Ikke‑kjemiske alternativer til batterier for energiovergangen

Er batterier den rette ideen?

Elektrifisering er en viktig vei til å erstatte fossile brensler i industrialiserte økonomier. Det gjelder blant annet elbiler i stedet for forbrenningsmotorer og varmepumper i stedet for brenselfyrt oppvarming. Vi behandlet dette i artikkelen «Fremtidens mobilitet – Batteriteknologi».

Utslippene fra kraftproduksjonen påvirker hvor klimavennlig omstillingen er. Fornybare og andre energikilder med lave karbonutslipp kan bidra, inkludert kjernekraft etter enkelte definisjoner av bærekraft. Vurderingene av andre miljøvirkninger kan variere.

Strømbehovet varierer gjennom døgnet og året, mens vind- og solproduksjon avhenger av forholdene. Korte og overskyede vinterdager begrenser solproduksjonen; kulde i seg selv reduserer ikke nødvendigvis solcellenes virkningsgrad. Lengre perioder med svak vind krever også fleksibilitet. Lagring, nettforbindelser, fleksibelt forbruk og regulerbar produksjon kan utfylle hverandre.

Energilagring kan bidra til å balansere deler av behovet. Ett alternativ er store nettbatterier med nye kjemiske sammensetninger som kan gi lavere kostnader eller andre fordeler. Det behandles i «Fremtidens energilagring – Batterier for strømnettet». Et annet alternativ er brensler som kan lagres til bruk, eksempelvis flytende hydrogen eller ammoniakk. Se også «Det andre hydrogenbrenselet – Fem aksjer innen grønn ammoniakk» og «Biobrensel fra alger: Den neste energirevolusjonen?».

Hvilke andre teknologier kan lagre energi over ulike tidsrom? Her ser vi på mekaniske og termiske alternativer til elektrokjemiske batterier. Noen nevnte hybridforslag omfatter også kjemiske reaksjoner. Ikke alle teknologier passer til lagring i dager, måneder eller år.

Komprimert luft

Fordelene med komprimert luft

Det krever energi å komprimere luft. En del kan gjenvinnes når den lagrede luften utvider seg og driver en turbin.

Trykkluftlagring bruker kompressorer, rør, tanker og turbiner, i stor grad med vanlige materialer som stål. Det kan redusere avhengigheten av visse batteriråvarer, uten at alle komponenter er frie for kritiske materialer. Egnede underjordiske hulrom kan gi stor lagringsplass, men ikke alle uttømte gassfelt er tette eller egnede nok. Luft er lett tilgjengelig; behandling og infrastruktur har likevel en kostnad.

Kilde: Electricity Forum

Luftkompresjon er kjent industriteknologi med en etablert forsyningskjede. Et godt utformet lager kan ha små tap under stillstand. Dette er noe annet enn tapene gjennom hele syklusen med kompresjon, lagring og kraftproduksjon, som avhenger av utformingen.

Ulempene med komprimert luft

Luften blir varm ved kompresjon og kald ved ekspansjon. Derfor er varmehåndtering sentralt. Å slippe ut kompresjonsvarmen reduserer energien som kan gjenvinnes, men noen systemer lagrer varmen og bruker den igjen under ekspansjonen. Varmen må dermed ikke alltid gå tapt til omgivelsene.

Artikkelen fra 2023 nevnte syklustap på omtrent 30–40 prosent og større tap for mindre effektive konstruksjoner. Som eksempel på rundt 70 prosent virkningsgrad viste den til Zhangjiakou-anlegget på 400 MWh, utviklet av Kinas vitenskapsakademi. Tallene gjelder bestemte systemer og forhold, ikke en uforanderlig fysisk grense for alle løsninger.

Trykkluft kan være et relativt rimelig alternativ for langvarig lagring der sted og infrastruktur egner seg. Omformingstap påvirker likevel økonomien. Gjenvinning av kompresjonsvarme til ekspansjonen eller som nyttig varme kan bedre energiutnyttelsen; en separat industriprosess er ikke den eneste muligheten.

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.

Pumpekraft

Pumpekraft var rundt 2020 den dominerende lagringsteknologien for kraftnett, med omtrent 90 prosent eller mer av globalt installert lagringseffekt. Artikkelen viste til det amerikanske energidepartementets Global Energy Storage Database. Dette er en historisk andel, ikke en aktuell måling.

Vanlig vannkraft utnytter vannets potensielle energi i høyden, ofte med naturlig tilsig. Pumpekraft bruker strøm til å flytte vann fra et lavere til et høyere magasin. Når vannet senere slippes ned gjennom en turbin, gjenvinnes en del av energien.

Magasinene kan bygges spesielt for lagring, også i lukket krets uten kontinuerlig forbindelse til en elv. Det kreves likevel passende høydeforskjell, geologi og tilgang til vann; kupert terreng alene er ikke nok. Et underjordisk magasin kan også brukes på egnede steder.

