Ikke‑kemiske alternativer til batterier for energiovergangen

Er batterier den rigtige idé?

Den foretrukne tilgang til at fjerne fossile brændstoffer fra industrialiserede økonomier har været elektrificering. Målet er at erstatte ICE‑køretøjer (intern forbrændingsmotor) med EV’er (elektriske køretøjer) og producere varme med varmepumper i stedet for forbrænding. Det er noget, vi har undersøgt i detaljer i vores artikel “Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi”.

Problemet er, at for at denne ændring virkelig skal være ‘grøn’, skal elektriciteten komme fra vedvarende eller bæredygtige kilder – som, afhængigt af hvem man spørger, kan inkludere atomkraft.

I begge tilfælde betyder ændringer i elforbruget i løbet af dagen og årstiderne, at man skal bygge en masse reservekapacitet, som vil stå ubrugt det meste af tiden. Dette gælder især ved vedvarende energi, da solenergi underpræsterer i kolde og skyede vintre, og vind kan holde op med at blæse i flere uger ad gangen.

Der er derfor et akut behov for langtidsenergilagring. En løsning kan være netskala‑batterier, der udnytter nye kemier, som giver lavere omkostninger eller andre fordele. Det har vi undersøgt i detaljer i vores artikel “Fremtiden for energilagring – Net‑skala batteriteknologi“. En anden mulighed er at producere en form for flydende brændstof, som kan lagres, indtil vi har brug for det, f.eks. flydende hydrogen eller flydende ammoniak, noget vi har uddybet i vores artikler “Den anden brintbrændstof – Top 5 grønne ammoniak‑aktier” og “Algal biobrændstof: Den næste energirevolution?”.

Men hvad hvis den rigtige måde at lagre energi i dage, uger, måneder eller endda år ikke var batterier? I denne artikel vil vi se på alle de ikke‑kemiske muligheder for energilagring.

Komprimeret luft

Fordelene ved komprimeret luft

Komprimering af luft kræver meget energi. Den samme energi kan delvist indsamles igen, når den lagrede luft udvides.

En vigtig fordel ved denne teknik er, at den kun bruger mekaniske dele som rør, pumper og tanke, som kun kræver simple materialer som stål, i stedet for sjældne materialer som sjældne jordarter, kobolt, lithium osv. Den kan endda baseres på et udtømt naturgassæde, som giver en enorm “tank” til meget lav pris. Og naturligvis er luft en fuldstændig gratis og tilgængelig ressource overalt.

Source: Electricity Forum

En anden fordel er, at komprimering af luft er en velkendt teknologi med en meget veletableret forsyningskæde, som hurtigt kan skaleres op, hvis det er nødvendigt. Det er også et system, der kan lagre energi i meget lang tid med minimale eller ingen tab.

Ulemperne ved komprimeret luft

Et centralt problem med at gøre komprimeret luft effektiv er et fysisk fænomen, der opstår, når man komprimerer en gas. Der genereres varme under kompressionen. Denne varme skal normalt afledes for at undgå skader på kompressionssystemet, hvilket betyder tab af energi. Luften køler også ned ved udvidelse og kræver ofte opvarmningssystemer.

30‑40 % af energien kan gå tabt på grund af dette. Det kan være endnu værre for mindre effektive designs. Indtil videre er den bedste effektivitet i stor skala opnået i Kina med 30 % tab, ved det 400 MWh Zhangjiakou‑anlæg designet af den kinesiske akademi for videnskab.

Så selvom komprimeret luft kan være en acceptabel mulighed for billig langtidslagring mellem sæsonerne, er de uundgåelige tab på over 30 % en byrde for systemets økonomi. Kun hvis den varme, der produceres under kompression, kan genanvendes i en anden proces, kan disse systemer blive virkelig effektive.

Tyngdekraftbatterier

I fysikken betragtes ethvert objekt, der bevæger sig opad, som at opnå et højere niveau af “potentiel energi”. Denne energi manifesterer sig som nedadgående bevægelse, så snart objektet får lov til at falde. Ud fra dette faktum opstod idéen om at bruge tyngdekraften til at lagre energi.

Pumpet hydro

Dette er den mest anvendte form for net‑skala energilagring i dag og udgjorde 90 % af den globale netkapacitet i 2020 ifølge Department of Energy Global Energy Storage Database.

Vandkraftproduktion udnytter energipotentialet i vand fra nedbør, lagrer det bag dæmninger og frigiver det for at producere strøm. Pumpet hydro bruger elektricitet til at pumpe vandet tilbage op til vandkraftværket.

Lagringsdæmningen kan også bygges udelukkende til pumpelagring og kræver kun et bakket terræn i modsætning til store vandkraftdæmninger, der ofte kræver bjergterræn. Alternativt kan et underjordisk reservoir også anvendes.

Source: Energy.gov

Energitabene ligger generelt i området 20‑30 %. Lagringen kan vare i flere måneder med begrænsede tab, i hvert fald i regioner, der ikke er for varme. Kapitalbehovet kan være ret stort, men pumpet‑hydro‑anlæg er også ekstremt langtidsholdbare.

Energitabene ligger generelt i området 20‑30 %. Lagringen kan vare i flere måneder med begrænsede tab, i hvert fald i regioner, der ikke er for varme. Kapitalbehovet kan være ret stort, men pumpet‑hydro‑anlæg er også ekstremt langtidsholdbare.

En interessant idé, som kun er blevet diskuteret men aldrig testet i stor skala, er at bruge elektrolyse til at omdanne vandet i lavere højde til brint. Denne brint, lettere end luft, ledes så opad “energifrit”. Den omdannes derefter tilbage til vand (hvorved en del af den energi, der blev brugt til elektrolysen, returneres). Det vand producerer igen strøm, når det falder ned gennem en vandkraftturbine.

Selvom den potentielt har en meget bedre samlet effektivitet end pumpet hydro, kan størrelsen af de nødvendige elektrolyseanlæg gøre systemet stadig ret dyrt.

Beton-/klippe-energilagring

Vand er ikke det eneste, der kan lagres for at akkumulere energi med tyngdekraften. Sten, betonblokke og andre ultra‑tunge genstande kan også anvendes.

I dette tilfælde er den nødvendige teknologi endnu enklere end ved pumpet hydro, da den primært bygger på kraner og generatorer til at lagre energien og producere den igen. Kraner og sten er heller ikke sjældne materialer.

Den store fordel ved disse systemer er deres effektivitet. De fleste energitab i pumpet hydro skyldes turbulens i vandet, hvilket reducerer pumpens effektivitet. I modsætning hertil kan kraner og kabler give tab så lave som 15 % (en fjerdedel færre tab end ved pumpet hydro).

I øjeblikket har virksomhederne Gravitricity og Energy Vault (NRGV ) (NYSE – NRGV) presset på for disse koncepter.

Gravitricity genbruger forladte minedrev for at få adgang til allerede eksisterende og let håndterbare brønde på flere hundrede meters dybde til at lagre energi med sit GraviStore‑system.

Energy Vault sigter i stedet mod dedikerede konstruktioner, hvor blokke bevæger sig op og ned afhængigt af energiefterspørgslen.

Med hundredtusinder af minesider over hele verden kan dette have et langt større potentiale, end mange indser, og drage fordel af, at infrastrukturen allerede findes. Virksomheden ser på et partnerskab med den svenske industrigigant ABB for at færdiggøre sin teknologiske udvikling samt få adgang til ABB’s enorme kundebase inden for minedrift.

Source: ABB

Begrænsningen ved “solid energilagring” med tyngdekraft er, at den energi, der lagres på blot nogle få titusinder eller hundrede meter, ikke er særlig stor. En mulighed er simpelthen at have nok af det, som hundredtusinder af minedrev som Gravitricity, eller massive dedikerede “lagre” som Energy Vault.

En anden mulighed er at have meget større dybde. Til det kan dybhavsbunde nær kysten være en mulighed. En flydende platform kan stå over et sådant område og sænke eller løfte en vægt over flere tusinde meter. Dette koncept kaldes Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Et firma, der arbejder på dette koncept, er den franske startup Sink Float Solutions.

Source: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions hævder et potentiale på op til 80 % effektivitet og meget lave omkostninger.

“I øjeblikket kan offshore‑kraner med den største løftekapacitet løfte masser på 4000 ton, hvilket ved en vertikal hastighed på 20 km/t svarer til en effekt på 200 MW. Flere vinsjer på samme sted kan anvendes parallelt.”

Den faktiske økonomi for disse systemer vil i høj grad afhænge af deres holdbarhed, hvor korrosion fra havvand på de mekaniske dele er den største bekymring.

Sand-/varmebatterier

Meget elektricitet bruges til at producere varme, enten til industriel brug eller til at holde huse og lejligheder varme om vinteren. I stedet for at lagre elektricitet som et kemisk batteri, søger et sandbatteri at lagre varme direkte.

Ideen er at bygge et stort silo (som dem der bruges til korn), fylde det med sand og tilføje isolering. Sandet varmes derefter op til 400 °C. Da sand har relativt lav varmeledningsevne OG høj termisk masse, kan det lagre EN MASSE energi. Det er også meget modstandsdygtigt og lider ingen skade selv ved så høje temperaturer.

Source: Polar Night Energy

Dette koncept bygger på meget simpel teknologi med standardrør, luftpumper, elektrisk modstand, stål og lavkvalitets sand, som ikke kan bruges til anvendelser som beton.

Lederen inden for denne teknologi er det finske firma Polar Night Energy. Dette er et koncept, der fungerer særligt godt i de nordiske lande med eksisterende fjernvarme, hvor varmt vand til radiatorer produceres centralt for hundreder eller tusinder af lejligheder. Dette er især tilfældet i Skandinavien, Tyskland og de fleste lande i Østeuropa og tidligere USSR‑lande.

