Sådan fungerer Googles energilager
I sidste uge kunne Ingeniøren berette, at Googles moderselskab Alphabet arbejder med et termisk energilager. Arbejdet foregår i det datterselskab, de fleste af os kender som Google X, dvs. den gren af virksomheden, der satser på de såkaldte ”moonshots”. Et Google-moonshot er et projekt med høj risiko, men også med stor effekt, hvis det lykkes. Listen over Google X moonshots omfatter bl.a. den selvkørende bil og en flyvende vindmølle.
Ingeniørens artikel kan findes på dette link: https://ing.dk/artikel/google-vil-lagre-stroem-salt-frostvaeske-202470.
Googles energilagringsprojekt har fået navnet Malta. Projektet angår en særlig type termisk energilager, nemlig såkaldt ”Pumped Heat Electricity Storage” eller PHES. Man kan finde alskens artikler om det fundamentale koncept ved en simpel søgning på nettet.
I den konkrete form har Googles udviklingsprojekt taget udgangspunkt i arbejde udført af den amerikanske fysiker og nobelpristager Robert B. Laughlin. Laughlins arbejde på området er opsummeret i en glimrende artikel, man kan finde på dette link: https://www.w2agz.com/Library/Storage/rbl-storage-05feb16%20(2).pdf
I Laughlins variant af PHES anvender han en såkaldt recuperator mellem den kolde og den varme side i systemet. En recuperator er en simpel luft-luft varmeveksler. Når man bruger den i et PHES-system, får man den fordel, at det kolde og det varme lager rent temperaturmæssigt bliver frakoblet fra hinanden.
Nedenfor beskriver jeg, hvordan jeg vurderer, at Google vil implementere Laughlins system. Det er er ikke helt enkelt at beskrive, så man skal som læser nok holde tungen lidt mere lige i munden, end det normalt er rimeligt at forlange, men jeg synes, det har været svært at gøre det simplere end her.
Systemet er vist i diagrammet på Figur 1.
Hjertet i systemet er turbomaskineriet. Det er den dyreste del og i stort omfang den, der i sidste ende bestemmer driftsøkonomien. Turbomaskineriet består af en elektromotor 1 forbundet til en kompressor 2 og en turbine 3, der er monteret på samme aksel.
I den fortsatte beskrivelse antager jeg, at kompressionsforholdet er 3.5, at kompressorvirkningsgraden er 85% og turbinevirkningsgraden 90%, og at temperaturgradienten over varmevekslerne er 10 K. Google kan sagtens tænkes at arbejde med andre værdier, men det gør ikke så meget for resultaterne nedenfor.
Den kolde side af lageret består af en varm tank 4 og en kold tank 5, forbundet gennem en varmeveksler 6. Hver tank er stor nok til at kunne indeholde hele den kolde lagervæske. Væsken pumpes fra den ene tank til den anden med en eller flere pumper, der ikke er vist på diagrammet. Temperaturen i den varme tank 4 er 20 grader C, og temperaturen i den kolde tank 5 er -40 grader C.
Den varme side af lageret består på samme vis af en varm tank 7 og en kold tank 8, forbundet gennem en varmeveksler 9. Temperaturen i den varme tank 7 er 550 grader C, og temperaturen i den kolde tank 8 er 280 grader C.
Endelig har systemet en recuperator 10, der som nævnt ovenfor er en luft/luft varmeveksler.
Pilene viser flowets retning under opladning.
Elektromotoren 1 driver kompressoren 2. Kompressoren forsynes med 280 grader C luft fra recuperatoren, og ved kompressionen opvarmes luften til 560 grader C. I varmeveksleren 9 afgiver luften overskudsvarmen til det varme lagers væske, som pumpes gennem varmeveksleren fra det kolde lager 8 til det varme lager 7. På grund af den 10 graders temperaturforskel i varmeveksleren, bliver det varme lager ikke 560 grader, men 550 grader.
Luften forlader varmeveksleren 9 med en temperatur på 290 grader C. I recuperatoren 10 køles den ned til en temperatur på 40 grader C og opvarmer samtidig luften til kompressoren til 280 grader.
Efter recuperatoren ekspanderes luften i turbinen 3. Herved afkøles den ved adiabatisk ekspansion til -50 grader C. I varmeveksleren 6 afgiver luften kulden til det kolde lagers væske, som pumpes gennem varmeveksleren fra det varme lager 4 til det kolde lager 5.
