Batterier i elnätet. Analys för användning vid driftstörning. Simon Malmqvist. Högskoleingenjör, Energiteknik 2018

Transkript

1 Batterier i elnätet Analys för användning vid driftstörning Simon Malmqvist Högskoleingenjör, Energiteknik 2018 Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Förord Detta examensarbete har genomförts hos Skellefteå Kraft Elnät som en avslutande del i högskoleingenjörsprogrammet med inriktning Energiteknik vid Luleå Tekniska Universitet, Campus Skellefteå. Rapporten omfattar 15 hp och arbetet har utförts under senare delen av vårterminen 2018 på Skellefteå Krafts huvudkontor. Jag vill framför allt rikta ett stort tack till min handledare Magnus Pettersson på Skellefteå Kraft som guidat mig hela vägen från start till mål. Ett extra tack även till Pär Gustafsson och Malin Westman för era goda råd och ert engagemang. Tack till Jim Markstedt för möjligheten att genomföra mitt examensarbete hos Skellefteå Kraft och slutligen tack till alla på Elnät för ert varma välkomnande och trevliga bemötande under genomförandet av mitt arbete. Tack! Simon Malmqvist Skellefteå, maj 2018

3 Sammanfattning Elkonsumtionen i Sverige har ökat avsevärt de senaste 40 åren och samhället blir mer och mer elberoende för att upprätthålla samhällsviktiga funktioner. Både myndigheter, nätägare och abonnenter ställer högre krav på att öka leveranssäkerheten. Skellefteå Kraft investerar löpande i detta och mycket fokus ligger på att få elnätet robust och vädertåligt. Det är dock inte möjligt att göra detta under ett och samma år p.g.a. tekniska och ekonomiska skäl så tillsvidare behövs ett effektivt förebyggande underhåll. Batterier har fått enormt genomslag och utvecklingen går framåt tack vare elbilar och behovet att lagra förnybar energi. Förhoppningen är att batterier ska kunna vara möjliga att använda som reservström vid oplanerade driftstopp vilket är vad detta projekt har undersökt. Projektet har innefattat en litteraturstudie om den befintliga batteritekniken som används idag men även kommande batteritekniker som förväntas få kommersiellt genomslag inom de närmsta 15 åren. I projektet har även en teoretisk försöksuppställning gjorts med syfte att se ifall dagens batterier är kapabla till att förse en normal villa med reservström under minst 12 timmar samtidigt som de är lätta nog att hanteras av en eller två tekniker. I denna uppställning ingår två olika typer av växelriktare samt fyra olika batterier som jämförts sinsemellan. Resultatet visar att det är teoretiskt möjligt att använda mindre batterier som sammankopplats till en batteribank för att förse en villa med ström. Däremot krävs det mellan 20 till 32 batterier för att komma upp i tillräcklig kapacitet vilket medför vikter upp till 700 kg totalt och höga kostnader upp mot kr. Utvecklingen går framåt och följer den experternas analyser och prognoser kan en potentiell investering om fem år vara rimlig. En motsvarande batteribank om fem år kan kosta 70 % mindre baserat på hur prisutvecklingen varit de senaste 5 åren och om 15 år kan ny teknik reducera både kostnad och totalvikt med upp till 80 %. Vill man förbereda sig inför en kommande investering kan ett framtida projekt eller examensarbete innefatta en småskalig prototyp för att utvärdera batteriernas verkliga kapacitet.

4 Abstract The energy consumption in Sweden has risen remarkably over the last 40 years and the society is more and more dependent on electricity to maintain socially important functions. Authorities, grid-owners and consumers are increasing their demands for a more secure energy delivery. Skellefteå Kraft is doing continuous investments in this area and its focus is to get the electric grid durable and weather resistant. It is, however, not possible to this is within the same year due to technical- and economic reasons which is why there s a need for an effective preventive maintenance solution. Batteries have seen a huge breakthrough thanks to the electric car and increasing demand to store renewable energy. Hopefully batteries are powerful enough to be a viable solution as backup power when a power failure occurs which is what this project have been investigating. This project consists of a literature study regarding the current battery technology that s in use today but also the future technologies that are under development and expects to be commercially available within the next 15 years. The project has also done a theoretical set-up to see if today s batteries are capable of providing enough power to a normal size house over at least 12 hours while they also are light enough to transport by one or two technicians. This set-up includes two different inverters and four battery alternatives that are compared to each other. The results show that it s theoretically possible to use smaller batteries to provide enough power when connected to each other to form a battery bank. It does however require between 20 to 32 batteries to reach enough capacity which also results in weights up to 700 kg and costs up to SEK in total. Luckily experts analysis and prognostics are positive and a potential investment in five years might be reasonable. A comparable battery bank in five years might cost 70 % less based on price reductions the past five years and new technology might even reduce weight and costs by 80 % in less than 15 years. If one wants to be prepared for a future investment a future project or degree project would be to do a small-scale prototype to evaluate the batteries real performance in the field.

5 Innehållsförteckning 1 Inledning Bakgrund Syfte Mål Avgränsningar Frågeställningar Litteraturstudie Arbetsgång Dagens batteriteknik Nickel-kadmium (NiCd) Nickel-Metallhydrid (NiMH) Bly-Syra (Pb) Litium-jon (Li-jon) Sammanfattning av batteritekniker Fördjupad teori om litium-jon batterier Teknik Tillverkningstekniker Material Litium Järn Fosfat - (LFP) LiFePO Litium Nickel Mangan Kobolt Oxid - (NMC) LiNiMnCoO Litiumtitanat - (LTO) Li4Ti5O Växelriktare Grundläggande begrepp Batterier i framtiden Nära framtid Li-jon Natrium-jon (Na-jon) Överskådlig framtid Litium-sulfat (Li-S) Metall-luft (M-Air) Metod Referensobjekt Batterier Växelriktare Försöksuppställning Försökuppställning Försökuppställning Batteridimensionering Investeringskalkyl Prognosbaserad investeringskalkyl Levelized Cost of Energy Resultat Referensobjekt Batteridimensionering Investeringskalkyl Prognosbaserad investeringskalkyl Levelized Cost of Energy... 36

6 5 Slutsats Diskussion och framtida arbeten Batteri och växelriktare Metod Resultat Felkällor Framtida arbeten Litteraturförteckning... 41

7 Nomenklatur I detta stycke förklaras det fackspråk och förkortningar som används i denna rapport. DOD Depth of Discharge. Används för att beskriva hur mycket av batteriets kapacitet som laddats ur. Om batteriet är fulladdat är DOD 0 %, är batteriet halvt urladdat är DOD 50 %. Batteritillverkare använder denna för att specificera livslängden vid specifika urladdningsnivåer. (MIT, 2008) SOC State of Charge. Beskriver hur mycket av batteriets kapacitet som återstår, kortfattat raka motsatsen till DOD. Om batteriet är fulladdat är SOC 100 %, är det urladdat är SOC 0 %. (ibid) SEI Solid Electrolyte Interface. Organiska lösningar bryts lätt ned runt negativa elektroder under laddning. När en cells första laddning genomförs bryts den organiska lösningen som utgör elektrolyten lokalt ned och formar ett skyddande lager runt elektroderna som förhindrar att elektrolyten fortsätter att brytas ned vid framtida laddningar. (ibid) Dendrit Kristallformering. Metalljoner sätter sig på elektrodens yta och börjar bilda trädliknande kristallina former som till slut kan bryta igenom det skyddande membranet mellan anod och katod vilket leder till kortslutning av cellen. (IBID) Elektrod Elektronledare. Används för att skapa en elektrisk kontakt mellan ickemetalliska ledare, exempelvis elektrolyt. Används istället för anod och katod i laddbara batterier eftersom anod och katod byter plats, definitionsmässigt, vid laddning och urladdning. När cellen laddas är den positiva elektroden anod och negativa elektroden är katod. Vid urladdning är det tvärtom. (ibid) Specifik energi Definierar batteriets kapacitet i massa. Kallas även för gravimetrisk energidensitet och betecknas med Wattimmar per kilo (Wh/kg) (IBID) Energidensitet Definierar batteriets kapacitet volumetriskt och betecknas med Wattimmar per liter (Wh/l) (ibid) Nominell spänning Anger den spänning som batteriet producerar när batteriet eller cellen är halvt urladdat. På grund av batteriets/cellens kemi så kan de ha en högre spänning när de är fulladdade och en lägre spänning när de närmare sig full urladdning. Det är denna spänning som är märkt på batteriet. Djup-cykel Samlingsnamn för batterier, framförallt för bly-syra-batterier, som är avsedda för att laddas ur till 20 % av sin ursprungliga kapacitet utan att dess livslängd påverkas nämnvärt. Laddcykel Anges som ett mått av ett batteri/cells livslängd. En laddcykel definieras som att batteriet laddas ur helt och hållet från full laddning och laddas upp till 100 % igen. För batterier som inte kan laddas ur helt är laddcyklerna specificerade för en given procentsats, oftast runt 80% urladdning. (ibid) Cell En enda enhet som innehåller två elektroder och elektrolyt kallas cell. (ibid) Batteri Ett batteri är uppbyggt av flera celler som kopplats samman antingen i serie, parallellt eller både och för att kunna uppnå en hög nominell spänning eller kapacitet. (ibid)

