Framtiden för energilagring – Storskaliga batteritekniker

Energigridens behov av batterier

Batterier har utvecklats från en billig komponent i små elektronikprodukter till en dyr nyckelkomponent i elbilsrevolutionen. Men det finns ett annat segment förutom mobilitet som kräver en allt större batterikapacitet: energigriden.

Förnybar energi växer som en del av den totala elproduktionen. Men de är också mer intermittenta än fossila kraftverk, eftersom de främst producerar el när solen skiner eller vinden blåser. Detta kan missmatcha tidpunkten för högsta konsumtion, ofta på kvällen eller på vintern. Energigriden lagrar ingen elektricitet men måste vara i balans mellan produktion och konsumtion hela tiden.

Så ju mer förnybar elproduktion, desto fler batterier behövs för att hålla energigriden stabil. Detta är ett stort investeringsområde för ny energi, med storskaliga batteriprojekt som planeras att mer än tredubbla den nuvarande kapaciteten till 2025.

Källa: EIA

För närvarande många av dessa batteriparker använder litiumjonbatterier. Men detta kan förändras.

Olika behov

För närvarande har batteriindustrin främst utvecklats för att tillgodose marknaden för små elektronikprodukter och elbilar. Detta beror på att båda delar liknande krav på den ideala batteriet:

• Liten och lätt, med hög energitäthet mätt i Wh/kg.
• Fungerar i ett “normalt” temperaturområde.
• Inte extremt priskänslig.
• Kan hålla i minst 5–10 år, med ungefär en full laddning per dag.

För detta specifika kriterium har litiumjonteknik hittills varit den bästa batteritekniken. Detta kan snart förändras, med möjligheter som fast‑tillståndsbatterier, natriumjon- eller litiumjärnfosfat (LFP)-batterier som potentiella alternativ. Du kan läsa mer om det i vår artikel: “Framtiden för mobilitet – Batteriteknik“.

Men batterier för energigrid / storskalig användning har mycket olika behov.

• Inga hårda begränsningar för vikt. Batterierna är stationära så en vikt som skulle försvaga en elbil är inget problem.
• Inga hårda begränsningar för utrymme. Batteriparker byggs på billig mark runt kraftverk. Det behövs ingen kompakt packning som i en dator eller elbil.
• Höga temperaturer är inte så problematiska. Om en specifik kemi fungerar bättre vid 200 °C, kommer det inte att bränna passagerarna i en elbil. Men i de flesta länder måste batterierna klara kallt väder, eftersom det skulle vara mycket kostsamt att hålla dem varma på vintern. Detta kan vara en svårighet för litiumbaserade batterier.
• Kostnaden per Wh är den viktigaste faktorn.
• Ju längre batteriet håller, desto mer kan dess kostnad amorteras över en lång period, då elbolag är vana att investera med en tidsram på 30–40 år.

Med tanke på de mycket olika behoven mellan elbilar och storskaliga batterier är det inte förvånande att nya teknologier och nya batterikemier utvecklas för att erbjuda mer kostnadseffektiva lösningar till energiföretag och nätoperatörer.

I praktiken kan vi förvänta oss att flera olika energilagringstekniker “vinner” tillsammans, då vissa är bättre lämpade för omedelbar nätbalansering och andra för olika tidsskalor (timmar, veckor, hela säsonger).

Källa: CleanTech

Medan den här artikeln ger dig en översikt över ämnet kan du också vilja läsa denna detaljerade rapport från Ara Ake om stationära energilagringssystem.

Nya batterikemi för storskaliga nätapplikationer

Från elbilar härledda nya kemier

Att bygga batterier är ett skalningsspel. De största produktionsbatcherna, med den djupaste leveranskedjan, kan uppnå stordriftsfördelar och därmed en billigare kostnad per Wh.

Av den anledningen satsar flera företag som tillverkar storskaliga batterier på lågt kostnadsbatterikemi som redan används i elbilar för att ersätta litiumjonbaserad lagring.

LFP-batterier

Ett alternativ är LFP (litiumjärnfosfat), ett bra kandidat för lågt kostnadsbatterier i elbilar och en batterikemi som inte förlitar sig på dyr kobolt och nickel. De håller också längre än litiumjon, vilket gör dem ännu mer ekonomiska på lång sikt. Detta finns redan som färdiga, storskaliga lösningar, bland annat från branschledare som CATL eller BYD.

Natriumjonbatterier

Förutom kobolt och nickel kan litium självt vara mycket dyrt ibland, beroende på prisfluktuationer. Att ersätta det med rikligt natrium kan därför ytterligare sänka priserna. Det är något mindre energität (Wh/kg) än LFP, men också billigare, så det kan vara ett ännu bättre kandidat för en batterikemi som kan fungera både i elbilar och i energigriden.

Redoxflödesbatterier

Denna batterikategori bygger på den kemiska processen av oxidation och reduktion av metall. En mängd olika metaller kan användas för redoxflödesbatterier, liksom andra typer av jonflöden.

Källa: CellCube

Järn-luftbatterier

Dessa batterier fungerar genom att utnyttja oxidation av järn (vanligtvis kallat rost). Batterierna producerar elektricitet genom att oxidera järn och sedan vänder processen genom att förbruka elektricitet.

Den största fördelen är att genom att använda extremt billiga material kan dessa batterier bli mycket kostnadseffektiva. Förespråkare för teknologin hävdar att järn-luftbatterier skulle vara 10 gånger billigare, prestera bättre och hålla 17 gånger längre. Nackdelen att batterierna är stora, tunga och långsamma att ladda eller urladda bör inte vara ett problem för storskaliga tillämpningar. Företag som Form Energy bygger redan anläggningar för massproduktion av dessa batterier.

