Yksi maa erottuu edukseen maailmanlaajuisissa energialinjauksissa. Kiina on maailman nälkäisin energiankuluttaja maailmanlaajuisesti – se vaati viime vuonna lähes 3,3 miljardia tonnia öljyä vastaavaa energiamäärää. Vuodesta 2011 lähtien se on polttanut enemmän hiiltä kuin kaikki muut maat yhteensä. Ja sen riippuvuus tästä fossiilisesta polttoaineesta kasvaa: Kiina tuottaa noin neljänneksen maailman kasvihuonekaasupäästöistä, mikä on suurin osuus kaikista maista.

Mutta nämä luvut ovat vain osa tarinaa: Kiina on myös maailman vilkkain tuulivoiman tuottaja, sillä se pystyy tuottamaan tuulivoimaa yli kaksi kertaa enemmän kuin toiseksi suurin tuottaja, Yhdysvallat. Ja sillä on noin kolmannes maailman aurinkoenergian tuotantokapasiteetista, ja se rakensi viime vuonna enemmän järjestelmiä kuin mikään muu maa.

Väestön ja talouden nopea kasvu vuosikymmenten aikana yhdistettynä valtavaan tehdasteollisuuteen ja massamuutto katuvalaistuihin, keskuslämmitteisiin kaupunkeihin ovat tehneet Kiinasta energiannälkäisen kansakunnan. Tunnistaessaan tämän nälän ja vahingot, joita pitkäaikainen riippuvuus fossiilisista polttoaineista aiheuttaisi, Kiinan hallitus on tehnyt suunnitelmia maan energiantarpeen ratkaisemiseksi. Ja tiede ja teknologia – esimerkiksi akkuteknologian, aurinkosähkön ja energianhallinnan aloilla – ovat näiden suunnitelmien ytimessä.

Energian nettotarpeen vähentäminen ei ole osa politiikkaa, vaikka Kiinan energialähteiden yhdistelmä muuttuu. Energiayhtiö BP:n mukaan vuonna 2018 Kiinan osuus maailman energiankulutuksesta oli 24 prosenttia. Yritys arvioi, että vuoteen 2040 mennessä Kiina on edelleen listan kärjessä, ja sen osuus maailman energiankulutuksesta on 22 prosenttia.

Kiina on tehnyt valtavia investointeja uusiutuviin energialähteisiin, sillä se sijoitti 0,9 prosenttia bruttokansantuotteestaan (BKT) alalle vuonna 2015 – kolmanneksi eniten maailmassa Chilen ja Etelä-Afrikan jälkeen, jotka kumpikin sijoittivat 1,4 prosenttia BKT:stä. Silti vain 23 prosenttia Kiinan käyttämästä energiasta on peräisin “puhtaista” energialähteistä (maakaasu mukaan luettuna), kun taas vuonna 2019 lähes 58 prosenttia oli peräisin hiilestä – saastuttavimmasta vaihtoehdosta, joka on edelleen laajamittaisessa käytössä maailmanlaajuisesti. (Suuri osa Kiinan lopusta energiasta tulee öljystä ja ydinvoimasta.)

Toimia saasteiden torjumiseksi

Hiilen ja muiden uusiutumattomien energialähteiden polttamisesta maan energiannälän tyydyttämiseksi on tullut näkyvä ongelma, ja Pekingin kaltaiset suurkaupungit ovat usein peittyneet paksuun savusumuun. Ilmansaasteet kasvoivat niin pahoiksi osissa Kiinaa vuonna 2013, että tiedotusvälineet kutsuivat sitä ilmapokalypseiksi, kun kansalaiset joutuivat kärsimään hiukkaspitoisuuksista, jotka olivat jopa 30 kertaa korkeammat kuin Maailman terveysjärjestön turvalliseksi katsomat pitoisuudet. Ongelman torjuntatoimista huolimatta 48 kiinalaista kaupunkia on edelleen maailman sadan saastuneimman kaupungin joukossa.

Tällaiset saasteiden tasot ovat pakottaneet ryhtymään toimiin. Joulukuussa 2016 Kiinan hallitus esitteli uusiutuvan energian kehittämissuunnitelman täydennyksenä aiemmin samana vuonna julkaistuun yleiseen 13. viisivuotissuunnitelmaan sosiaalisesta ja taloudellisesta kehityksestä, joka kattaa vuodet 2016-2020. Siihen sisältyi sitoumus nostaa uusiutuvien ja muiden kuin fossiilisten polttoaineiden osuus energiankulutuksesta 20 prosenttiin vuoteen 2030 mennessä. Tämä lupaus, lupasi pääministeri Li Keqiang, iskisi raskaita iskuja ilman ja veden saastumisen yhteisiin ongelmiin, jotka johtuvat maan riippuvuudesta hiilestä.

