Fremtiden for energilagring – Batteriteknologi i stor skala

Kraftnettets behov for batterier

Batterier har utviklet seg fra en billig komponent i små elektroniske enheter til en kostbar nøkkelkomponent i elbilrevolusjonen. Men det finnes et annet segment ved siden av mobilitet som krever en stadig større mengde batterikapasitet: kraftnettet.

Fornybare energikilder vokser som en del av total elektrisitetsproduksjon. Men de er også mer uregelmessige enn fossile kraftverk, siden de hovedsakelig produserer strøm når solen skinner eller vinden blåser. Dette kan være utenfor tidspunktet for maksimal etterspørsel, ofte om kvelden eller om vinteren. Kraftnettet lagrer ingen elektrisitet, men må være i balanse mellom produksjon og forbruk til enhver tid.

Dermed vil økt produksjon fra fornybare kilder kreve flere batterier for å holde kraftnettet stabilt. Dette er et viktig område for ny energiinvestering, med batteriprosjekter i stor skala som er planlagt å mer enn tredoble dagens kapasitet innen 2025.

Kilde: EIA

Foreløpig bruker mange av disse batteriparkene litium‑ion‑batterier. Men dette kan endre seg.

Ulike behov

Foreløpig har batteriindustrien utviklet seg hovedsakelig for å betjene markedet for små elektroniske enheter og elbiler. Dette skyldes at begge deler har lignende krav til den ideelle batteriet:

• Liten og lett, med høy energitetthet målt i Wh/kg.
• Fungerer i et «normalt» temperaturområde.
• Ikke ekstremt prisfølsom.
• Kan vare minst 5–10 år, med omtrent en full lading per dag.

For dette spesifikke settet av kriterier har litium‑ion‑teknologi hittil vært den beste batteriteknologien. Dette kan endre seg snart, med muligheter som fast‑stoff‑batterier, natrium‑ion‑ eller litium‑jern‑fosfat (LFP)‑batterier som potensielle alternativer. Du kan lese mer om dette i artikkelen vår: “The Future of Mobility – Battery Tech“.

Men batterier for kraftnett / i stor skala har helt andre behov.

• Ingen strenge krav til vekt. Batterier er ikke i bevegelse, så en vekt som ville hemme en elbil er ikke et problem.
• Ingen strenge krav til plass. Batteriparker bygges på billig jord rundt kraftstasjoner. Det er ikke nødvendig å pakke dem tett inn i en datamaskin eller elbil.
• Høye temperaturer er ikke så problematiske. Hvis en spesiell kjemi fungerer bedre ved 200 °C, vil det ikke koke passasjerene i en elbil. Imidlertid må batteriene i de fleste land tåle kaldt vær, da det ville være svært kostbart å holde dem varme om vinteren. Dette kan være en utfordring for litium‑baserte batterier.
• Kostnaden per Wh er den viktigste faktoren.
• Jo lenger batteriet varer, desto mer kan kostnaden avskrives over en lang periode, ettersom kraftselskapene er vant til investeringer med en tidshorisont på 30–40 år.

Med tanke på de svært ulike behovene mellom elbiler og batterier i stor skala, er det ikke overraskende at nye teknologier og nye batterikjemier utvikles for å tilby mer kostnadseffektive løsninger til kraftselskaper og nettoperatører.

I praksis kan vi forvente at flere ulike energilagringsteknologier «vinner» sammen, ettersom noen er bedre egnet for umiddelbar nettbalansering, mens andre passer bedre for ulike tidsskalaer (timer, uker, hele årstider).

Kilde: CleanTech

Selv om denne artikkelen gir deg en oversikt over temaet, kan du også ønske å lese denne detaljerte rapporten fra Ara Ake om stasjonære energilagringssystemer.

Nye batterikjemier for applikasjoner i nettstørrelse

Nye kjemier avledet fra elbiler

Produksjon av batterier er et skaleringsspill. De største produksjonsbatchene, med den mest omfattende forsyningskjeden, kan oppnå stordriftsfordeler og dermed lavere kostnad per Wh.

Av denne grunn satser flere selskaper som produserer batterier i stor skala på lavkostkjemier som allerede brukes i elbiler, for å erstatte litium‑ion‑basert lagring.

LFP‑batterier

Et alternativ er LFP (litium‑jern‑fosfat), et godt kandidat for lavkost‑elbatterier, og en batterikjemi som ikke er avhengig av dyr kobolt og nikkel. De har også lengre levetid enn litium‑ion, noe som gjør dem enda mer økonomiske på lang sikt. Dette er allerede tilgjengelig i ferdige løsninger i stor skala, inkludert fra ledende aktører i sektoren som CATL eller BYD.

Natrium‑ion‑batterier

I tillegg til kobolt og nikkel kan litium selv være svært dyrt til tider, avhengig av prisfluktuasjoner. Å erstatte det med rikelig natrium kan derfor bidra til å senke prisene ytterligere. Det er litt mindre energitett (Wh/kg) enn LFP‑batterier, men også billigere, så det kan være et enda bedre alternativ for en batterikjemi som kan fungere både i elbiler og i kraftnettet.

Redoks‑flytbatterier

Disse batterikategoriene baserer seg på den kjemiske prosessen med oksidasjon og reduksjon av metall. En rekke ulike metaller kan brukes i redoks‑flytbatterier, samt andre typer ioneflyt.

Kilde: CellCube

Jern‑luft‑batterier

Disse batteriene fungerer ved å utnytte oksidasjonen av jern (vanligvis kjent som rust). Batteriene produserer elektrisitet ved å oksidere jern, og reverserer deretter prosessen ved å forbruke elektrisitet.