Luften forlader varmeveksleren 6 med en temperatur på 30 grader C. I recuperatoren 10 varmes den så op igen til 280 grader C som nævnt ovenfor, og processen kan nu tage en ny cyklus.
I processen tilføres det varme lager energi fra afkølingen af det kolde lager. Varmen pumpes så at sige fra det kolde lager til det varme, deraf betegnelsen ”Pumped Heat Electricity Storage”. Processen er fuldstændig den samme som kendes fra køleskabe og almindelige varmepumper. På grund af det store temperaturspænd kan CoP (Coefficient of Performance) selvsagt ikke være lige så høj som i konventionelle varmepumper. Med de estimerede virkningsgrader ovenfor havner man på en CoP på ca. 140%. Sagt på en anden måde – for hver kWh overskudselektricitet, man tilfører elektromotoren, får man lagret 1.4 kWh som varme.
Som det fremgår af gennemgangen, har recuperatoren den virkning, at det kolde og det varme lager frakobles fra hinanden rent temperaturmæssigt. Når man udlægger systemet, beslutter man sig til i) kompressionsfaktoren, ii) maksimaltemperaturen af det varme lager (som bestemmes af lagermaterialet), og iii) maksimaltemperaturen af det kolde lager (som bestemmes af køleluftens temperatur, dvs. omgivelsestemperaturen). Beslutningerne om ii) og iii) kan træffes uafhængigt af hinanden, når blot man har en recuperator.
Så langt, så godt – men vi skal jo også have varmen ud igen som elektricitet!
Figur 2 viser afladningskonfigurationen af systemet.
For at holde diagrammet og beskrivelsen så enkel som muligt, antages det her, at kompressor og turbine bytter plads. Turbomaskineriet består stadig af en elektromotor 1 forbundet til en kompressor 2 og en turbine 3, der er monteret på samme aksel, men på tegningen har 2 og 3 byttet plads i forhold til før. I praksis vil man naturligvis ikke sådan rykke rundt på tingene, og man vil i stedet krydse flowet med diverse rør og ventiler, så man får den samme virkning.
Elektromotoren 1 er nu en generator, som drives af overskuddet af effekt fra kombinationen af kompressor og turbine.
Kompressoren forsynes med -30 grader C luft fra varmeveksleren 6. Ved kompressionen opvarmes luften til 50 grader C. I recuperatoren opvarmes luften videre til 290 grader C, hvorefter den fortsætter til varmeveksleren 9 og opvarmes af det varme lagers væske, som pumpes gennem varmeveksleren fra det varme lager 7 til det kolde lager 8.
Luften forlader varmeveksleren 9 med en temperatur på 540 grader C. I turbinen 3 ekspanderes den og køles derved ned til 320 grader. Den passerer recuperatoren 10 og køles her ned til en temperatur på 60 grader C. Samtidig opvarmes luften, som går videre til varmeveksleren 9, i recuperatoren til 310 grader C. Da den kolde side af det varme lager ikke må blive varmere end 280 grader, køles luften fra recuperatoren ned fra 310 grader C. til 290 grader C., før den kommer ind i varmeveksleren.
Efter recuperatoren går luften til varmeveksleren 6, hvor den afgiver varmen til det kolde lagers væske, som pumpes gennem varmeveksleren fra det kolde lager 5 til det varme lager 4. Luften forlader varmeveksleren 6 med en temperatur på -30 grader C, og processen kan nu tage en ny cyklus.
Virkningsgraden af afladningsprocessen er ca. 35%. Den samlede round-trip virkningsgrad er derfor 140% * 35% = 50%. Resten går tabt som varme, primært ved, at det kolde lagers varme del under afladningen bliver opvarmet en del mere end ønsket. Man er derfor nødt til at have køling på det kolde lagers varme del, og det er ved denne køling, at spildvarmen forsvinder.
Processens round-trip virkningsgrad er meget afhængig af virkningsgraden af turbomaskineriet og af temperaturforskellen over varmevekslerne. I sin artikel regner Laughlin med virkningsgrader i området 91-93%. Han anfører selv, at det nok er i den høje ende, men skriver dog samtidig, at man rent teoretisk kan nå højere op. Det mener jeg ikke er realistisk, og jeg anvender derfor i mine beregninger noget lavere værdier for virkningsgraderne.
