Värmebatterier mognar snabbt utan behov av gruvdrift av metaller

Storskalig energilagring behövs

Det finns ett växande behov av batterisystem som kan lagra mycket energi i flera timmar eller dagar. Detta beror på att sol- och vindkraft är intermittenta och varierar under dagen och från dag till dag.

En annan faktor är energibehovet i industriella processer, såsom metallurgi. Dessa fabriker behöver kraft dygnet runt, vanligtvis för att generera mycket värme i intervallet 1 000–1 500 °C.

Att använda litiumjonbatterier som i elbilar är osannolikt att bli en lösning som fungerar i stor skala. De är helt enkelt för dyra, inte tillräckligt hållbara och förbrukar för mycket råmaterial.

Det är därför många olika alternativa batterikemi har övervägts för energilagring i verktygsmässig skala. Vi granskar de flesta av dessa alternativ i vår artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“, inklusive litiumjärnfosfat, natriumjon, redox‑flöde, järn‑luft, smält metall, nickel‑väte, natriumsulfid osv.

Alla dessa batterier lagrar energi i form av elektricitet på ett eller annat sätt, vanligtvis genom oxidation och reduktion av en metall.

Problemet är att även mycket vanliga metaller som järn eller aluminium fortfarande skulle kräva omfattande gruvdrift. Så vad händer om vi lagrar energi i en annan form?

Lagring av värme

Det finns ett förvånansvärt stort antal alternativ för att lagra energi utan att använda elektricitet som lagringsmedium. Vi granskade dem närmare i “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“. Dessa alternativ inkluderar:

• Komprimerad luft.
• Gravitationsbatterier (stenar, pumpad vattenkraft).
• Värmebatterier.
• Svänghjul.
• Termisk solenergi.

Varje av dessa alternativ, både batterier och icke‑batterier, har fördelar och nackdelar. Den ideala energilagringslösningen skulle uppfylla några egenskaper:

• Ingen behov av metall och sällsynta material.
• Långvarig energilagring.
• Låga kostnader.
• Lätt skalbar utan begränsning av tillgängliga platser eller resurser.
• Kan användas som elektricitet med minimala förluster.

För de första 4‑5 punkterna skulle värmelagring passa. Sandbatterier, som de från det finska företaget Polar Night Energy, kan lagra överskottsenergi från sommaren till vintern, vilket är nödvändigt för att driva värmesystem med förnybar energi under de iskalla och solfria vintrarna i norr. De använder endast lågkvalitets sand och lite metall för ram och rör.

Källa: Polar Night Energy

En liknande värmebatteri föreställs av Rondo Energy, med tegelstenar som kan värmas upp till så mycket som 1 500 °C, och värmen används för industriella processer som cement- eller stålproduktion.

Dessa värmebatterier fungerar bra när den önskade produkten först värms upp, oavsett om det gäller fjärrvärme för lägenheter eller industriell värme.

Källa: Rondo Energy

Dock ansågs värmebatterier vara ett dåligt alternativ för att leverera energi till elnätet, eftersom verkningsgraden för att omvandla värme tillbaka till elektricitet vanligtvis ligger i det låga intervallet 20–30 %. Det innebär att upp till fyra femtedelar av den “lagrade” energin faktiskt går förlorad. Eller, med andra ord, blir den lagrade energin plötsligt fem gånger dyrare än när den producerades.

Även om solenergi nu är i nivå med fossila bränslen är den fortfarande långt ifrån att vara fem gånger billigare. Detta problem kan dock bara vara tillfälligt, med innovation inom en teknik som kallas termofotovoltaik.

Termofotovoltaiska celler – fotovoltaik, men med värme

Termofotovoltaik är idén att skapa kraft på ett liknande sätt som traditionell fotovoltaik men med värme istället för solljus – eller mer exakt, infrarött ljus som avges av upphettade material.

I en traditionell fotovoltaisk panel är alla ljusfrekvenser under ett visst tröskelvärde inte tillräckligt energirika för att skapa en ström och går förlorade. Detta gäller all infraröd strålning, eftersom infraröda elektromagnetiska vågor har för låg energi.

Detta är inte en ny teknik i sig, men den har alltid lidit av för låg verkningsgrad för att kunna tas i bred användning. Detta var fallet fram till den senaste framgången från forskare vid University of Michigan, som publicerade sina resultat i en vetenskaplig publikation med titeln “High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells“.

De påstår att de har uppnått ett rekord på 44 % verkningsgrad för temperaturer under 1 500 °C, vilket är mycket högre än tidigare resultat som bara nådde 37 %.

Och forskarna tror att de har en metod för att nå 50 % “på kort sikt”.

Källa: Cell

Hur fungerar termofotovoltaiska celler?

Först måste lagringsmaterialet, som kan vara sten, sand, kol, tegel, keramik osv., värmas upp, antingen med överskottsel från förnybara källor eller direkt solvärme.

Vid 1 435 °C har cirka 20–30 % av de infraröda fotonerna som den avger tillräckligt med energi för att generera elektricitet i forskargruppens termofotovoltaiska celler.

Källa: Design Boom

De övriga infraröda frekvenserna kunde inte omvandlas till elektricitet med den halvledare som används i termofotovoltaikpanelen.

Så, hur kom de upp till 44 %? Det geniala “knepet” var att lägga till ett tunt luftskikt på termofotovoltaicacellen precis bakom halvledaren samt en guldreflektor bakom luftgapet.

Det fångade fotonerna med rätt energinivå och höll dem kvar för att producera elektricitet. De andra skickades tillbaka mot det upphettade materialet och värmde upp det igen. De fick sedan en ny möjlighet att skickas mot termofotovoltaicacellen med rätt ljusfrekvens.

