Sådan kan vedvarende energi gemmes

Sol og vand bliver til brændstof

I bare halvanden times solskin på jorden er der energi nok til at dække verdens samlede energiforbrug i et år. Men udfordringen er at få ’høstet’ denne energi. I fotokatalytisk vandspaltning kan man bruge solenergi og katalysatorer til at spalte vand til ilt og brint. Brinten kan herefter gemmes og enten bruges til at lave elektricitet, når solen ikke skinner, eller som brændstof. 

Foto Poul Møller, Haldor Topsøe A/S

Forskere på DTU’s forskningscenter CA SE arbejder med at udvikle disse katalysatorer, en til brintdannelsen og en til ilt. En god katalysator skal opfylde tre krav: Den skal være billig, effektiv og holdbar. I de fotokatalytiske systemer, der allerede er udviklet, kan man kun opfylde to af de tre krav – nogle er holdbare, men dyre; andre er billige, men ineffektive. Dertil kommer, at systemet skal absorbere solens lys med høj effektivitet, for at der er energi nok til vandspaltningen. På DTU har man udviklet et effektivt system baseret på silicium som lysabsorbent og molybdæn-sulfider som brintkatalysator. Dette system er ikke afhængigt af knappe, og dermed dyre, grundstoffer og kan blive en komponent i et billigt fotokatalytisk system.

Kunstigt reservoir til lande uden bjerge

En fantasifuld og smuk, men måske vanskeligt realiserbar idé i stor skala, er Green Power Island, som på dette billede er skitseret af arkitektfirmaet Gottlieb Paludan Architects i samarbejde med forskere fra DTU Energikonvertering. Her forestiller man sig en måde at skabe vandkraft på i et område uden bjerge: 

Foto: Gott lieb Palud an Architects

Idéen er at skabe en kunstig ø med et stort bassin, som tømmes for vand ved hjælp af overskudsstrøm fra de tilknyttede havvindmøller. Når der så er brug for den opdæmmede energi, lader man vandet strømme ned i bassinet igen gennem turbiner og får på den måde gendannet den elektriske strøm. Green Power Island-projektet modtog i 2011 Arkitektforeningens pris Årets Lille Arne for ’sin innovative slagstyrke og for det vigtige samarbejde mellem ingeniør og arkitekt’.

Syntetiske brændsler fra el og biomasse

Selv om elbiler er begyndt at dukke op, har vi i fremtiden stadig brug for flydende brændsler til transport, ikke mindst i lastbiler, fly og skibe. Der er flere forskellige bæredygtige måder at fremstille sådanne brændsler på. En måde, som forskere ved DTU Energikonvertering arbejder på, er at bruge elektrolyse til at omdanne vand og CO 2 til brint og CO , altså syntesegas. Den kan så via katalytiske processer omsættes til brændsler som f.eks. metan, metanol, benzin og diesel. 

Man kan også ’opgradere’ biomasse og affald til et mere værdifuldt brændsel ved at tilsætte brint, der enten er fremstillet ved elektrolyse eller fotokatalyse. Det meste biomasse er kendetegnet ved en forholdsvis lav energitæthed, hvilket fordyrer transporten til store centrale anlæg. Ved såkaldt pyrolyse af biomassen, dvs. hurtig opvarmning uden tilstedeværelse af ilt, omdannes biomassen til en meget energitæt olie, der er langt billigere at transportere. Bio-olien kan så efterfølgende forgasses til syntesegas, eller den kan opgraderes direkte til et flydende brændsel ved katalytisk behandling med brint. På CA SE på DTU forskes der intenst i udvikling af nye og effektive katalysatorer til både omdannelsen af syntesegas og til opgradering af bio-olier.

Plastikposer under et tykt lag sand

I bjergrige lande kan man lagre energi ved at dæmme vand op i højt beliggende søer og senere lade vandet løbe ud gennem turbiner. Eller man kan direkte pumpe vand fra lavtliggende søer (eller havet) til højtliggende bassiner. Samme virkning kan man få i lande uden bjerge, hvis man pumper vand ind i store poser af plastik placeret under et tykt lag sand, for eksempel i et klitområde. Når man efterfølgende lader vandet løbe ud, omsætter man så at sige sandets potentielle energi til vandkraft, og dermed kommer klitområdet til at fungere som batteri. 

I en grusgrav ved Sønderborg har virksomheden GODevelopment udført pilotforsøg med et membranpumpeanlæg, hvor man, når det blæser og strømmen er billig, pumper vand ind i en 50 m2 stor pose under et tykt lag jord. Jorden skaber det tryk, der gør, at vandet kan producere strøm via en turbine, når det lukkes ud igen. De foreløbige resultater af forsøgene er rent lagringsmæssigt ganske gode og med høj virkningsgrad.

Elektrolyse til lagring af el fra sol og vind 

I takt med at vi får mere og mere af vores elektricitet fra solceller og vindmøller, bliver det et stigende problem at kunne gemme elektriciteten, når produktionen overstiger det øjeblikkelige behov. En elektrolysecelle kan omdanne elektricitet til brint, og brint kan i modsætning til el lagres i en tank og senere bruges som brændstof i en brændselscelle, der kan lave ny elektricitet. 

