Energilagring kræver plads og penge

I det følgende kigger vi på et udvalg af de løsninger, der kendes – eller er under udvikling – til lagring af energi. Energilagring er helt nødvendig i en elforsyning, der overvejende er baseret på vindmøller, og hvor man vil undgå fossile brændstoffer eller biomasse som backup energikilde.
Den rene vindbaserede forsyning må nødvendigvis kunne lagre overskudsenergien fra vindrige dage til brug i tidsrum, hvor vinden ikke blæser.

Vi starter med batterierne, som til brug i biler er velkendt teknologi, men ikke egnet til større skala pga. pris og størrelse. Derefter kigges der på andre muligheder, brint, varme sten og smeltet salt.

Ingen af teknologierne kan siges at være en realistisk løsning til en national forsyning af strøm.
Selv hvis udestående tekniske problemer løses, vil de begrænsninger, som fysikken sætter, gøre principperne urealistiske – både økonomisk og praktisk – i en relevant skala.

Vind og sol kan ikke stå alene
Hele vores moderne samfund er indrettet på basis af en stabil elforsyning. Uanset om behovet for strøm er stort eller lille, er der altid den ønskede mængde energi til rådighed i vores elnet. Det blev indtil for 10-20 år siden sikret ved hjælp af kul-, olie- eller gasfyrede kraftværker, der let kunne skrues op og ned i takt med forbruget. Strømudfald var i mange år uhyre få og sjældne.

Kraftværkernes udsendelse af CO₂ i atmosfæren er i mellemtiden kommet i fokus, og af frygt for temperaturstigninger og klimaforandringer har man i de sidste 20 år arbejdet med alternative løsninger, såkaldt ”vedvarende” energi. Her drejer det sig først og fremmest om vind- og solenergi.
Vind og sol er for så vidt udmærkede energikilder, der snildt kunne dække f.eks. hele Danmarks behov. Problemet er imidlertid, at de ikke på samme måde som de fossilt fyrede kraftværker er til rådighed i takt med behovet for energi. Solenergi virker kun i dagtimerne, og det skal helst ikke være alt for overskyet. Vindenergi er tilgængeligt, når det blæser, men i vindstille vejr får man ingenting.

Sol og vind kan derfor aldrig stå alene som energiforsyning. Principielt kan man nu gå to veje for at løse problemet:

1. Backup forsyningsanlæg
Fuld backup med andre kilder til energi, f.eks. fossilt fyrede kraftværker.
De vil så blive kørt op i produktion i takt med fraværet af vind- og solenergi. En mulighed her er også biomassefyrede anlæg. Backup-værkernes kapacitet skal være stor nok til at dække det maksimale forbrug, man kan forvente (f.eks. en kold vinterdag), hvis det skulle indtræffe på et tidspunkt uden sol og vind.
Problemet er nu, at disse backup-værker kun vil blive udnyttet i lav grad, så de vil repræsentere en stor investering og høje driftsudgifter med begrænset udbytte.

I praksis er det den måde, vi tackler situationen på i dag. I Danmark har vi slet ikke mere den nødvendige backup-kapacitet, da mange kraftværker er blevet nedlagt. I stedet trækker vi på nabolandenes kapacitet, baseret på vand-, kul-, gas- eller atomkraft. Det er gået forholdsvis godt ind til nu, men med de ambitiøse udbygningsplaner for sol og vind i hele Europa vil sårbarheden vokse og blive yderligere forværret ved den påtænkte elektrificering af samfundet (el-biler!).

2. Energilagre
Lagring af energien fra vind og sol og træk på lagrene ved vindstille eller om natten. Dette er i teorien en bedre og mere robust løsning, idet Danmark derved vil blive meget mindre afhængig af omverdenens evne og vilje til at modtage overskudsstrøm og sælge os strøm, når det kniber med forsyningerne fra sol og vind.

Et sådant system indebærer, at man skal have en betydelig overkapacitet af vind og sol, således at man kan fylde lagrene på de produktionsrige dage. Havvindmøller siges at levere ca. halvdelen af deres effekt, så hvis samfundet f.eks. i gennemsnit bruger 4 GW skal der installeres møller med en samlet effekt på 8 GW. Det er selvfølgeligt en ekstra investering, som kommer oveni, hvad lagrene vil koste.

