Framtidens batteri går på tyngdekraft

Den holder sammen alt i universet og sørger for at føttene våre er godt plantet på bakken.

Og nå skal tyngdekraften også lagre energi.

Det mener i hvert fall selskapet Energy Vault, som har en klar visjon: De skal bruke tyngdekraften til å lagre for eksempel overflødig vindkraft som strømkundene ikke rekker å konsumere.
Derfor har Energy Vault konstruert en seksarmet kran som akkurat nå rager 70 meter over byen Bellinzona i Sveits.

35 tonn tunge betongblokker dingler fra kranen, og selv om det ikke er så lett å se, fungerer blokkene som gigantiske batterier.

Kranen lagrer overskuddsenergi i form av svevende betongblokker, noe som kan være nyttig når forbrukernes etterspørsel etter elektrisitet stiger.
Og det er langt fra den eneste måten tyngdekraften skal hjelpe den grønne omstillingen på. Dype brønner og hele innsjøer skal også lagre overskuddsenergien.

Lagrer strøm til en regnværsdag

Prinsippet om å bruke tyngdekraften som batteri er en viktig forutsetning for at fornybare energikilder som solceller og vindturbiner skal kunne levere grønn strøm i stedet for strøm produsert av for eksempel kullkraftverk.

De fornybare energikilder har nemlig et problem.

På vindstille og overskyede dager har de problemer med å dekke forbrukernes strømbehov, mens det andre dager for eksempel blåser så mye at det produseres langt mer strøm enn forbrukerne klarer å bruke opp.

Greenpeace anslår for eksempel at Kina i 2016 kastet bort opptil 17 prosent av den grønne kraften – nok til å forsyne rundt 20 millioner husstander med energi.

Selv i land som Danmark, der opptil halvparten av kraften årlig kan komme fra vindturbiner, er det tider da kraften må komme fra kullkraft.

Og det er her løsninger som den seksarmede kranen i Sveits kommer inn i bildet. Slike anlegg kan faktisk lagre overskuddskraften fra de gode dagene for å bruke den på de dårlige. Dermed unngår man at den grønne strømmen går til spille.

Stablede blokker lagrer energi

Kranen har fått navnet Commercial Demonstration Unit (CDU) og har blitt oppdatert i 2021 slik at den nå kan settes i kommersiell drift over hele verden.

«Systemet vårt kan installeres overalt der det er tilknytning til strømnettet. Den lades opp ved å løfte blokkene med overskuddskraft fra vindturbiner eller solceller når den ikke trengs, og senke blokkene ned igjen når strømmen skal brukes igjen», sier Robert Piconi, administrerende direktør i Energy Vault, til Illustrert Vitenskap.

Teknologien er basert på et enkelt prinsipp om at det krever energi å løfte en gjenstand opp fra bakken. Den energien kan for eksempel komme fra overflødig vindkraft som driver motorene på kranens armer. Via sterke stålvaiere løfter motorene betongblokker opp i høyden og stabler dem.

Når forbrukernes etterspørsel etter strøm stiger igjen, lar kranen blokkene synke til bakken. Bevegelsen driver en generator som produserer elektrisitet. Prinsippet brukes også i for eksempel bestefarsklokker, som holdes i gang av lodd som sakte trekker en kabel nedover.

Energien som kranen opprinnelig brukte til å løfte blokken, blir dermed levert tilbake igjen – eller i hvert fall det meste, for systemet utnytter ikke energien 100 prosent.

Batterier kan brenne

Ifølge Energy Vaults egne beregninger gir metoden med å heve og senke tunge vekter en effektivitet på over 75 prosent. Dette betyr at mesteparten av kraften som opprinnelig ble lagret, kan hentes fram igjen og brukes.

Men rundt 25 prosent av energien går tapt på grunn av friksjonsmotstand og varme i motorer og bevegelige deler.

Til sammenligning kan litium-ion-batterier oppnå en effektivitet på rundt 90 prosent, men batteriene mister ytelse hver gang de lades. I det lange løp er gravitasjonssystemer derfor nesten like effektive.

