Mer energi, mindre karbondioksid – Ny batteriteknologis flertrinns tilnærming til bærekraft

Batteri eller karbonfangst? Hvorfor ikke begge?

Overgangen til energi med lave utslipp og elektrifisering skal blant annet redusere klimagassutslipp. Sol- og vindkraft varierer imidlertid med været.

Når slike kilder får større plass i kraftsystemet, kan stasjonær energilagring flytte overskudd fra perioder med høy produksjon til senere bruk. Behovet avhenger også av nettet, regulerbar produksjon og fleksibelt forbruk. Store batterianlegg har andre krav enn elbilbatterier:

• Lav vekt og høy energitetthet er mindre avgjørende når batteriene står på bakken ved et kraftverk eller et eget anlegg.
• Samlede kostnader til bygging, drift og vedlikehold er svært viktige.
• Rimelige og tilgjengelige materialer gjør stor utbygging lettere. Kjemier uten kostbare eller knappe råvarer kan derfor være attraktive.
• Lang levetid og liten kapasitetsnedgang er ønskelig, gjerne over flere tiår, men må dokumenteres i praktisk drift.

Dette har vi tidligere undersøkt i artikkelen «Fremtidens energilagring – batteriteknologi for store anlegg», som gjennomgår flere kjemier under utvikling for dette formålet.

Slike batterier kan gjøre fornybar kraft lettere å bruke og dermed indirekte bidra til lavere utslipp. Vanlige lagringsbatterier fanger derimot ikke CO2 som en del av sin normale drift.

Betegnelsen «CO2-batteri» dekker ulike teknologier. Enkelte elektrokjemiske konsepter frigjør CO2 igjen under lading; det er derfor nødvendig å skille lagring av energi fra varig karbonfangst.

Et nytt laboratoriekonsept kombinerer energilagring med omdanning av CO2 og kan også gi hydrogen som biprodukt. Om karbonet forblir bundet, avhenger blant annet av hvordan produktene senere brukes.

Batterier med karbonfangst

Karbonfangst innebærer å skille ut CO2, for eksempel fra industrielle utslipp, for lagring eller videre bruk. Bruk i produkter er ikke automatisk permanent lagring. Les mer om ulike teknologier for karbonfangst i denne artikkelen fra Energy Tracker.

Kilde: EnergyTracker

Karbonfangst krever vanligvis ekstra utstyr og energi. Fanget CO2 kan lagres eller brukes i produkter, men økonomien og klimaeffekten avhenger av prosessen. Det er derfor feil å si at tidligere fangstprosesser ikke har hatt noen praktisk nytte.

Vi gjennomgår feltet nærmere i artikkelen «Fem aksjer innen karbonfangst».

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory undersøker om karbonfangst kan inngå i selve batterireaksjonen. Resultatene om natriumvarianten ble publisert i Journal of Power Sources under tittelen «Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage».

Et videreutviklet konsept

Tidligere metall–CO2-batterier bygger ofte på reversible reaksjoner mellom CO2 og metaller som natrium, litium eller magnesium. Under utlading dannes karbonholdige forbindelser, mens opplading kan frigjøre CO2 igjen. Reaksjonene varierer med metallet og kan ikke beskrives med én universell, balansert formel.

Et tilbakevendende problem er at faste reaksjonsprodukter avsettes på elektrodene. For litium- og natriumsystemer kan dette være karbonater som Li2CO3 og Na2CO3; andre metallkjemier kan gi andre forbindelser.

Avsetningene kan tette porer og hindre transporten som batteriet trenger, slik at kapasiteten faller.

Forskerne undersøkte to konsepter basert på henholdsvis natrium og aluminium, som begge er relativt tilgjengelige materialer.

Natrium–CO2-varianten bruker en katalysator av jern og nikkel. Valget er ment å unngå kostbare edelmetaller.

I ORNLs konsepter blir CO2 omdannet til karbonat som kan løses i den flytende elektrolytten, i stedet for å frigjøres igjen som CO2 i den beskrevne driften.

Karbonatprodukter kan samles opp når de felles ut. Mulig bruk, blant annet i legemiddel- eller sementindustrien, krever riktig renhet og videre behandling. Slik bruk innebærer ikke nødvendigvis varig karbonbinding.

