Store mengder sol- og vindenergi volder allerede problemer for kraftsystem rundt om i verden. Skal de nye ambisiøse klimamålene fra Paris nås, blir ikke utfordringene færre i årene som kommer, snarere tvert om.
Nøkkelen er å finne effektive løsninger for å lagre sol- og vindenergi på effektive og lite kostbare måter, uten at for mye av elektrisiteten går fløyten i prosessen.
Amerikanske forskere ved Purdue University i Lafayette, Indiana, mener de har en løsning som representerer et gjennombrudd for å takle de store mengdene variabel vind- og solkraft, som kjøres inn i kraftnett når det ikke er behov for den.
– Det foreslåtte konseptet representerer et potensielt gjennombrudd for kontinuerlig og effektiv elektrisitetsproduksjon, sier professor i kjemisk engineering, Rakesh Agrawal ved universitetet.
Hydrogen-produksjon: Slik skal Hans-Olof leve uten strøm til vinteren
– Tre ganger mer volum
Løsningen, som forskerne presenterte rett før jul, er hybridkonseptet Hydricity, som kombinerer konsentrert solkraft med produksjon av hydrogen, hvor resultatet av å smelte de to prosessene sammen ifølge forskerne skal føre til en rekke forbedringer for effektiv energilagring.
Forskerne mener konseptet er et langt bedre alternativ enn å lagre fornybar energi i batterier.
– Lagringstettheten forventes å være tre ganger større enn de beste batteriene, noe som betyr at man bruker tre ganger mindre volum på å lagre samme mengde energi. Samtidig unngår man bruk av sjeldne jordmetaller som brukes til å produsere effektive batterier, sier professor i kjemisk engineering, Rakesh Agrawal, ved Purdue University til Climatecentral.
En annen fordel skal være at den lagrede energien ikke forvitrer eller forringes over tid.
Lagret strøm i Nissan Leaf-batterier: Lagret strøm i Nissan Leaf-batterier og halverte strømregningen
Slik virker det
Konsentrert solkraft kan produseres ved hjelp av store soltårn omkranset av hundrevis eller tusenvis av solspeil som reflekterer lyset mot toppen av tårnene, hvor varmen kommer opp i svært høye temperaturer. I dette øyeblikket starter Hydricity-prosessen.
Kort oppsummert: En del av solvarmen går med til å varme vann til mellom 1000 til 1300 grader Celsius som mates inn i en dampturbin som produserer elektrisitet. Den andre delen går til en termokjemisk elektrolyse-prosess, hvor såkalte solreaktorer splitter vann i hydrogen og oksygen, og hydrogenet lagres til solen går ned.
– I prosessen, som pågår døgnet rundt, produserer vi hydrogen og elektrisitet på dagtid, vi lagrer hydrogen og oksygen, og når solenergien ikke er tilgjengelig bruker vi hydrogen til å produsere elektrisitet ved hjelp av en turbinbasert hydrogen-strømsyklus, sier professor Mohit Tawarmalani i en melding på universitetets hjemmesider.
Fordi anlegget kan være i drift døgnet rundt, er det ikke behov for å stanse og restarte turbinene. Den kombinerte prosessen skal også være mer effektiv enn to separate prosesser, en for el-produksjon og en for produksjon og lagring av hydrogen.
Norsk gjennombrudd: Norsk gjennombrudd: Produserer 40 ganger raskere enn vanlige metoder
Flere fordeler
Hydricity-konseptet, som nylig ble detaljert beskrevet i det vitenskapelige tidskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences, er så langt bare simulert ved hjelp av modeller. Her står det at Hydricity-prosessen i snitt konverterer solenergi om til elektrisitet med en effektivitet på 35 prosent i løpet av en 24-timersperiode.
– Det er nesten like effektivt som å bruke de beste fotovoltaiske solcellene i kombinasjon med batterier, sier doktorgradsstipendiat i kjemisk engineering, Emre Gençer.
I tillegg mener forskerne Hydricity har en rekke fordeler:
Den lagrede energien utlades ikke over tid, og lagringsmediet brytes ikke ned med gjentatt bruk. Og ikke minst, effektiviteten for omdanning av hydrogen til elektrisitet kan oppnå en energieffektivitet på opp til 70 prosent, sammenlignbart med den beste prosessen for brenselceller.
Stor test: Stor test: Disse solcellene er best for norske forhold
Overdriver virkningsgrad?
Markedsdirektør for hydrogen- og brenselcelleteknologi ved Sintef Materialer og kjemi, berømmer Purdue-forskerne for å forsøke å finne nye lagringsmuligheter for energi, men er ikke enig i at konseptet er et gjennombrudd.
– Før dette konseptet er demonstrert, kan det ikke betegnes som banebrytende. Design og driftsstrategi for solkonsentratorer er utfordrende og kompleksiteten knyttet til slike anlegg underestimeres ofte. Forskernes estimatere for virkningsgrader er svært optimistiske, og påvirkes betydelig av størrelsen på anlegget, sier Steffen Møller-Holst til Teknisk Ukeblad.
Møller-Holst viser til at andre har beskrevet lignende konsepter, blant annet i EU-prosjektet Hythec. Han nevner også at tidligere forsøk med solgassturbiner har vist at driften er utfordrende, blant annet på grunn av varierende solinnstråling. Sol-forsker Erik Stensrud Marstein ved IFE mener også valget av solkonsentratorer gjør teknologien ubrukelig mange steder i verden.
– Hydricity må ha blå himmel for å fungere. Konseptet egner seg derfor best for ørkenstrøk med direkte sollys store deler av året, sier Marstein.
Norsk pilotanlegg i Abu Dhabi: Norsk betong kan forsyne 16 hjem med strøm og varme i et døgn
Tungvint
Begge forskerne mener konseptet har noe for seg, men peker på at det jobbes med en rekke andre måter å lagre fornybar energi i hydrogen.
Marstein peker på at det finnes konsepter for å koble hydrogenproduksjon direkte inn på strømnettet, noe som vil være langt enklere enn å få en separat enhet som Hydricity til å fungere.
– Flere ulike teknologier er lansert tidligere. Mange av disse har ligget brakk lenge, men nå som store mengder sol- og vindkraft fører til perioder med negativ strømpris på grunn av de store variasjonene produksjonen, gir det nye muligheter for investeringer i hydrogenproduksjon. Likevel, Hydricity er åpenbart bare en av mange løsninger. Samtidig vil det ikke bare være en løsning for energilagring, påpeker Marstein.
– Fordelene forskerne trekker fram ved det nye konseptet er reelle, men behovet for nye komponenter veier tildels opp for de forenklingene man oppnår sammenliknet med et rent batteri-elektrisk lagringssystem, sier Møller-Holst.
Les også: Hvis alle skiftet til denne lyspæren, kunne verden stengt 100 store atomkraftverk
