Fordeler og ulemper med batterier for energilagring

Forskjellig teknologi  

Et problem med fornybar energi, som med vind- eller solkraft, er at disse produksjonsformene ofte har overproduksjon når solen skinner eller vinden blåser, noe som i verste fall kan føre til strømbrist når solen går ned eller vinden avtar. En løsning på dette problemet er å lagre energien når det er overproduksjon, for senere bruk når det er knapphet og høyere strømpriser.

Forskjellige teknologier brukes til å lagre fornybar energi, og en av dem er pumpekraft. Denne formen for energilagring står for mer enn 90% av verdens nåværende høye kapasitet for energilagring. Elektrisitet brukes til å pumpe vann opp i magasiner på større høyde i perioder med lavt energibehov. Når etterspørselen øker, kan turbinene i vassdraget igjen øke produksjonen og nyttiggjøre seg vannet som ble pumpet opp. Dette er et utprøvd og testet system, med sine ulemper. Utbyggingsprosjektene er store og dyre, og de geografiske forholdene kan gjøre en utbygging vanskelig. Pumpekraftverkene må plasseres i fjellområder med mye vann, noe vi selvfølgelig har mye av i Norge. I denne #SINTEFbloggen er det mye god informasjon om norsk pumpekraft. Hvis verden skal nå målene om netto nullutslipp, trenger vi også andre energilagringssystemer som kan plasseres nesten hvor som helst, og i stor skala.

I husholdningene har vi varmtvannsberedere, golvvarme og elbilbatterier som eksempler på andre lagringsformer vi lærer oss å bruke for å dra nytte av perioder med overskudd på strøm. Batterier for energilagring er nå også på full fart inn i bolig, næring og industri for å øke fleksibiliteten i forhold til perioder med knapphet på både effekt og energi i kraftsystemet. Spesielt innenfor industrien skjer det mye.

Li-ion-batterier blir bedre

For øyeblikket er litium-ion (li-ion)-batterier det foretrukne alternativet. Store internasjonale nettselskaper har installert «superstore» li-ion batterier, enorme batteripakker som kan lagre alt fra 100 til 800 megawatt (MW) med energi. Moss Landings energilagringsanlegg i California rapporteres nå å være verdens største, med en samlet kapasitet på 750 MW/3 000 MWh.

Prisen på li-ion-batterier har falt mye de siste årene, og de lagrer stadig større energimengder. Mange av fremskrittene som er oppnådd drives av bilindustriens kamp for å bygge mindre, billigere og kraftigere li-ionbatterier for elbiler. Spenningen i hver li-ioncelle er omtrent 3,6 volt (V). Det er høyere enn standard nikkel-kadmium, nikkel-metallhydrid og til og med standard alkaliske celler på rundt 1,5 V, og bly-syrebatterier på rundt 2 V per celle, noe som betyr at det kreves færre li-ionceller i batteriapplikasjonene.

Li-ion-celler standardiseres av komite IEC TC 21, som publiserer IEC 62660-serien om sekundære li-ionceller for fremdrift av elbiler. TC 21 publiserer også standarder for energilagringssystemer fra fornybar energi. IEC 61427-1 spesifiserer generelle krav og testmetoder for off-grid-applikasjoner med elektrisitet fra solkraft. IEC 61427-2 gjør det samme, men for on-grid-applikasjoner med strøm fra store vind- og solenergiparker. «Standardene fokuserer på riktig beskrivelse av batteriytelsen, enten systemet brukes til å drive et vaksinelagringskjøleskap i tropene eller forhindre strømbrudd i nasjonale strømnett. Standardene er i stor grad kjemi-uavhengige. De gjør det mulig for tjenesteleverandører eller sluttbrukere å sammenligne epler med epler, selv når forskjellige batterikjemier er involvert,» beskriver TC 21-eksperten Herbert Giess.

Komite IEC TC 120 ble opprettet spesifikt for utvikling av standarder for nettintegrerte elektriske energilagringssystemer (EES). Et EES-system integrerer komponenter som batterier og invertere, som hver for seg er standardiserte. TC 120 jobber nå med en ny standard, IEC 62933-5-4, som vil spesifisere sikkerhetstestmetoder og prosedyrer for li-ion-baserte batterisystemer for energilagring.

