Framtidens batteri drivs av gravitationen

Den håller ihop allting i universum och ser till att våra fötter står stadigt på jorden.

Och nu ska gravitationen även lagra energi.

Så tänker i alla fall företaget Energy Vault, som har en tydlig plan: Man vill använda gravitationen för att lagra exempelvis överskottsel från vindkraftverk som elkunderna inte hinner förbruka.

Därför har Energy Vault konstruerat en sexarmad kran som just nu tornar upp sig 70 meter ovanför den schweiziska staden Bellinzona.

I kranen hänger 35 ton tunga betongblock, och även om det inte är helt uppenbart fungerar blocken som gigantiska batterier.

Kranen sparar nämligen överskottsenergi i form av svävande betongklossar, som kan komma till nytta dagar då förbrukarnas behov av el i vägguttaget ökar.

Detta är inte det enda sätt på vilket gravitationen ska bidra till klimatomställningen. Även djupa brunnar och hela sjöar ska lagra överskottsenergi.

Sparar el till en regnig dag

Principen att använda gravitationen som batteri har en direkt koppling till klimatagendan. Framtidens el behöver ju komma från förnybara energikällor som sol- och vindkraft i stället för exempelvis kolkraftverk.

Det finns dock ett problem med de förnybara energikällorna.

När det är vindstilla och molnigt har de svårt att täcka förbrukarnas elbehov – och omvänt finns det dagar då det blåser så mycket att det produceras mycket mer el än förbrukarna hinner använda.

Greenpeace uppskattar exempelvis att Kina år 2016 förspillde uppemot 17 procent av sin klimatvänliga el, vilket motsvarar cirka 20 miljoner hushålls energiförbrukning.

Till och med i länder som Danmark, där uppemot hälften av elen kan komma från vindkraftverk, finns tidpunkter då elen behöver komma från kolkraft.

Det är här lösningar som den sexarmade kranen i Schweiz kommer in i bilden. Sådana anläggningar kan nämligen spara överskottsel från goda dagar, så att den kan användas på mindre bra dagar. På så vis undviker vi att klimatvänlig el går till spillo.

Staplade block lagrar energi

Kranen, som har fått namnet Commercial Demonstration Unit (CDU), har uppdaterats under år 2021, så att den nu kan tas i kommersiell drift runtom i världen.

”Vårt system kan installeras överallt där det går att koppla det till elnätet. Systemet laddas genom att blocken lyfts upp med hjälp av överskottsel från vindkraftverk eller solceller när den inte behövs. Sedan firas blocken ner igen när elen behövs”, berättar Robert Piconi, Energy Vaults vd, för Illustrerad Vetenskap.

Tekniken bygger på en enkel princip om att det behövs energi för att lyfta ett föremål från marken. Energin kan komma från exempelvis överskottsel från vindkraftverk, som driver motorerna på kranens armar. Via kraftiga stålvajrar lyfter motorerna upp betongblock till hög höjd, där de staplas.

När förbrukarnas elbehov ökar igen firar kranen sakta tillbaka blocken mot marken, en rörelse som driver en generator som producerar el. Den här principen utnyttjas även i exempelvis golvur, där uret hålls i gång av ett lod som sakta drar ner en kabel.

På så vis återförs den energi som kranen ursprungligen använde för att lyfta blocken – ja, åtminstone det mesta av energin. Systemet utnyttjar inte 100 procent av energin.

Batterier kan fatta eld

Den storskaliga metoden att lyfta upp och fira ner lod ger enligt Energy Vaults egna beräkningar en verkningsgrad av över 75 procent, vilket innebär att det mesta av den el som ursprungligen lagrades utvinns och kan användas.

Cirka 25 procent av energin går förlorad till följd av friktion och värme i motorer och rörliga delar.

I jämförelse kan litiumjonbatterier ha en verkningsgrad av cirka 90 procent, men å andra sidan försämras batterierna för varje gång de laddas och laddas ur. I det långa loppet är därför gravitationsanläggningar nästan lika effektiva.