Kilde: Energy.gov

Tapene gjennom hele syklusen er ofte omkring 20–30 prosent. Vann kan lagres i måneder, men fordamping og lekkasje avhenger av sted og forhold. Investeringsbehovet kan være stort, mens pumpekraftanlegg ofte har lang levetid.

Et annet, spekulativt forslag kombinerer elektrolyse ved lav høyde, transport av hydrogen oppover, gjendanning av vann og kraftproduksjon når vannet går ned gjennom en turbin. Dette er et hybridsystem med kjemisk lagring. At hydrogen er lettere enn luft, gjør ikke hele transporten og energisyklusen energifri.

Her er det ikke dokumentert at denne hybridprosessen har høyere samlet virkningsgrad enn pumpekraft. Elektrolysører, gass- og vannhåndtering, tilbakeomforming, tap og investeringer må alle inngå i vurderingen.

Energilagring med betong og stein

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

Faste masser kan heves og senkes med vinsjer eller kraner, kabler og elektriske motorer–generatorer. Grunnmaterialene er vanlige, men styring, sikkerhet og holdbarhet krever særskilt konstruksjon.

Noen konstruksjoner sikter mot omkring 15 prosent tap gjennom hele syklusen. Dette er ikke en universelt målt ytelse for alle gravitasjonslagre. En sammenligning med pumpekraft må inkludere pumper, turbiner, motorer, generatorer, rør og friksjon, ikke bare turbulens i vannet.

I artikkelens sammenheng fra 2023 utviklet selskapene Gravitricity og Energy Vault (NRGV ) (NYSE: NRGV) slike løsninger.

Gravitricity vil bruke egnede gamle gruvesjakter, flere hundre meter dype, til å heve og senke vekter med GraviStore. Ikke alle forlatte sjakter er trygge eller brukbare til dette formålet.

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

Gamle gruver gir mulige steder, men antallet er ikke det samme som umiddelbart tilgjengelig lagerkapasitet. Den 11. desember 2023 hadde Gravitricity og det sveitsiskbaserte konsernet ABB allerede kunngjort en underskrevet samarbeidsavtale om heiseteknologi og kommersiell utvikling. ABB bidro også med en stor eksisterende kundebase innen gruvedrift.

Kilde: ABB

Den lagrede gravitasjonsenergien avhenger av både masse og høydeforskjell. Ved bevegelse over titalls eller hundrevis av meter krever store energimengder tunge masser, flere enheter eller store spesialbygde anlegg. Antallet gruver er ikke alene et mål på praktisk brukbar kapasitet.

Et annet forslag utnytter større havdyp nær kysten. En flytende plattform kunne heve og senke vekter over flere tusen meter. Konseptet heter Deep Ocean Gravitational Energy Storage, DOGES. Artikkelen fra 2023 nevnte som utvikler det franske oppstartsselskapet Sink Float Solutions.

Kilde: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions oppga en mulig virkningsgrad på opptil 80 prosent og lave kostnader. Dette var påstander om et foreslått system, ikke her dokumenterte økonomiske resultater fra et kommersielt anlegg.

Selskapets regneeksempel kombinerte en masse på 4 000 tonn og en vertikal hastighet på 20 km/t, som teoretisk gir effekt i størrelsesordenen 200 MW. Flere vinsjer kunne arbeide parallelt. Beregningen viser ikke at en eksisterende offshorekran kan kombinere nettopp denne lasten og hastigheten. Den samlede energien krever også kjennskap til bevegelsens høydeforskjell.

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- og varmebatterier

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.

En isolert silo fylles med egnet sand eller et annet rimelig fast materiale, som varmes til eksempelvis 400 °C. Den termiske massen og isolasjonen gjør det mulig å lagre mye varme. Materialvalg og maksimal temperatur avhenger av konstruksjonen.

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.

Det finske selskapet Polar Night Energy utvikler slike varmelagre. De kan kobles til fjernvarme, der sentralt produsert varme fordeles til mange bygninger. Slike nett finnes i Skandinavia, Tyskland og deler av Øst-Europa og det tidligere Sovjetunionen. Omforming av varmen tilbake til strøm krever ekstra utstyr og medfører flere tap.

God isolasjon kan bevare varme lenge, men tap og brukbar sesongkapasitet avhenger av størrelse og drift. I visse nordlige deler av Finland varer sommerens dagslys omtrent 20–24 timer, ikke i hele landet; dagslys er heller ikke det samme som full solcelleeffekt. Sommeroverskudd lagret som varme kan dekke deler av vinterbehovet, uten at dette alene er vist å kunne varme hele landet.

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

Også Rondo Energy utvikler varmebatterier med ildfast tegl som varmes elektrisk til omkring 1 500 °C. Varmen kan leveres som varm luft eller damp til eksempelvis sementproduksjon, metallurgi, kjemisk industri eller gruvedrift. Høy virkningsgrad for varmelagring er ikke automatisk samme virkningsgrad ved omforming tilbake til strøm.

