Termokjemisk energilagring: Neste generasjons termiske batterier?

mEDFORFATTER: RAGNHILD SÆTERLI, SINTEF

Termokjemisk energilagring kan gi oss en ren, effektiv og fleksibel måte å lagre varme på, men det er fortsatt forskningsutfordringer å løse før teknologien er klar som neste generasjons varmebatteri.

I overgangen til mer bærekraftige energisystemer har energilagring en viktig rolle å spille. Varmebatterier, eller termiske energilagre (TES), har fått mer og mer oppmerksomhet som en manglende kobling mellom varmeproduksjon og varmebehov, og som en måte å utnytte spillvarme. Dagens TES-systemer preges av lav energitetthet, og blir dermed ofte både store og tunge. En av de nye teknologiene som for tiden utforskes er termokjemisk energilagring (TCES), som kan tilby kompakt varmelagring hvor man ikke taper mye av varmen ved lagring over tid, og baner dermed også vei for langsiktig energilagring.

Hvorfor termiske batterier?

På toppen av den allerede overhengende klimakrisen, har den nåværende energisituasjonen forårsaket av krigen i Ukraina økt behovet for en rask endring av europeiske energisystemer. Også her i Norge har høye strømpriser ført til økt fokus på energisparing og teknologier som kan flytte energibruk bort fra de dyreste periodene. I henhold til hovedretningslinjene foreslått av Det internasjonale energibyrået IEA, krever en sikker og miljøvennlig vei ut fra den nåværende energikrisen at fornybar energi oppskaleres og fossil energi nedskaleres. Imidlertid er de fleste fornybare energisystemer flyktige – vi kan ikke få solen til å skinne eller vinden til å blåse på kommando – noe som betyr at utvikling og forbedring av energilagringsteknologier er nøkkelen til å sikre tilstrekkelig fleksibilitet og unngå fossile reserveløsninger på dager uten sol eller vind, og som dermed baner vei også for langsiktig energilagring.

Med dette som bakteppe er det behov for effektive, fleksible og ikke-forurensende batterier. Det optimale batteriet i hvert tilfelle avhenger av hva slags energi som produseres og brukes. I mange tilfeller, og spesielt der varme (eller kulde) produseres og senere brukes, er termiske batterier det opplagte valget. De er fleksible og kan integreres i systemer med varierende krav, som sol- og vindparker, eller brukes for å gjenvinne overskuddsvarme fra industrien. Med riktige valg av materialer er termiske batterier trygge, rimelige og har lav miljøbelastning. De blir ofte referert til som termisk energilagring (TES).

Termiske energilagringsmaterialer kan lagre varme eller kulde gjennom sine fysiske/kjemiske egenskaper og frigjøre det timer, dager eller til og med måneder senere. Avhengig av hvordan materialene oppfører seg ved temperaturvariasjoner, klassifiserer vi dem i tre hovedtyper (se figur 1):

• Sensibel TES er varmelagring gjennom tradisjonell oppvarming av et materiale, som varmtvannstanker eller oppvarmet kleberstein. I et sensibelt TES-materiale henger temperatur og energi direkte sammen, slik at jo mer energi du lagrer i materialet, jo høyere blir temperaturen.
• Latent TES utnytter varmen som absorberes eller frigjøres i en faseovergang av materialet, vanligvis mellom fast og flytende fase. Det typiske eksempelet er is som brukes til å holde mat eller drikke på null grader, faseforandringstemperaturen, til alt har smeltet. Energien som er lagret i disse overgangene er betydelig høyere enn sensibel varme: For vann går det omtrent 80 ganger mer energi på å smelte materialet, enn ved å heve temperaturen fra 1 til 2 grader. Materialer som brukes i latente TES-teknologier kalles faseforandringsmaterialer, på engelsk Phase Change Materials (PCM). Mer informasjon i denne bloggartikkelen «Hva er faseendringsmaterialer (PCM) og vil det slå an i Norge?» og i rapporten «Phase change materials for thermal energy storage in low‐ and high‐temperature applications: a state‐of‐the‐art».
• Materialer for termokjemisk energilagring (TCES) lagrer varme gjennom reversible kjemiske reaksjoner. Ved kombinasjon eller separasjon av to stoffer absorberes eller frigjøres varme. TCES-materialer kan generelt lagre mer energi enn sensible og latente TES-materialer, og over lengre tid.

I SINTEF Energi jobber vi med en rekke TES-teknologier. Et nytt initiativ gjennom Forskningssenteret for miljøvennlig energi, HighEFF, vil bringe oppmerksomheten til TCES-materialer, som ennå ikke har nådd kommersialisering, men som har flere fordeler i forhold til dagens energilagringsmaterialer.

Hvordan kan TCES bli neste generasjon termiske batterier?

Et av de mest interessante TCES-systemene er vannsorpsjon, hvor en av reaktantene i de termokjemiske reaksjonene er vann i væske- eller dampform.

Et eksempel på TCES brukt til varmelagring er gitt i figur 2. Lading av varmebatteriet skjer ved at overskuddsvarme brukes til å øke temperaturen, og dermed dehydrere materialet og frigjøre vanndamp. Materialet vil forbli i denne «ladede» tilstanden så lenge det lagres tørt. Frigivelse av den lagrede varmen skjer når materialet hydreres ved å tilsette vann eller damp, vanligvis ved lavere temperatur enn dehydreringen.

Lading og utladning av et TCES-batteri skjer i en reaktor, som hovedsakelig finnes i to typer. I integrerte reaktorer (se figur 3) sirkulerer vann inn og ut av en lukket tank med TCES-materiale. Her vil mengden energi som lagres avhenge direkte av mengden TCES-materiale i tanken.

I separate reaktorer (se figur 4) sirkulerer det hydrerte, utladede materialet fra en lavenergitank gjennom en reaktor, hvor det dehydreres, til en høyenergitank, hvor det oppladede materialet lagres. Ved utladning føres materialet gjennom den samme eller en separat reaktor tilbake til lavenergitanken.

Høy energilagringskapasitet og kompakthet sammenlignet med sensible og latent TES er forutsetninger for at TCES skal lykkes kommersielt. I tillegg vil oppskalering av sensible og latente TES-batterier innebære å øke den totale systemstørrelsen, med tilhørende potensielt høye kostnader. I et TCES-batteri kan derimot oppskaleringskostnadene minimeres ved bruk av separate reaktorer og lagringstanker. Og siden forskjellige kjemiske reaksjoner har forskjellige lade-/utladningstemperaturer, kan TCES-materialer skreddersys til et stort temperaturområde og dermed ulike bruksområder.

I SINTEF Energi jobber vi med vannsorpsjon TCES gjennom prosjektet ITChES (Integration of ThermoChemical Energy Storage), sammen med SINTEF Industri, innenfor rammen av FME HighEff. I dette prosjektet blir potensialet til utvalgte TCES-forbindelser for gjenvinning av overskuddsvarme i området 120-300 °C, analysert på laboratorieskala. Resultatene skal brukes som grunnlag for en teknoøkonomisk studie, med mål om å bane vei for storskala implementeringer i industrielle prosesser.

Termokjemisk energilagring er en av nøkkelteknologiene i den grønne omstillingen, og har potensial til å bli neste generasjons termiske batterier som kan bidra til en sikker og fleksibel overgang fra fossil energi til effektive, rene energisystemer.