Lagring av energi från vindkraft
Download
Report
Transcript Lagring av energi från vindkraft
EXAMENSARBETE 15 P
Datum (2012-04-15)
Lagring av energi från
vindkraft
Bild: ABB
Elev:Axel Lumbojev
Handledare: Anna Josefsson
Sammanfattning
Vindkraften är en intermittent kraftkälla, den fungerar bara när det finns
tillräckligt med vind. Den el som producerats måste förbrukas i samma
tidpunkt. Detta inget problem så länge vindkraftsandelen i energisystemet
hålls under en viss nivå, speciellt inte i Sverige som har mycket vattenkraft
som kan fungera som balanskraft. Dock så kommer en stor andel
av vindkraft att ställa till problem, även andra intermittenta källor till ström
ställer till det om det blir en stor andel av dessa.
Ett stort antal sätt att lagra energi på finns. Det som kommer att tas upp i
detta arbete är några av dem. Framförallt kommer det att fokuseras på
pumpkraftverk,
olika batterier,
vätgas.
Några andra tekniker kommer också att tas upp
o svänghjul
o kondensatorer
o tryckluft
o Vatten som lagras underjorden
Uppskattningar gjorda av konsultföretaget Boston Consulting Group, har
uppskattat att det till år 2025 kommer att behövas upp till 150 MWh lagrad
energi i Europa, och i USA det dubbla.
Abstract
Wind Power is an intermittent power source, it only works when there is
enough wind. The electricity produced must be consumed at the same time. This
is not a problem as long as the wind power part of the energy is kept below a
certain level, especially in Sweden, which has much hydroelectric power that
can act as a balancing power. However, as a bigger part of the wind power that
isin the power system, including other intermittent sources of power, may lead to
problems.
There are a large number of ways to store energy. In this text some of the ways
will be covered. It willparticularly focus on
pumpedstorage,
different batteries,
hydrogen
Some other techniques will also be included
o flywheel
o capacitors
o air
o water stored underground.
Estimates made by the consulting firm Boston Consulting Group, has estimated
that by 2025 the need of energy storage is up to 150 MWh in Europe and in the
United States the double.
Innehållsförteckning
1. Inledning ......................................................................................................1 2. Syfte..............................................................................................................1 3. Material och metod.....................................................................................1 4. Lagring av energi ........................................................................................2 4.1 Pumpkraftverk ..............................................................................................2 4.2 Batterier ........................................................................................................3 4.2.1 Flödespumpbatteier...................................................................................3 4.2.2 Litiumjon-batterier i Falköping ................................................................4 4.2.3 Övriga batterier ........................................................................................4 4.3 Vätgas ...........................................................................................................5 4.3.1 Elektrolys...................................................................................................5 4.3.2 Bränsleceller .............................................................................................5 4.3.3 Prenzlauprojektet ......................................................................................6 4.4 Övriga Lagringssätt.......................................................................................7 4.4.1 Svänghjul...................................................................................................7 4.4.2 Superkondensatorer eller kraftkondensatorer ..........................................7 4.4.3 Tryckluft ....................................................................................................7 4.4.4 Vatten som lagras underjorden.................................................................7 5. Slutsatser......................................................................................................8 Källförteckning ......................................................................................................9 Otryckta källor .........................................................................................................9 Tryckta källor...........................................................................................................9 1.
Inledning
Vindkraften fungerar bara när det blåser. Detta är i sig inget problem så
länge vindkraftsandelen i energisystemet hålls under en viss nivå, speciellt
inte i Sverige som har mycket vattenkraft som kan fungera som balanskraft.
Sverige kan ha relativt mycket vindkraft. Dock så kommer en stor andel
av vindkraft att ställa till problem, då den el som producerats måste
förbrukas i samma tidpunkt.1
Speciellt i samband med stora andelar andra förnyelsebara och intermittenta
energikällor såsom solkraft, vågkraft och så vidare kan det leda till problem.