Da energitabet er minimalt, kan energien akkumuleres i de lange solrige sommermåneder (som kan vare 20‑24 timer/dag i Finland). Det overskydende fotovoltaiske produktion kan på denne måde lagres for at holde landet varmt om vinteren og reducere den sæsonbestemte spids i elforbruget forårsaget af opvarmningsbehovet.

Vi kan forestille os, at videre iterationer af konceptet kan bruges til at opvarme drivhuse eller basere sig på termiske solsystemer.

Et lignende koncept for et “varmebatteri” udvikles også af Rondo Energy. Disse mursten kan opvarmes til så meget som 1500 °C. På grund af den højere temperatur kan denne anvendelse bruges ikke kun til fjernvarme, men også til industrielle anvendelser som cementproduktion, metallurgi, kemikalier eller minedrift.

Source: Rondo Energy

I mellemtiden arbejder virksomheden Stiesdal også på et varmebatteri, der bruger knuste sten. Netlagringskapaciteten forventes at ligge mellem 10 timer og 10 dage.

Endelig udvikler den store cementproducent Holcim også en løsning, der bygger på cement, som lagrer varme, når den er tør, og frigiver den, når den hydreres. Da cyklussen kan gentages uendeligt, bør den have lave omkostninger over en tilstrækkelig lang periode.

Dette er designet til at lagre overskudsvarme i et industrielt setup. Måske kan det bruges som supplement til en komprimeret station, hvilket reducerer tabet fra luften, der varmes op ved kompression.

Med 300 kW energi pr. kubikmeter densitet kan det lagre meget strøm med nogle få tusinde tons relativt billig og rigelig cement. Kun afsløret i 2022, er konceptet i øjeblikket under udvikling.

Flyhjul

En anden måde at lagre energi på er at holde den i form af mekanisk bevægelse. Flyhjul er sådanne enheder, der lagrer energi ved at rotere et mekanisk hjul i vakuum på et magnetisk leje med hastigheder på op til 20.000 til 50.000 omdrejninger pr. minut. Systemet kan lagre eller afgive energi ved at accelerere eller bremse flyhjulet.

Den største fordel ved disse systemer er, at de reagerer meget hurtigt på blot millisekunder. Så de kan ikke kun lagre energi, men også hjælpe med at stabilisere netfrekvensen, noget der er sværere uden massive centraliserede kraftværker som kul, gas eller atomkraft.

Virksomheder som Siemens Energy (ENR.SW ) (ENR.DE ) har gennemført pilotprojekter med flyhjul, f.eks. i Sydaustralien.

Andre startups arbejder også på dette koncept, såsom Stornetic, med et system, der forventes at holde mindst 20 år og 100.000 opladnings-/afladningscyklusser.

Source: Stornetic

En anden virksomhed er S4 Energy, med 60 MWh i drift eller under konstruktion og en pipeline på 1.050 MWh. Flyhjulens reaktivitet kan også gøre nogle operationer mere effektive, når der er spidser i efterspørgslen, som kranerne i havnen i Rotterdam, hvor et flyhjul bruges til at indsamle energien tilbage, når en belastning sænkes. Virksomhedens flyhjul, KINEXT, er særligt tungt (5 ton) og bevæger sig relativt langsomt (“kun” 1.800 omdrejninger pr. minut), hvilket gør det meget langtidsholdbart, med lave driftsomkostninger og let at vedligeholde. Flyhjulet har kun 8 % tab af den lagrede energi, hvilket er lidt bedre end selv lithium‑ion‑batterier.

Selvom de er meget effektive og reaktive, er den samlede lagrede energi i et flyhjul lavere end andre løsninger i forhold til deres omkostninger, så de vil sandsynligvis forblive begrænset til niche‑applikationer og til netfrekvensstabilitet.

Termisk solenergi

Fotovoltaiske paneler omdanner solstråler direkte til strøm. I sammenligning indsamler et solvarmekraftværk solens varme og koncentrerer den for at producere elektricitet. Da varme er lettere at lagre med en vis inerti, kan sådanne solstationer stadig producere strøm mange timer efter solnedgang, præcis når energiforbruget topper.

Denne idé, som mistede popularitet i takt med den stigende udbytte fra fotovoltaiske paneler, kan få et comeback nu, hvor intermitterende vedvarende energi bliver et større problem, efterhånden som de udgør en større del af energimixet.

Source: Energy.gov

Selvom lovende, har dette koncept historisk været plaget af høje omkostninger. Transport af varmen fra samleren til generatoren har vist sig at være svært, med farlig varme og affalds‑hydrogen som resultat. Et andet design, der bruger smeltede salte, har lidt under lækager og pålidelighedsproblemer.

Det er også problematisk for dyrelivet, da fugle regelmæssigt kan blive brændt af de usynlige og meget koncentrerede solstråler.

I fremtiden kan mindre massive og dermed mindre økologisk forstyrrende designs bringe koncentreret solenergi tilbage i rampelyset.