Kemisk Lagring
- Storskaliga Batterier 25 mars 2008
Sammanfattning
Syftet med studien av kemisk lagring har varit att få en ökad förståelse för lagring av energi med hjälp av sekundära (uppladdningsbara) batterier. Elen har tagits tillvara från ett
existerande vindkraftverk eller vindkraftspark när efterfrågan har varit låg för att kunna lagras och säljas när efterfrågan är hög. Utifrån detta har beräkningar och dimensionering gjorts för små och storskaligt bruk.
Studien visade att det ej är lönsamt med energilagring i batteri. Detta på grund av att vinsten vid försäljning inte täcker upp för investeringskostnaden.
Göran Lindquist & Marcus Persson
Inledning__________________________________________________________________ 3 Historia ___________________________________________________________________ 3 Batterier allmänt____________________________________________________________ 4 Flowbatterier__________________________________________________________________ 5
Vanadin Redox Flowbatteri (VRB) _______________________________________________________ 5 Zinkbromid Flowbatteri (ZnBr)__________________________________________________________ 6 Litiumjon batteri (Li-jon) _______________________________________________________ 6 NatriumSvavel batteri (NaS) _____________________________________________________ 6 Metall-luft batteri ______________________________________________________________ 7 Vätelagring ________________________________________________________________ 8 Jämförelse mellan olika kemiska energilagringstekniker ___________________________ 9 Dimensionering ___________________________________________________________ 11 För Privat bruk _______________________________________________________________ 11 För allmänt bruk______________________________________________________________ 11 Slutsats & Diskussion_______________________________________________________ 12 Referenser________________________________________________________________ 13 Appendix _________________________________________________________________ 14
Inledning
Kemisk lagring av elenergi är vanligt i dagens samhälle i form av batterier, t.ex. i mobiler och bärbara datorer. Dessa är små portabla batterier, men det finns också storskaliga batterier för framförallt såkallad ”off-peak” lagring men också som UPS till reservkraft.
Vi ska kolla på dimensionering av ett sådant storskaligt batteri till ett privat vindkraftsverk och undersöka vilket typ av batteri som är bäst lämpat.
Många privata vindkraftverk skickar ut sin ”off-peak” ström till stamnätet, vad skulle det krävas för typ och storlek av batteri för att lagra den strömmen istället?
Skulle det vara ekonomiskthållbart? Om inte, vilket storlek på kraftverket och batteriet skulle krävas?
Historia
I oktober 1745 uppfann en holländsk vetenskapsman vid namn Ewald Georg von Kleist den första kondensatorn. Det var en glasburk som med hjälp av två plattor och en elektrisk maskin avgav en kraftig elektrisk laddning. Oberoende av Kleists upptäckt så gjorde en holländsk vetenskapsman samma upptäckt detta år och kallade den för Leidens burk och gjorde den känd för världen.
Denna burk var delaktig i uppfinnandet av galvanismen eller processen att framställa energi med hjälp av en kemisk reaktion. Det har fått sitt namn från Luigi Galvani (1737- 1798).
Luigi var en italiensk doktor som upptäckte att döda grodors ben kontraherades när de vart utsatta för en stöt från Leidens burk. Han drog då slutsatsen att grodans muskel producerade elektricitet.
Galavanis korrespondens, Alessandro Volta (1745-1827) utförde samma experiment och fick samma resultat men han nöjde sig dock inte med Luigis slutsats. Volta utförde egna liknande experiment och fick två resultat, han uppfann batteriet och han kunde bevisa att Galvanis slutsats var felaktig.
Volta upptäckte att kontakten mellan två olika metaller fick grodans muskler att kontraheras.
Detta var motsatsen till Galvanis slutsats och i ett försök att bevisa detta uppfann han det första moderna batteriet. Det består av två elektroder, en av zink och en av koppar.
Elektrolyten är svavelsyra. Det används dock inte idag eftersom svavelsyra är farligt även när det är utspätt och skillnaden i potential jämnar dessutom ut sig för fort för att det ska kunna ses som ett rimligt alternativ mot dagens batterier.
Det första uthålliga alternativet uppfanns 1859 av en fransk fysiker vid namn Gaston Planté (1834-1889). Det var blysyra batteriet som även vart det första uppladdningsbara batteriet.
Denna elektrokemi används fortfarande idag i bilbatterier och står till grund för batterierna som används i UPS.
Nästa stora upptäckt stod Georges Leclanché(1839-1884) för. Detta när han uppfann att en katod av magnesiumoxid blandat med kol och en anod av zink bildar ett alkaliskt batteri.
Dessa är tekniker som står till grund för den storskaliga kemiska energilagring som används idag.
