Natrium-ioni-akut (SIB), nouseva energian varastointiratkaisu, ovat eräänlainen ladattava akku, joka perustuu natrium-ionien liikkeeseen positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä lataus- ja purkausprosessien aikana. Ne toimivat "keinutuoli"-mekanismin perusteella, joka on samanlainen kuin litiumioniakut. Latauksen aikana natriumionit (Na+) uutetaan positiivisesta elektrodista (katodista), kulkeutuvat elektrolyytin läpi ja asettuvat negatiiviseen elektrodiin (anodiin). Samanaikaisesti elektronit virtaavat ulkoisen piirin kautta katodista anodille varauksen neutraalisuuden ylläpitämiseksi. Purkautuessaan natriumionit siirtyvät takaisin anodilta katodille ja elektronit virtaavat vastakkaiseen suuntaan ulkoisen piirin läpi tuottaen sähköenergiaa. Esimerkiksi tyypillisessä natrium-ioni-akkujärjestelmässä katodi voi olla valmistettu natriumia sisältävästä siirtymämetallioksidista, kuten NaCoO₂, ja anodi voisi olla kovahiilipohjaista materiaalia. Akun latautuessa natriumionit poistuvat NaCoO₂-katodista ja löytävät tiensä kovahiilianodiin varastoimaan energiaa prosessissa.
Tämä artikkeli keskittyy natrium-ioni-akkujen sovellustrendeihin ja etuihin kahdella erityisalueella: aurinkokatuvalot ja moottoripyörien käynnistysakut. Natrium-ioni-akkujen huomattava suorituskyky korkeissa ja matalissa lämpötiloissa antaa niille kyvyn toimia tehokkaasti monenlaisissa ympäristölämpötiloissa äärimmäisen kylmistä alueista paahtavan kuumille alueille. Niiden ainutlaatuinen ominaisuus, että ne voidaan varastoida ja kuljettaa 0 V jännitteellä, ei pelkästään yksinkertaista logistiikkaa, vaan myös lisää turvallisuutta käsittelyn aikana. Näillä ominaisuuksilla on suuri merkitys aurinkokatuvalojen ja moottoripyörien käynnistysakkujen yhteydessä, sillä ne voivat voittaa eri käyttöympäristöjen ja varastointiolosuhteiden aiheuttamat haasteet ja niiden odotetaan tuovan uusia kehitysmahdollisuuksia näille kahdelle sovellusalueelle.
Aurinkokatuvalomarkkinat ovat kasvaneet merkittävästi viime vuosina. Markkinatutkimuksen mukaan globaalien aurinkokatuvalomarkkinoiden koon arvo on viime vuosina ollut merkittävä, ja sen ennustetaan kasvavan 15 %:n vuosikasvulla (CAGR) ennustejaksolla. Vuonna 2023 markkinoiden koko saavutti 150 miljardia dollaria, ja sen odotetaan kasvavan edelleen lisääntyvien uusiutuvan energian infrastruktuuriin tehtävien investointien ansiosta erityisesti kehitysmaissa. Esimerkiksi Intian ja joidenkin Afrikan maiden kaltaisissa maissa hallituksen johtamat maaseudun sähköistämistä ja älykkäitä kaupunkiprojekteja koskevat aloitteet lisäävät aurinkoisten katuvalojen kysyntää.
Nykyisillä aurinkokatuvaloissa käytetyillä akkutekniikoilla on kuitenkin useita rajoituksia. Perinteisillä lyijyakuilla, joita käytetään edelleen yleisesti joissakin aurinkokatuvalojärjestelmissä, on suhteellisen lyhyt käyttöikä, tyypillisesti 300-500 sykliä. Niillä on myös alhainen energiatiheys, mikä tarkoittaa, että ne tarvitsevat suurempia ja raskaampia akkuja varastoidakseen saman energiamäärän edistyneempiin akkukemioihin verrattuna. Tämä ei ainoastaan lisää asennus- ja ylläpitokustannuksia, vaan myös rajoittaa aurinkokatuvalaistuksen kokonaistehokkuutta. Litiumioniakut, vaikkakin edistyneempiä, kohtaavat ongelmia, kuten korkeita kustannuksia, erityisesti litiumresurssien niukkuuden ja korkean hinnan vuoksi. Lisäksi niiden suorituskyky heikkenee merkittävästi äärimmäisissä lämpötiloissa, sekä korkeissa että matalissa. Kylmillä alueilla litiumioniakkujen kapasiteetti voi laskea jopa 30 - 50 % alle -20 °C:n lämpötiloissa, mikä vähentää aurinkoisten katuvalojen valaistusaikaa ja luotettavuutta.