Samtidigt finns det en risk att litiumjonbatterier fattar eld, vilket gör gravitationsanläggningar betydligt säkrare.

Kranen i schweiziska Alperna är inte ensam om att utnyttja gravitationen för att lagra el.

Den vanligaste typen av gravitationsanläggning är ett slags vattenbatteri som kallas pumpkraftverk. I ett sådant driver överskottsel en pump som flyttar vatten från en lågt belägen reservoar till en högre belägen reservoar.

När elen behöver användas igen rinner vattnet tillbaka och driver då en turbin som genererar el.

Denna metod har emellertid två svagheter.

För det första kräver de två reservoarerna mycket utrymme och för det andra behövs en höjdskillnad i terrängen för att systemet ska fungera.

Energy Vaults lösning behöver ingen höjdskillnad alls i terrängen och kan därmed installeras i länder utan berg och kullar.

Blocken tillverkas av lokal jord

Den sexarmade kranen sparar inte bara klimatvänlig el, utan kan även produceras på ett klimatvänligt vis. De 35 ton tunga blocken består exempelvis av cement blandad med material som normalt hade hamnat på soptippen.

Det kan röra sig om kolaska, överblivet material från byggarbetsplatser eller kompositmaterialet från uttjänta vindkraftverksvingar.

Vid kranens fot har Energy Vault konstruerat en maskin som kan pressa samman blocken med olika typer av material i blandningen. Huvudingrediensen är lokalt utvunnen jord, vilket sparar koldioxidutsläpp för att man undviker transporter.

Sedan kranen stod klar har en av de stora utmaningarna varit att automatisera tillverkningen och utplaceringen av blocken.

För att göra systemet så billigt i drift som möjligt är det nämligen viktigt att anläggningen själv kan ladda och ladda ur gravitationsbatteriet utan behov av personal.

Det har bland annat inneburit att griparna som fattar tag i blocken kontrolleras med maskininlärning, så att datorn blir bättre på att lyfta blocken och stapla dem ju fler gånger den gör det.

Även flyttningen av blocken längs armarna styrs av datorer, som sakta bromsar in dem. Om blocken hade bromsats tvärt skulle de börja pendla och därmed riskera kranens stabilitet.

Solcellsprojekt i öknen

Enligt Energy Vault är det redan år 2023 realistiskt att fasa ut ett kolkraftverk på tre gigawatt, som kan förse två miljoner hushåll med el, och ersätta det med en solcellspark och ett tillhörande gravitationssystem.

I Dubais glödheta öken ska företaget exempelvis bygga energilagret EVx, som har 30 gånger högre kapacitet än den sexarmade schweiziska prototypen och som kommer att kunna täcka 180 000 hushålls elförbrukning under en dag.

EVx ska lagra el från Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park, världens största privata solcellspark.

Flera andra företag står dock beredda att konkurrera med Energy Vault om marknaden för gravitationsbatterier.

Ett av dem är Gravity Power, som i stället för att bygga på höjden blickar ner i marken, där en jättelik kolv ska sänkas ner i en vattenfylld brunn.

Om elnätet har ett överskott av elektricitet kommer den att användas för att driva en pump, som med hjälp av trycket från vattnet pressar upp kolven högst upp i brunnen. När det sedan behövs el igen sjunker kolven sakta ner i brunnen och pressar vatten genom en turbin, som producerar el.

Ett annat företag, Gravitricity, ska lyfta en vikt på upp till 12 000 ton ur en djup brunn och sänka ner den igen när det behövs el. Metoden har enligt Gravitricity en verkningsgrad av 80–90 procent.

Gemensamt för gravitationsanläggningarna är att de kommer att kosta många miljoner att installera och ansluta till elnätet, men den långa livslängden – i vissa fall ända upp till 50 år – kan få ner priset.

På så vis blir gravitationen ett både billigt, miljövänligt och säkert alternativ till batterier.