Fasförändring kan rädda energilagringen
Saltlagret för kyla vid Working lab i Johanneberg Science Park i Göteborg är igång. Men redan från start fick Chalmersforskarna tampas med att lagret inte kommer upp i projekterad energilagring.
Stora fastighetsägare och energibolag börjar att förbereda sig för tider med större konkurrens om effekt – och därmed höjda kostnader. Redan nu finns många goda exempel på energilagring i batterier, berggrund, vatten och husstommar. Fasförändringsmaterial, PCM (phase-change materials), kan bli ännu ett alternativ. I Energi & Miljö nr 6–7/2018 berättade vi om det planerade saltlagret på Chalmers, Göteborg. – Precis som de få anläggningar som finns i världen, en teknisk högskola i Bergen och en i Australien, har vi haft svårt att komma upp i projekterad energilagring. Nu jobbar vi med att lösa ett problem i taget, berättar Angela Sasic Kalagasidis, biträdande professor vid Byggnadsteknologi/ Arkitektur- och samhällsbyggnadsteknik, Chalmers.
Fasförändringsmaterial förekommer redan i många olika sammanhang. Exempelvis är det grunden i kylkompressorer. Fasförändring innebär att ett material tar upp eller ger ifrån sig energi, när det byter fas. Precis som när vatten blir till is eller ånga. När man talar om PCM som en metod att lagra energi är det oftast i paraffiner och salter. – Vi använder salthydrater, som alltså är en blandning av salter och vatten, säger Angela Sasic Kalagasidis.
Projektet på Chalmers startade först med en liten forskningspilot och sedan i höstas är den fullskaliga anläggningen igång i byggnaden Working lab.
– Orsaken till att vi drog igång det här var att det under de senaste 15 åren kommit många vetenskapliga publikationer på det här området, men få demonstrationer. När tekniken är så väl känd förväntar man sig att se fler anläggningar, men jag har inte kunnat hitta så många, påpekar Angela Sasic Kalagasidis, som driver projektet tillsammans med doktoranden Pepe Tan och docent Pär Johansson.
– Här saknas uppenbarligen kunskapsöverföring. Forskarna har mycket information och är medvetna om begränsningar och material, men jag har inte sett några råd till ingenjörer och projektörer hur de ska göra. Å andra sidan upptäckte vi, när vi började projektet, att de forskningsstudier vi sett inte har tagit hänsyn till systemkraven – vad krävs när en byggnad är i drift, beträffande temperaturkrav och effektuttag?
Saltlösningen, som finns i en stor tank, stelnar vid 9–12 °C. Plaströr är monterade i tanken och fungerar som värmeväxlare mellan PCM-materialet och kylsystemet. Ytterligare värmeväxling sker sedan till Chalmers fjärrkylasystem, KBO. På natten, när kylbehovet i Chalmers byggnader inte är så stort, alternativt att elpriserna är låga, kyls lagret ner. När kylbehovet ökar i Working lab, skickas varmare vatten ner från byggnadens kylsystem, kyls ner i lagret och skickas tillbaka. Lagret kan köras på toppeffekten 40 kW i fem, sex timmar. När lagret är tömt tar kylmaskinerna över hela driften och återladdning av lagret kan ske.
Det som händer i lagret när det kyls är att den flytande saltlösningen kristalliseras.
– Saltlösningen ändrar fas vid 11 °C, men man måste gå in med betydligt lägre temperatur för att den ska börja kristallisera sig. Normalt har vi åtta grader, men ibland måste kylmaskinen producera sex grader för att trigga igång processen, när lagret är tömt. Det är karaktäristiskt för salthydrater att det krävs supercooling vid starten. Man börjar lågt för att starta och sedan kan man hoppa upp till högre temperatur, säger Angela Sasic Kalagasidis. Forskningsstudierna har till exempel jobbat med stora temperaturskillnader, men Chalmersforskarna har i det aktuella projektet i praktiken fått arbeta med betydligt mindre temperaturskillnader.
– Då blir det ännu viktigare att ha koll på hur PCM-materialet presterar, till exempel hur man kan överbrygga supercooling. Vidare kräver det en större kontaktyta för värmeöverföring mellan PCM och värmebärare, vilket ställer särskilda krav på lagrets utformning – samtidigt som man vill begränsa dess storlek. I driften minskar de små temperaturskillnaderna flexibiliteten i optimering av kyllagret, förklarar Angela Sasic Kalagasidis. Kristalliseringen ska normalt ske jämnt inom hela lagrets volym, men så har det inte blivit i Göteborg.
– I den lilla pilotanläggningen, där vi kan ta bort ena sidan av tanken, blev det uppenbart att det inte fungerade som det var tänkt. Vi kunde se och konstatera att saltblandningen skiktat sig och att vissa salter hamnat på botten och vissa i den övre delen av tanken. Det problemet såg vi redan innan det stora saltlagret togs i drift. Den tyska tillverkaren föreslog förtjockningsmedel i det stora lagret. Vi har tillsatt det och fått stabila cykler, men vi når fortfarande inte upp till den projekterade energilagringen på 140 kWh, berättar Angela Sasic Kalagasidis. – Vi tror att förtjockningsmedlet har förändrat värmeöverföringen. Vi ska nu tillsätta förtjockningsmedel också i piloten och se vad som händer.
Ett energilager flyttar energiproduktionen till tidpunkter på dygnet när det är mera ekonomiskt och praktiskt fördelaktigt att producera värme, kyla och el. Dessutom blir det möjligt att slippa investeringar i fler kyl- och värmepumpar när behovet ökar. En fördel med ett saltlager är också att det är tre gånger mindre än ett vattenlager. – Jämfört med organiska värmelager, som är brandfarliga och dyrare, är oorganiska som salthydrater billigare och brandsäkra. Däremot är de mer korrosiva och man måste vara noga med de material man använder i rören där saltlösningen kan tränga in. För Akademiska Hus var saltlagret på Chalmers ett sätt att slippa investera i ytterligare en kylmaskin i samband med att Working lab byggdes. – En förhoppning är förstås att det ska vara en billigare lösning både i investering och i kostnaderna för drift och eleffekt, säger energiingenjör Per Löveryd, innovationssamordnare på Akademiska Hus. – Vi vill också ligga lite före för att klara kommande effektbrist i systemet. Saltlager är ytterligare ett sätt att lagra energi, vilket vi vill titta närmare på. PCM-tekniken är kompaktare och lättare att få att fungera på små skillnader mellan inlopps- och utloppstemperatur, än konventionell lagring i vattenvolym.
Akademiska Hus vill vara med och ta del av utvecklingen av hur man ska klara framtidens effekttoppar. – Det är inte en fråga bara för energibolagen, utan också för fastighetsägare och processindustrin. Vi måste samverka kring den framtida tillgången på effekt för att det ska fungera, säger Per Löveryd. Saltlagret har också varit uppkopplat mot FED-projektet, den lokala handelsplatsen för utbyte av värme och kyla inom Johanneberg Science Park. FED är ett EU-projekt.
Text: Maria Åslund
