Lagring av energi från vindkraft

EXAMENSARBETE 15 P Datum (2012-04-15) Lagring av energi från vindkraft Bild: ABB Elev:Axel Lumbojev Handledare: Anna Josefsson

Sammanfattning Vindkraften är en intermittent kraftkälla, den fungerar bara när det finns tillräckligt med vind. Den el som producerats måste förbrukas i samma tidpunkt. Detta inget problem så länge vindkraftsandelen i energisystemet hålls under en viss nivå, speciellt inte i Sverige som har mycket vattenkraft som kan fungera som balanskraft. Dock så kommer en stor andel av vindkraft att ställa till problem, även andra intermittenta källor till ström ställer till det om det blir en stor andel av dessa. Ett stort antal sätt att lagra energi på finns. Det som kommer att tas upp i detta arbete är några av dem. Framförallt kommer det att fokuseras på pumpkraftverk, olika batterier, vätgas. Några andra tekniker kommer också att tas upp o svänghjul o kondensatorer o tryckluft o Vatten som lagras underjorden Uppskattningar gjorda av konsultföretaget Boston Consulting Group, har uppskattat att det till år 2025 kommer att behövas upp till 150 MWh lagrad energi i Europa, och i USA det dubbla.

Abstract Wind Power is an intermittent power source, it only works when there is enough wind. The electricity produced must be consumed at the same time. This is not a problem as long as the wind power part of the energy is kept below a certain level, especially in Sweden, which has much hydroelectric power that can act as a balancing power. However, as a bigger part of the wind power that isin the power system, including other intermittent sources of power, may lead to problems. There are a large number of ways to store energy. In this text some of the ways will be covered. It willparticularly focus on pumpedstorage, different batteries, hydrogen Some other techniques will also be included o flywheel o capacitors o air o water stored underground. Estimates made by the consulting firm Boston Consulting Group, has estimated that by 2025 the need of energy storage is up to 150 MWh in Europe and in the United States the double.

Innehållsförteckning 1. Inledning...1 2. Syfte...1 3. Material och metod...1 4. Lagring av energi...2 4.1 Pumpkraftverk...2 4.2 Batterier...3 4.2.1 Flödespumpbatteier...3 4.2.2 Litiumjon-batterier i Falköping...4 4.2.3 Övriga batterier...4 4.3 Vätgas...5 4.3.1 Elektrolys...5 4.3.2 Bränsleceller...5 4.3.3 Prenzlauprojektet...6 4.4 Övriga Lagringssätt...7 4.4.1 Svänghjul...7 4.4.2 Superkondensatorer eller kraftkondensatorer...7 4.4.3 Tryckluft...7 4.4.4 Vatten som lagras underjorden...7 5. Slutsatser...8 Källförteckning...9 Otryckta källor...9 Tryckta källor...9

1. Inledning Vindkraften fungerar bara när det blåser. Detta är i sig inget problem så länge vindkraftsandelen i energisystemet hålls under en viss nivå, speciellt inte i Sverige som har mycket vattenkraft som kan fungera som balanskraft. Sverige kan ha relativt mycket vindkraft. Dock så kommer en stor andel av vindkraft att ställa till problem, då den el som producerats måste förbrukas i samma tidpunkt. 1 Speciellt i samband med stora andelar andra förnyelsebara och intermittenta energikällor såsom solkraft, vågkraft och så vidare kan det leda till problem. Det är energilagringensom detta arbete handlar om. Ett flertal lösningar och sätt att lagra energi på finns, vissa används redan idag på olika ställen i världen. 2 Uppskattningar gjorda av konsultföretaget Boston Consulting Group, har uppskattat att det till år 2025 kommer behövas upp till 150 MWh lagrad energi i Europa, och i USA det dubbla. 3 2. Syfte Jag ska gå igenom några olika lösningar och sätt att lagra energi som finns i dag, dessa kommer jag att fokusera på. Här kommer viss teknisk beskrivning att ingå, men inte allt föringående för att fördjupa sig i någon teknik hänvisas till källorna. De som kommer att finnas i morgon, kommer bara att nämnas kort för att inte denna text ska bli för lång.alla typer av lagring förbrukar energi, vilket leder till förluster, så jag kommer även att skaffa upplysningar om lite på verkningsgraden av de olika sätten att lagra energi. Kapaciteten är en annan viktig del som jag kommer skriva om.kostnader kommer att ingå, till en viss del då det är svårt att beräkna kostnader för nya tekniker. Kostnaderna avgörs,till stor del, av hur stor utbredning teknikerna får. 3. Material och metod Främst har jag använt mig av internet som källa till detta arbete, men inte enbart. Jag har försökt att använda mig av så bra och seriösa källor som möjligt. Bilderna kommer bland annat från Wikipedia, dock har jag undvikit fakta från nämnda sida. Vindkraft i teori och praktik har använts i en liten del, för att beskriva hur vindraften kan fungera i ett energisystem. Fokus har legatpå det som kan användas i lite större skala på något sätt effekt eller kapacitet eller som har potential att bli stora. 1 Vindkraft i teori och praktik 2:a uppl. Av Tore Wizelius. 2 Illustrerad Vetenskap. Nr 3/2011 3 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article2500713.ece 1