“Halvan aurinko- ja tuulienergian kehittämisestä fossiilisen energian korvaamiseksi on tullut Kiinan keskeinen energiastrategia ilmansaasteiden vähentämiseksi”, sanoo Hong Li, tutkija, joka työskentelee kiinteän olomuodon litiumakkujen parissa Pekingissä sijaitsevassa uusiutuvien energialähteiden avainlaboratoriossa, joka on osa Kiinan tiedeakatemian fysiikan instituuttia. Hong Li, joka osallistuu uusien energiateknologioiden valtakunnallisten suunnitelmien kehittämiseen, huomauttaa myös, että uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähkön määrät – jotka vaihtelevat auringon tai tuulen määrän mukaan – voivat olla vähemmän tasaisia kuin fossiilisten voimalaitosten tuottaman sähkön määrät.

“Aurinko- ja tuulivoiman yhdistäminen sähköverkkoon on vaikeampaa” kuin kivihiilivoiman sisällyttäminen sähköverkkoon, Hong Li sanoo. Uusiutuva energia on “vähemmän luotettavaa, ja se voi tehdä sähköverkosta epävakaan ilman kehittyneitä valvontajärjestelmiä.”

Vuonna 2017 esimerkiksi yli 30 prosenttia aurinkoisissa ja tuulisissa Xinjiangin ja Gansun maakunnissa Luoteis-Kiinassa tuotetusta uusiutuvasta energiasta jäi käyttämättä. Tämä johtui siitä, että sitä ei voitu toimittaa sinne, missä sitä tarvittiin: Itä-Kiinan tiheään asutettuihin megakaupunkeihin, kuten Shanghain ja Pekingin kaupunkeihin, jotka sijaitsevat tuhansien kilometrien päässä (ks. “Vähemmän energiaa hukkaan”).

Tämä dilemma on saanut Kiinan hallituksen investoimaan miljardeja dollareita suurjännitelinjoihin, joiden avulla aurinkoisilla ja tuulisilla alueilla tuotettua sähköä siirretään pitkin Kiinan valtavia alueita. Tähän sisältyy 22,6 miljardin juanin (3,2 miljardin dollarin) arvoinen 1 600 kilometrin pituinen linja Länsi-Kiinan Qinghaissa, joka valmistui toukokuussa. Se kulkee Gansun läpi aina maan keskiosassa sijaitsevaan Henanin maakuntaan asti.

Toinen tapa varmistaa, että uusiutuvaa energiaa on saatavilla silloin, kun sitä tarvitaan, on lisätä sen varastointikapasiteettia. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi akkujen, pumppuvesivoiman ja lämpövarastojen kaltaisilla tekniikoilla, sanoo Hong Kongissa toimivan puhtaan energian konsulttiyrityksen Energy Icebergin perustaja Yuki Yu.

“Akut voivat varastoida ylimääräistä sähköä ja vapauttaa sen myöhemmin. Kiinan virkamiehet ja tutkijat ovat alkaneet ymmärtää tämän merkityksen sähköverkkojemme vakauttamiselle”, sanoo Xianfeng Li, joka johtaa Dalianin kemiallisen fysiikan instituutin (DICP) energiavarastoja käsittelevää osastoa.

Kiina julkaisi vuonna 2017 ensimmäisen energiavarastoja koskevan kansallisen politiikka-asiakirjan, jossa korostettiin tarvetta kehittää halvempia ja turvallisempia akkuja, jotka pystyvät varastoimaan entistä enemmän energiaa, jotta maan kykyä varastoida tuottamaansa sähköä voidaan entisestään kasvattaa (ks. kohta “Kiinan akkujen vauhdittaminen”). Teknologioihin kuuluvat litiumioniakut, joita käytetään sähköajoneuvoissa, sekä tuuli- ja aurinkoenergialähteisiin integroidut suuren mittakaavan kiinteät akkujärjestelmät.

Poliittiset päättäjät ovat suunnitelmissaan tehneet selväksi, että maan tutkijoiden ja insinöörien on kehitettävä tehokkaampia energian varastointitekniikoita, jotta näihin tavoitteisiin päästään (ks. “Vihreän tutkimuksen kasvu”).