I det følgende kigger vi nærmere på muligheder og begrænsninger ved lagring af energi i stor skala. Der er mange forslag på bordet, men de er alle underlagt de begrænsninger som naturen og fysikkens love dikterer.

Elbilen
Det er hævet over enhver diskussion, at det mest effektive energilager, vi kender i dag, er en tankfuld benzin. Et lagers effektivitet kan opgøres ved, at man ser på den til rådighed værende energi sammenholdt med lagerets vægt, volumen eller sågar pris. Energitæthed er et andet ord for denne effektivitet.

Kun nukleare brændstoffer, f.eks. uran eller plutonium til atomkraft, har en bedre energitæthed end en benzintank, men atomkraften lader vi ligge i denne omgang.

Nu er elbilerne i fremmarch og det er nærliggende at kigge på deres energilagre, batterierne og sammenligne dem med benzintanken.

Fig. 1 viser energitætheden for forskellige typer batterier, målt både i Wh/l (watt-timer pr. liter) og Wh/kg (- pr. kilogram). I det følgende vil vi fokusere på de bedste batterier, baseret på lithium, de har energitætheder på op til 200 Wh/kg eller 350 Wh/l.

Til sammenligning er brændværdien af et kg benzin (eller diesel) ca. 12 kWh (eller ca. 9 kWh/l). Selve tanken af stål vejer ikke mange kilogram, så hvis vi et øjeblik ser bort fra den, kan vi altså se, at for at få energimængden i et kg benzin skal vi have et batteri på 60 kg (12/0,2)!

Nu er sammenligningen ikke helt fair, fordi en elektrisk motor er meget mere energieffektiv end en benzinmotor. Vi er derfor nødt til at omregne energilageret til et sammenligneligt antal kørte kilometer.

Vi antager, at benzinbilen kører 15 km på literen. En tank på 40 liter vil da give en rækkevidde på 600 km. 40 l benzin vejer 28 kg og hertil kommer vægten af ståltanken, som vi kan sætte til 12 kg, dvs. totalvægt 40 kg for de 600 km.

En tilsvarende elbil bruger ca. 20 kWh/100 km. Til de 600 km kræves da et batteri på 120 kWh. Med 0,2 kWh/kg (jfr. ovenfor) bliver batteriets vægt 600 kg.

Elbilens batteri vejer altså 15 gange mere end benzintanken for den samme kørselsafstand.

Batterier til vindkraft
Hvis vi f.eks. antager, at vindmøller producerer ca. 50 % af deres maks. effekt hen over året, samt at vi ønsker 3 døgns backup fra batterier, kan vi opstille et scenario med 10 MW vindstrøm, svarende til en pænt stor vindmølle.

Først og fremmest får vi brug for to 10 MW møller. Når de producerer, leverer den ene strøm til nettet og den anden lader backup-batteriet op.

3 døgn er 72 timer, og 10 MW vil da give 720 MWh produktion, som batteriet skal dække.

Med 0,2 kWh/kg bliver vægten af batteriet 3.600.000 kg eller 3.600 tons. Volumenet bliver tilsvarende (0,350 kWh/l) godt 2.000 m³, dvs. noget større end et olympisk svømmebassin.

Batterier koster i dag omkring 100 EUR/kWh. Vores batteri vil da koste 72 mio. EUR eller godt en halv milliard danske kroner, og så er alle installationsudgifterne vist ikke inkluderet.

Nu har vi kun dækket en eneste mølle, og endda forudsat, at den ikke står stille mere end højest 3 døgn. For en 2 GW ”energiø”, hvor vi vil have 3 døgns backup på de 2 GW, ville batteriet komme til at veje 720.000 tons og koste 100 milliarder kroner + en formue i infrastruktur, installation m.v.

Andre løsninger
At bygge så store batterier giver åbenlyst ingen mening, og derfor er der da også megen fokus på alternative løsninger.

Brint
En løsning er at bruge overskudsstrømmen fra vindmøllerne til elektrolyse, hvorved man får fremstillet brint. Brinten kan bruges som brændstof i elbiler, hvor den omdannes til strøm i brændselsceller.