Samtidig har litium-ion-batterier en innebygd risiko for å begynne å brenne, mens gravitasjonssystemer er langt sikrere.

Kranen i de sveitsiske alpene er ikke alene om å utnytte tyngdekraften til å lagre elektrisitet.

Den mest populære typen gravitasjonsanlegg er en type vannbatteri som kalles pumpekraftverk. Her driver overskuddskraft en pumpe som flytter vann til et reservoar som ligger høyt oppe.

Når strømmen skal brukes igjen, renner vannet tilbake og driver en turbin som genererer strøm.

Metoden har imidlertid to svakheter.

For det første opptar de to reservoarene et stort areal, og for det andre krever det nivåforskjell i terrenget for å fungere.

Til sammenligning trenger ikke Energy Vault-løsningen noen høydeforskjell i terrenget og kan derfor også installeres i land uten fjell og bakker.

Blokkene er laget lokalt

Ikke bare kan den seksarmede kranen lagre grønn kraft – den er også klimavennlig produsert selv; for eksempel består de 35 tonn tunge blokkene av sement blandet med materialer som normalt ville havnet på søppelfyllingen.

Det kan for eksempel være aske, materialrester fra byggeplasser eller komposittmaterialet fra brukte vindturbinblader.

Ved foten av kranen har Energy Vault bygd en maskin som kan komprimere blokkene med ulike typer materialer i blandingen. Hovedingrediensen er lokalt utvunnet jord, noe som sparer CO₂ fra transport.

Siden ferdigstillelsen av kranen har en av de store utfordringene vært å gjøre innsamling og plassering av blokkene helautomatisk.

For å gjøre systemet så billig i drift som mulig, er det viktig at systemet selv kan lade opp og lade ut tyngdekraftsbatteriet uten menneskelig innblanding.

Det har blant annet betydd at griperne som griper tak i blokkene, styres med maskinlæringsprogramvare, der datamaskinen blir bedre og bedre til å plukke opp blokkene og stable dem jo flere ganger den prøver.

I tillegg skjer også bevegelsen av klossene langs armene med datastyring, som sakte bremser bevegelsen. Hvis blokkene bråbremset, ville de begynne å svinge som pendler og true stabiliteten til kranen.

Solcelleprosjekt i ørkenen

Ifølge Energy Vault er det realistisk å fase ut et tre gigawatts kullkraftverk som kan forsyne to millioner husstander, og erstatte det med en solcellepark og et tilhørende gravitasjonssystem allerede i 2023.

I Dubais glovarme ørken vil selskapet for eksempel bygge energilageret EVx, som har 30 ganger så høy kapasitet som den seksarmede sveitsiske prototypen, og som vil kunne dekke strømforbruket til 180 000 hjem for én dag.

EVx må kunne lagre strøm fra Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park, som er den største private solcelleparken i verden.

Flere andre selskaper er imidlertid klare til å konkurrere med Energy Vault om markedet for gravitasjonsbatterier.

En av dem er Gravity Power, som i stedet for å bygge i høyden ser mot undergrunnen, der et gigantisk stempel skal senkes ned i en brønn fylt med vann.

Hvis det er mye strøm i nettet, brukes overskuddsstrømmen til å drive en pumpe som med trykket fra vannet skyver stempelet opp til toppen av brønnen. Når strømmen skal brukes igjen, synker stempelet sakte ned i brønnen og skyver vann gjennom en turbin som produserer strøm.

Et annet selskap, Gravitricity, vil løfte en vekt på opptil 12 000 tonn opp fra en dyp brønn og senke den ned igjen når strømmen trengs. Ifølge Gravitricity har metoden en effektivitet på 80–90 prosent.

Felles for tyngdekraftverkene er at de krever betydelige summer å installere og koble til strømnettet, men den lange levetiden – i noen tilfeller opptil femti år – kan få prisen ned over tid.

Dette gjør tyngdekraften til et både billig, miljøvennlig og trygt alternativ til batterier.