Natrium-ioni-akuilla on erinomainen suorituskyky korkeissa ja matalissa lämpötiloissa, mikä on ratkaisevan tärkeää erilaisissa ilmasto-olosuhteissa toimiville aurinkokatuvalaisimille. Nämä akut voivat toimia tehokkaasti laajalla lämpötila-alueella äärimmäisen kylmistä alueista, joiden lämpötila on niinkin alhainen kuin -40 °C, kuumille alueille, joiden lämpötila on jopa 80 °C. Kylmissä ilmastoissa natriumionien liikkuvuus akun rakenteessa vaikuttaa vähemmän kuin litiumioniakut. Tämän seurauksena akun kapasiteetin säilyvyys pysyy suhteellisen korkeana. Esimerkiksi -20 °C:ssa hyvin suunniteltu natrium-ioni-akku pystyy ylläpitämään yli 85 % huoneen lämpötilakapasiteetistaan, mikä varmistaa, että aurinkokatuvalot voivat tarjota tasaisen valaistuksen jopa ankarina talvina.
Natrium-ioni-akut osoittavat myös parempaa vakautta korkeissa lämpötiloissa. Ne ovat vähemmän alttiita lämmön karkaamiselle, vaaralliselle tilalle, jossa akku ylikuumenee ja voi mahdollisesti syttyä tuleen tai räjähtää, mikä on huolenaihe litiumioniakkuille korkeissa lämpötiloissa. Tämä korkean ja matalan lämpötilan sietokyky varmistaa, että natrium-ioni-akuilla varustetut aurinkokatuvalot voivat toimia luotettavasti ympäri vuoden paikallisesta ilmastosta riippumatta, mikä lisää valaistusjärjestelmän kokonaistehokkuutta ja käyttöikää.
Natrium-ioni-akkujen ainutlaatuinen ominaisuus, että niitä voidaan säilyttää ja kuljettaa 0 V jännitteellä, tuo merkittäviä etuja aurinkokatuvaloteollisuudelle. Perinteisessä aurinkokatuvalaisimien, erityisesti litiumioniakkujen, akkujen varastoinnissa ja kuljetuksessa ne on säilytettävä tietyssä latauksessa (SOC), jotta akkukennoja ei vaurioidu. Tämä vaatii huolellista seurantaa ja hallintaa varastoinnin ja kuljetuksen aikana, mikä lisää monimutkaisuutta ja lisää kustannuksia.
Natrium-ioni-akkuja voidaan kuitenkin säilyttää ja kuljettaa 0 V jännitteellä, mikä yksinkertaistaa logistiikkaprosessia. Monimutkaista lataus- ja purkuhallintaa ei tarvita ennen varastointia tai kuljetuksen jälkeen. Tämä ei ainoastaan vähennä akun vaurioitumisriskiä varastoinnin ja kuljetuksen aikana, vaan myös alentaa niihin liittyviä kustannuksia, kuten tarvetta erikoissäilytystiloihin ja kuljetusvälineisiin akun SOC-arvon ylläpitämiseksi. Tämä 0 V:n varastointi- ja kuljetusominaisuus voi säästää huomattavasti aikaa ja rahaa suurissa aurinkoenergian katuvaloasennusprojekteissa, joissa suuri määrä akkuja on kuljetettava eri paikkoihin.
