Sammanställning av lösningar för (el)energilager på fastighetsnivå

Sammanställning av lösningar för (el)energilager på fastighetsnivå Anna Nordling, Claes af Burén, Ingrid Nohlgren WSP Sustainable Innovation 2017-03-09

Agenda 2 Inledning Bakgrund och syfte Fastighetsnära ellagringstekniker Ellagringstekniker Presentation av ellagringstekniker Teknikutveckling Prisutveckling Elektrokemiska lagringstekniker Litium-jon batterier Blysyra batterier Flödesbatterier Natrium-Svavel batterier Metall-Luft batterier Kemiska lagringstekniker Vätgas Termiska lagringstekniker Sensibel värmelagring Marknadslösningar Pilot och Demonstrationsprojekt Referenser

Bakgrund och syfte 3 Bakgrund Sustainable Innovation AB är ett icke vinstdrivande företag som ägs av Föreningen för energieffektivisering (Effekt), och driver över 20 utvecklingsprojekt. Dessa projekt fokuserar på mobilitet, bebyggelse och smarta system, och stödjer hållbara innovationer genom att skapa samverkan mellan medlemsföretag, forskare och entreprenörer. Ett av de projekt som Sustainable Innovation driver är projektet Intelligent Energy Management Challenge (IEM), en internationell innovationstävling som nu är inne i verifieringsfasen där de fyra vinnarna i innovationstävlingen ska testa sina lösningar i verklig miljö ute hos kommuner och företag. Målet med tävlingen och verifieringsfasen är att få fram nya, flexibla lösningar där byggnaders energisystem anpassas till att solenergi i större utsträckning kan användas och lagras lokalt. Som en del i IEM-projektet önskar man en analys av den framtida marknaden för IEM lösningar samt en sammanställning av lösningar för (el)energilager på fastighetsnivå. Syfte En analys av den framtida marknaden för IEM lösningar samt en sammanställning av lösningar för (el)energilager på fastighetsnivå. Sammanställningen av lösningar och utvecklingen av (el)energilager på fastighetsnivå fokuserar på tillgängliga tekniker, pågående utveckling och demonstrations/pilot projekt. Frågeställningar 1. Tillgängliga elenergilagringstekniker för fastighetsnära applikationer 2. Pågående utveckling 3. Demonstrations/pilot projekt

Vad är fastighetsnära Ellagringstekniker? 4 Varför elenergilager? Kostnadsoptimering utifrån timprisavtal eller liknande Minskat effektuttag vid topplast lägre energi och/eller nätkostnad Ökat utnyttjande av lokal egenproduktion t.ex. vind och sol Egen reservkraft och möjlighet att hantera särskilda krav på elkvalitet Stöd till lokala mikronät i byggnader eller områden. Vad är fastighetsnära? Bakom en elmätare Kan vara hushåll, industrier, kommersiella fastigheter osv. Kritiska faktorer? Teknikmognad Skalbarhet Kostnadsutveckling Marknadsutveckling Vilka krav ställs på lagret? Kostnad Säkerhet Energidensitet Effektivitet Livslängd Vad kan det innebära? Klara och parera dagliga variationer Aggregering av små lager för att avhjälpa distributionsbehov (kapacitets-problem och reduktion av förluster) Lokal produktion och konsumtion, förändring i beteende, ökat värde av lokal produktion

Flertalet ellagringstekniker 5 Teknikområde Teknik Beskrivning Huvudsakliga fördelar Huvudsakliga nackdelar Fastighetsnära Elektrokemisk Bly-syra batterier Består vanligtvis av bly(oxid) samt elektrolyt av svavelsyra/vatten Flödesbatterier Natrium Svavel (Smält Salt Batterier) Litium-Jon Batterier Flytande elektroder som ej behöver finnas i cellen. Består av flytande natrium och svavel Samlingsnamn för litium-karbonat batterier men med varierade katoder och anoder Mekanisk Pumpvattenkraft Vatten pumpas från en reservoar på låg höjd till en reservoar på högre höjd Tryckluft (CAES) Komprimerar luft som förvaras i en reservoar Robusta med låg kostnad, kommersiellt Oberoende effekt och energi dimensioneringar Skalbart Effektivt med hög energi-och effektdensitet, kommersiellt Effektivt, hög energi och effektdensitet kommersiellt Storskaligt, kommersiellt, mogen teknik Kostnadseffektivt, storskaligt, skalbart Svänghjul Lagrar kinetisk energi Bra effektdensitet, skalbart, snabb responstid, lång livslängd och hög effektivitet Elektrisk Supraledande magneter Magnetisk lagring m h a supraledare Superkondensatorer SMES:Super-conductiong Magnetic Energy Storage) Lagring i en kondensatorer Bra effektdensitet, snabb responstid & effektivitet Bra effektdensitet, snabb responstid & effektivitet Låg energitäthet, få cykler och kort livslängd Hög kostnad och inte helt kommersiellt Osäkert, kräver konstant upphettning och har lägre urladdningshastighet Kostnad och säkerhet Påverkar omgivande miljö, geografiska krav Kräver rejäla lagringsutrymmen, låg verkningsgrad utan upphettning Endast kortare lagring Låg energidensitet och hög kostnad, större installationer blir mycket tunga Låg energidensitet och hög kostnad, inte helt kommersialiserat Kemisk Vätgas Genom elektrolys skapas vätgas Skalbart, hög energidensitet Säkerhet, låg effektivitet, kostnad Ja Metan eller syntetisk naturgas Vätgas används i en sabaatierreaktion för produktion av metangas Termisk Latent värmelagring Värmelagringsmediet genomgår en fasomvandling (t.ex smält salt) Sensibel värmelagring Energi lagras i ett medium Mogen teknik, skalbart, ekonomiskt Skalbart, hög energidensitet Säkerhet, låg effektivitet, kostnad Nej Låg kostnad, storskaligt Får ej frysa och är frätande Nej Låg energidensitet Ja Ja Eventuellt (Mikronät) Ja Nej Nej Nej Nej Nej Ja Det finns ett flertal ellagringstekn iker som har olika förmågor som effekt- och energidensitet, livslängd, effektivitet, responstid mm som gör att de lämpar sig för olika applikationer Tabellen beskriver de olika ellagringstekn ikerna och deras huvudsakliga fördelar och nackdaler Genom de olika teknikernas funktion har studien avgränsats till ett antal av ellagringstekn iker som kan anses fastighetsnära Källor: IVA 2015, Irena 2016,

