Når du lader telefonen din, varmer mat i mikrobølgeovnen eller vasker klær vil strømforbruket til husstanden øke. Hvis strømforbruket til mange husstander øker samtidig, må kraftstasjonene generere mer elektrisk energi for å møte det økte behovet. I land som ikke har like mye vannkraft som Norge vil denne oppjusteringen av kraftproduksjon gjøres ved å brenne fossilt brensel. For å minimere behovet for brenning av fossilt brensel i slike tilfeller er energilagring redningen!

Hvorfor er energilagring viktig?

Grunnen til at energilagring er aktuelt i dag er at vi har variasjoner i strømforbruk og fornybar energiproduksjon. Strømforbruket varierer naturligvis fra tid til tid, og strømprisen er i stadig endring avhengig av akkurat dette. I de periodene strømforbruket er på sitt høyeste er strømprisen på sitt høyeste, og på samme måte er strømprisen på sitt laveste når strømforbruket er på sitt laveste. Under periodene med høyest strømforbruk, særlig midt på dagen, må kraftverkets base-energikilde (for eksempel kull eller kjernekraft) suppleres med mer fleksible, men mindre effektive og dyrere energikilder. De mest fleksible er dessverre også de mest forurensende. For noen land er det likevel mulig å bruke fornybar energi som buffer. Norsk vannkraft brukes for eksempel som buffer for dansk vindkraft. I mange tilfeller vil imidlertid forholdene for fornybar produksjon være godt korrelert med forbruket vårt. Det er for eksempel typisk mest vind og mest sollys midt på dagen når forbruket er størst. Men når det blir kaldt på vinteren er det ofte større behov for oppvarming, og da er ikke forholdene like gode for fornybar energiproduksjon. Til slike tilfeller korrelerer ikke strømforbruket like godt med fornybar energiproduksjon, og derfor må energiproduksjonen suppleres med energikilder som er uavhengig av værforhold.

Med gode energiagringssystemer kan vi lagre elektrisk energi generert i perioder der de ytre forholdene er gode for de fornybare energikildene, for så å bruke energien i perioder der forholdene er mindre gode. Dette er særlig relevant for fornybare energikilder som sol og vind, fordi vi da slipper å belage oss på bruk av fossile brensler. Det er med andre ord ikke bare økonomiske, men også miljømessige grunner til å ta i bruk energilagringssystemer.

Teknologier for energilagring

Det finnes mange ulike typer teknologier for energilagring. I denne teksten skal vi se på to av dem, pumpekraft og flowbatterier. Du kan lese om batterier i teksten vår her, og mer om pumpekraft i denne teksten.

Pumpekraftverk

Konseptet bak et pumpekraftverk er i grunn veldig enkelt, og systemet er et godt eksempel på bevaring av mekanisk energiEt legemes mekaniske energi er summen av legemets bevegelses og potensielle energi. Em = Ek + Ep = (1/2)mv² + mgh. For å forstå hvordan systemet fungerer, ser vi på to vannreservoar der det ene ligger over det andre. På dager med overskudd av elektrisk strømElektroner i bevegelse. i forhold til forbruket, kan overskuddet brukes til å pumpe opp vann fra det laveste reservoaret til det høyeste. Da blir den kinetiske energienBevegelsesenergi: Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². i vannet omgjort til potensiell energiAlt inneholder potensiell energi. Det er kreftene i bindingene mellom atomene som skaper denne energien. Energi kan ikke forsvinne, bare endre form. Når et legeme er i bevegelse ser vi at det har energi. Da må det også ha hatt energi før det kom i bevegelse. Det er denne energien vi snakker om når vi sier potensiell energi. Ofte snakker man om et legeme sin potensielle energi i tyngdefeltet, som regnes slik: Ep = mgh, hvor m er masse, g er tyngdens akselerasjon og h er høyden fra et gitt referansepunkt.. Når det på en annen dag er underskudd av energi sammenlignet med forbruket som må møtes, kan vannet som har blitt pumpet opp, sendes ned mot en turbin som vil generere elektrisk strøm; da vil potensiell energi bli omgjort til kinetisk energi. Hele poenget bak dette systemet er å fungere som et reverserbart vannkraftverk. Pumpekraftverkene er ofte samkjørte med vindkraftverk, fordi man på dager med mye vind kan bruke overskuddsenergien til å pumpe vann opp i et høyere reservoar. Du kan lese mer om pumpekraftverk i denne teksten.