Batterier allmänt
Olika typer att lagra elenergi är elektrokemisklagring, elektrostatiskt (kondensator) och som bränslecell.
Den vanligaste typen av batterier är uppbyggd av elektrokemiska celler. Ett vanligt irreversibelt batteri (primärt) är en s.k. galvanisk cell. Ett reversibelt batteri (sekundärt) fungerar som en galvaniskcell (se figur 1)vid urladdning och som en elektrolytisk cell vid laddning.
Med andra ord så omvandlar en galvanisk cell kemiskenergi till elenergi och en elektrolytisk cell elenergi till kemiskenergi.
Ett batteri består en eller flera celler, varje cell består av två halvceller. Varje halvcell består av en elektrod, antingen den positiva och den negativa elektroden. Elektroderna rör inte varandra utan är elektriskt ihopkopplade genom elektrolytet, som kan vara flytande eller i fast form.
Varje cell har en elektromotoriskt kraft (emk) som är bestämd av dess förmåga att leda elektrisk spänning från insidan till utsidan av cellen.
Batteriets lagringsförmåga bestäms av skillnad mellan de båda halvcellernas emk, och den interna resistansen. Den interna resistensen leder till förluster och ju mindre den interna resistansen är desto effektivare är batteriet.
Figur 1: illustrerar en principskiss för en galvanisk cell, där V är en voltmeter och e visar elektronflödet vid − urladdning.
Batterier för storskalig lagring används främst för off-peak lagring och t.ex. som UPS (Utility Power Supply).
Off-Peak lagring är att elenergi som genereras på natten lagras för att sedan användas eller säljas på dagen när behovet är större och priset på el är högre.
V
Saltbrygga Positiv
elektrod
+ -
Negativ elektrod
e− e−
Flowbatterier
Är en typ uppladdningsbara batterier där elektrolyt innehållandes en eller flera upplösta elektroaktiva ämnen flödar genom en elektrokemiskcell där kemiskenergi omvandlas till elektricitet.
Elektrolyt är ett ämne som innehåller fria joner och leder ström.
I flowbatteriet lagras elektrolytet i tankar, en positivt laddad och en negativt laddad tank. När elektrolytet flödar genom elektrokemiska cellen sker en kemisk process som gör att den positiva sidan av batteriet oxiderar en elektron från den negativa, därav lagras elektricitet.
Olika typer av flowbatterier är redox flowbatteri och hybrid flowbatteri.
Det finns tre olika flowbatterier, Vanadin Redox(VRB), Zink Bromid(ZnBr) och Tetrasulfidbromid batteri (PSB).
Fördelar med flowbatterier är hög kapacitet, lång livscykel, snabb responstid och hög tolerans för över-/underladdning. Nackdel är att flowbatterier har låg energidensitet.
Vanadin Redox Flowbatteri (VRB)
Vanadin kan finnas i 4 olika oxidationstillstånd, denna egenskap hos vanadin gör det möjligt att bara använda ett elektroaktivt ämne istället för två.
Den största fördelen med VRB är att den kan erbjuda nästan gränslöst med kapacitet genom att använda sig av större och större tankar. Andra fördelar är att VRB tar inte skada vid inaktivitet, har väldigt snabb uppladdnings tid och hög verkningsgrad (~85%).
En till fördel med redox flowbatteri jämför med hybrid är en väldigt flexibel layout.
Figur 2: illustrerar ett vanadin redox flowbatteri
VRB har flera användningar bland annat. som UPS, främst för dess extremt snabba reaktionstid, och som stora lager av elektricitet.
Bland de mest kända VRB batterierna som finns idag är ett 1,5MW UPS system i Japan och ett på Kings Island, Tasmanien. Där används ett VRB med 55 000 liter av vanadin baserad elektrolyt för lagring av elenergi upp till 800kWh från vindkraft.
Positiv elektrolyt tank.
+
+ ↔ 4
5 V
V
Negativ elektrolyt tank.
+
+ ↔ 2
3 V
V AC/DC
H +
Behov Överskotts el
+ -
Zinkbromid Flowbatteri (ZnBr) ZnBr är av typen hybrid flowbatteri.
Zinkbromidlösningen (elektrolyt) är lagrad i två tankar, en tank lagrar elektrolyt för den positivt laddade elektroden och en för den negativa. När batteriet laddas eller urladdas pumpas elektrolytet genom en reaktor och tillbaka i tanken.
Reaktion i reaktorn när elektrolyt pumpas igenom.
