Fakta om energilagring

Komprimert luft (CAES – Compressed Air Energy Storage)

En måte å lagre energi på, er i form av komprimert luft. Man bruker da i prinsippet overskuddsenergi til å komprimere luft. Når man senere trenger energi, kan den komprimerte luften drive turbiner som gir oss elektrisk energi. I utgangspunktet er denne prosessen best egnet der man har et kraftverk som benytter seg av dampturbiner som kan drives med komprimertluft. Effektiviteten til denne formen for energilagring avhenger veldig av prosessen som benyttes. I noen typer adiabatiske prosesser (der man unngår varmeutvikling med tilhørende energitap) har man oppnådd over 60 % effektivitet, mens det ved mer konvensjonell bruk av kompressor bare oppnås rundt 45 % effektivitet, altså går over halvparten av energien tapt.

https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/handle/11250/2350057

Vannmagasinlagring

Om vi bruker overskuddsenergi til å drive vannpumper som pumper vann opp til et vannmagasin, kan vi senere kjøre dette vannet gjennom vannturbiner for å generere elektrisk energi når det trengs. Denne metoden har en effektivitet på mellom 70 % og 80 %, det vil si at energitapet er på 20 % - 30 %.

Gravitasjonslagring

Denne løsningen fungerer etter samme prinsipp som vannmagasinpumping, men i stedet for at man øker den potensielle energien til vann, bruker man overskuddsenergi til å løfte tunge vekter. Når vektene slippes ned igjen, bruker man den mekaniske energien fra dem til å drive generatorer. Energieffektiviteten for denne løsningen er omtrent den samme som for vannmagasinering, ca. 80 % av energien kan gjenvinnes etter lagring. Selskapet Energy Vault er blant de første til å utvikle gravitasjonsbasert energilagring. Du kan se hva de selv sier om teknologien sin her:

https://www.energyvault.com/solutions/long-duration

Svinghjul

Vi kan bruke overskuddsenergien til å drive motorer, som igjen driver store svinghjul som spinner med et høyt antall rotasjoner i minuttet.  Tregheten i svinghjulene vil gjøre at de fortsetter å spinne lenge etter at motorene er koblet fra. Når vi trenger energi ut igjen, kan vi bruke dreiemomentet til de store svinghjulene til å drive generatorer. Siden det eneste som skiller en elektrisk motor fra en elektrisk generator er retningen på energien, kan motorene som driver svinghjulene benyttes som generatorer når vi trenger elektrisk energi. Løsningen har en energieffektivitet på alt fra 70 % til over 90 %, avhengig av konstruksjonen, og da spesielt lagrene på akslingen til svinghjulet. Her er friksjon den største energityven. Høyest effektivitet oppnås om akslingen har magnetiske, tilnærmet kontaktfrie lagre og hjulet spinner i delvis vakuum.

Litiumbaserte batterier

Oppladbare batterier i dag bruker som regel litiumbasert batterikjemi. Litiumteknologien er kommet temmelig langt, og er definitivt den dominerende batteriteknologien på oppladbare celler. Det finnes mange typer batterikjemi som bruker litium, de mest kjente og brukte nok er Li-Ion, LiPo og LiFePO₄. Energieffektiviteten til litiumbatterier avhenger av flere faktorer. Hastighet på lading er en betydelig faktor. Hurtig lading gir varmeutvikling, og dermed et termisk energitap. Lading over 80 % av full kapasitet gir betydelig høyere lademotstand enn opp til 80 %, og dermed også høyere energitap. Dersom man holder seg til ideelle ladeforhold, altså langsom lading til under 80 % av fulladet, kan energitapet holdes på bare ca. 10 %. I tillegg øker batterilevetiden ganske betraktelig. Den gode energieffektiviteten er en stor fordel for litiumteknologien, men produksjonskostnadene er veldig høye. Derfor er brukte elbilbatterier en god kandidat til denne typen energilagring, særlig ettersom de har vist seg å vare lengre enn bilene de står i, og som regel har god restkapasitet ved enden av bilens levetid. Litiumbatteriløsninger kan bygges i shippingcontainerformat, der en container kan lagre så mye som 1 MWh.