Efter Laughlins beregninger kommer den laveste temperatur af det kolde lager helt ned på -95 grader, og derfor regner han med, at man er nødt til at bruge en kulbrinte (hexan eller lignende) som væske i de kolde tanke. Google oplyser, at man i stedet bruger vand og ethylenglykol, dvs. almindelig kølervæske, hvilket ikke er muligt ved så lave temperaturer. Det skyldes sandsynligvis, at Google har regnet sig frem til, at det ikke rigtig er realistisk med Laughlins antagelser om virkningsgrader og har brugt nogle mere ”dagligdags” virkningsgrader. Resultatet er, at den kolde del af det kolde lager kommer ind i et område, hvor man kan bruge almindelig kølervæske.
Laughlin og Google bruger smeltet salt til det varme lager. Man skulle måske tro, at det er for at kunne udnytte det store indhold i smeltevarmen, men det er ikke tilfældet. I lagersystemet skal saltet altid være flydende. Man bruger det, fordi det i smeltet form er en væske, som tåler højere temperaturer end andre væsker.
Smeltet salt er normalt en blanding af forskellige salte. Før i tiden har man ofte anvendt en blanding af 60% natriumnitrat og 40% kaliumnitrat, men det er næppe helt ikke så populært længere, fordi man kan være bekymret over, at disse nitrater kan bruges til at lave simple sprængstoffer. Derfor bruger man efterhånden mere avancerede saltblandinger, der leveres under forskellige handelsnavne.
Typiske kommercielle saltblandinger kan anvendes i temperaturområdet 150 – 550 grader C.
Hvis temperaturen bliver for lav, størkner saltet naturligvis, og så bliver alting meget besværligt, selv hvis systemet er forsynet med et varmeanlæg, der kan tø det op igen. Det er ikke nogen let sag, fordi saltet har relativt dårlig varmeledningsevne, når det er på størknet form.
Hvis temperaturen kommer over 550 grader, begynder saltet at dekomponere og afgive gasser. Disse er normalt ufarlige, men ulempen er, at dekomponeringen har det med at hæve smeltepunktet, og med tiden får man et materiale, der ikke rigtig duer til opgaven.
Smeltet salt er således ikke noget ukompliceret materiale at arbejde med, og før i tiden har man ofte valgt at bruge forskellige former for højtemperaturolie i f.eks. koncentreret solenergi. Olien er helt anderledes ligetil at arbejde med, men den har den helt dominerende ulempe, at maksimaltemperaturen er af størrelsesordenen 400 grader C. Og den lave maksimaltemperatur går ud over virkningsgraden. Med de samme tal som anført ovenfor, vil round-trip virkningsgraden falde fra 50% til 40%, hvis maksimaltemperaturen i det varme lager reduceres fra 550 til 400 grader C.
Som nogle af ingeniørens læsere måske kan huske fra gamle artikler, har jeg selv arbejdet med knust sten som lagermateriale. Man kan af gode grunde ikke pumpe knust sten på samme måde, som man kan pumpe væsker, og man bruger derfor luft som varmeovergangsmateriale.
Knust sten har den meget store fordel, at det ikke er selve lagermaterialet, som sætter begrænsningen på maksimaltemperaturen. Man kan finde basalt-typer, som kan holde til et stort set ubegrænset antal op- og afladninger ved temperaturer helt op til 900 grader C, og man har isoleringsmaterialer, som kan tåle langt over 1000 grader C. Med et stenlager er det således selve udstyret (turbomaskineri, varmevekslere og rørsystemer), der sætter begrænsningen.
I maskineriet er det navnlig kompressoren, der er udfordringen. Turbiner laves til meget høje temperaturer, i gasturbiner helt op til 1400 grader C. Varmevekslerne kan fås op til omkring 800 grader C. Rørene kan fås i alskens forskellige kvaliteter og bliver næppe begrænsningen.
Hvis vi antager, at man under anvendelse af turbinematerialer kan lave kompressorer, som kan tåle op til 700 grader, kan man ved at erstatte det smeltede salt med knust sten og bruge luft til varmeovergang hæve round-trip virkningsgraden fra 50% til 57%. Og så er stenfyldet oven i købet meget billigere end salt!
