LAGRING AV ENERGI

Publicerad 27.06.2013 kl. 11:05

Man har under långa tider försökt finna lösningar på att lagra energi. Elkraftsdistributionen saknar denna kapacitet. Vilket som helst nytt behov av kraft måste tillgodoses inom sekunder genom att öka ånga som föder turbiner i kärn-, kol- eller träeldade anläggningar, vatten i vattenkraftverk eller gas till gasturbiner. Vind och solenergi saknar möjligheter att tillgodose detta snabba behovsskifte.
Därmed faller det sig naturligt att om man hade möjligheter att lagra el skulle det gagna två saker: varierande behov och intermittent tillgång. Kärnkraftverk och kolkraftverk har höga kapitalkostnader och är vanligen planerade för att fungera under full kapacitet. Konsumenterna elbehov varierar i allmänhet med en faktor 2, såför  att kunna lagra överskottsel under perioder med lägre behov för att sedan kunna leverera lagrad el under perioder med högt behov vore en gudasänd gåva, åtminstone för vind och solkraftverken.  Dessa kan förmodligen aldrig bli något annat än intermittenta elleverantörer som kan tillgodose en del av basbehovet. Om man bygger mera kapacitet än basbehovet, missar man det mesta av syftet med dessa förnyelsebara energiformer då man måste bygga mera reglerkraft som är smutsigare än den kraft de skall reglera.

Laddningsbara batterier använder kemisk energi

Batterier har två elektroder av olika metaller som är förbundna med en ledande elektrolyt eller solitt ämne. När negativt laddade elektroner från laddningsströmmen flöddar från anod till katod, flödar positivt laddade anjoner från anoden till katoden genom elektrolyten. Detta förändrar det kemiska tillståndet hos elktroderna och elektrolyten som lagrar den kemiska potential energin.  Vid urladdning reverseras flödet av elektroner och det kemiska läget återgår.
Batterier kan tillverkas genom kombination av ett stort antal metaller och elektrolyter såsom bly/svavelsyra/blyoxid som  allmänt används som bilbatterier. Litium jon batterier är allmänna i konsumentelektronik och även i vissa elektriska bilar. Natrium-svavel batterier utvecklades för elkrafts tillämpningar. Dessa b atterier, tillverkade av billiga råmaterial, måste fungera vid höga, upp till 350 graders temperaturer.
I dagsläget är det många som ser laddningsbara elbilar som framtidens fortskaffningsmedel (tom i redan nu). Problemet är att dagens elbilar kräver en laddningstid som tar en hel natt i anspråk och räckvidden, eller snarae bristen på räckvidd, gör att dessa bilar endast kan användas i befolkningscentra med annars goda förbindelser (man  kan  ta bussen hem när bilen har stannat). Flödesbatterier har vätskeformiga elektrolyter som kan avlägsnas och ersättas med ny elektrolyt. I framtiden kan det tänkas att bilar med urladdade elektrolyter kan fyllas  med laddad elektrolyt vid ett elektrolytankningsställe.
I Israel har ett företag inttaget ett annat förfaeringssätt som fgår ut på att man har batteribytesstationer där man kan byta ut bilens batteri mot ett nytt laddat batteri på 5 minuter.

Vid MIT har man konstruerat ett vätskebatteri med smält antimon i bottnet , täckt med smält salt elektrolyt, toppad med smält magnesium och som har en operationstemepratur på 700 0C och med en skala som kan jämföras med kraftverksskala. Ett batteri som skulle kunna leverera 1 GW under 48 timmar skulle kosta 1.8 miljarder USD bara för  att bekosta magnesiumet och antimonet. Detta ligger i paritet  med en LFTR reaktor som skulle kunna leverera 1 GW kontinuerligt.

Batterier uppfyller vissa elverks behov

För att använda batterier krävs att de kan  konverteras från AC till DC och tillbaks till AC samt att de kan lagra kemisk potential med cyklisk effektivitet på upp till 75%. Det största elverket baserat på lagring i batterier finns i Rokkasho i Japan med en produktion på 245 MWh med en effekt på 35 MW,  med vars hjälp man  lagrar vind el. Den bygger på NGKs natriumsvavel teknologi som rapporteras kosta 3 USD/W.

I fairbanks, Alaska, finns ett 27 MW nickel-kadmium system med 7 MWh produktion som används till stabilisering av elströmen. En 1200 tons 40 MW batteribank producerar 5 MWh används i denna avlägset belägna stad för att förse kraft under ett elavbrott till dieselgeneratorerna hinner starta.

Produktionskapaciteterna kan jämföras med ett 1 GW typiskt elkraftverk som producerar 24 000 kWh per dag – tio gånger mera än det största batterisystem som någonsin b yggts. Man kan med fog säga att batterilagringen går på i barnaskor.

Andra lagringsformer

Svänghjul kan lagra energisåsom t ex i staten New York där ett system med 200 höghastighets svänghjul  (kapacitet 25 kWh med 100 kW) producera el under 15 minuter. Ändamålet med systemet är att stabilisera nätet så att små fluktuationer inte behöver snabba övergångar till kraftverk gående på fossila bränslen, vilket skullr sänka deras effektivitet och höja CO2 emissionerna och atmosfäriska föroreningar.