• Li-Ion, eller Litium-ionebatterier er av de tidlige litiumbatteriene, og det finnes flere standardformater som kan minne om AA-batterier. De dominerer fortsatt i markedet, og brukes i alt fra laptoper til elbiler. Li-Ionebatterier har vært kritiserte for å være brannfarlige, men ansees i dag som relativt trygge å bruke så lenge man tar visse forhåndsregler. De aller fleste enheter som bruker litiumbatterier har i dag en BMS (Battery Management System), som overvåker ladenivå og batterihelse, og som langt på vei sikrer batteriene mot feilbruk og brannfare. Det er allikevel viktig å være klar over den lille risikoen som alltid er til stede ved bruk av disse batteriene, og å alltid passe på å bruke batterier og ladere av god kvalitet, og å ikke lade batteriene uten tilsyn. Brannrisikoen skyldes at batteriene inneholder brannfarlige stoffer og en kilde til oksygen. Ved høye temperaturer, som ved brann, frigjøres oksygen, som igjen forsterker brannen. Dette kalles termisk nedsmelting, og fører til branner som kan være meget vanskelige å slukke. Mediedekningen av denne typen branner har sannsynligvis ført til overdrevet frykt for brann i elbiler. I virkeligheten er elbiler betydelig mindre utsatt for brann enn biler med forbrenningsmotor. Tall fra the U.S. National Transportation Safety Board viser at det i snitt oppstår brann i 25 av 100 000 solgte elbiler i USA, mens tallet er 1530 branner per 100 000 solgte biler med forbrenningsmotor. Tall fra andre land viser omtrent det samme.
• Li-Po, eller litium-polymerbatterier er en noe nyere teknologi enn Li-Ion. De har den store fordelen at de har lav vekt, er nesten uendelig skalerbare og kan lages i en nærmest hvilken som helst form, ettersom de har en elektrolytt av plastfilmliknende polymer til ionetransport og en elektronkollektor som består av aluminiumslaminert plast. Som regel er batteriene bare omgitt av en plastlomme. Disse materialene er veldig lette og gir Li-Po-batteriene veldig høy energitetthet i forhold til vekt. Dessverre gjør disse materialene batteriene sårbare for ytre påvirkninger og i noen tilfeller også produksjonsfeil. Skader på Li-Po-batterier kan få katastrofale konsekvenser, fordi de organiske materialene i batteriene er ekstremt brannfarlige, og i tillegg inneholder batteriene en oksygenkilde. Dette kan føre til en såkalt termisk nedsmelting i batteriene dersom de først tar fyr. Dette er en kjedereaksjon der varmen fører til at oksygen frigjøres, noe som igjen forsterker brannen. Brann i Li-Po batterier er svært krevende å slukke på grunn av den termiske nedsmeltingen, og avgir i tillegg giftige gasser. Det er flere faktorer som kan føre til brann i Li-Po-batterier: Høye temperaturer, overlading, fysisk skade og produksjonsfeil, hvilket gjør at mange har vært skeptiske til utstrakt bruk av teknologien. Nå må det sies at denne teknologien er kommet langt siden den først ble tatt i bruk, og at Li-Po-batterier i dag stort sett er trygge. De har i mange tilfeller overtatt for Li-Ion-batterier i for eksempel laptoper, nettbrett og mobiltelefoner, der vekt ofte er en nøkkelfaktor.
• LiFePO₄, ofte bare referert til som «lifepo» er en relativt ny teknologi som særlig brukes til større fritidsbatterier, for eksempel i 12 V solcelleanlegg på hytter, i fritidsbåter eller bobiler. De har gjerne liknende format som gammeldagse blycellebatterier, men gir dobbelt så mye energi på halve vekten. Derfor er de spesielt populære der vekt er en viktig faktor. Denne teknologien regnes som en av de sikreste litiumbatteriteknologiene med tanke på brannfare. Disse batteriene inneholder ingen brannfarlige stoffer, har ingen tilgjengelig oksygenkilde, og termisk nedsmelting kan derfor ikke forekomme. I dag finnes det firmaer som produserer og selger LiFePO4-containere på 1 MWh, slik som PKNergy
  https://pknergypower.com/products/1mwh-battery-energy-storage-system/
  
  

Energilagring i elbiler (V2G – Vehicle to Grid)

