Att lagra energi

Grön energi är på stark frammarsch och håller på att bli den mest lönsamma formen av energi. Men vind- och solkraft kan bara ge oss el när vädret tillåter. Och det gör det nödvändigtvis inte när elbehovet är som störst.
Genom att lagra den överskottsenergi som produceras när elkonsumtionen är liten, så kan mycket mer energi tillvaratas än som görs idag. Därför är energi­lagring något som det forskas mycket på idag. Allt från tryckluft i gruvor och snabbt roterande svänghjul till batterier och superkondensatorer testas.

Energi kan omvandlas till olika former. En del energiformer är lättare att lagra än andra. Den fossila energin har lagrats i underjorden under miljontals år och är gammal solenergi som omvandlats till kemisk energi. Denna lagrade energi bryter vi och pumpar upp allt efter vårt energibehov. Och ända sedan vi människor tämjde elden, har vi fällt träd och huggit ved som lagrats inför vinterns kyla. Veden är också solenergi som omvandlats till kemisk energi.

Vädrets energi är förnybar, den fylls på hela tiden av naturen själv. Det handlar om vindkraft, solkraft och vågkraft, men också vattenkraft, där vädret varje år fyller på dammarna med vårfloder och regn. Vattenmagasinen i de stora dammarna utgör lägesenergi, som när den släpps fri omvandlas till rörelseenergi som driver turbiner, där rörelsen omvandlas till elektricitet.

De flesta fasta installationer i hemmen och inom industrin drivs med elektricitet som distribueras via elnätet. Utan el skulle vårt samhälle se mycket annorlunda ut.

Men ett problem är att den elektriska energin i våra elnät konsumeras i samma stund som den produceras. Produktionen måste hela tiden anpassas till den rådande konsumtionen - någon storskalig lagring av el finns inte i de nuvarande systemen.

Men med vind- och solenergiteknik måste vi passa på att fånga energin när möjligheterna bjuds, det vill säga när det blåser och när solen skiner. Om dessa energikällor producerar el när ingen behöver den, får man se till att den inte går till spillo. Då kan man i stället dra ned på annan, icke väderberoende energiproduktion eller spara den överflödiga vind- och solenergin inför framtida behov genom att lagra den.

Vattenkraft är lätt att reglera. Man kan lätt anpassa produktionen till energikonsumtionen, genom att skruva ned eller släppa på vattenflödet i kraftstationerna. Denna metod kan med fördel användas för att möta upp dalar och toppar i produktionen av vind- och solenergi. När det blåser mycket kan man minska elproduktionen från vattenkraften och öka på den när vind och sol inte räcker till.

Storskaliga energilagringsmetoder

Det är högst troligt att vi inom några år når en punkt där vind- och solenergi är en så stor del av vår energiförsörjning att vattenkraft och annat inte räcker till för att parera variationerna i elproduktionen. För att kapa dalar och toppar i den ojämna och icke planerbara väderenergin, måste man ta till vara och lagra väderenergin vid överproduktion för att sedan använda den lagrade energin när behovet finns. Man måste då omvandla den elektriska energin till någon annan energiform som är enkel och billig att lagra. För en sådan energilagring krävs storskaliga anläggningar som fungerar säkert och ekonomiskt lönsamt.

Energi kan lagras på många olika sätt - till exempel i en vedstapel som både förr och nu är mångas energilager inför en lång och kall vinter. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Energi kan lagras på många olika sätt - till exempel i en vedstapel som både förr och nu är mångas energilager inför en lång och kall vinter. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Men framtidslösningar behöver inte alltid handla om avancerad spetsteknologi. Den allra vanligaste storskaliga energilagringsmetoden i dag är pumpkraft, som egentligen är den beprövade och väl fungerande vattenkraften. När till exempel vindkraftverken är i gång vid perioder då behovet av el är litet, kan man låta den producerade elektriciteten driva pumpar som pumpar upp vatten från ett nedre magasin till ett högre. Därifrån kan man sedan släppa på vatten när vinden inte räcker till för elbehovet och i stället leverera vattenkraftselektricitet till nätet.