Frekvens och duration Teknikmognad Urladdningstid vid bibehållen effekt Ellagringsteknikernas teknikutveckling 6 Urladdningstid och energikapacitet. Teknikutveckling Teknikerna har olika förmåga att leverera bibehållen effekt vid olika tidshorisonter. Där Power-to-gas (Vätgas) med hög energikapacitet kan leverera bibehållen effekt på upp till 1 år men har inte förmåga att leverera under timmen, där t.ex. batterier, svänghjul och superkapacitatorer fungerar bättre och kan leverera en lägre energikapacitet. Energikapacitet E2P eller energy to power anger förhållandet mellan installerad kapacitet och installerad effekt? Ju högre E2P desto längre kan tekniken leverera bibehållen effekt, där t.ex. Power to gas (vätgas) med en E2P på 200 kan leverera längre perioder med bibehållen effekt medan svänghjul med en E2P på 0,25 endast kan leverera under minuter. Teknikerna har uppnått olika delar av mognadsgrad där syntetisk naturgas och vätgas fortfarande ligger i utvecklingsfasen medan pumpvattenkraft och Litium-jon är mogna tekniker. Visar på att det oftast inte finns en optimal ellagringsmetod utan att det behövs en kombination. Långtidslagring Veckor till månader: E2P: 50-500h Vätgas (PtG), Sensible/Latent thermal Säsongslagring Överbrygga perioder med låga nivåer av förnyelsebart Tidshorisont Daglig: Timmar till dygn: E2P: 1-10h Korttidslagring: Sekunder till minuter: E2P 0,25h Batterier, Pumpkraftverk,Termisk lagring, Redox Flow Svänhjul, Supercapacitorer Nättjänster Kompensera för skillnader över dygnet Jämna ut förnyelsebara energikällor Utnyttja prisarbitrage Källor: Urladdningstid och energikapacitet & Frekvens och Duration egen omarbetning från World Energy Council 2016, Marknadsutveckling World Energy Council 2016, Teknikmognad: IVA 2015

Ellagring lönsamhet 2 studier 7 Power Circle- Lokala Energilager i distributionsnäten McKinsey lönsamhetspotentialer för elenergilagring med Litium-Jon Batterier Studien visade på en stor potential i att minska fastigheters fasta abonnemangsnivåer genom säkringsnivåerna. Med gemensamma batterier om 0,8-1,3 kwh/lägenhet kan toppeffekten för lägenhetshus minskas med 40 %. Besparingar sker i två steg, först en kollektivmätning och sedan ett gemensamhetbatteri. Återbetalningstid är 5-7 år. Villor har en längre återbetalningstid på 16 år för ett batteri som minskar toppeffekten med 40 % och som värms med fjärrvärme eller värmepump. Studien visar på stora skillnader i lönsamhet för batterilagring i USA. Skillnaden baseras inte enbart på byggnadstyper utan på deras varierande energianvändning vilket kan bl.a. bero på olika kunder. Flera lagringstekniker är lönsamma för frekvensreglering, i kombination med småskaliga solcellsanläggningar, nätanslutna förnyelsebara energikällor samt lasttopsstyrning (demand-charge management) 58 % av de lönsamma byggnaderna står för 71 % av efterfrågan och ett genomsnittligt lönsamt batteri är på 31kWh Toppeffektsstyrningen är lönsam vid $9 per kw men som förändras till $4-$5 kw 2020 pga. teknik och prisutvecklingen av batterier. Småskaliga och fastighetsnära kombinationer av solceller kräver idag specifika marknadsmekanismer och stöd för att vara lönsamma. Lönsamheten varierar mellan olika fabrikat av Litium-jon batterier, främst beroende på vilka tekniska specifikationer som eftersträvas. För lasttopsstyrning och fastighetsnära solcellsanläggningar är vissa bly-syra batterier mer lönsamma. Vissa flödesbatterier är även mer lönsamma än litium-jon för vindkraftsparker för tidshorisonter längre än 1 timme. Källor: Power Circle 2016, McKinsey 2016

Batterisystemet Elektrokemiska ellagringstekniker eller batterier 9 Huvudsakliga karaktärsdrag Elektrokemiska ellagringstekniker är det område som utvecklas och forskas mest om av alla lagringsområden. Batterierna kan delas in i två grupper; Låg temperaturbatterier som t.ex. Litium-jon & blysyrabatterier Hög temperaturbatterier som t.ex. salt svavel & flödesbatterier En stor fördel har varit deras energidensitet och användningsbredd, som ger både små- och storskaliga lösningar. Största utmaningen är kostnaden men som förväntas minska snabbt pga. skalfördelar, mängden och bredden av applikationer som t.ex. till bilar osv. Tillgången på komponentmaterial är dock en avgörande faktor för batteriets hållbarhet och slutgiltiga kostnad. Marknaden har rört sig från salt-svavel batterier till litium-jon och avancerade bly-syra batterier under de senaste åren Batteriers uppmärkta kapacitet är av olika orsaker oftast inte dess användbara kapacitet (Irena2) En nackdel är att batterisystem på olika sätt kräver en kontrollerad temperatur för att inte dess egenskaper ska påverkas. Källor: Huvudsakliga karaktärsdrag: IVA 2016, IRENA 2016. Batterisystemet: Egen omarbetning av IRENA 2015, Bild: Pixabay Estimerad Kostnadsutveckling: IRENA 2015