Energian varastointi toiminnassa

Liaoningin maakunnassa, Koillis-Kiinassa, sijaitsevassa Dalianin kaupungissa asuu noin seitsemän miljoonaa ihmistä, ja se on Xianfeng Li:n työn testikohde. Talvilämpötilat voivat laskea siellä jopa -20 °C:een, jolloin kaupungin sähköverkkoon kohdistuu paineita tarjota äkillisiä voimakkaita pätkiä, kun asukkaat käynnistävät lämmityksensä, hän sanoo.

Tarvittaessa apua tähän tarpeeseen DICP:stä irrotettu yritys Rongke Power suunnittelee avaavansa 400 megawattitunnin (MWh) energiavarastointilaitoksen Dalianiin tänä vuonna. Se on ensimmäinen vaihe hankkeessa, jonka tavoitteena on 800 MWh:n laitos vuoteen 2023 mennessä, ja siinä käytetään vanadiinivirtausakkuja – valtavia ladattavia laitteita, jotka varastoivat nestemäistä elektrolyyttiä massiivisiin säiliöihin. Lopullisen kapasiteetin pitäisi vastata noin 0,5 prosenttiin koko Liaoningin energiantarpeesta, jossa Dalian on toiseksi suurin kaupunki.

Xianfeng Li sanoo, että hanke pystyy edistämään kaupungin keskeytymätöntä sähköntarjontaa ja samalla varastoimaan ja säätelemään koko provinssin verkkoon tulevaa energiantarjontaa, joka saa 16,2 prosenttia energiastaan uusiutuvista energialähteistä. Maakunnissa on suuria eroja siinä, kuinka suuri osa niiden energiasta tulee uusiutuvista energialähteistä: esimerkiksi Etelä-Kiinan Jiangsun maakunnassa se on 2,7 prosenttia, mutta aurinkoisessa ja harvaan asutussa Sisä-Mongoliassa 30,1 prosenttia. Liaoningin naapurimaista Jilin saa 8 prosenttia energiastaan muista kuin fossiilisista polttoaineista ja Hebei 9,1 prosenttia.

Vanadiumvirtausvirta-akuilla, jollaisia Xianfeng Li testaa Dalianissa, on joitain etuja tavallisiin litiumioniakkuihin verrattuna, kun niitä käytetään laajamittaisissa sovelluksissa, kuten sähköverkkosähköä tuotettaessa: koska vanadiinielektrolyytti varastoidaan tankkiin, sitä voidaan kasvattaa paljon edullisemmin kuin erillisiä litiumioniakkuja. Vanadiiniparistot syttyvät myös harvemmin tuleen, ja niiden käyttöikä on noin kymmenkertainen litiumioniakkuihin verrattuna.

Xianfeng Li sanoo, että viime vuosina hänen vanadiinivirtausakkuja koskevan työnsä rahoitus on kasvanut jyrkästi, ja yritykset ovat olleet kiinnostuneita yhteistyöstä hänen ryhmänsä kanssa. Hän sanoo, että DICP tekee tällä hetkellä yhteistyötä noin 30 yrityksen kanssa, jotka ovat saaneet alkunsa instituutista.

“Yritykset ovat nyt kiinnostuneita kehittämään tätä teknologiaa, koska ne tietävät, että hallitus keskittyy siihen, joten ne uskaltavat investoida”, hän sanoo.

Yu sanoo, että paikallishallinnot ovat nyt innokkaasti tukemassa yrityksiä, jotka rakentavat akkujen varastointilaitoksia. “Aikana, jolloin poliittiset päättäjät etsivät uusia tapoja edistää kasvua alueillaan, akkujen valmistusteollisuus näyttää erittäin lupaavalta, joten hallitukset ovat motivoituneita kannustamaan tämäntyyppisiä investointeja.”

Muutoksen ajaminen

Viisivuotissuunnitelmassa vuosille 2016-20 korostetaan myös tutkijoiden tarvetta jatkaa akkuteknologian kehittämistä, jotta sähköautoja voidaan ajaa pidemmälle yhdellä latauksella. Kiinan myydyimmän sähköauton, Tesla Model 3:n, toimintasäde on noin 400 kilometriä (useimpien nykyaikaisten sähköautojen toimintasäde on 160-600 kilometriä).

