Jordvärmelagring kan lösa utmaningen med lagring av förnybar energi

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.

I kalla klimat blir det ännu värre, eftersom det ofta är när temperaturerna är särskilt låga som energiförbrukningen ökar för att värma byggnader. Så när himlen är mulen eller solpaneler är täckta av snö, är energibehovet som högst.

Att använda litiumjonbatterier som i elbilar är sannolikt ingen lösning som fungerar i stor skala. De är helt enkelt för dyra, inte tillräckligt hållbara och kräver för mycket råmaterial.

Det är därför många olika alternativa batterikemi har övervägts för energilagring på verktygsskala. Vi tittar på de flesta av dessa alternativ i vår artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“, inklusive litiumjärnfosfat, natriumjon, redoxflöde, järn‑luft, smält metall, nickel‑väte, natrium‑svavel, etc.

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 lagringsmedel. Vi granskade dem mer i detalj i “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“. Dessa alternativ inkluderar:

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

Var och en 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, helst i flera veckor eller månader.
• Låga kostnader.
• Lätt skalbar utan begränsningar från tillgängliga platser eller resurser.
• Den kan omvandlas tillbaka till elektricitet med minimala förluster.

För de första 4/5 kriterierna skulle värmelagring passa. Vi utforskade några av de möjliga “heat battery”-teknologierna i vår dedikerade artikel “Heat Batteries Rapidly Maturing Without the Need for Mining Metals”.

Dock kräver även dessa lösningar viss tillverkning av lagringskapaciteten, vare sig det är gigantiska isolerade silos fyllda med sand eller block av rent kol upphettade till 1500°C.

Forskare från Kaunas tekniska universitet (Litauen) utforskar nu en annan möjlighet, att lagra energi direkt i marken under byggnader, utan någon extra tillverkning som krävs.

De publicerade sina fynd i ett specialnummer av tidskriften Sustainability¹ under titeln “Research on Increasing the Building’s Energy Efficiency by Using the Ground Beneath It for Thermo-Accumulation”.

Jordens termiska kapacitet

Eftersom jordar innehåller en blandning av mineraler och vatten har de en enorm termisk massa, vilket är mängden energi i värmeform som den kan innehålla för en given volym eller massa. Jordens natur, såsom dess fysiska struktur, organiskt materialinnehåll, textur och mineralinnehåll, bestämmer jordens termiska variationer.

På grund av detta tenderar jord att hålla en mer konstant temperatur under ett visst djup (vanligtvis 2-3 meter / 6,5-10 fot), vilket speglar den årliga medeltemperaturen i ett område.

Källa: MDPI

Det är detta princip som utnyttjas av geotermiska värmepumpar, som tar den värme som lagras i jorden på sommaren för att värma hemmen på vintern, istället för att försöka pumpa värme från den mycket kallare ytluftrummet. Det kan också fungera omvänt i varma klimat, där marken förblir kallare på dagen och på sommaren än ytluftrummet. Samma principer används också i geotermiska växthus, The same principles are also being deployed in geothermal greenhouses,

Mätning av termisk diffusion

Experimentell uppställning

Lite testning har genomförts som analyserade den termiska diffusionen i flera jordlager och mätte den året runt, vilket möjliggör en korrekt förståelse av jordens potential som ett praktiskt termiskt batteri.

Så skapade forskningen en experimentell uppställning med flera mätningar på olika djup. De lade till ett elektriskt motstånd för att senare mäta värmediffusionen. Den experimentella forskningen om värmeavledning i jorden påbörjades i december och avslutades i juli.

Källa: MDPI

De experimentella mätningarna jämfördes med en digital simulering av värmediffusionen i jorden, där båda gav liknande resultat, vilket bevisar simuleringens giltighet.

Källa: MDPI

“De årslånga mätningarna avslöjade naturliga säsongsmönster i jordtemperaturen och gjorde det möjligt för oss att identifiera flera trender. Vi fann att även passiv användning av en isolerad jordvolym under en byggnad kan minska värmeförluster och öka dess energieffektivitet.”
Prof. Ždankus – Professor vid Kaunas tekniska universitet

Vattenenergilagring

Forskarna visste redan att markens vatteninnehåll, liksom luftfickor, kraftigt påverkade hastigheten på termisk diffusion i jorden och dess termiska massa. När djupet ökar ökar också ackumulerings tiden, vilket gör att jorden kan lagra värme långsammare och under längre perioder.

Vattnets aktivitet upptäcktes också vara en nyckelfaktor i värmediffusion i jorden, eftersom vatten kan föra värme mellan jordlager samt horisontellt.

I ett test värmdes jorden till den punkt där fukt började avdunsta – vilket utlöste en fasövergång där flytande vatten blir ånga. Denna ”fasövergång” från flytande vatten till ånga absorberar en betydande mängd värme, vilket ökar jordens totala kapacitet för värmelagring samtidigt som fördelningsmönstret förändras.

“Fasövergång kan vara ett effektivt sätt att lagra värme. Betydligt större mängder energi kan laddas in i jorden.

När ånga färdas genom marken fördelar den värme över ett större område. ”Vi märkte en kraftig temperaturökning där ångflödet nådde. Detta betyder att energin rör sig och kan kontrolleras.”

Prof. Ždankus – Professor vid Kaunas tekniska universitet

Praktiska tillämpningar

Omvandla varje tomt till ett batteri

Eftersom varje byggnad har ett betydande fotavtryck skulle utnyttjandet av jord för både strukturell stabilitet och värmelagring inte kräva extra ansträngning, särskilt för nya byggnader, där värmeutbytet installeras under byggnadens grundläggning.