Historisk utveckling av installerad kapacitet Estimerad kostnadsutveckling SEK/kWh 1700 2550 2975 5100 4675 4575 4675 4675 4574 4250 4250 5780 Elektrokemiska ellagringstekniker eller batterier 10 Marknadsutveckling Trots att flera bedömare är överens om att elektrokemiska ellagringstekniker kommer att utvecklas kraftigt framöver så skiljer sig flera av värderingarna åt. Nedan anges två exempel på framtida marknadsvärderingar: Saltvattenbatterier, ett batterisystem utan jordartsmetaller och tungmetaller utvecklas bl.a. av Aquion Energy. Företaget meddelande under 2016 att batterikostnaden kommer att halveras inom fyra år och därmed leverera ett batteri som kostar 1800 kronor per kwh. Enligt IRENA (2015) förväntas batterilagring att globalt öka från 1 GW till 250 GW år 2030. Det innebär en marknaden för batterilagringstekniker kommer att öka från 10,8 miljarder kronor (2015) till 118 miljarder kronor (2020) Enligt Bloombergs New Energy Outlook 2016 kommer batterimarknaden att explodera framöver där batterilagringsmarknaden värderas till 2250 miljarder kronor (2040). Vidare kommer småskaliga solcellsanläggningar i kombination med batterilagring att bli vanligt 2020 och globalt stå för 10 % av den installerade kapaciteten 2040 eller 1,795 TWh bakom mätaren. I Europa innebär det en marknadsutveckling av kombinerade system med 405%. Flera företag som bl.a. Kreisel och Capacitor Sciences utlovar batteripriser på mellan 900-1800 kronor per kwh i konkurrens med Teslas batteripaket på 1800 kronor per kwh. Bloomberg bedömer att i och med den ökande andelen batteribilar med bättre prestanda och batterier kommer ett inflöde av batterier från andrahandsmarknaden att öka kraftigt under de närmsta åren. Vilket leder till en ökad användning av lokala energilager under de närmsta åren. ALABs Litium-Jon Flödesbatterier Natrium Svavel 2014 2017 2020 Källor: Marknadsutveckling: IRENA 2016. Historisk Utveckling IRENA 2015, Estimerad Kostnadsutveckling IRENA 2015

Kostnadsutveckling Större producenter av Litium-Jon batterier + I Forskningoch nuläge Litium-jon Batterier 11 Huvudsakliga fakta Används till konsumentapplikationer som mobiler, datorer och andra elektroniska produkter. Batterier med olika kemiska sammansättningar som använder en elektrolys av litium karbonat. Batterierna har god förmåga att ta tillvarata ofullständiga laddningar under längre perioder Samt passar till applikationer som kräver korta urladdningstider men med bibehållen effekt, vilket gjort det bra för bl.a. frekvensreglering. Kostnaden har sjunkit drastiskt genom dess popularitet och flertalet användningsområden. En kostnadsdrivare är de speciella krav som ställs för vissa applikationer som t.ex. fordon. Men genom en ökad standardisering och skalfördelar i produktionen kommer priserna sjunka ytterligare vilket gynnar fastighetsnära investeringar. Säkerhet har varit en stor utmaning, då kombinationen av hög energidensitet, litiums brännbarhet och syre i batteriet gör att risken finns för överhettning och t o m risk för brand. Återvinningsgraden av Litium-jon batterier är för närvarande endast 5-25 % bla. pga dess komplexitet. Batterierna innehåller giftiga ämnen (t.ex. kobolt) Har diskuterats om tillgången på Litium kommer täcka efterfrågan som uppgick till 36 000 ton 2014 och om utvecklingen i framtiden kommer att påverkas av resursbrist. Förmågan att ta tillvarata ofullständiga laddningar Korta urladdningstider med bibehållen effekt Priset har sjunkit kraftigt Låg återvinningsgrad Innehåller giftiga ämnen Risk för överhettning och brand Kräver tillgång på litium och andra jordartsmetaller Specifikation Användningstid s-tim Kapacitet (MW) 0,001-0,1 Lagringskapacitet kwh MWH Energidensitet 80-200 Wh/kg Förluster (per månad) 5 % Livscykler 200-5 000 (-25 000 LTO) Livslängd (år) 5-20 Verkningsgrad 85-100 % Investeringskostnad (SEK/kW) 3 600 9000 SEK/kW Kostnad (SEK/kWhlivslängd) 2,25-3,6 SEK/kWh Startuptid - Ny forskning hoppas kunna eliminera miljöfarliga ämnena, göra batterierna mer temperaturtåliga samt öka antalet cykler, energidensitet. Beroende på val av katodmaterial har batterier med upp till 25 000 cykler har kunnat konstrueras (Titanoxid LTO). En stor del av satsningarna går även till att bygga ut tillverkningskapaciteten, där den kanske mest kända satsningen är Elon Musks Tesla Giga-factories med en kapacitet att tillverka 35 GWh per år från 2020. Fabriken började dock redan sin produktion under slutet av 2016. 2% 2% 17% 3% 4% Källor: Huvudsakliga fakta: IVA 2015, IEA, World Energy Council 2016, IRENA 2016, Power Circle 2014, Kostnadsutveckling: Sammanställning av V.Muenxel för Business Spectator 2014Största Producenterna av Litium Jon batterier: SNE Research genom PV Magazine 2015 Tabell: IRENA 2016, IVA 2015 (USD-SEK 9 SEK/USD Forskning: EASE-Storage 2016, Tesla 4% 7% 7% 15% 20% 19% Panasonic Samsung LG ATL Sony Lishers Coslight BYD Maxwell BAK Kina Övriga

Principskiss Estimerade marknadsandelar 2014-2020 + I Forskningoch nuläge Bly-syra batterier 12 Huvudsakliga fakta Mogen och etablerad batteriteknik som fått ökad konkurrens av Litium-Jon Anoden består av blyoxid och dess katod av metallisk bly, men kan delas in i VLA (Vented Lead Acid, flödade eller icke stängda) och VRLA (valve-regulated eller stängda) batterier. VRLA batterier använder en gel eller AGM (Absorbed Glass Mat) Gel batterier används mest till applikationer som kräver en lång och kontinuerlig urladdningstid eller har en högre omgivande temperatur. AGM har däremot en högre uppladdningshastighet. Flödade/icke stängda batterier kräver mer underhåll men är billigare. Livslängden kan variera stort beroende på antalet urladdningscykler, urladdningshastighet samt val av applikation där största kostnadsdrivaren är blypriset och dess volatilitet som står för uppemot ca hälften av tillverkningskostnaden. Beprövad teknik som är uppemot 100 år och som anses säkrare än Litium-Jon batterier samt är enkelt att installera. Dock ingen naturlig skalbarhet, Läkta blygifter har förekommit vid produktion av blybatterier. Återvinningsgraden varierar men flertalet batterier är idag designade för att kunna återvinnas. Specifikation Användningstid s-3tim Kapacitet (MW) 0,001-50 Lagringskapacitet kwh MWH Energidensitet 50 Wh/kg Förluster (per månad) 3-12 % Livscykler 1 000-3 000 Livslängd (år) 10-20 Verkningsgrad 70-95 % Investeringskostnad (SEK/kW) 2700 18 000 SEK/kW Kostnad (SEK/kWhlivslängd) 1,35-3,3 SEK/kWh Startuptid - Mogen och etablerad teknik Högre återvinningsgrad samt anses säkrare än Litium-Jon Billiga batterier Ingen naturlig skalbarhet Giftigt innehåll Lägre energidensitet, antal cykler och verkningsgrad Ingen naturlig skalbarhet Nya mer avancerade blybatterier (ALABs: Advanced Lead Acid Battery) håller på att utvecklas för att lösa batteritypens nackdelar. En del med 2800 cykler, 50 procent urladdningsdjup och livslängd på 17 år. Andra, utvecklas för att fungera bättre vid högre omgivande temperaturer, med högre energidensitet, livslängd och som är mer eller mindre underhållsfria. En variant som utvecklas är Ultrabatterier, vilket är en kombination ihop med ultrakapacitanser vilket ökar både livslängden, kapacitet och urladdningsdjupet. 6% 4% Asien-Stilla havsområdet 7% 8% 34% Nord Amerika Västra Europa Latin Amerika 19% 22% Japan Östra Europa Mellanöstern och Afrika Källor: Huvudsakliga fakta: IVA 2015, IRENA2015, IRENA 2016, IEA, World Energy Council 2016, Forskning: UltraBattery, SolarChoice, BattCon, Principskiss EASEE-storage, Estimerade Marknadsandelar: Future Market Insights 2015 Tabell: IRENA 2016, IVA 2015, 9 SEK/USD

