Det globale landskapet for forskning på energilagring: Innovasjon, anvendelser og fremtidige trender

Energilagring er i ferd med å bli en kritisk muliggjører for en bærekraftig energifremtid. Mens verden går over til fornybare energikilder som sol og vind, krever den periodiske naturen til disse ressursene robuste løsninger for energilagring for å sikre en pålitelig og stabil strømforsyning. Dette blogginnlegget dykker ned i det globale landskapet for forskning på energilagring, og utforsker ulike teknologier, pågående initiativer, reelle anvendelser og de spennende fremtidige retningene innenfor dette vitale feltet.

Hvorfor energilagring er viktig: Et globalt perspektiv

Integreringen av fornybare energikilder i den globale energimiksen er avgjørende for å dempe klimaendringer og sikre energisikkerhet. Variabiliteten i produksjonen av fornybar energi utgjør imidlertid en betydelig utfordring. Energilagringssystemer (ESS) løser denne utfordringen ved å:

• Balansere tilbud og etterspørsel: Lagre overskuddsenergi generert i perioder med høy produksjon (f.eks. solrike dager for solenergi) og frigjøre den når etterspørselen overstiger tilbudet (f.eks. i rushtiden om kvelden).
• Forbedre nettstabilitet: Tilby støttetjenester som frekvensregulering og spenningsstøtte, som er avgjørende for å opprettholde et stabilt og pålitelig strømnett.
• Muliggjøre mikronett og off-grid-løsninger: Legge til rette for tilgang til ren energi i avsidesliggende områder og underforsynte samfunn, og fremme energiuavhengighet og motstandsdyktighet.
• Støtte utbredelsen av elektriske kjøretøy (EV): Tilby den nødvendige energilagringskapasiteten for en utbredt adopsjon av elbiler, og redusere avhengigheten av fossilt brensel i transportsektoren.

Disse fordelene driver betydelige investeringer og forskningsinnsats over hele verden, med mål om å utvikle mer effektive, kostnadseffektive og bærekraftige teknologier for energilagring.

En mangfoldig portefølje av energilagringsteknologier

Landskapet for energilagring omfatter et bredt spekter av teknologier, hver med sine egne styrker og svakheter, noe som gjør dem egnet for ulike bruksområder. Her er en oversikt over noen sentrale teknologier:

1. Elektrokjemisk energilagring: Batterier

Batterier er den mest anerkjente og utbredte teknologien for energilagring. De konverterer kjemisk energi til elektrisk energi gjennom elektrokjemiske reaksjoner.

a. Litium-ion-batterier (LIBs)

LIBs dominerer markedene for bærbar elektronikk og elbiler på grunn av deres høye energitetthet, lange sykluslevetid og relativt høye effekttetthet. Pågående forskning fokuserer på:

• Forbedring av energitetthet og sykluslevetid: Utforske nye elektrodematerialer og elektrolyttsammensetninger for å forbedre ytelsen. For eksempel jobber forskere i Japan med silisiumanodematerialer for å øke energitettheten dramatisk.
• Forbedret sikkerhet: Adressere sikkerhetsbekymringer knyttet til termisk løping ved å utvikle tryggere elektrolytter og celledesign. Faststoffelektrolytter er en lovende vei for å forbedre sikkerheten.
• Redusere kostnader: Utforske alternative katodematerialer som litiumjernfosfat (LFP) og natrium-ion-batterier for å redusere avhengigheten av dyre og knappe materialer som kobolt og nikkel.
• Utvikle hurtigladingsegenskaper: Fokusere på materialer og celledesign som kan muliggjøre rask lading, noe som er avgjørende for utbredelsen av elbiler. Selskaper som Tesla innoverer kontinuerlig på dette området.

b. Faststoffbatterier (SSB-er)

SSB-er erstatter den flytende elektrolytten i LIB-er med en fast elektrolytt, og tilbyr potensielle fordeler når det gjelder sikkerhet, energitetthet og sykluslevetid. Forskningsinnsatsen er konsentrert om:

• Utvikle faste elektrolytter med høy ionisk konduktivitet: Finne materialer med høy ionisk konduktivitet ved romtemperatur for å muliggjøre effektiv ionetransport. Ulike materialer, inkludert keramikk, polymerer og kompositter, blir undersøkt.
• Forbedre grensesnittkontakt: Sikre god kontakt mellom den faste elektrolytten og elektrodene for å minimere motstand. Dette er en stor utfordring i utviklingen av SSB-er.
• Skalere opp produksjonen: Utvikle skalerbare og kostnadseffektive produksjonsprosesser for SSB-produksjon. Selskaper som QuantumScape og Solid Power er i forkant av SSB-utviklingen.

c. Strømningsbatterier

Strømningsbatterier lagrer energi i flytende elektrolytter som holdes i eksterne tanker. De tilbyr fordeler når det gjelder skalerbarhet, lang sykluslevetid og uavhengig kontroll av energi- og effektkapasitet. Forskningen er fokusert på:

• Forbedre energitettheten: Utvikle elektrolytter med høyere energitetthet for å redusere størrelsen og kostnaden på strømningsbatterisystemer.
• Redusere kostnader: Utforske billigere og mer tilgjengelige elektrolyttmaterialer.
• Forbedre effektiviteten: Optimalisere celledesign og elektrolyttsammensetning for å forbedre tur-retur-effektiviteten.
• Utvikle nye elektrolyttkjemier: Undersøke ikke-vandige og organiske elektrolytter for forbedret ytelse og bærekraft.

Strømningsbatterier er spesielt godt egnet for storskala energilagring i strømnettet. Selskaper som VanadiumCorp og Primus Power er aktivt involvert i utvikling og distribusjon av strømningsbatterier.

d. Natrium-ion-batterier (SIB-er)

SIB-er bruker natriumioner som ladningsbærer, og tilbyr et potensielt alternativ til LIB-er på grunn av overfloden og den lave kostnaden av natrium. Forskningsinnsatsen fokuserer på:

• Utvikle egnede elektrodematerialer: Finne materialer som effektivt og reversibelt kan interkalere natriumioner.
• Forbedre sykluslevetiden: Forbedre stabiliteten til elektrodematerialer og elektrolytter for å oppnå lang sykluslevetid.
• Øke energitettheten: Utforske nye materialer og celledesign for å forbedre energitettheten.

SIB-er får økende oppmerksomhet for storskala energilagringsapplikasjoner i strømnettet på grunn av sine kostnadsfordeler.

2. Mekanisk energilagring

Mekaniske energilagringsteknologier lagrer energi ved å fysisk flytte eller deformere et medium. Disse teknologiene inkluderer:

a. Pumpekraftverk (PHS)

PHS er den mest modne og utbredte formen for storskala energilagring i strømnettet. Det innebærer å pumpe vann oppover til et reservoar i perioder med overskuddsenergi og slippe det gjennom turbiner for å generere elektrisitet ved behov. Forskningen fokuserer på:

• Utvikle lukkede PHS-systemer: Minimere miljøpåvirkningen ved å bruke reservoarer utenfor elver.
• Forbedre effektiviteten: Optimalisere turbin- og pumpedesign for å forbedre tur-retur-effektiviteten.
• Integrere PHS med fornybare energikilder: Utvikle kontrollstrategier for å optimalisere driften av PHS-systemer i kombinasjon med variabel fornybar energiproduksjon.