8 1 Inledning Detta examensarbete är utfört på uppdrag av Skellefteå Kraft Elnät och är skrivet vid Luleå Tekniska Universitet. Denna rapport redovisar en litteraturstudie om befintlig- och kommande batteriteknik samt en teknisk och ekonomisk kalkyl huruvida batterier kan användas som reservkraft vid driftstörningar på elnätet. 1.1 Bakgrund Dagens samhälle har blivit allt mer elberoende. Sedan 1970 har elkonsumtionen i Sverige ökat med 220 % och bostads- och servicesektorn ser samma ökning, se figur 1. (Ekonomifakta, 2018) Traditionellt användes el för belysning och värme men sedan samhället digitaliserades har det blivit allt mer beroende av elektricitet för att kunna upprätthålla samhällsviktiga funktioner. Figur 1- Energiförbrukning per sektor. Källa: Ekonomifakta. I Sverige har befolkningen varit förskonad mot allvarliga strömavbrott de senaste 10 åren och mycket är tack vare stormarna Gudrun och Per år 2005 respektive 2007 som påskyndade arbetet mot den nollvision mot elavbrott som tog fart i slutet av 90-talet. Nätägare har sedan dess kommit långt på vägen och Energimarknadsinspektionen bedömde i sin rapport 2017 att leveranssäkerheten låg på 99,99 % under 2016 med avseende på oplanerade driftstopp. Men fortfarande drabbades drygt 6300 nätkunder av avbrott längre än 24 timmar. (Energimarknadsinspektionen, 2017) Många hushåll förlitar sig på elektricitet för att hålla huset uppvärmt med exempelvis direktverkande el, eller av en värmepump. Mat som förvaras i kyl och frys kan bli förstörd efter några timmar utan ström. Matlagning kräver köksutrustning som kokplattor och ugnar som också behöver ström. Därför är det viktigt att ha en effektiv felavhjälpning eftersom det förkortar avbrottet för abonnenten. 1

9 Skellefteå Kraft Elnät investerar löpande för att öka leveranssäkerheten och ett stort fokus ligger på att få elnätet både robust och vädertåligt. I och med att alla delar av elnätet inte kan vädersäkras under ett och samma år, dels av tekniska skäl men även ekonomiska skäl, behövs en effektiv felavhjälpning. Skellefteå Kraft Elnäts strävan är att ständigt öka leveranssäkerheten genom att implementera nya tekniska lösningar, göra rätt investeringar och att bedriva ett effektivt förebyggande underhåll. I dagsläget används mindre mobila elkraftverk som drivs av fossila bränslen som genererar tillräckligt med el under strömavbrott. Elkraftverken är så pass stora att de kan förse flera hushåll med energi samtidigt. När det gäller enskilda hushåll som befinner sig långt ute på elnätet är denna lösning både dyr och opraktisk. Tekniken att använda små mobila elverk är beprövad och väl fungerande men i och med den snabba tekniska utvecklingen av batterier så bör ännu bättre och effektivare lösningar kunna hittas. 1.2 Syfte Projektets syfte är att undersöka ifall batterier kan användas som reservkraft istället för de större elkraftverk som används idag vid driftstopp. Eftersom batterier är under ständig utveckling vill Skellefteå Kraft undersöka när och om de kan ses som ett tekniskt och ekonomiskt alternativ. Skulle tekniken inte vara tillräckligt mogen eller att den är för dyr vill de ta reda på när batterier kan förväntas vara ett alternativ. En lättare, mobil lösning med batterier som alltid går att ha med sig på montörsbilen ger kortare avbrott för abonnenterna och detta blir allt viktigare i vårt allt mer elberoende samhälle. Både abonnenter och myndigheter förväntar sig och kräver en hög leveranssäkerhet samt god och snabb förmåga att hantera oplanerade driftstopp. För att åstadkomma detta ska följande saker göras: - Litteraturstudie för en sammanfattande bild av hur utvecklingen av batterier framskrider och - Uppskatta när de antas vara tillräckligt kraftfulla, lätta och billiga för att ersätta elverk för reservkraft. - Sammanställa ett ekonomiskt och tekniskt förslag på hur och när Skellefteå Kraft Elnät skulle kunna börja använda denna teknik. 1.3 Mål Att samla information och utreda hur batterier på bästa sätt kan användas för reservkraftmatning idag och i framtiden. 2

10 1.4 Avgränsningar Utredningen behandlar tre verkliga hushåll med varierande energibehov som bestämts före projektstart. Referensobjekten representerar tre olika förbrukningsnivåer; kallställt hus, sommar-/vinterstuga och normal villa. Utredningen är endast teoretisk vilket innebär bland annat att det inte tas hänsyn till lagar och förordningar vad gäller elsäkerhet etc. Dessutom är alla beräkningar baserade på tekniska data som utgår från bästa tänkbara förutsättningar. Denna rapport rekommenderas därför inte att användas som beslutsunderlag för investering förrän praktiska försök genomförts och resultat har omvärderats utifrån verkliga förhållanden utan mer för att översiktligt belysa frågeställningarna. Uppdraget omfattar inte: - Inköp av batterier och växelriktare. Bara uppskattade priser från återförsäljare. - Fullskaligt prov i fält. Avgränsningar: - Batterierna får inte väga över 35 kg/st. - Lagrad energi ska förse hushållet under minst 12 timmar. - Max fyra batterialternativ undersöks och presenteras. - Batterierna och växelriktare ska klara utomhusmiljö, året runt. 1.5 Frågeställningar De frågor som ska besvaras i denna rapport är: 1) Är dagens batteriteknik tillräcklig för att kunna användas vid oplanerade avbrott, d.v.s. klarar dagens batteritekniker av att förse hela hushåll med ström en längre tid? 2) Om inte, när kan tekniken förväntas vara tillräckligt mogen för att användas? 3

11 2 Litteraturstudie Detta avsnitt behandlar litteraturstudien som ingår i projektet. Litteraturstudien undersöker och jämför dagens batteriteknik samt kommande tekniker. 2.1 Arbetsgång I och med att batterier är en teknik under ständig utveckling har merparten av informationen hämtats från internet genom sökningar på olika sökmotorer. När information har hämtats har prioriteringen att använda källor som tillhör större organisationer, myndigheter eller företag som specialiserar sig på tekniken gjorts. Det har även prioriterats att hämta så pass ny information som möjligt i och med att tekniken utvecklas i rask takt. När tillräcklig information har hämtats sammanställs dessa och en jämförelse mellan föroch nackdelar genomförs. Baserat på fakta och jämförelse dras en eller flera slutsatser för att kunna fortsätta till nästa moment i projektet. När lämpliga växelriktare och batterier har valts är litteraturstudien avslutad och projektet går vidare med en teoretisk försöksuppställning som beskrivs i avsnitt 3. Arbetsgången för själva litteraturstudien har sammanställts enligt flödesschemat nedan. Studie av de vanligaste batteriteknikerna. Jämförelse mellan batteritekniker samt val av lämplig teknik. Fördjupad studie av vald batteriteknik. Jämförelse av materialval och tillverkningstekniker inom vald batteriteknik Urval av lämpliga batterier för projektet. Studie av växelriktare Jämförelse samt val av växelriktare för projektet. Studie av framtida batteritekniker Teoretisk uppställning Figur 2 - Arbetsgång för projektets första del. 4

12 2.2 Dagens batteriteknik För att kunna avgöra vilken typ av batterier som är lämpliga för projektet samlades först information om de vanligaste batteriteknikerna. Anledningen till detta var att det ansågs förenkla urvalet av batterier då det finns flera tillverkare och alternativ. Val av enbart en ny och oetablerad teknik ansågs medföra en risk för att det inte skulle finnas någon lämplig lösning på grund av begränsat utbud. Undersökning av batterimarknaden under de senaste 20 åren visar att det finns fyra dominerade batteritekniker, åtminstone vad gäller producerad kapacitet, se figur 3 och 4. Dessa är nickel-kadmium, nickel-metallhydrid, bly-syra och slutligen litium-jon. (Avicenne Energy, 2017) Producerad batterikapacitet MWh Övriga Li-jon NiMH NiCD Figur 4 Marknadsutveckling för Li-jon, NiCd, NiMH och övriga batterier. Källa: Avicenne Energy Producerad batterikapacitet MWh Övriga Li-jon NiMH NiCD Bly-Syra Figur 3 - Bly-syra batteriets marknadsdominans. Källa: Avicenne Energy. 5

