Når du kommer hjem fra jobben og skrur på lampene, TV-en og varmeovnen, er solen på vei ned og solcellene har sluttet å produsere strøm. Hvis det samtidig er vindstille og vindmøllene dermed har gått i stå, er mange land avhengige av kullkraft for å levere strøm.
For baksiden av fornybar energi er at produksjonen er ustabil. Når solen har gått ned, og det ikke blåser, må mange land ty til de svarte energikildene som kull og olje for å dekke behovet. På andre tidspunkter produserer sol og vind mer strøm enn forbrukerne har behov for, og derfor har vi behov for å kunne lagre overskuddstrøm.
Så langt er det ingen som har klart å skape et energilager som kan bygges overalt til en lav nok pris, og som kan oppbevare store mengder energi og ikke medfører noen form for forurensning. Men utenfor Manchester ble det i fjor etablert et anlegg som er basert på luften omkring oss, og som kan konkurrere med for eksempel litium-ion-batterier. Ingeniørfirmaet Highview Power presenterte nemlig verdens første energilager basert på kald luft – og med det en potensiell løsning på den grønne omstillingens største utfordring: Hva gjør vi med den energien vi ikke bruker her og nå?
Grønn omstilling er en utfordring
Energiforbruket passer ikke alltid med produksjonen. Solceller produserer for eksempel mye strøm i dagtimene, mens forbruket når toppen ved kveldstid, når folk setter maten i ovnen og skrur på TV-en. For eksempel er forbruket omkring i gjennomsnitt litt over 50 GW ved middagstid, mens det når toppen med nesten 60 GW ved kveldstid. Hvis produksjonen fra vindenergi er lav, og solen holder på å gå ned, er det i mange land nødvendig å bruke kullkraft, som justeres opp og ned slik at det passer med behovet.
Løsningen er å bygge inn energilagre i strømsystemet som både kan lagre strøm fra dagtimene til om kvelden, når folk skrur på komfyrer og lamper, og lagre energien over lange perioder, slik at vi for eksempel kan lagre overskuddsstrøm fra solceller fra den lyse sommeren til den mørke og kalde vinteren.
Overskudsstrøm nedkøler luft
Forskerne har foreløpig ikke klart å utvikle energilagre som ikke har en eller annen betydelig begrensning.
Pumpelagre bruker overskuddsstrøm til å pumpe vann oppover, og når det er behov for strøm, sendes vannet ned gjennom en turbin. Teknologien er imidlertid veldig avhengig av et landskap med mye fjell. En annen kandidat er flytbatterier, som skaper elektrisitet ved å konvertere kjemisk energi fra bestemte kjemikalier til strøm.
I de siste årene har ingeniører utviklet enorme litium-ion-batterier som kan lagre store mengder strøm. De er imidlertid avhengige av forurensende gruvedrift og inneholder miljøskadelige stoffer som gjør det vanskelig å gjenbruke utrangerte batterier. Og batterienes levetid er bare ti år.
Når luft komprimeres og fryses ned til en væske med grønn overskuddsstrøm, reduseres luftens volum 700 ganger, og det er en stor fordel fordi massevis av energi lagres i et lite volum. Pumpelagre bruker overskuddsstrøm til å pumpe vann fra et lavt til et høyt reservoar og sender så vannet gjennom strømproduserende turbiner når det er bruk for strøm. Svakheten er at vannet tar over 300 ganger mer plass enn den flytende luften. Flytbatterier mister raskt sin effektivitet, og litiumbatterier, som presterer langt bedre enn kaldluftsenergilagrene, har en vesentlig kortere holdbarhet og er avhegige av en forurensende gruvedrift.
1. Varmelagre med for eksempel olje
2. Flytbatterier
3. Kaldluftslagre
4. Litium-ion-batterier
Kaldluftsmagasinene kan derimot bygges overalt, og faktisk trenger de ikke mye annet enn luften omkring oss. Samtidig har de en anslått levetid på 30–40 år, og de er bygget av stål, som lett kan gjenbrukes.
Batteriet utnytter luften omkring oss
Når oksygen fryses ned til -196 grader celsius, får den en flytende form. Det er denne effekten ingeniørene ved Highview Power har utnyttet til å skape kaldluftslagre. Her kjøles luften ned med energi fra vindmøller eller solceller og lagres i isolerte ståltanker som fungerer som termosflasker.
Når det igjen er behov for strøm, slippes den iskalde flytende luften ut av tankene, settes under trykk og varmes opp ved hjelp av grønn energi. Det gjør væsken om til en strøm av luft, som utvider seg 700 ganger og driver en turbin som produserer strøm.
For å oppnå en tilstrekkelig høy energieffektivitet, gjenbrukes varme og kulde i systemet. Når luften nedkjøles til en minus 196 grader kald væske, frigis det varme, på samme måte som en fryser sender ut varme på baksiden.
På demonstrasjonsanlegget til Highview Power lagres overskuddsvarmen, som brukes til å varme opp den iskalde flytende luften når det igjen skal produseres strøm. Og når den ultrakalde væsken utvider seg til luft for å lage strøm, frigis det kulde som gjenbrukes ved den neste nedkjølingssyklusen.
Frysning av matvarer
Det er ikke bare i strømnettet energien fra et kaldluftsmagasin kan utnyttes. Anlegget kan nemlig også kobles til noen av de svært energikrevende fryselagrene som trenger konstant nedkjøling.
Slike fryselagre krever store mengder energi å holde nedkjølt. Her kan den flytende luften brukes til å senke energikostnadene.
Det krever mye energi å fryse ned matvarer, og 70 prosent av matvarene i EU nedkjøles eller fryses. Særlig store fryselagre med et energiforbruk på mellom 500 kilowatt og 10 megawatt kan med fordel kombineres med kaldluftsmagasiner.
Det europeiske forskningssamarbeidet CryoHub vil i år oppføre et energilager med flytende luft ved et fryselager i den belgiske byen Lommel. I første omgang blir det snakk om et lite anlegg med en lagerkapasitet på 100 kilowatt. Men mulighetene er store.
Kombinasjonen av kaldluftsenergilagre og fryselagre kan nemlig nå opp i en samlet energieffektivitet på 70–80 prosent, sammenlignet med omkring 60–70 prosent ved Highview Power-anlegget i dag, fordi den overskytende kulden fra energilagringen utnyttes effektivt i fryselageret.
CryoHub har kartlagt utbredelsen av store fryselagre i EU, og det viser at hoveddelen av dem finnes i tett befolkede områder langs Europas nordvestkyst – nettopp i et område der framtidens store havvindmølleparker i perioder med kraftig vind vil sende mengder overskuddsstrøm til land.
Teknologien virker
Highview Power har bevist at teknologien med kaldluftsenergilagre fungerer. De kommende årene går firmaet i gang med å oppskalere, og allerede i 2022 planlegger de å åpne et nytt anlegg som kan forsyne 50 000 husstander i tre timer – sammenlignet med 5000 i det nåværende anlegget utenfor Manchester.
Dermed har enda en lovende teknologi til lagring av strøm meldt seg på banen som løsningen på en av den grønne omstillingens suverent største utfordringene.
Når du i framtiden kommer hjem fra jobben på en mørk og vindstille dag, virker lampene og TVen som de pleier, og strømmen kommer fra nedkjølt luft.
Energilageret forklart av forskerne selv
Se hvordan kaldluftsenergilagre er bygget opp, forklart av teamet som står bak teknologien.