Betongkulor som jättebatterier – Kalifornien testar dem i havet

Ett havsbottenexperiment kan förändra allt när det gäller grön energilagring

Utanför Kaliforniens kust pågår just nu ett försök som potentiellt kan vända upp och ner på hela vårt sätt att lagra förnybar energi.

En jättelik betongkula med nio meters diameter har precis sänkts ner i havet – inte som rekvisita till en science fiction-film, utan som prototyp för en helt ny typ av batteri. Konceptet kommer från det tyska forskningsinstitutet Fraunhofer IEE, och testerna genomförs vid Long Beach i USA. Den centrala frågan är enkel: Kan havsbottnen bli ett enormt, diskret lager för elektricitet från vind och sol?

Varför vi överhuvudtaget letar efter nya batterier för förnybar energi

Förnybar energi har en ihållande svaghet: den producerar ström när solen skiner eller vinden blåser – inte nödvändigtvis när vi behöver den som mest. Klassiska batterier baserade på metaller och komplex kemi är dyra och kräver stora mängder råmaterial.

Pumplagringsanläggningar, där vatten pumpas upp i högre bassänger, omvandlar hela dalar och skapar protester från lokalsamhällen. Ingenjörerna från Fraunhofer IEE drog slutsatsen att när det saknas utrymme eller social acceptans på land är det värt att titta under havsytan. Haven erbjuder enormt med plats, och det tryck som råder på större djup kan behandlas som gratis, naturligt ”bränsle” för energiproduktion.

Så fungerar betongkulan som batteri på havsbottnen

Projektet heter StEnSea och bygger på klassisk fysik i ett mycket enkelt system. Principen kan beskrivas i två faser: laddning och urladdning.

• Laddningsfasen: Kulan är ihålig inuti och vilar på flera hundra meters djup. När det finns överskottsström från vindkraftverk eller solpaneler i nätet pumpas vattnet ut ur kulan till det omgivande havet. Arbete utförs mot det enorma omgivande trycket.
• Urladdningsfasen: När energibehovet ökar öppnas ventilerna, och vatten under högt tryck strömmar in i kulan, driver en turbin och generator. Den energi som användes för att pumpa ut vattnet kommer tillbaka som elektricitet.

Prototypen som nu testas väger omkring 400 ton. Trots denna vikt är själva konceptet förvånansvärt enkelt att driva: de mekaniska komponenterna består främst av pumpar, ventiler och en generator – teknologier som är välkända från andra energianläggningar.

Forskningsteamet uppskattar att endast några få till ett par dussin fullständiga laddningscykler skulle kunna täcka ett genomsnittligt hushålls årliga elförbrukning.

Livslängden är designad för fem till sex decenniers drift. Generatorn förväntas bytas ut ungefär vart tjugonde år – utan att hela konstruktionen behöver lyftas till ytan. All service ska ske under vatten.

Djuphav istället för översvämmade dalar

Nyckeln till projektets framgång är rätt förhållanden djupt under ytan. De bästa parametrarna uppnås mellan 600 och 800 meters djup. Här är vattentrycket tillräckligt högt för att systemet ska kunna lagra betydande mängder energi, utan att kulan behöver förstärkas överdrivet.

På dessa djup uppnås en balans mellan flera faktorer:

Till skillnad från dammar och stora reservoarer på land kräver undervattenssanläggningar inga tvångsförflyttningar och ingen förändring av landskapet. Kustområden i Norge, USA, Japan och Brasilien är särskilt lämpliga – de har branta undervattensluttningar och tillräckliga djup nära kusten.

Forskarna framhåller att klassiska pumplagringskraftverks vidareutveckling blockeras av platsbrist och miljöprotester, medan potentialen på havsbottnen växer, och konflikter med lokala invånare i praktiken är minimala.

Betong som nytt hem för havets liv

Betong förknippas normalt med en grå, livlös massa. Projektets amerikanska partner, företaget Sperra, försöker ändra på det genom att använda 3D-printing i stor skala. Istället för att gjuta glatta, monolitiska ytor printar ingenjörerna konstruktionerna lager för lager med kontrollerat grov yta och porer.

