När du kommer hem från jobbet och tänder lamporna, slår på tv:n och elementet är solen på väg ned och solcellerna har slutat producera el. Om det samtidigt är vindstilla och vindkraftverken har stannat är det bara smutsiga kraftverk som kan leverera el till vägguttagen.
Nackdelen med grön, hållbar energi är nämligen att produktionen är instabil. När solen har gått ned och vinden har lagt sig måste vi ofta ta till smutsiga energikällor som kol och olja för att täcka våra behov. Vid andra tidpunkter producerar sol och vind mer el än konsumenterna har behov av, och därför behöver vi kunna lagra överskottet.
Hittills har forskare inte lyckats skapa ett energilager som kan byggas var som helst till ett överkomligt pris, förvara stora mängder energi och som inte medför någon form av förorening. Men utanför Manchester, England, byggdes i fjol en anläggning vars resurs är luften runt oss, och som kan konkurrera med exempelvis litiumjonbatterier. Ingenjörsföretaget Highview Power presenterade nämligen världens första kalluftsenergilager – och med det en potentiell lösning på den gröna omställningens största utmaning: Vad gör vi med den energi vi inte använder här och nu?
Grön omställning utmanar
Vår energiförbrukning fluktuerar inte i takt med produktionen. Solceller producerar exempelvis mest el under dagtid, medan förbrukningen kulminerar under kvällstid, när hushållen sätter in maten i ugnen och slår på tv:n. Förbrukningen mitt på dagen ligger exempelvis i genomsnitt lite över 50 GW, men når ända upp till nästan 60 GW under kvällen. Om produktionen från vindenergi är låg och solen är på väg att gå ned blir det nödvändigt att använda kolkraft, som kan justeras upp och ned efter behov.
Lösningen är att bygga in energilager i elsystemet, som både kan lagra energi från dag- till kvällstid, när de flesta sätter på spisen och tänder lampor, samt spara energin över längre perioder, så att vi exempelvis kan lagra solcellernas överskottsenergi från den ljusa sommaren till den kalla och mörka vintern.
Överskottsel kyler ned luft
Hittills har forskare inte lyckats ta fram några energilager utan begränsningar.
Pumplager använder överskottsenergi till att pumpa vatten uppåt, och när det uppstår behov av el skickas vattnet ned igen genom en turbin. Tekniken är dock väldigt beroende av ett bergigt landskap. En annan teknik är flödesbatterier, som skapar elektricitet genom att konvertera kemisk energi från elektriskt laddade kemikalier till el.
På senare år har ingenjörer utvecklat gigantiska litiumjonbatterier som kan lagra stora mängder el. De är dock beroende av förorenande gruvdrift och innehåller miljöskadliga ämnen som försvårar återanvändning av uttjänta batterier. Batteriernas livslängd är bara tio år.
Komprimering och nedfrysning av luft till en vätska med hjälp av miljövänlig överskottsel reducerar luftens volym 700 gånger. Det ger stora fördelar, eftersom en stor mängd energi lagras i en liten volym. Pumplager använder överskottsel till att pumpa vatten från en låg reservoar till en hög reservoar och skickar sedan vattnet genom elproducerande turbiner när det behövs el. Nackdelen är att vattnet tar 300 gånger mer plats än den flytande luften. Flowbatterier mister snabbt sin effektivitet och litiumbatterier, som presterar betydligt bättre än kalluftsenergilager, har en väsentligt kortare hållbarhet och är beroende av förorenande gruvindustri.
Värmelagring med exempelvis olja
Flowbatterier
Kalluftslagring
Litiumjonbatterier
Kalluftlagren kan däremot byggas var som helst och behöver faktiskt inte mycket mer än den luft som omger oss. Dessutom har de en uppskattad livslängd på 30–40 år, och är byggda av stål som enkelt kan återanvändas.
Batteriet använder luften runt oss
Syre antar flytande form när det fryses ned till -196 grader. Just denna effekt har ingenjörerna vid Highview Power använt till att skapa kalluftlagret. Luften kyls ned med energi från vindkraftverk eller solceller och lagras i isolerade ståltankar som fungerar som stora termosar.
När behovet av el uppstår igen släpps den iskalla flytande luften ut ur tankarna, försätts under tryck och värms därefter upp med hjälp av grön energi. Vätskan omvandlas till en luftström som expanderar 700 gånger och driver en elproducerande turbin.
För att uppnå tillräckligt hög energieffektivitet återanvänds värme och kyla i systemet. När luften kyls ned till en minus 196 grader kall vätska friges värme på samma sätt som det alstras värme på baksidan av en frysbox som är i gång.
På Highview Powers demonstrationsanläggning lagras överskottsvärmen och används till att värma upp den iskalla flytande luften när det ska produceras el igen. När den ultrakalla vätskan under elproduktionen expanderar till luft friges den kyla som återanvänds under nästa nedkylningscykel.
Nedfrysning av livsmedel
Det är inte bara i elnätet som energin från ett kalluftlager kan användas. Anläggningen kan nämligen även kopplas till några av de mycket energikrävande fryshusen som är i konstant behov av nedkylning.
Det krävs mycket energi för att frysa ned matvaror, och 70 procent av livsmedlen i EU kyls eller fryses ned. Särskilt stora fryshus med en energiförbrukning på mellan 500 kilowatt och tio megawatt kan med fördel kombineras med kalluftsenergilager.
Det europeiska forskningssamarbetet CryoHub ska i år bygga ett energilager med flytande luft vid ett fryshus i den belgiska staden Lommel. Det kommer inledningsvis att röra sig om en liten anläggning med en lagerkapacitet på 100 kilowatt. Men möjligheterna är stora.
Kombinationen av kalluftsenergilager och fryshus kan nämligen nå upp till en total energieffektivitet på 70–80 procent, jämfört med Highview Powers omkring 60–70 procent, eftersom den överskjutande kylan från energilagringen används effektivt i fryshuset.
CryoHub har kartlagt spridningen av stora fryshus i EU, och den visar att majoriteten av dem finns i tätbefolkade områden längd Europas nordvästra kuster – precis i de områden, där framtidens stora havsvindkraftverk under perioder med kraftig blåst skickar i land stora mängder överskottsenergi.
Tekniken fungerar
Highview Power har med kalluftsenergilagret bevisat att tekniken fungerar. Under kommande år kommer företaget att växla upp, och redan 2022 planerar de att öppna en ny anläggning som kan förse 50 000 hushåll med el i tre timmar – jämfört med 5 000 i den nuvarande anläggningen utanför Manchester.
Därmed har ännu en hoppingivande teknik för lagring av el presenterats som lösningen på en av den gröna omställningens överlägset största utmaningar.
När du i framtiden kommer hem från jobbet en mörk och vindstilla dag fungerar lamporna och tv:n som de brukar, men elen kommer från nedkyld luft.
Energilagret förklaras av forskarna själva
Se hur kalluftsenergilagret är uppbyggt, förklarat av gruppen bakom tekniken.