Pumpkraft har mycket stor lagringskapacitet - det är bara dammarnas storlek som sätter gränsen. Ekonomiskt är det också en bra metod när anläggningarna väl är byggda. Verkningsgraden är 70-80 procent - så mycket av vindenergin kan man alltså återanvända i vattenkraftverket. Nackdelen är att man måste göra stora ingrepp i landskapet. Det måste också finnas tillräckliga nivåskillnader i landskapet om man inte vill pumpa upp vatten från underjordiska vattenmagasin.

Pumpkraft är i dag den överlägset vanligaste lagringsmetoden, den står för omkring 98 procent av världens storskaligt lagrade energi.

Tryckluft och gas

Tryckluftslagring är en metod som prövas i bland annat USA. Överskottsel används till att komprimera luft, som lagras i stora behållare eller i underjordiska lager. När man vill använda energin expanderar man luften och låter den driva en turbin som omvandlar luftstrålens rörelse­energi till elektricitet. Tryckluft är för närvarande den enda kommersiellt användbara storskaliga lagringsmetoden vid sidan av pumpkraft. Men verkningsgraden är betydligt lägre än pumpkraftens, bara omkring 50 procent. Det beror på att mycket energi går förlorad i form av värme när luften komprimeras. Om man tar till vara på denna spillvärme på något sätt, kan tryckluft bli en mer ekonomisk lagringsmetod.

En annan metod med stor lagringskapacitet är en som kallas power-to-gas. Den innebär att man omvandlar överproduktion av sol- eller vindelektricitet till vätgas genom elektrolys av vatten. Överskottselen spjälkar vattnet till väte och syre, och vätet kan sedan sparas i stora gasbehållare eller i underjordiska lager. Vid behov kan det sedan användas som bränsle i ett kraftverk. En nackdel med denna metod är att en stor del av energin går förlorad i processen - verkningsgraden är ner mot 40 procent. Power-to-gas-metoden utvecklas på försök bland annat i Tyskland och förhoppningarna är att hitta effektivare lösningar.

Batterier

För småskalig och mobil elanvändning är batterier den vanligaste lagringsmetoden. Det finns i dag ett stort behov av laddningsbara batterier med hög effektivitet och förhållandevis låga kostnader, och behovet kommer att bli allt större i framtiden. När man laddar ett batteri omvandlar man elektriciteten till kemisk energi i en elektrolyt, som är en lösning med fria joner i form av elektroner och positivt laddade atomer. Genom att koppla en ström till elektrolyten via en pluspol och en minuspol kan man separera de positiva och negativa partiklarna i elektrolyten. Man bygger då upp en elektrisk spänning mellan batteriets poler. När man vill använda energin sluter man polerna och får då ut en elektrisk ström, som kan användas till önskat ändamål.

Ett pumpvattenkraftverk i Alleghenifloden i Pennsylvania som byggts av amerikanska ingenjörstrupper. Den runda dammen till vänster är uppumpat vatten som fungerar som energilager och som släpps på genom turbinerna när man har behov av denna extra energi. Bild: US Army Corps of Engineers

Ett pumpvattenkraftverk i Alleghenifloden i Pennsylvania som byggts av amerikanska ingenjörstrupper. Den runda dammen till vänster är uppumpat vatten som fungerar som energilager och som släpps på genom turbinerna när man har behov av denna extra energi. Bild: US Army Corps of Engineers

Det finns i dag många typer av batterier. De som är mest effektiva är litiumjonbatterier, det slags batterier som sitter i exempelvis våra mobiltelefoner. Litium är en alkalimetall som leder ström bra och som lätt joniseras. Litiumjonbatteriet har en elektrolyt där positiva litiumjoner separeras från elektroner vid uppladdning. Vid urladdning förenas elektronerna med litiumjonerna via en sluten strömkrets.

Litiumjonbatterier är den i dag vanligaste tekniken för mobiltelefoner, datorer och för elbilar. De kanske också kan bli ett alternativ för storskalig lagring av el från vind- och solkraft i stora batterimoduler. De har hög laddningskapacitet per volymenhet, men de bör bli flera gånger mer effektiva än de är i dag om de ska kunna bli ett ekonomiskt hållbart alternativ i framtiden.

