Ikke‑kjemiske alternativer til batterier for energiovergangen

Er batterier den rette ideen?

The preferred approach to remove fossil fuels from industrialized economies has been electrification. The goal is to replace ICE (Internal Combustion Engine) vehicles with EVs (Electric Vehicles) and produce heat with heat pumps instead of combustion. It is something we investigated in detail in our article “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Problemet er at for at denne endringen skal være virkelig “grønn”, må elektrisiteten komme fra fornybare eller bærekraftige kilder – som, avhengig av hvem du spør, kan inkludere kjernekraft.

I begge tilfeller betyr endringene i strømforbruk gjennom dagen og årstiden at du må bygge mye reservekapasitet som vil stå ubrukt mesteparten av tiden. Dette gjelder spesielt for fornybare kilder, da solenergi underpresterer i kalde og skyete vintre, og vind kan holde opp i flere uker.

Derfor er det et presserende behov for langsiktig energilagring. En løsning kan være batterier i stor skala, som utnytter nye kjemier som gir lavere kostnader eller andre fordeler. Dette undersøkte vi i detalj i artikkelen vår “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“. Et annet alternativ er å produsere en form for flytende drivstoff som kan lagres til vi trenger det, for eksempel flytende hydrogen eller flytende ammoniakk, noe vi detaljert i artiklene våre “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” & “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”.

Men hva om den riktige måten å lagre energi i dager, uker, måneder eller til og med år på, ikke var batterier? I denne artikkelen ser vi på alle de ikke‑kjemiske alternativene for energilagring.

Komprimert luft

Fordelene med komprimert luft

Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.

En viktig fordel med denne teknikken er at den kun bruker mekaniske deler som rør, pumper og tanker, som kun krever enkle materialer som stål, i stedet for sjeldne materialer som sjeldne jordarter, kobolt, litium osv. Den kan til og med baseres på et uttømt naturgassreservoar, som gir en enorm “tank” til svært lav kostnad. Og selvfølgelig er luft en helt gratis og tilgjengelig ressurs overalt.

Kilde: Electricity Forum

En annen fordel er at komprimering av luft er en velkjent teknologi, med en svært etablert forsyningskjede, som kan være klar for rask oppskalering om nødvendig. Det er også et system som kan lagre energi i svært lang tid med lite eller ingen tap.

Ulempene med komprimert luft

Et viktig problem med å gjøre komprimert luft effektiv er et fysisk fenomen som oppstår når du komprimerer en gass. Varme genereres under komprimeringen. Denne varmen må vanligvis avledes for å unngå skade på kompresjonssystemet, og omdannes til tapt energi. Luften kjøles også ned ved dekomprimering, og krever ofte oppvarmingssystemer.

30–40 % av energien kan gå tapt på grunn av dette. Det kan bli enda verre for mindre effektive design. Så langt har den beste effektiviteten i stor skala blitt oppnådd i Kina med 30 % tap, ved det 400 MWh Zhangjiakou‑anlegget designet av den Chinese Academy of Sciences.

Så selv om komprimert luft kan være et akseptabelt alternativ for lavkostnads‑langsiktig lagring mellom sesonger, er de uunngåelige energitapene på over 30 % en belastning for systemøkonomien. Kun hvis varmen som produseres under komprimeringen kan resirkuleres i en annen prosess, kan disse systemene bli virkelig effektive.

Gravitasjonsbatterier

I fysikken anses ethvert objekt som beveger seg opp for å tilegne seg et høyere nivå av “potensiell energi”. Denne energien manifesterer seg som nedoverbevegelse så snart objektet får lov til å gå ned. Fra dette faktum oppsto ideen om å bruke gravitasjon til å lagre energi.

Pumped hydro

Dette er den mest brukte formen for energilagring i stor skala i dag, og utgjør 90 % av den globale nettkapasiteten for energilagring i 2020, ifølge Department of Energy Global Energy Storage Database.

Vannkraftproduksjon utnytter energipotensialet i vann fra nedbør, lagrer det bak demninger, og slipper det ut for å produsere kraft. Pumped hydro bruker elektrisitet til å pumpe vannet tilbake opp til vannkraftverket.

Lagringsdammen kan også bygges kun for pumpelagring, og krever bare et kupert landskap sammenlignet med store vannkraftdammer som ofte krever fjellterreng. Alternativt kan et underjordisk reservoar også brukes.

Kilde: Energy.gov

Energitapene ligger vanligvis i området 20–30 %. Lagringen kan vare i flere måneder med begrenset tap, i det minste i regioner som ikke er for varme. Kapitalbehovet kan være ganske stort, men pumped‑hydro‑installasjoner er også ekstremt langvarige.