Den viktigste fordelen er at ved å bruke ekstremt billige materialer, kan disse batteriene bli svært kostnadseffektive. Tilhengere av teknologien hevder at jern‑luft‑batterier vil være 10 ganger billigere, yte bedre og vare 17 ganger lenger. Ulempen med at batteriene er store, tunge og langsomme å lade eller utlades, bør ikke være et problem for applikasjoner i stor skala. Selskaper som Form Energy bygger allerede anlegg for masseproduksjon av disse batteriene.

Zink‑batterier

Ved å bruke et annet billig metall, inkluderer disse batteriene flere alternativer som zink‑bromin, zink‑mangan eller zink‑luft‑kjemier. Hovedfordelen med denne teknologien er den svært lange lagringskapasiteten, med svært lite tap/utlading. Dette kan gjøre den til en god kandidat for lagring av vindkraft, ettersom vindløse dager noen ganger kan vare i flere uker, noe batteriteknologier med mindre holdbar lagring sliter med å kompensere for. «Zink‑batterier forventes å utgjøre 10 % av lagringsmarkedet innen 2030, ifølge energianalytiker Avicenne Consulting». Noen bemerkelsesverdige selskaper i dette området er Redflow (zink‑bromin) og Zinc8 (zink‑luft).

Vanadium‑redoks‑flytbatterier – VRFB

Vanadium er et metall som i dag hovedsakelig brukes i produksjon av rustfritt stål. I batterier kan det lage batterier som er best egnet for daglige sykluser og jevning av produksjonskurven for fornybare energikilder i løpet av dagen, takket være evnen til å håndtere minst 10 lade‑utladesykluser per dag, samtidig som de har god lagringskapasitet i opptil 24 timer. Batteriets levetid kan være svært lang, opptil 20–25 år, og da vil kun plastrammedelene måtte byttes ut, mens metallkomponentene er nesten fullt resirkulerbare.

Sektoren er svært aktiv, med selskaper som CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power og VRB Energy som arbeider med denne teknologien.

Sea‑Salt / Aqueous Saltwater Batteries

Dette konseptet baserer seg på strømmen av saltioner gjennom en membran for energilagring. En versjon av dette batteriet laget av Salgenx bruker ikke engang en membran, noe som reduserer kostnader, kompleksitet og vedlikehold, men med en spesiallaget elektrolytt som ikke blandes med vann.

Smeltede metallbatterier

Konseptet er basert på aluminiumssmelting, en svært strøm‑krevende prosess; hva om den kunne vendes om?

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

I et smeltet metallbatteri er alle de tre hovedkomponentene – anoden, katoden og elektrolytten – i væskeform. De skiller seg spontant fra hverandre på grunn av ulik væsketetthet. Det faktum at det ikke finnes noen faste komponenter, bør i teorien øke batteriets levetid dramatisk, samt tillate svært rask lading og utlading og full gjenvinning.

Selskapet Ambri, som bruker et kalsium‑ og antimon‑batteri, har som mål å produsere 200 000 battericeller per år i sin nye fabrikk innen 2024, og har vært leverandør til Microsoft siden 2022.

Kilde: Ambri

Selskapet NGK insulator jobber også med et natrium‑svovel‑smeltet salt‑batteri, og the company FZSoNick is working on a sodium-nickel-chloride battery.

Metall‑hydrogen‑ / nikkel‑hydrogen‑batterier

Disse batteriene sykliser hydrogen til vann og deretter oksiderer et metall. Selv om nikkel ikke er det eneste mulige katodematerialet i denne teknologien (alternativer kan være mangan, bly eller jern), er det det mest vanlige og mest energitetthetsrike alternativet.

Dette er typen batteri som brukes av NASA på den internasjonale romstasjonen (ISS).

Denne teknologien har fordelen av å være svært sikker, med null vedlikehold og evne til å håndtere et bredt temperaturområde (-40 til +60 °C).

Denne teknologien blir spesielt promotert av Enervenue, som kom ut av stealth‑modus i 2020, og viste en ny versjon av sitt batteri med en 30‑år, 30 000‑sykluser levetid lansert i september 2023. Hydrogen‑mangan‑batterier utvikles av RFC Power.

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 CO₂‑batteri deler CO₂ i karbon og oksygen for å lagre energi. Flytbatteriet opereres ved høyt trykk og temperaturer fra 50 til 200 bar og 600 til 800 °C. Denne batteritypen ble først utviklet for Mars‑roveren Perseverance.

Dette bør ikke forveksles med «CO₂‑batteriet» fra Energy Dome, som baserer seg på syklusen av flytning og fordampning av CO₂, og dermed ikke er et ekte batteri, men mer lik en komprimert gass‑energibuffer.

Natrium‑svovel‑batterier

Disse batteriene har hittil vært begrenset til applikasjoner hvor batteriet holdes ved høye temperaturer (300 °C). Dette kan være uproblematisk for applikasjoner i stor skala. Teknologien er imidlertid fortsatt relativt ny og mangler foreløpig skala og masseproduksjon. Å gjøre disse batteriene svært langvarige kan også være en teknologisk utfordring.

Polymer‑batterier

Også kalt plastbatterier, bruker dette konseptet ledende polymer i stedet for litium eller andre metaller. Hovedfordelen med dette konseptet er at det baserer seg på enkel produksjon og lett tilgjengelige materialer. Det resulterende batteriet vil også være svært langvarig og enkelt å betjene trygt.

Polyjoule, et spin‑off fra MIT, er en av lederne innen dette konseptet. Men på lang sikt kan det vise seg at denne batteritypen ikke reduserer kostnadene like mye som noen andre alternativer.