Laddning Urladdning
Negativa elektrod sidan: Zn2+ +2e− Zn0 Zn0 Zn2+ + e2 − Positiva elektrod sidan: 2Br− Br2(aq)+ e2 − Br2(aq)+2e− 2Br−
Vid laddning plättenteras Zn med katoden och i anod sidans tank sjunker Br2 ner i botten av tanken som en tung oljig vätska. Vid urladdning pumpas Br2 upp till toppen av tanken, så den kan blanda sig igen. Verkningsgraden för ZiBr batteri är ~75%.
Litiumjon batteri (Li-jon)
Största fördelarna med Li-jon batteriet jämfört med andra batterier är dess extremt höga verkningsgrad (nära 100%), hög energidensitet samt lång livscykel.
Medan Li-jon batterier står för 50% av markanden för små portabla batterier finns det stora utmaningar att utveckla storskaliga Li-jon batterier. Framförallt är det den höga
produktionskostnaden som sätter stopp för det.
NatriumSvavel batteri (NaS)
NaS batterier av flera celler (se figur 4) och varje cell består av flytande svavel vid den negativa elektroden och flytande natrium vid positiva, materialen är separerade av ett solit keramisk elektrolyt av aliminium (se figur 3). Elektrolytet släpper bara igenom positivt laddade natrium joner som tillsammans med svavel bildar natriumtetrasulfid
4
4 2
2Na+ S⇔ Na S
Figur 3: Illusterar hur en cell i ett NaS batteri är uppbyggt.
Flytande Svavel
- +
Flytande Natrium
Under urladdningen, när positiva Na+joner flödar genom elektrolytet och till skalet av cellen och producerar ungefär 2 volt. Processen är reversibel så vid laddning tappar
natriumtetrasulfid en positiv laddad Na+tillbaka genom elektrolytet. Cellens temperatur är 300-350 Co för att denna process ska fungera.
Fördelar är att NaS batteriets celler har en hög verkningsgrad (runt 89 %), lång livslängd och gjort av relativt billiga, ofarliga material. En av nackdelarna är att den höga operativa
temperaturen och att natrium har hög korrosiv faktor gör att NaS batteri lämpar sig endast som ett storskaligt batteri.
Figur 4: Ett NaS-batteri
Metall-luft batteri
Metall-luft batteri är framförallt en framtida teknologi, för tillfället har metall-luft batterier en livslängd på bara några hundra cyklar och en verkningsgrad på 50 %.
Det som lockar med batteriet är att det är väldigt kompakt, billigt och ofarligt.
Anoderna i detta batteri är metaller med hög energidensitet så som aluminium och zink som släpper elektroner när de oxideras. Katoderna görs oftast av en porös kolstruktur .
Elektrolyten är ofta en bra OH-jon ledare som KOH.
Celler
+
-
Terminal
Vätelagring
Väte(H) är det första ämnet i periodsystemet och det vanligaste ämnet i universum. Vid rumstemperatur uppträder väte i form av en tvåatomig, lukt, smak och färglös gas.
Denna gas är dock mycket lättantändlig och när vätgas förbränns bildas i stort sett bara vara vatten. Den bidragande orsaken på miljön bestäms av vilken energikälla som används för framställning av gasen. Väte kan även framställas elektrokemiskt genom elektrolys av vatten eller termoelektrokemiskt genom kemiska reaktioner. Detta väte kan sedan lagras för att vid ett senare tillfälle omvandla kemisk energi till elektrisk energi i en bränslecell utan att begränsas av carnotverkningsgraden i förbränningsbaserade system.
Lagring av väte har visat sig pålitligt och har tekniska fördelar men kostnaden har varit en nackdel. Vätgasens nackdelar är också att den har lågt energiinnehåll per volymenhet, fungerar dåligt i kallt klimat och brinner med en osynlig låga vilket gör den ogynnsam ur säkerhetssynpunkt. Utveckling behövs i stort sett av hela kedjan, från tillverkning till användning.
Figur 5: Visar hur vätelagring fungerar.
Vätgas Syre Elektro-
lyt
ANOD KATOD
Vätgas Vatten
e−
e−
e−
e−
Resistans
Luft
Vatten
Jämförelse mellan olika kemiska energilagringstekniker
Idag finns inte någon typ av kemisk energilagringsteknik som uppfyller alla krav vad gäller prestanda och ekonomi . Så för att göra en jämförelse mellan de olika storskaliga kemiska lagringsalternativen så har vi tagit hänsyn till dessa parametrar.
• Effekttäthet (W/kg)
• Energitäthet (kWh/m3)
• Antal cykler
• Verkningsgrad (η)
• Investeringskostnad delat med verkningsgrad ($/kWh/η)
Jämförelse av effekt- och energitäthet i figur 6, investeringskostnad och antalet livscyklar i figur 7. För graferna nedan i tabellform se appendix.
