Det globale landskab for forskning i energilagring: Innovation, anvendelser og fremtidige tendenser

Energilagring er hurtigt ved at blive en afgørende forudsætning for en bæredygtig energifremtid. I takt med at verden omstiller sig til vedvarende energikilder som sol og vind, nødvendiggør disse kilders intermitterende natur robuste energilagringsløsninger for at sikre en pålidelig og stabil strømforsyning. Dette blogindlæg dykker ned i det globale landskab for forskning i energilagring og udforsker diverse teknologier, igangværende initiativer, virkelige anvendelser og de spændende fremtidige retninger inden for dette vitale felt.

Hvorfor energilagring er vigtigt: Et globalt perspektiv

Integrationen af vedvarende energikilder i det globale energimix er altafgørende for at modvirke klimaforandringer og sikre energisikkerhed. Variationen i produktionen af vedvarende energi udgør dog en betydelig udfordring. Energilagringssystemer (ESS) håndterer denne udfordring ved at:

• Afbalancere udbud og efterspørgsel: Lagre overskydende energi genereret i perioder med høj produktion (f.eks. solrige dage for solenergi) og frigive den, når efterspørgslen overstiger udbuddet (f.eks. i spidsbelastningstimer om aftenen).
• Forbedre netstabilitet: Levere systemydelser som frekvensregulering og spændingsstøtte, som er afgørende for at opretholde et stabilt og pålideligt elnet.
• Muliggøre microgrids og off-grid-løsninger: Fremme adgang til ren energi i fjerntliggende områder og underforsynede samfund, hvilket fremmer energiuafhængighed og robusthed.
• Understøtte udbredelsen af elbiler (EV): Tilvejebringe den nødvendige energilagringskapacitet for en bred udbredelse af elbiler, hvilket reducerer afhængigheden af fossile brændstoffer i transportsektoren.

Disse fordele driver betydelige investeringer og forskningsindsatser verden over, med det formål at udvikle mere effektive, omkostningseffektive og bæredygtige energilagringsteknologier.

En mangfoldig portefølje af energilagringsteknologier

Landskabet for energilagring omfatter en bred vifte af teknologier, hver med sine egne styrker og svagheder, hvilket gør dem egnede til forskellige anvendelser. Her er en oversigt over nogle centrale teknologier:

1. Elektrokemisk energilagring: Batterier

Batterier er den mest anerkendte og udbredte energilagringsteknologi. De omdanner kemisk energi til elektrisk energi gennem elektrokemiske reaktioner.

a. Lithium-ion-batterier (LIBs)

LIBs dominerer markederne for bærbar elektronik og elbiler på grund af deres høje energitæthed, lange levetid og relativt høje effekttæthed. Den igangværende forskning fokuserer på:

• Forbedring af energitæthed og levetid: Udforskning af nye elektrodematerialer og elektrolytsammensætninger for at forbedre ydeevnen. For eksempel arbejder forskere i Japan på siliciumanodematerialer for at øge energitætheden dramatisk.
• Forbedring af sikkerheden: Håndtering af sikkerhedsproblemer relateret til termisk løb ved at udvikle sikrere elektrolytter og celledesigns. Faste elektrolytter er en lovende vej til at forbedre sikkerheden.
• Reduktion af omkostninger: Udforskning af alternative katodematerialer som lithiumjernfosfat (LFP) og natrium-ion-batterier for at reducere afhængigheden af dyre og knappe materialer som kobolt og nikkel.
• Udvikling af hurtigopladningskapacitet: Fokus på materialer og celledesigns, der kan muliggøre hurtig opladning, hvilket er afgørende for udbredelsen af elbiler. Virksomheder som Tesla innoverer konstant på dette område.

b. Solid-state-batterier (SSBs)

SSBs erstatter den flydende elektrolyt i LIBs med en fast elektrolyt, hvilket giver potentielle fordele med hensyn til sikkerhed, energitæthed og levetid. Forskningsindsatsen er koncentreret om:

• Udvikling af faste elektrolytter med høj ionisk ledningsevne: At finde materialer med høj ionisk ledningsevne ved stuetemperatur for at muliggøre effektiv iontransport. Forskellige materialer, herunder keramik, polymerer og kompositter, undersøges.
• Forbedring af grænsefladekontakt: At sikre god kontakt mellem den faste elektrolyt og elektroderne for at minimere modstanden. Dette er en stor udfordring i udviklingen af SSB.
• Opskalering af produktion: Udvikling af skalerbare og omkostningseffektive fremstillingsprocesser for SSB-produktion. Virksomheder som QuantumScape og Solid Power er i front inden for SSB-udvikling.

c. Flowbatterier

Flowbatterier lagrer energi i flydende elektrolytter, der opbevares i eksterne tanke. De tilbyder fordele med hensyn til skalerbarhed, lang levetid og uafhængig kontrol af energi- og effektkapacitet. Forskningen er fokuseret på:

• Forbedring af energitæthed: Udvikling af elektrolytter med højere energitæthed for at reducere størrelsen og omkostningerne ved flowbatterisystemer.
• Reduktion af omkostninger: Udforskning af billigere og mere udbredte elektrolytmaterialer.
• Forbedring af effektivitet: Optimering af celledesign og elektrolytsammensætning for at forbedre round-trip-effektiviteten.
• Udvikling af nye elektrolytkemier: Undersøgelse af ikke-vandige og organiske elektrolytter for forbedret ydeevne og bæredygtighed.

Flowbatterier er særligt velegnede til energilagringsapplikationer i netskala. Virksomheder som VanadiumCorp og Primus Power er aktivt involveret i udvikling og implementering af flowbatterier.

d. Natrium-ion-batterier (SIBs)

SIBs bruger natriumioner som ladningsbærer, hvilket tilbyder et potentielt alternativ til LIBs på grund af natriums overflod og lave omkostninger. Forskningsindsatsen fokuserer på:

• Udvikling af egnede elektrodematerialer: At finde materialer, der effektivt og reversibelt kan interkalere natriumioner.
• Forbedring af levetid: Forbedring af stabiliteten af elektrodematerialer og elektrolytter for at opnå lang levetid.
• Forøgelse af energitæthed: Udforskning af nye materialer og celledesigns for at forbedre energitætheden.

SIBs vinder frem til energilagringsapplikationer i netskala på grund af deres omkostningsfordele.

2. Mekanisk energilagring

Mekaniske energilagringsteknologier lagrer energi ved fysisk at flytte eller deformere et medium. Disse teknologier omfatter:

a. Pumpet vandkraftlagring (PHS)

PHS er den mest modne og udbredte form for energilagring i netskala. Det indebærer at pumpe vand op ad bakke til et reservoir i perioder med overskydende energi og frigive det gennem turbiner for at generere elektricitet, når der er behov for det. Forskningen fokuserer på:

• Udvikling af lukkede PHS-systemer: Minimering af miljøpåvirkningen ved at bruge reservoirer væk fra floder.
• Forbedring af effektivitet: Optimering af turbine- og pumpedesigns for at forbedre round-trip-effektiviteten.
• Integration af PHS med vedvarende energikilder: Udvikling af kontrolstrategier til at optimere driften af PHS-systemer i forbindelse med variabel vedvarende energiproduktion.

