Energilagring for kraftnettet: batteriteknologier i et historisk overblikk fra 2023

Kraftnettets behov for energilagring

Batterier er blitt viktige i elbiler, i tillegg til små elektroniske enheter. Et annet voksende marked er energilagring for kraftnettet. Denne artikkelen gir en oversikt over teknologiene fra 2023; produksjonsmål og prognoser må leses i sin historiske sammenheng.

Andelen fornybar kraft øker. Særlig vind- og solkraft varierer med været og sammenfaller ikke nødvendigvis med etterspørselstoppene. Kraftsystemet må hele tiden balansere produksjon og forbruk. Lagring kan flytte tilgjengelig energi til andre tidspunkter.

Batterier kan bidra til et stabilt nett, sammen med overføringsnett, etterspørselsstyring og andre lagringsformer. I desember 2022 anslo EIA at USAs batterilagring kunne nå rundt 30 GW effekt innen utgangen av 2025, mot 7,8 GW i drift i oktober 2022. Dette var en effektprognose, ikke energikapasitet i GWh.

Kilde: EIA

I oversikten fra 2023 brukte mange batterianlegg litiumionbatterier, mens andre teknologier var under utvikling.

Ulike behov

Batteriindustrien har særlig betjent småelektronikk og elbiler. Disse har flere felles krav:

• Liten størrelse og lav vekt, med høy spesifikk energi målt i Wh/kg.
• Drift innenfor temperaturintervallet for bruksområdet.
• En avveining mellom pris, vekt, ytelse og sikkerhet.
• Passende levetid, ofte minst 5–10 år avhengig av bruk og sykluser.

Litiumionbatterier har møtt disse kravene godt. Faststoffteknologi er en mulig videreutvikling, mens natriumion er en annen familie. Litiumjernfosfat (LFP) er derimot selv en litiumionkjemi. Les mer i artikkelen «Mobilitetens fremtid – batteriteknologi».

Stasjonære batterier for kraftnettet har andre prioriteringer.

• Vekten er mindre kritisk enn i en bil, men transport og installasjon setter fortsatt grenser.
• Plassen er ofte mindre begrenset, men areal, tillatelser og tomtekostnader har betydning.
• Kjemier med intern temperatur på 200 °C eller mer kan brukes med egnet isolasjon, temperaturstyring og sikkerhetstiltak. Kulde og energien som kreves til oppvarming påvirker også virkningsgraden.
• Pris per Wh er viktig, sammen med virkningsgrad, effekt og totalkostnaden per enhet tilbakelevert energi.
• Lang levetid fordeler investeringen over flere år. Kraftselskaper planlegger infrastruktur over 30–40 år, men ikke alle batterier varer så lenge.

Disse prioriteringene driver utviklingen av forskjellige teknologier og kjemier for stasjonær lagring.

Flere teknologier kan lykkes samtidig. Noen passer til umiddelbar balansering, andre til lagring over timer eller dager. Lagring over uker og årstider krever særskilt dimensjonerte systemer og kan også benytte andre løsninger enn batterier.

Kilde: CleanTech

For en historisk sammenligning kan du lese Ara Akes rapport fra mars 2023 om stasjonær batterilagring.

Nye batterikjemier for kraftnettet

Nye kjemier avledet fra elbiler

Stor produksjon og etablerte forsyningskjeder kan redusere kostnaden per Wh.

Derfor vurderes også kjemier som allerede brukes i elbiler, inkludert rimeligere litiumionvarianter.

LFP‑batterier

LFP betyr litiumjernfosfat og er en litiumionkjemi uten kobolt eller nikkel i katodematerialet. Sammenlignet med enkelte nikkelbaserte kjemier kan den gi lavere pris og flere sykluser, avhengig av produkt og bruk. Kommersielle løsninger ble allerede tilbudt av blant andre CATL eller BYD.

