Fremtiden for energilagring – Storskala batteriteknologi

Strømnettet har brug for batterier

Batterier har udviklet sig fra en billig komponent i små elektronik til en dyr nøglekomponent i elbilrevolutionen. Men der er et andet segment udover mobilitet, som kræver en stadigt større mængde batterikapacitet: elnettet.

Vedvarende energikilder vokser som en del af den samlede elproduktion. Men de er også mere uregelmæssige end fossile kraftværker, da de primært producerer strøm, når solen skinner eller vinden blæser. Dette kan være ude af takt med perioderne med højest forbrug, ofte om aftenen eller om vinteren. Elnettet lagrer ikke elektricitet, men skal balancere produktion og forbrug på alle tidspunkter.

Jo mere vedvarende energiproduktion, jo flere batterier vil være nødvendige for at holde elnettet stabilt. Dette er et vigtigt område for nye energiinvesteringer, hvor storskala batteriprojekter er planlagt til at mere end tredoble den nuværende kapacitet inden 2025.

Kilde: EIA

Indtil videre bruger mange af disse batteriparker lithium‑ion‑batterier. Men dette kan ændre sig.

Forskellige behov

Indtil videre har batteriindustrien primært udviklet sig for at imødekomme markedet for små elektronik og elbiler. Dette skyldes, at begge deler lignende krav til den ideelle batteri:

• Lille og let, så med høj energitæthed målt i Wh/kg.
• Fungerer i et “normalt” temperaturområde.
• Ikke ekstremt prisfølsom.
• Kan holde mindst 5‑10 år, med cirka en fuld opladning pr. dag.

For dette specifikke sæt af kriterier har lithium‑ion‑teknologi indtil nu været den bedste batteriteknologi. Dette kan snart ændre sig, med muligheder som faststofbatterier, natrium‑ion‑ eller lithium‑jern‑fosfat (LFP) batterier som potentielle alternativer. Du kan læse mere om det i vores artikel: “Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi“.

Men elnettet / storskala batterier har meget forskellige behov.

• Ingen strenge vægtbegrænsninger. Batterier flytter sig ikke, så en vægt, der ville lamme en elbil, er ikke et problem.
• Ingen strenge pladsbegrænsninger. Batteriparker vil blive bygget på billig jord omkring kraftværker. Der er ingen grund til at pakke dem tæt ind i en computers eller en elbils ramme.
• Høje temperaturer er ikke så problematiske. Hvis en specifik kemi fungerer bedre ved 200 °C, vil det ikke brænde passagererne i en elbil. Dog skal batterierne i de fleste lande kunne tåle koldt vejr, da det ville være meget dyrt at holde dem varme om vinteren. Dette kan lithium‑baserede batterier have svært ved.
• Omkostningen pr. Wh er den vigtigste faktor.
• Jo længere batteriet holder, desto mere kan omkostningerne afskrives over en længere periode, da elselskaber er vant til at investere med en tidshorisont på 30‑40 år.

I betragtning af de meget forskellige behov mellem elbiler og storskala batterier er det ikke overraskende, at nye teknologier og nye batterikemier udvikles for at give mere omkostningseffektive løsninger til energiselskaber og netoperatører.

I praksis kan vi forvente, at flere forskellige energilagringsteknologier “vinder” sammen, da nogle er bedre egnet til øjeblikkelig netbalancering, mens andre passer bedre til forskellige tidsskalaer (timer, uger, hele sæsoner).

Kilde: CleanTech

Selvom denne artikel giver dig et overblik over emnet, vil du måske også læse denne detaljerede rapport fra Ara Ake om stationære energilagringssystemer.

Nye batterikemier til netstorskala anvendelser

EV‑afledte nye kemier

At bygge batterier er et skaleringsspil. De største produktionspartier, med den dybeste forsyningskæde, kan udnytte stordriftsfordele og dermed opnå en billigere pris pr. Wh.

Af denne grund satser en del storskala batterivirksomheder på lavpris‑batterikemier, der allerede anvendes i elbiler, for at erstatte lithium‑ion‑baseret lagring.

LFP‑batterier

En mulighed er LFP (lithium‑jern‑fosfat), en god kandidat til lavpris‑elbatterier, og en batterikemi der ikke er afhængig af dyr kobolt og nikkel. De holder også længere end lithium‑ion, hvilket gør dem endnu mere økonomiske på længere sigt. Dette er allerede tilgængeligt i færdige, storskala løsninger, herunder fra sektorreder som CATL eller BYD.

Natrium‑ion‑batterier

Udover kobolt og nikkel kan lithium selv være meget dyrt til tider, afhængigt af prisudsvingene. Så at erstatte det med den rigelige natrium kan hjælpe med at reducere priserne yderligere. Det er lidt mindre energitæt (Wh/kg) end LFP, men også billigere, så det kan være en endnu bedre kandidat til en batterikemi, der kan fungere både i elbiler og i elnettet.

Redox‑flow‑batterier

Disse batterikategorier er baseret på den kemiske proces med oxidation og reduktion af metal. En række forskellige metaller kan anvendes i redox‑flow‑batterier, såvel som andre typer ion‑strømme.

Kilde: CellCube

Jern‑luft‑batterier

Disse batterier fungerer ved at udnytte oxidation af jern (almindeligt kendt som rust). Batterierne producerer elektricitet ved at oxidere jern og vender derefter processen om ved at forbruge elektricitet.

Den vigtigste fordel er, at ved at bruge ekstremt billige materialer, kan disse batterier være meget omkostningseffektive. Fortalere for teknologien hævder, at jern‑luft‑batterier vil være 10 gange billigere, yde bedre og holde 17 gange længere. Ulempen ved, at batterierne er store, tunge og langsomme at lade eller aflade, bør ikke være et problem for storskala anvendelser. Virksomheder som Form Energy bygger allerede faciliteter til masseproduktion af disse batterier.