13 2.2.1 Nickel-kadmium (NiCd) Första batteritekniken som hade laddningsbara celler och som kunde användas i bärbara enheter baserades på användning av nickel och kadmium. (Electronics Notes, u.d.) I dagens samhälle används NiCd batterier i mindre utsträckning eftersom batteriet innehåller kadmium. Kadmium är en tungmetall som är giftig för alla typer av liv vid högre halter och är därför hårt reglerad när det kommer till återvinning för att den inte ska hamna i lakvatten som sedan kan ta sig ut i grundvatten/dricksvatten. Därför behöver man lägga mycket resurser på att kunna återanvända tungmetallen istället för att den ska hamna på deponi. (Stockholmsregionens Avfallsråd, 2007) Battericellen i NiCd batterier är uppbyggd av fyra huvudkomponenter: - Anod som består av ett nät som är kadmiumpläterad. - Katod som består av ett nickel pläterat galler. - Separator vars uppgift är att hålla anoden och katoden fysiskt åtskilda för att förhindra kortslutning. - Elektrolyt. En vätska ofta bestående av någon sorts hydroxid vars uppgift är att låta jonerna vandra mellan anod och katod. Ytterligare en nackdel med dessa batterier är den så kallade minneseffekten. Effekten uppstår om cellen vid upprepade tillfällen inte laddas ur ordentligt innan den laddas upp igen. Laddas cellen alltid ur tills 10 % av kapaciteten återstår så kommer den sluta ge ifrån sig ström/spänning vid den nivån. Således minskar dess kapacitet med 10 %. (Battery University, 2017) Eftersom cellen själv-urladdas över tid måste batteriet även underhållsladdas genom att koppla på en svag ström. Det är dock viktigt att poängtera att batteriet inte kan underhållsladdas längre än ett par dagar eftersom dess livslängd förkortas. (Battery University, 2017) Men utförs underhållsladdningar och urladdningar på rätt sätt så har batteriet en väldigt lång livslängd, upp till 2000 laddcykler. Batterierna fungerar även från -20 C till +45 C med viss försämring vad gäller kapacitet och livslängd men ändå lämpligt för utomhusklimat. (GP Batteries, 2016) I dagsläget används förseglade NiCd batterier först och främst i kommersiella, portabla elektronikprodukter såsom fjärrkontroller där egenskaper som vikt, portabilitet samt laddbarhet är viktiga. (EASE, 2015) NiCd batterier kan även vara ventilerade och dessa varianter används mycket inom transporter som exempelvis flygplan, tåg samt startmotorer där fokus ligger på energidensitet och volym. Dessa batterier är även ideala för att upprätthålla en hög energikvalitet genom att kompensera för dippar i elförsörjningen. Batterierna kan även användas som reservkraft i tuffa miljöer. (EASE, 2015) Eftersom batterierna är robusta och inte kräver konstanta underhåll så används dessa främst i länder där det råder låga eller höga temperaturer samt hög fuktighet. Men i och med det ökande energibehovet även i utvecklingsländer så börjar dessa typer av batterier fasas ut mot andra tekniker såsom NiMH eller Li-jon. (EASE, 2015) I dagsläget så förväntas ingen fortsatt utveckling av tekniken eftersom det finns direkta ersättare som redan nu presterar bättre. (EASE, 2015) 6

14 2.2.2 Nickel-Metallhydrid (NiMH) Som namnet kanske antyder så är NiMH batteriet mycket lik NiCd men istället för kadmium används en rad andra metaller såsom aluminium, mangan, magnesium och kobolt. I och med att den giftiga tungmetallen kadmium inte ingår i cellen så har denna typ av batteri en fördel när det kommer till miljöpåverkan jämfört med NiCd batteriet. (Battery University, 2017) En till fördel med denna celltyp är att energidensiteten är ca % högre jämfört med ett NiCd batteri. (Electronics Notes, u.d.) NiMH cellen består av tre huvudbeståndsdelar: - Positiv elektrod av nickelhydroxid, samma som anoden i NiCd cellen. Nickelhydroxiden i elektroden reduceras väldigt långsamt vilket medför en längre livslängd. - Elektrolyt som består av en konduktiv vätska, oftast kaliumhydroxid. - Negativ elektrod vars reaktiva komponent egentligen är hydrider. Eftersom det inte går att använda vätgas om elektrod så används väte som är uppbundet i olika metallhydrider med en vikt% på ca 1 2 % väte. Likt NiCd så är NiMH batteriets prestanda och livslängd väldigt beroende av hur batteriet laddas och underhålls. Att ladda ett NiMH batteri på rätt sätt är lite svårare än NiCd eftersom spänningstoppen och det efterföljande spänningsfallet när batteriet närmar sig full laddning är mycket liten och därmed svårare att upptäcka. (Battery University, 2017) Skulle cellen bli överladdad så kan det leda till överhettning och resulterar i minskad kapacitet och NiMH cellerna är väldigt känsliga mot detta jämfört med NiCd. Det är även viktigt att batteriet befinner sig i en miljö nära rumstemperatur vid laddning eftersom den värme som genereras lättare leds bort. Den största nackdelen med NiMH celler är dess självurladdning. Likt NiCd cellen så laddas även denna batterityp ur av sig själv men i betydligt snabbare takt. Till råga på detta så ökar även urladdningshastigheten allt eftersom batteriet används eller blir äldre. (Battery University, 2017) För typiska NiMH celler så ligger urladdningshastigheten runt 10 till 15 % under de första 24 timmarna och därefter ytterligare 10 till 15 % per månad. (Electronics Notes, u.d.) Den störta bidragande faktorn till urladdningshastigheten är temperaturen i cellens omgivning. Ju varmare temperatur desto snabbare laddar cellen ur. Därför bör cellen förvaras kallt ifall de inte ska användas inom en närmare period utan att behöva ladda upp dem innan användning. (Battery University, 2017) NiMH batterier anses vara en direkt ersättare till NiCd batteriet och finns därför i samma varianter som denna men med något bättre egenskaper och återvinnbarhet. Därför är dess användningsområde mer eller mindre detsamma som NiCd, exempelvis portabla elektronikprodukter för de mindre cellerna. (EASE, 2015) För de större batterierna så förekommer denna teknik bland annat inom industrisektorn där krav för högre kapacitet men även transport som exempelvis tåg. Tekniken anses även vara referenstekniken för elbilar, eller framför allt el-hybrid bilar. (EASE, 2015) 7

15 En del större batterier har utvecklats för att kunna kopplas in på elnätet för att fungera som en buffert för att förbättra energikvalitén. Men även utvecklingen av NiMH batterier förutspås att upphöra av samma skäl som NiCd batteriet. (EASE, 2015) Bly-Syra (Pb) Bly-syra batterier är billiga och mångsidiga. Just denna typ är en beprövad teknik och kan tillverkas relativt billigt då det inte krävs någon avancerad utrustning. Nackdelen med denna typ av batteri är att dess energidensitet är den lägsta av de batterier som används idag. (Battery University, 2017) Cellen består av fyra huvudbeståndsdelar: - Negativ pol/anod bestående av rent, poröst bly så kallat svampbly. Vid urladdning oxiderar den och reagerar tillsammans med elektrolyten för att avge elektroner och bilda blysulfat. - Positiv pol/katod bestående av ett galler med blyoxid. Reduceras vid urladdning och tar emot elektroner och bildar blysulfat samt vatten. - Separator som håller anod och katod fysiskt åtskilda men låter elektrolyten passera så jonvandring kan uppstå mellan dem. - Elektrolyt i form av vätska som består av vatten och svavelsyra. Finns även så kallade AGM batterier som har en matta som absorberar elektrolyten. Bly-syra batteriets urladdningsegenskaper är relativt bra jämfört med andra batterier. Vid rumstemperatur är urladdningshastigheten ca 3 % per månad men ökar allt eftersom omgivningstemperaturen ökar. (Battery University, 2017) Till skillnad från nickelbaserade celler så är batteriet inte heller lika känsligt mot överladdning samt att batteriet klarar tuffa miljöer bättre. (EASE, 2015) En nackdel är att dess livslängd inte är den bästa, normalt håller batteriet i några år eller upp till 500 laddningscykler. (Electronic Notes, u.d.) Huvudkomponenten i detta batteri är dessutom bly vilket är både giftigt och miljöfarligt. Svavelsyran i elektrolyten är dessutom frätande och man bör vara försiktig vid hantering av batteriet. Tekniken delas i regel in i två huvudtyper; våt-cell eller ventilreglerad (VRLA). Våt-cells batterier användes främst som bilbatterier och är karaktäristiska eftersom de kräver ett visst underhåll då de måste fyllas på med vatten. (EASE, 2015) Ventilreglerade batterier förekommer antingen som AGM eller i gelbaserad design och kallas för underhållsfria eftersom inget vatten behöver fyllas på. (EASE, 2015) I och med att tekniken är billig så används den inom alla typer av områden förutom små och portabla system. De främsta applikationerna för bly-syra batterier är främst reservkraft eller UPS samt startbatterier för fordon. (EASE, 2015) Batterier som är designade för djup-urladdning förekommer ofta i elnätsuppkopplade energilagringssystem men även för hushåll som inte är anslutna till elnätet. I regel används batteriet på stationära platser eftersom dess energidensitet är något lägre. Trots att tekniken har funnits i över 100 år så fortsätter den att utvecklas då det finns mycket potential. Med hjälp av olika additiv och korrosionsresistenta legeringar samt nya laddningsstrategier hoppas utvecklare kunna minska kostnaderna och resistansen samtidigt som livslängden ökar. (EASE, 2015) 8

