Teraloop numeroina

Suomalainen energiavarasto-innovaatio Teraloop on syntynyt Aalto-yliopiston startup-keskuksesssa. Ideana on rakentaa renkaan muotoinen rata maan alle, johon energiaa varastoidaan renkaassa liikkuvaan massaan. Uutisartikkeleissa annetaan huikeita lukuja: Renkaan halkaisija 500 metriä, kapasiteetti 16 GWh, teho 500 MW.

Suomalainen innovaatio tekee aurinko- ja tuulivoimaan siirtymisestä kannattavaa

Alla olevassa kuvassa nähdään idean rakenne.

Havainnekuva energiavarastosta. Kuva: Teraloop.

Havainnekuva energiavarastosta. Kuva: Teraloop.

Energiaa tunnetusti voidaan varastoida liikkuvaan massaan. Tätä ilmiötä on hyödynnetty pienimuotoisesti jo muutama sata vuotta mm. erilaisten koneiden vauhtipyörissä.

Koska Teraloop joutuu noudattamaan fysiikan lakeja, voidaan helposti laskea ja hahmottaa, kuinka suuri massa ja nopeus tarvitaan 16 gigawattitunnin varastointiin. Energiamäärä vastaa esim. parin vuoden päästä käynnistyvän Olkiluoto 3:n kymmenen tunnin tehoa.

Lähinnä olemassa olevista laitteista Teraloop tuo mieleen junan. Millaisia junia maailmalta löytyy? Jos Youtubeen on uskominen, alla oleva video näyttää maailman pisimmän ja painavimman junan.

Pituutta junalla on 7 353 metriä, massaa sata tuhatta tonnia. Videolla juna ohittaa kameran kahdeksassa minuutissa, josta voidaan laskea nopeudeksi 55 km/h. Sen liike-energia lasketaan kaavasta:

Liike-energia

Teraloop haluaa varastoida 16 000 MWh, mikä on lähes 5000 kertaa enemmän kuin videon junassa.

Renkaan halkaisijaksi ilmoitetaan 500 metriä, jolloin sen pituudeksi tulee 1600 metriä. Vastaavan pituinen pätkä tuosta junasta painaisi n. 22 000 tonnia. Jos tähän massaan halutaan varastoida 16 GWh, vauhtia pitää olla:

8 250 km/h = 2 292 m/s

Massa kiertäisi 1,6 kilometrisen pituista rataa 1,4 kierrosta sekunnissa. Yksikään juna maailmassa ei aja lähellekään tuota vauhtia. Perinteisellä teräspyöräradalla voidaan ajaa ehkä 600 km/h. Tässä mennään Ranskassa 574 km/h.

Jos Teraloopin nopeus olisi 600 km/h, massaa tarvittaisiin:

4,2 miljoonaa tonnia = 2500 tonnia/metri

Noin paljon massaa tunneliin ei mahdu. Jos ”juna” olisi umpiterästä, halkaisijaltaan 10 metrinen lieriö, sen massa olisi 600 tonnia/metri, eli yhteensä 960 000 tonnia. Tällöin vauhtia tarvittaisi ”vain” 1250 km/h.

Jos taas tunnelissa ajettaisiin 22 000 tonnin painoista ”junaa” 600 km/h, saataisiin energiaa varastoitua 0,085 GWh, mikä on 0,5 % luvatusta 16 gigawattitunnista. Fysiikan lait ovat tässä kohtaa todella armottomia.

Artikkelissa puhutaan ”puhtaasti mekaanisesta” laitteesta, mikä tarkoittaisi pyörillä kulkevaa laitetta. Tarvittaviin nopeuksiin ei päästä pyörillä. Maglev-tekniikalla siihen kukaties voisi päästä, mutta ”junan” pitäisi kulkea tyhjössä, koska muuten ilmanvastus aiheuttaisi liian suuren vastuksen. Paljonko tarvittavan kokoinen, maglev-tekniikalla toteutettu 1,6 km mittainen tunneli maksaa? Tekeekö se uutisotsikon mukaisesti ”aurinko- ja tuulivoimaan siirtymisestä kannattavaa”? Maglev-tekniikan ensimmäiset patentit ovat vuodelta 1906, mutta niitä on rakennettu vasta hyvin vähän, koska tekniikka on kallista.