4. Lagring av energi Nedan är några sätt att lagra energi på. Huvudprincipen för samtliga är att energin lagras när det finns ett överskott mindre behov av elkraft än som kan förbrukas av konsumenterna av energin och att denna frigörs när det finns ett underskott större behov av elkraft än som kan produceras. 4 4.1 Pumpkraftverk Detta är den äldsta metoden för att lagra energi, och första uppfördes redan på 1890-talet i Schweiz och Italien. Metoden går helt enkelt ut på att vatten pumpas upp till högre belägna dammar eller naturliga sjöar, när priset på el är lågt. När priset sedan är högt låter man vattnet åka ner igen och driva turbiner som sedan genererar energi. Det finns i hela världen ca 90 GW installerad effekt, varav de största verken är på över 1 GW. Stora krav ställs på området där ett pumpkraftverk kan fungera, det måste finnas en stor höjdskillnad, till exempel ett berg, och sjöarna kommer ha väldigt stora skillnader i vattennivåer. Därför finns de flesta pumpkraftverk i länder med berg eller där det finns stora höjdskillnader (av annat slag). Verkningsgraden för en sådan här anläggning är mellan 70-85 %. 5 Bild: Wikipedia 4 Illustrerad Vetenskap. Nr 3/2011 5 Illustrerad Vetenskap. Nr 3/2011 2

4.2 Batterier Principen med att lagra energi i batterier är att energin lagras som kemisk energi, på olika sätt - det finns ett flertal olika typer av batterier. 6 Att lagra energi i batterier i större skala används redan till exempel i Australien, där just el från vindkraft lagras. Se nästa del 4.2.1. Strömmen som lagras i ett batteri är likström, som måste växelriktas till nätets växelström, 50 eller 60 Hz. 4.2.1 Flödespumpbatteier Detta är en intressesant teknik som har potential att kunna konkurrera med pumpkraftverken, både i effekt och i energikapacitet. Tekniken fungerar på så vis, enkelt förklarat, att två olika elektrolyter lagras i olika tankar och kan pumpas till själva batteriet när det ska laddas eller laddas ur. Själva batteriet består av en reaktionskammare där elektrolyterna separeras av ett tunt membran, och elektroder samlar upp strömmen som uppstår på grund av de olika potentialerna i elektrolyterna.just att elektrolyterna kan pumpas och lagras i tankar gör att energikapaciteten ökas, det är ju bara att ha större tankar, eller flera tankar om man vill bygga ut anläggningen. Vill man ha större effekt kan man enkelt parallellkoppla två reaktionskammare som är själva batteriet. Detta gör att dessa batterier kan konkurera med pumpkraftverken.vad priset för dessa anläggningar skulle kunna bli beror på hur många anläggningar som produceras och hur kostnadseffektiv produktionen kan bli detta är svårt att i dagsläget uppskatta. Dock har flödespumpbatterier en annan väldigt stor fördel jämfört med pumpkraftverken -de har nämligen inte den stora nackdelen att de kräver speciella förhållanden där de byggs - de kan i princip byggas vart som helst. Dock måste de ju givetvis byggas inom rimliga avstånd till elnät. 7 Bild: Wikipedia 6 http://www.ne.se/batteri/124967 7 http://www.science.org.au/nova/newscientist/037ns_001.htm 3

4.2.2 Litium-jon-batterier i Falköping I Falköping finns Sveriges första batterilager för lågspänningsnät, som är till för att lagra energi från vindkraften som finns i trakten. Det är Falköpings energi som äger anläggningen och ABB står för tekniken. Anläggningen ska kunna lagra energi på natten som under dagen levereas ut på nätet om det behövs. Det är en testanläggnings som ska få Falköpings energi att lära sig om tekniken. Det är en prototyp som ABB tagit fram. Anläggningen består av 20 stycken litium-jon-batterier, och har en kapacitet på 75kW under en timmes tid. 8 Bild: ABB 4.2.3 Övriga batterier Det finns en rad olika batterier som kan användas. Vanliga bilbatterier är ett exempel. Det finns även andra som kan tänkas användas. 9 8 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3367343.ece 9 http://www.electricitystorage.org/technology/storage_technologies/batteries/ 4

