Vindkraft og solenergi vokser. Men det er jo ikke sikkert at det blåser eller at sola skinner akkurat når vi trenger energien mest. Når du kommer hjem om kvelden og vil lage middag og lade elbilen, kan det være både mørkt og vindstille.

Derfor må vi kunne lagre denne energien til senere.

– Vi er på jakt etter energilagringssystemer som er mer effektive enn andre, sier professor Merete Tangstad ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

Det du trenger er en egnet beholder med et stoff som kan varmes opp og kjøles ned uten at du mister for mye av energien underveis. Nå er NTNUs folk på sporet av nettopp det.

– Vi eksperimenterer med å varme opp silisium eller blandinger med silisium, forteller hun.

Silisium er det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen, etter oksygen. Det er billig og lett å få tak i. Forskerne ved NTNU har allerede jobbet med silisium i 30-40 år, blant annet for å lage materialer til solcellepaneler. Dette har de ofte gjort i samarbeid med industrien.

Flere materialer brukes

I Norge er vi heldige og kan regulere bruken av fornybar energi ved hjelp av vannkraft. Når vi har god tilgang på annen fornybar energi, trenger vi ikke tappe bassengene. Men de færreste land kan gjøre den slags. De må ha en slags batterier.

Tangstad forklarer at hun og de andre forskerne nå eksperimenterer med flere forskjellige faseforandringsmaterialer. Slike materialer kan holde på energi og gi den fra seg når det trengs. Det er mulig ved å endre fase fra flytende til fast form og tilbake igjen.

Salter er vanlige å bruke, men de er ikke særlig effektive, blant annet fordi de ikke kan varmes opp til mer enn rundt 600 grader. Det er lite i forhold til de 1400 gradene som trengs for å smelte silisium.

En helt annen variant av lagring er ved hjelp av litiumbatterier, som rett nok er mer effektive, men det er ikke nok.

– Det finnes ikke nok litium til at vi kan lagre all energien slik, sier professor Tangstad.

Derfor trengs flere metoder, og gjerne en kombinasjon av ulike fremgangsmåter. Ved NTNU er faseforandringsmaterialet en silisiumblanding, en såkalt legering.

Silisiumlegeringen varmes opp til flytende form. Dette krever energi, men den flytende massen holder på energien. Når silisiumblandingen størkner, gir den fra seg energi. Om dette skjer i en godt nok isolert beholder, kan du få tilbake det aller meste av energien som du bruker for å smelte silisiumblandingen. Du får igjen energi både fra lyset fra det smeltede materialet og fra varmen som avgis, altså både fotoner og elektroner.

Stabilt materiale og solid beholder

I dette arbeidet har forskerne mye å ta tak i. Jobben ved NTNU er todelt.

– Vi må finne en stabil legering. Samtidig må vi finne en beholder som tåler 1400 grader, som er smeltepunktet for silisiumet, sier Tangstad.

Alle materialer smelter og degenereres over tid, og påkjenningene på beholderen vil være store. Beholderen de har funnet frem til er blant annet laget av karbon, som er svært stabilt så lenge det ikke kommer oksygen til.

Silisium byr på et ekstra problem for den som vil bruke det til å lagre energi. Det er et av få materialer som utvider seg når det går over i fast form, akkurat som vann gjør når det blir til is. Dette betyr at du kan få store endringer i volumet, og det vil du slett ikke ha i en lukket beholder som ikke må sprekke.

Tangstad forklarer at de blander bor og jern inn i silisiumet for å unngå de store endringene i volumet og ekstra belastninger på beholderen. Samtidig er blandingen omtrent like effektiv til å lagre energi som rent silisium er.

– Materialet i beholderen må gå direkte fra fast til flytende form, sier hun.

Forskerne ønsker ikke en blanding av flytende stoff med noen faste klumper i. Det er ikke effektivt når de vil utløse energien raskt. Men blandingen av silisium, jern og bor oppfører seg som den skal.

Stor og liten skala

Lagringsmetoden er tenkt brukt i både stor og liten skala, fra sentrale kraftverk til små lagringsenheter som folk flest kan ha stående.

Nå vil vel enkelte være skeptiske til å ha en beholder som holder minst 1400 grader i huset, men Tangstad mener ikke dette er et større problem. Det går an å lage sikre løsninger, for eksempel ved å pakke den inn i sand.

– Da er det ikke noe problem om den skulle sprekke, sier Merete Tangstad.

Du vil kanskje ikke ha beholderen på et tregulv, men du kan kanskje ha den i kjelleren eller garasjen.

Flere på sporet

Nylig presenterte forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MiT) også sine resultater, der de tok i bruk smeltet silisium for å lagre energien. Det ligner metoden NTNU-folkene undersøker. Men ved NTNU mener de at de er på sporet av en mer effektiv variant.

Ulike forskningsmiljøer i mange deler av verden undersøker muligheten for å bruke silisium eller silisiumlegeringer. Blant andre er Amerikanske Air Force Laboratory og forskere i Australia inne på det samme.

Arbeidet ved NTNU er del av et EU-prosjekt sammen med forskningsinstitusjoner i Spania, Hellas, Italia og Tyskland. Dette er et FET (Future and Emerging Technologies) Open-prosjekt for forskning som baner vei for radikale nye teknologier og ideer som utfordrer dagens tenkning.

EU støtter slik forskning i startfasen, men bare i tre år. Det er ikke lang tid i denne sammenhengen, så foreløpig er metoden utprøvd i liten skala. Men ifølge Merete Tangstad er resultatene så langt lovende.

Referanser:

Wojciech Polkowski mfl: Silicon as a Phase Change Material: Performance of h-BN Ceramic During Multi-Cycle Melting/Solidification of Silicon. JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society (TMS) 2019.
http://doi.org/10.1007/s11837-019-03364-4

Amadeus - Next generation materials and solid state devices for ultra high temperature energy storage and conversion. Plakat som beskriver EU-prosjektet