Teraloop ei tule 500 metrisellä renkaalla pääsemään lähellekään uutisartikkeleissa luvattua kapasiteettia 16 GWh. Johonkin se tietenkin pääsee, joten odotamme mielenkiinnolla prototyypin valmistumista, eli palataan asiaan vuonna 2019.

Sitä odotellessa voit itse laskea tällä taulukolla kappaleen kineettistä energiaa eri massoilla ja nopeuksilla, ja katsoa, millaista öljy- ja kivihiilimäärä se vastaa. Voit esim. laskea, paljonko 40 tonnia painavassa rekassa on liike-energiaa vauhdissa 80 km/h ja miten paljon polttoainetta kiihdyttämiseen tarvitaan. Laskurin antama öljymäärä tulee jakaa moottorin hyötysuhteella, mikä rekassa on luokkaa 0,3. Tulos on tietenkin likiarvo, koska se ei huomioi esim. ilmanvastusta.

Päivitys – 9.4.2016

Patenttiasiakirja löytyy täältä. Siinä kuvailtu järjestelmän rakenne ja toiminta. Luvut ovat erilaiset kuin uutisartikkeleissa. Renkaan koko on kymmenkertainen, halkaisijaltaan 5000 metriä. Liikkuvan massa sanotaan olevan 70 000 kg. Tuon kokoisen systeemin kapasiteetista todetaan vain ”..storage potential  up to several TWh.” Vauhtia ei ilmoiteta, mutta 16 TWh:n saavuttamiseksi vauhtia tuolla massalla tarvitaan 4700 km/h.

Toinen vastaavanlainen keksintö löytyy täältä:

Floating train at 2000 km/h set to store 10% of Dutch electricity

Renkaan halkaisija sama 5 kilometriä. Kapasiteetista sanotaan, ”This enables 2.5 gigawatts of electricity to be stored for an eight-hour period or 400 megawatts for 48 hours.” Tuo tarkoittaisi 20 TWh. Massan vauhdiksi ilmoitetaan 2000 km/h, mikä kyllä pitäisi maglev-tekniikalla olla saavutettavissa. Massan suuruutta ei ilmoiteta, mutta vauhdin ja kapasiteetin perustella lasekien, massaa tarvitaan puoli miljoonaa tonnia.

Hollantilaiset ovat tehneet havainnollisen esittelyvideon:

Nämä lähteet löytyvät Reddit-keskustelusta. Kiitos osallistujille!

Aihe on herättänyt vilkasta keskustelua myös fb:ssä ainakin täällä ja täällä.

16 thoughts on “Teraloop numeroina

  1. Megaloop kuulostaa laskelmasi perusteella tosi utopistiselta ja kuten toteat kitka syö jo suuren osan energiasta. Rataa pitkin kulkevaan massaan energian siirto ja siitä sen hyödyntäminen ei voi olla kovin helppo toteuttaa. Jo ranskalaisessa luotijunassa ilmajohdossa tapahtuva kipinöinti osoittaa, että energian siirto ei voi olla häiriötöntä.

    Eiköhän akselilla pyörivän vauhtipyörän käyttö olisi loogisempi ratkaisu. Siinä moottori/generaattori yhdistelmä olisi teknisestikin yksinkertaisempi. Eikös Suomessa ole kehitelty huippukierroksisia kompakteja sähkömoottoreitakin.

    Muistaakseni Sveitsissä oli (on) käytössä busseja, jossa energiaa varastoitiin pyörivään massaan sähkömoottorilla kiihdyttämällä latausasemilla ja jarrutusenergia tallentamalla, jotta ylämäet sujuisivat jouheammin.

    Tykkää

  2. Lisäksi pitää miettiä sekin seikka, että minkälaiset rakenteet lieriö vaatisi pysyäkseen kasassa. Ne rakenteet olisivat varsin melkoiset. Paljonko tällaisen rakentamiseen kuluisi rahaa ja energiaa, on myös pohtimisen arvoinen juttu.