4.3 Vätgas Väte är det vanligaste grundämnet som finns. Det kan användas för att lagra energi. Vätgas kan tillverkas genom elektrolys och kan sedan användas i bränsleceller för att generera ström. 10 Vätemolekyl 4.3.1 Elektrolys Genom elektrolys kan man tillverka vätgas, som är det vanligaste grundämnet som finns. Vatten spjälkas upp till syre och vätgas, genom att elektricitet leds igenom vattnet. Detta är dock ett rätt ineffektivt sätt att framställa vätgas på, men det förväntas kunna bli effektivare i framtiden. Idag är förlusterna av energin ca 30-40 %. 4.3.2 Bränsleceller Vätgasen kan användas till att producera ny elektricitet med en energiomvandlare, en så kallad bränslecell. Den omvandlar den kemiska energin till elektrisk dito och till värme, denna har till skillnad från framställningen av vätgasen hög effektivitet, vilket får de totala förlusterna att minska. Elektricitet är dock inte det enda som vätgasen kan användas till, bränsle till fordon är ett annat sätt, där förbränningsmotorer ibland används istället för bränsleceller. Vindkraftverk som lagrar en del av sin producerade el som vätgas finns redan i bland annat i Tyskland och i Sverige, dock inte i någon större skala utan ännu är det mest på forsknings- och utvecklingsstadiet. Det svenska företaget Morpicshar utvecklat ett litet inte nätanslutet system, som kan lagra energi som vätgas. 11 10 http://www.vatgas.se/fakta/produktion 11 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article253666.ece 5

Bild: Vattenfall 4.3.3 Prenzlauprojektet I Tyskland deltar bland annat Vattenfall, tillsammans med andra energibolag och forskningsinstitut, i ett projekt som omvandlar vindel till vätgas. IPrenzlauprojektetingår tre vindkraftverk på 2 MW, och även andra delar så som en biogasenhet, två kraft- och värmestationer och så just vätgasdelen. Det produceras alltså värme, el och vätgas här. Vätgasen kan i denna anläggning användas som bränsle till kraftverket för att produsera el eller värme, men kan även bli bränsle till bilar och annat. Vattenfall, och de andra i projektet, planerar att på flera ställen lagra vätgas framöver. 12 12 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article3364150.ece 6

4.4 Övriga Lagringssätt Det finns ett flertal olika andra sätt att lagra energi på, här kommer några. 13 4.4.1 Svänghjul I ett svänghjul kan energi lagras som rörelseenergi. Metoden kan likt kondensatorer ha hög effekt, men har en begränsad kapacitet av att lagra energin. Det är under korta perioder som de kan mata ut energi. Hur mycket energi som kan lagras beror på hur stor massa som svänghjulet har och hur hög rotationshastigheten kan bli. 4.4.2 Superkondensatoreroch kraftkondensatorer Energitätheten är fortfarende mindre än för batterier. 4.4.3 Tryckluft Att lagra energi i tryckluft kräver att det finns ett utrymme för detta. Detta sätt att lagra energi kräver att det finns ett gasturbin-kraftverk. 4.4.4 Vatten som lagras underjorden Detta är en ny dansk idé. Vatten pumpas in i en stor ballongliknande lager som ligger under jorden, jordmassan skapar ett tryck i ballongen. När man vill ta ut energin leds vattnet till en turbin som driver en generator. 14 13 http://www.elforsk.se/rapporter/?download=report&rid=08_83_ 14 http://ing.dk/artikel/102512-energilagring-i-underjordisk-vandreservoir 7

5. Slutsatser Det finns olika lösningar på att lagra energi. Vilka som kommer att användas i framtiden är en fråga som är svår att besvara. Jag tror dock att de jag skrivit om ovan kommer att användas, speciellt pumpkraftbatterier. Där förutsättningar finns kommer det nog att byggas pumpkraftverk. I vilken utsträckning det kommer att byggas är i dagsläget svårt att säga. Mitt syfte var att få en överblick av vilka tekniker som finns och vad som kan tänkas byggas. Detta tycker jag att jag har fått med denna text. Alla detaljer kom inte med, vilket var väntat då det handlar om en rad olika tekniker som var och en skulle kunna fylla flera sidor med text. Det ska bli intressant att se hur utvecklingen kommer att göra framsteg.kommer det att byggas flera energilager? 8

Källförteckning Otryckta källor http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article2500713.ece 2012-04-14 http://www.ne.se/batteri/124967 2012-04-14 http://www.science.org.au/nova/newscientist/037ns_001.htm 2012-04-14 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3367343.ece 2012-04-14 http://www.electricitystorage.org/technology/storage_technologies/batteries/ 2012-04-14 http://www.vatgas.se/fakta/produktion 2012-04-14 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article253666.ece 2012-04-14 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article3364150.ece 2012-04-14 http://www.elforsk.se/rapporter/?download=report&rid=08_83_ 2012-04-14 http://ing.dk/artikel/102512-energilagring-i-underjordisk-vandreservoir 2012-04-14 Tryckta källor Böcker: Wizelius, Tore. Vindkraft i teori och praktik. Studentlitteratur, Lund. 2009 Tidskriftsartiklar: Salomon, Ib. 10 metoder kan lägga ren energi på lager. Illustread Vetenskap. 2011, nr 3 sid. 26-31. 9