Det är energilagringensom detta arbete handlar om. Ett flertal lösningar och
sätt att lagra energi på finns, vissa används redan idag på olika ställen i
världen.2
Uppskattningar gjorda av konsultföretaget Boston Consulting Group, har
uppskattat att det till år 2025 kommer behövas upp till 150 MWh lagrad
energi i Europa, och i USA det dubbla. 3
2.
Syfte
Jag ska gå igenom några olika lösningar och sätt att lagra energi som finns i
dag, dessa kommer jag att fokusera på. Här kommer viss teknisk beskrivning
att ingå, men inte allt föringående – för att fördjupa sig i någon teknik
hänvisas till källorna. De som kommer att finnas i morgon, kommer bara att
nämnas kort för att inte denna text ska bli för lång.Alla typer av lagring
förbrukar energi, vilket leder till förluster, så jag kommer även att skaffa
upplysningar om lite på verkningsgraden av de olika sätten att lagra energi.
Kapaciteten är en annan viktig del som jag kommer skriva om.Kostnader
kommer att ingå, till en viss del – då det är svårt att beräkna kostnader för
nya tekniker. Kostnaderna avgörs,till stor del, av hur stor utbredning
teknikerna får.
3.
Material och metod
Främst har jag använt mig av internet som källa till detta arbete, men inte
enbart. Jag har försökt att använda mig av så bra och seriösa källor som
möjligt. Bilderna kommer bland annat från Wikipedia, dock har jag undvikit
fakta från nämnda sida. Vindkraft i teori och praktik har använts i en liten
del, för att beskriva hur vindraften kan fungera i ett energisystem.
Fokus har legatpå det som kan användas i lite större skala på något sätt –
effekt eller kapacitet– eller som har potential att bli stora.
1
Vindkraft i teori och praktik 2:a uppl. Av Tore Wizelius.
Illustrerad Vetenskap. Nr 3/2011
3
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article2500713.ece
2
1
4.
Lagring av energi
Nedan är några sätt att lagra energi på. Huvudprincipen för samtliga är att
energin lagras när det finns ett överskott – mindre behov av elkraft än som
kan förbrukas av konsumenterna – av energin och att denna frigörs när det
finns ett underskott – större behov av elkraft än som kan produceras. 4
4.1
Pumpkraftverk
Detta är den äldsta metoden för att lagra energi, och första uppfördes redan
på 1890-talet i Schweiz och Italien. Metoden går helt enkelt ut på att vatten
pumpas upp till högre belägna dammar eller naturliga sjöar, när priset på el
är lågt. När priset sedan är högt låter man vattnet åka ner igen och driva
turbiner som sedan genererar energi. Det finns i hela världen ca 90 GW
installerad effekt, varav de största verken är på över 1 GW. Stora krav ställs
på området där ett pumpkraftverk kan fungera, det måste finnas en stor
höjdskillnad, till exempel ett berg, och sjöarna kommer ha väldigt stora
skillnader i vattennivåer. Därför finns de flesta pumpkraftverk i länder med
berg eller där det finns stora höjdskillnader (av annat slag). Verkningsgraden
för en sådan här anläggning är mellan 70-85 %.5
Bild: Wikipedia
4
5
Illustrerad Vetenskap. Nr 3/2011
Illustrerad Vetenskap. Nr 3/2011
2
4.2
Batterier
Principen med att lagra energi i batterier är att energin lagras som kemisk
energi, på olika sätt - det finns ett flertal olika typer av batterier.6 Att lagra
energi i batterier i större skala används redan till exempel i Australien, där
just el från vindkraft lagras. Se nästa del 4.2.1.
Strömmen som lagras i ett batteri är likström, som måste växelriktas till
nätets växelström, 50 eller 60 Hz.
