Fremtidens batteri kører på tyngdekraft

Den holder sammen på alting i universet og sikrer, at vores fødder er solidt plantet på jorden.

Og nu skal tyngdekraften også lagre energi.

Det mener i hvert fald firmaet Energy Vault, som har en klar mission: Det vil bruge tyngdekraften til at lagre fx overskydende vindmøllestrøm, som elkunderne ikke når at forbruge.

Derfor har Energy Vault konstrueret en seksarmet kran, som lige nu rager 70 meter op over den schweiziske by Bellinzona.

Fra kranen dingler 35 tons tunge betonblokke, og selvom det ikke umiddelbart er til at se, fungerer blokkene som gigantiske batterier.

Kranen gemmer nemlig overskydende energi i form af svævende betonklodser, som kan gøre nytte på de dage, hvor forbrugernes sult efter strøm i stikkontakten ryger i vejret.

Og det er langtfra den eneste måde, tyngdekraften skal hjælpe den grønne omstilling på. Også dybe brønde og hele søer skal lagre den overskydende energi.

Gemmer strøm til en regnvejrsdag

Princippet med at bruge tyngdekraften som batteri spiller direkte ind i den klimamæssige tidsånd, hvor vedvarende energikilder som solceller og vindmøller skal levere grøn strøm i stedet for elektricitet produceret af fx kulkraftværker.

Men de vedvarende energikilder har et problem.

På vindstille og overskyede dage har de svært ved at dække forbrugernes strømbehov, og omvendt er der dage, hvor det fx blæser så meget, at der produceres langt mere strøm, end forbrugerne kan nå at dræne ud af stikkontakten.

Greenpeace anslår fx, at Kina i 2016 spildte op mod 17 pct. af den grønne strøm – svarende til at forsyne op mod 20 millioner husstande med energi.

Selv i lande som Danmark, hvor op mod halvdelen af strømmen årligt kan komme fra vindmøller, er der tidspunkter, hvor strømmen bliver nødt til at komme fra kulkraft.

Og det er her, løsninger som den seksarmede kran i Schweiz kommer ind i billedet. Sådanne anlæg kan nemlig gemme overskudsstrømmen fra de gode dage for at bruge den på de dårlige. Derved undgår vi, at den grønne strøm går til spilde.

Stablede blokke lagrer energi

Kranen har fået navnet Commercial Demonstration Unit (CDU) og er blevet opdateret i 2021, så den nu kan sættes i kommerciel drift verden over.

“Vores system kan installeres alle steder, hvor der er forbindelse til elnettet. Det lades op ved at løfte blokkene op med overskydende strøm fra vindmøller eller solceller, når der ikke er brug for den, og sænke blokkene ned igen, når strømmen igen skal bruges,” fortæller Robert Piconi, CEO i Energy Vault, til Illustreret Videnskab.

Teknologien bygger på et simpelt princip om, at det kræver energi at løfte en genstand op fra jorden. Den energi kan fx komme fra overskydende vindmøllestrøm, som driver motorerne på kranens arme. Via kraftige stålwirer løfter motorerne betonblokke op i højden og stabler dem.

Når forbrugernes behov for strøm igen stiger, lader kranen langsomt blokkene synke ned mod jorden. Bevægelsen driver en generator, som producerer elektricitet. Princippet bliver også udnyttet i fx bornholmerure, hvor uret holdes i gang af et vægtlod, der langsomt trækker et kabel nedad.

Den energi, som kranen oprindeligt brugte på at løfte blokken op, bliver dermed leveret tilbage igen – eller i hvert fald det meste af den, for systemet udnytter ikke energien 100 pct.

Batterier bryder i brand

Den opskalerede metode med at hæve og sænke tonstunge vægtlodder giver ifølge Energy Vaults egne beregninger en virkningsgrad på over 75 pct. Det betyder, at langt hovedparten af den strøm, der oprindeligt blev lagret, kan hentes ud og bruges igen.

Men ca. 25 pct. af energien går tabt pga. gnidningsmodstand og varme i motorer og bevægelige dele.

Til sammenligning kan litium-ion-batterier opnå en virkningsgrad på omkring 90 pct., men batterierne mister ydeevne, for hver gang de bliver op- og afladet. I det lange løb er tyngdekraftanlæg derfor næsten lige så effektive.

