I detta kapitel sammanställs litteraturstudierna om energilagringstekniker och jämförs kortfattat. Likt kapitel 5 kommer de olika teknikerna sedan jämföras i en matris där de mest lämpliga energilagringsteknikerna sedan undersöks närmare.
En utav de viktigaste faktorerna, som påverkar utgången för hur lyckosam en övergång till förnyelsebara källor blir, är energilagringen. Just nu är ett av de största problemen med nyare energikällor att energin levereras oregelbundet, detta problem kan dock minskas med hjälp av energilagring. (Etsi, 2009)
I dagsläget finns det ett flertal olika scenarier där energilagring är önskvärd. Dels i händelse av underhåll av eller vid fel på energihuvudkällan, en reservlösning med andra ord. Dels kan energilagring användas för att öka kvaliteten på energifördelningen och användas som tillskott vid en högre efterfrågan. Det fall som vi dock står inför här är, liksom ovan beskrivet, framförallt problematiken med den oregelbundet levererade energi som ofta är förknippad med förnyelsebara energikällor. Något som kräver energilagring som kan fungera som buffert då energisystemet ej levererar tillräcklig energi. (Etsi, 2009)
Nedan är fyra energilagringstekniker som kan fungera i samband med basstationer kortfattat beskrivna och jämförda.
6.1 Traditionella blybatteriet.
I dagsläget är det vanligaste sättet att lagra energi det traditionella blybatteriet, likt det som finns i de allra flesta bilar. Att tekniken funnits sedan mitten på 1800-‐talet och därefter genomgått kontinuerlig teknisk förbättring, innebär att det är en utav de mest mogna och billigaste lösningar som finns på marknaden idag (Leadbetter och Swan, 2012). Det faktum att den är väldigt lättillgänglig och modulär, medför att den därmed är enkel att integrera med basstationers energisystem.
Blybatterier kan dimensioneras till att passa basstationer och därmed uppfylla driftkraven på att försörja basstationen med energi upp till flera timmar. Det är även möjligt att ladda batterierna genom överskottsenergi under användning av huvudkällan till energi.
De negativa egenskaperna hos traditionella blybatterier är i detta sammanhang framförallt deras förhållandevis korta livslängd samt känsligheten för höga och låga temperaturer. Detta är något som är problematiskt i samband med basstationer då temperaturerna kan variera kraftigt. Detta innebär att basstationen ofta måste ha en anordning för att reglera temperaturen, något som i sig kan stå för en ganska stor andel av energiförbrukningen (Lubritto, et al., 2010).
Även om tekniken är väldigt mogen sker det ändå kontinuerligt små förbättringar. (Leadbetter och Swan, 2012). Dessa förbättringar är framförallt riktade till de brister som är nämnda ovan gällande livslängd samt arbetstemperatur, men även till att förbättra batteriets prestanda.
6.2 Litiumjonbatteriet.
Ett alternativ som väntas ta allt större marknadsandelar är litiumjonbatteriet, mycket tack vare deras långa livslängd, höga energidensitet och effektivitet. Jämfört med det blyackumulatorn är litiumjonbatteriet förhållandevis ny på marknaden, vilket innebär att tekniken inte mognat till fullo ännu.
Sett till driftkraven på basstationer är litiumjonbatteriet fullt tillräckligt, det har både högre energidensitet livslängd och effektivitet jämfört med blybatteriet som i större utsträckning är det alternativ som används idag (Leadbetter och Swan, 2012). Ett litiumbatteri klarar därför av både fler och längre avbrott än konkurrenterna. Likt Blybatteriet är det också modulärt och enkelt att integrera ett litiumbatteri med ett större energisystem.
Prestandamässigt är därför detta alternativ egentligen bättre, det som dock talar emot tekniken i nuläget är dock priset. Ett litiumjonbatteri kan idag kosta 3-‐4 ggr mer än de mer traditionella alternativen. Dessa kostnader väntas dock minska de kommande åren när tekniken mognar och produktionsleden förbättras. Teknikens breda potential har lett till att den i nuläget är den batteriteknik som det forskas allra mest om (Leadbetter och Swan, 2012). Forskningen är framförallt inriktad på att minska kostnaderna, förbättra prestandan, öka livslängden samt förbättra säkerheten. Även om det redan är en högpresterande energilagringsenhet återfinns fortfarande mycket potential i tekniken som ännu ej har uppfyllts (Leadbetter och Swan, 2012).