PHS er en gennemprøvet teknologi til storskala energilagring, der giver betydelige fordele for netstabilisering.

b. Trykluftenergilagring (CAES)

CAES lagrer energi ved at komprimere luft og opbevare den i underjordiske huler eller tanke. Den komprimerede luft frigives derefter for at drive en turbine og generere elektricitet. Forskningen fokuserer på:

• Forbedring af effektivitet: Udvikling af adiabatiske CAES-systemer, der opfanger og lagrer den varme, der genereres under kompression, hvilket forbedrer round-trip-effektiviteten.
• Reduktion af omkostninger: Udforskning af billigere lagringsmuligheder, såsom salthuler.
• Udvikling af hybride CAES-systemer: Integration af CAES med vedvarende energikilder og andre energilagringsteknologier.

c. Svinghjulsenergilagring

Svinghjul lagrer energi ved at rotere en masse ved høje hastigheder. De tilbyder hurtige responstider og høj effekttæthed, hvilket gør dem egnede til kortvarige anvendelser som frekvensregulering. Forskningen fokuserer på:

• Forbedring af energitæthed: Udvikling af svinghjul med højere rotationshastigheder og stærkere materialer for at øge energitætheden.
• Reduktion af friktionstab: Minimering af friktion for at forbedre round-trip-effektiviteten.
• Optimering af kontrolsystemer: Udvikling af avancerede kontrolsystemer for præcis og responsiv drift.

3. Termisk energilagring (TES)

TES lagrer energi i form af varme eller kulde. Det kan bruges til forskellige anvendelser, herunder:

• Opvarmning og køling af bygninger: Lagring af termisk energi til senere brug i opvarmning eller køling af bygninger, hvilket reducerer energiforbruget og spidsbelastningen.
• Industrielle processer: Lagring af termisk energi til brug i industrielle processer, hvilket forbedrer energieffektiviteten og reducerer emissioner.
• Koncentreret solkraft (CSP): Lagring af termisk energi genereret af CSP-anlæg til regulerbar elproduktion.

TES-teknologier omfatter:

• Følbar varmelagring: Lagring af energi ved at hæve temperaturen på et lagringsmedium, såsom vand, olie eller sten.
• Latent varmelagring: Lagring af energi ved at udnytte faseændringen af et materiale, såsom smeltende is eller størkning af et salthydrat.
• Termokemisk energilagring: Lagring af energi ved at udnytte reversible kemiske reaktioner.

Forskningsindsatsen fokuserer på at udvikle nye materialer med høj termisk lagringskapacitet og forbedre effektiviteten af TES-systemer.

Globale forskningsinitiativer og finansiering

Forskning i energilagring er en global bestræbelse med betydelige investeringer og initiativer i gang i forskellige lande og regioner. Nogle bemærkelsesværdige eksempler inkluderer:

• The U.S. Department of Energy (DOE): DOE har lanceret flere initiativer for at accelerere forskning og udvikling inden for energilagring, herunder Energy Storage Grand Challenge og Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
• Den Europæiske Union (EU): EU har etableret European Battery Alliance (EBA) for at fremme udviklingen af en konkurrencedygtig og bæredygtig batteriindustri i Europa. EU's Horizon Europe-program finansierer også adskillige forskningsprojekter inden for energilagring.
• Kina: Kina investerer massivt i energilagringsteknologier som en del af sine bestræbelser på at omstille sig til et renere energisystem. Landet har et stærkt fokus på batteriproduktion og implementering af energilagring i netskala.
• Japan: Japan har en lang historie med innovation inden for batteriteknologi og fortsætter med at investere i avanceret forskning i energilagring, især i solid-state-batterier og brintlagring.
• Australien: Australien implementerer energilagringssystemer i stor skala for at understøtte sin voksende kapacitet for vedvarende energi. Landet investerer også i forskning i energilagring i netskala og virtuelle kraftværker.

Disse initiativer yder finansiering til forskningsprojekter, støtter udviklingen af nye teknologier og fremmer samarbejde mellem forskere, industri og offentlige myndigheder.