Natrium‑ion‑batterier

Natrium finnes i store mengder og kan redusere avhengigheten av litium og prissvingningene der. Tidlige natriumionceller hadde gjerne lavere spesifikk energi enn LFP. Den endelige prisen avhenger likevel av materialer, produksjon og hele systemet; en billig råvare garanterer ikke et billigere batteri. Både elbiler og kraftnett er mulige bruksområder.

Redoks‑flytbatterier

Redoks-flytbatterier lagrer energi gjennom reversible oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner i sirkulerende elektrolytter. De aktive stoffene kan være metallbaserte eller organiske. Ikke alle kjemiene i de neste avsnittene er flytbatterier.

Kilde: CellCube

Jern‑luft‑batterier

Jern-luft-batterier bruker oksidasjon av jern, som danner rust. Ved utlading oksideres jernet og leverer strøm; ved lading reverseres prosessen med elektrisk energi.

Rikelig jern gir et mulig kostnadsfortrinn. Form Energy sikter mot rundt 100 timers utlading: dette er varigheten på energileveransen, ikke en levetid som er 17 ganger lengre. Historiske påstander om opptil ti ganger lavere kostnad var mål eller bestemte sammenligninger, ikke generelle garantier. Plass, vekt, virkningsgrad og hastighet er fortsatt prosjektfaktorer. Selskapet Form Energy startet byggingen av Form Factory 1 i mai 2023 og kunngjorde prøveproduksjon i september 2024.

Sinkbatterier

Sinkfamilien omfatter sink-brom, sink-mangan og sink-luft med forskjellige egenskaper. Enkelte systemer kan begrense selvutlading eller gi langvarig lagring, men ikke alle leverer flere ukers energi. Varigheten avhenger av kapasitet og effektbehov. Artikkelen fra 2023 viste til en prognose fra Avicenne Consulting om 10 prosent markedsandel innen 2030, ikke en allerede oppnådd andel. Historiske eksempler var Redflow (sink-brom) og Zinc8 (sink-luft).

Vanadium‑redoks‑flytbatterier – VRFB

Vanadium brukes hovedsakelig som legeringselement i stål, ikke først og fremst i rustfritt stål. I flytbatterier gir ulike oksidasjonstrinn gjentatte sykluser og mulighet til å flytte fornybar produksjon i tid. Effekt og elektrolyttmengde bestemmer utladingstiden; ti fulle daglige sykluser og 24 timers levering gjelder ikke automatisk hvert anlegg. En beregnet levetid på 20–25 år er mulig for bestemte systemer, men vedlikehold og utskifting av cellestakker kan være nødvendig. Elektrolytten kan gjenvinnes og brukes på nytt.

Blant selskapene i sektoren er CellCube, Invinity Energy Systems, Rongke Power og VRB Energy som arbeider med denne teknologien.

Vannbaserte saltbatterier

Vannbaserte saltbatterier bruker elektrolytter med salter, men har forskjellige konstruksjoner. Noen bruker membraner; Salgenx beskriver et membranfritt flytsystem. Fordeler for pris og vedlikehold er produsentpåstander og avhenger av konstruksjonen og væskehåndteringen.

Flytende metallbatterier

Flytende metallbatterier bruker metallelektroder og saltelektrolytt som holdes flytende. Metallurgianalogien betyr ikke bare å reversere aluminiumssmelting.

Mye av batterikostnadene kommer fra vanskelighetene med å produsere dem. Anoder og katoder må være perfekt separert for å unngå kortslutninger.

De tre væskelagene kan skilles på grunn av tetthetsforskjeller og manglende blandbarhet. Dette begrenser enkelte nedbrytningsmekanismer i faste elektroder, men fjerner ikke behovet for beholder, tetninger, temperaturstyring eller vedlikehold. Hastighet, levetid og gjenvinning avhenger av systemet.

