Efter TESLA: Danske forskere giver deres bud på fremtidens energilagring
Fremtiden kræver energi - masser af energi. Og med det kommer problemer, heriblandt selve lagringen af energi. For nylig var TESLA ude med deres løsning på problemet i form af et 'husholdningsbatteri' - her bliver de udfordret af to danske forskere.
For at imødegå fremtidens problemer med at få lagret de enorme mængder energi, vi får brug for på kloden, så arbejder forskere verden over for at udvikle nye metoder, hvorpå vi kan udnytte energi bedre end vi gør i dag - for eksempel ved at lagre spildt energi fra vedvarende energikilder som vindmøller. (Foto: Shutterstock)

Da Teslas administrerende direktør, Elon Musk, gik på scenen i Teslas Design Studio for nylig og præsenterede husholdningsbatteriet 'Powerwall', var det under stor international bevågenhed. Det blev præsenteret som et batteri, der fundamentalt ville ændre måden, vi bruger energi.

På trods af den store ståhej, er det dog ikke alle, der ser batteriet som det endelige svar på fremtidens problemer med at lagre energi.

Rundt omkring i verden arbejder ingeniører, fysikere, kemikere og andre med deres bud på, hvordan fremtiden i energilagring kan se ud. Danske forskere giver her eksempler på, hvad de arbejder med, og hvor man ser størst potentiale i batterier og andre alternativer.

Danmarks Tekniske Universitet (DTU) er en del af et internationalt europæisk projekt, der er i fuld gang med at intensivere jagten på fremtidens batteri. Projektet med det lange navn 'Zinc Air Secondary innovative nanotech based batteries for efficient energy storage', forkortet ZAS (Se faktaboks), har som mål at udvikle de såkaldte metal-luft-batterier.

Metal-luft batterier er specielt egnede til hurtig lagring og frigivelse af store mængder energi fra vedvarende energikilder som solceller og vindmøller. Metallet, der fokuseres på i projektet, er zink.

»Man har stort set forstået princippet med at gøre zink-luft-batterier genopladelige, men udfordringen er at få dem til at holde længere. Det bliver der arbejdet rigtig intenst på i øjeblikket. Genopladelige metal-luft-batterier er noget det, der virkelig kan øge mængden af energi, man kan lagre i et batteri, og zink er i øjeblikket det ultimative,« fortæller professor Tejs Vegge ved DTU Energi på Danmarks Tekniske Universitet, der er en del af projektet.

Forskellen mellem TESLAS batteri, som er et metal-ion batteriet og metal-luft batteriet, er blandt andet energitætheden.

  • Metal-ion batteriet bruger tunge overgangsmetal oxider for at lagre energien, hvilket blandt andet gør dem meget tunge og betyder mindre energi pr. vægt.
     
  • Metal-luft batteriet reagerer mere simpelt med luften, hvilket blandt andet gør dem lettere og giver dem en høj energitæthed.

På trods af en positiv tro på projektet mener forskeren dog stadig, at der findes store udfordringer med at få effektiv og billig energilagring op i meget stor skala - for eksempel når der her i Danmark skal lagres enorme mængder af energi fra store vindmølleparker.

Alle idéer skal på bordet

Fakta

ZAS (Zinc Air Secondary innovative nanotech based batteries for efficient energy storage) er et projekt, der består af alt lige fra universiteter, enkelte institutter, private stiftelser og store internationale firmaer - fra det kolde Norge til det varme Spanien.

Alle parter byder ind med hver deres ekspertise, og fra DTU bidrager de for eksempel med skalamodeller lavet på deres supercomputer 'Niflheim'.

Kilde: DTU Energi

Danmark har som mål, at vi som nation skal være 100 procent uafhængig af fossile brændstoffer i 2050. Der er ifølge Tejs Vegge behov for at rykke på både batterifronten og alternative metoder til at lagre energi for at nå målet - »alle idéer skal på bordet,« lyder det fra den danske forsker.

»Vi har stadig mange udfordringer med at få lagret overskudsenergi på en stor skala fra vores vedvarende energikilder. Der er mange forskellige aspekter, der skal overvejes, og derfor må hele paletten af muligheder tages i brug,« siger Tejs Vegge.