Principskiss Flödesbatterier försämras inte över tid + I Forskningoch nuläge Flödesbatterier (Vanadin Redoxbatterier) 13 Huvudsakliga fakta Flödesbatterier har funnits sedan 70-talet och skiljer sig från andra batterisorterna genom dess flytande elektroder, där kemikalierna kan lagras utanför battericellen och därmed ge möjlighet till stort lagringsutrymme. Det finns flera olika sorter av flödesbatterier med varierande elektrolytvätskor som t.ex. zinkbrom, järn-krom och vanadium. Men även varianter där den ena av kemikalierna är ett solitt plattmaterial (Zink) Vanadiumbaserat Redoxbatteri (VRB) är den sort som kommit längst och är även den vanligast förekommande. Sorten är tålig och klarar varierande laster bra. De båda elektroderna skiljs åt med ett membran och flyter i två icke ihopblandande vätskor som pumpas och bildar flödet. Batteriet klarar längre urladdningsperioder bra ( 10 h) samt att det kan laddas ur helt utan att skadas. Batteriet inte har någon självurladdning likt andra batterityper samt att det klarar varierande temperaturer och är relativt säkert. Passar inte i mobila applikationer men ger en större möjlighet till skalbarhet än jämförbara batterier och kan därmed passa bra i stationära anläggningar där t.ex. energidensitet spelar mindre roll. Flödet har en påverkan på batteriförlusterna. Specifikation Användningstid s-10tim Kapacitet (MW) 0,02-7 Lagringskapacitet 10 KWh flera GWH Energidensitet 25-75 Wh/kg (10-25 Wh/l) Förluster (per månad) 3-12 % Livscykler 3 000-15 000 Livslängd (år) 10-20 Verkningsgrad 65-85 % Investeringskostnad (SEK/kW) Kostnad (SEK/kWhlivstid) Startuptid 10 800 18 000 SEK/kW 0,72-3,6 SEK/kWh ms Beprövad teknik Tåliga och klarar varierande laster Kort reaktionstid och lång livslängd Ingen självurladdning Klarar varierande temperaturer och är säkert Passar inte mobila applikationer Låg energidensitet och verkningsgrad Flödet påverkar förlusterna Forskningen riktar in sig på att minska kostnaden för membran samt öka energidensiteten och därmed minska dess tankstorlek. Utvecklingen sker främst inom för stationära lösningar inom transmissions och distributionsområdet för att användas i samband med t.ex. vindkraft men även för fastighetsnära användning i gränsskiktet mellan fastighet och elnät samt för mikro- / ö-nät Källor: Huvudsakliga fakta: IVA 2015, IEA, World Energy Council 2016, IRENA 2016, Power Circle 2014, EASE-storage 2016, Principskiss: ExtremeTech Tabell: IRENA 2016, IVA 2015, Flödesbatterier försämras inte över tid: Forbes 2016

Principskiss + I Forskningoch nuläge Natrium Svavel Batterier 14 Huvudsakliga fakta Natriumsvavel batterier består av en katod av flytande svavel och en anod av flytande natrium i en keramisk elektrolyt aluminium. Mogen teknik med en hög verkningsgrad på mellan 80-90 % Eftersom både natriumet och svavlet befinner sig i flytande form hålls batteriet i en hög temperatur på 300 till 350 grader, vilket kräver en värmare. Om batteriet är uppvärmt har det en reaktionstid på några millisekunder. Batterisortens temperatur påverkar omgivningen och kan orsaka brand. Innehållet är starkt frätande, Natriumsvavel batterier och deras fördelar och nackdelar gör det mer fördelaktigt för icke mobila större anläggningar samt för daglig topeffektförflyttning. Installationerna natrium svavel anläggningar har minskat kraftigt under de senaste åren i och med Litium-Jon batteriernas framgångar. Specifikation Användningstid s-tim Kapacitet (MW) 0,5-50 Lagringskapacitet 10 KWh flera GWH Energidensitet 50-230 Wh/kg (-300Wh/kg) Förluster (per månad) - Livscykler 2 000-5 000 Livslängd (år) 12-20 Verkningsgrad 85-95 % Investeringskostnad (SEK/kW) 4800 SEK/kW (2014) Startuptid ms (om varm) Beprövad teknik Hög verkningsgrad Passar bra för laststyrning Kräver en hög temperatur som påverkar omgivningen och kan orsaka brand Innehållet är starkt frätande Japan och USA är de länder som använt NaS batterier mest Forskning riktar in sig på att öka dess säkerhet genom t.ex. isoleringar och brandsäkerhetsdetaljer. Det är främst för laststyrning och för installationer till distribution och transmission som utvecklingen sker. Forskning inom energidensitet visar på en potential på 300 Wh/kg eller mer Källor: Huvudsakliga fakta Natrium Svavel: IVA 2015, World Energy Council 2016, Power Circle 2014, IHS Insights 2016, EASE-Storage 2016 Principskiss: EASE-Storage 2016,Teoretisk specifik Energi: EASE-Storage 2016, Globala NaS marknaden: Technavio 2014: Forskning: FMI 2017

