Tema

Mer förnybar energi kräver ny lagring

Batterier för elbunkring i var mans hus. Det är en vision som inte är så avlägsen som man kunde tro. I takt med utbyggnaden av förnybar el från sol och vind ökar behovet av energilagring. Nu utvecklas nya typer av batterier – några i sig själva förnybara.

Andelen förnybar el, främst producerad med sol-, vind- och vattenkraft, ökar i världen. Det är också ett centralt mål i många länders energipolitik. Men el från sol- och vindkraft produceras och konsumeras i stunden och inte alltid när den behövs. Därför ökar behovet av att kunna lagra elenergin från en dag till en annan, eller ännu längre tid. Och därmed behöver teknikerna för ellagring utvecklas.

Störst kapacitet att lagra energi på den globala marknaden har dock vattenkraften. I pumpvattenkraftverk lagras vatten i dammar för senare omvandling till el. Andra storskaliga lagringstekniker är ”power-to-gas, tryckluft och svänghjul (se ruta), men som komplement behövs energilagring i form av batterier. Inte minst för begränsade utrymmen.

Förnybar energi lagras i förnybara batterier

Forskningen går framåt för små, bärbara batterier som går enkelt att återvinna – och till och med är ätbara.

Några av de batterier som rönt stor uppmärksamhet på senare år är algbatteriet, pappersbatteriet och giftfria batterier med komponenter av järn, magnesium, alfalfagroddar och tallkåda.

Dessa ofta små och tunna batterier kan inte lagra så mycket energi, men kan ändå få en viktig roll i exempelvis medicinsk teknik och bärbar utrustning. Batterierna kan driva termometrar och Led-lampor eller sättas in i förpackningar och leksaker.

Viktiga målsättningar i utvecklingen är att batterierna blir billiga att tillverka och görs av material som det finns gott om på jorden, alltså inga sällsynta metaller. Batterierna ska helst också gå att återvinna helt eller delvis.

Algbatteriet, utvecklat vid Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet, är ett böjbart pappersbatteri bestående av cellulosa från en grönalg (grönslick) och en ledande polymer som kan utvinnas från kärnan i en majskolv.

– Om vi tänker långsiktigt så behöver vi stenhårda satsningar nu på hållbara material och att bygga kompetens kring material som det finns mycket av, säger Maria Strömme, professor i nanoteknologi, som leder forskargruppen vid Ångströmlaboratoriet.

Ännu så länge är litium-jonbatterier den bästa tillgängliga teknik för ellagring, eftersom dessa kan lagra mycket energi i en liten volym, enligt batteriforskaren Kristina Edström, professor i oorganisk kemi vid Ångströmslaboratoriet i Uppsala.

Ur ett ekonomiskt perspektiv finns det mycket att vinna på nya batterier. Marknadspotentialen för lagringstekniker kommer att öka med minst 300 gigawatt (effekt) fram till år 2030, enligt prognoser från bland andra konsultbolaget Boston Consulting Group.

Ett rejält kliv framåt togs nyligen av energibolaget Southern California Edison som förra hösten investerade i ett batterisystem med effekten 20 megawatt (80 megawattimmar el). Det blir därmed ett av de största lagren i världen med litium-jonbatterier.

När batterisystemet är fulladdat förväntas det kunna lagra energi för 2 500 hushåll under en dag. Det ska användas som back-up för elkunder i Kalifornien, och blev nödvändigt sedan en lagringsanläggning för naturgas stängts efter en stor läcka.

Jämna ut effektbehovet med kompletterande lagring
Kristina Edström är en av många experter som spår att batterier för ellagring i hushållen kommer att bli vanligare även i Sverige.

– I så kallade smarta städer kommer back-up-lagring av el i byggnader att bli vanligt. Det passar bra i kombination med exempelvis solceller, säger hon.

Enligt en studie gjord av elkraftbranschens intresseorganisation Power Circle räcker det med förhållandevis små batterier för att jämna ut effektbehovet i fastigheter. För villor med fjärr- eller bergvärme är batterier med lagringskapacitet på mellan fyra och nio kilowattimmar tillräckligt för att minska effekttopparna med 40 procent.

Förväntningarna på litium-jonbatterier är stora och det spekuleras ofta kring hur mycket energimängden kan öka i batterierna. Ett mål är batterier med tio gånger högre energidensitet än idag, vilket skulle motsvara energidensiteten i bensin och öka räckvidden hos elbilar rejält.