Flow-batteri

Et flow-batteri er en slags hybrid mellom et batteri og en brenselcelle. Virkemåten til et flow-batteri baserer seg på redoksreaksjoner. I en redoksreaksjon blir ett stoff oksidert, mens et annet blir redusert. Det oksiderte stoffet gir fra seg elektroner mens det reduserte stoffet tar opp elektroner. En kan enkelt forstå at dette er nyttig i sammenheng med elektrisitet fordi vi jo har elektroner som forflytter seg fra ett sted til et annet, som jo per definisjon er elektrisk strøm.

I utladingen av batteriet vil et elektron frigjøres fra en oksidasjonsreaksjon fra et høyt kjemisk potensial på den negative polen på batteriet. En kan godt sammenligne dette høye potensialet med høydeforskjellen mellom de to vannreservoarene i et pumpekraftverk. Elektronet vil så gå gjennom en krets for å gjøre nyttig arbeid – det vi vanligvis ville kalt å “bruke strøm” – og deretter ende opp i en reduksjonsreaksjon på den positive polen på batteriet. På samme måte som at vannet ikke renner fra det lavtliggende reservoaret og opp til det høytliggende reservoaret av seg selv, går ikke elektronene fra lave kjemiske potensial til høye av seg selv. Det er derfor naturlig at oksidasjonsreaksjonen starter på et høyt potensial og avslutter på et lavere, når vi har utladning av batteriet.

Dersom vi har stoffet A i anoden, og stoffet K i katoden får vi følgende reaksjonslikning for utladningen. Merk at symbolene ikke er noen spesielle grunnstoffer men at de bare står for Anode og katode. 

$$\text{Oksidasjon:  } A^{2+} \rightarrow A^{3+} + e^{-}$$

$$\text{Reduksjon:  } K^{3+} + e^{-} \rightarrow K^{2+}$$

I oppladningen av batteriet er situasjonen litt annerledes. Da vil en ytre spenning påtrykkes kretsen, med motsatt retning av utladningsstrømmen. Dette fører til at elektronene kan bevege seg fra det lave potensialet til det høye potensialet, nettopp fordi det gjøres arbeid på elektronene tilsvarende det elektronene gjorde i utladningen. Dette kan sammenlignes med at turbinen i pumpekraftverket går motsatt vei, og på den måten presser vannet opp i det høytliggende reservoaret. Da vil vi få motsatte reaksjoner av de vi hadde i utladningen.

$$\text{Oksidasjon: } K^{2+} \rightarrow K^{3+} + e^{-}$$

$$\text{Reduksjon: } A^{3+} + e^{-} \rightarrow A^{2+}$$

Spenningen over en flow-celle er spenningsforskjellen mellom det høye potensialet og det lave. Denne spenningen avhenger blant annet av hvilke kjemikalier som brukes. Strømmen som cellen gir avhenger av hvor mange reaksjoner vi har per sekund, og effekten \(P\) den leverer er produktet av strømmen \(I\) og spenningen \(U\).

$$P = U \cdot I$$

Det som er mest interessant for denne teksten er selvfølgelig hvor mye energi man kan lagre. Elektrolytten som forbinder anodevæsken med katodevæsken bestemmer batteriets lagringskapasitet og dermed kan vi øke mengden elektrolyttEn elektrolytt er et stoff med frie ioner. Kan f.eks. være vann som består av H+ og OH-. I et batteri er elektrolytten mellom anoden og katoden, og leder ioner (men ikke elektroner) mellom dem. for å enkelt øke lagringskapasiteten til batteriet. Ved å øke antall celler kan man øke effekten man får fra batteriet, og ettersom cellene er uavhengig av elektrolytten gir dette en unik mulighet til å kunne endre effekt og kapasitet uavhengig av hverandre. Det er dette som gjør flow-batteri optimale for strømlagring. Dette gir fleksibilitet for å kunne tilpasse strømleveransen til strømbehovet. En annen vesentlig grunn til at flow-batteriene er interessante er at de i likhet med andre brenselcellene fra et energiøkonomisk synspunkt gir høyere energiutbytte enn andre forbrenningsprosesser.