Principskisser för laddning av metallluft batterier Metall-Luft Batterier 15 Huvudsakliga fakta Metall-luft batterier är en ny form av batterier som av vissa bedöms bli Litium-Jons efterträdare men är i många fall inte tillräckligt kommersialiserad ännu, vilket beräknas ske på ca 10-15 års sikt. Batteriet använder en luft katod och en metall anod bestående av metaller som t.ex. Litium, Zink, Aluminium osv. Syre från luften reagerar genom ett poröst kol med metall anoden vilket historiskt varit problematiskt då elektrolyten har kunnat avdunsta eller börjat brinna Potentialen för metall-luft batterier är stor och studier har visat på att en möjlig energidensitet som är 5-15 ggr större dagens batterier bästa batterier. En stor fördel för metall-luft batterier bygger på dess princip, att luft ska kunna komma åt, vilket gör att inget hölje behövs. Det ger möjligheten till lättare och billigare batterier i framtiden. Forskning sker inom en rad teknikområden kopplade till metall-luft batterier, som t.ex. val av jonvätska och elektrolyt material, för att inte den ska avdunsta, börja brinna eller hur elektrolyten inte ska kontamineras. Men även öka antalet livscykler och öka kapaciteten som i flera fall är låg. Forskning, pilot och demonstrationsprojekt används även förbättra tillverkningsprocessen samt sänka priserna. Det finns kommersiella metall-luft batterier som produceras av t.ex. Fluidic Energy, vilka främst producerar Zink-luft batterier och har levererat 75 000 batterier till 1900 installationer. Specifikation Batterityp Spänning (V) Teoretisk specifik kapacitet (Ah/kg) Teoretisk Energidensitet (Wh/kg) Aluminium-luft 2,71 1030 2791 Magnesiumluft 3,09 920 2843 Zink-Luft 1,65 658 1085 Litium-luft 2,96 1170 3463 Natrium-Luft 2,27 487 1105 2,33 687 1600 Kalium-Luft 2,48 377 935 Källor: Zhang.X 2016, EASE-Storage 2016. Principskiss Energi: EASE-Storage Metal-Air2016, Forsknings- och nuläge: EASE-Storage 2016, Zhang.X 2016, Fortune 2016 Tabell: Zhang.X 2016,

Olika användningsområden principskiss Elektro-kemisk lagring nuvarande kapacitet Kemiska ellagringstekniker och Power to Gas 17 Huvudsakliga fakta Kemiska lagrar elenergi i form av gas. Elenergi används för att producera vätgas genom elektrolys sedan kan en vidareproduktion ske till metan, vilket sker genom en sk. sabatierreaktion. En av fördelarna är att inga geologiska förutsättningar krävs utan gasen kan antingen användas till både andra ändamål, lagras eller distribueras vidare in i ett gasnät samt vid elbehov omvandlas till el, genom bränsleceller (vätgas) eller genom turbin/motor (metan samt i vissa fall vätgas) Känd i Europa för storskaliga projekt, men finns även mindre applikationer främst i Japan. Forskning sker på flera områden inom kemisk lagring. Studien avgränsas till att endast studera kemisk ellagring med vätgas då metangas inte fått någon utbredd spridning. Källor: Huvudsakliga fakta: IVA 2015, IRENA2015, IRENA 2016, IEA, World Energy Council 2016, Power Circle 2014, Bild: Pixabay Elektro-kemisk lagring: Cleantechnica, Olika användningsområden principskiss: Egen omarbetning av EASE-Storage Hydrogen 2016

Principskiss Globala bränslecellsmarknaden för stationära installationer + I Forskningoch nuläge Vätgas 18 Huvudsakliga fakta Kemisk lagring sker genom elektrolys av vatten som bildar vätgas och biprodukten syre. Vätgasen lagras och kan sedan genom en re-elektrifieringsprocess där vätgasen kombineras med syre (bränsleceller) återföras till elnätet som el. Det finns även möjlighet att använda motorer och gasturbiner för att producera el. Elektrolysen kan ske genom flera olika tekniker: Alkalisk elektrolys eller AEC kommersialiserad har en start-up tid i minuter Polymer Elektrolyte Membran/Proton Exchange Membrane eller PEM elektrolys, mest pilotprojekt men har en start-up tid i storleksordningen sekunder. Högtemperatur elektrolys, befinner sig forskningsstadiet Beroende på elektrolys kan vätgasen förvaras i olika former som t.ex. i gasform eller flytande (-253 grader Celsius) Tekniken är skalbar från ett par kw till flera hundra MW och ger även en möjlighet till en långvarig lagring för både säsongslagring eller balansering av elnätet, allt beroende på lagerstorleken. Det har varit problematiskt att tillgodose säkerhetsaspekten och det krävs t.ex. gaslarm. Specifikation Användningstid s-mån Kapacitet (MW) kw-gw Lagringskapacitet 10 KWh flera GWH Energidensitet 3kWh/Nm3 Förluster (per månad) 0-26 % Livscykler 3 000-15 000 Livslängd (år) Degraderar till 75 % på 10 år för AEC och 5-10 år för PEM Verkningsgrad 62-82 % Investeringskostnad (SEK/kW) Startuptid 6300-9900 SEK/kW s-min Bra alternativ för säsonglagring av el Säkerhetskrav som t.ex. gaslarm Inte kommersialiserad teknik i Europa Låg verkningsgrad Priset Japan är ett av de länder som kommit längst och idag använder ca 150 000 hem vätgaslagring, med ett mål på 5,3 miljoner hem till 2030. Forskning sker inom ett flertal områden för att sänka kostnaden, öka dess säkerhet samt dess användning i samarbete med andra applikationer som t.ex. bränslecellsbilar. Källor: Huvudsakliga fakta: IVA 2015, IRENA2015, IRENA 2016, IEA, World Energy Council 2016, Power Circle 2014, The national 2016, EASE-Storage Hydrogen 2016, Principskiss: Egen omarbetning av EASE-Storage Hydrogen 2016, Globala bränslecellsmarknaden 4th Wave Energy 2016,