6.3 Bränsleceller
Något som även tidigare diskuterats i kapitel fem, är bränsleceller. I förra kapitlet låg fokus framförallt på att utreda teknikens potential att ersätta dieselgeneratorn medan detta kapitel framförallt undersöker dess potential som energilagringsenhet.
I det här avseendet skulle huvudkällan till energianvändas för att producera väte på plats genom exempelvis elektrolys av vatten. Vätet utgör sedan drivmedlet till bränslecellerna. Då drifttiden på bränslecellerna är helt och hållet knuten till dess bränsletillgång går det att säkerställa driften till basstationer (Crouch, 2011). Genom dimensionering av energisystemet går det att kontrollera hur mycket bränsle som produceras och därmed också hur lång tid basstationen drivs av enbart bränslecellerna. Det här innebär att bränsleceller har potential att försörja basstationen med energi under längre perioder jämfört med traditionella batterier samt att driftstoppen på basstationer minimeras och tillförlitligheten på energisystemet ökar (Crouch, 2011). Inte enbart för att det går att kontrollera mängden tillgänglig bränsle utan även för att tekniken är robust tack vare avsaknaden på rörliga delar. Det här gör även att bränsleceller har en väldigt lång livslängd där effektiviteten inte minskar lika drastiskt som hos traditionella batterier.
Ytterligare en fördel med bränslecellerna är att de ej är lika känsliga för temperaturskillnader (Crouch, 2011). Förmågan att arbeta under vidare temperaturspann innebär att basstationens temperaturreglage ej behöver nyttjas i samma utsträckning som om traditionella blybatterier används vilket gör att
Det som talar emot tekniken är framförallt kostnaderna. Att producera väte på plats genom exempelvis elektrolys av vatten är kostsamt, framförallt är det höga investeringskostnader för att sådant system (Edwards, et al., 2008). Ytterligare en problematik är förvaringen av väte på plats. Detta kräver en hel del utrymme och är i sig en hög kostnad. Dessa kostnader är den största barriären för att bränslecellerna ska kunna ta en större marknadsandel. För att tekniken skall kunna konkurrera krävs det en snabbare utvecklingstakt än den nuvarande, och framförallt en snabbare utvecklingstakt jämfört med konkurrerande tekniker som exempelvis litiumjonbatteriet (Crouch, 2011).
6.4 Tryckluft.
Ytterligare en teknik som kan vara intressant att nämna i sammanhanget är tryckluft. Energilagring med hjälp av tryckluft baseras på att luft komprimeras och lagras under högt tryck för att sedan användas till att driva en turbin som i sin tur genererar energi (Madlener och Latz, 2010). I dagsläget är tekniken inte särskilt utbredd och har därtill inte heller mognat tillräckligt för att ekonomiskt kunna konkurrera med de andra alternativen som nämnts tidigare.
Tryckluft har en väldigt kort uppstartningstid, men klarar däremot inte av att driva basstationen under längre avbrott, något som innebär att tekniken ej klarar av de driftkrav som ställs på energilagringen hos en basstation. En intressant aspekt är dock att vid användningen expanderar luften och kyls i och med detta ned tack vare att gaser enligt termodynamiska lagar kyls när de expanderar. Det här är en aspekt som är intressant för basstationer då en stor del av energianvändningen ofta går till att kyla ner systemet. Det är detta som gör tekniken intressant, och är ett exempel på hur tankegångarna bör gå när energisystemet till framtidens basstationer utformas.