16 2.2.4 Litium-jon (Li-jon) Litium-jon batterier har på senare år blivit allt mer populärt och är just nu den mest använda batteritekniken vad gäller konsumentelektronik och batterier för elbilar men förutspås även att öka inom storskalig energilagring. (PKcell, 2009) Tekniken har funnits tillgänglig sedan 90-talet och utvecklingen fortsätter att gå framåt. I dagsläget ligger Li-joncellers energidensitet runt det dubbla jämfört med NiCd celler, upp mot 200 Wh/kg. (Battery University, 2017) Li-jon celler finns i många olika varianter som har olika användningsområden. För användningsområden som kräver större kapacitet eller kortare laddningstider, exempelvis elbilar eller energilagring i micro-grids, används i regel en kombination av nickel, kobolt, mangan, järn och aluminium eller enbart titan. (Sigma-Aldrich, 2018) Li-jon cellen består av tre huvudbeståndsdelar: - Positiv elektrod bestående av en eller flera metalloxider, exempel nickelmangankoboltoxid (NMC) eller järnfosfat (LFP). - Negativ elektrod bestående av grafit eller någon form av kolbaserat material. Dessa används eftersom de är vanliga och elektriskt ledande utan att svälla nämnvärt vid laddning. Det finns även varianter som innehåller metaller som kan påverka cellens kapacitet, laddningstid eller stabilitet. - Elektrolyt bestående av antingen en vätska men kan även vara solid i form av en keramisk oxid. Flytande elektrolyt består av litiumsalter i en organisk lösning som etyl-, dimetyl- eller dietylkarbonat. Solid elektrolyt består av litiumoxid som antingen är i kristallform eller amorf med kanaler som tillåter jonöverföring mellan elektroderna. En fördel jämfört med övriga tekniker är att Li-jon celler är mer eller mindre underhållsfria. Det finns ingen minneseffekt och man behöver inte ladda dem enligt givna intervall för att förlänga dess livslängd. Dessutom så är självurladdningshastigheten väldigt låg, ca 2 % per månad. Dess livslängd är också en av de bästa, de flesta celler brukar klara över 1000 laddcykler. (Battery University, 2017) Nackdelen med Li-jon batterier är att de inte ska laddas ur helt och hållet eftersom det förkortar dess livslängd. Dem ska inte heller utsättas för extrem kyla då de flesta elektrolyter fryser vid -40 C. (Battery University, 2017) En nackdel är att celler med flytande elektrolyt är mycket brandfarliga. Det är därför viktigt att hantera batterierna på rätt sätt. Skulle en cell punkteras kan batteriet explodera eller börja brinna vilket kan leda till personskador. (Battery University, 2017) Batterierna börjar åldras direkt när dem har tillverkats oavsett om de använts eller inte. Åldrandet blir mätbart redan efter ett år men mer påtagligt efter 2 3 år. Det går att motverka detta till viss del genom att förvara batteriet i en svalare omgivning. (Battery University, 2017) Sedan 2010 så har andelen stationära batterilösningar med Li-jonteknik ökat och sedan 2015 finns mer än en halv GWh inkopplade på elnät runt om i världen i varierande storlekar från ett par kw till flera MW. Vidare används även tekniken till att lagra solenergi till bostäder och större byggnader samt inom fordon och transporter. (EASE, 2015) 9

17 Utvecklingen av tekniken pågår fortfarande och siktar på att utöka energidensiteten, antalet laddningscykler men även den kalenderårliga livslängden. Tack vare elbilens framfart samt den ökande efterfrågan av storskaliga celler för industribruk förväntas även kostnaderna att minska i framtiden. (EASE, 2015) Återvinningen av dessa celler är något problematisk eftersom det sker utomlands vilket medför ökande kostnader för transport. De flesta företag som återvinner cellerna fokuserar enbart på de dyra metallerna såsom kobolt eftersom det ökar lönsamheten. Litium som är vanligt och billigt återvinns inte i lika stor omfattning. I Sverige så bedrivs det nu forskningsprojekt tillsammans med universitet och metallbolag för att förhoppningsvis förbättra återvinningen av denna teknik. (NyTeknik, 2017) Sammanfattning av batteritekniker I tabell 1 visas en sammanställning av de fyra teknikerna. Eftersom teknikerna återfinns i många olika varianter representerar uppgifterna ett typiskt värde med syfte att belysa respektive tekniks potential och brister. Li-jon tekniken visar mest potential och blir därmed den teknik som undersöks djupare. Tabell 1 De vanligaste batteriteknikernas olika egenskaper. Källa: EASE. NiCd NiMH Bly-Syra Li-jon Energidensitet (Wh/kg) Inre resistans (mω) < Livscykel (80 %) Verkningsgrad (%) Snabbladdning (h) Tolerans överladdning Medel Låg Hög Mycket låg Självurladdning/månad (%) Nominell cellspänning (V) 1,25 1,25 2 3,6 Operationstemperatur ( C) Underhållsintervall (dagar) Krävs ej Typisk kostnad ( /kwh) Fördjupad teori om litium-jon batterier I detta avsnitt presenteras en mer djupgående undersökning om Li-jontekniken Teknik Begreppet litium-jon refererar inte till en enda typ av batteri utan är ett samlingsnamn för själva kemin som utgör grunden för tekniken. Faktum är att det ingår flera olika typer av batterier men alla kan kategoriseras under samma begrepp eftersom principen är densamma, d.v.s. under laddning och urladdning sker en överföring av litiumjoner mellan anod och katod. (Electronics Notes, u.d.) Metalliskt litium förekommer inte som anod- eller katodmaterial. Istället utgörs anoden oftast av grafit medan katoden består av någon metalloxid eller fosfat. Materialet i anod 10

18 respektive katod är strukturerat på ett sådant sätt att litiumjoner kan lägga sig fritt inuti elektrodstrukturen utan att binda sig till elektrodmaterialet. (Qnovo, 2016) En separator används för att anod och katod inte ska komma i kontakt med varandra för att förhindra kortslutning. Elektrolyten används som medium för att förflytta litiumjonerna mellan anod och katod och består i regel av en organisk lösning som exempelvis hexafluorofosfat. (Sigma-Aldrich, 2018) Det är elektrolyten som innehåller litiumjonerna i saltform. I cellens grundtillstånd är den helt urladdad. När den sedan laddas ger den positiva anoden ifrån sig sina litiumjoner och de vandrar genom elektrolyten till den negativa katoden. Elektronerna, som befinner sig i en yttre krets som är kopplad till respektive elektrod, rör sig mot de positivt laddade litiumjonerna och håller kvar dem. När cellen laddas ur vill litiumjonerna återgå till sitt grundtillstånd och frigör sig från katoden och vandrar över till anoden igen. De frigjorda elektronerna följer med i den yttre kretsen över till anoden vilket ger upphov till en elektrisk ström. (Qnovo, 2016) För att cellen ska fungera och att litiumjoner och elektroner ska kunna vandra mellan anod och katod måste cellen eller batteriet kopplas på en krets. Utan denna krets hålls batteriet kvar i sitt tillstånd. Över tid så förekommer en viss självurladdning där litiumjoner frigjort sig och vandrat över till katoden igen. (Qnovo, 2016) Tillverkningstekniker Idag förekommer Li-jon celler i fyra format; cylindrisk, knappcell, prismatisk cell samt påscell. Knappcellen tas inte med i denna studie eftersom tekniken enbart används till mycket små batterier. Cylindriska celler är en av de mest använda tillverkningsteknikerna. Fördelarna med denna form är att den är lätt och billig att massproducera samtidigt som dess geometri tillåter höga tryck utan att cellen deformeras. (Battery University, 2017) Många cylindriska celler innehåller en eller flera säkerhetsåtgärder i form av brytare och ventiler. För att förhindra att cellen överhettas används en så kallad PTC (Positive Thermal Coefficent) brytare. Brytaren består av en polymer som i sitt grundtillstånd är ledande. Men vid exempelvis en kortslutning i cellen så ökar strömstyrkan och även temperaturen. Detta medför att polymeren värms upp och blir mer och mer resistent och stoppar strömmen. När problemet är löst så svalnar cellen och polymeren igen och batteriet kan fortsatta att användas. (Battery University, 2017) Dessutom så har många celler en säkerhetsventil för att förhindra övertryck inuti cellen. Denna ventil finns i flera utföranden där den vanligaste är en återförseglad ventil som består av en fjäder som trycket mot en platta. När trycket övervinner fjäderkraften öppnas ventilen och sedan återförsluts den när trycket återgår till det normala. (Battery University, 2017) Cylindriska celler har både låg kapacitet och nominell spänning. För att kunna bygga större batterier så kopplas cellerna ihop i större moduler som sedan kopplas ihop med varandra och placeras i ett skal med två kontaktpoler. (Battery University, 2017) På grund av den cylindriska cellens geometri så används inte utrymmet till 100 % när cellerna packas ihop utan det uppstår alltid ett litet hålrum mellan dem. Trots att påseller prismatiska celler skulle vara mer effektiva när det gäller areaanvändning i och med att de kan förpackas tätare så har den cylindriska cellen en mycket högre energidensitet som kompenserar för detta. Dessutom så kan hålrummen användas som kylning för att förbättra batteriets termiska egenskaper. (Battery University, 2017) 11