Jämförelse mellan metoderna Betydande marknadsaktörer och Största potentiella marknaderna Termisk lagring 20 Huvudsakliga fakta Termisk lagring kan ske genom tre huvudtyper av lagringsmetoder: Latent värmelagring, ett medium lagrar energi och genomgår fasomvandling. Kemisk värmelagring, endotermisk reaktion där energi avges när reaktionen reverseras Sensibel värmelagring, ett medium lagrar energi utan att fasomvandlas Värmelagring är en av de tekniker som har identifierats som en av huvuddelarna i att klara av efterfrågan på effektiv, pålitlig och ekonomisk energilagringsteknik för att bl.a. ta tillvara energin från förnyelsebara energikällor. Den globala termiska lagringsmarknaden väntas uppnå $1,8 miljarder år 2020 med en installerad kapacitet om 6070,2 MW. Källor: Huvudsakliga fakta: IVA 2015, IRENA2015, IRENA 2016, IEA, World Energy Council 2016, Jernkonforet 2016. Power Circle 2014, Bild: Pixabay Betydande marknadsaktörer: GIA 2016

Principskiss Forskningsläge Sensibel Värmelagring med t.ex. Hetvatten lagring (El in - värme ut) 21 Huvudsakliga fakta Är en av de vanligaste formerna av energilagring och mest utvecklade värmelagringsmetoden och används idag i praktiskt taget alla fastighetsnära applikationer i och med en varmvattenberedare. Tekniken går ut på att el används för att värma ett medium som sedan förvaras i en isolerad behållare, där behållaren avgör förvaringskapaciteten. Lagringsmedium bör ha hög värmekapacitet för att minimera förvaringsvolymen, under 100 C oftast vatten men vid högre temperaturer kan t.ex. smält salt användas. Om el används för att driva en värmepump eller ett solfångarsystem kan större energimängder tillgodogöras. Vanligtvis används ackumulatorer (främst trycklösa) men vid större applikationer kan akviferer (naturligt, underjordiskt vattenfyllt rum) eller bassänger med isolerande lock användas. Solider kan även användas i form av borrhålslager eller t.ex. sten- och grusbäddar som har låga värmeförluster och är billiga eller högtemperaturlagring i form av olika oxider av t.ex. magnesium, aluminiumoch kisel. Genom sin utformning kan sensibel värmelagring användas både till kortare lagringsperioder upp till säsongslagring. Specifikation Mindre hus Större fastigheter Kapacitet kw kw Lagringskapacitet 6 KWh 25 kwh 25kWh-320 kwh Energidensitet 0,06 kwh/kg 0,06 kwh/kg Förluster 0-1 % / dygn Livscykler - - Livslängd (år) 15-30 20-40 Verkningsgrad 50-85 % 70-95 % Investeringskostnad (SEK/kWh) 6300-9900 SEK/kW CAPEX 375 SEK/kWh 140 SEK/KWh Startuptid S S Forskning sker inom flera områden för att användningen, förbättra isoleringsmaterialet samt att öka dess utbyte med bl.a. elnätet. Detta gäller även storskaliga lösningar. Källor: Huvudsakliga fakta:ease-storage Thermal Energy Storage 2016, Elstandard 2016, Principskiss: Egen omarbetning av EASE-Storage Thermal Energy Storage 2016 Specifikation: EASE-Storage Thermal Energy Storage 2016

Principskiss Forskningsläge Marknadslösningar 22 Huvudsakliga fakta Specifikation Hittills har fokus varit olika tekniska lösningar för att säkerhetsställa olika former av elenergilagringsalternativ. Men det finns även marknadslösningar, dvs. elenergilagringsalternativ som utifrån olika kontrakt, möjliggör för en part att erbjuda en annan ellagring. Ett sådant alternativ kommer erbjudas av bl.a. Jämtkraft som förbinder sig att ta emot överskottsel från sina kunder med solceller, vilket kvittas mot motsvarande mängd i företagets vattenmagasin. Vid behov får kunderna tillbaka sina sparade kilowattimmar utan extra kostnad. En lösning som erbjuds för 20 kr i månaden och löser många av kundernas behov av säsongslagring av el. Hyra Kund med solceller Elnät Jämtkraft El för lagring Lagrad el för behov Källor: DI 2016

Teknisk specifikation och prisindikation Ekonomiska aspekter Teknisk specifikation och prisindikation Box of Energy Ekonomiska aspekter Pilot och Demonstrationsprojekt Blysyra batterier i kombination med vätgas och solfångare/celler Hus med boendearea på 460 kvm med elbilladdning för två bilar i Agnesberg utanför Göteborg. Värmesystemet kostade 2 Mkr och är helt finansierat av de boende i huset. Med en avskrivningstid på 10 år ges ett pris på 2,40 kr/kwh Överskott av solenergi på sommaren används för att fylla på vätgaslagret till vintern genom elektrolys. Under vintern går bränslecellen igång och hjälper till att ladda batterierna. Bränslecellens värme används även för att värma huset och vid behov driver den även en bergvärmepump Då vätgasproduktion sker i huset gjordes riskanalyser ihop med räddningstjänst och flera detektorer för vätgas finns uppsatta, med ljudsignal och vibrationslarm Valde Blysyra-batterier framför Litium-Jon pga. priset ett par hundra tusen mot 1,5 miljoner kronor Västra Orust Energi och Box of Energy Västra Orusts Energitjänst driver ett distributionsnät i skärgårdsmiljö och försörjer 5200 anläggningar med el som förbrukar ca 65 GWh. Driver ett batterilager för att bygga erfarenhet, ta tillvarata deras solenergi el bättre samt att förbereda sig för att ta hand om de kunder som kopplar bort sig från elnätet. Projektet är egenfinansierat av föreningen. Det svenska företaget Box of Energy har levererat ett batterilager på 20 kwh bestående av litium-jon batterier och all montering samt utveckling av programvaror sköts av företagets anställda. 24 Hus på 460 m 2 med ett vattenburet vattensystem på 4000 l. 153 m 2 solceller + 20 m 2 solfångare (pris 400 tkr) Ett elektrolysrör som producerar 2500 Nm 3 vätgas per år, varav ca 1700 Nm 3 förbrukas. Till processen används 12,5 kw (pris 600 tkr) Vätgasen lagras i tankar på utsidan i kolfibertankar (ska bytas till stål) En bränslecell (pris 312,5 tkr) Reservkraft: Diselgenerator på miljödiesel för nödfall 48 Blysyra-batterier à 95 kg Värmesystemet kostade ca 2 Mkr och är helt finansierat av de boende i huset. Med en avskrivningstid på 10 år ges ett pris på 2,40 kr/kwh. Efter avskrivningstidens slut blir elpriset 0,05 kr/kwh i underhållskostnader. Planerar att även kunna leverera överbliven el till nätet samt vätgas till tankbil Box of energy (BoE) tillverkar batterilager i storleksordningen 10 kwh-220 kwh (flera ihopkopplade större boxar) Priser från 75 tkr (ex. moms) och för en normalvilla med 5-10 kw solceller på taket är priset 120 tkr (20kWh) och 220 tkr (40kWh) Baseras på batterier från LG Chem Det var snarare kunskapsinhämtningen än priset som var avgörande för satsningen. Källor: Agnesberg: DI 2016b, Ny Teknik 2016, Bild: Ny Teknik 2016, Västra Orust Energi: Molarin, C 2016, VOE 2016, Ny teknik 2015. Bild: Box of Energy