Vattenbaserad elektricitet kan lagras med en relativt hög effektivetsgrad på 75 % genom att använda överskotts el till att pumpa vatten till en högre upp liggande reservoir. Detta vatten används sedan till att driva generatorer när elbehovet stiger. Detta slags tillbaka pumpad vattenkraft står för 99 % av all lagrad elkapacitet i USA. Hargraves ger ett excempel på detta  från Raccoon Mountain i Tennessee där vatten pumpas ca 330 m upp till en reservoir. Det lagrade vattnet kan driva ett 1.6 GW kraftverk under 22 timmar och  avger då reservoirens lagrade kapacitet på35 GWh. I dagens pengar skulle denna anläggning kosta 1 miljard USD eller 3 c/Wh av energilagring eller 0.63 USD/W genereringskapacitet.

Jämfört med tillbaka pumpad vattenkraft är batterier dyrare men har större enegitäthet. Ett enda AA batteri kan lagra närmare 10 000 Joule energi – ca 2.5 Wh. Lagring av uppumpad vattenkraft för samma energi skulle kräva att en liter vatten pumpades upp till en höjd på 1000 meter. Sedan finns ju ett praktiskt dilemma och det är att det finns väldigt få ställen som ur både praktiska och miljömässiga hänsyn är lämpade för denna typ av energilagring.

Om man använder en elektrisk motor och en turbin eller pump till att komprimera luft i en tank, ökar man lufttrycket och temperaturen ungefär som om man tryckte ihop en fjäder. När den komprimerade luften sedan leds tillbaka genom turbinen och motorn – som nu är en generator – omvandlas den komprimerade luften tillbaka till elekticitet.
Med undantag för motorn och pumpen, skulle denna process kunna vara närmaree 100 % effektiv om lufttanken skulle vara fullständigt isolerad. Problemet är detsamma som med en kompressor som matar luft i en lufttank för bildäck. När tanken fylls med luft värms den upp och kallnar sedan och förlorar värme och är sedan kall när den avger luften till däcket – processen är således inte 100 % effektiv. För att göra en lång historia kort behövs det ungefär 48 % mera energi att ladda tanken än vad man får ut ur den.
Vid en anläggning som i 2012 år penningvärde skulle ha kostat 89 MUSD  skulle lagringskostnaden uppgått till  0.034 USD/Wh eller 0.89 USD/W el-generering.

Energilagring är en tilläggskostnade till elproduktionen

Hur stor är tilläggskostnaden för lagring av el i batterier eller i andra former av ellagring?
Genom att använda den standardiserade finansiella modellen , där kapitalkostnaden har en återbtaningsperiod på 40 år och  8 % ränta och med antagandet att lagringsutrustningen har en urladdningscykel på 1 gång/dygn ger följande kalkyl: en investering på 1 USD/Wh för lagringskapaciteten, återbetald över 365 x 40 dagar, kostar 23 cent/kWh baserat på en medelkostnad från givna grova data i tabellen nedan.

Tillägg till elpriset från kostnaden att lagra el
Lagringsteknologi  Energilagringskostnad $/Wh   Återbetalning på  kapital c/kWh
Pumpad vattenkraft              0.25 – 0.27                                                      6
Avancerad bly/syra              0.92 – 0.98                                                     21
Litium jon                            0.95 – 1.90                                                     33
Komprimerad luft                0.06  - 0.12                                                      2
Svänghjul                             7.80 –  8.80                                                   191
Natrium svavel                     0.52 – 0.55                                                      12
Zink bromid flöde                0.29 – 0.35                                                      7

Några förbehåll krävs här. Tabellen är en mycket grov framställning. Den tar inte hänsyn till effektiviteten hos de olika teklnologierna. Den inkluderar inte kostnaden för lagringen av den utvunna elen. För den komprimerade luftens del saknas kostnaden för bruket av naturgas. För svönghjulsteknologins del blir kostnaden hög då den baserars på enbart en cykel per dag.

Batterier är en mycket dyr lösning för lagring av intermittent elektricitetsproduktion

Om man önskar göra intermittent elproduktion från vind och solkraftverk pålitligare skulle man kunna lagra elen i batterier. Den fråga som uppstår är till vilken kostnad skulle en dags vindgenererad el kunna lagras för att senare kunna brukas en vindstilla dag? Utgående från den mycket resonabla uppskattningen på en $4.75/Wh kapitalkostnad för ett bly/syra batteri så skulle köpet av 24 Wh lagring kosta $ 114., vilket gör kapitalkostnaden för vindkraftsparker på $5.8/W närmast anspråkslös.

Således skulle kostnaden för att installera ett vindkraftverk med bly-syra batterier för lagring och distribution en dag senare bli $ 120/W. Emedan batterierna enbart skulle fungera utjämnande på eltillgången, skulle medel kapacietesfaktorn för ett dylikt vind/lagring system  fortafarande vara enbart 30 %,  och då skulle den genererade energins kostnad bli 360 c/kWh. Detta är ca 70 gånger kosytnaden för att producera el med kol, naturgas, vattenkraft eller kärnkraft.
Kommentarer (3)
Spamfilter
Skriv siffran 7 med bokstäver:
Mycket intressant! Varifrån kommer de kalkylerade kostnaderna? Jag skulle vilja fördjupa mig i den frågan.
Åke A09.02.15 kl. 17:48
Hej, Boken heter Thorium, energy cheaper than coal av R. Hargraves ISBN9781478161295
Anonymous17.06.15 kl. 13:05
Bioenergi lagrad i material som härstammar från växt- och djurrike. hur beskriver du detta?
Ruzena Svedelius08.10.17 kl. 13:21