, 2009.
[88] P. Millet, R. Ngameni, S.A. Grigoriev, and V.N. Fateev. Scientific and engineering issues related to pem technology: Water electrolysers, fuel cells
and unitized regenerative systems. International Journal of Hydrogen
Energy, 36(6):4156 – 4163, 2011. 3rd International Workshop in Hydrogen Energy.
[89] J. Pettersson, B. Ramsey, and D. Harrison. A review of the latest developments in electrodes for unitised regenerative polymer electrolyte fuel
cells. Journal of Power Sources, 157(1):28 – 34, 2006.
[90] Meng Ni, Michael K.H. Leung, and Dennis Y.C. Leung. Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (soec).
International Journal of Hydrogen Energy, 33(9):2337 – 2354, 2008.
[91] Peter J. Hall and Euan J. Bain. Energy-storage technologies and electricity
generation. Energy Policy, 36(12):4352 – 4355, 2008. Foresight Sustainable
Energy Management and the Built Environment Project.
[92] Cian Ó Mathúna, Terence O’Donnell, Rafael V. Martinez-Catala, James Rohan, and Brendan O’Flynn. Energy scavenging for long-term deployable
wireless sensor networks. Talanta, 75(3):613 – 623, 2008. Special Section:
Remote Sensing.
[93] Jillis W Raadschelders and Tiny Jansen. Energy sources for the future
dismounted soldier, the total integration of the energy consumption within the soldier system. Journal of Power Sources, 96(1):160 – 166, 2001.
Proceedings of the 22nd International Power Sources Symposium.
[94] myFC AB.
Powertrekk technical specification, 2010.
powertrekk.com/technology/ [9.6.2010].
http://www.
VIITTEET
83
[95] Inc. Tremont Electric. World’s first kinetic energy charger for hand-held
electronics, the npower˝o peg is now available!, 14.2. 2011. http://www.
npowerpeg.com/press/press-releases/72-news-article-2 [14.2.2011].
[96] Tech-On!
Vibration-powered generators replace aa, aaa batteries,
14.2. 2011. http://techon.nikkeibp.co.jp/english/about/techon.html
[4.5.2011].
[97] Horizon Energy Systems. Horizon energy systems aeropak specification sheet, 2010. http://www.horizonfuelcell.com/file/aeropak.pdf
[9.5.2011].
[98] Protonex. Protonex uav-c250 specification sheet, 2009. http://www.
protonex.com/downloads/products/Protonex_UAV_Spec_Sheet.pdf
[8.6.2011].
[99] Defence-Update.
Birdeye 650le mini-uav uses fuel cell to fly six
hour missions, 23.8. 2010. http://www.defence-update.net/wordpress/
20100823_birdeye-650le.html [20.2.2011].
ˇ mini-uav,
[100] Defense Industry Daily. Puma ae: An S¸ all environmentT
21.4 2011.
http://www.defenseindustrydaily.com/Puma-AE-An-AllEnvironment-Mini-UAV-04962/ [4.5.2011].
[101] Elbit Systems. Elbit systems successfully completes skylark˝o i-le uas test
flight with horizonŠs new aeropak fuel cell, 7.12. 2010. http://www.hes.
sg/files/AEROPAKELBIT.pdf [9.6.2011].
[102] J.N. Baucom W.R. Pogue J.P. Thomas, M.A. Qidwai. Multifunctional
structure-power for electric unmanned systems. Naval Research Lab Washington DC, 2006.
[103] Ping Liu, Elena Sherman, and Alan Jacobsen. Design and fabrication of
multifunctional structural batteries. Journal of Power Sources, 189(1):646
– 650, 2009. Selected Papers presented at the 14th INTERNATIONAL MEETING ON LITHIUM BATTERIES (IMLB-2008).
[104] iRobot Corporation. irobot 1ka seaglider, 2009. http://www.irobot.com/
filelibrary/pdfs/gi/robots/iRobot_Seaglider.pdf [7.6.2011].
[105] Q. Cai, D.J.L. Brett, D. Browning, and N.P. Brandon. A sizing-design methodology for hybrid fuel cell power systems and its application to an unmanned underwater vehicle. Journal of Power Sources, 195(19):6559 –
6569, 2010.
84
VIITTEET
[106] FuelCellsWorks. Adaptive materials shows off 150-watt fuel cell with china lake ugv demo, 18.8. 2009. http://fuelcellsworks.com/news/2009/
08/18/adaptive-materials-shows-off-150-watt-fuel-cell-withchina-lake-ugvunmanned-ground-vehicle-demo/ [11.12.2010].
[107] Protonex. Protonex ugv-c250 specification sheet, 2009. http://www.
protonex.com/downloads/products/Protonex_UGV_Spec_Sheet.pdf
[8.6.2011].
[108] Younghyun Kim, Donghwa Shin, Jueun Seo, Naehyuck Chang, Hyejung
Cho, Youngjae Kim, and Seongkee Yoon. System integration of a portable