Zink‑batterier

Ved at bruge et andet billigt metal omfatter disse batterier flere muligheder som zink‑bromin, zink‑mangan eller zink‑luft‑kemier. Den vigtigste fordel ved denne teknologi er dens meget lange lagringskapacitet med meget få tab/udladning. Dette kan gøre den til en god kandidat til lagring af vindenergi, hvor vindløse dage nogle gange kan strække sig over flere uger, noget som batteriteknologier med mindre holdbar lagring har svært ved at kompensere for. “Zink‑batterier forventes at udgøre 10 % af lagringsmarkedet i 2030, ifølge energianalytiker Avicenne Consulting”. Nogle bemærkelsesværdige virksomheder inden for dette område er Redflow (zink‑bromin) og Zinc8 (zink‑luft).

Vanadium‑redox‑flow‑batterier – VRFB

Vanadium er et metal, der i dag primært bruges i produktionen af rustfrit stål. I batterier kan det skabe batterier, der er bedst egnet til daglige cyklusser og udjævning af produktionskurven for vedvarende energi i løbet af dagen, takket være evnen til at håndtere mindst 10 opladnings‑/afladningscyklusser pr. dag, samtidig med at de har en god tilbageholdningskapacitet på op til 24 timer. Batteriets levetid kan være meget lang, op til 20‑25 år, og selv da vil det kun kræve udskiftning af de plastdele i rammen, mens metalkomponenterne er næsten fuldt genanvendelige.

Sektoren er meget aktiv, med virksomheder som CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power og VRB Energy, der arbejder på denne teknologi.

Havsalt‑ / vandbaserede saltvandsbatterier

Dette koncept er baseret på strømmen af saltioner gennem en membran for at lagre energi. En version af dette batteri fremstillet af Salgenx bruger overhovedet ikke en membran, hvilket reducerer omkostninger, kompleksitet og vedligeholdelse, men med en specialfremstillet elektrolyt, der ikke blandes med vand.

Smeltede metal‑batterier

Konceptet er baseret på aluminiumssmelting, en meget el‑intensiv proces; hvad hvis det kunne vendes om?

Mange af batteriomkostningerne skyldes vanskelighederne ved at fremstille dem. Anoder og katoder skal være perfekt adskilt for at undgå kortslutninger.

I et smeltet metal‑batteri er alle 3 hovedkomponenter – anoden, katoden og elektrolytten – flydende. De adskilles spontant fra hinanden takket være forskellige væsketætheder. Faktisk ingen faste komponenter bør i teorien øge batteriets levetid dramatisk, samt gøre det i stand til at lade og aflade meget hurtigt og være fuldt genanvendeligt.

Firmaet Ambri, der bruger et calcium‑ og antimon‑batteri, sigter mod at producere 200.000 battericeller om året i deres nye fabrik inden 2024, og har været leverandør til Microsoft siden 2022.

Kilde: Ambri

Firmaet NGK Insulator arbejder også på et natrium‑svovl‑smeltet saltsbatteri, og firmaet FZSoNick arbejder på et natrium‑nikkel‑chlorid‑batteri.

Metal‑hydrogen‑ / nikkel‑hydrogen‑batterier

Disse batterier cykler hydrogen til vand og oxiderer derefter et metal. Selvom nikkel ikke er det eneste mulige katodemetal i denne teknologi (alternativer kan være mangan, bly eller jern), er det den mest almindelige og energitætte mulighed.

Dette er den type batteri, som NASA bruger på ISS (International Space Station).

Denne teknologi har fordelen at være meget sikker, med nul vedligeholdelse og kan håndtere et bredt temperaturområde (-40 til +60 °C).

Denne teknologi promoveres især af Enervenue, som kom ud af stealth‑tilstand i 2020, og viste en ny version af deres batteri med en 30‑årig, 30.000‑cyklers levetid, udgivet i september 2023. Hydrogen‑mangan‑batterier udvikles af RFC Power.

CO₂‑batterier

Stigende CO₂‑niveauer er drivkraften bag presset for vedvarende energi og elektrificering, og dermed også bag det stigende behov for batterier. Så det er på en måde ironisk, at det samme molekyle bruges til at lagre vedvarende energi.

Noon Energy‑CO₂‑batteriet splitter CO₂ i kulstof og ilt for at lagre energi. Flow‑batteriet drives ved højt tryk og temperaturer fra 50 til 200 bar og 600 til 800 °C. Denne batteritype blev først udviklet til Mars‑roveren Perseverance.

Dette bør ikke forveksles med “CO₂‑batteriet” fra Energy Dome, som er baseret på cyklussen af flydning og fordampning af CO₂, hvilket gør det til ingen rigtig batteri, men snarere en komprimeret gas‑energilagring.

Natrium‑svovl‑batterier

Disse batterier har indtil nu været begrænset til anvendelser, hvor batteriet holdes ved høje temperaturer (300 °C). Dette er måske ikke et problem for storskala anvendelser. Teknologien er dog stadig forholdsvis ny og mangler i øjeblikket skala og masseproduktion. At gøre disse batterier meget holdbare kan også være en teknologisk udfordring.

Polymer‑batterier

Også kaldet plastbatterier, dette koncept bruger ledende polymer i stedet for lithium eller andre metaller. Hovedfordelen ved dette koncept er, at det bygger på enkel fremstilling og let tilgængelige materialer. Det resulterende batteri vil også være meget holdbart og nemt at betjene sikkert.

Polyjoule, en spin‑off fra MIT, er en af lederne inden for denne idé. Men på længere sigt kan det måske ikke være en batteritype, der kan reducere omkostningerne så meget som nogle andre alternativer.