Et forslag som har vært lagt fram er midlertidig energilagring i elbiler som står til lading. Det kan være vanskelig å se for seg hvordan dette skulle fungere, men i prinsippet vil det bli omtrent som det allerede er i Norge. Elbiler lades ofte hjemme om natten, når forbruket ellers i nettet er lavt. Forskjellen på dette og den tenkte løsningen er at man ser for seg at flere elbiler også er koblet til på dagtid, og også kan supplere nettet med strøm når forbruket topper seg. Dette øker stabiliteten i nettet. Norge er verdensledende på antall elbiler per innbygger, så her utgjør elbilbatterier en betydelig lagringskapasitet for elektrisk energi. Det betyr at her kan dette potensielle energilageret utgjøre en forskjell. Men det vil kreve en hel del ny infrastruktur, som flere ladeplasser der elbilene befinner seg på dagtid, omstrukturering av nettet, og elbilladere som kan kjøre energien i begge retninger. Forslaget har både fordeler og ulemper. Fordelene er blant annet disse:

• Elbilbatteriene kan ta opp overskuddsenergi fra fornybare energikilder som er vanskelige å regulere direkte.
• Batteriene kan også hjelpe til med å balansere nettet ved å gi strøm tilbake dersom forbruket i nettet overgår produksjonen.
• Ved strømbrudd eller feil i nettet, kan elbilbatterier fungere som nødbatterier og gi strøm til husholdninger i kortere perioder.
• Elbileiere som er koblet til nettet på denne måten, skal få betalt for å gjøre batteriene tilgjengelige på denne måten.

Blant ulempene har vi blant annet at:

• Systemet krever ny infrastruktur, nye tekniske løsninger for ladere, og lover og regler som regulerer disse nye tjenestene.
• Det er usikkert hvordan dette vil påvirke batterilevetiden til elbilbatteriene.
• Elbileiere som trenger å ha bilen sin fulladet må kunne reservere seg mot at batteriene tappes for strøm på et dårlig tidspunkt.

Red-oks flytbatterier

Dette er en teknologi under utvikling, selv om prinsippet har vært kjent siden 1879, da John Doyle lagde det første batteriet av denne typen. I konvensjonell batteriteknologi er energien lagret i en elektrode, mens den i flytbatteriet lagres i elektrolytten. Energilageret kan dermed skaleres med volumet på elektrolyttløsningen. Prinsippet består i å lagre elektrolytten i store tanker, og sirkulere den i en strøm som flyter forbi elektrodene til batteriet, derav navnet flytbatteri. Elektrolytten består to flytende løsninger, den ene inneholder reduktanten og den andre oksidanten i en red-oks-reaksjon. Disse lagres i store tanker på hver sin side av en ionetransporterende membran. Løsningene lades ved at elektrisk energi driver ioner gjennom membranen ved lading, slik at man får et potensiale mellom de to elektrolyttene. Spenningen bestemmes av kjemikaliene i løsningene (etter Nernsts ligning) og selvsagt av hvor mange celler som kobles i serie. Når man trenger energi, sørger red-oks-reaksjonen til de to løsningene for ionetransporten over membranen, og den tilhørende elektronstrømmen over elektrodene kan utnyttes til elektrisk energi. Ny tilførsel av elektrisk energi regenererer de to reagensene, og slik lades batteriet. De store fordelene med flytbatteriene er at de er veldig lett skalerbare, og at de kan lades og utlades i et tilnærmet uendelig antall sykluser. Ulempene er at de kan være relativt lite effektive, man får igjen 50%-80% av energien man putter inn, og at de med sine store elektrolyttanker ikke er særlig mobile.

Hydrogen

Hydrogen finnes i enorme mengder på jorden, bundet i vannmolekyler. Man kan bruke overskuddsenergi til å lage hydrogen og oksygen ved hjelp av elektrolyse av vann. Hydrogenet kan benyttes til å drive brenselsceller, for eksempel i hydrogendrevne biler. Hittil har ikke hydrogenbiler slått an, mye på grunn av mangel på infrastruktur og drivstoff. Så lenge vi ikke har et reelt energioverskudd som trenger lagring, kan det bli vanskelig å innføre hydrogen som en alternativ energibærer. Når fornybar energi etter hvert utgjør en større andel av energiproduksjonen, kan det hende at hydrogen vil få en større rolle som energibærer. Hydrogenproduksjon gjennom elektrolyse har en energieffektivitet på 70 % - 80 %.

