Varmebatterier modnes hurtigt uden behov for minedrift af metaller

Storskala energilagring nødvendig

Der er et stigende behov for batterisystemer, der kan holde store mængder energi i flere timer eller dage. Dette skyldes, at sol- og vindenergi er intermitterende og varierer gennem dagen og fra dag til dag.

En anden faktor er energiefterspørgslen fra industrielle processer, såsom metallurgi. Disse fabrikker har brug for strøm døgnet rundt, typisk for at generere store mængder varme i området 1.000-1.500°C.

At bruge lithium‑ion‑batterier som i elbiler er usandsynligt en løsning, der fungerer i stor skala. De er simpelthen for dyre, ikke holdbare nok og forbruger for mange råmaterialer.

Dette er grunden til, at mange forskellige alternative batterikemi har overvejes til energilagring i stor skala. Vi ser på de fleste af disse muligheder i vores artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“, herunder lithium‑jern‑fosfat, natrium‑ion, redox‑flow, jern‑luft, smeltet metal, nikkel‑hydrogen, natrium‑svovl osv.

Alle disse batterier lagrer energi i form af elektricitet på den ene eller anden måde, typisk gennem oxidation og reduktion af et metal.

Problemet er, at selv meget almindelige metaller som jern eller aluminium stadig ville kræve omfattende minedrift. Så hvad hvis vi lagrer energi i en anden form?

Lagring af varme

Der er overraskende mange muligheder for at lagre energi uden at bruge elektricitet som lagringsmiddel. Vi så nærmere på dem i “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“. Disse muligheder omfatter:

• Komprimeret luft.
• Tyngdekraftbatterier (sten, pumpet vandkraft).
• Varmebatterier.
• Flyhjul.
• Termisk solenergi.

Hver af disse muligheder, både batterier og ikke‑batterier, har fordele og ulemper. Den ideelle energilagringsløsning ville opfylde nogle få karakteristika:

• Ingen behov for metal og sjældne materialer.
• Langtidsenergilagring.
• Lav pris.
• Let skalerbar uden begrænsning på tilgængelige steder eller ressourcer.
• Kan bruges som elektricitet med minimale tab.

For de første 4‑5 elementer ville varmeopbevaring opfylde kravene. Sandbatterier, som dem fra det finske firma Polar Night Energy, kan lagre overskydende energi fra sommeren til vinteren, hvilket er nødvendigt for at drive opvarmningssystemerne i de kolde og solløse vintre i Norden med vedvarende energi. Og de bruger kun lavkvalitetssand og lidt metal til ramme og rør.

Kilde: Polar Night Energy

Et lignende varmebatteri er forestillet af Rondo Energy, med mursten der kan opvarmes til op til 1500°C, hvor varmen bruges til industrielle processer som cement- eller stålproduktion.

Disse varmebatterier fungerer godt, når det ønskede produkt først skal opvarmes, uanset om det er fjernvarme til lejligheder eller industriel varme.

Kilde: Rondo Energy

Dog blev varmebatterier betragtet som en dårlig løsning til at levere energi til nettet, da effektiviteten ved at omdanne varme tilbage til elektricitet normalt ligger i det lave interval 20‑30 %. Det betyder, at op til fire femtedeler af den “lagrede” energi faktisk går tabt. Eller, med andre ord, er den lagrede energi pludselig fem gange dyrere end da den blev produceret.

Selv med solenergi, der nu er på niveau med fossile brændstoffer, er den stadig langt fra at være fem gange billigere. Dette problem kan dog kun være midlertidigt, med innovation inden for en teknologi kaldet termofotovoltaik.

Termofotovoltaiske celler – Fotovoltaik, men med varme

Termofotovoltaik er idéen om at skabe strøm på en lignende måde som traditionel fotovoltaik, men med varme i stedet for sollys – eller mere præcist, infrarødt lys udsendt af opvarmede materialer.

I et traditionelt fotovoltaisk panel er enhver lysfrekvens under en vis tærskel ikke energisk nok til at skabe en strøm og går til spilde. Dette gælder al infrarød stråling, da de elektromagnetiske bølger har for lav energi.

Dette er ikke en ny teknologi i sig selv, men den har altid lidt under for lav effektivitet til at blive udbredt. Det var tilfældet indtil den nylige præstation af forskere ved University of Michigan, som offentliggjorde deres resultater i en videnskabelig publikation med titlen “High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells“.

De hævder, at de har opnået en rekord på 44 % effektivitet ved temperaturer under 1.500 °C, hvilket er meget højere end tidligere resultater, som kun nåede 37 %.

Og forskerne mener, at de har en metode til at nå 50 % “i den ikke så fjerne fremtid”.

Kilde: Cell

Hvordan fungerer termofotovoltaiske celler?

Først skal lagermaterialet, som kan være sten, sand, kul, mursten, keramik osv., opvarmes, enten med overskydende elektricitet fra vedvarende energikilder eller direkte solvarme.

Ved 1.435 °C har omkring 20‑30 % af de infrarøde fotoner, den udsender, tilstrækkelig energi til at generere elektricitet i forskerholdets termofotovoltaiske celler.

Kilde: Design Boom

De andre infrarøde frekvenser kunne ikke omdannes til elektricitet med den halvleder, der anvendes i termofotovoltaikpanelet.

Så, hvordan nåede de 44 % derfra? Det geniale “trick” var at tilføje et tyndt lag luft til den termofotovoltaiske celle lige uden for halvlederen og en guldreflektor bag luftspalten.

Dette holdt fotonerne med den rette energiniveau fanget og klar til at producere elektricitet. De andre blev sendt tilbage mod det opvarmede materiale, så de blev opvarmet igen. De kunne derefter få en ny chance for at blive sendt mod den termofotovoltaiske celle med den korrekte lysfrekvens.

