Vindkast og solstråler, to uforutsigbare ressurser, blir stadig viktigere som kraftkilder i Europa. Dette vil i økende grad kreve bufferlagre for energi. For om strøm ikke kan utnyttes der og da, må den lagres til den trengs.
Drømmen om null varmeutveksling
EU-prosjektet RICAS 2020, der SINTEF deltar, skal et stykke på vei realisere en såkalt "adiabatisk prosess".
"Adiabatisk" er et slags synonym for "tapsfri" og betyr "lagring og gjenvinning av energi uten utveksling av varme med omgivelsene".
I teorien kan tre ulike løsninger oppfylle drømmen om tapsfri håndtering av trykkluft:
* 1) Se for deg en luftkompressor og luftbeholder (lager) som er ideelt isolert, der luften ikke utveksler varme med noen av delene. Dette vil gi lagret trykkluft med høy temperatur.
Kunne du etterpå utnytte luften i en ideelt isolert luftmotor, ville du få ut nesten all den lagrede energien.
* 2) Se i stedet for deg at luftens temperatur holdes konstant ved kompresjonen. Da kan du ta ut masse varme som kan brukes til noe fornuftig.
Når luften så skal utnyttes, er det lurt å tilføre varme igjen, tilsvarende varmemengden som ble tatt ut. Varmen kan tilføres ved omgivelses-temperatur. Altså nesten gratis. Kunne dette gjøres perfekt, vil du også nå få nesten all lagret energi tilbake.
* 3) En tredje mulighet er å gjemme på varmen fra kompresjonen av luften; det vil si: ta vare på varmen til du skal utnytte luften.
En tenkbar løsning ville være å la den varme luften fra kompressoren strømme gjennom et kammer fylt med en masse som lagrer varmen.
Det er den tredje veien RICAS 2020-prosjektet har valgt å følge.
Kilde: Den danske teknologen Peter Cordsen og SINTEF
Det billigste er å bruke vannkraftmagasin som «batterier»: Lage strøm av vannet når det kniper, og seinere pumpe vannet tilbake til magasinet ved hjelp av vindkraft som er «til overs». Men dette er bare mulig der vannreservoar finnes i høyfjellsområder. Som i Norge og en håndfull andre nasjoner.
Hva om land og regioner som ikke er like heldige, kunne bruke luft som energilager i stedet for vann?
I EU-regi jobber fagfolk fra ulike deler av Europa nå for at dette skal bli en reell mulighet – gjennom et forskningsprosjekt (RICAS 2020) der SINTEF deltar. I tankene har prosjektdeltakerne alle områder på kloden der tomme, nedstengte bergrom kan utnyttes som lagringsplass.
Likner varme sykkelpumper
Noen få steder i verden er resepten alt tatt i bruk. Den består i å bruke overskuddskraft til å komprimere luft, som så lagres i underjordiske hulrom. Når energien trengs, slippes luften ut igjen via en gassturbin som lager strøm. De få anleggene som finnes, brukes ofte til den reguleringen av kraftsystemet som trengs gjennom døgnet.
Fysikken som gjelder når energi lagres i form av trykkluft, springer ut av en naturlov som brukere av sykkelpumper kjenner til: Nemlig at all luft som komprimeres, blir varm.
Sykkelpumper presser luft sammen for å få øke trykket i dekket. Derfor blir de varme når vi bruker dem.
– Jo mer av kompresjonsvarmen trykkluft har i behold når den hentes ut fra et lager, jo mer arbeid kan trykkluften utføre etterpå. Og vi mener at vi skal klare å gjemme på mer av denne varmen enn det dagens lagringsløsninger kan, og at vi dermed vil gjøre lagringen mer effektiv, sier Giovanni Perillo, prosjektleder for SINTEFs del av RICAS 2020.
(Saken fortsetter under illustrasjonen.)
Dette er ideen som EU-prosjektet RICAS 2020 skal bidra til å realisere: Overskuddskraft fra vindmøller og solceller presser sammen luft. Trykkluften lagres i hulrom i fast fjell. All luft som presses sammen, blir varm. Et eget varmelager i undergrunnen tar vare på varme som luften tilføres ved komprimeringen. Når energien trengs, slippes luften ut igjen via en turbin som lager strøm. Jo mer varme luften tilføres fra varmelagret på veien ut, jo mer strøm blir det – eller med andre ord: jo mer effektiv blir lagringen. Kilde: Giovanni Perillo, SINTEF. Illustrasjon: Knut Gangåssæter/SINTEF
Egne bergrom som varmelager
Verdens to største lager for trykkluft ligger i Tyskland og USA. Dette er underjordiske rom som har latt seg vaske ut i saltformasjoner. Men her går mye av energien i trykkluften tapt. Årsaken er at anleggene ikke har egne systemer for lagring av varmen fra kompresjonen. Deltakerne i RICAS 2020 har en oppskrift på hvordan de skal oppveie denne mangelen i framtidige underjordslager.
