Energilagring – så funkar det

Sol- och vindenergi ökar dramatiskt i världen och ses av många som de viktigaste energislagen för att ersätta fossila bränslen och hejda klimatförändringarna. Samtidigt har sol- och vindenergi en nackdel: de är väderberoende.Eftersom elproduktion och elbehov måste matchas varje sekund så kan en stor andel vind- och solenergi i ett energisystem bli en utmaning. Energilagring kan vara ett sätt att möta denna utmaning. Supermiljöbloggen har därför tittat närmare på olika energilagringstekniker och hur långt de har kommit.

Pumpvattenkraft

När det finns ett överskott från exempelvis sol- och vindel så kan den elen skickas till ett pumpvattenkraftverk. Elen används då till att pumpa upp vatten från den nedre delen av ett vattenkraftverk till den övre delen. När det sedan finns ett behov av el får vattnet rinna ner genom vattenkraftverket och på det sättet skapa el. En nackdel med pumpvattenkraftverk är att de påverkar landskapet och de kräver mycket plats i jämförelse med andra energilagringstekniker.

Av den elen som förs till anläggningen för pumpvattenkraft kan cirka 70-80 procent föras tillbaka till elnätet, resten förloras under de olika processerna i pumpvattenkraftverket. Pumpvattenkraftverk är den energilagringsteknik som är mest utvecklad idag och den står för cirka 98 procent av den lagrade energin. År 2011 fanns det 280 anläggningar i världen, varav två i Sverige. Pumpvattenkraftverk kräver att det finns höjdskillnader i landskapet och tekniken har stor potential i Kina och Indien. I Europa finns det dock inte många platser kvar som passar för att bygga pumpvattenkraftverk.

Att bygga den nedre reservoaren under marken skulle kunna vara ett sätt att skapa höjdskillnader i landskap som inte har naturliga höjdskillnader och därmed möjliggöra pumpvattenkraft i dessa landskap. Hur grundvattnet skulle påverkas av detta är en fråga som behöver utredas mer.

Tryckluftsteknik

När det finns ett överskott på el kan den användas till att driva en motor som gör att luft förs in och trycks ihop i en tank eller i en grotta under jorden. Energin lagras då som högtrycksluft. När det istället finns ett underskott på el släpps högtrycksluften ut från lagringsplatsen och blandas med naturgas, sedan förs blandningen till en turbin och på det sättet skapas el.

Anledningen till att man blandar luften med naturgas är för att få ut mer energi. Att naturgas används innebär att tekniken inte är koldioxidneutral. När energi lagras genom tryckluftsteknik används cirka en tredjedel så mycket naturgas, per producerad kilowattimme el, som används i ett naturgaskraftverk. Av den el som förs till anläggningen för tryckluftsteknik kan cirka 60 procent föras tillbaka till elnätet, resten används för själva lagringen eller förloras. Det finns nya tekniker för energilagring genom tryckluftsteknik som är koldioxidneutrala.

En anläggning för energilagring genom tryckluftsteknik finns idag i Tyskland respektive USA och en koldioxidneutral tryckluftsteknikanläggning håller på att utvecklas i Tyskland.

Power to gas

Ett annat sätt att använda överskottsel är att skapa väte som i sin tur kan användas för att skapa el. Vatten består ju av väte och syre. Överskottselen kan användas för att skilja vattnets väte från syret. Vätet lagras sedan och kan användas som bränsle i ett kraftverk som skapar el, som fordonsbränsle eller för att skapa syntetisk gas som kan ersätta naturgas. En utmaning för denna teknik är att en del av energin förloras i processen. Mycket forskning om detta pågår i Tyskland. Tekniken finns ännu inte ute i stor skala på marknaden.

Batterier

Överskottsel kan lagras i batterier som sedan kan användas när det finns behov av el. Det pågår en utveckling av många olika slags batterier för energilagring. Kostnaden är den största utmaningen, även om den har sjunkit betydligt de senaste åren. Exempelvis sjönk priset på litium-jon batterier med mer än 75 procent mellan 2008 och 2013. Utvecklingen av elbilar och förnybar energi är anledningen till att priserna har sjunkit. Kostnaderna väntas fortsätta minska under det kommande decenniet.