Essentielt tillader det cellen at genanvende det, den ikke fangede første gang, hvilket øger den samlede konverteringseffektivitet.

Fremtidige varmebatterier

En effektivitet på 44 % eller endda 50 % kan måske ikke synes så imponerende sammenlignet med pumpet vandkraft (70‑85 %) eller lithium‑ion‑batterier (85‑95 %).

Kilde: EESI

Men dette ville overse, at masseudrulning af energilagring i stor skala har lige så meget at gøre med økonomi som med teknologi.

Batterier har en levetid målt i år, før de skal genanvendes. Der er simpelthen ikke nok lithium og endnu mindre kobber, nikkel eller kobolt til at implementere dem i den skala, især da størstedelen af denne metalproduktion allerede er nødvendig til elbiler.

I modsætning hertil kan varmebatterier holde i årtier med lidt eller ingen vedligeholdelse. De kræver næsten ingen materialer ud over sten, sand eller ler. De kan bygges hvor som helst og i enhver størrelse, endda virkelig gigantiske, med næsten ingen påvirkning af økosystemerne, i modsætning til vandkraft.

Endelig er varme en af de mest effektive metoder, når energi skal lagres i uger og måneder, da praktisk talt alle typer batterier “tapper” strøm over tid med en meget højere hastighed end et velisoleret varmelagringssystem.

“Det er en form for batteri, men en meget passiv en. Du behøver ikke at udvinde lithium som du gør med elektrokemiske celler, hvilket betyder, at du ikke skal konkurrere med elbilmarkedet.

I modsætning til pumpet vand til vandkraftenergilagring kan du placere det hvor som helst og behøver ikke en vandkilde i nærheden,”

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

Så, samlet set kan et varmebatteri være den perfekte energilagringsløsning til at udjævne vedvarende energis intermitterende karakter. Og endda lagre overskydende energi fra de blæsende eller solrige måneder til vinteren i tempererede klimaer, eller til regntiden i tropiske klimaer.

Varmeopbevaring / Thermofotovoltaiske virksomheder

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow er en gren af II-VI Inc., en brancheleder inden for (i øjeblikket ret lille) feltet for produktion af termofotovoltaiske celler. I 2022 købte II-VI Inc. laserproducenten Coherent Inc. (COHR ) og ændrede derefter sit firmanavn.

Virksomheden er ekspert i avancerede materialer, der anvendes i laser, optik og fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxial wafer og galliumarsenid. Den voksede i høj grad takket være flere opkøb i løbet af det sidste årti.

Kilde: Coherent

Virksomhedens termofotovoltaiske aktivitet udgør kun en lille del af dens samlede omsætning, hvor optisk fiber, laser og andre udgør hovedparten af indtægterne. Dette kan dog være gode nyheder for investorer, da det også betyder, at den har kapitalen til hurtigt at implementere ny teknologi i industriel skala, hvis innovation åbner nye markeder.

Kilde: Coherent

For eksempel det enorme marked for energilagring i stor skala til overskydende vedvarende energi…

Da Michigan University har “ansøgt om patentrettigheder (…) og søger partnere til at bringe teknologien på markedet“, ville det ikke være overraskende, hvis et firma som Coherent ender med at bringe de nye termofotovoltaiske celler på markedet. Især i betragtning af deres allerede eksisterende ekspertise inden for industriel produktion af termofotovoltaik og lignende avancerede materialer.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

De termofotovoltaiske celler, der blev brugt af forskerne fra Michigan University, blev fremstillet med InGaAsP (indium‑gallium‑arsenid‑fosfid).

Så undersøger vi, om oversættelse af luftbro‑arkitekturen fra ternære til kvaternære gruppe III–V-absorbere (InGaAsP lattice-matched til InP-underlag) kan forbedre effektiviteten inden for det ønskede temperaturinterval for emitteren.

Hvis denne teknologi bliver et standardformat for energilagring i stor skala, vil vi have brug for InGaAsP, og i store mængder.

Så ville det give mening i dette scenarie at satse på det firma, der i 30 år har været førende inden for produktion af InGaAsP, den japanske konglomerat Sumitomo.

I mere end 30 år har Semiconductor Division af Sumitomo Electric opretholdt sin førende position som verdens største producent af galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid (InP).

Navnet Sumitomo er blevet synonymt med kvalitet inden for III‑V-materialer. Sumitomo Electric opnåede dette ry ved at levere sine globale kunder overlegen kvalitet på substrater, hvilket resulterer i højere udbytter og enheder med konsistente elektriske egenskaber.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries, og dens afdeling for sammensatte halvledere, er afdelingen af den større Sumitomo-koncernen, en af de største verdensomspændende sōgō shōsha (generelle handelsvirksomheder).

Udover InGaAsP er Sumitomo Electric Industries’ hovedaktivitet at producere:

• Telekommunikationsudstyr (optisk fiber, 5G)
• Billedninger og højeffektkabler
• Elektronik (fleksible trykte kredsløb, datakabler, filtreringsmembraner)
• Højkvalitetsmaterialer (karbid, skæreværktøj, forspændt stålfiber).

Kilde: Sumitomo

Ekspertisen i masseproduktion af høj kvalitet, lederskabet inden for InGaAsP-produktion og forretningsforbindelserne, der følger med at være en del af en sōgō shōsha / generel handelsvirksomhed, bør sikre, at Sumitomo Electric Industries bliver en af de vigtigste modtagere af en masseadoption af termofotovoltaik.

Væksten bør også være god for telekommunikation (digitalisering, AI) og elbilers tilhørende produkter (kabler, ledninger), som begge er hastigt voksende sektorer.