Det er jo velkendt, at vinden ikke blæser konstant, og at solen ikke skinner om natten. Hvis man ønsker en ”grøn” energiløsning baseret på disse to kilder, bliver der derfor brug for at sikre elektricitetsforsyningen i de perioder, hvor sol og vind ikke giver noget – eller ikke giver nok. En af vejene, man kan gå, er at installere gigantiske batterier, der oplagrer overskudsstrøm, når f.eks. solen skinner, og så afleverer energien igen til nettet, når solen er gået ned.
På nuværende tidspunkt er der en stribe af sådanne store projekter, der enten er under opførelse eller på tegnebrættet. Der udgives stribevis af artikler, hvor hovedbudskabet ofte er, at nu er problemet med den vedvarende energis upålidelighed løst. Tabel 1 viser nogle tal fra sådan en artikel (1):
Man bemærker straks, at tabellen kun viser projekternes effekt målt i MW. Det er udtryk for den maksimale mængde el pr. tidsenhed, batterierne er i stand til at levere. Det fremgår ikke af artiklen hvor længe, de vil kunne levere noget. Er det et problem?
Om batterier
Batterier kender vi alle fra vores lommelygter og elektronik af enhver art. De er selvfølgeligt små og leverer kun meget lidt strøm. Til backup af en strømforsyning skal vi jo op i en hel anden størrelsesorden, så det må da være nogle helt anderledes batterier, der er tale om her? Både ja og nej. Man kan i praksis ikke bygge det enkelte batteri (eller celle) meget større, end dem vi kender. Gør man det, får man en dårligere løsning, hvor cellerne lagrer meget mindre energi pr. volumenenhed (f.eks. liter) eller pr. vægt. Så i praksis konstruerer man store batterier ved at koble mange små celler sammen. Fig 1 viser et eksempel på sådanne enkelte celler, i tilfældet her kan de hver især lagre omkring 10 watt-timer (Wh).
Skal man nu have et batteri til sin bil, og det f.eks. skal være på 60 kWh, eller 60.000 Wh, skal man således koble ikke færre end 6000 celler sammen, som vist på fig. 2. Det kræver selvfølgeligt megen omtanke at gøre det. Alle cellerne skal bidrage på lige fod, så de aflades og oplades i takt, og de skal kunne levere den spænding og mængde strøm, som bilmotoren har brug for. Batterier, der oplades eller aflades hurtigt, er tilbøjelige til at blive varme, så der skal også sørges for passende køling af dem.
For at batterier kan fungere som backup til en strømforsyning, f.eks. en vindmøllepark, er der to egenskaber, der skal defineres. Den ene er som allerede nævnt deres effekt, dvs. hvor meget strøm de skal kunne levere pr. tidsenhed. Det måles i megawatt (MW), hvilket svarer til millioner watt. Det er netop de tal, der er vist i tabel 1. Men hvordan ved vi, hvor mange MW, vores batteri skal kunne yde?
Det er illustreret på fig. 3. Her ser man et eksempel på en vindmøllepark, der er tilknyttet et vist forbrug. Vi følger situationen over et døgn. Forbruget ligger mellem knap 400 MW og 600 MW hen over dagen. Møllernes produktion svinger meget mere. I eksemplet producerer de mere, end der er brug for, midt på dagen. Til gengæld leverer de for lidt til at dække behovet om morgenen og fra sidst på eftermiddagen. Specielt mellem kl. ca. 18 og 23 mangler der meget strøm fra møllerne, og her må batteriet træde til. Den effekt, det skal kunne levere, svarer så til forskellen mellem forbruget og møllernes produktion, der evt. kan falde ned til 0. I eksemplet på fig. 3 er der lidt før kl. 20 således brug for ca. 400 MW.
I den sammenhæng er det relevant at bemærke, at for at kunne levere en kontinuert forsyning på 400 MW – 600 MW, eller ca. 500 MW i gennemsnit, skal der opstilles 1000-1500 MW møller, da de jo typisk kun leverer 30-50 % af deres effekt. Specielt ved de 1500 MW kan det blive en udfordring for batteriet, der i stærk blæst skal kunne tåle at blive ladet op med 1500 – 400 = 1100 MW strøm.