Teknisk specifikation Pilot och Demonstrationsprojekt 25 SMUD 2500 R St. Housing Development, Sacramento, Kalifornien Brütten, Schweiz Hållbar stadsdel i Sacramento med målet att vara en noll-energi område. Stadsdelen består av 34 energieffektiva enfamiljshus med solfångare och batterilagring Varje hus har utrustats med smart teknologi som gör det möjligt att övervaka husets energianvändning, energieffektivitet, elpris mm via webbapplikationer. Batterilagring har gett kunderna möjlighet att spara 33 procent mer än kunder som bor i ett hus som endast har solceller eller upp till $ 51 USD per månad Ett flerfamiljshus för nio familjer i Brütten Schweiz som är självförsörjande på energi, dvs. ingen elledning till huset. Tacket och fasaden är täckt av solceller Batterilager för att klara 3-4 dagars behov Energi lagras även i form av vätgas där ett elektrolysrör används under sommaren för att ta hand om överskottsenergin som sedan lagras i stora tankar och omvandlas till elektricitet eller värme under vintern Finns även ett termiskt energilager under mark som rymmer 250 000 liter 65- gradigt vatten Solcellsanläggningar om 2,25 kw per hus (totalt 76,4 kw) Batterilagring om 11,64 kwh per hus (totalt 396 kwh) Anläggningen togs i bruk 2013 Litium-jon batterier Källor: Sacramento: CleanEnergy Group, Brütten: Ny teknik 2017

Teknisk specifikation Pilot och Demonstrationsprojekt Villa Trieste, Las Vegas Oshawa Power / Tabuchi Electric, Ontario, Kanada 26 Demonstrationsprojekt utanför Las Vegas med syfte att minska topp effektbehovet med 65 % Pilotprojekt för att introducera Solar Energy Storage and Management System (SEMS) till 30 hushåll i Oshawa, Kanada. Omfattar totalt 185 LEED Platinum hus Varje hus har smarta elmätare med displayer som visar energianvändning, efterfrågestyrda termostater. Projektet finansierades till 50 % med stöd. Hushållen kommer fortsatt vara kopplade till elnätet men får 6-7 kw solceller installerade samt batterilager om 10 kwh per hus. Batterilagret är av typen litium-jon som via en 5,5 kw växelriktare förses av solceller. Varje hus har ett solcellssystem på ca 2 kw (1,76-2,43) Samt ett batterilager på 8 kwh av typen litium-jon. Källor: Las Vegas: NV Energy

Teknisk specifikation Teknisk specifikation Pilot och Demonstrationsprojekt Batterilager och solceller, Örebro Fotonenboer t Speieker Mjölkgård, Nederländerna 27 En villa anslutet till elnätet med egen solcellsproduktion En mjölkgård med målet att bli helt självförsörjande på el. Hemmabyggt batterilager bestående av 12 st våta blysyrabatterier med total lagringskapacitet om 20 kwh. Mjölkgården har 100 kor med robotmjölkning till vilken 50 60 MWh används per år. Elsystem som eftersträvar nollbalans genom elmätaren. Vid överskott säljs elen till nätet och när batterierna är tomma köps el. En nackdel har varit att endast hälften av batterikapaciteten har kunnat utnyttjas samt att batterierna behöver fyllas på med vatten vid laddning. Batterierna kräver även god ventilation då de annars bildar knallgas vid hård laddning. Elproduktionen sker genom 360 kvm solpaneler, placerade på ladugården. Använder ett Vanadium flödesbatteri för att lagra dygnsutjämna solcellsproduktionen. Samarbete mellan gården och det lokala universitetet Solcellsanläggning om 12 st blysyrabatterier om totalt 20 kwh Lagret kostade mellan 60-70 000 kr varav batterierna stod för hälften. Solcellerna producerar ca 42 MWh per år. Batteriet är ett vanadium redox flödesbatteri (VRB) på 10 kw och står placerat i en container utanför. Källor: Batterilager: Ny teknik 2015b Fotonenboer t: Fotonboer t

Teknisk specifikation Teknisk specifikation Pilot och Demonstrationsprojekt Hus utan sladd, Sisyfos, Sigtuna P-huslösning med 100 laddplatser och energilager i Oslo 28 En självförsörjande villa där solpaneler och vind ihop med ett batterilager står för elförsörjningen. 4-glas isoler fönster, superisolerade väggar i EPS-material samt snålspolande kranar mm. minskar värmebehovet Projektet visade att huset kunde vara helt självförsörjande till september men att det därefter krävdes tillskott, vilket planeras att lösas med en stirlingmotor. Stirlingmotorn ska bidra med såväl el som värme och drivas med pelletsförbränning Elenergilagring i vätgas planeras men har hittills ansetts oprövad och för problematisk. Fortum bygger 100 laddplatser i samma parkeringshus i Oslo För att klara effekttopparna installeras ett energilager Anläggningen öppnades i december 2016 och vidareutvecklas under våren 2017. Ger bra lärdomar och erfarenheter till t.ex. större bostadsrättsföreningar med många parkeringsplatser och som vill installera elbilsladdning. Installationen är även förberedd för att kunna använda elbilarnas batterier, till stöd för energisystemet. Villan har ett internt likspänningsnät för att minska energiförluster. 68 solpaneler med märkeffekt på 18 kw (20 av dessa sitter på staket för att fånga vinterns låga strålar) Vindsnurra med märkeffekt på någon enstaka kw 100 flexibla semisnabba laddstationer (22 kw) och två snabbladdningsstationer Effektbalansering med batterilager på 50 kw Batterilager på 18 kwh Internt likspänningsnät som driver belysning, kylskåp och fläktar, vid behov används även en växelriktare för spis, tv mm. Källor: Hus utan sladd: Elinstallatören 2017, Hus utan Sladd Bild: Wenngarn Media, Fortum: Fortum 2016