4.2.1
Flödespumpbatteier
Detta är en intressesant teknik som har potential att kunna konkurrera med
pumpkraftverken, både i effekt och i energikapacitet. Tekniken fungerar på
så vis, enkelt förklarat, att två olika elektrolyter lagras i olika tankar och
kan pumpas till själva batteriet när det ska laddas eller laddas ur. Själva
batteriet består av en reaktionskammare där elektrolyterna separeras av ett
tunt membran, och elektroder samlar upp strömmen som uppstår på grund
av de olika potentialerna i elektrolyterna.Just att elektrolyterna kan pumpas
och lagras i tankar gör att energikapaciteten ökas, det är ju bara att ha större
tankar, eller flera tankar om man vill bygga ut anläggningen. Vill man ha
större effekt kan man enkelt parallellkoppla två reaktionskammare – som är
själva batteriet. Detta gör att dessa batterier kan konkurera med
pumpkraftverken.Vad priset för dessa anläggningar skulle kunna bli beror
på hur många anläggningar som produceras och hur kostnadseffektiv
produktionen kan bli – detta är svårt att i dagsläget uppskatta. Dock har
flödespumpbatterier en annan väldigt stor fördel jämfört med
pumpkraftverken -de har nämligen inte den stora nackdelen att de kräver
speciella förhållanden där de byggs - de kan i princip byggas vart som helst.
Dock måste de ju givetvis byggas inom rimliga avstånd till elnät.7
Bild: Wikipedia
6
7
http://www.ne.se/batteri/124967
http://www.science.org.au/nova/newscientist/037ns_001.htm
3
4.2.2
Litium-jon-batterier i Falköping
I Falköping finns Sveriges första batterilager för lågspänningsnät, som är
till för att lagra energi från vindkraften som finns i trakten. Det är
Falköpings energi som äger anläggningen och ABB står för tekniken.
Anläggningen ska kunna lagra energi på natten som under dagen levereas
ut på nätet om det behövs. Det är en testanläggnings som ska få Falköpings
energi att lära sig om tekniken. Det är en prototyp som ABB tagit fram.
Anläggningen består av 20 stycken litium-jon-batterier, och har en
kapacitet på 75kW under en timmes tid. 8
Bild: ABB
4.2.3
Övriga batterier
Det finns en rad olika batterier som kan användas. Vanliga bilbatterier är ett
exempel. Det finns även andra som kan tänkas användas. 9
8
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3367343.ece
http://www.electricitystorage.org/technology/storage_technologies/batteries/
9
4
4.3
Vätgas
Väte är det vanligaste grundämnet som finns. Det kan användas för att lagra
energi. Vätgas kan tillverkas genom elektrolys och kan sedan användas i
bränsleceller för att generera ström.10
Vätemolekyl
4.3.1 Elektrolys
Genom elektrolys kan man tillverka vätgas, som är det vanligaste
grundämnet som finns. Vatten spjälkas upp till syre och vätgas, genom att
elektricitet leds igenom vattnet. Detta är dock ett rätt ineffektivt sätt att
framställa vätgas på, men det förväntas kunna bli effektivare i framtiden.
Idag är förlusterna av energin ca 30-40 %.
4.3.2 Bränsleceller
Vätgasen kan användas till att producera ny elektricitet med en
energiomvandlare, en så kallad bränslecell. Den omvandlar den kemiska
energin till elektrisk dito och till värme, denna har till skillnad från
framställningen av vätgasen hög effektivitet, vilket får de totala förlusterna
att minska. Elektricitet är dock inte det enda som vätgasen kan användas
till, bränsle till fordon är ett annat sätt, där förbränningsmotorer ibland
används istället för bränsleceller.