19 Prismatiska celler har funnits sedan 90-talet och finns i många olika storlekar. Denna tillverkningsteknik har ingen särskild standard utan varje tillverkare designar sina egna celler. Fördelen med dessa celler är att de är platta och kantiga vilket gör att dem kan kopplas ihop mer effektivt genom att både staplas liggande och stående. (Battery University, 2017) Prismatiska celler kan tillverkas på två sätt. Det första är att stapla anod, separator och katod på varandra i lager vilket kan vara till en fördel ifall man kräver tunna batterier. Den andra metoden är i princip samma som den cylindriska att anod, separator och katod rullas ihop och sedan plattas till. Nackdelarna med denna tillverkningsteknik är dess kostnad. Dessutom har de sämre temperaturhantering och kortare livscykel jämfört med de cylindriska cellerna. En av anledningarna till att dessa celler är dyrare att tillverka är att de behöver en robust inkapsling för att kunna pressas ihop. Allt eftersom batteriet används sker det gasbildning inuti cellen vilket gör att cellen expanderar. Detta medför att tillverkare inte kan paketera cellerna lika tätt i själva batterihöljet eftersom det måste finnas utrymme för cellerna att expandera. Påscellen har funnits sedan 1995 och är snarlik den prismatiska cellen. Med denna tillverkningsteknik så är ledande folieflikar fastlödda på elektroderna som i sin tur sitter i en förseglad ficka. Dessa celler är mest effektiva när det kommer till areaanvändning och kan utnyttja 95 % av den tillgängliga volymen. Det krävs inte något metallhölje som den prismatiska cellen har så vikten är betydligt lägre men detta betyder även att cellen har lätt för att expandera och därför måste modulen eller batteriet dimensioneras med detta i åtanke. (Battery University, 2017) Den största nackdelen med påsceller är dess förmåga att expandera. Eftersom cellerna inte är inkapslade i någon hård metall så sväller de lättare. Små celler kan öka sin volym med upp till 10 % efter 500 laddcykler. Problemet med expansionen är att batterierna går sönder eller att cellerna i sig går sönder vilket resulterar i att lättantändliga gaser läcker ut. Gemensamt för de prismatiska cellerna och påscellerna är att dess kostnader har minskat drastiskt under de senaste 10 åren. De cylindriska cellerna har även de minskat sina tillverkningskostnader om än inte i samma takt förrän de senaste tre åren. Tekniken är fortfarande den billigaste per Wh att tillverka trots sin geometri samt de inbyggda säkerhetsåtgärderna gör denna teknik till den mest lämpliga att efterfråga vad gäller batterival. (Avicenne Energy, 2017) 1 Prisutveckling - Tillverkningsteknik $/Wh 0,8 0,6 0,4 0,2 Cylindrisk Prismatisk Påscell Figur 5 - Prisutveckling för olika tillverkningstekniker. Källa: Avicenne Energy. 12

20 2.3.3 Material Litium-jon batterier förekommer i många olika kombinationer när det gäller materialval. I denna studie har tre av de vanligare materialkombinationerna valts ut Litium Järn Fosfat - LiFePO 4 (LFP) De främsta fördelarna med detta katodmaterial är lång livslängd, god termisk stabilitet samt högre säkerhet och tålighet. (Battery University, 2017) Ytterligare en fördel med LFP celler är dess tolerans mot överladdning jämfört med andra Li-jon tekniker med andra katodmaterial. Likt andra batterier, både Li-jon och andra tekniker, så reduceras dess kapacitet vid lägre temperaturer och livslängden förkortas ifall batteriet förvaras i utrymmen med högre temperatur än 20 C. (Battery University, 2017) Självurladdningen är även något högre jämfört med andra Li-jon tekniker vilket kan utgöra ett problem när batteriet åldras. Detta går att motverka delvis genom att välja batterier med lite bättre kvalité eller använda batterihanterarsystem, även kallat BMS. Detta medför en högre initialkostnad för batteriet men kan vara lönsamt ur ett livscykelkostnadsperspektiv. Fördelar: - Kemin i LFP celler erbjuder längre livscykel jämfört med andra Li-jon tekniker. - LFP celler innehar en väldigt konstant nominell spänning under hela urladdningen. Detta medför att batteriet är väldigt stabilt och reducerar eller till och med eliminerar behovet av voltreglering vid användning. - Användningen av järnfosfat undviker den kostnad och miljöpåverkan som kobolt medför. - LFP celler har en lägre degradering över tid jämfört med andra Li-jon tekniker. Säkerheten är LFP cellens största fördel jämfört med andra material. När cellen laddas och urladdas behåller katoden sin struktur medan andra fosfat- eller oxidmaterial tenderar att expandera. Detta medför att risken för att cellen ska expandera minskar drastiskt. LFP celler är dessutom svårare att antända ifall de skulle hanteras på fel sätt, även vid laddning. (Electropedia, u.d.) Figur 6. nedan visar teknikens olika egenskaper från en skala 1 5 där 5 är mest fördelaktigast och 1 är minst. LFP Livslängd Specifik energi Kostnad 0 LFP Prestanda Säkerhet Figur 6 - LFP teknikens egenskaper. Källa: Battery University. 13

21 Litium Nickel Mangan Kobolt Oxid - LiNiMnCoO 2 (NMC) NMC celler tillhör ett av de mest framgångsrika materialvalen när det gäller Lijontekniken. Anledningen till detta är att cellerna kan skräddarsys för att antingen ge ifrån sig energi under en längre tid med en låg ström eller för att ge ifrån sig en väldigt stark ström under en kort tid, för exempelvis en startmotor. (Battery University, 2017) Det går även att byta ut anodmaterialet från grafit till kisel för att få ut en ännu högre energilagringskapacitet men till kostnad av livslängd och strukturell stabilitet eftersom kiselanoden tenderar till att krympa och expandera vid laddning och urladdning. (Battery University, 2017) Ytterligare en anledning till varför NMC celler är så framgångsrika beror på kombinationen av nickel och mangan. Nickel är känt för att ha en väldigt hög specifik energi men till följd av att materialet är instabilt. Mangan har fördelen att ge en låg inre resistans men till kostnad av att materialet har en väldigt låg specifik energi. Men kombineras de båda grundämnena leder detta till en kombination som både har en hög specifik energi samtidigt som den är stabil. Kobolt har också en hög specifik energi men är även den instabil. (Battery University, 2017) NMC cellers katoder består i regel av en del nickel, en del mangan och en del kobolt, även känt som kombination ger det bästa av alla grundämnens egenskaper. Eftersom priserna för kobolt har stigit så försöker tillverkare minska andelen genom att ta fram andra kombinationer. (Battery University, 2017) Denna teknik är relativt ny jämfört med andra katodmaterial men anses vara en av de mest lovande teknikerna. Den är betydligt säkrare än dess föregångare LCO (litiumkobolt) men fortfarande inte lika säker som LFP. Dess livslängd är lägre jämfört med LFP men är då billigare att tillverka. Figur 7 redovisar NMC teknikens egenskaper. NMC Livslängd Specifik energi Kostnad NMC Prestanda Säkerhet Figur 7 - NMC teknikens olika egenskaper. Källa: Battery University Litiumtitanat - Li 4Ti 5O 12 (LTO) Skillnaden mellan LTO och andra litium-jonbatterier, förutom ett annat materialval, är att titanatet används som anodmaterial istället för grafit eller kisel i övriga litium-jon celler. 14