Zinkbatterier

Genom att använda en annan billig metall inkluderar dessa batterier flera alternativ som zink-bromin, zink-mangan eller zink-luftkemi. Den största fördelen med denna teknik är dess mycket långa lagringskapacitet med mycket låga förluster/urladdning. Detta kan göra den till en bra kandidat för lagring av vindkraft, där vindfria dagar ibland kan sträcka sig över flera veckor, något som batteritekniker med mindre hållbar lagring har svårt att kompensera för. “Zinkbatterier förväntas utgöra 10 % av lagringsmarknaden år 2030, enligt energianalytikern Avicenne Consulting”. Några framstående företag inom detta område är Redflow (zink-bromin) och Zinc8 (zink-luft).

Vanadiumredoxflödesbatterier – VRFB

Vanadin är en metall som idag främst används i produktionen av rostfritt stål. I batterier kan den skapa batterier som är optimala för dagliga cykler och jämnar ut produktionskurvan för förnybar energi under dagen, tack vare att de kan hantera minst 10 laddnings‑urladdningscykler per dag, samtidigt som de har en god kvarhållningskapacitet i upp till 24 timmar. Batteriets livslängd kan vara mycket lång, upp till 20–25 år, och då behövs bara plastramens delar bytas ut, medan metallkomponenterna nästan är helt återvinningsbara.

Sektorn är mycket aktiv, med företag som CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power och VRB Energy som arbetar med denna teknik.

Havssalt / vattenbaserade saltvattensbatterier

Detta koncept bygger på flödet av saltjoner genom en membran för att lagra energi. En version av detta batteri tillverkat av Salgenx använder inte ens någon membran, vilket minskar kostnader, komplexitet och underhåll, men med en specialtillverkad elektrolyt som inte blandas med vatten.

Smälta metallbatterier

Konceptet är baserat på aluminiumsmältning, en mycket elintensiv process; vad om den kunde vändas?

En stor del av batterikostnaderna beror på svårigheterna att tillverka dem. Anoder och katoder måste vara perfekt separerade för att undvika kortslutningar.

I ett smält metallbatteri är alla tre huvudkomponenter – anoden, katoden och elektrolyten – flytande. De separeras spontant från varandra tack vare olika vätsketyper. Att det inte finns några fasta komponenter bör i teorin öka batteriets livslängd dramatiskt, samt möjliggöra mycket snabb laddning och urladdning och göra det helt återvinningsbart.

Företaget Ambri, som använder ett kalcium‑ och antimonbatteri, siktar på att producera 200 000 battericeller per år i sin nya fabrik till 2024, och har varit en leverantör till Microsoft (MSFT ) sedan 2022.

Källa: Ambri

Företaget NGK insulator arbetar också med ett natrium‑svavel smält saltsbatteri, och företaget FZSoNick arbetar med ett natrium‑nickel‑kloridbatteri.

Metallväte- / nickelvätebatterier

Dessa batterier omvandlar väte till vatten och oxiderar sedan en metall. Även om nickel inte är den enda möjliga katodmetallen i denna teknik (alternativ kan vara mangan, bly eller järn), är den det vanligaste och mest energitäta alternativet.

Detta är den typ av batteri som används av NASA på ISS (International Space Station).

Denna teknik har fördelen att vara mycket säker, med noll underhåll och klarar ett brett temperaturområde (-40 till +60 °C).

Denna teknik främjas särskilt av Enervenue, som kom ur stealth‑läge 2020, och visade en ny version av sitt batteri med en 30‑årig, 30 000‑cyklers livslängd som släpptes i september 2023. Väte‑manganbatterier utvecklas av RFC Power.

CO2-batterier

Stigande CO2-nivåer är drivkraften bakom satsningen på förnybar energi och elektrifiering, och därmed också bakom det ökande behovet av batterier. Så det är något ironiskt att samma molekyl används för att lagra förnybar energi.

Noon Energy CO2-batteri delar CO2 i kol och syre för att lagra energi. Flödesbatteriet drivs vid höga tryck och temperaturer mellan 50 och 200 bar samt 600 till 800 °C. Denna batterityp utvecklades först för Mars-rovern Perseverance.

Detta bör inte missförstås som samma som “CO2-batteriet” från Energy Dome, som bygger på cykeln av förångning och kondensation av CO2, vilket gör det till ingen riktig batteri utan snarare en komprimerad gaslagring.

Natrium-svavelbatterier

Dessa batterier har hittills varit begränsade till tillämpningar där batteriet hålls vid hög temperatur (300 °C). Detta kanske inte är ett problem för storskaliga tillämpningar. Tekniken är dock fortfarande relativt ny och saknar för närvarande skala och massproduktion. Att göra dessa batterier mycket långlivade kan också vara en teknisk utmaning.

Polymerbatterier

Också kallade plastbatterier, detta koncept använder ledande polymer istället för litium eller andra metaller. Huvudfördelen med detta koncept är att det bygger på enkel tillverkning och lätt tillgängliga material. Det resulterande batteriet skulle också vara mycket långlivat och enkelt att använda säkert.

Polyjoule, en MIT‑spin‑off, är en av ledarna inom detta koncept. Men på lång sikt kanske det inte blir en batterityp som kan minska kostnaderna lika mycket som vissa andra alternativ.