Detsamma kan sägas om stora byggda ytor med betong eller asfalt.

“Ett sådant system kan hjälpa till att balansera fjärrvärmenät eller lindra belastning under elnätets överbelastning. Det är också möjligt att installera termiska ackumulatorer för individuellt bruk – under bostadsbyggnader, gator eller parkeringsplatser.”
Prof. Ždankus – Professor vid Kaunas tekniska universitet

Idén är att använda överskottet av kraft under soliga timmar och dagar för solenergi, eller blåsiga dagar, och värma jorden som ett gigantiskt värmebatteri. Den största mängden energi behövdes för att värma den omgivande jorden i början.

I den experimentella uppställningen tog det cirka en vecka med kontinuerligt värmeflöde att nå ett stabilt jämviktstillstånd, där ingen mer värme kunde tillföras jorden utan att den läckte ut.

Decentraliserade nät och värme

En viktig fördel med denna teknik är att den enkelt kan utnyttja den decentraliserade karaktären av solproduktion, både i landsbygd och stadsmiljöer.

Det kan orsaka problem, eftersom nätet inte var designat för att hantera kraftigt varierande belastningar under dagen i det som tidigare bara var en relativt stabil konsumtionspunkt. I detta avseende är batteriparker av liten hjälp, eftersom elnätet fortfarande behöver en uppgradering för att leverera till batterierna.

Istället kan överskottet av solproduktion i en given byggnad skickas lokalt som värme in i jorden och återanvändas senare på natten eller efter flera dagar för att värma upp den. På så sätt överbelastas inte det lokala nätet under de soligaste timmarna.

Detta kan också fungera i viss grad för kylning, där jorden kan lagra kyla lika väl som värme.

Vidare forskning

En djupare bedömning av systemets ekonomi måste göras, där priserna på utrustning och byggkostnader, besparingar på nätuppgraderingar samt hur länge jorden kan behålla värmen ekonomiskt integreras.

Hittills verkar detta vara ett bättre system för att balansera energiefterfrågan i dag‑natt‑cykeln, eller över några dagar, än flermånads‑ och säsongsbalansering.

En annan sak som behöver undersökas innan en praktisk användning av tekniken implementeras är hur den kan utnyttja befintliga standardlösningar som redan används av geotermisk industri.

“Vårt omedelbara mål är att integrera befintliga lösningar, såsom borrhål, pålar och andra underjordiska värmeutbytningstekniker, i ett system som kan gynna både industri- och bostadssektorerna.”
Prof. Ždankus – Professor vid Kaunas tekniska universitet

Investera i geotermisk energi

Sektorn är fortfarande relativt liten jämfört med andra förnybara energikällor och utvecklas snabbt teknologiskt. Vi diskuterade den mer i detalj i “Geothermal Power: Green Energy That is Red-Hot”.

Detta innebär att många av de mest avancerade startup-företagen i sektorn fortfarande är privat listade. Till exempel den slutna kretsen för geotermisk energi Eavor, superkritisk geotermi Quaise, eller fonder som endast är tillgängliga för ackrediterade investerare som Baseload Capital.

Det betyder också att vissa avancerade geotermiska företag, som Iceland Drilling, kan vara bara en liten del av ett mycket större olje‑ och gasborrningsföretag (Archer Wells – ARCH.OL i detta fall).

Ändå är vissa företag börsnoterade och tillgängliga för detaljinvestorer. Du kan investera i geotermirelaterade företag via många mäklare, och du kan hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna på denna webbplats i USA, Kanada, Australien, Storbritannien och många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika företag kan du också titta på ETF:er som Shares Global Clean Energy ETF (ICLN), First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN) eller ALPS Clean Energy ETF (ACES) för att dra nytta av tillväxten inom den geotermiska energisektorn.

Geotermiska företag

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat är världens största ägare och operatör av geotermisk energi. Företaget har tillgångar i USA, Kenya, Indonesien och Centralamerika + Karibien, med en kapacitet på 1,5 GW, eller 10 % av den globala geotermiska energiproduktionskapaciteten, med 253 MW tillagda enbart 2024.

Källa: Ormat

Företaget siktar på en stark tillväxt av produktionskapaciteten, med många nya prospekteringsbrunnar som borras, särskilt i Nevada, Utah och Kalifornien. Totalt bör det nå 2,6‑2,8 GW produktionskapacitet till 2028.

Källa: Ormat

Ormat går också in på energilagringsmarknaden, med 290 MW i drift. 385 MW ytterligare lagringskapacitet är under utveckling, med en långsiktig potential på 2,9 GW.

Källa: Ormat

Det är också en leverantör av geotermisk teknik och bidrar med sin expertis till 74 % av binära anläggningsprojekt, som överför värme från marken till en annan vätska; binära anläggningar utgör 61 % av den globala geotermiska energimarknaden, vilket innebär att Ormat kontrollerar 45 % av den globala marknaden.

Källa: Ormat

Geotermisk energi är för närvarande en snabbt växande sektor, men också en som fortfarande är mycket konservativ på grund av bristande kunskap om tekniken hos de flesta verktyg och industriföretag.

I detta avseende gör detta Ormat väl positionerat för att dra nytta av den växande efterfrågan, samtidigt som det är en av de mest etablerade aktörerna i branschen och levererar baslastförnybar energi, något som andra gröna teknologier fortfarande har svårt att uppnå.

Senaste om Ormat Technologies

Studierreferens:

^{1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). Forskning om att öka byggnadens energieffektivitet genom att använda marken under den för termo‑ackumulering. Integration och tillämpning av förnybar energi i byggnader för koldioxidneutralitet, 2:a upplagan https://doi.org/10.3390/su17010262}