0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200 250 300 350
W/kg
KWh/m^3
Figur 6: Jämförelse mellan olika batterier. Effekttäthet och energitäthet.
Vanadin
Bränsleceller Väte Zinkbromid
Litiumjon Natriumsvavel
Blysyra Metall-luft
0 100 200 300 400 500 600 700
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Livscyklar
$/ kw h /n
Figur 7: Jämförelse mellan olika batterier. Investeringskostnad och antalet livscykler.
Vanadin Zinkbromid
Litiumjon
Natriumsvavel Blysyra
Metall-luft
Bränsleceller Väte
Livscykler
Dimensionering
Vid dimensionering av batterier brukar en tumregel vara att hälften av elen som produceras används av producenten själv och resten skickas ut på nätet.
Genomsnittet av ”peaktaxan” från nordpools senaste 90 dagar (27.12.07-25.03.08) är 377,50 SEK/MWh vilket ger 0,3775 SEK/KWh.
För Privat bruk
Enligt broschyren ”Vindkraft” utgiven av svenska energimyndigheten ger ett vindkraftverk på 125 kilowatt med en tornhöjd på 40 meter, en diameter på 29 meter och en medelvind på 5 m/s en årsproduktion på 239000 kilowattimmar.
Vilket ger att enligt tumregeln ovan ska batteriet dimensioneras för 328 kilowattimmar per dygn.
Dimensionering från de olika batterierna ovan ger.
Tabell 1: Dimensionering av batterier, dollarkursen 6.11 SEK/$ har använts
Energilagringstekniker m3 Livscykel Inv Kost. (SEK) Inv Kost/Livscykel
Blysyra 8 600 360734 601
Litiumjon 3,28 2500 1302652 521
Metall-luft 0,7 150 501020 3340
Natriumsvavel 1,3 2300 400816 174
Vanadin 16 10000 761550 76
Zinkbromid 13 2000 1162366 581
Vilket ger intäkter vid försäljning blir 0,3775⋅328=124SEK/Livscykel.
Detta ger att den enda lagringsmetoden som genererar vinst är vanadin batteriet. Denna vinst blir 124-76= 48 SEK/Livscykel. Denna vinst blir dock inte tillräcklig för att täcka
investeringskostnaden vilket ger att även det alternativet måste förkastas.
För allmänt bruk
Beräkningar på större dimensionering ger att det ej blir lönsamt. Slutsatsen blir således att bygga batterier för att lagra energin från en existerande kraftproducent inte är lönsamt. Detta eftersom att investeringskostnaden ökar då storleken på lagringsenheten ökar, vilket ger att vinsten aldrig blir tillräcklig för att täcka investeringskostnaden.
Slutsats & Diskussion
Det är alltså inte lönsamt att ”off-peak” lagra elenergi i små mängder om man har tillgång till ett stamnät. Detta på grund av att vinsten vid försäljning inte täcker upp för
investeringskostnaden. Den enda vinsten som kan göras med hjälp av batterier är att om dessa redan från början byggs i kombination med en kraftproducent så att kraftproducenten kan dimensioneras ner och på så sätt få en lägre investeringskostnad.
Det finns dock potential för batterier, till exempel används ett vanadin redox batteri på Kings Island, Tasmanien vilket ligger avskilt och inte har tillgång till ett stamnät. Detta gör att de måste lagra överskotts elenergi för att inte förlora den.
Installationen av batteriet har minskat användningen av kol för reglering av nätet.
Det är mycket möjligt att detta kommer att bli lönsamt med vidareutveckling av befintliga tekniker. Framförallt litiumjon batteriet har goda förutsättningar om investeringskostnaden sjunker.
Referenser
Thermal Energy Storage, - Systems and applications av I Dincer and M A Rosen
http://www.minihydrogen.dk/catalog/documents/materials/miniHYDROGEN_hydrogen_facts _sheet.pdf
http://www.energy.ca.gov/2005publications/CEC-500-2005-136/CEC-500-2005-136.PDF www.electricitystorage.org
Energy Storage: A Nontechnical Guide Av Richard Baxter
Appendix
Tabell 2: Jämförelse mellan olika energilagringsteknike där bensin använts som referens,.
Energilagringstekniker W/kg KWh/m3 Livscykel η ($/kWh/η)
Blysyra 55 40 600 80 180
Bränsleceller Väte 50 3 - - 12,5
Lithiumjon 300 100 2500 99.9 650
Metall-luft 75 500 150 50 250
Natriumsvavel 160 250 2300 89 200
Vandadin 100 20 10000 85 380
Zinkbromid 200 25 2000 75 580
Bensin 2700 9300 - - 0,3