Brint er en meget let gas, og for overhovedet at kunne samle en fornuftig mængde, er man nødt til at lagre den ved meget højt tryk, f.eks. 700 bar (700 gange atmosfærens tryk). Ved det tryk vil 1 kg brint fylde ca. 25 liter (2).

Brintens brændværdi er 39 kWh/kg og brændselscellens effektivitet er ca. 60 %. Derved skal der bruges 5 kg brint til 600 km kørsel.

Det er oplyst, at f.eks. en Toyota Mirai brintbil har en tank med plads til 5 kg brint, tanken, der er fremstillet af specielle polymerer, vejer 87 kg. Volumenet af tanken er ca. 150 l (3).

Et problem ved brint er de relativt store energitab ved omdannelsen fra elektrisk strøm til brint, håndtering af brinten og derefter tilbagekonvertering til el til bilens motor. Fig. 2 viser situationen. I alt tabes der omkring 60 % af den oprindelige energimængde.

Hertil kommer at håndteringen af brint er teknisk vanskelig og forbundet med store sikkerhedsrisici.
Det er meget svært at bygge installationer, der er helt tætte, brinten er således i stand til at sive ud gennem stålrør. Brint i blanding med atmosfærisk luft er stærkt eksplosiv.

Brint som backup til f.eks. vindmøller vil være en meget dyr løsning, pga. de store energitab ved konvertering frem og tilbage. Man ville her vælge at lagre brinten som flydende, i stedet for i tryktanke. Volumenet af flydende brint er noget mindre, 1 kg vil fylde 15 l. Man undgår de kolossale tryk, men til gengæld skal temperaturen helt ned under -253 ^oC så det kræver effektiv køling og isolation af tanken.

I vores eksempel med vindmøllen ville vi pga. energitabet nok få brug for 3 møller for at opnå 10 MW forsyning. Med tabet i brændselscellerne kan vi regne med ca. 24 kWh/kg brint. For at producere 720 MWh, får vi således behov for at kunne lagre 30 tons brint, der i flydende form vil fylde ca. 450 m³.

Varme sten
Der forskes p.t. i en løsning baseret på opvarmning af sten med overskudsstrøm og udtræk af varmen til elproduktion når vinden ikke blæser (5).

Problemet med løsningen er igen den ringe energitæthed i lageret. Man påtænker at lade stenenes temperatur svinge i alt 450 ^oC (f.eks. mellem 150 og 600 grader). Alle materialer har en såkaldt specifik varmekapacitet, der siger noget om hvor meget energi, der skal bruges til at hæve temperaturen af ét gram med én grad Celsius. For granitsten er tallet 0,79 Joule pr. gram pr grad (J/gK). Det kan omregnes til 0,22 Wh (Watt-timer) pr. kg pr. grad. For 450 graders temperaturændring får vi da 0,1 kWh/kg. Det vil sige, at for at gemme en kWh skal vi bruge 10 kg sten.

Vores lager til en vindmølle skal være på 720 MWh, dvs. at vi skal bruge 7,2 millioner kg sten, eller 7.200 tons. Lageret vil fylde 7.200 m³, hvad der svarer til 5 olympiske svømmebassiner.

Disse tal repræsenterer den rent teoretisk optimale situation med 100 % effektivitet. Den er svær at opnå, bl.a. pga. vanskelighederne med at få alle sten varmet op samtidigt og med at få al varmen trukket ud med den mindst mulige luftmængde. Der bruges også en betydelig mængde energi på at blæse luften igennem stenene. Som det ser ud i dag, taber man måske 20-30 % af energien.
Den forskning, der p.t. udføres, har ikke som mål at forøge den teoretiske kapacitet (det kan man ikke), men derimod blot at mindske tabet af energi.

Ved brug af en anden type sten, kan man få en lidt højere kapacitet, nogle få %, til gengæld vil det være dyrere og mere sjældne sten.

Smeltet salt
Smeltet salt (NaCl) har en noget højere varmekapacitet end sten (1,5 J/gK), til gengæld er temperaturintervallet, man kan bruge, mindre, 260-550 ^oC, dvs. 290 grader.

Det giver en lagringskapacitet på 0,12 kWh/kg, svarende til godt 8 kg/kWh.