Kilde: Rondo Energy

I brosjyren fra 2023 beskrev Stiesdal GridScale med knust stein, varme og kalde lagertanker og en varmepumpe- og turbinsyklus. De oppgitte 10 timene til 10 dagene er planlagt lagrings- eller utladningstid for ulike konfigurasjoner, ikke energikapasitet målt i MWh.

Videre utviklet Holcim sammen med INSA Lyon og ENGIE et system med et spesielt sementbasert materiale som lagrer og frigjør varme gjennom dehydrering og hydrering. Dette er termokjemisk lagring og dermed et unntak fra de rent ikke-kjemiske løsningene. En gjentakbar syklus dokumenterer ikke uendelig levetid uten vedlikehold eller garantert lave kostnader.

Målet var å utnytte overskuddsvarme i varmenett og industri. En kombinasjon med trykkluftlagring ville kreve en egen teknisk vurdering; her dokumenteres ikke et allerede utprøvd integrert anlegg.

Selskapets informasjon brukte tallet «300 kW per kubikkmeter» om opptak av energi. Men kW måler effekt, ikke energi. Uten et tidsgrunnlag er dette ingen gyldig energitetthet og kan ikke brukes til å beregne lagret energi fra tonn materiale. Konseptet var under utvikling da det ble presentert i 2022.

Svinghjul

Svinghjul lagrer bevegelsesenergi i en roterende masse. Noen konstruksjoner arbeider i vakuum med magnetiske lagre ved 20 000–50 000 omdreininger i minuttet, andre langt saktere. En motor–generator lagrer energi ved å akselerere massen og gjenvinner den ved å bremse.

En viktig fordel er responstid på millisekunder. Svinghjul kan støtte nettfrekvens og dynamisk stabilitet, særlig når tregheten fra store synkrongeneratorer avtar. Den raske nettjenesten skiller seg fra å levere store energimengder i timer eller dager.

Til ElectraNet leverte Siemens Energy (ENR.SW ) (ENR.DE ) synkronkompensatorer med ekstra svinghjul i South Australia. De støtter treghet og nettstabilitet, ikke en demonstrasjon av sesonglagring.

Produsenten Stornetic oppgir en forventet mekanisk levetid på over 20 år og mer enn 100 000 lade-/utladningssykluser for EnWheel. Det garanterer ikke at hver komponent virker i flere tiår uten utskifting; selskapet forventer tidligere utskifting av kraftelektronikken.

Kilde: Stornetic

Også S4 Energy kombinerte svinghjul og batterier i hybridsystemer. Artikkelen fra 2023 oppga en portefølje på 60 MWh i drift eller under bygging og planlagte prosjekter på 1 050 MWh. Dette er ikke kapasiteten til ett svinghjul og heller ikke bare ferdige anlegg. Den nevnte også energigjenvinning når kranlaster senkes i Rotterdam. KINEXT bruker en masse på omtrent fem tonn og opptil cirka 1 800 omdreininger i minuttet for rask respons og mange sykluser. Den oppgitte virkningsgraden rundt 92 prosent gjelder omformingssyklusen, ikke bare åtte prosent tap under vilkårlig lang lagring og ikke en generell fordel fremfor litiumionbatterier.

Svinghjul passer til raske responser, hyppige sykluser, energigjenvinning og nettjenester. Begrenset energikapasitet i forhold til kostnadene og tap under stillstand gjør dem vanligvis bedre egnet til korte tidsrom enn til sesonglagring.

Konsentrert solvarmekraft

Solceller omdanner lys direkte til strøm. Konsentrert solvarmekraft bruker derimot speil til å varme en mottaker og et varmebærende medium, før en termisk syklus produserer strøm. Med egnet varmelagring kan produksjonen fortsette i timer etter solnedgang, avhengig av kapasitet og forhold.

Billigere og bedre solceller har gjort konkurransen vanskeligere for konsentrert solvarmekraft. Lagring og regulerbar produksjon kan likevel ha verdi i systemer med mye variabel fornybar produksjon, men et kommersielt oppsving er ikke garantert.

Kilde: Energy.gov

Utfordringene omfatter kostnader, varmetransport og driftssikkerhet. Visse organiske varmeoverføringsoljer brytes ned ved høy temperatur og danner hydrogen som kan svekke mottakernes isolasjon. Dette er ikke et uunngåelig avfallsprodukt fra alle solvarmekraftverk. Smeltede salter har andre utfordringer, blant annet størkning, korrosjon og lekkasje.

Dyrelivet kan også påvirkes. Særlig rundt tårnmottakere kan sterkt konsentrert solstråling skade eller drepe fugler. Risikoen avhenger av sted og konstruksjon; virkningen er ikke lik for alle anlegg, og solstråling er ikke utelukkende usynlig.

Fremtidige løsninger kan forbedre kostnader, driftssikkerhet og miljøegenskaper. Mindre størrelse alene garanterer ikke lavere økologisk påvirkning; hver anvendelse må vurderes særskilt.