Én af metoderne, såsom TESLAS førnævnte batteri, der er et lithium-ion batteri, er et godt bud, men bare ikke godt nok. I hvert fald ikke i den skala, der er behov for, lyder det fra Tejs Vegge.

»Forskere har i mange år forsøgt at udvikle et husholdningsbatteri, som TESLA har præsenteret for nylig. Det er et godt batteri, men prisen er for høj, og det vil ikke løse problemerne med lagring af overskudsenergi i stor skala,« siger Tejs Vegge.

Han nævner, at metal-ion batterier vil kunne være helt fint som et husholdningsbatteri og til for eksempel at lagre overskudsenergi fra lokale solceller eller en lille vindmølle. Han påpeger dog, at problemet opstår, når det begynder at dreje sig om energi på samfundsniveau over længere tid. Der er prisen simpelthen stadig for høj, udtaler Tejs Vegge.

Eller som han siger: »Det er ikke den endelige løsning.«

Batteriet skal være genopladeligt

Én af løsningerne kan, som tidligere nævnt, måske findes i det arbejde med metal-luft-batterier, som DTU Energi udfører i samarbejde med andre europæiske og amerikanske partnere.

Problemet er dog at gøre det til et effektivt genopladeligt batteri.

Figuren her viser princippet i et metal-luft batteri - i dette et tilfælde et litium-luft-batteri. Når batteriet aflades, transporteres litium-ioner fra den negative elektrode bestående af litium metal gennem elektrolytten over til den positive elektrode, hvor ionerne reagerer med ilt fra luften og elektroner fra det ydre kredsløb. Ved at vende strømmen og tvinge elektronerne den anden vej, kan man oplade batteriet igen. (Foto: Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1914)

»Vi arbejder på at få en bedre forståelse af, hvilke materialer, der vil være bedst i metal-luft batterierne. Man kan for eksempel ikke bare bruge ren zink i et genopladeligt system, og det er her, hvor vi bidrager med computersimuleringer for at finde ud af, hvordan de forskellige materialer reagerer, og hvordan vi effektivt kan designe endnu bedre materialer,« siger Tejs Vegge.

Simuleringerne skal derfor bidrage med en viden til ZAS-projektet, som vil være vigtig for udviklingen af batteriets evne til at lagre store mængder energi, muligheden for at genoplade, dets stabilitet og levetid i fremtiden.

Fremtidens energilagring kan findes i spaltet vand

Tejs Vegge mener, at genopladelige zink-luft-batterier vil være et godt bud på en fremtidssikret løsning, da zink er både en rigelig og miljøvenlig ressource, og at batteriet er relativt sikkert. Forskerne har dog også andre løsninger på tegnebordet.

Professor Peter Vang Hendriksen fra DTU forsker i lagring af energi - blandt andet i en metode, der kaldes 'højtemperatur elektrolyse'. Han mener, at højtemperatur elektrolyse er et godt bud på hvordan vi i fremtiden får lagret store mængder elektrisk energi.

»Højtemperatur elektrolyse er en metode, hvor man i bund og grund spalter vandmolekyler i brint og ilt - den elektriske energi, der tilføres omdannes til kemisk bundet energi i brintmolekylerne. Man lagrer så brinten og kan omdanne den til elektricitet, når der er brug for det,« siger Peter Vang Hendriksen.

Derudover kan den lagrede brint reagere med CO2 for at lave syntese-gas, der for eksempel kan omdannes videre til metan. Ifølge Peter Vang Hendriksen, kan man nemt gemme metanen i vores energinet, da naturgasnettet allerede er på plads og har lagerkapaciteten.

Problemet med Peter Vang Hendriksens løsning er dog bare, at vi i Danmark endnu ikke har nogle elektrolyseanlæg, som kan klare så store mængder af spaltning, lyder det fra forskeren selv.