Vindkraftverk som lagrar en del av sin producerade el som vätgas finns
redan i bland annat i Tyskland och i Sverige, dock inte i någon större skala
utan ännu är det mest på forsknings- och utvecklingsstadiet. Det svenska
företaget Morpicshar utvecklat ett litet inte nätanslutet system, som kan
lagra energi som vätgas. 11
10
http://www.vatgas.se/fakta/produktion
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article253666.ece
11
5
Bild: Vattenfall
4.3.3 Prenzlauprojektet
I Tyskland deltar bland annat Vattenfall, tillsammans med andra
energibolag och forskningsinstitut, i ett projekt som omvandlar vindel till
vätgas. IPrenzlauprojektetingår tre vindkraftverk på 2 MW, och även andra
delar så som en biogasenhet, två kraft- och värmestationer och så just
vätgasdelen. Det produceras alltså värme, el och vätgas här. Vätgasen kan i
denna anläggning användas som bränsle till kraftverket för att produsera el
eller värme, men kan även bli bränsle till bilar och annat. Vattenfall, och de
andra i projektet, planerar att på flera ställen lagra vätgas framöver.12
12
6
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article3364150.ece
4.4
Övriga Lagringssätt
Det finns ett flertal olika andra sätt att lagra energi på, här kommer några.13
4.4.1
Svänghjul
I ett svänghjul kan energi lagras som rörelseenergi. Metoden kan likt
kondensatorer ha hög effekt, men har en begränsad kapacitet av att lagra
energin. Det är under korta perioder som de kan mata ut energi. Hur mycket
energi som kan lagras beror på hur stor massa som svänghjulet har och hur
hög rotationshastigheten kan bli.
4.4.2
Superkondensatoreroch kraftkondensatorer
Energitätheten är fortfarende mindre än för batterier.
4.4.3
Tryckluft
Att lagra energi i tryckluft kräver att det finns ett utrymme för detta. Detta
sätt att lagra energi kräver att det finns ett gasturbin-kraftverk.
4.4.4
Vatten som lagras underjorden
Detta är en ny dansk idé. Vatten pumpas in i en stor ballongliknande lager
som ligger under jorden, jordmassan skapar ett tryck i ballongen. När man
vill ta ut energin leds vattnet till en turbin som driver en generator. 14
13
http://www.elforsk.se/Rapporter/?download=report&rid=08_83_
14
http://ing.dk/artikel/102512-energilagring-i-underjordisk-vandreservoir
7
5.
Slutsatser
Det finns olika lösningar på att lagra energi. Vilka som kommer att
användas i framtiden är en fråga som är svår att besvara. Jag tror dock att de
jag skrivit om ovan kommer att användas, speciellt pumpkraftbatterier. Där
förutsättningar finns kommer det nog att byggas pumpkraftverk. I vilken
utsträckning det kommer att byggas är i dagsläget svårt att säga.
Mitt syfte var att få en överblick av vilka tekniker som finns och vad som
kan tänkas byggas. Detta tycker jag att jag har fått med denna text. Alla
detaljer kom inte med, vilket var väntat då det handlar om en rad olika
tekniker som var och en skulle kunna fylla flera sidor med text.
Det ska bli intressant att se hur utvecklingen kommer att göra
framsteg.Kommer det att byggas flera energilager?
8
Källförteckning
Otryckta källor
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article2500713.ece
2012-04-14
http://www.ne.se/batteri/124967
2012-04-14
http://www.science.org.au/nova/newscientist/037ns_001.htm
2012-04-14
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3367343.ece
2012-04-14
http://www.electricitystorage.org/technology/storage_technologies/batteries/
2012-04-14
http://www.vatgas.se/fakta/produktion
2012-04-14
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article253666.ece
2012-04-14
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article3364150.ece
http://www.elforsk.se/Rapporter/?download=report&rid=08_83_
2012-04-14
2012-04-14
http://ing.dk/artikel/102512-energilagring-i-underjordisk-vandreservoir
2012-04-14
Tryckta källor
Böcker:
Wizelius, Tore. Vindkraft i teori och praktik. Studentlitteratur, Lund. 2009
Tidskriftsartiklar:
Salomon, Ib. 10 metoder kan lägga ren energi på lager. Illustread
Vetenskap. 2011, nr 3 sid. 26-31.
9