I princip låter det cellen återvinna det den inte fångade första gången, vilket ökar den totala omvandlingsgraden.

Framtida värmebatterier

En verkningsgrad på 44 % eller till och med 50 % kan verka mindre imponerande jämfört med pumpad vattenkraft (70–85 %) eller litiumjonbatterier (85–95 %).

Källa: EESI

Men detta skulle ignorera att massutbyggnad av energilagring i verktygsmässig skala har lika mycket med ekonomi som med teknik.

Batterier har en livslängd mätt i år innan de måste återvinnas. Det finns dessutom helt enkelt inte tillräckligt med litium och ännu mindre koppar, nickel eller kobolt för att distribuera dem i den skalan, särskilt när den största delen av denna metallproduktion redan behövs för elbilar.

I kontrast kan värmebatterier hålla i årtionden med lite eller ingen underhåll. De kräver nästan inget material förutom sten, sand eller lera. De kan byggas var som helst och i vilken storlek som helst, även riktigt gigantiska, med nästan ingen påverkan på ekosystemen, till skillnad från vattenkraft.

Slutligen är värme en av de mest effektiva metoderna när energi måste lagras i veckor och månader, med praktiskt taget alla typer av batterier som “läcker” energi över tid i en mycket högre takt än ett väl isolerat värmelagringssystem.

“Det är en form av batteri, men ett som är mycket passivt. Du behöver inte bryta litium som du gör med elektrokemiska celler, vilket betyder att du inte behöver konkurrera med elbilsmarknaden.

Till skillnad från pumpat vatten för vattenkraftslagring kan du placera det var som helst och du behöver ingen närliggande vattenkälla,”

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

Således kan ett värmebatteri vara den perfekta energilagringslösningen för att jämna ut förnybar intermittens. Det kan även lagra överskottsenergi från blåsiga eller soliga månader till vintern i tempererade klimat, eller till regnperioden i tropiska klimat.

Värmelagring / Termofotovoltaiska företag

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow är en gren av II-VI Inc., en branschledare inom (för närvarande ganska litet) området för produktion av termofotovoltaiska celler. År 2022 förvärvade II-VI Inc. laserproducenten Coherent Inc. (COHR ) och ändrade därefter sitt företagsnamn.

Företaget är expert på avancerade material som används i lasrar, optik och fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxial wafer och galliumarsenid. Det växte kraftigt tack vare flera förvärv under det senaste decenniet.

Källa: Coherent

Företagets termofotovoltaiska verksamhet utgör bara en liten del av dess totala intäkter, där optisk fiber, laser och andra produkter står för majoriteten av intäkterna. Detta kan dock vara goda nyheter för investerare, eftersom det också innebär att de har kapitalet att snabbt implementera ny teknik i industriell skala om innovation öppnar nya marknader.

Källa: Coherent

Till exempel den enorma marknaden för energilagring i verktygsmässig skala för överskottsförnybar energi…

Eftersom Michigan University har “ansökt om patentskydd (…) och söker partners för att ta tekniken till marknaden“, skulle det inte vara förvånande om ett företag som Coherent blir den som tar de nya termofotovoltaiska cellerna till marknaden. Speciellt med tanke på deras redan befintliga expertis inom industriell produktion av termofotovoltaik och liknande avancerade material.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

De termofotovoltaiska cellerna som användes av forskarna vid Michigan University tillverkades med InGaAsP (indiumgalliumarsenidfosfid).

“Så undersöker vi om översättning av luft‑bridge‑arkitekturen från ternära till kvaternära grupp III‑V‑absorberare (InGaAsP lattice‑matchade till InP‑substrat) kan förbättra verkningsgraden inom det önskade temperaturintervallet för emitterarna.”

Om denna teknik blir ett standardformat för energilagring i verktygsmässig skala kommer vi att behöva InGaAsP, och i stora mängder.

Det skulle därför vara logiskt i detta scenario att satsa på företaget som i 30 år har varit ledande inom produktion av InGaAsP, den japanska konglomeraten Sumitomo.

“I mer än 30 år har halvledarsektorn på Sumitomo Electric behållit sin ledande position som världens största tillverkare av galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP).

Namnet Sumitomo har blivit synonymt med kvalitet inom III‑V‑material. Sumitomo Electric uppnådde detta rykte genom att leverera sina globala kunder överlägsna substrat som ger högre avkastning och enheter med konsekventa elektriska egenskaper.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us”

Sumitomo Electric Industries, och dess avdelning för sammansatta halvledare, är en gren av det större Sumitomo‑konglomeratet, ett av de största sōgō shōsha (generella handelsbolagen) i världen.

Förutom InGaAsP är Sumitomo Electric Industries huvudsakliga verksamhet att producera:

• Telekomutrustning (optisk fiber, 5G)
• Bilens ledningar och högspänningskablar
• Elektronik (flexibla tryckta kretsar, datakablar, filtreringsmembran)
• Högkvalitativa material (karbid, skärverktyg, förspänd stålkabel).

Källa: Sumitomo

Expertisen i massproduktion av högkvalitativa material, ledarskapet inom InGaAsP‑produktion och affärskontakterna som följer med att vara en del av ett sōgō shōsha / generellt handelsföretag bör säkerställa att Sumitomo Electric Industries blir en av de främsta fördelaktiga aktörerna vid en massadoption av termofotovoltaik.

Tillväxten bör också gynna telekom (digitalisering, AI) och EV‑relaterade produkter (kablar, ledningar), som båda är snabbt växande sektorer.