22 Denna konstruktion ger cellen ett par fördelar: - Extremt korta laddningstider då elektroner snabbt kan lämna eller komma till anoden. - Eftersom grafiten har bytts ut mot titanat reduceras även risken för att dendriter ska bildas i cellen, framför allt under låga temperaturer. Detta medför att risken för kortslutning minskar. - Cellen har även väldigt lång livslängd sett till laddcykler, upp till 7000 st. Nackdelarna med denna teknik är framförallt att cellernas nominella spänning är ca 35 % lägre jämfört med övriga litium-jon celler. Detta medför även att den specifika energin per cell är bland de lägsta och kan jämställas med andra batteritekniker som NiCd och NiMH. (Battery University, 2017) Titan är ett av de vanligaste grundämnena i jordskorpan men på grund av dess egenskaper är det även av de mest använda metallerna och återfinns i en rad olika användningsområden. Detta medför även att metallen är relativt dyr jämfört med andra material. Jämfört med LFP celler är materialet nästan 3 gånger så dyrt och jämförs NMC materialet är priset nästan det dubbla. (Sigma-Aldrich, 2018) LTO celler är ganska dyra i jämförelse med andra tekniker men tack vare dess långa livslängd kan den totala livscykelkostnaden vara densamma som LFP och NMC celler. Figur 8 nedan visar LTO teknikens egenskaper. LTO Livslängd Specifik energi Kostnad LTO Prestanda Säkerhet Figur 8 - LTO teknikens olika egenskaper. Källa: Battery University. Det finns fler tekniker men dessa anses vara de mest lovande för projektets ändamål. Celler med litium och kobolt (LCO) erbjuder hög specifik energi men till kostnad av att dess säkerhet är bland de sämsta. Denna teknik används framförallt i små mobila enheter som mobiltelefoner och förekommer inte i några större batterier med högre kapacitet. Det finns även celler med nickel, kobolt och aluminium, kallat NCA som NMC har en hög specifik energi men lägre livslängd och högre kostnad. Likt LCO så är säkerheten även bland de sämsta. (Battery University, 2017) Det förekommer även andra tekniker än de som nämns här men de flesta är en vidareutveckling av någon av dessa tekniker. Exempelvis finns det LFYP celler som är LFP med ett tillskott av yttrium för att förbättra eller förändra vissa egenskaper. 15

23 2.4 Växelriktare Grundläggande begrepp Eftersom batteriet endast kan leverera likström måste den först kopplas till en växelriktare. Växelriktarens uppgift är att omvandla likströmmen till växelström samtidigt som den ökar spänningen upp till 230 V. Detta är viktigt eftersom mer eller mindre alla moderna hushållsmaskiner, hemelektronik och liknande kräver i regel växelström och en betydligt högre spänning för att fungera. (The Inverterstore, 2017) Det går således inte att enbart att koppla in batteriet direkt på ledningen in till byggnaden. Först och främst eftersom spänningen är för låg men även för att ledningen och de inkopplade enheterna oftast inte är anpassade för likström. En modern växelriktare måste kunna klara av ett stort spann av effektbehov, från en liten last som exempelvis en lampa till en mycket stor last som kanske en värmepump eller en spis. Samtidigt så måste växelriktaren noggrant reglera kvaliteten av sin utgående ström inom väldigt små marginaler. För att välja rätt växelriktare måste först behovet definieras. För att göra detta finns det ett antal kriterier eller faktorer att utgå ifrån. (Solar-Electric, 2008). Första steget är att bestämma vars och vad växelriktaren ska användas till. Växelriktare kan användas både inomhus och utomhus men kräver då olika säkerhetsstandarder. En växelriktare som är avsedd för utomhusbruk måste exempelvis kunna vara vind- och vattentålig samtidigt som den måste kunna tåla mer extrema temperaturer jämfört med en modell som endast är avsedd för inomhusbruk. Därefter måste det tas reda på vilka elektriska standarder som gäller. Växelriktarens utgående ström måste matcha den elektriska standarden som råder i det område där den ska användas. I Sverige används växelström med 50 Hz och nominell spänning på 230 V i alla vanliga eluttag. (Elsäkerhetsverket, 2009) För 3-fas-ledningar räknas spänningen till 400 V men består egentligen av tre fasförskjutna 230 V ledningar. Vidare så måste växelriktaren vara testad och godkänd av ett oberoende testlaboratorium och stämplad därefter för att säkerställa att den klarar av tillverkarens specifikationer samt att den är säker. Ett av de viktigaste kriterierna är hur mycket effekt som växelriktaren kan hantera. Effekten mäts i Watt och kan enkelt beräknas genom att multiplicera växelströmmen med spänningen. Effekten kan delas in i tre olika behov: - Kontinuerlig effekt. Detta är den effekt som växelriktaren kan leverera kontinuerligt utan någon tidsbegränsning. I regel så är det denna effekt som är angiven av tillverkaren när man söker efter en lämplig modell. Detta kan ses som baseffekten för att exempelvis kunna hålla ett hus belyst och uppvärmt. - Tidsbegränsad effekt är den effekt som växelriktaren kan klara av under ett kortare tidsintervall, ca 20 minuter. Det kan vara en effektökning då exempelvis en mikrovågsugn används eller en vattenkokare. Det är viktigt att kontrollera vid vilken omgivningstemperatur som denna effekt är refererad till. En högre omgivningstemperatur leder till att växelriktaren överhettas och stänger av sig snabbare. - Toppeffekt. Denna effekt är avsedd för att tillåta så kallade induktiva laster som uppstår vid precis vid uppstarten hos exempelvis ugnar, tvättmaskiner och element. Toppeffekten uppstår bara under ett kort ögonblick men själva effekten kan vara uppemot det dubbla jämfört med den kontinuerliga effekten. 16

24 Växelriktarens strömkvalité är också viktig. Växelriktare kan producera en så kallad ren sinusvåg medan vissa producerar en modifierad sinusvåg eller även kallad modifierad fyrkantsvåg, se figur 9. En sinusvåg är den ideala formen hos växelström och om växelriktaren kan replikera denna så anses strömkvalitén vara bättre. (Solar-Electric, 2008) En växelriktare som kan producera en ren sinusvåg kan driva i princip alla laster. Kan den bara producera en fyrkantsvåg så kan nyare elektronik ta skada eller inte fungera överhuvudtaget. Figur 9 - Illustrerad skillnad mellan ren- och modifierad sinusvåg. Renheten i växelriktarens sinusvåg mäts i Total Harmonic Distortion (THD) eller bara distorsion på svenska. För att kunna vara säker på att kunna driva all elektronik så bör THD vara lägre än 6 % och har man extra känslig utrustning så bör den inte vara högre än 3 %. (Solar-Electric, 2008) Spänningens effektivvärde har också en inverkan på kvaliteten men kanske inte är lika viktig. I och med sinusvågens geometri så uppstår det även spänningstoppar med jämna intervall och dessa kan leda till flimmer i bland annat belysning. För att belysningen ska vara stadig bör effektivvärdet ligga runt +/- 5 % av effektivvärdet. (Solar-Electric, 2008) En växelriktare som kan producera en ren sinusvåg är dyrare men en modifierad fyrkantsvåg kan reducera effektiviteten hos motorer och transformatorer som är kopplade till exempelvis datorer eller kylskåp med upp till %. Reduceringen i effektivitet leder i sin tur till ökade värmeförluster vilket kan påverka livslängden hos anslutna enheter. (Solar-Electric, 2008) Verkningsgraden hos strömriktaren är också något som bör beaktas. Det uppstår alltid förluster i växelriktare i form av värme. Med växelriktare så kan verkningsgraden även variera beroende på vilken last som behövs. För typiska växelriktare så är verkningsgraden som högst när lasten ligger runt % av dess maximala kapacitet. För lägre laster så kan verkningsgraden sjunka ner till 50 %. (Solar-Electric, 2008) Det är därför viktigt att kontrollera verkningsgradskurvan från tillverkaren och samtidigt bedöma vilken last den kommer att tillgodose mest. (The Inverterstore, 2017) Den sista faktorn är priset. En växelriktare som är billigare men har ofta en sämre kvalité som kan bidra till en högre livscykelkostnad för hela systemet jämfört med en dyrare modell. En jämförelse mellan liknande växelriktare som uppfyller grundkraven kan därför vara nödvändig för att hålla nere kostnaderna. 17