Det er fint, hvis vores batteri kan følge med og levere hele forbruget, men det næste spørgsmål bliver så i hvor lang tid, det kan levere. Vindstille kan godt vare længe, og solen skinner ikke hele natten. Problemstillingen er vist på fig. 4. Her har vi midt på dagen en periode, hvor vinden er faldet til nul, eller så nær nul, at vores vindmøller ikke mere producerer noget. Batteriet må derfor stå for hele forsyningen og det kræver, at der er oplagret en god portion energi. Denne energimængde beregner man ved at gange effekten (i MW) med tiden (i timer, engelsk ”hours” = h). Kører vi med 400 MW i én time, får vi således et energiforbrug på 400 MW x 1 h = 400 MWh, megawatt-timer.
De store projekter
Vi kan nu se, hvordan tabel 1 ikke fortæller hele historien om kæmpebatterierne. Der mangler oplysninger om deres evner til at lagre energi, målt i MWh. Disse tal var ikke nævnt i artiklen, men de fleste kunne findes i links til referencerne. Tallene er vist i tabel 2.
Vi er typisk oppe i størrelser på 200 – 2000 MWh. Tidligere så vi, at bilbatteriet på 60 kWh skulle bruge 6000 celler. 200 MWh vil så kræve 20 millioner celler, mens 2000 MWh skal bruge 200 millioner celler. Til så store anlæg bliver styring og køling meget kritiske og dyre at installere.
Et par af tallene for energi er forsynet med et spørgsmålstegn, fordi der ikke var opgivet et tal for energien, men kun et antal timer, batteriet skulle kunne ”dække”.
Af tabellen fremgår det, at kun batteriet i New York har en kapacitet svarende til 8 timers drift. Det chilenske og de californiske projekter har 4 timer og de øvrige endnu mindre. Det betyder jo, at batterierne kan dække kortvarige nedgange i produktionen fra vindmøller og solceller, men de kan ikke dække en hel nat, eller en eller flere dage med vindstille. Her skal der stadigvæk noget andet backup til.
På de fleste af projekterne er investeringsomkostningerne ikke nævnt. Der er private investorer involveret, og de vil i mange tilfælde ikke offentliggøre den slags tal. Mange skøn over omkostningerne er således nok mere eller mindre gætværk. Små simple batterier, med et mindre antal celler, er kommet godt ned i pris, og ligger vel p.t. omkring 100-120 EUR/kWh. Men denne pris kan man ikke bare gange op til de store backup-anlæg. De kræver så megen ekstra teknologi og installationer, at priserne pr. kWh for et par år siden lå omkring 800 EUR. Den er på vej ned, og p.t. taler vi vel realistisk om en pris omkring 500 EUR/kWh. Den vil nok falde lidt mere, men næppe længere ned end til ca. 400 EUR/kWh (2), (3). Det betyder, at et batteri på f.eks. 500 MWh vil koste mellem 200 og 250 mio. Euro eller 1,5 – 2 milliarder danske kroner.
Fremtiden, national forsyning
Spørgsmålet er nu, om den store udbygning i USA med batterier virkeligt vil gøre en forskel, hvis fremtidens elforsyning skal være baseret på sol og vind?
Et elselskab i New York har annonceret, at det vil investere i et batteri på 400 MWh. Det udråbes til at være en afgørende brik i byens overgang til vedvarende energi baseret primært på vindmøller. Men kan 400 MWh virkeligt sikre en stabil elforsyning i vindstille perioder? New York har p.t. et elforbrug i størrelsesordenen 32.000 MW (32 GW). Vindmøllerne kommer primært til at stå ude i Atlanterhavet, og her har man ind i mellem et fænomen med højtryk som kaldes ”Bermuda High”. Det er normalt ledsaget af vindstille vejr og hedebølge. Så der er ekstra brug for aircondition. Sådan en situation kan godt vare op til en uge, eller 168 timer. Nu kan vi beregne behovet for lagret strøm som 32.000 MW x 168 timer = 5,376,000 MWh. Man kan jo hurtigt regne ud, at de 400 MWh kun rækker til ca. 45 sekunders forbrug. For at dække de 7 dage, skal vi 10.000 gange op i størrelse (4). Og så var det kun byen New York.