Även om tekniken ej kommer att ta några större marknadsandelar visar den ändå på hur energisystemet kan integreras med basstationen och fylla fler funktioner än en. I motsats till dess batterikonkurrenter klarar den av höga temperaturer och har dessutom en lång livslängd om den utformas rätt. Det är dock en komplicerad design och det är dessutom komplicerat att integrera tekniken med basstationer. Ytterligare ett hinder är effektiviteten hos tryckluften, denna kan vara svår att få tillräckligt hög för att det ska vara ett gångbart alternativ för energilagring hos basstationer.
6.5 Sammanställning
Utav ovanstående litteraturstudie i kapitel 6 har en matris sammanställts där de olika teknikerna ställs mot krav och önskemål på egenskaper energilösningarna bör besitta. Resultatet syns i figur 4.
Figur 4: Sammanställning av lagringstekniker och deras egenskaper.
Som framgår i figur 4 är traditionella blybatterier och litiumjonbatterier de tekniker som har störst potential att i framtiden försörja basstationer med energi. Hur dessa tekniker väntas utveckla redovisas kort i nästkommande kapitel.
5.7 Djupare jämförelse mellan Blybatterier och litiumjonbatterier.
Även om det i det aktuella läget står klart att det bästa nuvarande alternativet för energilagring till basstationer är det traditionella blybatteriet (se figur 4), finns det indikatorer som pekar på att litiumjonbatterier kan komma att konkurrera med dessa redan om ett par år. De faktorer som framförallt är intressanta att titta på är den tekniska utvecklingen hos de båda teknikerna samt den spådda ekonomiska utvecklingen.Båda teknikerna genomgår teknisk utveckling som framförallt riktar sig till att förbättra prestandan och livslängden. I figur 5 framgår ungefär hur egenskaperna och prestandan hos blybatteriet samt litiumjonbatteriet ser ut i dagsläget.
Bly Ack. Li-‐pol. Bränslecell Tryckluft
Driftkrav X X X
Uppladdningsbara X X X X
Ej kräva omfattande
underhåll X X (X) X
Kostnadseffektiva X (X)
Lång livslängd X X X
Egenskap Bly ack. Li-‐pol
Livslängd (antal cykler vid 80% SOC)
200-‐1800 3000+
Systemkostnad (US$/kwh) 200-‐600 600-‐1200
Energidensitet (Wh/l) 50-‐80 200-‐500
Figur 5: Egenskaper och prestanda hos blybatterier och litiumjonbatterier. Även om blybatteriet har funnits länge på marknaden sker det fortfarande forskning som har potential att förbättra både prestandan och livslängden. Det här talar för att blybatteriet kan komma att konkurrera även med framtidens energilagringstekniker. Ett exempel på detta är bly/kol-‐batteriet vilket spås förbättra livslängden betydligt (Leadbetter och Swan 2012). Denna teknik är långt ifrån kommersialiserad, blybatteriet har de senaste decennierna hållit en jämn utvecklingskurva och några revolutionära genombrott är inte att vänta för en sådan mogen teknik.
Litiumjonbatteriet är idag den teknik som det forskas mest omkring. Även om det sker forskning riktad till att förbättra dess prestanda är den framförallt koncentrerad till att minska kostnaderna (Leadbetter och Swan 2012). I figur 5 framgår det att litiumbatteriet prestandamässigt är att föredra framför det traditionella batteriet. Det som talar emot tekniken är framförallt de höga kostnaderna. I takt med att tekniken tar större marknadsandelar kommer dock produktionskostnaderna minska i takt med att volymen ökar. I figur 6 framgår att systemkostnaderna väntas falla med upp till 65 % från 2009 till år 2020 (Dinger et. Al, 2010). Detta är till stort ett resultat av att tekniken mognar vilket i sin tur innebär att produktionsleden förbättras. I dagsläget är 77% av kostnaderna direkt påverkade av produktionsvolymen, i samband med att tekniken tar större marknadsandelar och produktionen ökar kommer dessa kostnader minska per enhet (Dinger et. Al, 2010). Vid detta läge kan priserna vara så pass låga att de utgör en allvarlig konkurrent till de i dagsläget dominerande blybatterierna.
Figur 5: Kostnadsprojektioner för litiumjonbatterier (Dinger, et al., 2010)