Framtidens batterier

Framtidens batterier måste bli både billigare, effektivare och säkrare. Kostnaderna för litiumjonbatterier har sjunkit drastiskt under det senaste decenniet och väntas fortsätta sjunka. Men med kraftigt ökad batteritillverkning kan litium i framtiden bli en bristvara. Dagens litiumbatterier innehåller också kobolt, som är en hård metall som är ganska dyr. Datorbatterier innehåller mycket små mängder kobolt, men batterier i eldrivna bilar kan innehålla 5 kg av den åtråvärda metallen.

Tesla är ett exempel på hur långt man i dag kommit när det gäller elbilar. Model S har med ett 100 kWh-batteri en räckvidd på upp till 540 kilometer. Men om man kör med topphastigheten 250 kilometer i timmen eller roar sig med att accelerera 0-100 kilometer i timmen på 2,36 sekunder räcker inte batteriet lika långt. Det är en dyr bil som långt ifrån alla har råd med, men den driver utvecklingen av bland annat batterier. Bild: Steve Jurvetson

Tesla är ett exempel på hur långt man i dag kommit när det gäller elbilar. Model S har med ett 100 kWh-batteri en räckvidd på upp till 540 kilometer. Men om man kör med topphastigheten 250 kilometer i timmen eller roar sig med att accelerera 0-100 kilometer i timmen på 2,36 sekunder räcker inte batteriet lika långt. Det är en dyr bil som långt ifrån alla har råd med, men den driver utvecklingen av bland annat batterier. Bild: Steve Jurvetson

På Uppsala universitet försöker man utveckla litiumbatterier med järn i stället för kobolt. Om dessa batterier fungerar bra blir de betydligt billigare. En annan lovande metod som prövas är litium-luft batterier. Med denna teknik skulle mängden energi per volymenhet kanske kunna bli fem till tio gånger högre och batterierna ett bra alternativ för både fordon och för storskalig lagring av förnybar energi.

Det finns också flödesbatterier som har flytande elektroder som ligger utanför själva battericellen. Denna anordning tillåter stor lagringsvolym och skulle kunna vara ett alternativ för storskalig lagring. Däremot passar de inte för mobila applikationer.

Superkondensatorer och hybridbatterier

En kondensator, i sin enklaste form, består av två metallplattor som ligger an mot varandra med ett isolerande skikt emellan. Anordningen har förmåga att lagra elektrisk laddning med ett överskott av elektroner i den ena plattan och ett underskott i den andra. Kondensatorer används ofta som komponenter i elektronik för att jämna ut strömflöden.

I österrikiska Limberg lagras energi genom att vatten pumpas upp till kraftverksdammar. Bild: EU

I österrikiska Limberg lagras energi genom att vatten pumpas upp till kraftverksdammar. Bild: EU

En superkondensator har betydligt större laddningsytor som kan ligga veckade eller inrullade i varandra och kan lagra tusentals gånger mer laddning än en vanlig kondensator. En superkondensator har längre livslängd än ett batteri och kan laddas upp och laddas ur miljoner gånger eller mer, och det betydligt snabbare än ett batteri. Superkondensatorer lämpar sig bland annat för elektrisk backup och för kortvarig energilagring.

Ett hybridbatteri är ett slags mellanting mellan en superkondensator och ett litiumjonbatteri, som kan ha till exempel grafen (ett supertunt kol­material) på pluspolen. Ett hybridbatteri kan laddas snabbt och har lång livslängd. Utvecklingen av olika typer av nya batterier handlar mycket om att prova olika kombinationer av material. Den ultimata lösningen är ett batteri som består av billiga material och som har mycket stor lagringseffekt per vikt- och volymenhet.

Svänghjul och supraledare

Energi kan också lagras som rörelseenergi. Man kan till exempel driva igång tunga svänghjul med hjälp av överskottselektricitet. Dessa roterar med hastigheter på mellan 20 000 och 50 000 varv per minut i magnetiska lager, och inneslutna i vakuum för att få ned friktionen till ett minimum. När svänghjulen kopplas till en generator får man tillbaka energin som elektrisk energi. En fördel är att tekniken kräver relativt liten plats för lagring av energi. Lagringskapaciteten är dock begränsad. Reservkraft från svänghjul kan sättas in med hög effekt på bara några millisekunder och den är därför speciellt lämpad som avbrottsfri kraftförsörjning där reservkraft snabbt måste kopplas in. Verkningsgraden är över 90 procent.