PHS er en velprøvd teknologi for storskala energilagring, som gir betydelige fordeler for nettstabilisering.

b. Trykkluftenergilagring (CAES)

CAES lagrer energi ved å komprimere luft og lagre den i underjordiske huler eller tanker. Den komprimerte luften slippes deretter ut for å drive en turbin og generere elektrisitet. Forskningen fokuserer på:

• Forbedre effektiviteten: Utvikle adiabatiske CAES-systemer som fanger opp og lagrer varmen som genereres under kompresjon, noe som forbedrer tur-retur-effektiviteten.
• Redusere kostnader: Utforske billigere lagringsalternativer, som saltkaverner.
• Utvikle hybrid-CAES-systemer: Integrere CAES med fornybare energikilder og andre energilagringsteknologier.

c. Svinghjulsenergilagring

Svinghjul lagrer energi ved å rotere en masse ved høye hastigheter. De tilbyr raske responstider og høy effekttetthet, noe som gjør dem egnet for kortvarige applikasjoner som frekvensregulering. Forskningen fokuserer på:

• Forbedre energitettheten: Utvikle svinghjul med høyere rotasjonshastigheter og sterkere materialer for å øke energitettheten.
• Redusere friksjonstap: Minimere friksjon for å forbedre tur-retur-effektiviteten.
• Optimalisere kontrollsystemer: Utvikle avanserte kontrollsystemer for presis og responsiv drift.

3. Termisk energilagring (TES)

TES lagrer energi i form av varme eller kulde. Det kan brukes til ulike applikasjoner, inkludert:

• Bygningsoppvarming og -kjøling: Lagre termisk energi for senere bruk i oppvarming eller kjøling av bygninger, noe som reduserer energiforbruket og effekttopper.
• Industrielle prosesser: Lagre termisk energi for bruk i industrielle prosesser, forbedre energieffektiviteten og redusere utslipp.
• Konsentrert solkraft (CSP): Lagre termisk energi generert av CSP-anlegg for regulerbar elektrisitetsproduksjon.

TES-teknologier inkluderer:

• Sensibel varmelagring: Lagre energi ved å heve temperaturen på et lagringsmedium, som vann, olje eller stein.
• Latent varmelagring: Lagre energi ved å utnytte faseovergangen til et materiale, som å smelte is eller størkne et salthydrat.
• Termokjemisk energilagring: Lagre energi ved å utnytte reversible kjemiske reaksjoner.

Forskningsinnsatsen fokuserer på å utvikle nye materialer med høy termisk lagringskapasitet og forbedre effektiviteten til TES-systemer.

Globale forskningsinitiativer og finansiering

Forskning på energilagring er en global innsats, med betydelige investeringer og initiativer i gang i ulike land og regioner. Noen bemerkelsesverdige eksempler inkluderer:

• Det amerikanske energidepartementet (DOE): DOE har lansert flere initiativer for å akselerere forskning og utvikling innen energilagring, inkludert Energy Storage Grand Challenge og Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
• Den europeiske union (EU): EU har etablert European Battery Alliance (EBA) for å fremme utviklingen av en konkurransedyktig og bærekraftig batteriindustri i Europa. EUs Horisont Europa-program finansierer også en rekke forskningsprosjekter innen energilagring.
• Kina: Kina investerer tungt i energilagringsteknologier som en del av sin innsats for å gå over til et renere energisystem. Landet har et sterkt fokus på batteriproduksjon og storskala distribusjon av energilagring i nettet.
• Japan: Japan har en lang historie med innovasjon innen batteriteknologi og fortsetter å investere i avansert forskning på energilagring, spesielt innen faststoffbatterier og hydrogenlagring.
• Australia: Australia implementerer energilagringssystemer i stor skala for å støtte sin voksende kapasitet for fornybar energi. Landet investerer også i forskning på storskala energilagring i nettet og virtuelle kraftverk.

Disse initiativene gir finansiering til forskningsprosjekter, støtter utviklingen av nye teknologier og fremmer samarbeid mellom forskere, industri og myndigheter.