Sentralt i resepten står en «ekstrastasjon» de har lagt inn i lagringsløsningen sin.
- På ferden ned i det underjordiske, skal den varme trykkluften føres gjennom et eget utsprengt hulrom som vil være fylt med knust stein.
- Luften vil gi fra seg varme til de knuste steinmassene.
- Mye av denne varmen vil steinene klare å ta vare på.
- Den kalde luften lagres i hovedbergrommet.
- Når luft herfra seinere passerer varmelageret på vei ut igjen, for å bli utnyttet til kraftproduksjon, vil luftstrømmen varmes opp av den knuste steinen og dermed bli mer energirik.
Billigere enn batterier
SINTEF-forsker Giovanni Perillo har ansvaret for å utvikle det plastliknende materialet som skal forsegle veggene i kommende underjordiske lagre for trykkluft. Dette belegget må tåle store krefter, fordi luften i lagrene vil få et trykk som er fra 36 til 70 ganger høyere enn lufttrykket ved havets overflate. Foto: Thor Nielsen/SINTEF
SINTEFs prosjektleder forklarer at denne lagringsteknologien, ifølge beregninger, kan ta vare på hele 70 til 80 prosent av energien i trykkluften. Tilsvarende tall for de fleste av dagens lagre er kun 45 til 55 prosent. Dette vil si at bare halvparten av energien som ble brukt til luftkompresjonen, i dag lar seg produsere på nytt etter at den har vært lagret.
– Bak prosjektet ligger en tro på at vår løsning vil gi billigere energilagring enn det batterier noen gang kan gi. Det hele fordi levetida blir lengre og fordi kapitalkostnadene per kilowattime lagret energi blir lavere. Samtidig ser vi for oss at løsningen kan brukes nærmest uavhengig av bergforhold, sier Perillo.
Ledige bergrom er tingen
Bare ett krav må stilles til stedsvalget, ifølge forskeren: I de aktuelle bergmassene må mennesker allerede ha laget store hulrom. Utsprengning og sikring av nye bergrom anses som for dyrt.
Prosjektdeltakerne ser derfor for seg ledige, eksisterende bergrom som «husvære» for trykkluften.
– Vi ser både nedlagte tunneler og nedstengte gruvesjakter som mulige lager, noe Norge har mye av, sier Perillo.
Membran skal tette luftlagrene
Selv er SINTEF-medarbeideren materialforsker. I EU-prosjektet har han, på SINTEFs vegne, ansvaret for forskning og utvikling knyttet til den forseglende membranen som skal gjøre trykkluftlagrene tette.
I tillegg bidrar SINTEFs fagmiljø innenfor undergrunnsteknologi med beregninger som skal sikre at de foreslåtte løsningene, inklusive tettingsmaterialene, tåler trykket de vil bli utsatt for.
EU-prosjektet RICAS 2020
Varighet: 2015 til 2018
Budsjett: Nær 1,4 millioner Euro
Koordinator: Montanuniversität Leoben (Østerrike)
Prosjektdeltakere:
- Montanuniversität Leoben (Østerrike),
- SINTEF (Norge),
- Eth Zürich (Sveits),
- HBI Haerter GmbH (Tyskland),
Prosjektet skal munne ut i tekniske spesifikasjoner samt grundige kostnadsanalyser. Etablering av et eventuelt pilotanlegg vil stå og falle med utfallet av de sistnevnte beregningene.
– Viser det seg at løsningen vår har livets rett, vil nye og spennende muligheter åpne seg. Ikke bare for energilagring, men også for bruk av trykkluft i industrien, sier Giovanni Perillo.
Mange planer lagt på is
Omgitt av alpefjell i Sør-Tyskland, har dr.ing. Matthias Finkenrath, professor ved Kempten University of Applied Sciences i delstaten Bayern, forsket på bruk av komprimert luft til energilagring gjennom en årrekke.
Han forklarer at lav energiutnyttelse har dempet interessen for de få anleggene som er i drift i dag, og at mye penger har vært brukt de siste 15 årene på å fram mer energieffektive versjoner av konseptet trykkluftlagring.
Men kombinasjonen store teknologiske utfordringer og lave energipriser/usikkerhet i energimarkedet, ble en «showstopper», ifølge professoren. Derfor ble alle planer om storskala demonstrasjonsanlegg enten utsatt eller forlatt.
Lite ville derfor glede den tyske eksperten mer enn at EU-prosjektet når sine mål.
Tror varmelagring kan gi gjennombrudd
– Trykkluftlager av den typen som dette prosjektet sikter mot, kan gi langt lavere kostnader og betydelig større lagringskapasitet enn det for eksempel batterier gir. Fører prosjektet til at lagringssystemer kan etableres uavhengig av geologiske forhold, så vil det i seg selv være et betydelig fremskritt. Om prosjektdeltakerne i tillegg lykkes med sine planer om effektiv varmelagring, så kan bruk av trykkluft til energilagring få sitt gjennombrudd, sier professor Mathias Finkenrath.