Kustannustehokkuus on yksi aurinkoisten katuvalojen natrium-ioni-akkujen tärkeimmistä eduista. Natrium on runsas alkuaine, joka on laajalti levinnyt maankuoressa, ja sen louhinta- ja tuotantokustannukset ovat suhteellisen alhaiset litiumiin verrattuna. Natrium-ioni-akkujen valmistusprosessilla on myös potentiaalia olla kustannustehokkaampi yksinkertaisuutensa ansiosta. Tämän seurauksena natrium-ioni-akkujen kokonaiskustannukset voivat olla huomattavasti alhaisemmat kuin litiumioniakkujen, mikä on ratkaiseva tekijä kustannusherkillä aurinkokatuvalomarkkinoilla. Alhaisemmat akkukustannukset voivat johtaa aurinkoisten katuvalojärjestelmien kokonaiskustannusten alenemiseen, mikä tekee niistä edullisempia laajalle käyttöönotolle, erityisesti kehittyvillä alueilla, joilla on budjettirajoituksia.
Natrium-ioni-akut voivat saavuttaa suhteellisen pitkän käyttöiän, tyypillisesti 1000-2000 syklin. Tämä on paljon pidempi kuin perinteiset lyijyakut. Pidempi käyttöikä tarkoittaa, että aurinkokatuvalot tarvitsevat harvemmin paristojen vaihtoa, mikä vähentää valaistusjärjestelmän ylläpitokustannuksia ja seisokkeja. Jos esimerkiksi aurinkokatuvalojärjestelmän odotetaan toimivan 10–15 vuotta, natrium-ioni-akku, jonka käyttöikä on pitkä, voi varmistaa vakaan suorituskyvyn koko tämän ajanjakson ajan ilman, että akkuja tarvitsee vaihtaa usein, mikä ei pidä paikkaansa lyhyemmän käyttöiän akkujen, kuten lyijyakkujen, tapauksessa.
Lisäksi natrium-ioni-akut ovat ympäristöystävällisempiä. Niiden valmistuksessa käytetyt materiaalit ovat yleensä myrkyttömiä ja ympäristölle vähemmän haitallisia verrattuna joihinkin perinteisten akkujen raskasmetalleihin ja myrkyllisiin aineisiin. Tämä vastaa kestävien ja vihreiden energiaratkaisujen kasvavaa maailmanlaajuista painotusta, mikä tekee natrium-ioni-akuista houkuttelevan vaihtoehdon aurinkoenergian katuvalosovelluksiin ympäristön kannalta.
Natrium-ioni-akkujen käytön aurinkokatuvalaisimien markkinoilla odotetaan olevan merkittävä nousutrendi tulevina vuosina. Teknologian kypsyessä ja kustannustehokkuuden parantuessa natrium-ioni-akuilla varustettujen aurinkokatuvalaisimien markkinaosuuden ennustetaan kasvavan tasaisesti. On arvioitu, että seuraavien 5-10 vuoden aikana natrium-ioni-akkukäyttöisten aurinkokatuvalojen markkinaosuus voi nousta 30 prosenttiin korvaamalla asteittain joitain perinteisiä akkukäyttöisiä aurinkokatuvalaisimia.
Aurinkoenergian katuvalaisimien käyttöalue natrium-ioni-akuilla myös todennäköisesti laajenee. Tällä hetkellä aurinkoenergiaa käyttäviä katuvaloja käytetään pääasiassa kaupunkien teillä, puistoissa ja joillakin maaseutualueilla. Tulevaisuudessa älykkäiden kaupunkien konseptien kehittämisen myötä natrium-ioni-akkukäyttöiset aurinkokatuvalot voitaisiin integroida monimutkaisempiin kaupunkien infrastruktuurijärjestelmiin. Ne voidaan varustaa antureilla ympäristön seurantaan, liikennevirtojen seurantaan ja muihin toimintoihin, ja niistä tulee tärkeä osa esineiden Internetiä (IoT) kaupungeissa. Lisäksi syrjäisillä alueilla, joilla on rajoitettu pääsy sähköverkkoihin, kuten aavikot, vuoret ja saaret, natrium-ioni-akkujen luotettava suorituskyky eri ympäristöissä tekee aurinkokatuvalaisimista näillä akuilla ihanteellisen valinnan valaistusratkaisujen tarjoamiseen, mikä laajentaa edelleen markkinapotentiaalia.