Men det kan bli svårt att nå dit, menar Kristina Edström.

– Batteriernas kapacitet kan vara fördubblad om fem år, men knappast mer, säger hon.

Nya effektivare batterier
Mycket forskning och utveckling satsas därför på att ta fram nya, mer effektiva batterier.

En sorts batteri som visat sig lovande är så kallade litium-luftbatterier. Mängden lagrad energi per volymenhet kan här bli fem till tio gånger högre än i konventionella litium-jonbatterier.

Litium-luftbatterierna måste dock bli mer robusta och tillförlitliga innan de kan börja användas i elbilar eller i anslutning till vindkraftverk.

Detsamma gäller det så kallade hybridbatteriet som egentligen är en sorts mellanting mellan superkondensator och ett litium-jonbatteri som förbättrats med kolmaterialet grafen på anoden. Några fördelar med hybridbatteriet är att det kan laddas mycket snabbt och får lång livslängd.

Utveckling av batterier handlar mycket om att pröva nya kombinationer av material. En variant är det litium-metall-polymer-batteri som används i franska elbilsprojektet Bluecar sedan 2011. Elbilarna som säljs eller leasas ut sägs ha en räckvidd på 25 mil på en enda laddning.

Även gammal beprövad batteriteknik kan fortfarande ha en roll när behovet av energilagring ökar i världen. Både blybatterier och natriumbaserade batterier kan med fördel användas i sammanhang där utrymmet inte är avgörande, till exempel vid vindkraftverk.

Störst fokus inom energilagring ligger på att lagra el, men det finns också behov av att lagra värme i många sammanhang. Geoenergi som berg- och markvärme bidrar redan i dag till stora energibesparingar, och allt fler satsningar görs på att lagra solvärme i exempelvis fasändringsmaterial.

– Det är jätteviktigt att även forska kring värmelagring, säger Kristina Edström.

Text: Marie Granmar, på uppdrag av forskning.se

Dagens vanligaste lagringstekniker

Störst kapacitet att lagra energi har fortfarande pumpvattenkraftverk där vatten lagras i dammar för senare omvandling till el. Näst störst kapacitet har så kallad ”power-to-gas” där förnybar el omvandlas till vätgas eller metan för lagring och distribution i gasnät. Andra storskaliga tekniker för att lagra energi är i tryckluft och svänghjul.

Tittar man i stället på verkningsgrad har litium-, bly- respektive natriumsvavelbatterier, svänghjul, superkondensatorer och en form av magnetisk energilagring med hjälp av supraledare, kallad Smes högst verkningsgrad.

Så funkar teknikerna:

I pumpkraftverk lagras vatten i dammar för att vid behov omvandlas till el.

Hydroelectric Power StationVid ”power-to-gas” omvandlas el till vätgas eller metan för lagring och distribution i gasnät.

Tryckluftslagring är ännu så länge vanligast i USA och Tyskland och går ut på att luft komprimeras med hjälp av överskottsel och hålls trycksatt i bergrum, tryckkärl eller rörledningar. När elbehov uppstår hettas den komprimerade luften upp, expanderar och leds till en turbin som producerar el.

Flödesbatterier har, till skillnad från andra batterier, flytande elektroder som kan lagras utanför battericellen. Det möjliggör stor lagringsvolym. Flödesbatterierna har även kort reaktionstid och lång livslängd. Till nackdelarna hör en förhållandevis låg energidensitet och att de är för stora för användning bärbara apparater.

Svänghjul lagrar energi i form av rörelseenergi. En rotor med stor massa spinner snabbt och utan motstånd i magnetiska kullager. När man tillför energi spinner rotorn snabbare och lagrar då energi. För att utvinna energi bromsar man rotorn. Svänghjulstekniken har hög energidensitet, kort responstid och en livslängd runt 20 år. Storskaliga svänghjulslösningar används till exempel för frekvensreglering i stadsnät.

Superkondensatorer har hög energidensitet och klarar över en miljon laddningscykler under en livstid.

Magnetisk energilagring med hjälp av supraledare, Smes, bygger på momentana laddnings- och urladdningscykler och används främst i kombination med högspänningsinstallationer. Smes är vanligtvis en småskalig lagringslösning med maxkapacitet runt 10 megawatt.

Källa: Rapporten Energilagring, Kungliga Ingenjörsvetenskapsakademien, IVA.

 

Läs också

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Mer förnybar energi kräver ny lagring

 lästid ~ 6 min