I ett energisystem baserat på förnybara och hållbara källor blir olika modeller för energilagring helt avgörande för en stabil försörjning till konsumenterna. En möjlig lösning är tryckluftslagring – Isothermal Compressed Air Energy Storage, I-CAES – som skulle kunna fungera som en buffert för varierande produktion. Detta har Ilmatars sommarpraktikant 2023, Linnea Karsten, forskat på och sammanfattat såhär:
Under det senaste året har energi- och elpriserna blivit en fråga av allmänt intresse på grund av energikrisen i Europa. Världsläget och en plötslig brist på exempelvis naturgas har lett till att energiproduktionen alltmer inriktas på förnybara energikällor, inklusive vindkraft. Att ett lands energisystem blir mer beroende av till exempel vindkraft gör det mer sårbart för väderförändringar som påverkar marknaden och elpriserna. Detta är en av de stora utmaningarna med att övergå till energisystem baserade på förnybara och hållbara källor – olika modeller för energilagring är helt avgörande för en stabil försörjning till konsumenterna.
En möjlig lösning är tryckluftslagring – Isothermal Compressed Air Energy Storage, I-CAES – som skulle kunna fungera som en buffert för varierande produktion.
Stabilisering behövs
De elpriser vi som konsumenter ser som spot-pris återspeglar balansen mellan energiproduktion och konsumtion under varje timme. Det innebär att elpriserna är lägre när energiproduktionen är större än förbrukningen och högre när vi vill förbruka mer än den mängd energi som produceras. Ur ett vindkraftsperspektiv skulle starkare vindar och därmed högre produktion leda till lägre priser. På samma sätt skulle kostnaderna stiga vid svag eller ingen vind.
För att stabilisera priserna, och även balansen i elnätet, behöver den överflödiga energiproduktionen kunna flyttas till timmar med större förbrukning. En möjlig lösning är tryckluftslagring – Isothermal Compressed Air Energy Storage, I-CAES – som skulle kunna fungera som en buffert för varierande produktion.
Pump och turbin i ett
Ett undervattens I-CAES-system består av en behållare med fast volym som fylls med luft och placeras på havsbotten med en dubbelriktad pump/turbin, vilket innebär att den fungerar som både en pump för laddning och en turbin för urladdning. Den är också utrustad med en stödram och ett gravitationsankare för att stärka och stabilisera behållaren.
Systemet laddas genom att havsvatten från det omgivande havet pumpas in i behållaren med en konstant luftmängd. När behållaren fylls med havsvatten tvingas den befintliga luften in i en mindre volym, vilket gör att dess potentiella energi stiger. Denna process omvandlar den elektriska energin från vindturbinen till potentiell energi i luften, och den nu trycksatta luften lagrar energin tills systemet laddas ur.
När lagringssystemet laddas ur omvandlas den potentiella energin tillbaka till elektrisk energi genom att tryckluften tillåts expandera till sin ursprungliga volym i behållaren samtidigt som havsvattnet pressas ut från tanken tillbaka ut i havet. När vattnet trycks ut passerar det återigen pumpen, som nu arbetar som en turbin för att återföra energin som elektricitet.
Thermal analysis of a compressor for application to Compressed Air Energy Storage – C. Zhang et all, 2014.
Kan jämföras med pumpkraft
Denna process kan jämföras med pumpad lagringsvattenkraft, där vatten pumpas från en lägre reservoar till en högre för lagring när energipriserna är låga, alltså när vi har lägre förbrukning än produktion. Genom att lyfta vattnet högre upp får det ytterligare potentiell energi, motsvarat av själva höjden.
För att återvinna den potentiella energin leds vattnet genom en turbin, medan det rinner tillbaka ner till den ursprungliga reservoaren och omvandlas tillbaka till elektricitet. I båda fallen av energilagring lagras energin som potentiell energi i media, vatten och luft. Skillnaden mellan de två är dock att I-CAES inte är beroende av höjdskillnader i miljön.
Eftersom havet runtom systemet ger extra värme när temperaturen vill sjunka, behöver lagringssystemet inte extern uppvärmning genom förbränning av bränsle.
Pump och turbin i ett
Att lagringssystemet är isotermiskt innebär att temperaturen hålls oförändrad. Detta är möjligt tack vare det omgivande havets förmåga att kompensera för eventuella förändringar i värme och hålla hela systemet vid en konstant temperatur. Eftersom havet runtom systemet ger extra värme när temperaturen vill sjunka, behöver lagringssystemet inte extern uppvärmning genom förbränning av bränsle. Därför kan den här lösningen fungera utan kontinuerliga utsläpp av växthusgaser, i motsats till vissa andra anpassningar av energilagring med tryckluft.
Att använda havet för kylning och uppvärmning begränsar dock hur snabbt systemet kan laddas och tömmas. För att vattnet ska hinna kompensera för temperaturförändringarna är systemet bäst lämpat för att utjämna skillnader i produktion mellan 4-12 timmar snarare än snabbare variationer inom en timme.
Konceptet testat
Tryckluftslagringen som beskrivs ovan bygger på den lösning som utvecklats vid Maltas universitet och av det nederländska företaget FLASC. Företaget presenterade för drygt fem år sedan en systemprototyp för att testa hur väl havet kunde kompensera för temperaturförändringar under drift.
Prototypen fungerade också som en proof-of-concept-studie för att visa att lösningen kunde genomföras. Studier av prototypen visade på hög verkningsgrad för både uppvärmning och kylning samt för rundgång, vilket visar hur mycket av den energi som används för att ladda systemet som kan återvinnas under urladdningen och återföras till nätet för förbrukning.
Ilmatars planerade offshore-projekt finns hela vägen upp längs Bottniska viken.
Lämpligt för Bottniska viken
I takt med att havsbaserad vindkraft ökar i de nordiska länderna blir möjligheter till stabiliserande energilagring en allt viktigare aspekt av det moderna energisystemet. Tack vare FLASC:s teknik för förladdning kräver detta lagringssystem inte stora havsdjup, och det höga hydrostatiska tryck som detta skapar för att nå hög energikapacitet per volymenhet. Istället kan FLASC:s lösning installeras på grundare vatten, med djup på cirka 40-400 meter, vilket gör detta system väl lämpat för Bottniska viken.
Dessutom tillför lagringssystemet få eller inga skadliga ämnen till det ekosystem det placeras i, eftersom hela systemet endast använder vanlig luft och lokalt havsvatten för att lagra energin. Som en del av de finska och nordiska kraftsystemen skulle ett I-CAES-system kunna bidra till att stabilisera energiförsörjningen och aktiveras under timmar med hög förbrukning, och därigenom minska risken för extrema energipriser orsakade av föränderligt väder.
Linnea Karsten har en kandidatexamen i energi- och miljöteknik vid Aalto-universitetet. Efter sin sommarpraktik kommer hon att börja sina magisterstudier i värme- och kraftteknik för en dubbel magisterexamen vid Aalto-universitetet och Chalmers tekniska högskola.
