Vi er på jakt etter energilagringssystemer som er mer effektive enn andre
Merete Tangstad, professor ved NTNU
Fornybar energi kan være vel og bra, men ofte trenger vi energien til andre tider enn når det blåser eller sola dukker frem. Energien må derfor lagres. En ny løsning er på vei.
Vindkraft og solenergi vokser. Men det er jo ikke sikkert at det blåser eller at sola skinner akkurat når vi trenger energien mest. Når du kommer hjem om kvelden og vil lage middag og lade elbilen, kan det være både mørkt og vindstille.
Derfor må vi kunne lagre denne energien til senere.
– Vi er på jakt etter energilagringssystemer som er mer effektive enn andre, oppsummerer professor Merete Tangstad ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.
Det du trenger er en egnet beholder med et stoff som kan varmes opp og kjøles ned uten at du mister for mye av energien underveis. Nå er NTNUs folk på sporet av nettopp det.
– Vi eksperimenterer med å varme opp silisium eller blandinger med silisium, sier professoren.
Silisium er det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen, etter oksygen. Det er billig og lett å få tak i. Miljøet ved NTNU har allerede jobbet med silisium i 30-40 år, blant annet for å lage materialer til solcellepaneler. Dette har de ofte gjort i samarbeid med industrien.
Flere materialer brukes
I Norge er vi heldige og kan regulere bruken av fornybar energi ved hjelp av vannkraft. Når vi har god tilgang på annen fornybar energi, trenger vi ikke tappe bassengene. Men de færreste land kan gjøre den slags. De må ha en slags batterier.
– Flere forskjellige faseforandringsmaterialer er i bruk, sier professoren.
Dette er materialer som først kan holde på energien, og deretter kunne gi den fra seg når det trengs. Det gjør de ved å endre fase fra flytende til fast form og tilbake igjen.
Salter er vanlige å bruke, men de er ikke særlig effektive, blant annet fordi de ikke kan varmes opp til mer enn rundt 600 grader. Det er lite i forhold til de 1400 gradene som trengs for å smelte silisium.
En helt annen variant av lagring er ved hjelp av litiumbatterier, som rett nok er mer effektive, men det er ikke nok.
– Det finnes ikke nok litium til at vi kan lagre all energien slik, sier professor Tangstad.
Derfor trengs flere metoder, og gjerne en kombinasjon av ulike fremgangsmåter. Ved NTNU er faseforandringsmaterialet altså en silisiumblanding, en såkalt legering.
Silisiumlegeringen varmes opp til flytende form. Dette krever energi, men den flytende massen holder på energien. Når silisiumblandingen størkner, gir den fra seg energi. Om dette skjer i en godt nok isolert beholder, kan du få tilbake det aller meste av energien som du bruker for å smelte silisiumblandingen. Du får igjen energi både fra lyset fra det smeltede materialet og fra varmen som avgis, altså både fotoner og elektroner.
Stabilt materiale og solid beholder
Her er det så klart mye å ta tak i. Jobben ved NTNU er todelt.
– Vi må finne en stabil legering. Samtidig må vi finne en beholder som tåler 1400 grader, som er smeltepunktet for silisiumet, sier Tangstad.
Alle materialer smelter og degenereres over tid, og påkjenningene på beholderen vil være store. Beholderen de har funnet frem til er blant annet laget av karbon, som er svært stabilt så lenge det ikke kommer oksygen til.
Silisium byr på et ekstra problem for den som vil bruke det til å lagre energi. Det er ett av få materialer som utvider seg når det går over i fast form, akkurat som vann gjør når det blir til is. Dette betyr at du kan få store endringer i volumet, og det vil du slett ikke ha i en lukket beholder som ikke må sprekke.
– Vi blander bor og jern inn i silisiumet, sier professor Tangstad.
Da unngår du de store endringene i volumet og ekstra belastninger på beholderen. Samtidig er blandingen omtrent like effektiv til å lagre energi som rent silisium er.
– Materialet i beholderen må gå direkte fra fast til flytende form.
Du kan ikke ha det sånn at du får en blanding av flytende stoff med noen faste klumper i. Det er ikke effektivt når du vil utløse energien raskt. Men blandingen av silisium, jern og bor oppfører seg som den skal.
Stor og liten skala
Lagringsmetoden er tenkt brukt i både stor og liten skala, fra sentrale kraftverk til små lagringsenheter som folk flest kan ha stående.
Nå vil vel enkelte være skeptiske til å ha en beholder som holder minst 1400 grader i huset, men Tangstad mener ikke dette er et større problem. Det går an å lage sikre løsninger, for eksempel ved å pakke den inn i sand.
– Da er det ikke noe problem om den skulle sprekke, sier Tangstad.
Du vil kanskje ikke ha beholderen på et tregulv, men du kan kanskje ha den i kjelleren eller garasjen.
- Silisiumlaben på IFE: – Det er få ting som kan bli så viktige her i landet som denne laben
Flere på sporet
Nylig presenterte folk fra MiT også sine resultater, der de tok i bruk smeltet silisium for å lagre energien. Det ligner metoden NTNU-folkene undersøker. Men ved NTNU mener de at de er på sporet av en mer effektiv variant.
Flere undersøker muligheten for å bruke silisium eller silisiumlegeringer. Også Air Force Laboratory og australiere er inne på det samme.
Arbeidet ved NTNU er del av et EU-prosjekt sammen med forskningsinstitusjoner i Spania, Hellas, Italia og Tyskland. Det er et såkalt FET Open prosjekt. Disse støtter nye teknologier som er helt i startfasen, men bare i tre år. Det er ikke lang tid i denne sammenhengen, så foreløpig er metoden utprøvd i liten skala. Men resultatene er altså lovende.
Kilder: Polkowski, Wojciech, Sobczak, Natalia, Polkowska, Adelajda, Bruzda, Grzegorz, Kudyba, Artur, & Giuranno, Donatella. (2019). Silicon as a Phase Change Material: Performance of h-BN Ceramic During Multi-Cycle Melting/Solidification of Silicon. JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society (TMS). http://doi.org/10.1007/s11837-019-03364-4
AMADEUS: Next Generation Materials and Solid State Devices for Ultra High Temperature Energy Storage and Conversion.