Forskerne beskriver oksygen og hydrogen som gassprodukter. Hydrogen kan ha verdi som energibærer, men innsamling og sikker håndtering krever egne systemer. Samlet klimaeffekt må vurderes for hele prosessen.

Kilde: Oak Ridge National Laboratory

Tekniske utfordringer

Å kombinere disse funksjonene i et batteri er en interessant idé, men et laboratorieforsøk er bare begynnelsen.

Flere tekniske problemer må løses før løsningen kan bli praktisk.

I natriumvarianten må elektrodene skilles i våte og tørre rom med en fast ionleder mellom dem. Denne barrieren bremser ionetransporten, ikke elektrontransport gjennom elektrolytten, og reduserer ytelsen.

Også denne varianten kunne deaktiveres av en film på elektroden. Ved å undersøke filmen med mikroskopi og røntgenteknikker fant forskerne en driftsmåte med ulike lade- og utladningspulser som motvirket oppbyggingen.

Forskerne rapporterte at en deaktivert celle kunne aktiveres igjen.

De knyttet dette til lade- og utladningsmønsteret: langvarig symmetrisk drift kunne deaktivere cellen, mens deres tilpassede protokoll reduserte problemet i forsøkene.

Basert på forklaringen fra prosjektleder Ruhul Amin.

CO2-omdanningen kan skje når den lagrede energien brukes. Det kan gjøre tidspunktet for fangsten mer fleksibelt enn om den bare skjer ved overskudd av fornybar kraft. Bruk ved fossilbaserte kraftverk er en mulig anvendelse som fortsatt krever praktisk og økonomisk dokumentasjon.

På vei mot større systemer

Etter å ha undersøkt hvordan natriumcellen kunne reaktiveres, arbeidet forskerne videre med ytelse og langtidslagring. Dette var fortsatt utvikling av prototyper.

De utviklet også en aluminium–CO2-variant med et beslektet prinsipp.

Laboratorieforsøkene viste blant annet:

• Mer enn 600 timers drift, omtrent 25 døgn, uten rapportert kapasitetstap i forsøket.
• Lagring med potensial til å levere strøm i mer enn ti timer under de undersøkte betingelsene.

Hva gjenstår?

Elektrolyttens sammensetning påvirker reaksjonene. Bruk av kloridholdig vann kan også gi uønskede klorforbindelser, så det er ikke grunnlag for å omtale sjøvann eller blekemiddeldannelse som en ubetinget forbedring. Biprodukter, korrosjon og sikkerhet må undersøkes.

Aluminium–CO2-konseptet må skaleres opp og testes over lengre tid før det kan vurderes som et reelt alternativ for kraftnettet.

For natriumvarianten arbeider teamet med en tynn, tett og mekanisk stabil keramisk membran mellom kamrene. Kostnad, levetid og transportegenskaper er avgjørende for konkurranseevnen.

Batteriselskaper

Disse karbonfangstbatteriene er på forskningsstadiet. Store batteriprodusenter har relevant kompetanse, men det betyr ikke at selskapene nedenfor utvikler eller har rettigheter til ORNLs konsepter.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD er en stor kinesisk produsent av biler og batterier. I 2022 solgte selskapet over 1,86 millioner ladbare kjøretøy, inkludert både batterielektriske biler og ladbare hybrider. Konsernomsetningen var rundt 424 milliarder yuan; den var ikke 20 milliarder euro. BYD er børsnotert.

Selskapet startet med batterier og gikk inn i bilbransjen i 2003. Virksomheten omfatter også busser, skinnegående transport, halvledere og stasjonær energilagring.

Kilde: Byd Company

BYD har også vokst som leverandør av elbilbatterier. En historisk rangering omtales i artikkelen «BYD passerte LG og ble verdens nest største leverandør av elbilbatterier». Rangeringen avhenger av måleperiode og hva som måles.

Utenfor bilmarkedet tilbyr BYD, i likhet med Tesla (TSLA ), løsninger for stasjonær lagring. Selskapets Battery-Box for boliger bruker koboltfri litiumjernfosfatkjemi. Selskapet markedsfører også New Energy med solkraft og lagring.