Andre former for kjemisk energilagring

Overskuddsenergi kan brukes til å syntetisere organisk drivstoff, som metan og metanol. Her tenker man å bruke CO2 fra CO2-fangst sammen med hydrogen fra elektrolyse til å produsere drivstoff i gassform (metan) eller flytende form (metanol). Man kan i prinsippet også lage syntetisk drivstoff med lengre karbonkjeder. Denne måten å lagre energi på faller inn under samlebetegnelsen Power to X, eller P2X. Her dreier det seg om flere prosesser som består av mange ledd og faktorer, og det er derfor vanskelig å si noe generelt om energieffektivitet. I tillegg til ren drivstoffproduksjon, kan det også tenkes at denne overskuddsenergien kan brukes til produksjon av råvarer det brukes mye av i kjemisk prosessindustri, som for eksempel ammoniakk. Fordelen med å produsere syntetisk drivstoff og kjemiske prosessråvarer er at disse energibærerne (eller råvarene) har tilnærmet ubegrenset holdbarhet, og er billige og enkle å lagre.

Smeltet salt

En måte å lagre termisk energi på er å bruke energien til å smelte salt, og så lagre det varme, flytende saltet i godt isolerte tanker. Smeltet salt brukes blant annet i noen solenergiverk, der solenergien varmer opp og smelter salt, som i sin tur varmer opp vann til å drive dampturbiner. Saltet varmes opp nok til at det holder seg flytende selv etter at det har avgitt varme til vannkoking. Det varme, flytende saltet kan også lagres i godt isolerte tanker under bakken, slik at den termiske energien kan benyttes på et senere tidspunkt. Energieffektiviteten i dette er det vanskelig å si noe generelt om, ettersom den avhenger av varmetapet til tankene saltet lagres i, og til systemet den termiske energien går inn i.

Termiske sandbatterier

Energi i form av varme kan nesten lagres i hva som helst. Sand har god varmekapasitet samtidig som det er en relativt dårlig varmeleder, er billig og lett tilgjengelig de fleste steder, og selv sand av lav kvalitet som egner seg dårlig til andre ting, fungerer helt fint til varmemagasinering. Termisk energi kan brukes til oppvarming av bygg, eller til energiproduksjon. Sand kan varmes opp i temperaturer som er mer enn høye nok til å koke vann til bruk i dampturbiner når man trenger energi, i termiske sandbatterier varmes den gjerne opp til rundt 600 ºC. Effektiviteten avhenger av varmetapet fra sanden til omgivelsene, men på store anlegg med god isolasjon, hevdes det at energieffektiviteten kan komme opp i langt over 90 %.

Oppvarmet vann

Vann har god varmekapasitet, så overskuddsenergi kan brukes til oppvarming av vann til fjernvarmeanlegg eller til lagring for senere bruk i energiproduksjon. Om vannet allerede holder høy temperatur, krever det mye mindre energi å varme det opp til damp til bruk i en dampturbin. Energieffektiviteten vil være avhengig av anleggene som transporterer og lagrer det varme vannet.

Flytende luft (LAES-Liquid Air Energy Storage)

Om overskuddsenergi brukes til å drive varme/kjølepumper, kan man kjøle ned luft til flytende form. Luften kjøles ned til den kondenserer, den flytende luften pumpes til ekstremt godt isolerte tanker der den lagres under lav temperatur og en atmosfæres trykk. Denne termiske metoden baserer seg altså på å ta varme ut av luft, i motsetning til de mer konvensjonelle formene for termisk lagring, der energien lagres ved at man varmer opp lagringsmediet. Når man trenger energi, pumpes den flytende luften til en høyttrykkstank der den varmes opp og ekspanderer under trykk gjennom en turbin. I et samarbeidsprosjekt mellom MIT og NTNU fant forskerne ut at LAES-løsninger i mange tilfeller vil være mer økonomisk lønnsomme enn litiumbatterier eller vannmagasinering. Om du vil vite mer, anbefaler vi å lese denne nettartikkelen som MIT publiserte i april 2025:

https://news.mit.edu/2025/using-liquid-air-grid-scale-energy-storage-0410

Power to X (P2X eller P2Y)

P2X er en samlebetegnelse for prosesser der overskuddsenergi fra fornybare energikilder benyttes til termiske energibærere eller til produksjon av kjemiske energibærere eller råvarer for industrien. Elektrolyse av hydrogen faller innenfor denne samlekategorien. Eksempler omfatter produksjon av ammoniakk, hydrogen, syntetisk drivstoff i flytende- eller gassform (som regel metanol eller metangass laget av CO₂ fra CO₂-fangst, kombinert med hydrogen fra elektrolyse av vann) og lading av elektriske kjøretøy. Siden dette er et samlebegrep for mange ulike prosesser, er det umulig å anslå energieffektiviteten. Selv om P2X er en samlekategori, tar vi den med her fordi det er et begrep som er under utbredelse når det snakkes om energilagring.