Hvordan lager vi framtidens batteri?

Solceller produserer mest strøm midt på dagen, mens vindkraft kan produsere store mengder energi over flere dager, før vinden stilner og produksjonen synker. Samtidig forventer vi at strømmen er tilgjengelig når vi trenger den, uavhengig av vær og tid på døgnet.

For at fornybar energi skal kunne dekke energibehovet vårt er det derfor viktig med gode løsninger for lagring av denne energien over en lengre periode.

Det er her langtidslagring av energi, ofte kalt LDES (Long Duration Energy Storage), kommer inn i bildet. LDES omfatter teknologier som kan lagre den produserte energien over lengre perioder og levere den tilbake når strømforbruket er større enn produksjonen. På denne måten kan LDES bidra til å gjøre fornybar energi mer tilgjengelig, stabil og pålitelig.

Flytbatteri

En form for LDES er flytbatteri. Flytbatterier er stasjonære, oppladbare batterier der energien lagres i flytende elektrolytter i to separate tanker. Når batteriet lades eller leverer strøm, pumpes elektrolyttene gjennom en elektrokjemisk celle, der reaksjonene som lagrer eller frigjør energi skjer.

Den mest etablerte flytbatteriteknologien i dag er vanadium-redoks-flytbatteri (VRFB). Vanadium står imidlertid på EU sin liste over kritiske råmaterialer som omfatter materialer med stor økonomisk betydning og høy risiko for forsyningsproblemer. Skal flytbatteri bli en viktig del av framtidens energisystem, er det derfor ønskelig å utvikle et batteri basert på rimeligere og mer tilgjengelige materialer.

Et nytt batteri basert på sink og luft

I prosjektet ReZilient forsøker vi å utvikle en ny type flytbatteri basert på sink og luft. Målet er å utvikle en batteriteknologi som kan bli rimelig, mer miljøvennlig og godt egnet for lagring av energi over lengre tid.

Å utvikle et helt nytt batteri er derimot ikke enkelt. Materialer skal velges, komponenter skal designes og de fysiske prosessene skal forstås. Vi må blant annet undersøke hvordan batteriet lades og utlades, hvordan stoffene beveger seg gjennom systemet, og hvor det oppstår energitap. Selv små endringer kan påvirke batteriets ytelse i stor grad, og det er derfor mange mulige kombinasjoner som bør testes.

Vi kan ikke teste alt i laboratoriet

Laboratorieforsøk er avgjørende når vi skal utvikle nye batterier. Det er gjennom eksperimenter vi kan undersøke hvordan materialene faktisk oppfører seg, og om en idé fungerer i praksis. Hvert forsøk krever imidlertid både tid og ressurser.

Materialer må kjøpes og forsøksoppsett må bygges, tilpasses og kontrolleres. Deretter må eksperimentene planlegges og gjennomføres, før resultatene kan analyseres. Hvis alle mulige materialer, dimensjoner og driftsforhold skulle undersøkes i laboratoriet, ville utviklingen av batteriet tatt lang tid og vært veldig kostbar. Mange av forsøkene ville dessuten kun vist oss hvilke løsninger som ikke fungerer.

Derfor er det viktig med en metode som kan hjelpe oss med målrettede forsøk.

Et virtuelt batteri

Ved hjelp av modellering kan vi lage en digital representasjon av batteriet som beskriver sentrale prosesser i systemet ved hjelp av ligninger og kjente fysiske og kjemiske fenomen.

Når modellen er laget, kan vi gjennomføre virtuelle eksperimenter. Vi kan endre en eller flere parametere, som for eksempel størrelse på elektrodene, strømningshastighet og valg av elektrolytter, og undersøke hvordan dette påvirker batteriets oppførsel. På denne måten kan vi utforske betydningen av materialvalg, dimensjoner og ulike driftsbetingelser bare ved noen få tastetrykk.

Modellen kan også gi informasjon om forhold som kan være vanskelige å måle direkte i et fysisk batteri. Den kan hjelpe oss med å forstå hva som skjer inne i batteriet, hvilke prosesser som begrenser ytelsen, og hvor energitapene oppstår.

Modellering gir oss dermed mulighet til å stille flere spørsmål på kortere tid:

• Hvilke parametere har størst betydning for batteriets ytelse?
• Hvordan kan batteriet utformes for å redusere energitap?
• Hvilke forsøk bør prioriteres i laboratoriet?

Modellering erstatter ikke laboratoriet

Selv om en digital modell kan gi innsikt i det teoretiske systemet, er det ikke nødvendigvis helt det samme som virkeligheten. Modeller bygger på antakelser, ligninger og tilgjengelige data, og må derfor kontrolleres mot eksperimentelle resultater.

I ReZilient-prosjektet kan simuleringene brukes til å identifisere hvor energien går tapt, og hva som kan forbedres for å øke effekten til batteriet. Forskerne i laboratoriet kan deretter prioritere å teste disse løsningene. Resultatene fra eksperimentene brukes igjen til å undersøke om modellen beskriver batteriet godt nok, og til å forbedre modellen dersom det er nødvendig. Dette skaper et tett samspill mellom modellering og eksperimenter. Modellen hjelper oss med innsikt i systemet, og med å planlegge bedre forsøk, mens forsøkene gir oss data som gjør modellen mer presis.

Fra mange muligheter til målrettede eksperimenter

Behovet for nye løsninger for langtidslagring av energi er stort, men veien fra en idé til et fungerende batteri kan være lang. Skal ny teknologi utvikles raskere, må vi bruke tiden og ressursene våre riktig.

Gjennom ReZilient kombinerer vi utviklingen av et nytt sink-luft-flytbatteri med digital modellering. Målet er å utforske hvordan batteriet fungerer, finne de mest lovende løsningene og gjøre laboratorieforsøkene mer målrettede.

På denne måten kan modellering bidra til at vi lærer raskere, reduserer antallet forsøk, og kanskje ta oss et steg nærmere framtidens batteriteknologi.