Hittills har det varit en utmaning att lagra den energi vi genererar när solen skiner och vinden blåser. Men forskare vid ett laboratorium i Trondheim i Norge har lyckats med just detta – och helt utan någon form av avancerad batteriteknik.

Från utsidan ser det ut som en silverfärgad behållare med ett litet runt fönster inskuret i sidan och flera rör som leder in och ut. Värme dras först in i systemet och släpps sedan, efter en stund, ut igen.

Denna "behållare" gör det möjligt att lagra värmeenergi som genereras under soliga och blåsiga dagar och släppa ut den igen när vädret blir kallare. Tekniken som driver systemet bygger på så kallade "phase change materials" (PCM) i kombination med värmepumpar.

Faktum är att källan till energin kan vara allt från el som genereras av solpaneler, spillvärme från en fabriksbyggnad eller överskottsenergi från ett vindkraftverk. Här, på laboratoriet ZEB (Zero Emission Building) som drivs av SINTEF och NTNU, hämtas energin för lagring från solpanelerna som täcker större delen av byggnadens tak och fasad i söderläge.

Vatten är världens vanligaste fasförändringsmaterial

Men vad är ett fasförändringsmaterial? Alexis Sevault är forskningschef på SINTEF Energiforskning och förklarar mer än gärna.

I själva verket är vatten ett fasförändringsmaterial i sin enklaste och mest välbekanta form. Det kan förvandlas till iskristaller när temperaturen faller under noll grader Celsius, bli en vätska när temperaturen stiger och övergå till ånga när den närmar sig 100 grader. Vatten har också förmågan att bete sig olika i sina olika faser och, viktigast av allt, kan lagra värme i flytande form.

Forskare ger namnet fasförändrande material, eller PCM, till material som beter sig olika i sina olika faser och som också kan lagra värme.

Det finns många PCM som kan lagra värme när de är i flytande form. Det som gör dessa material intressanta och inte minst praktiska i sammanhanget är att deras smältpunkter inte är noll grader.

Smältpunkt:37 grader Celsius

Denna egenskap gör att PCM:er kan användas som så kallade "värmebanker". Med andra ord som batterier. Den stora silverfärgade behållaren i ZEB-laboratoriet innehåller en PCM som smälter vid kroppstemperatur.

"Enheten innehåller tre ton flytande biovax baserat på en vegetabilisk olja som inte kan användas som mat", säger Sevault. "På samma sätt som vatten förvandlas till is blir vaxet ett fast, kristallint material när det blir tillräckligt kallt. "Kallt" för just detta vax betyder under 37 grader", säger han och fortsätter med att tillägga:

"Men det finns andra typer av biovax som har olika smältpunkter, som alla erbjuder möjligheter för många liknande tillämpningar."

Smarta molekyler

Om vi ​​undersöker biovaxet i detalj finner vi att det är uppbyggt av molekyler som beter sig mycket ekonomiskt i termer av värme.

För att spara energi placerar sig molekylerna väldigt tätt när biovaxet är i sin fasta fas. De samlas tätt intill varandra och håller sig relativt stilla, inte olikt en flock kalla pingviner på ett isflak.

När materialet smälter lossnar bindningarna som håller ihop molekylerna och de börjar röra sig med vad vi kallar kinetisk energi. När mer värme tillförs från deras omgivning, blir molekylerna mer exciterade. Slutligen släpps de från sina band och kan vibrera fritt och oberoende. När detta händer har biovaxet ändrat sin fas och blivit en vätska.

Och motsatsen är sann. När vaxet övergår från en vätska till en fast substans frigör molekylerna en stor del av sin kinetiska energi till sin omgivning. De slutar vibrera och börjar samlas igen för att spara energi. Vaxet återgår sedan till en fast substans.

Biobaserad och underhållsfri

Detta är fenomenet som forskare utnyttjar i silverbehållaren. Energin som samlas in av byggnadens externa solpaneler leds via en värmepump in i det stora "batteriet", och det är här som biovaxmolekylerna är fria att dansa av hjärtans lust – fulla av sin flytande energi.

När det är dags att utvinna energin tilldelas flytande vatten jobbet som den "praktiska energibäraren". Först och främst skickas kallt vatten genom värmelagringssystemet. Efter en kort stund släpps det nu uppvärmda vattnet från apparaten och leds till radiatorerna och ventilationssystemet, vilket tillför uppvärmd luft till byggnaden.

Ett effektivt och funktionellt system

Denna teknik har nu använts som en del av ZEB Laboratorys värmesystem i mer än ett år.

"Det PCM-baserade värmelagringssystemet levererar exakt den prestanda vi förväntade oss", säger Alexis Sevault. "Vi utnyttjar så mycket som möjligt av byggnadens egenproducerade solenergi. Vi ser också att systemet är mycket väl lämpat för så kallad "peak shaving", säger han.

"Genom att ladda biobatteriet inför de kallaste delarna av dygnet förhindrar vi att byggnaden förbrukar värdefull nätel vid tillfällen då resten av Trondheim också upplever stor efterfrågan", säger Sevault. "Detta ger oss en nivå av flexibilitet som även kan användas för att utnyttja fluktuationer i spotpriset. Vi kan ladda vårt batteri när vi har tillgång till energi från sol, vind och spillvärme, och utvinna produktion när elpriset är högt. ," han förklarar.

Dessutom har det första verksamhetsåret gett stora mängder data som forskare nu ska använda för att optimera både design och drift av systemet så att så mycket output som möjligt kan extraheras.

Bäst lämpad för industriella applikationer

Systemet är alltså mycket mindre sofistikerat än ett traditionellt batteri – men det är inte lämpligt för alla byggnader. Som en ny teknik är investeringskostnaderna fortfarande höga. Nackdelen är att ett sådant system inte fungerar för alla. Åtminstone inte för närvarande.

"Det här systemet kommer att vara idealiskt för industri- och kontorsbyggnader och i stadsdelar där värmen kan distribueras", säger Sevault. "Det bästa med det är att tekniken är praktiskt taget underhållsfri. Den kommer att hålla i minst 25 år", säger han.

Forskarna arbetar också med att utveckla smarta styrsystem i syfte att optimera produktionen. Dessa kommer att göra det möjligt för systemet som helhet att svara på och regleras i enlighet med omgivningens behov. Det innebär i praktiken att sättet på vilket systemet utnyttjas kan styras av faktorer som väderprognoser och fluktuationer i elpriset. Denna forskning utförs av SINTEF i samarbete med NTNU. Tillsammans med många andra forskningsavdelningar inom NTNU och SINTEF har forskarna etablerat ett Gemini Center kallat Thermal Energy Storage.

En avknoppning från SINTEF

Forskarna som har utvecklat "biobatteriet", eller PCM värmelagringssystemet som experterna kallar det, är nu i färd med att etablera ett företag med syfte att kommersialisera tekniken. Detta sker i samarbete med SINTEFs in-house startup support division, SINTEF TTO.

"Vi föreställer oss att vi efter flera månaders testning på ZEB-laboratoriet säkert kan starta konceptet på dess resa mot kommersialisering", säger Sevault. – Vi har också fått kontakt med många slutanvändare som är intresserade av att få ett pilotsystem installerat 2023 eller 2024. Många av dessa är industriföretag som har resurser att skala upp konceptet, säger han. + Utforska vidare

Förstå fasförändringsmaterial för lagring av termisk energi