Medforfattere: Magnus Rotan (SINTEF) og Olav Galteland (SINTEF)
Termiske batterier er på vei inn i industrien, og vil snart brukes også i boliger. Les videre for en omfattende gjennomgang av hvor teknologien står i dag, og hvilke utfordringer det jobbes med.
Har du hørt om et varmebatteri? Eller et kuldebatteri? I så fall er sannsynligheten stor for at du, som oss i SINTEF, er over gjennomsnittlig interessert i nye, grønne teknologiløsninger. Og det at varme- og kuldebatterier, eller termiske energilagre, har fått ufortjent lite oppmerksomhet som en muliggjørende teknologi for et grønnere samfunn, er noe vi vil gjøre noe med.
Mens de fleste tenker på den strømmen vi har i stikkontakten når de hører ordet energi, er mange ikke klar over at nesten 50 % av energien vi bruker i Norge og Europa faktisk går til oppvarming eller kjøling. Og på samme måte som batterier gir fleksibilitet til strømnettet og den individuelle strømforbruker, kan termiske batterier gi økt fleksibilitet på varme- og kuldesiden. De kan også avlaste strømnettet gjennom gjenbruk av varme eller forskyvning av strømforbruk, alt avhengig av energisystemene rundt batteriet.
Til forskjell fra elektriske batterier, har termiske batterier store fordeler når det kommer til råmaterialer og økologisk fotavtrykk: Mens vi hører mye om kritiske råmaterialer og gruvedrift for metaller til bruk i elektriske batterier, vil termiske batterier basere seg på ukontroversielle råmaterialer – ofte biomaterialer, salter, eller enda enklere, materialer som stein og vann.
Vi skiller typisk mellom sensible materialer som stein og vann, som blir varmere jo mer energi du putter inn i dem, og faseforandringsmaterialer som biomaterialer og salter, som vi smelter og størkner for å lagre og hente ut varme. Og mens vi i SINTEF tidligere har blogget om hvordan faseforandringsmaterialer kan benyttes for å gjøre norsk og europeisk industri grønnere og mer effektiv, eller redusere utslipp fra cruise-industrien, vil vi i denne bloggen se nærmere på hvordan vanlige forbrukere kan bli bedre kjent med varmebatterier.
På Gløshaugen i Trondheim står det et ganske unikt og veldig fascinerende bygg som til daglig blir omtalt som ZEB-bygget. ZEB står for Zero Emission Building, og bak dette akronymet gjemmer det seg en rekke tekniske finesser som bidrar til å bevare inneklima og komfort samtidig som klimafotavtrykket er minimert. Blant de tekniske nyvinningene finner vi et termisk lager basert på biovoks som faseforandringsmateriale, og som det første i sitt slag har det nå gjennom 2 og et halvt år bevist at det kan bufre varme fra varmepumpene eller fjernvarmeanlegget svært effektivt, og på den måten bidra til å holde strømforbruket nede.
Det er denne teknologien som nå snart kommer til en boligblokk eller et kontorbygg nær deg. Basert på suksessen til varmebatteriet i ZEB-bygget, har to av SINTEFs forskere startet spin-off-selskapet Cartesian, som allerede nå kan tilby varme- og kuldebatterier med lavt klimaavtrykk. Men selv om vi gjerne vil at denne teknologien skal tas i bruk så raskt som mulig, stanser ikke utviklingen der.
Videreutvikling av termiske batterier
Gjennom et samarbeidsprosjekt mellom nettopp Cartesian og SINTEF, skal vi fortsette å videreutvikle varmebatteriene til å bli mer effektive og mer fleksible i hvordan de knyttes sammen med resten av energisystemet. Dette skjer på flere områder: For eksempel vet vi at en av de største utfordringene med slike varmebatterier, er å få varmen fort nok inn og ut av batteriet. Hvor fort disse prosessene går, avhenger både av hvilke materialer vi bruker, og av geometrien i det hele.
Ved å ta tak i det siste, og designe såkalte varmevekslere som kan lede varmen inn og ut av lageret raskere, vil batteriet gi større effekt – det vil si mer varme per tidsenhet. Med smart design kan vi i tillegg til å øke effekten også redusere total vekt og volum på lageret, og på denne måten redusere fotavtrykket ytterligere.