I en elektrolysecelle spaltes vand til ilt og brint ved hjælp af elektricitet. Derved bliver den elektriske energi omdannet til kemisk energi bundet i brintmolekylerne. Det er det omvendte af, hvad der sker i en brændselscelle. På DTU Energikonvertering forsker man i flere forskellige elektrolyseteknologier, både til brug ved forholdsvis lave temperaturer (op til 200 °C) og ved høje temperaturer (800-1000 °C). Fordelen ved højtemperaturelektrolyse, hvor man bruger keramiske materialer, er en meget høj virkningsgrad og hurtig kinetik.

Komprimeret luft under jorden

Når man vil gemme energi, og lageret ikke behøver være mobilt, er sammenpresset luft en mulighed. I et såkaldt Compressed Air Energy Storage-anlæg (CAES) bruger man for eksempel strøm til at komprimere luft, som så kan opbevares i et undergrundslager ved højt tryk. Når man har brug for strømmen igen, lader man den komprimerede luft drive en turbine og får dermed genskabt energien. På DTU Mekanik forskes der i mulighederne for at udnytte denne termo-mekaniske teknologi. Lektor Brian Elmegaard fortæller: ”CAES-anlæg vil kunne bruges til energilagring i lande som Danmark, hvor der ikke er geografisk mulighed for at bruge f.eks. vandkraft. Men teknologien har en forholdsvis lav virkningsgrad, bl.a. fordi der tabes varme i komprimeringsprocessen,” siger han. ”Derfor forskes og udvikles der i relaterede teknologier, hvor man f.eks. bruger den varme, der genereres, når man komprimerer luften, så man senere kan genanvende den under ekspansionen. Man arbejder også med at bruge processer som involverer CO 2 eller flydende nitrogen for at få en højere effektivitet,” siger Brian Elmegaard, DTU Mekanik. 

Fra miljøsynder til eftertragtet råstof

CO₂ kender de fleste som et uønsket slutprodukt, når vi afbrænder fossile brændstoffer. CO₂ kan imidlertid også blive en værdifuld startingrediens i produktionen af nye brændstoffer. 

I en keramisk elektrolysecelle kan man bruge elektricitet fra vindmøller eller solceller til at elektrolysere CO₂. Her handler det om at skille det ene iltatom fra, så man får kulilte (CO). Hvis man gør det samtidig med spaltning af vand, får man en blanding af brint og CO, der også kaldes syntesegas. CO₂ kan opfanges direkte fra skorstene og andre punktkilder ved konventionelle kraftværker og eksempelvis cementfabrikker. Dermed kan man genbruge CO₂ og omdanne det til brugbar syntesegas. Syntesegas kan med standardmetoder omdannes til forskellige vigtige kemikalier som f.eks. metan (CH₄), metanol (CH₃OH) eller ethanol (C₂H₅OH ). 

CO₂ kan også omdannes direkte til brændstof. Forskere på CASE på DTU arbejder på at udvikle selektive katalysatorer, der kan styre omdannelsen af CO₂ til et bestemt produkt. Dermed undgår man dannelsen af store mængder biprodukter og følgende lav effektivitet af reaktionen. Faktisk kan almindeligt kobber katalysere dannelsen af f.eks. metan med god selektivitet. I dette tilfælde er energitabet imidlertid for stort til, at det kan betale sig. Der er dog gode muligheder for at finde andre materialer end kobber, som har langt mindre tab. Blandt andet er nanostruktureret guld og legeringer af guld lovende

Kæmpe genopladelige batterier

Genopladelige batterier kender vi fra den private husholdning, men man kan også lagre overskudsstrøm i stor skala, nemlig i store genopladelige flow-batterianlæg. Batteriet består af to eller fire store tanke, der indeholder en væske – en elektrolytblanding. Blandingen oplades ved hjælp af strøm, f.eks. fra vindmøller, ved at der igangsættes en kemisk reaktion i tankene. Når der senere er brug for strømmen, tappes den fra batteriet. Lektor på DTU Kemiteknik Kaj Thomsen forklarer: 
”Fordelen ved denne type batterier er, at de lynhurtigt kan omstilles fra opladning til afladning, så man får et meget fleksibelt energilager.” Der findes fungerende anlæg flere steder i verden, primært i USA, Canada og Kina og på DTU Elektro findes et mindre vanadium-baseret redox-batteri. 

Vokskugler, der afkøler og opvarmer

En enkel måde at gemme og genanvende solens varme på i bygninger er ved at beklæde væggene med gipsplader, der er forsynet med små beholdere, der indeholder voks. Når solen skinner om dagen, smeltes voksen. Om natten, hvor det bliver køligt, vil voksen størkne igen – og i denne proces afgives varme. Forklaringen bag er, at man kan lagre energi i såkaldte faseskiftematerialer – dvs. materialer, der henholdsvis smelter og størkner, når de varmes op og køles ned. Ud over eksemplet med voks kan det også være vandige opløsninger, der indeholder salte. 

”Det er den proces, der foregår i såkaldte ’heat packs’, de små paraffinpakker, som f.eks. bjergbestigere bruger til at opvarme fødder og hænder. De indeholder en underafkølet væske, hvori en størkningsproces sættes i gang med et klik fra et metalstykke. Under størkningen afgives varme. Den tyske kemigigant BASF har udviklet såkaldte PCM (Phase Change Materials) smartboards, som kan reducere en bygnings energiforbrug med 15 procent,” fortæller Kaj Thomsen, lektor på DTU Kemiteknik.