I 2022 kunngjorde Ambri, som utviklet kalsium-antimonceller, en fabrikk planlagt for 200 000 celler årlig med forventede leveranser fra 2023. I september 2022 meldte selskapet også om et demonstrasjonssystem for Microsoft (MSFT ). Det dokumenterer ikke generell løpende levering til alle datasentre. I juli 2024 meldte Ambri at selskapet hadde fullført et salg og kommet ut av Chapter 11.

Kilde: Ambri

I det historiske bildet fra 2023 tilbød NGK Insulators kommersielle natrium-svovel-batterier med smeltede salter, mens FZSoNick tilbød natrium-nikkel-klorid-batterier.

Metall‑hydrogen‑ / nikkel‑hydrogen‑batterier

Nikkel-hydrogen-batterier kombinerer en nikkelhydroksid-/nikkeloksyhydroksid-elektrode med reversible reaksjoner for produksjon og oksidasjon av hydrogen i alkalisk elektrolytt. Dette er ikke bare omdanning av hydrogen til vann fulgt av metalloksidasjon. Andre metall-hydrogen-batterier bruker andre katodematerialer.

Nikkel-hydrogen-teknologien ble tidligere brukt på ISS. Stasjonens batterier ble erstattet med litiumionbatterier fra 2017 til 2021.

EnerVenue foreslår en stasjonær variant med lavt vedlikeholdsbehov og uten selvforsterkende termisk reaksjon. Temperaturintervaller, inkludert historisk oppgitte -40 til +60 °C, avhenger av produkt og testforhold og gjelder ikke alle metall-hydrogen-batterier.

Denne teknologien blir spesielt promotert av EnerVenue, som ble offentlig kjent i 2020. I september 2023 presenterte selskapet en ny versjon med forventet levetid på 30 år og 30 000 sykluser. Dette er konstruksjonsdata, ikke allerede observerte tretti års drift. Hydrogen-mangan-flytbatterier utvikles av RFC Power, i dag Certain Energy.

CO₂‑batterier

Økende CO₂‑nivåer er drivkraften bak presset for fornybar energi og elektrifisering, og dermed også bak det økende behovet for batterier. Det er derfor noe ironisk at samme molekyl blir brukt til å lagre fornybar energi.

Noon Energy utvikler elektrokjemisk lagring som ved lading spalter CO₂ til fast karbon og oksygen og reverserer reaksjonen ved utlading. Den historiske teksten oppga 50–200 bar og 600–800 °C for en prosjektbeskrivelse, ikke universelle bekreftede spesifikasjoner for alle produkter. Teknologien er beslektet med fastoksidelektrolyse i MOXIE. Men MOXIE på Perseverance fremstilte oksygen fra CO₂ og var ikke et energilagringsbatteri.

Energy Domes «CO₂ Battery» er derimot termomekanisk lagring basert på kompresjon, kondensering og ekspansjon av CO₂. Handelsnavnet «batteri» betegner ikke her en elektrokjemisk reaksjon som hos Noon.

Natrium‑svovel‑batterier

Natrium-svovel-batterier ved høy temperatur arbeider rundt 300 °C og trenger isolasjon og temperaturstyring. De manglet ikke kommersiell produksjon i 2023: NGK startet kommersialisering i 2002 og full produksjon i 2003. Forskning på romtemperaturvarianter er et eget spor. I oktober 2025 varslet NGK avslutning av ny produksjon og salg til nye prosjekter.

Polymer‑batterier

Ledende polymerbatterier, som PolyJoules, erstatter tradisjonelle metallbaserte aktive materialer med organiske polymerer. Dette må ikke forveksles med alle batterier med polymerelektrolytt, som fortsatt kan bruke litium. Målet er tilgjengelige materialer, skalerbar produksjon og enklere temperaturstyring. Sikkerhet, levetid og pris er produktegenskaper.

Polyjoule, som bygger på forskning ved MIT, utvikler denne teknologien. Konkurranseevnen avhenger av bruksområdet og totalkostnaden for lagret og tilbakelevert energi.