Världens största anläggning med litiumjonbatterier för storskalig energilagring finns i Kalifornien. 2015-2016 inträffade där en gigantisk läcka av metan där över 100 000 ton av gasen läckte ut och tusentals människor fick evakueras. Myndigheterna fattade då beslutet att avveckla gas som reservkraft och balansera elförbrukningen i delar av Los Angeles med ström från batterier istället. 80 megawattimmar kan lagras, och det räcker för att hålla 60 000 hushåll igång under en timme. Bild: Tesla

Världens största anläggning med litiumjonbatterier för storskalig energilagring finns i Kalifornien. 2015-2016 inträffade där en gigantisk läcka av metan där över 100 000 ton av gasen läckte ut och tusentals människor fick evakueras. Myndigheterna fattade då beslutet att avveckla gas som reservkraft och balansera elförbrukningen i delar av Los Angeles med ström från batterier istället. 80 megawattimmar kan lagras, och det räcker för att hålla 60 000 hushåll igång under en timme. Bild: Tesla

En supraledare består av material som har mycket hög elektrisk ledningsförmåga, ofta vid vissa specifika temperaturer och oftast nära den absoluta nollpunkten. Man kan lagra energi i begränsade mängder i magnetfältet kring denna supraledare. Supraledare lämpar sig inte för storskalig lagring på grund av att magnetsystemen skulle bli alltför tunga och är därför inte ett alternativ till storskalig energilagring. De levererar dock en hög effekt med en verkningsgrad på cirka 90 procent, och kan användas för att stabilisera ström och spänning i smarta elnät.

Ett ökande behov

Behovet av energilagring ökar snabbt, och för att den lovande gröna energin ska kunna utvecklas fullt ut måste lagringsteknikerna fortsätta att utvecklas i samma takt. Olika typer av elanvändning har olika behov och kräver olika lagringsteknik. Kapacitet, effektivitet, kostnader och livslängd är faktorer som bestämmer i vilka sammanhang teknikerna är mest lämpliga att använda. Pumpvattenkraft och tryckluft lämpar sig till exempel för storskalig lagring av överskottsproduktion av elektricitet till nätet.

Batterier, svänghjul och supraledare lämpar sig som snabbåtkomlig reservkraft och för mobila användningsområden som elektronik och i fordon.

Batterier är den teknik som för närvarande utvecklas snabbast och stora batterianläggningar med sammansatta moduler skulle i framtiden kunna användas även för lagring i större skala. Kostnaden för batterier väntas också sjunka i takt med nya billigare och effektivare tekniker. Många utvecklingsprojekt pågår runt om i världen, och stora kommersiella framgångar väntar för den som lyckas skapa rätt produkt. Och eftersom batterier kan produceras i relativt liten skala är tröskeln ganska låg för att komma igång.

Att lagra energi som komprimerad luft i gamla bergrum, till exempel nedlagda gruvor, anses ha en stor potential. EU gör för närvarande en studie som heter Ricas2020 för att kartlägga hur en utbyggnad av tryckluftslagring ska gå till. Bild: Ricas2020

Att lagra energi som komprimerad luft i gamla bergrum, till exempel nedlagda gruvor, anses ha en stor potential. EU gör för närvarande en studie som heter Ricas2020 för att kartlägga hur en utbyggnad av tryckluftslagring ska gå till. Bild: Ricas2020

Materialutveckling

Utvecklingen av batterier är nära sammankopplad med materialutveckling. Till exempel har det tvådimensionella, ytterst tunna, materialet grafen väckt mycket uppmärksamhet och förhoppningen är att det ska kunna användas i nya slags batterier.

Grafen har många egenskaper, en är att det leder elektricitet bra, men långt ifrån allt är utforskat när det gäller detta material. Det finns också flera andra ämnen som kan göras ett enda atomlager tunna. Och genom att till exempel stapla tunna skikt av olika ämnen på varandra kan man få fram egenskaper hos dessa kombinationer som vi vet väldigt lite om i dag. Denna vetenskap kallas mikroteknologi eller nanovetenskap, och kanske den kan hjälpa oss att hitta framtidens ultimata teknik för att lagra energi.
Dagens energilagringstekniker är bra, men räcker inte till för de behov som kommer att finnas inom några decennier. Målmedveten forskning väntas så småningom ge resultat, men ingen vet hur lång tid det kommer att ta att förverkliga de energilagringsmetoder som kan möta framtidens krav. Det kan gå snabbt om någon får en plötslig snilleblixt eller om slumpen leder oss till en oväntad lösning. Sådant sker oftast inte utan målmedveten och ihärdig forskning, och som tur är pågår det en hel del sådan i världen. 