Prisen for et batteri på 5 millioner MWh vil blive 2000 milliarder euro eller 15.000 milliarder danske kroner. Det er 7 gange Danmarks årlige bruttonationalprodukt.
Danmarks elforbrug er mindre end New Yorks. Hvis vi i en elektrificeret fremtid regner med et gennemsnit på 5.000 MW, ville en uges backup kræve et batteri på 840.000 MWh, som igen ville bestå af ikke mindre end 84 milliarder celler, der alle skal bringes til at samarbejde. Prisen ville, med det optimistiske tal 400 EUR/kWh, ende på 336 milliarder euro eller 2.500 milliarder danske kroner, svarende til godt og vel det årlige nationalprodukt.
Udgifter i den størrelsesorden vil totalt forarme samfundene og bevirke et træk på verdens ressourcer, i form af mineraler og metaller, som formentligt langt overskrider, hvad der kan lade sig gøre.
Konklusion
Det må endnu en gang slås fast, at sol og vind sammen med batterier ikke er en farbar vej for energiforsyningen. Der tales meget om videreudvikling af batteriteknologien, mere effektive og billigere batterier. Der er også forskellige teknologier på bordet, men de har hver deres problemer. Den foretrukne teknologi lige nu er baseret på litium, der giver den laveste vægt og volumen pr. kWh. Den er også prismæssigt fordelagtig. Natrium-svovl-baserede batterier er også afprøvet i stor skala, de er dyrere end litium, men kan muligvis optimeres, og man undgår netop litium, der kunne blive en mangelvare i fremtiden. Natrium-svovl løsningen har den store ulempe, at batterierne skal operere ved 300 grader celsius, det stiller straks helt andre krav til installationen, ikke mindst mht. sikkerheden (3). Andre løsninger, f.eks. baseret på vanadium er også på papiret lovende, men vanadium er igen et grundstof, der er svært at udvinde, og som i dag primært bruges i små mængder til legering af stål (5).
Generelt er afgørende forbedringer af batteriernes ydeevne næppe mulig af rent fysiske årsager. Der er simpelthen grænser for, hvor meget elektrisk energi man kan opbevare i en lille beholder, uanset valg af løsning.
Men i virkeligheden er forbedringer i batteriernes ydeevne og pris ikke afgørende for teknologiens manglende fremtid. Selv dobbelt så effektive batterier, til samme pris som litiumløsningen i dag, vil kun halvere ovennævnte investeringer, og de vil stadigvæk være langt uden for samfundets rækkevidde. Mirakler i retning af prisreduktioner på en faktor 10 eller mere er ikke sandsynlige, fordi der til bygning af batterierne under alle omstændigheder er tale om transport og håndtering af kolossale mængder af råmaterialer. De vil altid have en pris eller en omkostning for samfundet, og den er større, end vi kan kapere – og i øvrigt langt større end de forudsete udgifter forbundet med de klimaforandringer, der måske kommer.
Referencer
(1): https://e360.yale.edu/features/in-boost-for-renewables-grid-scale-battery-storage-is-on-the-rise
(2): https://www.eia.gov/analysis/studies/electricity/batterystorage/pdf/battery_storage.pdf
(4): https://wattsupwiththat.com/2020/12/24/new-york-cant-buy-its-way-out-of-blackouts/
(5): https://energypost.eu/can-vanadium-flow-batteries-beat-li-ion-for-utility-scale-storage/
Danish
I mange år fremover vil batterier altid være produceret ved brug af kulkraft. Det samme gør sig gældende for sol- og vindkraftanlæg. Derfor skal man sætte den ekstra CO2 produktion som fremkommer pga. fremstilling af batterier og yderlig sol- og vindkraft, op imod den CO2 besparelse man over tid vil kunne opnå, når batterierne dækker en for lav produktion. Batteriproduktion er meget energikrævende, derfor vil backup med batterier udskyde en mulig CO2 besparelse i mange år. Måske så mange år, at det vil overstige batteriernes levetid.
Hvis man vil købe et 18650 batteri som privatperson koster det mellem 40 – 70 Dkr. alt afhængigt hvor mange man køber ad gangen.
Hvis man køber dem i industriskala koster de selvfølgelig mindre men de er stadig pissedyre.
Den video kan med fordel ses hvis man vil vide mere : https://www.youtube.com/watch?v=3K43XC9J82Q