IECEE (IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components) er et av de fire samsvarsvurderingssystemene som administreres av IEC. Det driver et program som tester sikkerhet, ytelse, komponentinteroperabilitet, energieffektivitet, elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og farlige stoffer i batterier.

Bekymringer rundt sikkerhet og gjenvinning

Ulempene ved å bruke li-ionbatterier for energilagring er mange og ganske godt dokumenterte. Ytelsen til li-ionceller forringes over tid, noe som begrenser lagringskapasiteten deres. Det er også reist bekymringer rundt gjenvinningen av batteriene når de ikke lenger kan oppfylle lagringskapasiteten sin, samt over forekomstene og kildene til litium og kobolt. Spesielt kobolt utvinnes ofte på uformelle måter, inklusive bruk av barnearbeid. En viktig koboltprodusent er Den demokratiske republikken Kongo. Utfordringene med energilagring blir også tatt opp gjennom prosjekter i IEC Global Impact Fund og resirkulering av li-ion er en av aspektene som vurderes.

– På europeisk nivå kommer det nå en ny batteriforordning, med tilhørende ny batteriforskrift i Norge, sier fagsjef Lars Ihler i NEK. Den nye forordningen stiller krav til sirkulærøkonomi, gjenbruk og resirkulering, og nye standarder utvikles for å sikre gode metoder for sikker og trygg håndtering blant annet av brukte elbilbatterier, fortsetter Ihler.

Til slutt er li-ion brennbart, og et betydelig antall anlegg som lagrer energi med li-ionbatterier i Sør-Korea gikk opp i flammer fra 2017 til 2019. Selv om årsakene er identifisert, spesielt dårlige installasjonsmetoder, ble det påvist manglende bevissthet om risikoene knyttet til li-ion.

IEC TC 120 har nylig publisert en ny standard som ser på hvordan batteribaserte energilagringssystemer kan bruke resirkulerte batterier. IEC 62933-4-4 har som mål å «gjennomgå de mulige miljøkonsekvensene av gjenbrukte batterier og å definere passende krav.

I Norge er det NEK NK 21/120.

Ny batteriteknologi

Andre batteriteknologier er under utvikling, inkludert faststoffbatterier eller SSB-er (solid state batterier). Ifølge konsulentfirmaet IDTechEx blir disse de ledende i kappløpet om neste generasjons batteriteknologi. Faststoffbatterier erstatter den brennbare flytende elektrolytten med en fast elektrolytt (SSE), som implisitt byr på innebygde sikkerhetsfordeler. SSE-er åpner også døren for bruk av ulike katode- og anodematerialer, og utvider mulighetene for bedre batteridesign. Selv om noen SSB-er er basert på li-ionkjemi, følger ikke alle denne stien. Problemet er at ekte SSB-er, uten noe flytende elektrolytt i det hele tatt, er langt fra å bli lansert på markedet, selv om de kan se ut som et lovende alternativ en gang i fremtiden.

IDTechEx skriver at «Adopsjonen av SSB-er møter utfordringer, inkludert høye kapitalkostnader, sammenlignbare driftskostnader og høye priser. Tydelige verdiforslag må presenteres for å oppnå offentlig aksept. Markedet kan omfavne SSB-er, selv om de inneholder små mengder flytende eller gel-polymerer, så lenge de leverer de ønskede egenskapene. Hybrid semi-faststoffbatterier kan vise seg å være en mellomløsning som tilbyr forbedret ytelse. På kort sikt kan derfor hybrid-SSB-er, som inneholder en liten mengde gel eller væske, bli mer vanlig.»

Kappløpet er i gang for neste generasjon batterier. Mens det ennå ikke finnes standarder for disse nye batteriene, forventes de å dukke opp når markedet krever dem.

– Interessen for utvikling av standardene øker så vel nasjonalt som regionalt og internasjonalt, og døren for deltagelse i dette arbeidet står åpen for alle som ønsker» avslutter Lars Ihler hos NEK.

 

Vil du vite mer om batteri og energilagring? Meld deg på NEKs batter og- energilagringsseminar 23. januar på Oslo kongressenter.

Meld deg på seminaret!