Lagring av elektrisk energi
Elektrisk energi kan bland annat lagras med:
- pumpkraftverk
- batterier
- svänghjul
- komprimerad luft
- vätgas
- superkondensatorer
- supraledande magnetiska energilager
En jämförelse av metoderna:
| Energilagringsmetod | Märkeffekt [MW] |
Lagrings-tid | Svarstid | Energi-densitet [Wh/kg] | Verknings-grad [%] |
Energi-kostnad [€/kWh] | Effekt-kostnad [€/kW] |
Storlek yta [m2/kWh] |
| Pumpkraftverk | 100-5000 | 1-24h+ | s-min | 0,5-1,5 | 75-85 | 60-150 | 500-3600 | 21,5 |
| Blybaserade batterier | 0,001-50 | s-3h | - | 30-50 | 60-95 | 50-300 | 200-650 | 6,7 |
| Litiumbaserade batterier | 0,001-0,1 | min-h | - | 75-250 | 85-100 | 200-1800 | 700-3000 | - |
| Flödesbatterier Vanadin Redoxbatterier |
0,03-7 | s-10h | ms | 75 | 85 | 100-1000 | 2500 | - |
| Flödesbatterier Zink Bromidbatterier |
0,05-2 | s-10h | ms | 60-80 | 70-75 | 100-700 | 500-1800 | 2,7 |
| Natriumsvavelbatterier | 0,5-50 | s-h | - | 150-240 | 85-90 | 200-900 | 700-2000 | 2,2 |
| Svänghjul | 0,002-20 | 15s-15min | s-min | 5-130 | 85-95 | 1000-3500 | 100-300 | 71,0 |
| Komprimerad luft | 100-300 | 1-24h+ | 5-15min | 30-60 | 42-54 | 10-120 | 400-1150 | 11,8 |
| Vätgas och bränsleceller | 0,001-50 | s-24h+ | min | 80-104 | 20-50 | 01-150 | 550-1600 | 3,2 - 6,5 |
| Superkondensatorer | 0,01-1 | ms-1h | ms | 0,1-15 | 85-98 | 300-4000 | 100-400 | 49,5 |
| Supraledande magnetiska energilager | 0,001-10 | ms-5min | ms | 0,5-5 | 95 | 700-7000 | 100-400 | 3012,4 |
Pumpkraftverk
Med ett pumpkraftverk kan elektrisk energi lagras genom att pumpa vatten från en lägre placerad reservoar till en högre. Energin är då lagrad som lägesenergi och utvinns genom att vattnet släpps tillbaka via en vattenturbin med en generator som producerar elektrisk energi. Verkningsgraden på pumpkraftverk är cirka 70-80 %.
Företag verksamma inom området:
Batterier
Batterier kan användas för att lagra elektrisk energi i elektrokemisk form. Ett batterilagringssystem kan bestå av hela rum som fylls upp av moduler av battericeller. För att styra så att battericellerna förbrukas i samma takt och att temperaturen i cellerna inte blir för hög används ett Battery Management System, BMS. Detta system står ofta för cirka 10-30 % av batterisystemet totalkostnad.
Ett batteri har två poler och lagrar elektricitet som ett elektronöverskott i den ena polen, som då blir negativt laddad. Polerna är separerade med en elektrolyt som består av olika material beroende på batterityp.
Genom att till batteriet koppla en förbrukare, det vill säga det som ska få elektrisk energi, sluts kretsen mellan den negativa polen (katoden) och den positiva polen (anoden) på batteriet och elektronerna kan vandra där emellan. När obalansen mellan den negativa och positiva polen är utjämnad är batteriet förbrukat och kan kasseras, alternativt laddas om.
Det finns generellt sett, fyra huvudgrupper av batterier:
- Blybaserade batterier
- Litiumbaserade batterier
- Flödesbatterier
- Natriumsvavelbatterier
Blybaserade batterier
När batteriet är laddat består katoden av rent, poröst bly, även kallat svampbly, och anoden består av blyoxid. Polerna är nedsänkta i svavelsyra som vid urladdning reagerar med blyet och bildar blysulfat.
Fördelen med blybaserade batterier är att de är ganska billiga i förhållande till andra typer av batterier. Nackdelen är att de har förhållandevis låg energitäthet. Detta gör dem olämpliga för fordonsindustrin men verksamma vid statisk lagring av energi. Blybaserade batterier klarar inte upprepade laddningscykler särskilt bra. Bly är giftigt, de syror som finns i batteriet är frätande och överhettas batteriet kan det explodera. Således är blybaserade batterier inte optimala ur miljösynpunkt.
Exempel på företag verksamma inom området:
Litiumbaserade batterier
Anoden i ett litiumbatteri består alltid av litium eller en litiumförening. Katoden och elektrolyten kan dock vara olika i olika batterier. Litiumbaserade batterier används ofta för mobiltelefoner, bärbara datorer och elbilar. Verkningsgraden är över 90 % och de har hög energitäthet. För många tillämpningar är litiumbaserade batterier fortfarande för dyra, men det bedrivs mycket forskning för att ändra detta.
Litiumbaserade batterier är förhållandevis miljövänliga jämfört med många andra sorters batterier. Detta beror på att både litiumoxider och salter kan återvinnas. Det bör dock observeras att litium är en väldigt reaktiv metall.
