Bio-batterier gør det muligt for os at lagre sol- og vindenergi

Indtil nu har det været en udfordring at lagre den energi, vi genererer, når solen skinner og vinden blæser. Men det er lykkedes forskere ved et laboratorium i Trondheim i Norge at gøre netop dette – og helt uden nogen form for avanceret batteriteknologi.

Udefra ligner det en sølvfarvet beholder med et lille rundt vindue skåret ind i siden og flere rør, der fører ind og ud. Varmen trækkes først ind i systemet og frigives derefter efter et stykke tid igen.

Denne "beholder" gør det muligt at opbevare varmeenergi, der genereres på solrige og blæsende dage og frigive den igen, når vejret bliver koldere. Teknologien, der driver systemet, er baseret på det, der kaldes "phase change materials" (PCM'er) i kombination med varmepumper.

Faktisk kan energikilden være alt fra el produceret af solpaneler, spildvarme fra en fabriksbygning eller overskudsenergi fra en vindmølle. Her på ZEB (Zero Emission Building) laboratoriet, der drives af SINTEF og NTNU, hentes energien til opbevaring fra de solpaneler, der dækker det meste af bygningens tag og sydvendte facade.

Vand er verdens mest almindelige faseskiftemateriale

Men hvad er et faseændringsmateriale? Alexis Sevault er forskningsleder hos SINTEF Energiforskning og forklarer mere end gerne.

Faktisk er vand et faseændringsmateriale i sin enkleste og mest velkendte form. Det kan blive til iskrystaller, når temperaturen falder til under nul grader celsius, blive en væske, når temperaturen stiger, og ændre sig til damp, når den nærmer sig 100 grader. Vand har også evnen til at opføre sig forskelligt i dets forskellige faser og, vigtigst af alt, kan lagre varme i sin flydende form.

Forskere giver navnet faseskiftende materialer, eller PCM'er, til materialer, der opfører sig forskelligt i deres forskellige faser, og som også kan lagre varme.

Der er mange PCM'er, der kan lagre varme, når de er i flydende form. Det, der gør disse materialer interessante og ikke mindst praktiske i denne sammenhæng, er, at deres smeltepunkter ikke er nul grader.

Smeltepunkt:37 grader Celsius

Denne egenskab gør det muligt at bruge PCM'er som såkaldte "varmebanker". Med andre ord som batterier. Den store sølvfarvede beholder i ZEB-laboratoriet indeholder et PCM, der smelter ved kropstemperatur.

"Enheden indeholder tre tons flydende biovoks baseret på en vegetabilsk olie, som ikke kan bruges som mad," siger Sevault. "På samme måde som vand bliver til is, bliver voksen et fast, krystallinsk materiale, når det bliver tilstrækkeligt koldt. "Koldt" for netop denne voks betyder under 37 grader," siger han og fortsætter med at tilføje:

"Men der er andre typer biovoks, der har forskellige smeltepunkter, som alle tilbyder muligheder for mange lignende anvendelser."

Smarte molekyler

Hvis vi undersøger biovoksen i detaljer, finder vi, at den er opbygget af molekyler, der opfører sig meget økonomisk i forhold til varme.

For at spare energi placerer molekylerne sig meget tæt sammen, når biovoksen er i sin faste fase. De klynger sig tæt på hinanden og holder sig relativt stille, ikke ulig en flok kolde pingviner på en isflage.

Efterhånden som materialet smelter, løsnes de bindinger, der holder molekylerne sammen, og de begynder at bevæge sig med det, vi kalder kinetisk energi. Efterhånden som der kommer mere varme fra deres omgivelser, bliver molekylerne mere ophidsede. Endelig bliver de frigjort fra deres bånd og kan vibrere frit og uafhængigt. Når dette sker, har biovoksen skiftet fase og er blevet til en væske.

Og det modsatte er sandt. Når voksen ændres fra en væske til et fast stof, frigiver molekylerne en stor del af deres kinetiske energi til deres omgivelser. De holder op med at vibrere og begynder at klynge sig sammen igen for at spare energi. Voksen vender derefter tilbage til et fast stof.