direct methanol fuel cell and a battery hybrid. International Journal of
Hydrogen Energy, 35(11):5621 – 5637, 2010. 3rd Argentinean and 2nd Latin American Congress inHydrogen and Sustainable Energy Sources, 3rd
Argentinean and 2nd Latin American Congress inHydrogen and Sustainable Energy Sources.
[109] Cummins, protonex demonstrate truck sofc apu.
2010(5):1 – 1, 2010.
Fuel Cells Bulletin,
[110] Daily Tech.
U.s. military goes green, testing fuel cell m1 abrams
tanks, 13.7. 2010. http://www.dailytech.com/US+Military+Goes+Green+
Testing+Fuel+Cell+M1+Abrams+Tanks/article19022.htm [6.6.2011].
[111] P.C. Ghosh and U. Vasudeva. Analysis of 3000˘at class submarines equipped with polymer electrolyte fuel cells. Energy, 36(5):3138 – 3147, 2011.
[112] Boeing Phantom Works. A green machine: Boeing makes history with
flights of fuel cell demonstrator airplane, . 2008. http://www.boeing.com/
news/frontiers/archive/2008/may/ts_sf04.pdf [6.6.2011].
[113] SFC Energy. Emily 2200 mobile fuel cell power system, 2010. [online]
http://www.sfc.com/images/stories/sfc/Defense/spec_sheet_
emily2200.pdf [9.6.2011].
[114] SFC Energy. Fc 250 silent 250 watt tactical fuel cell, 2010. http://www.sfc.
com/images/stories/sfc/Defense/spec_sheet_fc250.pdf [9.6.2011].
[115] Protonex.
M300-cx portable battery charger / apu specification
sheet, 2010. http://www.protonex.com/downloads/products/ProtonexMilitary-Spec-Sheet_M300-CX_8.2-1110.pdf [8.6.2011].
[116] Clint Alex Cottrell, Scott E. Grasman, Mathew Thomas, Kevin Braun Martin, and John W. Sheffield. Strategies for stationary and portable fuel cell
markets. International Journal of Hydrogen Energy, 36(13):7969 – 7975,
2011. Hysydays.
VIITTEET
85
[117] Pacific Northwest National Laboratory. Fuel cells help make noisy, hot
generators a thing of the past: Advances in fuel desulfurization and reforming lead to a successful demonstration of a portable fuel cell system
using jp-8 military jet fuel, 3 2011. http://www.pnl.gov/topstory.asp?
id=282 [7.6.2011].
[118] SAFCell Inc. Successful delivery of first 1.4 kw solid acid fuel cell stack
by norwegian-californian partnership, 23.2. 2011. http://www.safcellinc.com/_press/20110223-Milestone%203%20PR.pdf [9.6.2011].
[119] U. S. Army Africa Public Affairs Rich Bartell. Experimental solar shade in
djibouti provides constant power, 17.5. 2011. http://www.usaraf.army.
mil/NEWS/NEWS_110517_SOLAR_SHADE_DJIBOUTI.html [3.6.2011].
[120] A. Yilanci, I. Dincer, and H.K. Ozturk. A review on solar-hydrogen/fuel cell
hybrid energy systems for stationary applications. Progress in Energy and
Combustion Science, 35(3):231 – 244, 2009.
[121] John P. Weyant. Accelerating the development and diffusion of new energy technologies: Beyond the "valley of death". Energy Economics, In Press,
Corrected Proof:–, 2010.
[122] Grietus Mulder, Jens Hetland, and Guido Lenaers. Towards a sustainable
hydrogen economy: Hydrogen pathways and infrastructure. International Journal of Hydrogen Energy, 32(10-11):1324 – 1331, 2007. EHEC2005.
leikkaamaton 360 mm
leikattu 354 mm
leikkausvara
3 mm
Pauli Koski
Katsaus uudenaikaisiin
energianlähteisiin
Pauli Koski
leikkaamaton 256 mm
leikattu 250 mm
KATSAUS UUDENAIKAISIIN ENERGIANLÄHTEISIIN
Puh. +358 (0) 299 800
Fax. +358 (0) 299 550 918
www.puolustusvoimat.fi
Publications
10/2006
Puolustusvoimien
Teknillinen Tutkimuslaitos
PL 10
11311 Riihimäki
Suomi Finland
Julkaisuja 24/2011
ISBN 978-951-25-2243-9
ISBN 978-951-25-2244-6 (PDF)
ISSN 1457-3938
Puolustusvoimien
Teknillinen
Tutkimuslaitos
Julkaisuja 24
4 mm
175 mm
175 mm

Katsaus uudenaikaisiin energianlähteisiin

Transcription

Similar documents

Polttokenno

tästä - Green Fuel Nordic Oy

forsbom - Digar

täältä - Green Fuel Nordic Oy

Ohjelma pdf-tiedostona

Juvan palvelukartta Service map

Clinical Research

Tekniikan Englantia

Pehmeää ja kovaa - International Academy of Pathology, Suomen

11. SYYSKUUTA, 2015 TÄYSIN UUSI JAGUAR XF

pdf-muodossa

Liikennepolttoaineet nyt ja tulevaisuudessa

Mesoteliooma. Sisko Anttila

Pehmeät ja kovat paketit pukinkonttiin Megastoresta!

Lentävät rikkimittarit