25 2.5 Batterier i framtiden I och med elbilens framfart och den ökade efterfrågan att lagra förnybar energi så fortsätter batterier att utvecklas med ökade investeringar årligen. Sedan 2011 har drygt 19 miljarder dollar investerats i energilagring men investeringarna i nästa generations batteri är mycket liten, endast 40 miljoner dollar. (MIT Technology Review, 2016) En anledning till detta beror på att det finns så många olika tekniker och material som alla erbjuder liknande fördelar och nackdelar jämfört med dagens batteriteknik att det blir svårt för investerare att bestämma vilken teknik man vill satsa på. Dessutom så tar det väldigt lång tid för nya tekniker att bli kommersiellt tillgängliga. Enligt Avicenne Energy tar det år enbart för att introducera ett nytt material på en befintlig batteriteknik. (Avicenne Energy, 2017) Det finns otaliga batteritekniker som är under utveckling, exempelvis solid-state celler med en solid elektrolyt istället för flytande, saltvattenbatterier som generar elektrisk energi genom att passera ett speciellt membran, skumbatterier som använder olika metaller formade till en skumliknande struktur för att öka kontaktarean. Denna litteraturstudie fokuserar på batterier som förväntas vara tillgängliga inom 5 15 år och vars användningsområde potentiellt kan anpassas till projektets syfte Nära framtid Detta avsnitt listar de tekniker som redan finns kommersiellt tillgängliga eller förväntas bli det inom de närmsta fem åren Li-jon Trots att Li-jon batterier har varit kommersiellt tillgängliga i över 25 år anses tekniken fortfarande vara den bästa även inom de närmsta fem åren. Det läggs stora summor på att förbättra tekniken, där experter anser att lagringskapaciteten kan öka med 6 7 % årligen. (Visual Capitalist, 2017) För att åstadkomma detta fokuserar tillverkare bland annat på att effektivisera tillverkningsprocessen samt tillverka större celler med inbyggda kylsystem som gör att man kan få plats med mer material per batteri. (Visual Capitalist, 2017) Katodmaterial har även stor inverkan och många av de senaste årens framsteg inom Lijonteknik har tillkommit tack vare att tillverkare har förfinat sammansättningen av de olika materialen. Det forskas även mycket på olika kristallstrukturer hos katoderna för att kunna lagra maximalt med litiumjoner. (Visual Capitalist, 2017) Som tidigare nämnt så forskas även mycket om anodmaterial. Skulle batterier kunna använda kiselanoder istället för grafit skulle den teoretiska kapaciteten öka upp till 10 gånger. Problemet med kisel är att materialet expanderar vid laddning och urladdning och tillverkare som exempelvis Tesla arbetar på att integrera exempelvis nanotrådar av kisel i anoden och kan redan nu visa positiva resultat. (Visual Capitalist, 2017) Natrium-jon (Na-jon) Natrium-jon, eller saltvattenbatterier har funnits sedan 2014 och tillverkades av Aquion Energy. Då kunde tekniken jämföras med ett bly-syra batteri när det gäller kostnad och 18

26 kapacitet kunde forskare visa upp en Na-jon cell i samma format som li-jon celler och den franska organisationen RS2E planerar att massproducera dessa år (New Atlas, 2015) Na-jon celler fungerar på samma sätt som Li-jon men använder, som namnet antyder, natriumjoner istället för litiumjoner för att lagra energi. Dessvärre går det inte att använda samma anod- och katodmaterial som Li-jon celler eftersom natriumjoner och grafit har svagare bindningar jämfört med litium. Men genom att använda så kallat hårt kol har tillverkare ändå lyckats komma upp i samma kapaciteter som LFP celler. (New Atlas, 2015) Fördelen med denna teknik är att tillverkare kan utnyttja samma tillverkningsteknik som redan används för Li-jon celler. Natrium är dessutom väldigt vanligt förekommande jämfört med litium vilket borde leda till billigare batterier. Na-jon celler kan dessutom laddas ur helt och hållet utan att cellerna tar skada samt att de är betydligt säkrare jämfört med Li-jon celler. (EASE) Nackdelen är att livslängden sett till laddcykler inte är tillräckligt lång och är det område som det forskas mest på vad gäller denna teknik. RS2E som nämndes tidigare förväntar dock att deras celler ska kunna klara upp emot 2000 laddcykler eller en kalendarisk livslängd över 10 år utan något större förlust i effekt eller kapacitet. (CNRS News, 2015) Överskådlig framtid Detta avsnitt behandlar de tekniker som forskare anser som de mest lovande inom de kommande 15 åren Litium-sulfat (Li-S) Precis som Li-jon och Na-jon batterier så består Li-S batterier av två elektroder som är separerade av en separator och elektrolyt som tillåter jonvandring. Anodmaterialet består precis som Li-jon av grafit men katoden består istället av kisel som är betydligt billigare jämfört med andra material som används i Li-jon celler, exempelvis kobolt, nickel och mangan. (AAAS, 2018) Problemet med kisel är att det inte är elektriskt ledande och därför går det inte använda en katod som består av rent kisel. Men tack vare en katod av grafen som fungerar som en supraledare har forskare lyckats binda kisel så att det kan leda ström och genom ett väldigt tunt polymerlager lyckades forskare öka cellens livslängd upp till 1500 laddcykler. (AAAS, 2018) Fördelen med denna teknik är att dess energidensitet är betydligt högre jämfört med Lijon batterier, upp till 500 Wh/kg jämfört ca 200 Wh/kg. (EASE) Tekniken är inte kommersiellt tillgänglig ännu men det bedrivs tester bland annat med drönare, flygplan och satelliter. Sony som lanserade det första kommersiella Li-jon batteriet förväntas lansera sina Li-S batterier år (Tawaki Battery, 2018) Det finns dock många problem som måste lösas. En nackdel är att cellerna kan kortslutas genom dendritbildning. Kisel kan även expandera upp till 80 % av sin ursprungliga volym vid laddning vilket kan ge problem. Vidare är urladdningskurvan inte lika plan som Li-jon celler vilket medför att det behövas en kontrollenhet som reglerar spänningen så den hålls jämn, förutsatt att forskarna inte hittar någon annan lösning på problemet. (AAAS, 2018) 19

27 Metall-luft (M-Air) Metall-luft batterier är ytterligare en teknik som förväntas ersätta dagens Li-jon batterier. M-Air celler bygger på samma princip som Li-jon med en elektrod bestående av en metalloxid såsom litium, zink, aluminium, järn eller natrium. Den andra elektroden består av ett väldigt poröst kol som innehåller syreatomer och en katalysator. (EASE) Vad gäller elektrolyten så finns det hittills tre olika typer: - Aprotisk Lösningsmedel som exempelvis etylenkarbonat innehållande litiumjärn-fosfat (LFP) eller samma elektrolyt som används i konventionella li-jon batterier men i geléform. - Vatten Salter av exempelvis litium eller natrium som är lösta i vanligt vatten. Problemet med dessa är att litium och natrium är alkaliska metaller och reagerar kraftigt med vatten och därför krävs en solid SEI mellan elektrolyten och elektroden. - Solid Elektrolyten består av ett hårt material som exempelvis keramiskt glas, glas eller något annat keramiskt material som tillåter jonvandring. Fördelen är att elektrolyten eliminerar risken för brand vid yttre våld då den inte är brännbar. Nackdelen är att jonkonduktiviten är betydligt lägre jämfört med de övriga alternativen. Den absolut största fördelen med denna teknik är dess energidensitet. Eftersom det endast finns protyper för tillfället används den teoretiska energidensiteten som varierar beroende på vilken metall som används. För litium-air celler är dess teoretiska energidensitet 5200 Wh/kg, 26 gånger mer. Forskare förutspår dock att den verkliga energidensiteten hamnar runt gånger mer jämfört med li-jon. (Visual Capitalist, 2017) Används istället natrium som både är billigare och inte har samma miljöpåverkan hamnar dess teoretiska energidensitet runt 1700 Wh/kg vilket fortfarande betydligt högre jämfört med dagens batteriteknik. (EASE) Nackdelen med tekniken är att vanlig luft inte är tillräckligt ren för att användas i batteriet utan måste filtreras först vilket leder till ökade kostnader. Den förmodligen största nackdelen är dess korta livslängd som endast uppgår mot 50 laddcykler i laboratorietester. (Visual Capitalist, 2017) Eftersom tekniken är i ett så pass tidigt skede så förväntas den inte vara mogen för kommersiellt bruk förrän om år. (EASE) 20

28 3 Metod Detta avsnitt beskriver hur de den teoretiska uppställningen har utformats och genomförts. 3.1 Referensobjekt Referensobjekten syftar till tre olika årsförbrukningsnivåer; kallställd villa, sommarstuga/mindre villa och normal villa. Första steget var att samla information om de tre valda objekten för projektet. Data som är viktig för projektet är dess årsförbrukning, dygnsförbrukning och snittförbrukning av elenergi per timme. Dessutom behövs information om vilka säkringar som gäller samt dimensioner på ledningarna från anslutningspunkten in till husets säkringsbox. Årsförbrukningen för de tre objekten togs fram med hjälp av ett nätinformationssystem, NIS. NIS används av Skellefteå Kraft för att visualisera och dokumentera både elnät samt abonnenter. NIS användes även för att ta fram information om säkringar på ingående anslutning samt vilka ledningar som används. För att få reda på dygnsförbrukningen togs data från respektive abonnents elmätare och sammanställdes i ett Excel-dokument. De datapunkter som hämtades var tidpunkt samt mätarställning av elmätaren från den aktuella tidpunkten. Från det beräknades energiförbrukning samt tid mellan mätpunkterna enligt ekvation 1 och 2. Energiförbrukning [kwh] = ΔMätarställning[kWh] (1) Tidsåtgång[h] = ΔTidpunkt för mätdata (2) Resultatet från ekvationerna ovan användes sedan för att beräkna snittförbrukningen per timme mellan mätpunkterna enligt ekvation 3. Energiförbrukning/timme[kWh/h] =?@ABCDEöBFBGH@D@C[HIJ] KDLMåNCå@C[J] (3) Ekvation 3 användes på samtliga mätdata förutom den första då ingen föregående information finns tillgänglig. Sedan beräknades medelförbrukningen av elenergi enligt ekvation 4. Medelförbrukning/timme[kWh/h] =?@ABCDEöBFBGH@D@C/NDPPA [HIJ/J] QäNRG@HNAB[@] (4) Med hjälp av både ekvation 5 och 6 kan sedan dygnsförbrukningen och medelförbrukningen av elenergi per dygn beräknas, enligt följande: Dygnsförbrukning[kWh] = Energiförbrukning/timme[kWh/h] 24[h] (5) Medeldygnsförbrukning[kWh] = Medelförbrukning/timme[kWh/h] 24[h] (6) 21