Samtidig har litium-ion-batterier en medfødt risiko for at bryde i brand, hvor tyngdekraftanlæggene er langt sikrere.

Kranen i De Schweiziske Alper er ikke alene om at udnytte tyngdekraften til at lagre strøm.

Den populæreste form for tyngdekraftanlæg er en slags vandbatteri kaldet Pumped Storage Hydropower (PSH). Her driver overskydende strøm en pumpe, der flytter vand fra et lavtliggende reservoir op i et højere.

Når strømmen igen skal bruges, løber vandet tilbage og driver undervejs en turbine, som skaber elektricitet.

Metoden har dog to svagheder.

For det første lægger de to reservoirer beslag på et stort område, og for det andet kræver PSH niveauforskel i terrænet for at virke.

Til sammenligning har Energy Vaults løsning ikke brug for nogen højdeforskel i terrænet og kan derfor også installeres i lande uden bjerge og bakker.

Blokkene er lavet af lokal jord

Ikke alene kan den seksarmede kran gemme grøn strøm – den er også selv klimavenligt produceret; fx består de 35 tons tunge blokke af cement blandet med materialer, som normalt ville være endt på lossepladsen.

Det kan fx være kulaske, materialerester fra byggepladser eller kompositmaterialet fra udtjente vindmøllevinger.

For foden af kranen har Energy Vault konstrueret en maskine, der kan sammenpresse blokkene med forskellige typer materialer i blandingen. Hovedingrediensen er lokalt udvundet jord, hvilket sparer på CO₂-udgifterne til transport.

Siden kranen stod færdig, har en af de store udfordringer været at gøre opsamlingen og placeringen af blokkene fuldautomatisk.

For at gøre systemet så billigt i drift som muligt er det nemlig vigtigt, at anlægget selv kan oplade og aflade tyngdekraftbatteriet uden menneskelig indblanding.

Det har bl.a. betydet, at griberne, der tager fat i blokkene, kontrolleres med maskinlæringssoftware, hvor computeren bliver bedre og bedre til at samle blokkene op og stable dem, jo flere gange den prøver det.

Derudover sker flytningen af blokkene langs med armene også med computerstyring, som langsomt bremser bevægelsen ned. Hvis blokkene bremsede brat, ville de begynde at svinge som penduler og true kranens stabilitet.

Solcelleprojekt i ørkenen

Ifølge Energy Vault er det realistisk at udfase et kulkraftværk på tre gigawatt, som kan forsyne to millioner husstande, og erstatte det en med solcellepark og et tilhørende tyngdekraftsystem allerede i 2023.

I Dubais glohede ørken vil firmaet fx bygge energilageret EVx med en kapacitet, der er 30 gange højere end den seksarmede schweiziske prototype og vil kunne dække 180.000 hjems strømforbrug i én dag.

EVx skal kunne lagre strøm fra Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park, der er den største private solcellepark i verden.

Flere andre firmaer står dog klar til at konkurrere med Energy Vault om markedet for tyngdekraftbatterier.

Et af dem er Gravity Power, som i stedet for at bygge i højden kigger mod undergrunden, hvor et kæmpe stempel skal sænkes ned i en vandfyldt brønd.

Hvis elnettet bugner af elektricitet, bliver overskudsstrømmen brugt til at drive en pumpe, der alene med trykket fra vandet presser stemplet op i toppen af brønden. Når strømmen igen skal bruges, synker stemplet langsomt ned i brønden og presser vand igennem en turbine, som producerer elektricitet.

Et andet firma, Gravitricity, vil løfte en vægt på op til 12.000 tons op fra en dyb brønd og nedsænke den igen, når strømmen skal bruges. Metoden har ifølge Gravitricity en virkningsgrad på 80-90 pct.

Fælles for tyngdekraftanlæggene er, at de vil være milliondyre løsninger at installere og koble til elnettet, men den lange levetid – i nogle tilfælde op til 50 år – kan over tid bringe prisen ned.

Dermed bliver tyngdekraften både et billigt, miljøvenligt og sikkert alternativ til batterier.