Företag som är verksamma inom området:
Information från Vinnova,
Lösningar på lager - Energilagringstekniken och framtidens hållbara energiförsörjning, sida 31-32
Flödesbatterier
Elektrolyten förvaras i tankar utanför batteriet och pumpas genom battericellerna. Komponenterna kan bestå av olika material. Fördelen med flödesbatterier är att de är laddningsbara, har hög kapacitet, lång livscykel, snabb responstid och hög tolerans för över- och underladdning. Nackdelen är att de har låg energidensitet så de är framförallt lämpliga för stationärt bruk.
Två varianter av flödesbatterier:
- Vanadin Redox-batterier
- Zinkbromidbatterier
Vanadin Redox-batterier
Batteriet klarar mer än 10 000 laddningscykler. Det är gjort av grönt material så vid förbrukning är restmaterialet ofarligt och batteriet släpper inte heller ut giftiga medel under drift eller läcker laddning.
Företag som är verksamma inom området:
Zinkbromidbatterier
Zinkbromidbatterier används främst för så kallad off-peak lagring, reservkraft samt mindre lastutjämning.
Företag som är verksamma inom området:
Information från Vinnova:
Lösningar på lager - Energilagringstekniken och framtidens hållbara energiförsörjning, sida 33-34
Natriumsvavelbatterier
Anoden består av smält natrium, katoden av smält svavel och elektrolyten är en så kallad BASE, Beta-alumina solid electrolyte. Natriumsvavelbatterier har en kapacitet på upp till 300 MW i sex timmar. Batterierna används ofta som lastutjämning och för att skjuta upp större investeringar i nätet. Natriumsvavelbatterier har hög energitäthet, ett batteri på 1 MW tar upp en yta av ungefär 85 kvadratmeter. Batteriernas verkningsgrad ligger runt 89 %, livslängden är mellan 12 och 20 år och de kan klara tusentals laddningscykler. Batterierna når ofta höga temperaturer under drift vilket gör dem mest lämpade för storskaliga tillämpningar.
Företag som är verksamma inom området:
Information från Vinnova:
Svänghjul
Svänghjul kan lagra elektrisk energi i form av kinetisk energi. Olika mängd energi bevaras beroende på konstruktionens massa och form, samt hjulets hastighet. För att minska friktionsförlusterna i systemet bör svänghjulet verka i vakuum. Svänghjul kan ha en verkningsgrad på nästan 90 %. Svänghjul kan användas inom till exempel kraftproduktion för att jämna ut effekten. Tappar den primära energikällan sin kraft, fortsätter svänghjulet rotera och fungerar som en generator. Svänghjul kan absorbera och ge ifrån sig energi på några sekunder. De är främst lämpade för korttidslagring av energi.
Företag verksamma inom området:
Information från Vinnova,
Komprimerad luft
Komprimerad luft kan användas för att lagra elektrisk energi. Den energi som ska lagras får då driva en kompressor som, i sin tur, lagrar luft i en reservoar. Elektricitet utvinns från lagret genom att den komprimerade luften får driva en turbin. Luften kan lagras i exempelvis tryckbehållare, bergsrum eller akviferer. Luftkomprimering är främst lämplig om metoden används för att öka effektiviteten i ett konventionellt gasturbinkraftverk.
Företag verksamma inom området:
Siemens
Information från Vinnova:
Lösningar på lager - Energilagringstekniken och framtidens hållbara energiförsörjning, sida 27-29
Komprimerad luft i praktiken:
Vätgas och bränsleceller
Vätgas kan användas för att lagra elektrisk energi i form av kemisk potential. När behovet av energi är lågt konverteras den elektriska energin till väte som sedan förvaras som gas. När elektriciteten sedan behövs, laddas lagret ur och vätgasen kan brännas, antingen tillsammans med naturgas i en gasturbin, eller användas för att driva en bränslecellsanläggning som konverterar energin tillbaka till elektricitet. Bränsleceller används för mycket korta svarstider, men i framtiden förväntas kostnaderna sjunka så att de blir oberoende av urladdningstiden. Då kan längre lagringstider fås och systemet kan användas för lastutjämning.
Företag verksamma inom området:
Information från Vinnova:
Lösningar på lager - Energilagringstekniken och framtidens hållbara energiförsörjning, sida 36
Superkondensatorer
Superkondensatorer kan användas för att lagra elektrisk energi genom att två elektriskt ledande plattor separeras med ett icke ledande lager, dielektrikum. Den lagrade laddningsmängden är beroende av den pålagda spänningen och förhållandet mellan kondensatorns area och avståndet mellan plattorna.
Superkondensatorer har mycket snabba laddnings- och urladdningstider och klarar hundratusentals laddningscykler. De har en lagringseffektivitet på omkring 85-98 %.
Företag verksamma inom området:
Exempel på användningsområde:
Mazda spar bränsle med superkondensatorer
Information från Vinnova:
Lösningar på lager - Energilagringstekniken och framtidens hållbara energiförsörjning, sida 37
Supraledande magnetiska energilager
Supraledande magnetiska energilager kan användas för att lagra elektrisk energi i magnetfältet kring en supraledare. En supraledare är ett material som under en viss temperatur har oändlig elektrisk ledningsförmåga. Precis som för batterier svarar dessa energilager direkt vid laddning och urladdning. Mängden energi som lagras är däremot oberoende av urladdningshastigheten, vilket inte är fallet för batterier. Detta är fördelaktigt när höga effekter är ett krav. Supraledande magnetiska energilager har lång teoretisk livslängd eftersom de vitala delarna inte är rörliga. Materialkostnaderna är höga vilket leder till att endast små anläggningar med specifika behov har varit kommersiellt aktuella.
Företag verksamma inom området:
Information: Vinnova: