Energilagring

De fornybare energikildene fra sol, vind, bølger etc. er mer problematisk å utnytte enn fossile ressurser, blant annet fordi strømforbruket sjelden er i balanse med produksjonen av fornybar elektrisitet. Selv om strømforbruket øker er det ikke sikkert vinden tiltar slik at vindkraftverket produserer den nødvendige elektrisiteten. De tre mest aktuelle formene for energilagring er hydrogen, pumpekraftverk og batterier.

Hydrogen
Hydrogen kan produseres fra fornybare energikilder, og representerer et nullutslippsalternativ. Teknologi for produksjon av hydrogen finnes på markedet, da hydrogen benyttes i flere industrielle prosesser. Høye virkningsgrader kan oppnås med brenselcelledrevne kjøretøyer, men teknologien er umoden og langt fra kommersielt tilgjengelig. Utnyttelse av hydrogen som drivstoff kan også skje i en modifisert forbrenningsmotor, men effektiviteten er da på nivå med konvensjonelle bensin- og dieselbiler. I Norge er det nå etablert to fyllestasjoner for hydrogen (Stavanger og Grenland), innenfor demonstrasjonsprosjektet HyNor.

Norge har med sin industritradisjon gode forutsetninger for å yte innsats innen hydrogen-forskningen. Selv om en på lang sikt ser for seg hydrogen produsert fra forbybare energikilder, vil en i en overgangsperiode måtte basere seg på hydrogen fra en annen viktig kilde, nemlig fossilt brensel og da i første rekke naturgass. Dette er også et forsknings- og forretningsområde av stor betydning i Norge. Det foregår derfor også betydelig forskning innen produksjon av hydrogen fra naturgass (link til GTS hjemmeside).

Det har de siste to år vært et økende fokus på Hydrogen som energibærer i Norge. Dette har resultert i NOU 2004:11 Hydrogen som fremtidens energibærer, der Nasjonalt Hydrogenutvalg (nedsatt av Olje- og energi og Samferdselsdepartementet) gir sin anbefaling for et nasjonalt hydrogenprogram.

Batterier
Batterier lagrer strømmen elektrokjemisk gjennom redoks-reaksjoner i ulike materialer. Overføring av elektroner mellom materialer med ulikt spenningspotensial gjør at det er mulig å lagre og bruke elektronene til elektrisitetslagring og -produksjon.

Batterier er mest brukt til mobiltelefoner, lommelykter, musikkavspillere og i det siste, elektriske biler. Litium-ion, nikkel- metallhydrid og blybatterier er de mest utbredte batteriene som blir benyttet i dag. Litium-ion batterier er typen som har størst lagringskapasitet i forhold til vekt og størrelse, men er også den dyreste. Batterilagring har en høy virkningsgrad på mellom 80-95 prosent, men i de aller fleste tilfellene for kostbare til at de kan brukes til storskala lagring av elektrisitet.

Mye forskningsaktivitet er nå retta mot å utvikle billigere og lettere batterier, etter at alle de store bilfabrikantene nå satser stort på del- eller helelektriske biler.

Pumpekraftverk
Norge er her i en særegen stilling fordi vi har mye vannkraft med magasiner slik at det er lett å produsere strøm når forbuket overstiger vindkraftproduksjonen. I andre land er det mulig å lagre energien i såkalte pumpekraftverk ved å pumpe vann opp i magasinet når den fornybare elektrisitetsproduksjonen overstiger forbruket, og motsatt. Slik lagring av energi er en av de mest effektive formene for energilagring, men krever kupert landskap og tilgang på elver.

I Norge fi nnes bare noen få pumpekraftverk i drift. Det største er Saurdal i Rogaland. Eff ekten er 640 MW og det er 500 høydemeter mellom magasinene. Det øverste magasinet, Blåsjø, er Norges største magasin målt i energi. Som for de fleste andre pumpekraftverkene i Norge er formålet med Saurdal sesonglagring av energi fra sommer til vinter, i tillegg til utnyttelse av nedbør. Andre steder i verden benyttes pumpekraftverkene i hovedsak til døgnregulering, det vil si at vannet pumpes opp om natten mens det om dagen produserer strøm.

Trykkluft
Komprimert luft som energilager er en lagringsteknologi som på samme måte som pumpekraftverk baserer seg på turbiner, men her er det snakk om gassturbiner.

Energilagring skjer ved at luft komprimeres i lageret ved at en elektrisk motor driver kompressoren. Når energien skal frigis, kjøres luften gjennom turbinen som driver en generator. Denne typen energilager gjøre det mulig å gjenvinne 70–80 prosent av den lagrede energien.

Komprimert luft som energilager er en forholdsvis kostbar teknologi. For at det skal være lønnsomt å bygge, bør tiden mellom lagring og produksjon være kort. De få anleggene som finnes kjøres ofte for døgnregulering. Det eldste anlegget sto ferdig i 1978 i Huntorf i Tyskland. Trykkluftreservoaret er en underjordisk hule som ligger 650–800 meter under jorda. Den øvre trykkgrensen er på 70 bar og ved full effekt leverer turbinen 290 MW i maksimalt tre timer.

Superkondensatorer
I kondensatorer lagres energi i form av et elektrisk felt, i motsetning til batterier der lagringen skjer via elektrokjemiske reaksjoner. Fordi det ikke inngår faseoverganger eller kjemiske reaksjoner i denne prosessen, har kondensatorer svært høy virkningsgrad. De tåler dessuten flere ladesykluser enn batterier (opp til en million sykluser, mot noen tusen sykluser for batterier). Kondensatorene kjennetegnes ved relativt lav lagringskapasitet (målt i kWh) og at de både lades og utlades svært raskt.

På grunn av høye kostnader er superkondensatorer lite brukt til energilagring. Det er først og fremst i nødstrømsforsyning og i elektriske biler at superkondensatorene har blitt brukt. Men det forskes nå mye på både produktforbedring og kostnadsreduksjon, slik at superkondensatorene etter hvert kan bli tilgjengelige for flere anvendelser.

Svinghjul
Et svinghjul lagrer energi i form av en roterende skive. Skivens hastighet, masse og radius bestemmer hvor mye energi som kan lagres. Den roterende skiven er tilkoblet en elektrisk motor som også fungerer som generator. Energi tilføres ved å øke rotasjonshastigheten med motoren, mens energien hentes ut ved at motoren anvendes som generator.

Tilførsel og uthenting av energi skjer svært raskt. Derfor har svinghjul ofte samme bruksområde som superkondensatorene. Enkelte busser er også installert med svinghjul, hvor bremseenergi brukes til å sette svinghjulet i gang, mens svinghjulets rotasjon benyttes når bussen aksellererer.

Superledere
Superledere kan benyttes til å skape et sterkt magnetfelt som man senere kan omdanne til elektrisitet. Dette er en lagringsmetode som er på forskningsstadiet, på samme måte som superledere i seg selv. De fleste kjente superledere krever svært lave temperaturer. De trenger kjøleaggregater som krever energi og senker virkningsgraden. Magnetfelt fra superledere kan lades og utlades raskt og med høy effekt.

Lagring av termisk energi
Termisk energi, eller varme, kan lagres i nært sagt alle typer materialer. For kommersielle anvendelser ser man gjerne etter materialer med høy varmekapasitet i forhold til vekt, volum og kostnader. Tykkelsen på isolasjonen rundt lagringsmediet avgjør hvor lenge energien kan lagres.

Vann er et godt egnet lagringsmedium for termisk energi. Det brukes ofte der varmen skal benyttes til oppvarming av bygninger. I vannbårne systemer med sentralvarme benyttes ofte en vanntank som akkumulator for lettere å kunne levere varme i henhold til etterspørselen. I systemer med solfangere (se kap. 3) er vanntanken et sentralt element for at man skal kunne lagre varme mellom natt og dag. Det finnes solfangersystemer hvor man benytter seg av svært store varmelagre for å spare solenergi til kaldere perioder på året. Slike lager er kostbare og så langt lite brukt.

Forskning ved NTNU, SINTEF og IFE
Forskning på lagring av energi ved NTNU, SINTEF og IFE er konsentrert rundt hydrogen- og batteriteknologi.

Det foregår forskning innen både produksjon av hydrogen, lagring og hydrogenomsetning i brenselceller og forbrenningsmotorer ved NTNU, SINTEF og IFE. Forskningen knyttet til hydrogenproduksjon fra naturgass faller naturlig under Gassteknisk senter. Det arbeides med hydrogenrelaterte problemstillinger i 4 av SINTEFs 6 konsernområder samt ved flere av NTNUs fakulteter. Hovedtyngden av hydrogenforskningen ligger ved SINTEF Materialer og kjemi og NTNUs Institutt for materialteknologi. Her arbeides det med både brenselceller og vannelektrolyse, i nær kontakt med norsk industri, andre forskningsinstitusjoner og offentlige organer. Forskningen er også nær knyttet til undervisningen ved NTNU, og mange studenter tar årlig prosjekter, hoved- eller doktorgrads-oppgaver tilknyttet hydrogenteknologi ved instituttet. NTNU tilbyr også hydrogenteknologikurs. Det er også i stigende grad etterspørsel etter kompetanse innen hydrogenteknologi i Norge.

Mer informasjon
SINTEFs forskning knyttet til hydrogen som energibærer
Hydrogen som energibærer (Idéfondet, NTNU)
IFEs hjemmeside om Hydrogenlagring
Norsk Hydrogenforum
Hynor – Hydrogenveien i Norge

Kontakt
Forsker Preben Vie, IFE, +47 63 80 63 60
Forskningsleder Ann Mari Svensson, SINTEF Materialer og Kjemi, +47 98 23 04 50
Professor Svein Sunde, NTNU, +47 73 59 40 51