    Tykkää

  3. Juttelin Vaasan EnergyWeekillä Teraloopin toimarin kanssa. Tämä ”juna” tosiaan on suunniteltu kulkevan tyhjiössä ja levitoivan magneettien päällä. Energiaa varastoidaan ”junan” liike-energiaan sekä otetaan siitä verkkoon hyödyntäen juurikin tuota mainitsemaasi Maglev-tekniikkaa. Siinä mielessä kitkalaskelmat ovat hieman asian vierestä.

    Tykkää

  4. Mitenkäs jos tuota painoa kasvattaisi? Tuossa kuitenkin rautamalmia, paino lienee alle 3 000 kg per kuutio. Rauta kuitenkin olisi vajaan 8 000 kg. Palikat voisi olla lieriön muotosia, kun kerran ”putkessa” kulkevat. Halkaisija esimerkin vuoksi palikoina voisi olla esimerkiksi 5 metriä. Jos sellaisen pituus on 5 metriä yksi painaisi noin 800 tonnia. Siihen metri päälle niin saadaan vaunujen väli. Jos tuollaisia olisi 1 600 metrin matkalla, painoksihan tulisi 213 000 tonnia?

    Tykkää

  5. Laitetaan 213 000 tonnia, vauhtia tarvitaan 2650 km/h.

    Kyllä sellaisen teräsrenkaan varmaan pystyy maan alle rakentamaan. Paljonko tehoa tarvitaan sen levitoimiseen? Miten jäähdytys hoidetaan tyhjössä, magneetit kehittävät lämpöä. Älkää sanoko, että suprajohde.

    Jos se sitten syystä tai toisesta hajoaa täydessä vauhdissa, vastaa purkautuva energia noi 15 kilotonnin latausta. Vastaa Hiroshiman pommia.

    Tykkää

  6. Hassua että uutisissa puhutaan yhtiön ratkaisusta, sillä kyseistä vekotinta ei ole olemassakaan. Ei se kyllä ole vielä mikään ratkaisu, jos edes toimivaa prototyyppiä ei ole, ei edes paperilla. Pikemminkin kyseessä on ratkaisuehdotus.

    Ongelmahan tuossa on, että laite kuulostaa todella vaativalta, esitettyjen suorastaan mahdottomalta ja kyseessä on start up, joka tuskin saa edes toimivaa prototyyppiä aikaiseksi. Ei vaan ole resursseja. Pahoin pelkään että tuo ei ole taloudellis-teknisesti ratkaistavissa ja vaikka olisi, puulaaki on aivan liian pieni edetäkseen edes siihen vaiheeseen, että joku suuri voimalaitosyhtiö ostaisi sen teknologian takia.

    Toimimatonta laitetta ei kukaan osta, mistä rahat kehittämiseen? Sijoittajilta? Pari miljoonaa ei riitä mihinkään tuollaista rakentaessa.

    Tykkää

  7. Kyselenpä vähän tyhmiä mutta kysyn kuitenkin. Oletetaan että tuollainen luuppi sitten valmistettaisiin, ja saataisiin jopa toimimaan, minulle on kuitenkin jäämässä epäselväksi se miten tähän ”maanalaiseen” se energia siirrettäisiin, ja etenkin miten se saataisiin sieltä ulos. Niin ja paljonko siitä myllyillä/paneleilla siirrettävästä tehosta hukkuisi häviöihin ?

    Tykkää

  8. Olisi syytä tarkastella tuon hirveää nopeutta pyörivän renkaan hyrrävoimia. Maapallon pyöriminen aiheuttaa valtaisat lisävoimat, se voi vaatia tunnelimaisen ohjauksen eikä vaan ”kellutuksen”. Rengas myös venyy hurjasti keskipakovoiman vuoksi. Radan halkaisija saattaa elää äkkiä arvaamattoman paljon nopeuden muuttuillessa aiheuttaen lisää haastetta maglev-ohjaukselle. Mutta varmaan ovat ottaneet kaiken huomioon ja ratkaisseet haasteet.

    Tykkää

  9. Olettaen, että tuo karuselli leikkaisi kiinni ja koko liikemäärä jollain tapaa räjäyttäisi kalliota taivaalle, niin kyllä siitä varmaan suuri tusaus tulisi. Kannattanee siis rakentaa looppi jonnekin asumattomalle alueelle.