Vores mølle skulle således bruge et saltlager på 5.800 tons, med et volumen på 3.800 m³. Igen under antagelsen at der ikke er noget tab i processen.

Volumenet på et faktisk projekt med solenergi er dog noget større. Her nævnes en tankstørrelse til saltet på 13.000 m³ til lagring af 1100 MWh, svarende til 8.500 m³ til de 720 MW i vores eksempel.
Prisen på et sådant anlæg løber op i 3-6 milliarder kr. (6)

På mange måder vil saltlageret være bedre end stenlageret mht. effektivitet, fordi den smeltede salt kan pumpes rundt i systemet, til opvarmning eller afkøling. Til gengæld er saltsmelten svær at håndtere, den får let metaldele til at ruste. Temperaturen skal også altid være høj nok, hvis saltet begynder at størkne, får man for alvor problemer med blokerede rør osv.

Konklusion
Elbilens batterier konkurrerer med det mest effektive non-nukleare energilager, vi kender, nemlig en tankfuld benzin. Batterierne er både dyrere og meget tungere. Elbilen er dog efterhånden et acceptabelt bud på en løsning til formindskelse af vores afhængighed af fossile brændstoffer.

Brint som drivmiddel til biler er også velafprøvet teknologi, men lider under de meget store tab i konverteringen fra el til brint og tilbage igen.

Lagring af energi i større skala har p.t. slet ikke nogen nem og prisbillig løsning. Det er ellers en helt nødvendig forudsætning for satsning på vindkraft i stor skala.

Men blot backup svarende til 10 MW installeret vindmølle-effekt vil kræve meget store og dyre installationer. Hvis man skal have 10 MW kontinuerlig forsyning, kræver det 2 møller à 10 MW, da produktionen typisk ligger omkring max 50 % af den nominelle effekt. Når det blæser, vil den ene
mølle da levere 10 MW strøm til nettet, mens den anden fylder energilageret op. Når det ikke blæser, eller blæser for lidt, må energilageret levere den manglende strøm. I artiklen her er der regnet med, at lageret skal kunne levere de fulde 10 MW i 3 døgn (72 timer). Det giver en nødvendig lagerkapacitet på netto 720 MWh.

Tabellen her viser størrelserne på de forskellige løsninger, der er på bordet p.t.

Man bemærker straks, at der er tale om meget store installationer, selv til en enkelt 10 MW mølle. Vi er oppe i tusindvis tons og ditto kubikmeter. Investeringen bliver derfor meget betydelig og vil i alle tilfælde langt overstige prisen på vindmøllen.

Den eneste undtagelse er måske løsningen med brint. Her er vi nede i meget mindre dimensioner, men til gengæld er der tale om kostbart og teknisk avanceret udstyr til lagring og håndtering.
Systemet indebærer også så store tab, at en 3. vindmølle ville være nødvendig for at kunne opretholde den ønskede 10 MW leverance.

Kigger vi på hele Danmarks energiforsyning og den kraftige udbygning af vindkraft, må det konkluderes, at ingen af lagerløsningerne er realistiske. Det bliver alt for stort og alt for dyrt.

Regeringen satser da også på det såkaldte elektrobrændsel (”Power to X”), hvor der fremstilles brændstoffer, som vi kender dem i dag, baseret på brint og opsamlet CO₂. Det er nok en fornuftig satsning, men på den anden side en teknologi, der slet ikke er moden til stor skala endnu.

Referencer

(1) https://www.epectec.com/batteries/cell-comparison.html

(2) https://energies.airliquide.com/resources-planet-hydrogen/how-hydrogen-stored

(3) https://insideevs.com/news/323973/toyota-mirai-fuel-cell-sedan-priced-at-57500-specs-videos/

(4) https://www.fla.de/wp/dailys/tyskland-satser-paa-brint-trods-store-energitab/

(5) https://www.energy.dtu.dk/nyheder/2019/03/energilagring-med-varme-sten-og-et-nyt-tvist-paa-gamle-ideer

(6) https://insideclimatenews.org/news/16012018/csp-concentrated-solar-molten-salt-storage-24-hour-renewable-energy-crescent-dunes-nevada