En spennende idé som kun er diskutert, men aldri testet i skala, er å bruke elektrolyse for å omdanne vann på lavere høyde til hydrogen. Dette hydrogenet, lettere enn luft, blir deretter transportert opp “energifritt”. Det reformeres så til vann (som returnerer en del av energien som ble brukt i elektrolysen). Vannet produserer deretter kraft igjen når det faller ned gjennom en vannkraftturbine.

Selv om dette potensielt kan ha mye bedre total effektivitet enn pumped hydro, kan størrelsen på de nødvendige elektrolyttene gjøre systemet fortsatt ganske dyrt.

Betong‑/Stein‑energihåndtering

Vann er ikke det eneste som kan lagres for å akkumulere energi med gravitasjon. Stein, betongblokker og andre ultratunge objekter kan også brukes.

I dette tilfellet er den nødvendige teknologien enda enklere enn ved pumped hydro, da den hovedsakelig baserer seg på kraner og alternatorer for å lagre energien og produsere den tilbake. Kraner og stein er heller ikke sjeldne materialer.

Den store fordelen med disse systemene er deres effektivitet. Mesteparten av energitapet i pumped hydro kommer fra turbulens i vannet, som reduserer pumpens effektivitet. I kontrast kan kraner og kabler gi tap så lave som 15 % (en fjerdedel mindre tap enn ved pumped hydro).

For øyeblikket har selskapene Gravitricity og Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) presset på for disse konseptene.

Gravitricity gjenbruker forlatte gruvehull for å få tilgang til allerede eksisterende og lett håndterbare brønner på flere hundre meters dybde for å lagre energi med sitt GraviStore‑system.

Energy Vault satser i stedet på dedikerte konstruksjoner, med blokker som går opp og ned avhengig av energibehovet.

Med hundretusener av gruveområder over hele verden, kan dette ha et mye større potensial enn mange innser og dra nytte av at infrastrukturen allerede finnes. Selskapet ser på et partnerskap med den svenske industrigiganten ABB for å fullføre sin teknologiske utvikling, samt få tilgang til ABBs enorme kundebase innen gruvedrift.

Kilde: ABB

Begrensningen for “solid energilagring” med gravitasjon er at energien som lagres på bare noen titalls eller hundrevis av meter ikke er så stor. Ett alternativ er å ha nok av det, som hundretusener av gruvehull som Gravitricity, eller massive dedikerte “lagre” som Energy Vault.

Et annet alternativ er å ha mye større dybde. For det er dype havbunnsområder nær kysten et alternativ. En flytende plattform kan stå over et slikt område, og senke eller heve en vekt over flere tusen meter. Dette konseptet kalles Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Ett selskap som arbeider med dette konseptet er den franske oppstartsbedriften Sink Float Solutions.

Kilde: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions hevder et potensial på opptil 80 % effektivitet og svært lave kostnader.

“For øyeblikket kan offshore‑kraner med den største løftekapasiteten løfte masser på 4000 tonn, som ved en vertikal hastighet på 20 km/t tilsvarer en kraft på 200 MW. Flere vinsjer på samme sted kan brukes parallelt.”

Den faktiske økonomien i disse systemene vil i stor grad avhenge av deres holdbarhet, med korrosjon fra sjøvann på de mekaniske delene som hovedbekymring.

Sand‑/varmelagringsbatterier

Mye elektrisitet brukes til å produsere varme, enten til industriell bruk eller for å holde hus og leiligheter varme om vinteren. I stedet for å lagre elektrisitet som et kjemisk batteri, ser et sandbatteri på å lagre varme direkte.

Ideen er å bygge et stort silo (som de som brukes til korn), fylle det med sand og legge til isolasjon. Sanden varmes deretter opp til 400 °C. På grunn av at sand har relativt lav termisk ledningsevne OG høy termisk masse, kan den lagre EN MASSE energi. Den er også svært motstandsdyktig og tar ingen skade selv ved så høye temperaturer.

Kilde: Polar Night Energy

Dette konseptet baserer seg på svært enkel teknologi, med standardrør, luftpumper, elektrisk motstand, stål og lavkvalitets sand som ikke kan brukes til applikasjoner som betong.

Lederen innen denne teknologien er det finske selskapet Polar Night Energy. Dette er et konsept som fungerer spesielt godt i nordiske land med eksisterende “district heating”, hvor varmt vann til radiatorer produseres på et sentralisert sted for hundrevis eller tusenvis av leiligheter. Dette er spesielt tilfelle i Skandinavia, Tyskland og mesteparten av Øst‑Europa og tidligere USSR‑land.

Fordi energitapene er minimale, kan energien akkumuleres i de lange solrike sommermånedene (som kan vare 20–24 timer/dag i Finland). Det overskytende fotovoltaiske produksjonen kan på denne måten lagres for å holde landet varmt om vinteren og redusere den sesongbaserte spikeren i strømforbruket som skyldes oppvarming.

Vi kan forestille oss at videre iterasjoner av konseptet kan brukes til å varme drivhus, eller basere seg på termiske solsystemer.

Et lignende konsept av et “varmebatteri” utvikles også av Rondo Energy. Disse mursteinene kan varmes opp til så mye som 1500 °C. På grunn av den høyere temperaturen kan denne bruken være egnet ikke bare for fjernvarme, men også for industrielle applikasjoner som sementproduksjon, metallurgi, kjemikalier eller gruvedrift.

Kilde: Rondo Energy

I mellomtiden arbeider selskapet Stiesdal også med et varmebatteri som bruker knuste steiner. Kapasiteten for nettlagring forventes å variere fra 10 timer til 10 dager.

Til slutt utvikler den store sementprodusenten Holcim også en løsning som baserer seg på sement, som lagrer varme når den er tørr og frigjør den når den hydreres. Fordi syklusen kan gjentas uendelig, bør den ha lav kostnad over en tilstrekkelig lang periode.

Dette er designet for å lagre overskuddsvarme i et industrielt oppsett. Kanskje det kan brukes som et supplement til en komprimert stasjon, og redusere tapet fra at luften varmes opp ved komprimering.

Med 300 kW energi per kubikkmeter tetthet, kan det lagre mye kraft med noen tusen tonn relativt billig og rikelig sement. Kun avslørt i 2022, er konseptet for tiden under utvikling.

Flyhjul

En annen måte å lagre energi på er å holde den i form av mekanisk bevegelse. Flyhjul er slike enheter som lagrer energi ved å rotere et mekanisk hjul i vakuum på et magnetisk lager, med hastigheter på opptil 20 000 til 50 000 omdreininger per minutt. Systemet kan lagre eller levere energi ved å akselerere eller bremse flyhjulet.

Hovedfordelen med disse systemene er at de reagerer svært raskt på bare noen millisekunder. Så de kan ikke bare lagre energi, men også bidra til å stabilisere frekvensen i strømnettet, noe som er vanskeligere uten massive sentraliserte kraftverk som kull, gass eller kjernekraftverk.

Selskaper som Siemens Energy (ENR.SW ) (ENR.DE ) har gjennomført pilotprosjekter med flyhjul, som i Sør‑Australia.

Andre oppstartsbedrifter jobber også med dette konseptet, som Stornetic, med et system som forventes å vare minst 20 år og ha 100 000 lade‑/utladningssykluser.

Kilde: Stornetic

Et annet selskap er S4 Energy, med 60 MWh i drift eller under bygging, og en pipeline på 1 050 MWh. Flyhjulens reaktivitet kan også bidra til å gjøre noen operasjoner mer effektive når det er kraftspisser, som kranene i havnen i Rotterdam, hvor et flyhjul brukes til å samle tilbake energien når en last senkes. Selskapets flyhjul, KINEXT, er spesielt tungt (5 tonn) og beveger seg relativt sakte («bare» 1 800 omdreininger per minutt), noe som gjør det svært langvarig, med lave driftskostnader og lett å vedlikeholde. Flyhjulet har kun 8 % tap av den lagrede energien, noe som er litt bedre enn selv litium‑ion‑batterier.

Selv om de er svært effektive og reaktive, er den totale lagrede energien i et flyhjul lavere enn andre løsninger i forhold til kostnad, så de vil sannsynligvis forbli begrenset til nisjeapplikasjoner og for nettfrekvensstabilitet.

Termisk solenergi

Fotovoltaiske paneler konverterer solstråler direkte til strøm. Til sammenligning samler et soltermisk kraftverk inn solens varme og konsentrerer den for å produsere elektrisitet. Siden varme er lettere å lagre med noe treghet, kan slike solstasjoner fortsatt produsere strøm mange timer etter solnedgang, akkurat når energiforbruket topper seg.

Denne ideen, som mistet popularitet i møte med økende avkastning fra fotovoltaiske paneler, kan gjøre comeback nå som intermittensen i fornybare energikilder blir et større problem etter hvert som de utgjør en større del av kraftproduksjonsmiksen.

Kilde: Energy.gov

Selv om konseptet er lovende, har det historisk vært plaget av høye kostnader. Å transportere varmen fra samleren til generatoren har vist seg vanskelig, med farlig varme og avfalls‑hydrogen som produseres. Et annet design som bruker smeltede salter har lidd av lekkasjer og pålitelighetsproblemer.

Det er også problematisk for dyrelivet, da fugler regelmessig kan bli brent av de usynlige og svært konsentrerte solstrålene.

I fremtiden kan mindre massive og dermed mindre økologisk forstyrrende design bringe konsentrert solenergi tilbake i rampelyset.