Situasjonen i dag

Som vi ser finnes det en rekke forskjellige typer teknologier som kan brukes til å lagre elektrisk energi, og mange av dem er installert flere steder i verden allerede. Figuren nedenfor viser hvilke teknologier som er mest brukt i dag. Det er tydelig at pumpekraft er den aller mest dominerende teknologien hvis vi ser på installert lagringskapasitet for energilagring.

Strøm fra energilagringssystemer utgjorde i 2012 omtrent 2% av generert energikapasitet i USA. Selv om denne andelen virker veldig liten, er den økende og vil bli enda større i årene som kommer. Da vil det bli mer og mer bruk av fornybare energikilder, og mange av dem er direkte avhengig av værforhold vi ikke kan kontrollere. Derfor vil behovet for energilagringssystemer bli større og større. Vannkraft kan delvis styres uavhengig av værforholdene, og derfor vil land som har mulighet til å bruke vannkraft ha mindre behov for energilagringssystemer, enn land som ikke har denne muligheten. For at det skal være mulig å styre energiproduksjonen i et vannkraftverk er det imidlertid nødvendig å demme opp elva vannet renner i. Med dette kommer unektelig konsekvenser for dyreliv og økosystemet i og rundt elva som man må ta høyde for. Den variable vannstanden kan forstyrre dyrelivet, og det umuliggjør naturlig vekst av vegetasjon langs vannkanten og til dels bunnen.

Energilagringssystemer vil føre til mer bruk av fornybar energi. Systemene er lagd for å resirkulere ubrukt fornybar energi, og for å hindre at vi produserer for mye strøm fra fossile energikilder. Energi fra kull og gass vil selvfølgelig kunne tilpasses etterspørselen i energi, men det tar altfor lang tid å endre energien vi får ut fra slike kraftverk. Denne endringsfarten kalles på engelsk “ramp rate”, og forteller hvor raskt man kan endre mengden energien som utvinnes i et slikt system. For å kunne møte de brå endringene i etterspørselen må man derfor produsere mer enn vi trenger til enhver tid, og vi får derfor unødvendige utslipp i tillegg til de andre utslippene som er forbundet med fossil energi. Dersom energilagringssystemene kan ta over for de fossile brenslene, vil vi få høyere endringsfart og mindre utslipp, fordi det tillater mer bruk av fornybare energikilder.

Fordeler og ulemper

Mange av energilagringsteknologiene er kostbare og fortsatt på forskningsstadiet. Enkle elektrokjemiske systemer finnes, men bruken av dem er ikke enda utbredt i like stor grad som pumpesystemene. Hovedutfordringen med dagens pumpesystemer er kostnadene forbundet med bruk. Ved konvertering mellom elektrisitet og pumping av vann i pumpekraftverk har man effektivitetstap, og det samme gjelder mange av de andre systemene. Dette medfører økte brukskostnader, som delvis hindrer for å kunne ta dette i bruk for fullt. Energilagring har i lang tid har vært en problemstilling som har fått lite oppmerksomhet. Mange er ikke klar over at det å implementere fornybare energikilder også medfører problemer når det kommer til å møte energibehov.

Fordelene med energilagring er at det sørger for at fornybare energikilder kan brukes i enda større grad enn før, og at de kan ta over for fossile energikilder. Det er trygt og har i utgangspunktet ingen direkte utslipp forbundet med seg, i tillegg til at det er økonomisk for forbrukere og energiprodusenter. Energiprodusentene slipper å produsere mer enn nødvendig og forbrukerne slipper å kompensere for dette med høye strømpriser. Det skal sies at fornybare energikilder i utgangspunktet er godt egnet til å møte strømforbruket vårt fra før av. Vi bruker typisk mest strøm på dagtid, og da er det også vanligvis mest vind og mest sol. Utfordringene framover vil derfor være å fase ut bruken av fossile brensler som buffer når behovet går utover det vi kan produsere med fornybare energikilder. For å greie det må energilagringssystemene bli mer effektive slik at fornybare energikilder etter hvert kan spille en større rolle i kraftproduksjonen vår.