“Sähköautojen kehittäminen on toinen tärkeä strategia saasteiden vähentämiseksi, erityisesti silloin, kun sähkö tulee puhtaasta energiasta. Siksi meidän on kehitettävä sähköajoneuvojen akkuteknologiaa”, sanoo Hong Li, joka sanoo huomanneensa energiavarastojen, sähköajoneuvojen ja muiden teknologioiden tutkimusrahoituksen lisääntyneen Kiinassa vuonna 2012. Hän huomauttaa kuitenkin, että maa on vielä jäljessä energian varastointiin liittyvässä perustieteessä verrattuna Yhdysvaltojen ja Euroopan johtaviin laboratorioihin, jotka ovat erinomaisia kemian ja materiaalitieteen perusteiden ymmärtämisessä. Tästä huolimatta Kiina on hänen mukaansa aktiivisempi soveltamaan tätä tietämystä kehittyneiden akkujärjestelmien innovointiin. Ja maan tutkimusympäristön laajuus yliopistoista teollisuusryhmiin on auttanut Kiinan tiedemiehiä saavuttamaan kattavan ymmärryksen siitä, miten materiaaleja ja laitteita kehitetään reaalimaailmaa varten.

Tulevaisuuden suunnittelu

Kiinassa on kehittyneen maailman halvimpia sähkön hintoja (ks. “Sähkön hinta laskee”). Kustannukset määräävät paikallishallinnot, ja ne hyväksyy makrotalouspolitiikkaa valvovan kansallisen kehitys- ja uudistuskomission alainen energiatoimisto. Hinnat pidetään alhaisina talouskasvun edistämiseksi.

Mutta tästä pyrkimyksestä huolimatta maa on alkanut asteittain luopua joistakin puhtaiden polttoaineiden tuista: esimerkiksi maatuulivoiman tuet lopetetaan tämän vuoden jälkeen. Kiinan johtajat toivovat, että uusiutuvista energialähteistä tulee lähitulevaisuudessa taloudellisesti kilpailukykyisiä fossiilisten polttoaineiden kanssa. Vastaus on vahvemman energiavarastoinfrastruktuurin kehittäminen.

Hong Li on neuvonantaja Kiinan kansallisessa energiavarastojen kehittämisen suunnittelukomiteassa. Yhdessä insinöörien ja poliittisten päättäjien kanssa komitea työstää viisivuotista tutkimus- ja kehityssuunnitelmaa, joka alkaa ensi vuonna. Se muun muassa kannustaa tutkijoita kehittämään sähköverkkoon energiavarastointitekniikoita, jotka ovat luonnostaan turvallisempia, halvempia ja pitkäikäisempiä.

Nanjingin ilmailu- ja astronauttiyliopiston energia- ja energiatekniikan laitoksella työskentelevä aurinkoenergiatutkija Xianglei Liu sanoo, että hänen alansa tutkijoille on tarjolla rahoitusta, jotta he voivat parantaa Kiinan puhtaan energian tuotantoa. “Hallituksen kunnianhimoinen tavoite käyttää enemmän puhdasta energiaa tarkoittaa, että rahoitusta on paljon”, Liu sanoo.

Viime vuonna Liu sai esimerkiksi 1,3 miljoonan juanin apurahan Kiinan kansalliselta luonnontieteelliseltä säätiöltä (National Natural Science Foundation of China), maan suurimmalta apurahoja myöntävältä virastolta, parantaakseen aurinkolämpövoimaloissa käytettävien materiaalien lämmönvarastointikapasiteettia, sillä aurinkolämpövoimalat tuottavat sähköä Auringon lämmöllä eivätkä sen valolla kuten aurinkosähköpaneelit tekevät. Viisivuotiseen hankkeeseen osallistuu noin 40 tutkijaa kuudesta akateemisesta laitoksesta eri puolilta Kiinaa. Liu on myös hiljattain alkanut työskennellä Nanjing Jinhe Energy Materials -yrityksen kanssa kehittääkseen materiaalia, jolla on suuri energiavarastointitiheys ja korkea lämmönjohtavuus.

Nanjing Jinhe Energy Materials -yrityksen tutkimus- ja kehitysjohtaja Yi Jin sanoo, että koska hallitus suunnittelee uusiutuviin energialähteisiin erikoistuneiden yritysten tukien vähentämistä, vihreitä voimalaitoksia ylläpitävät yritykset ovat innokkaita hankkimaan tai sijoittamaan teknologiaan, joka lisäisi niiden tuotantoa ja alentaisi tuotantokustannuksia.

“Teknologiamme parantaa uusiutuvan energian vakautta ja siten vähentää voimalaitosten kustannuksia tekemällä niistä tehokkaampia”, Jin sanoo.

Kaiken kaikkiaan Hong Li on toiveikas, että hallituksen investoinnit ja tieteellinen kehitys voittavat. “Kunhan kehitämme oikeanlaista politiikkaa ja teknologiaa niiden tueksi”, hän sanoo, “voimme vähitellen vähentää riippuvuuttamme hiilestä.”