Batterier som natrium svavelbatterier och blysyrabatterier användas idag för energilagring. Blysyrabatterier används mycket tillsammans med småskalig förnybar energi, i Bangladesh har exempelvis 3,5 miljoner människor solenergi tillsammans med blysyrabatterier. En nackdel hittills med blysyrabatterier är att de har en livslängd på cirka 4 år, men nya versioner kan ha en livslängd på cirka 17 år. Andra nackdelar är att de avger en explosiv gas och sura ångor och att de fungerar sämre vid låga temperaturer. Cirka 70-90 procent av den energi som batteriet laddas med kan sedan utvinnas. Natrium-svavelbatterier ger inte ifrån sig några miljöfarliga ämnen.

Litium-jonbatterier är effektiva i och med att det går att få ut nästan all el som de laddas med. De tillhör de tekniker för energilagring som lagrar mest energi per volym. Dock finns det en risk att de överhettas och börjar brinna. Att bryta metallerna och tillverka batterierna kan orsaka växthusgasutsläpp. Det är därför viktigt att fossilfri energi används vid batteritillverkningen.

Ett problem med dessa batterier är det riskerar att bli en brist på litium under de kommande åren och att 40 procent av världens produktion av metallen Kobolt, som används i litium-jonbatterier, utvinns i Kongo. Koboltbrytningen i Kongo för smartphones har blivit hårt kritiserat av Amnesty på grund av barnarbete. Det pågår forskning om hur kobolten i litium-jonbatterier kan ersättas. Att utvinna litium från havsvattnet skulle kunna vara ett sätt att undvika en resursbrist.

Teslas uppmärksammade batteri för energilagring är ett litium-jonbatteri. Batteriet presenterades i maj 2015 och har börjat produceras och i år levereras det till kunder i USA och Australien. För att energilagring ska vara lönsamt bör det inte kosta mer än cirka 150 dollar per kWh. Kostnaden för Teslas batteri är redan nu runt 150-200 dollar per kWh och väntas sjunka ytterligare framöver.

En annan batterityp är så kallade flödesbatterier, i dessa lagras energin i tankar utanför själva battericellen. Det gör att de har stor lagringsapacitet, kort reaktionstid och lång livslängd. Dessa batterier används redan för energilagring på isolerade platser som inte har anslutning till elnätet. En nackdel med dessa batterier är att de tar relativt stor plats. Forskare har nyligen lyckats skapa ett föremål som är både en solcell och ett flödesbatteri för energilagring.

Svänghjul

El kan användas för att ge energi till en motor som i sin tur driver en rotor som snurrar snabbt och motståndsfritt med hjälp av magnetiska kullager. När det behöver utvinnas el kan motorn fungera som en generator, vilket är en maskin som omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi, som bromsar rotorn och producerar el. Rotorsystemet behöver dock vara inkapslat på grund av säkerhetsskäl.

Men denna teknik innebär att en relativt stor del av den lagrade energin förloras på sikt och den kan därför endast användas för att lagra energi under mycket kort tid. Det finns en storskalig anläggning i New York, men tekniken väntas bli vanligare även i Europa och Asien.

Superkondensatorer

En kondensator består av två metallplattor som separeras av ett icke ledande lager bestående av exempelvis keramik eller glas. När kondensatorn laddas kan energi lagras mellan metallplattorna.

I en superkondensator lagras energin i en blandning av ämnen som kan leda ström. Fördelen med denna teknik är att den är effektiv och själva kondensatorn har därför en lång livslängd. Denna teknik innebär dock att en relativt stor del av den lagrade energin förloras på sikt och tekniken passar därför bättre till att lagra energi under en kortare tid. Det finns flera företag som säljer superkondensatorer.

För den som vill läsa mer om energilagring rekommenderas denna rapport från Kungliga Ingenjörsvetenskapsakademin och denna uppsats från KTH.