Biobaseret og vedligeholdelsesfri

Det er det fænomen, som forskere udnytter i sølvbeholderen. Den energi, der opsamles af bygningens eksterne solpaneler, ledes via en varmepumpe ind i det store "batteri", og det er her, biovoksmolekylerne frit kan danse af hjertens lyst – fulde af deres flydende energi.

Når tiden kommer til at udvinde energien, tildeles flydende vand jobbet som den "praktiske energibærer". Først og fremmest sendes koldt vand gennem varmelagringssystemet. Efter et kort stykke tid frigives det nu opvarmede vand fra apparatet og ledes til radiatorerne og ventilationssystemet, der tilfører opvarmet luft til bygningen.

Et effektivt, funktionelt system

Denne teknologi har nu været i brug som en del af ZEB Laboratoriets varmesystem i mere end et år.

"Det PCM-baserede varmelagringssystem leverer præcis den ydeevne, vi forventede," siger Alexis Sevault. "Vi udnytter så meget som muligt af bygningens egenproducerede solenergi. Vi oplever også, at systemet er særdeles velegnet til såkaldt 'peak shaving'", siger han.

"Ved at oplade bio-batteriet forud for de koldeste dele af dagen, forhindrer vi bygningen i at forbruge værdifuld net-elektricitet på tidspunkter, hvor resten af ​​Trondheim også oplever stor efterspørgsel," siger Sevault. "Det giver os en grad af fleksibilitet, som også kan bruges til at udnytte udsving i spotprisen. Vi kan oplade vores batteri, når vi har adgang til energi fra sol, vind og spildvarme, og udvinde output, når elprisen er høj. ," forklarer han.

Desuden har det første driftsår givet store mængder data, som forskerne nu skal bruge til at optimere både designet og driften af ​​systemet, så der kan udtrækkes så meget output som muligt.

Bedst egnet til industrielle applikationer

Systemet er således meget mindre sofistikeret end et traditionelt batteri - men det er ikke egnet til alle bygninger. Som en ny teknologi forbliver investeringsomkostningerne høje. Ulempen er, at et sådant system ikke vil fungere for alle. I hvert fald ikke på nuværende tidspunkt.

"Dette system vil være ideelt til industri- og kontorbygninger og i kvarterer, hvor varmen kan distribueres," siger Sevault. "Det bedste ved det er, at teknologien er praktisk talt vedligeholdelsesfri. Den vil holde i mindst 25 år," siger han.

Forskerne arbejder også på at udvikle smarte kontrolsystemer med det formål at optimere output. Disse vil gøre det muligt for systemet som helhed at reagere på og blive reguleret i overensstemmelse med dets omgivelsers behov. Det betyder i praksis, at måden, hvorpå systemet udnyttes, kan være styret af faktorer som vejrudsigter og udsving i elprisen. Denne forskning udføres af SINTEF i samarbejde med NTNU. Sammen med mange andre forskningsafdelinger inden for NTNU og SINTEF har forskerne etableret et Gemini Center kaldet Thermal Energy Storage.

ET SINTEF-spin-off

Forskerne, der har udviklet "bio-batteriet", eller PCM varmelagringssystemet, som eksperterne kalder det, er nu i gang med at etablere en virksomhed med det formål at kommercialisere teknologien. Det sker i samarbejde med SINTEFs in-house start-up support division, SINTEF TTO.

"Vi forestiller os, at vi efter flere måneders test på ZEB-laboratoriet trygt kan starte konceptet på dets rejse mod kommercialisering," siger Sevault. "Vi har også fået kontakt til mange slutbrugere, som er interesserede i at få installeret et pilotsystem i 2023 eller 2024. Mange af disse er industrivirksomheder, der har ressourcerne til at skalere konceptet op," siger han. + Udforsk yderligere

Forståelse af faseændringsmaterialer til lagring af termisk energi