Varmebatterier modnes raskt uten behov for metallutvinning

Storskalig energilagring nødvendig

Det er et økende behov for batterisystemer som kan lagre mye kraft i flere timer eller dager. Dette skyldes at sol- og vindkraft er intermittente, og varierer gjennom dagen og fra dag til dag.

En annen faktor er energibehovet i industrielle prosesser, som metallurgi. Disse fabrikkene trenger strøm 24/7, vanligvis for å generere mye varme i området 1 000‑1500 °C.

Å bruke litium‑ion‑batterier som i elbiler er usannsynlig å bli en løsning som fungerer i stor skala. De er simpelthen for dyre, ikke holdbare nok, og krever for mye råmaterialer.

Derfor har mange ulike alternative batterikjemier blitt vurdert for energilagring i nytte‑skala. Vi ser på de fleste av disse alternativene i artikkelen vår «The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech», inkludert litium‑jern‑fosfat, natrium‑ion, redoks‑flyt, jern‑luft, smeltet metall, nikkel‑hydrogen, natrium‑svovel, osv.

Alle disse batteriene lagrer energi i form av elektrisitet på en eller annen måte, vanligvis gjennom oksidasjon og reduksjon av et metall.

Problemet er at selv svært vanlige metaller som jern eller aluminium fortsatt ville kreve omfattende gruvedrift. Så hva om vi lagrer energi i en annen form?

Lagring av varme

Det finnes et overraskende stort antall alternativer for å lagre energi uten å bruke elektrisitet som lagringsmiddel. Vi så nærmere på dem i «Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition». Disse alternativene inkluderer:

• Komprimert luft.
• Gravitasjonsbatterier (stein, pumpehydro).
• Varmebatterier.
• Flywhjul.
• Termisk solenergi.

Hver av disse alternativene, både batterier og ikke‑batterier, har fordeler og ulemper. Den ideelle energilagringsløsningen ville oppfylle noen få egenskaper:

• Ingen behov for metall og sjeldne materialer.
• Langvarig energilagring.
• Lav kostnad.
• Enkelt skalerbar uten begrensning på tilgjengelige steder eller ressurser.
• Kan brukes som elektrisitet med minimale tap.

For de første 4‑5 punktene vil varmelagring passe. Sandbatterier, som de fra det finske selskapet Polar Night Energy, kan lagre overskuddsenergi fra sommeren til vinteren, noe som er avgjørende for å drive oppvarmingssystemer i de kalde og solløse vintrene i nord med fornybar energi. De bruker kun lavkvalitets sand og litt metall til rammen og rørledninger.

Kilde: Polar Night Energy

Et lignende varmebatteri er forestilt av Rondo Energy, med murstein som kan varmes opp til så mye som 1500 °C, og bruker varmen til industrielle prosesser som sement- eller stålproduksjon.

Disse varmebatteriene fungerer godt når det ønskede produktet først varmes opp, enten det er fjernvarme for leiligheter eller industriell varme.

Kilde: Rondo Energy

Imidlertid ble varmebatterier ansett som et dårlig valg for å levere energi til nettet, siden effektiviteten ved å konvertere varme tilbake til elektrisitet vanligvis ligger i det lave 20‑30 %‑området. Dette betyr at så mye som 4‑5 deler av den «lagrede» energien faktisk går tapt. Eller, med andre ord, blir den lagrede energien plutselig fem ganger dyrere enn da den ble produsert.

Selv om solenergi nå er på nivå med fossil energi, er den fortsatt langt fra å være fem ganger billigere. Imidlertid kan dette problemet bare være midlertidig, med innovasjon innen en teknologi kalt termofotovoltaikk.

Termofotovoltaiske celler – Fotovoltaikk, men med varme

Termofotovoltaikk er ideen om å skape kraft på en lignende måte som tradisjonell fotovoltaikk, men med varme i stedet for sollys – eller mer presist, infrarødt lys som sendes ut av oppvarmede materialer.

I et tradisjonelt fotovoltaisk panel er enhver lysfrekvens under en viss terskel ikke energisk nok til å skape en strøm, og går til spille. Dette gjelder alt infrarødt lys, da infrarøde elektromagnetiske bølger har for lav energi.

Dette er ikke en ny teknologi i seg selv, men den har alltid lidd under for lav effektivitet for å bli tatt i bred bruk. Dette var tilfelle frem til den nylige prestasjonen fra forskere ved University of Michigan, som publiserte sine resultater i en vitenskapelig artikkel med tittelen «High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells».

De hevder å ha oppnådd en rekord på 44 % effektivitet for temperaturer under 1 500 °C, noe som er mye høyere enn tidligere resultater, som kun nådde 37 %.

Og forskerne tror de har en måte å nå 50 % «i ikke altfor fjern fremtid».

Kilde: Cell

Hvordan fungerer termofotovoltaiske celler?

Først må lagringsmaterialet, som kan være stein, sand, karbon, murstein, keramikk osv., varmes opp, enten med overskuddsstrøm fra fornybare kilder eller direkte solvarme.

Ved 1435 °C har omtrent 20‑30 % av de infrarøde fotonene den avgir nok energi til å generere elektrisitet i forskerteamets termofotovoltaiske celler.

Kilde: Design Boom

De andre infrarøde frekvensene kunne ikke konverteres til elektrisitet med halvlederen som ble brukt i termofotovoltaikkpanelet.

Så, hvordan kom de til 44 % derfra? Det geniale «trikset» var å legge til et tynt lag med luft på termofotovoltaisk celle rett utenfor halvlederen, samt en gullreflektor bak luftspalten.

Dette holdt fotonene med riktig energinivå fanget og klare til å produsere elektrisitet. De andre ble sendt tilbake mot det oppvarmede materialet, og varmet det opp igjen. De fikk deretter en ny sjanse til å bli sendt mot den termofotovoltaiske cellen med riktig lysfrekvens.

I hovedsak gjør det at cellen kan resirkulere det den ikke fanget første gang, og øker den samlede konverteringseffektiviteten.

Fremtidige varmebatterier

En effektivitet på 44 % eller til og med 50 % kan virke lite imponerende sammenlignet med pumpehydro (70‑85 %) eller litium‑ion‑batterier (85‑95 %).

Kilde: EESI

Men dette ville ignorere at masseutplassering av energilagring i nytte‑skala har like mye med økonomi som med teknologi.

Batterier har en levetid målt i år før de må resirkuleres. Det finnes også simpelthen ikke nok litium og enda mindre kobber, nikkel eller kobolt for å distribuere dem i så stor skala, spesielt når mesteparten av denne metallproduksjonen allerede er nødvendig for elbiler.

I kontrast kan varmebatterier vare i tiår med lite eller ingen vedlikehold. De krever nesten ingen materialer utover stein, sand eller leire. De kan bygges hvor som helst og i enhver størrelse, også virkelig gigantiske, med nesten ingen påvirkning på økosystemene, i motsetning til vannkraft.

Til slutt er varme en av de mest effektive metodene når energi må lagres i uker og måneder, med praktisk talt alle typer batterier som «lekker» strøm over tid med en mye høyere hastighet enn et godt isolert varmelagringssystem.

«Det er en form for batteri, men en som er svært passiv. Du trenger ikke å utvinne litium som du gjør med elektrolytiske celler, noe som betyr at du ikke trenger å konkurrere med elbilmarkedet.

I motsetning til pumpet vann for vannkraftlagring, kan du plassere det hvor som helst og trenger ikke en vannkilde i nærheten,»

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

Så, samlet sett kan et varmebatteri være den perfekte energilagringsløsningen for å jevne ut fornybar intermittens. Og det kan også lagre overskuddsenergi fra vind- eller solrike måneder inn i vinteren for tempererte klima, eller inn i regntiden for tropiske klima.

Varme lagring / Termofotovoltaiske selskaper

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow er en avdeling av II-VI Inc., en bransjeleder innen (for tiden ganske liten) feltet for produksjon av termofotovoltaiske celler. I 2022 kjøpte II-VI Inc. laserprodusenten Coherent Inc. (COHR ) og endret deretter selskapets navn.

Selskapet er ekspert på avanserte materialer som brukes i lasere, optikk og fotonikk, som indiumfosfid, epitaksial wafer og galliumarsenid. Det vokste betydelig takket være flere oppkjøp i løpet av det siste tiåret.

Kilde: Coherent

Selskapets termofotovoltaiske aktivitet er kun en liten del av den samlede inntekten, med optisk fiber, laser og andre produkter som utgjør hoveddelen av inntektene. Dette kan imidlertid være gode nyheter for investorer, da det også betyr at selskapet har kapitalen til å rulle ut ny teknologi raskt i industriell skala dersom innovasjon åpner nye markeder.

Kilde: Coherent

For eksempel det enorme markedet for nytte‑skala lagring av overskuddsfornybar energi…

Siden Michigan University har «søkt patentbeskyttelse (…) og leter etter partnere for å bringe teknologien til markedet», ville det ikke være overraskende om et selskap som Coherent ender opp med å bringe de nye termofotovoltaiske cellene til markedet. Spesielt med tanke på deres eksisterende ekspertise innen industriell produksjon av termofotovoltaikk og lignende avanserte materialer.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

De termofotovoltaiske cellene som ble brukt av forskerne ved Michigan University, ble laget med InGaAsP (indium‑gallium‑arsenid‑fosfid).

«Så undersøker vi om oversettelse av luft‑bro‑arkitekturen fra ternær til kvartær gruppe III‑V‑absorbere (InGaAsP lattice‑tilpasset InP‑substrater) kan øke effektiviteten innen målområdet for emittertemperaturer.»

Hvis denne teknologien blir et standardformat for energilagring i nytte‑skala, vil vi trenge InGaAsP, og i store mengder.

Så det ville gi mening i dette scenariet å satse på selskapet som har vært leder i 30 år i produksjon av InGaAsP, det japanske konglomeratet Sumitomo.

«I mer enn 30 år har halvlederdivisjonen i Sumitomo Electric opprettholdt sin ledende posisjon som verdens største produsent av galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid (InP).»

Navnet Sumitomo har blitt synonymt med kvalitet innen III‑V‑materialer. Sumitomo Electric oppnådde dette ryktet ved å levere sine globale kunder overlegen kvalitet på substrater som gir høyere avkastning og enheter med konsistente elektriske egenskaper.

Sumitomo Compound Semiconductor – Om oss

Sumitomo Electric Industries, and its avdeling for sammensatte halvledere, is the branch of the larger Sumitomo‑konglomeratet, one of the largest worldwide sōgō shōsha (general trading companies).

• Telekommunikasjonsutstyr (optisk fiber, 5G)
• Bilverkledning og høyspente kabler
• Elektronikk (fleksible trykte kretser, datakabler, filtreringsmembraner)
• Høykvalitetsmaterialer (karbid, skjæreverktøy, forspente stålfibre).

Kilde: Sumitomo

Ekspertisen i masseproduksjon av høykvalitetsmaterialer, ledelsen innen InGaAsP‑produksjon, og forretningsforbindelsene som følger med å være en del av et sōgō shōsha / general trading‑selskap, bør sikre at Sumitomo Electric Industries blir en av de viktigste fordelene ved en masseadopsjon av termofotovoltaikk.

Veksten bør også være gunstig for telekommunikasjon (digitalisering, AI) og tilhørende produkter for elbiler (kabler, ledninger), som begge er i sterk vekst.