Teknisk specifikation Teknisk specifikation Pilot och Demonstrationsprojekt Horse ön, Storbritannien Foula Community Electricity Scheme, Storbritannien 29 Privat ö med eget elsystem utanför Skottlands kust Storbritanniens mest avlägsna ö med 25 bofasta Elproduktion genom dieselaggregat och vindturbiner. Batterierna används för att minska dieselanvändningen och för att klara effekttoppar. Planer finns på att bygga solpaneler i anslutning till nätet Har ett mikronät som länkar öns elproduktion bestående av dieselaggregat, solpaneler och vattenkraft med ett batterilager och öns bofasta. Batterilagret används för att jämna ut och klara effekttoppar, tillgodose öns behov av el (tidigare endast 17 timmar per dag) samt för att minska behovet av diesel till dieselaggregatet. 6 stycken 3 kw vindkraftverk om totalt 18 kw Bly-syra batterier om totalt 12 kw Togs i drift 2009 Elnät om 3,3 kv Solceller om 19,2 kw Vattenturbin om 15 kw Förbrukningen ligger på mellan 12 kw och 22 kw Batterisystem om 80 kwh (vid 50 % urladdning) Källor: Horse: DOE Horse, Foula och Bild: Wind and Sun

Databaser om pilot- och demonstrationsprojekt För mer information om andra intressanta pilot- och demonstrationsprojekt rekommenderas följande databaser och hemsidor: DOE Global Energy Storage Database - http://www.energystorageexchange.org/ Australian Energy Storage Directory - http://directory.energystorage.org.au/ Energy Storage Association - http://energystorage.org/energy-storage/case-studies 30

Referenser IRENA 2015, Battery Storage for renewables: market status and technology outlook, January 2015 IRENA 2016, Innovation Outlook: Renewable Mini-grids Power Circle 2014, Energilager i energisystemet, 2014 Jernkontoret 2016, www.energihandbok.se/lagring-av-elektrisk-energi/ IVA 2015, Energilagring Teknik för lagring av el, IVA projektet Vägval El, 2015 World Energy Council, E-storage: Shifting from cost to value Wind and Solar applications, 2016 EASE-storage 2016, http://ease-storage.eu/energy-storage/technologies/ ESA 2015, Energy Storage Association GIA 2015, Global Industry Analysts: The Global Thermal Energy Storage (TES) Market, 2015 Pixabay, www.pixabay.com Svensk Elstandard, http://www.elstandard.se/nyheter/nyhet.asp?newsid=1383145971 SNE Research 2015, Quarterly Analysis- Global Small-Size Lithium Ion Battery Shipments report, August 2015 Ultrabattery, http://www.ultrabattery.com/applications/stationary-energy-storage/ SolarChoice, www.solarchoice.net.au/blog/ecoult-ultrabattery-lead-carbon-lithium-ion Schiemann, M; Searles, C. Lead-acid batteries are not going away, 2016 Future Market Insights, Lead Acid Battert Market: Global Industry Analysis and Opportunity Assessment 2014-2020, 2014 Research and Markets 2016, Global and China Lead-acid Battery (Starting Battery, Power Battery, Energy Storage Battery, Communication Backup Power) Industry Report, 2016-2018, 2016 4th Energy Wave 2016, The Fuel Cell and Hydrogen Annual Review, 2016 NaS, https://www.ngk.co.jp/nas/specs/ Technavio 2014, 2014-2018 Consumer & Enterprise reports, 2014 Fortune 2016, A Battery Made From Metal and Air Is Electrifying the Developing World, Maj 2016. Extreme Tech 2016, https://www.extremetech.com/electronics/199440-new-vanadium-flow-battery-delivers-250kw-of-liquid-energy-storage Tesla 2016, https://www.tesla.com/sv_se/gigafactory DI 2016a, http://www.di.se/nyheter/jamtar-laddar-for-att-sla-ut-tesla/ DI 2016b, Dagens Industri, Lördag-Söndag 26-27 November 2016, sid 24-28, Ny Teknik 2016, http://www.nyteknik.se/nyheter/fri-fran-elnatet-med-egen-vatgas-6344197 Molarin, C. Ökad användning utav batterilager:identifiering av hinder och drivkrafter, Uppsala Universitet, April 2016 VOE 2016, Västra Orusts Energitjänst, http://voe.se/om-foreningen/information-eldistributionsnatet/ Ny Teknik 2015, http://www.nyteknik.se/energi/svensk-utmanar-teslas-batteri-6344613 Elinstallatören 2017, http://www.elinstallatoren.se/innehall/nyheter/2017/januari/sa-funkar-huset-utan-sladd/ Hus utan Sladd, http://husutansladd.se/ Fortum, http://www.fortum.no/pressemeldinger/kommer-100-ladepunkter-elbil-oslo-sentrum/ Wind and Sun, http://www.windandsun.co.uk/case-studies/islands-mini-grids/isle-of-foula,-shetland-isles.aspx#.u39wkpldxxo DOE Horse, http://www.energystorageexchange.org/projects/1324 Fotonboer t http://en.fotonenboer.nl/?home Ny teknik 2015 b, http://www.nyteknik.se/energi/han-byggde-sitt-eget-batterilager-i-garaget-6393673 FMI 2017, http://www.futuremarketinsights.com/reports/sodium-sulfur-batteries-market Forbes 2016, http://www.forbes.com/sites/jamesconca/2016/12/13/vanadium-flow-batteries-the-energy-storage-breakthrough-weve-needed/#13acb65a7271 Fortum 2016, http://media.fortum.se/2016/12/09/fortum-charge-drive-bygger-p-huslosning-med-100-laddplatser-och-energilager-i-oslo/ CleanEnjergy Group; http://www.cleanegroup.org/ceg-projects/resilient-power-project/featured-installations/2500-r-street/ Ny Teknik 2017: http://www.nyteknik.se/energi/schweiziska-huset-ar-sjalvforsorjande-pa-energi-6826843 NV Energy: http://energy.nv.gov/uploadedfiles/energynvgov/content/programs/der%20integration.pdf 31