BYD omtaler sine løsninger gjennom Battery-Box og virksomheten for fornybar energi. En tidligere oppgitt milepæl var at BYDs energilagringssystemer hadde levert over 14 GWh samlet kapasitet

BYD har en omfattende, integrert verdikjede fra battericeller til ferdige pakker, men det betyr ikke at selskapet eier alle råvarer. Gjenbruk av brukte bilbatterier og materialgjenvinning er også relevante satsinger, blant annet gjennom en virksomhet etablert i 2022.

BYD har også utvidet utenfor Kina, blant annet i Europa, med ambisjoner om økt markedsandel og planlagt lokal produksjon i Ungarn. Medieomtalen beskrev en mulig årlig kapasitet på 150 000 biler, med mulighet for senere utvidelse til 300 000. Slike tall er planer og anslag, ikke dokumentert produksjon. Utbyggingen kan skjerpe konkurransen, men priser og konkurranseevne varierer mellom markeder.

I USA er handelsbarrierer en betydelig begrensning. Myndighetene kunngjorde i mai 2024 at tilleggstollen på kinesiske elbiler skulle økes til 100 % i 2024; dette var ikke en toll som allerede hadde trådt i kraft våren 2024.

Kilde: BYD

BYDs stilling i Kina og ekspansjon i andre markeder gjør selskapet relevant å sammenligne med Tesla. Verdsettelse avhenger likevel av aksjekurs, lønnsomhet og valgt nøkkeltall; lavere multipler betyr ikke automatisk en bedre investering.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

CATL er en av verdens største batteriprodusenter. Målt etter installert kapasitet i elbiler var selskapet størst i 2022, med omtrent 37 % av verdensmarkedet, målt i GWh.

Selskapet utvikler blant annet litiumjernfosfatbatterier, som kan gi et gunstig forhold mellom kostnad, levetid og energitetthet i rimeligere elbiler.

CATLs forskning omfatter også andre batterikjemier. Selskapet presenterte i 2021 en natriumioncelle med oppgitt energitetthet på opptil 160 Wh/kg. Natrium kan redusere avhengigheten av litium, men råvaretilgang alene avgjør ikke batterikostnaden. For litiumbaserte batterier har CATL også vært knyttet til en annonsert investering på 1,4 milliarder dollar i litiumutvinning i Bolivia.

CATL presenterer flere ulike teknologiske mål og løsninger. Selskapets teknologiside omtaler blant annet celler med energitetthet på 330 Wh/kg. Siden omtaler også lang levetid og hurtiglading, men disse opplysningene kan ikke uten videre kombineres til ett kommersielt batteri med alle egenskapene. Det er heller ikke dokumentert at et slikt batteri nødvendigvis skal brukes av Tesla.

I 2023 annonserte CATL et «kondensert» batterikonsept med opptil 500 Wh/kg på cellenivå. Selskapet undersøkte også luftfartsbruk, men dette dokumenterer ikke at ferdige langdistansefly eller biler med samme pakkeytelse var klare til bruk. CATL oppgir dessuten teknologiske forbedringer for kaldt vær i enkelte kjemier. Ytelse ved lave temperaturer avhenger likevel av temperatur, batterikjemi, oppvarming og hvordan kapasiteten måles.

Noen bilprodusenter utvikler egne batterier, mens andre samarbeider med eksterne leverandører. CATLs forbindelser til ulike produsenter omfatter blant annet Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda og Mercedes Benz. Samarbeidenes form, omfang og varighet varierer.

Stor produksjon kan gi stordriftsfordeler og ressurser til forskning. Som uavhengig batterileverandør konkurrerer CATL heller ikke direkte med kundene som bilprodusent. Dette kan være et fortrinn, men sikrer verken teknologiske gjennombrudd eller varig markedsledelse.

CATL er allerede en stor leverandør av batterier til energilagring, i tillegg til elbiler. Det er derfor feil å fremstille stasjonær lagring som et marked selskapet ennå ikke har gått inn i.

CATLs størrelse og teknologiarbeid kan gi videre muligheter. Konkurranse, råvarepriser, handelsrestriksjoner og politiske spenninger mellom USA og Kina er samtidig viktige usikkerhetsfaktorer for virksomheten og aksjen.