29 Mätdata för de tre objekten fanns tillgängliga för 12 månader tillbaka. Eftersom energibehovet varierar så mycket beroende på årstid togs beslutet att dela upp medelförbrukningen efter årstid. Denna metod möjliggör att batterier kan dimensioneras efter ett bästa och sämsta scenario för respektive objekt. Årstider kan definieras på två sätt; meterologisk eller astronomisk. Från ett meteorologiskt perspektiv infaller vintern i Sverige när dygnsmedeltemperaturen är under 0 C fem dagar i följd. Sommar infaller när dygnsmedeltemperaturen är högre än +10 C fem dagar i följd. Det anses vara vår när temperaturen är över 0 C i sju konsekventa dagar och höst när temperaturen är under +10 C i fem dagar. Vad gäller den astronomiska årstiden infaller dessa på givna datum beroende på givna datum oavsett klimat. (SMHI, 2018) Eftersom energiförbrukningen har ett starkt samband med rådande utomhustemperatur valdes den meteorologiska årstiden som lämplig metod. För att bestämma när varje årstid inträffar användes SMHI:s Årstidskarta, illustrerad till höger. Eftersom SMHI har samlat på sig information om de olika årstiderna under flera år kan man tack vare årstidskartan till höger ta fram datum när årstider normalt inträffar. (SMHI, 2018) I detta projekt är dessa datum baserade på Skellefteå plats även om referensobjekten nödvändigtvis inte befinner sig på samma ort. Figur 10 SMHI:s årstidskarta. Källa: SMHI. Dygnsförbrukning hämtades från respektive referensobjekt och sammanställdes baserat på årstider i Excel. Mätdata plottades sedan i grafer för att ge en visuell bild av hur förbrukningen förändras över tid. Sedan togs medelförbrukningen av elenergi per dygn fram genom ekvation 7 nedan. Medelförbrukning/dygn[kWh] = XöBFBGH@D@C/LYC@[HIJ] QäNRG@HNAB[@] (7) 3.2 Batterier Baserat på lärdomar från litteraturstudien valdes fyra batterialternativ. Alternativen kunde delas upp i två grupper, hög nominell spänning och låg kapacitet eller låg nominell spänning och hög kapacitet. Detta betydde att två alternativ kunde jämföras direkt mot varandra men även att samtliga fyra alternativ också är jämförbara. Vid valet av batterier fokuserades tre viktiga data för projektet: nominell spänning, kapacitet och vikt. Dessa data hämtades från tillverkare, datablad och återförsäljare. 22

30 3.3 Växelriktare Vid val av växelriktare var första steget att ta reda på hur stor den maximala effekten är för de olika objekten. Dessvärre fanns ingen data tillgänglig och därför beslutades det att huvudsäkringarna till objektet markerar den maximala effekten. NIS användes för att ta reda på huvudsäkringarna för respektive objekt, sedan användes ekvation 8 för att beräkna den maximala effekten. P Q[\ = V^_ A JGaGLMäHBD@C (8) P max är den maximala effekten som kan tas ut utan att säkringen går. V ac är växelströmmens spänning och alltid 230 volt i Sverige. A huvudsäkring är säkringens storlek, givet i ampere. Det maximala effektbehovet jämförs sedan med växelriktarens kontinuerliga effekthantering. I detta projekt dimensionerades växelriktaren efter högförbrukarens effektbehov för att få en universal lösning som kunde fungera för alla tre referensobjekt. Två olika växelriktare valdes och jämfördes i detta projekt. Den första växelriktaren kan hantera 3-fas-matning själv medan det andra alternativet består av tre identiska växelriktare som tillsammans ansvarar för en fas vardera. Vid val av växelriktare lades även ett stort fokus på enhetens vikt eftersom den skulle kunna bäras av en eller två montörer och eftersom växelriktaren kommer att befinna sig utomhus var det även viktigt att ta reda på dess operativa temperatur samt dess IPklassning. Data för växelriktarna hämtades på samma sätt som batterierna. 3.4 Försöksuppställning I projektet har två försöksuppställningar genomförts. Den första använde en växelriktare som kan hantera 3-fas själv. Den andra uppställningen använde tre stycken växelriktare som ansvarar för en fas vardera och sedan kopplas ihop. Denna uppställning bygger på att varje växelriktare har en egen batteribank och att sedan växelriktarna tillsammans kommunicerar med varandra för att fördela lasten jämt över alla faser. För denna uppställning gjordes antagandet att lasten fördelas exakt jämnt, d.v.s. det finns ingen svag länk, samt inga förluster uppstår med denna konfiguration. Batterier kan kopplas ihop på tre sätt; serie, parallellt eller serie/parallellt. Kopplingarna påverkar vad batterierna kan mata ut till växelriktaren. Kopplas batterierna i serie så ökar dess nominella spänning, d.v.s. V DC. Kopplas batterierna parallellt ökar deras kapacitet, d.v.s. Ah/Wh. Kopplas de serie/parallellt ökar både nominell spänning och kapacitet, se figur 11 nedan. Figur 11 - Kopplingsschema för batteribank. 23

31 Dessa kopplingar medför att man kunde välja batterier med hög kapacitet men låg nominell spänning eller vice versa och ändå kunna koppla ihop den till en batteribank som fungerar med den valda växelriktaren. I detta fall är det viktigt att välja batterier med samma nominella spänning eller kapacitet eftersom olika batterier medför att det inte går att utnyttja de bästa batteriernas potential till fullo. Batteribanken bör inte bestå av mer än två parallellkopplade strängar eftersom detta resulterar i ojämn urladdning för de batterier som befinner sig i mitten av kretsen. (Rimstar, 2011) Försökuppställning 1 Först ritades ett kopplingsschema för respektive alternativ för att enklare kunna visualisera hur batterierna ska kopplas ihop. Figur 12 till höger illustrerar den teoretiska uppställningen med de batterier som parallell-kopplas. Antalet batterier varierar som tidigare nämnt beroende på det uppskattade energibehovet för respektive referensobjekt och årstid. Figur 12 - Uppställning med en växelriktare. Figur 13 nedan visar den teoretiska uppställningen för de batterier som behöver seriekopplas. Antalet batterier som behövs seriekopplas beror på hur hög ingående spänning som krävs. Figur 13 - Uppställning med en växelriktare och batterier i serie Försökuppställning 2 Denna uppställning använde tre stycken växelriktare med varsin batteribank. Batteribanken består av parallellkopplade högspänningsbatterier, se figur

32 Figur 14 - Uppställning med tre växelriktare. 3.5 Batteridimensionering I Sverige måste nätägare följa de bestämmelser som återfinns i ellagen vad gäller leveranssäkerhet och dylikt. Ellagens föreskrifter säger att inga avbrott får överstiga 24 timmar. För Skellefteå Kraft Elnät var den genomsnittliga avbrottstiden för alla kunder som drabbades av långa avbrott, d.v.s. avbrott över 3 minuter, under 2016 strax över 6 timmar. Men av dessa varade drygt 4900 avbrott längre än 12 timmar. (Energimarknadsinspektionen, 2017) Baserat på detta bestämdes att batterierna ska vara dimensionerade så att de klarar att förse hushållen med ström under minst 12 timmar. Detta betyder även att tekniker har gott om tid på sig att identifiera, planera och åtgärda fel även om det råder ogynnsamma förhållanden utan att kunden drabbas. För att bestämma batteriets önskade kapacitet användes medelförbrukningen under ett dygn och delades med hälften, enligt ekvation 9. Energibehov dej [kwh] = QALAfEöBFBGH@D@C/LYC@[HIJ] e (9) Batteriets kapacitet är antingen angiven i amperetimmar (Ah) eller wattimmar (Wh). Eftersom medelförbrukningen är i wattimmar så måste batteriets kapacitet räknas om från Ah till Wh ifall den inte finns angiven. För att göra detta används ekvation 10. Wh = V g_ Ah (10) För att beräkna de olika batterialternativens kapacitet, i detta projekt kallat E batteri, användes ekvation 11. E F[NNABDd,e [kwh] = i jk ^J glg h dmmm (11) Verkningsgraden h syftar till växelriktarens verkningsgrad och DOD är angivet av batteritillverkaren. 25