Teknologien er ikke klar til brug

En anden metode til at høste og lagre energi, som forskerne i øjeblikket arbejder på, både på DTU og ude i verden, er ved hjælp af flowbatterier. Batterierne kan for eksempel være baseret på reaktioner i organisk materiale, og de er ifølge Tejs Vegge et andet godt bud på at lagre energi i store mængder.

Fakta

Organisk flowbatteri:
Fordele: Kan lagre store energimængder og er flexibel, hvilket vil sige, at det kan give både små energimængder over længere tid, men også store og pludselige energimængder.
Ulemper: Da konceptet er nyt, kan der gå en del år, før teknologien er helt klar. Teknologien kræver også meget fokus på sikkerhed.

Metal-luft batteri:
Fordele: Det har en høj energitæthed, har en konkurrencedygtig pris og arbejder med mere miljøvenlige materialer.
Ulemper: Der mangler stadig en del forskning for at finde frem til de rette materialer og strukturer i denne form for batteri, før at teknologien kan gå fra laboratoriet og ud i virkeligheden.

Metal-ion batteri:
Fordele: Det fungerer godt som mobil enhed, de er gennemtestet og er udviklet til at genoplade effektivt.
Ulemper: Lav energitæthed, hvilket vil sige, at de ikke kan indeholde særlig meget energi i forhold til deres vægt og volumen.

Høj temperatur elektrolyse:
Fordele: En metode, der lynhurtigt kan omstille fra op- til afladning. Kan, ligesom et organisk flowbatteri, lagre store energimængder. Metoden spalter vand til brint, som i en anden kemisk reaktion kan blive til metan. Metan kan så nemt bruges i vores nuværende energinet.
Ulemper: Danmark har endnu ingen brugbare elektrolyseanlæg i Danmark i den størrelsesorden, som det kræves, før at metoden kan udnyttes effektivt i samfundet.

»Vi kigger for eksempel også på organiske materialer, når vi snakker om flowbatterier. Det kan fungere ved, at man lagrer elektrisk energi i store tanke med organiske væsker. Igennem elektrokemiske reaktioner omdanner man så den elektriske energi til kemisk energi, som så senere kan konverteres tilbage til elektrisk energi, når der er behov for det,« siger Tejs Vegge.

Den helt konkrete reaktion sker ved at:

  • Batteriet har elektrolytter i henholdsvis en positiv og en negativ celle.
     
  • De kemiske stoffer pumpes til og fra gennem en membran i batteriet.
     
  • Selve væskerne holdes dog adskilt, men der overføres positivt ladede protoner igennem membranen.
     
  • De negativt ladede elektroner løber så rundt i batteriets ydre kredsløb - og det er dem, som forskerne udnytter, når batteriet enten skal op- eller aflades.

Tejs Vegge tilføjer, at forskerne godt forstår, hvordan man høster energien, når man omdanner den elektriske energi til kemisk energi i organiske materialer og tilbage igen. Dog påpeger han, at teknologien næppe vil være klar til brug i helt stor skala i den nærmeste fremtid.

»De metalfri og organiske flowbatterier ser lovende ud til lagring af energi på større skala over længere tid, men vi er der ikke endnu. Der kan meget vel gå en 5 til 10 år endnu, da konceptet stadig er ret nyt,« siger Tejs Vegge.

Forskellige steder kræver forskellige løsninger

Den store opmærksomhed, der var omkring lanceringen af TESLAS batteri skyldtes, ifølge Peter Vang Hendriksen, blandt andet energisituationen i USA.

»Der er meget stor forskel på infrastruktur og energinet i forskellige lande. I mange lande er el-nettet ustabilt, og der vil TESLA-løsningen være interessant. I Danmark er vores el-net stærkt, plus at vi har en tradition for mere kollektive løsninger. Derfor fokuserer vi også på andre løsninger,« siger Peter Vang Hendriksen.

Han tilføjer, at der altid vil være forskellige løsninger, hvor der er forskellige muligheder for systemet. De vindende løsninger afhænger af lokale ressourcer og infrastruktur, lyder det fra forskeren. Han fortsætter:

»Én teknologisk løsning på udfordringen med at lagre energi i fremtiden kan give mening ét sted, men mindre mening et andet sted.«

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.