Fakta: 
Pumpvattenkraft
Vid överskott av elproduktion från exempelvis vindkraft driver denna el en pump som pumpar upp vatten från en nedre reservoar till en övre. Då har överskottselen förvandlats till lägesenergi som kan utnyttjas genom att släppa på vattnet till en turbin som driver en generator, precis som i ett vanligt vattenkraftverk. 70-80 procent av den energi som går åt för att pumpa upp vattnet, får man tillbaka när vattnet rinner ner igen.

Tryckluftslagring
Överproduktion av elektricitet används för att komprimera luft som lagras i till exempel ett bergrum. När man behöver energin låter man expanderande luft driva turbiner som genererar elektricitet. Med den här lagringsmetoden är verkningsgraden bara ungefär 50 procent - en stor del förloras i form av värme. Men energiförlusterna blir mindre om man tillvaratar en del av spillvärmen.

Stirlingmotorer
I Dubai finns en testanläggning med flera termiska solkraftverk med stirlingmotorer. Parabolen koncentrerar solens värme till stirlingmotorn som finns i den vita lådan. En framtida utveckling av tekniken är att lagra värmen så att motorn kan startas när det behövs istället för när solen skiner. Bild: Cleanenergy

I Dubai finns en testanläggning med flera termiska solkraftverk med stirlingmotorer. Parabolen koncentrerar solens värme till stirlingmotorn som finns i den vita lådan. En framtida utveckling av tekniken är att lagra värmen så att motorn kan startas när det behövs istället för när solen skiner. Bild: Cleanenergy

Det svenska företaget Cleanenergy har en lite annorlunda lösning på problemet med att lagra solenergi. Deras teknik bygger på stirlingmotorer som bara behöver värme för att fungera. Enkelt uttryckt har motorn en varm och en kall del, och när temperaturskillnaden är tillräckligt stor mellan dem så börjar den snurra.

Genom att koncentrera solljuset med hjälp av parabolspeglar till motorns varma del, så får motorn fart och kan driva en generator. Sådana anläggningar finns redan och fungerar - men bara när solen skiner.

Nästa steg är att lagra värmen på något vis. Där tänker man sig att det ska kunna göras med hjälp av fasomvandlingsmaterial, ämnen som utvecklar värme när de går från vätskeform till fast form. Sådana material används till exempel i handvärmare som efter användning kan kokas för att bli vätska på nytt. Enligt Cleanenergy har kombinationen termisk solenergi med stirlingmotorer och värmelagring en stor potential.

Energilagring i världen
Siffrorna anger gigawattimmar, data från Global Energy Storage Database, 2016.

Siffrorna anger gigawattimmar, data från Global Energy Storage Database, 2016.

Pumpvattenkraft står för den allra största delen av storskalig energilagring i världen, över 400 gånger mer än de andra teknikerna tillsammans. De olika sätten att lagra energi på är inte helt jämförbara - svänghjulstekniken är till exempel bra om man vill utnyttja den lagrade energin blixtsnabbt, medan tryckluft kan vara en bra lösning om det finns tillgång till ett oanvänt berg­rum.

Svänghjulslagring
Om man bara får ner friktionen tillräckligt, så kan energi lagras som rörelseenergi. Tekniken fungerar så att tunga svänghjul roterar i vakuum. Som lager används starka magneter, vilket ger både lågt motstånd och lång livslängd. Rotationen sätts i gång när ström tillförs motorn, och när el ska hämtas fungerar motorn som generator.
Nasa:s G2 Flywheel är ett experimentellt svänghjul för energilagring. Det roterar 60 000 varv i minuten och kan lagra 525 wattimmar. Bild: Nasa

Nasa:s G2 Flywheel är ett experimentellt svänghjul för energilagring. Det roterar 60 000 varv i minuten och kan lagra 525 wattimmar. Bild: Nasa

Material från
Allt om Vetenskap nr 11 - 2017

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter