En man håller i en borrkärna från ett berg

Berget som batteri

Det finns egentligen ingen energibrist på vårt jordklot. Men för att lösa dagens problem behöver vi fånga in och lagra energin på nya sätt. På Göteborgs universitet pågår flera forskningsprojekt för att lösa detta.

När solen skiner eller vinden blåser finns det god tillgång till billig energi i Sverige. Priserna på vindkraft och solceller har minskat drastiskt och dessa energilösningar växer snabbt. Men det är ingen stor tröst en kall, vindstilla dag i december då elpriserna slår nya rekord. Cirka 50 procent av Sveriges energianvändning handlar om värme och kyla. Bostäder och kontor behöver värmas upp, industrier behöver värme till olika processer. 

– Vårt jordklot har ett varmt inre som är en intressant energikälla, framför allt till uppvärmning. Geotermisk energi är nästan helt oberoende av årstider och på många håll i världen finns det stor potential att kunna utnyttja värmen från jordens inre. Island är ett bra exempel på det, säger geologen Johan Hogmalm.  

Bergvärme har blivit en populär lösning där vatten värms upp i borrhål och sedan med hjälp av en värmepump kan stå för uppvärmningen av en bostad och dess varmvatten. Men i Sverige är temperaturskillnaden i borrhålen relativt låg, vilket innebär att värmepumpen behöver en hel del elenergi för att ytterligare öka temperaturen på vattnet som tas upp. 

En man står framför en bergvägg.
Geologen Johan Hogmalm lutar sig mot vår berggrund för att lösa en viktig del av energifrågan – energilagring. ”Det är möjligt att lagra energi i vår berggrund i upp till 12 månader”.

– Vi bor på världens sämsta ställe för att kunna utvinna energi ur jordskorpan. Man måste borra väldigt långt ner för att nå lager av berg som är rejält varmare, säger Johan Hogmalm. 

I Finland gjordes ett försök där två borrhål gick ner till över 6 kilometers djup. Där nere är temperaturen cirka 110 C. Tanken var att pumpa ner vatten i det ena borrhålet som fick infiltrera berget över till det andra hålet där det uppvärmda vattnet togs upp. Men på grund av att sprickorna var så få i graniten behövdes vattnet sättas under ett högt tryck, vilket förbrukade så mycket energi att vinsten av uppvärmningen åts upp. Dessutom finns det risk för att höga vattentryck utlöser jordskalv, vilket skett i flera andra projekt. 

Den täta och stabila berggrunden i Sverige, norr om Hallandsåsen, kan ändå vara en del av svaret på energifrågan. Som ett batteri.   

– För vindkraften gäller att en stor del av energin produceras under en begränsad tid. Alltså måste vi kunna lagra överskottet, säger Johan Hogmalm som har en patenterad lösning där man värmer upp berget när det finns överskott av billig energi för att sedan plocka ut värmen när behovet finns och priset är högt. 

I borrhålslager låter man varmt vatten cirkulera i berget som värms upp. Men eftersom det använder plastslangar så kan vattnet bara värmas till 90 grader och det innebär att värmelagringen har ett begränsat användningsområde.  

Johan Hogmalm föreslår att man använder sig av stålrör och att vattnet ersätts av en annan vätska som kan värmas till flera hundra grader utan att förångas. Genom att sätta ner en typ av doppvärmare i stålrören så kan billig överskottsel från blåsiga och soliga dagar användas direkt för att värma upp berget.  

– Granit har egenskaper som gör att den behåller värmen länge, när bergarten väl blivit uppvärmd. Det är möjligt att lagra värme upp till 12 månader, säger Johan Hogmalm.  

Hogmalm tänker sig lokala ”bergbatterier” som ligger i nära anslutning till de bostäder eller industrier som behöver värme. Till skillnad från vätgaslagring av överskottsenergi behövs ingen skrymmande anläggning på ytan. 

– Ett typiskt värmelager i berget skulle vara 50–100 meter i diameter, med 100 till 1 000 borrhål som är 250 meter djupa. Ett sådant knippe borrhål skulle ha en ”klungeffekt”, där hålen i mitten av lagret håller värmen bäst och så klingar det av utåt kanterna. 

Om det nu fungerar så bra, varför har det inte byggts några värmelager i berget än? 

 – Det handlar om pengar, det tar lite tid att få ihop 50–100 miljoner kronor som krävs för att starta. Även med den initialkostnaden så är det den billigaste energilagringsmetoden jag känner till. Och om vi kan bygga anläggningar i industriell skala skulle kostnaden minska kraftigt, säger Johan Hogmalm. 

Uppvärmningen av bostäder och andra lokaler i vårt kalla klimat driver upp vårt behov av smarta lösningar för uppvärmning. Att minska behovet av uppvärmning är därför också en del av lösningen på energiproblemet.  

Under stora delar av året läcker det ut värme från fönstren i ett hus. Forskarna i fysikern Alexandre Dmitrievs grupp har tagit fram en lösning där fönsterrutan förvandlas till en solfångare och kan bli uppemot 10 grader varmare på insidan. Knepet är miljontals solantenner byggda med nanoteknik. 

– En vanlig fönsterruta släpper igenom cirka 85 procent av solenergin. I det här projektet försöker vi jobba med de resterande 15 procenten, säger Alexandre Dmitriev.    

Fysikforskarna i Alexandre Dmitrievs grupp har utvecklat en tunn film som består av antenner som kan fånga upp värmen ur solstrålar. Genom att montera solantennerna på ett fönsterglas så kan mycket av uppvärmningskostnaderna sparas in.

Varje radio, mobil, tv eller satellit har antenner som fångar in vågorna av information som skickats ut. Solljuset är elektromagnetiska vågor som också kan samlas in via antenner. I Alexandre Dmitrievs projekt byggs antennerna i ungefär samma storlek som storleken på solljusvågorna, 400–700 nanometer. Nano är prefixet för en miljarddel. Och det är i denna skala som forskarna arbetar med så kallade nanopartiklar. 

– Vi kan med hjälp av fysikens lagar bygga den antennstruktur vi vill ha så att elektronerna inuti antennerna är aktivt drivna av solljus. Antennerna som ska fånga upp solstrålarna liknar runda gropar i ytan där vi kan orientera elektronerna så att de omvandlar solenergin till värme på det mest effektiva sättet, förklarar Alexandre Dmitriev. 

Svårigheten är att skapa en solfångaryta som är transparent och alltså går att applicera på ett fönster i stor skala. 

– Många fönster, framför allt, i kontorsbyggnader är redan tonade och med den här tekniken så kan vi minska energiförlusterna genom fönstren för ett rum med 50 procent, vilket innebär att uppvärmningsbehovet minskar med 20 procent. Det finns stora ekonomiska incitament i den här tekniken. I dagsläget har vi konstruerat en glasruta med antenner som är 1 kvadratdecimeter, och som upplevs som en transparent glasruta, säger Alexandre Dmitriev.  

Det finns även planer att gå vidare med tekniken så att den kan kyla ner inomhusluften under sommaren. Med en liten elektronisk förspänning kan antennerna få en ny funktion så att de reflekterar de termiska solvågorna i stället för att absorbera dem och då uppstår en kyleffekt. 

– Mängden energi vi får från solen är enorm. Vi behöver inte mer energi, bara uppfinna sätt att ta vara på den, säger Alexandre Dmitriev. 

En man sitter vid ett bord fyllt med teknisk utrustning.
Alexandre Dmitriev, professor i fysik.

Fakta: Energilagring 

Energilagring handlar om att spara utvunnen energi för att kunna använda energin vid en senare tidpunkt. På det sättet kan energiproduktionen ske oberoende av när konsumtionen sker. Det lätta exemplet gäller solenergi som produceras i hög mängd under sommaren men behovet av uppvärmning och el för belysning är mycket högre under vintern.  Men energilagring kan även vara viktigt i kortare tidsrymder, som från dag till natt eller rentav från minut till minut när särskilt energikrävande processer sker. Den mest vardagliga formen av energilagring är batterier som vi alla nyttjar i våra mobiltelefoner och bilar, till exempel. En kraftverksdamm som fylls med vatten efter regn är också en form av energilagring. 

Tre röster om

…vilka som är framtidens främsta energikällor och vilka de största ut-maningarna inom energiområdet är.

Rickard Nygren, arkitekt, White arkitekter 

Framtidens energikällor är de förnybara och fossilfria energikällorna som bergvärme, solvärme med mera. Detta bör kombineras med lagring eller utjämning av effektuttag, till exempel genom laddning av värme i marken sommartid för uttag under vintern. Även vindkraft och solenergi till el och biogas är viktiga. För framtidens byggnader kommer solceller vara väldigt centralt, de kan täcka basbehovet så att det inte blir helt strömlöst i en krissituation. 

De största utmaningarna är att åter bygga system som ägs gemensamt i samhället. Och att få till långsiktighet, lösningar som kan kräva stora investeringar i början, men är billiga på sikt är svåra att genomföra. Det gäller villaägare, eller större fastighetsägare, som vill ha solceller på sina hus. 

En utmaning är också att avancerade teknologier inte bygger på kedjor med oersättliga del-länkar, för att kunna upprätthålla tillverkning och underhåll av systemen vid till exempel internationella kriser. 

 

Eric Zinn, hållbarhetschef på Göteborg energi 

Framtidens främsta energikälla är solen. Runtom i världen rasar priserna på solkraft och detta kommer att dominera elproduktionen i framtiden. Vi på breddgrader med lite mindre sol kommer att förlita oss mer på vinden och i viss mån bioenergin. 

En av de allra största utmaningarna är den sociala hållbarheten. Den massiva utbygganden av ny elproduktion och ny kraftöverföring kräver mycket av det lokala samhället i frågan om acceptans och inkludering. Elektrifieringen och energilagringen innebär också behov av stora uttag av olika jordartsmetaller som är ojämnt fördelade bland världens länder, vilket kan skapa nya geopolitiska spänningar. Ytterligare en stor utmaning är kompetensbristen där helt nya utbildningar måste fyllas med ungdomar som ännu inte intresserat sig för dessa mycket spännande frågor. Ytterst är det dock takten som är den största utmaningen, eftersom klimathotet är så akut och vi måste få ner utsläppen av koldioxid fortare än vad vi lyckats med hittills.  

 

Catarina Naucler, innovation project team, Fortum 

De investeringar i ny fossilfri produktion som ligger framför oss kommer i huvudsak ske i teknik som finns i dag och är relativt enkel att skala upp - vindkraft, kärnkraft och solkraft. De nya innovationerna handlar i högre utsträckning om affärsmodeller och teknik för att öka de cirkulära inslagen i lösningarna, resurseffektiviteten och utfasningen av fossila bränslen ur industriprocesser och transporter.  

Utmaningen är att möta ett kraftigt växande behov av energi och då med lösningar som är hållbara. Det behövs en öppen och bred forsknings- och utvecklingsagenda som har förmågan att både fokusera på utvecklingen av enskilda kraftslag, men också anta ett systemperspektiv för att säkerställa de förmågor som behövs finns på plats. Parallellt behöver vi även ägna mer uppmärksamhet åt ökad effektivitet – när det gäller energianvändning och förmågan att ta tillvara de olika restströmmar som uppstår.