    Jäin Kai miettimään tuota suprajohtavuutta ja jäähdytysasiaa. Vaikka ”juna” on tyhjiössä, olisiko myös magneettien oltava tyhjiössä, vai ei? Ehkä ei.

    Muistaakseni Teraloopin kaverit eivät pitäneet rinkulan omaa energiankulutusta erityisen merkittävänä. Wikipedia tiesi sanoa, että maglev-junan levitointiin kuluu pienillä nopeuksilla vain vähän enemmän energiaa kuin tavallisen sähköjunan kuljettamiseen. Samassa Wikiartikkelissa arvataan, että suurilla nopeuksilla kitkan poistuminen johtaisi normijunaa tehokkaampaan toimintaan. https://en.wikipedia.org/wiki/Maglev

    Tykkää

  10. Hyviä pointteja!

    Renkaan liikuttaminen ei ole teoriassa vaikeaa. Sen voidaan ajatella olevan ikään kuin sähkömoottorin/generaattorin roottori. Samoin kuin maglev-junassa magneettirata toimii lineaarimoottorina, sama periaate toimisi varmasti Teraloopissa.

    Hyrrävoimaa en tullutkaan ajatelleeksi. Kyllä sekin pitää tarkastella, aiheuttaako ongelmia vai ei. Käsittääkseni keskihakukiihtyvyys (=”keskipakovoima”) on tässä domonoiva. Jos halkaisijaltaan 5 km rataa ajetaan 4700 km/h, muodostuu keskihakukiihtyvyydeksi 70 G, eli yksi 40 tonninen ”vaunu”, massa mainitaan patenttihakemuksessa, se kohdistaisi rataan 40 x 70 = 2800 tonnia. Tuo olisi siis yhden ”vaunun” tarvittava ”levitaatiovoima”. Rakennetut maglev-junat painavat luokka sata tonnia per vaunu.

    Hollantilaisilla oli vauhtia ”vain” 2000 km/g. Kiintyvyys olisi silloin vain 12,5 G, mutta niillä oli massaa enemmän.

    En tunne magnetistmia, tai maglev- saati suprajohdetekniikkaa tarpeeksi, jotta lähitisin väittämään mitään. Oletan kuitenkin, että rakennetaanpa se miten tahansa, myös siinä liikkuvassa massassa syntyy häviöitä, jotka muuttuvat lämmöksi. Tyhjöstä lämmön poistaminen asettaa omat haasteensa, koska konvektiota ei voi käyttää, ja säteilylämmönsiirto odellyttää melko korkeita lämpötiloja.

    Käytän nyt haivainnollisuuden vuoksi viheellisesti tonneja kuvaamaan voimaa. Newton olisi oikea voiman yksikkö, mutta itse olen tottunut ajattelemaan tällä tavalla ”väärin”.

    Tykkää

  11. Noista uutisteksteistä poimittu: ”Vaunut leijuvat tyhjiössä magneettien varassa, minkä takia häviöt jäävät pieniksi. Teraloop tavoittelee varastolleen 70–75 prosentin hyötysuhdetta.”

    25..30 % sisään ladatusta energiasta muuttuu lämmöksi, osa siitä aivan varmasti tyhjön puolella.

    Tykkää

  12. Teran ja Gigan ero on tonni. Menevät helposti sekaisin kuten edellä:
    – 22 000 tonninen junan energiasisältö 260 km/h eli 72 m/s vauhdilla on 16 000 MWh eli 16 GWh. Vauhti vähän kasvaa jos pitää TWh tasoille yltää…
    – 70 tonnisen massan vauhti 4600 km/h riittää 16 GWh energiaan, poikien patentista.
    – hollantilaisten 20 000 MWh eli 20 GWh eli 8h*2,5 GW eli 48h*400 MW vastaa 460 tonnista junaa eli reilu 10 vaunua, nopeudella 2000 km/h eli 556 m/s. Tämä kuulostaa sinänsä ihan realistiselta.

    turhat nollat vain edessä, ei koskaan takana…:). Saattaa olla johtopäätöstenkin reivaamisen paikka.

    Tykkää

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s