Et annet relevant forskningsområde er utvikling av teknologi for å vite hvor oppladet batteriet er. For hvordan kan man egentlig vite om batteriet er i ferd med å gå tomt, eller om det er fullt oppladet? I dag bruker man indirekte teknikker for å avgjøre dette, som å holde orden på hvor mye varme man har hentet inn eller ut av tanken. Men etter mange sykluser blir dette mer og mer usikkert, og man behøver mer direkte måter å måle gjenværende varme på.
Siden varmebatteriet fungerer ved å lagre varme i overgangen mellom fast og flytende biovoks, blir utfordringen å finne metoder for å måle hvor mye av biovoksen som er smeltet eller størknet. Dette høres kanskje ikke vanskelig ut i utgangspunktet, men når vi tar høyde for en heller kompleks geometri av varmeveksler og biovoks inni tanken blir dette alt annet enn enkelt.
Det finnes sensorer som kan registrere hvor mye som er smeltet i ett bestemt område eller langs en bestemt siktlinje inni lageret, men å estimere dette for hele tanken uten å fylle den med sensorer er definitivt ingen enkel oppgave. Både forbedringer av hvilke sensorer man bruker, og dataprosessering av sensordataene, er forskningsoppgaver vi vil jobbe sammen med Cartesian om.
Illustrasjonen over viser et termisk batteri med varmeveksler. Sensorer (i oransje) måler hvor mye faseendringsmateriale er smeltet i ett bestemt område, for å estimere hvor mye energi er lagret i batteriet.
Termiske batterier på vei inn i boliger
Mens disse varmebatteriene foreløpig vil ha størst nytte i større bygninger hvor de kan kobles sammen med et helhetlig energisystem, finnes det også en type varmebatterier som retter seg mer mot bolighus og leiligheter. Og faktum er at i de aller fleste norske hjem er det allerede installert termiske lagre som vi til daglig ikke tenker så mye over, nemlig varmtvannstanker. Disse er riktignok mye enklere enn varmebatteri basert på biovoks eller andre faseendringsmaterialer, som har den fordelen over vanntanker at de kan levere varme på en bestemt temperatur uavhengig av hvor mye energi du har i tanken.
Til sammenligning, om du ønsker å lagre mer energi i varmtvannstanken din, har du i praksis to valg – øke temperaturen på vannet, eller øke volumet på tanken. Derfor har SINTEF i samarbeid med Høiax gått sammen for å se på hvordan man kan integrere faseforandringsmaterialer i nettopp varmtvannstanker for å redusere strømregningen din mens størrelsen og effekten av varmtvannstanken opprettholdes eller til og med forbedres. Og med smart styring av varmtvannstanken kan også den, på samme måte som elbilbatteriet ditt, fungere som et fleksibelt energilager som lader når det er mye tilgjengelig eller billig strøm og dermed kutte i både effekttoppene og strømregningen. Det er vinn-vinn-vinn, for lommeboka, for strømforsyningssystemet, og for miljøet.
Vi har tro på at med prosjekter som bringer termiske lagre nærmere folks dagligliv, vil varmebatterier etter hvert blir like godt kjent som elektriske batterier, og folk vil få øynene opp for at også varme og kulde er viktige brikker i det store energibildet. Og dette er kun smakebiter på hva vi i SINTEF jobber med for å utvikle termiske lagre for en rekke anvendelser, for industri og private.
Synes du for eksempel at vi har pratet for mye om varmebatterier og for lite om kuldebatterier, så sjekk ut denne bloggartikkelen: Cold thermal energy storage
Vil du ha et dypdykk ned i nye, spennende materialer for termiske batterier, leser du mer om termokjemiske materialer her: Termokjemisk energilagring: Neste generasjons termiske batterier?
Er du fortsatt nysgjerrig på hva mer vi jobber med, har spørsmål eller kanskje en god ide til en ny anvendelse for varmebatterier? Ta gjerne kontakt med oss, eller bruk kommentarfeltet under!
0 kommentarer på “Termiske batterier: For smartere bruk av energi”