Disse 3 energilagrings-teknologier kan hjælpe med omstillingen til 100 procent vedvarende elektricitet

I de seneste årtier er omkostningerne ved vind- og solenergiproduktionen faldet dramatisk.

Det er en af grundene til, at det amerikanske energiministerium har lavet en fremskrivning, der viser, at vedvarende energi vil være den hurtigst voksende amerikanske energikilde frem til 2050.

Det er dog stadig relativt dyrt at lagre energi, og fordi produktionen af vedvarende energi ikke er tilgængelig hele tiden – men kun når vinden blæser, eller Solen skinner - er lagringen afgørende.

Som forsker ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) arbejder jeg sammen med den amerikanske regering og det private erhvervsliv for at udvikle teknologier til lagring af vedvarende energi.

I en nylig rapport vurderede forskere ved NREL, at USA's lageringskapacitet for vedvarende energi potentielt kan øges med hele 3.000 procent inden 2050.

Her er tre nye teknologier, der kan hjælpe med at gøre det til en realitet.

Teknologi nummer 1: Længere opladning

Fra alkaliske batterier, over mindre elektroniske enheder, til lithium-ion-batterier til biler og bærbare computere; de fleste af os bruger allerede batterier i mange aspekter af vores daglige liv. Men der er stadig masser af plads til udvikling og vækst.

For eksempel kan batterier med høj kapacitet med lange afladningstider - op til 10 timer - være gavnlige til opbevaring af solenergi om natten eller forøgelse af rækkevidden af ​​elbiler.

Lige nu er der meget få sådanne batterier i brug. Ifølge de seneste fremskrivninger vil der dog sandsynligvis blive installeret nok af denne type batterier til at opbevare 100 gigawatt frem mod 2050. For at sætte det tal i perspektiv er det 50 gange mere end Hoover Dam's produktionskapacitet.

Dette kan få stor effekt på den vedvarende energis bæredygtighed samt anvendelighed.

Reserverne vil være opbrugt i 2050

En af de største forhindringer er de begrænsede mængder af lithium og kobolt, som i øjeblikket er afgørende for fremstillingen af lette, kraftfulde batterier.

Ifølge visse estimater vil omkring 10 procent af verdens lithium og næsten alle verdens koboltreserver være opbrugt i 2050.

Ydermere udvindes næsten 70 procent af verdens kobolt i Congo under forhold, der længe har været dokumenteret som umenneskelige.

Forskerne arbejder på at udvikle teknikker til genbrug af lithium- og koboltbatterier og på at designe batterier baseret på andre materialer.

Tesla planlægger at producere koboltfrie batterier inden for de næste par år. Andre virksomheder sigter mod at erstatte lithium med natrium, som har egenskaber, der ligner lithiums meget, men som der er langt større mængder af.

Teknologi nummer 2: Sikre batterier

En anden prioritet er at gøre batterierne mere sikre.

Et område, der trænger til forbedring, er elektrolytter – en elektrisk leder inde i batteriet, ofte i flydende form, der gør en elektrisk ladning i stand til at strømme fra batteriets anode eller negative terminal til katoden eller den positive terminal.

Når et batteri er i brug, bevæger de ladede partikler i elektrolytten sig rundt for at balancere ladningen af ​​den elektricitet, der strømmer ud af batteriet.

Elektrolytter indeholder ofte brandfarlige materialer. Hvis de lækker, kan batteriet overophede og bryde i brand eller smelte.

Opmuntrende laboratorieresultater

Forskerne er imidlertid i fuld gang med at udvikle solide (altså ikke flydende) elektrolytter, hvilket vil gøre batterierne mere robuste. Det skyldes, at det er meget sværere for partikler at bevæge sig rundt gennem faste stoffer end gennem væsker.

Opmuntrende laboratorieresultater tyder imidlertid på, at disse batterier muligvis vil være klar til brug i elektriske køretøjer i løbet af de kommende år med kommercialisering allerede i 2026.

Selvom solid-state-batterier vil være velegnede til forbrugerelektronik og elektriske køretøjer, stræber forskerne mod helt flydende designs kaldet flowbatterier til stor energilagring.

I disse anordninger er både elektrolytten og elektroderne væsker. Det giver mulighed for superhurtig opladning og gør det let at producere rigtig store batterier.

På nuværende tildspunkt er disse systemer meget dyre, men forskning er med til at sænke prisen.

Teknologi nummer 3: Lagring af sollys som varme

Andre løsninger til vedvarende energilagring koster i nogle tilfælde mindre end batterier. For eksempel koncentrerede solcelleanlæg, som bruger spejle til at koncentrere sollyset, som opvarmer hundredvis eller tusindvis af tons salt, indtil det smelter.

Det smeltede salt bruges derefter til at drive en elektrisk generator, ligesom kul eller atomkraft bruges til at opvarme damp og drive en generator i traditionelle anlæg.

De opvarmede materialer kan også opbevares for at producere elektricitet, når det er overskyet eller endda om natten. Denne tilgang gør det muligt for koncentreret solenergi at arbejde døgnet rundt.

Denne idé kan tilpasses til brug med ikke-solare energiproduktionsteknologier. For eksempel kan elektricitet fremstillet ved vindkraft bruges til at opvarme salt til senere brug, når det ikke blæser.

Koncentration af solenergi er stadig en forholdsvis omkostningsfuld affære. For at konkurrere med andre former for energiproduktion og -lagring skal teknologien blive mere effektiv.

Én måde at opnå det på er at øge den temperatur, saltet bliver opvarmet til, hvilket muliggør en mere effektiv elproduktion.

Desværre er saltene, der er i brug, ikke stabile ved høje temperaturer. Forskere arbejder på at udvikle nye salte eller andre materialer, der kan modstå temperaturer helt op til 705 grader Celcius.

En førende idé til, hvordan man opnår en højere temperatur, indebærer opvarmning af sand i stedet for salt, fordi sand kan modstå den højere temperatur.

Sandet vil efterfølgende blive flyttet med transportbånd fra varmepunktet til lagring. USA's energiministerium annoncerede for nylig finansiering til et pilotkraftværk med koncentreret solenergi baseret på dette koncept.

Avancerede vedvarende brændstoffer

Batterier er nyttige til kortsigtet energilagring, og koncentrerede solenergianlæg kan hjælpe med at stabilisere elnettet, men de skal også være i stand til at lagre en masse energi på ubestemt tid.

Det er en opgave for vedvarende brændstoffer som brint og ammoniak. Forsyningsselskaberne kan lagre energi i disse brændstoffer ved at producere dem med overskydende kraft, når vindmøller og solpaneler producerer mere elektricitet, end forsyningsselskabernes kunder har brug for.

Brint og ammoniak indeholder mere energi per kg end batterier, så de fungerer, hvor batterierne ikke gør det. For eksempel kan de bruges til at transportere tung last, til at drive stort maskineri og som raketbrændstof.

Den potentielle gevinst er enorm

I dag er størstedelen af disse brændstoffer fremstillet af naturgas eller andre ikke-vedvarende fossile brændstoffer ved hjælp af ekstremt ineffektive reaktioner.

Selvom vi betragter det som et grønt brændstof, er det meste hydrogengas i dag fremstillet af naturgas.

Forskerne leder efter måder at producere brint og andre brændstoffer ved hjælp af vedvarende elektricitet. For eksempel er det muligt at lave brintbrændstof ved at splitte vandmolekyler ved hjælp af elektricitet.

Den største udfordring er at optimere processen for at gøre den effektiv og økonomisk. Den potentielle gevinst er enorm: uudtømmelig, vedvarende energi.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.