Reelle anvendelser av energilagring

Energilagringssystemer blir allerede implementert i et bredt spekter av applikasjoner over hele verden. Noen eksempler inkluderer:

• Storskala energilagring i nettet: Batterilagringssystemer brukes til å levere nett-tjenester, som frekvensregulering, spenningsstøtte og lastutjevning (peak shaving). For eksempel er Hornsdale Power Reserve i Sør-Australia et storskala batterilagringssystem som har forbedret nettstabiliteten betydelig og redusert strømprisene.
• Mikronett: Energilagringssystemer muliggjør utviklingen av mikronett som kan operere uavhengig av hovednettet. Mikronett brukes til å levere pålitelig strøm til avsidesliggende samfunn, industrianlegg og militærbaser. For eksempel bruker mange mikronett i øynasjoner batterier og fornybar energi for å redusere avhengigheten av importert fossilt brensel.
• Elektriske kjøretøy: Batterier er nøkkelkomponenten i elektriske kjøretøy, og gir den energilagringskapasiteten som trengs for lang rekkevidde. Veksten i elbilmarkedet driver betydelig innovasjon innen batteriteknologi.
• Energilagring for boliger: Hjemmebatterisystemer blir stadig mer populære, og lar huseiere lagre solenergi generert om dagen og bruke den om natten, noe som reduserer deres avhengighet av nettet.
• Industriell energilagring: Energilagringssystemer brukes i industrianlegg for å redusere effektavgifter, forbedre strømkvaliteten og gi reservestrøm.

Fremtidige trender innen forskning på energilagring

Feltet for forskning på energilagring er i konstant utvikling, med nye materialer, teknologier og applikasjoner som dukker opp. Noen sentrale fremtidige trender inkluderer:

• Avanserte batteriteknologier: Fortsatt utvikling av faststoffbatterier, litium-svovel-batterier og andre avanserte batteriteknologier med høyere energitetthet, forbedret sikkerhet og lengre sykluslevetid.
• Innovasjoner innen strømningsbatterier: Utvikling av nye elektrolyttkjemier og celledesign for å forbedre ytelsen og redusere kostnadene for strømningsbatterier.
• Gjennombrudd innen materialvitenskap: Oppdagelse av nye materialer for elektroder, elektrolytter og andre komponenter i energilagringssystemer med forbedret ytelse og bærekraft.
• AI og maskinlæring: Anvendelse av AI- og maskinlæringsteknikker for å optimalisere design, drift og kontroll av energilagringssystemer.
• Nettintegrasjon og -styring: Utvikling av avanserte nettstyringssystemer for å integrere energilagringssystemer med fornybare energikilder og strømnettet.
• Hydrogenlagring: Forskning på effektive og kostnadseffektive metoder for lagring av hydrogen, en lovende energibærer for ulike applikasjoner.
• Elektrokjemiske kondensatorer (Superkondensatorer): Fortsatt utvikling av superkondensatorer med høy effekttetthet og raske lade-/utladingsegenskaper.
• Nyvinnende termisk energilagring: Utforskning av nye materialer og konfigurasjoner for mer effektiv og kompakt termisk energilagring.

Konklusjon: Mot en bærekraftig energifremtid

Forskning på energilagring spiller en avgjørende rolle i å muliggjøre en bærekraftig energifremtid. Utviklingen av mer effektive, kostnadseffektive og bærekraftige energilagringsteknologier er avgjørende for å integrere fornybare energikilder i den globale energimiksen, forbedre nettstabiliteten og gi tilgang til ren energi for alle. Etter hvert som forskningen fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se enda flere innovative energilagringsløsninger dukke opp, som vil transformere måten vi genererer, lagrer og bruker energi på.

Verdenssamfunnet må fortsette å støtte og investere i forskning på energilagring for å akselerere overgangen til en renere, mer bærekraftig energifremtid for kommende generasjoner. Samarbeid mellom forskere, industri og myndigheter er nøkkelen til å overvinne utfordringene og realisere det fulle potensialet til energilagringsteknologier. Ved å fremme innovasjon og samarbeid kan vi frigjøre kraften i energilagring for å skape en lysere og mer bærekraftig fremtid for alle.