Virkelige anvendelser af energilagring

Energilagringssystemer bliver allerede implementeret i en bred vifte af anvendelser rundt om i verden. Nogle eksempler inkluderer:

• Energilagring i netskala: Batterilagringssystemer bruges til at levere net-tjenester, såsom frekvensregulering, spændingsstøtte og peak-shaving. For eksempel er Hornsdale Power Reserve i South Australia et storskala batterilagringssystem, der markant har forbedret netstabiliteten og reduceret elpriserne.
• Microgrids: Energilagringssystemer muliggør udviklingen af microgrids, der kan fungere uafhængigt af hovednettet. Microgrids bruges til at levere pålidelig strøm til fjerntliggende samfund, industrianlæg og militærbaser. For eksempel bruger talrige microgrids i ø-nationer batterier og vedvarende energi til at reducere afhængigheden af importerede fossile brændstoffer.
• Elbiler: Batterier er nøglekomponenten i elbiler og leverer den nødvendige energilagringskapacitet til langdistancekørsel. Væksten på elbilmarkedet driver betydelig innovation inden for batteriteknologi.
• Energilagring i boliger: Hjemmebatterisystemer bliver stadig mere populære, hvilket giver boligejere mulighed for at lagre solenergi genereret i løbet af dagen og bruge den om natten, hvilket reducerer deres afhængighed af nettet.
• Industriel energilagring: Energilagringssystemer bruges i industrianlæg til at reducere spidsbelastningsafgifter, forbedre strømkvaliteten og levere nødstrøm.

Fremtidige tendenser inden for forskning i energilagring

Feltet for forskning i energilagring er i konstant udvikling, med nye materialer, teknologier og anvendelser, der dukker op. Nogle vigtige fremtidige tendenser inkluderer:

• Avancerede batteriteknologier: Fortsat udvikling af solid-state-batterier, lithium-svovl-batterier og andre avancerede batteriteknologier med højere energitæthed, forbedret sikkerhed og længere levetid.
• Innovationer inden for flowbatterier: Udvikling af nye elektrolytkemier og celledesigns for at forbedre ydeevnen og reducere omkostningerne ved flowbatterier.
• Gennembrud inden for materialevidenskab: Opdagelse af nye materialer til elektroder, elektrolytter og andre komponenter i energilagringssystemer med forbedret ydeevne og bæredygtighed.
• AI og maskinlæring: Anvendelse af AI og maskinlæringsteknikker til at optimere design, drift og kontrol af energilagringssystemer.
• Netintegration og -styring: Udvikling af avancerede netstyringssystemer til at integrere energilagringssystemer med vedvarende energikilder og elnettet.
• Brintlagring: Forskning i effektive og omkostningseffektive metoder til lagring af brint, en lovende energibærer til forskellige anvendelser.
• Elektrokemiske kondensatorer (Superkondensatorer): Fortsat udvikling af superkondensatorer med høj effekttæthed og hurtige opladnings-/afladningskapaciteter.
• Ny termisk energilagring: Udforskning af nye materialer og konfigurationer for mere effektiv og kompakt termisk energilagring.

Konklusion: Mod en bæredygtig energifremtid

Forskning i energilagring spiller en afgørende rolle i at muliggøre en bæredygtig energifremtid. Udviklingen af mere effektive, omkostningseffektive og bæredygtige energilagringsteknologier er afgørende for at integrere vedvarende energikilder i det globale energimix, forbedre netstabiliteten og muliggøre adgang til ren energi for alle. I takt med at forskningen fortsætter med at udvikle sig, kan vi forvente at se endnu mere innovative energilagringsløsninger dukke op, som vil transformere den måde, vi genererer, lagrer og bruger energi på.

Det globale samfund skal fortsat støtte og investere i forskning i energilagring for at accelerere overgangen til en renere, mere bæredygtig energifremtid for kommende generationer. Samarbejde mellem forskere, industri og offentlige myndigheder er nøglen til at overvinde udfordringerne og realisere det fulde potentiale af energilagringsteknologier. Ved at fremme innovation og samarbejde kan vi frigøre kraften i energilagring for at skabe en lysere og mere bæredygtig fremtid for alle.