3D-print gör kulan till ett konstgjort rev

Ytstrukturen är avgörande. Den grova texturen med många fördjupningar ger snabbare möjlighet att koloniseras av:

• mikroorganismer som bildar grunden för näringskedjan,
• alger och andra havsväxter,
• koraller och små ryggradslösa djur,
• fiskar som söker skydd och födosöksplats.

Istället för ett främmande föremål kastat ut i ett ekosystem är meningen att varje kula ska fungera som ett noggrant designat rev. Sperra understryker i sin tekniska dokumentation att liknande strukturer redan har haft positiv inverkan på biodiversiteten – tidigare försök i Bodensee visade att nytt liv koloniserade konstruktionerna förvånansvärt snabbt.

De pågående mätningarna i Kalifornien ska klargöra om processen förflyter motsvarande i det öppna havet. Forskarna övervakar inte bara den energimässiga effektiviteten, utan också hur snabbt och i vilken form liv samlas kring det betongliknande ”batteri-revet”.

Hur stort kan ett sådant undervattenskraftverk bli?

Den nuvarande prototypen med nio meters diameter är bara början. Teamet från Fraunhofer IEE planerar redan konstruktioner i betydligt större skala – upp till 30 meters diameter. Ju större storlek, desto större inre volym och därmed mer energi som kan ”låsas” i tryckskillnaden.

I praktiken innebär det möjlighet att skapa hela undervattens energilagringsfarmar. Ett dussin eller fler kulor uppställda i grupper skulle kunna samarbeta med en havsbaserad vindkraftpark eller en stor solcellsanläggning på land. När produktionen överstiger behovet ”laddar” kulorna sig – och när en vindstilla natt infaller levererar de ström på nätoperatörens kommando.

Var ger denna lösning mest mening?

Denna typ av lager passar särskilt bra in i system som redan investerar kraftigt i förnybar energi. Exempel på tillämpning:

• stabilisering av kustnära vindkraftparker,
• stöd till elnätet i områden där det är svårt att bygga nya högspänningsledningar,
• lagring av solcellsenergi i kustregioner,
• effektreserv till stora stadsområden nära kusten.

Kulornas långa livslängd innebär att även relativt höga startkostnader kan fördelas över flera decenniers drift. Det är en annorlunda ekonomisk modell än klassiska batterier, som efter ett par decennier kräver utbyte av hela moduler.

Vad kan gå fel – och vilka möjligheter finns det?

All teknik av denna typ väcker frågor. För undervattens betongkulor handlar bekymren främst om säkerhet och påverkan på havsekosystem. Ingenjörerna måste förutse konsekvenserna av fel som skadade ventiler eller otätheter. Därtill kommer utmaningen med service på stora djup, där varje åtgärd kräver specialutrustning och utbildade team.

Hänsyn måste också tas till samspelet med fiske och sjöfart. Utbredda fält av lagringskulor får inte kollidera med seglingsrutter eller områden som intensivt används av fiskeflottan. Ovanpå det kommer internationella regler för utnyttjande av havsbottnen.

För länder med grunda innanhav – som exempelvis Östersjön – är det optimala djupintervallet på 600–800 meter praktiskt taget omöjligt att uppnå lokalt. Det utesluter dock inte deltagande i försörjningskedjan för betong, pumpar, styrsystem och dataanalys, medan själva anläggningarna kan placeras utanför exempelvis Norges eller Portugals kuster.

Framtiden för energilagring kan gömma sig på havsbottnen

Energilagring på havsbottnen illustrerar en bredare trend: den gröna omställningen handlar inte längre bara om att bygga nya solpaneler och vindkraftverk. Flexibiliteten i hela systemet spelar en allt större roll – förmågan att spara överskottsenergi till senare användning.

Betongkulor som utnyttjar vattnets naturliga tryck är en av de mer konkreta och intuitiva lösningarna som kan hjälpa till att lösa detta pussel. För den vanliga konsumenten kommer dessa strukturer att förbli osynliga, ett par hundra meter under ytan. Effekten kan dock märkas direkt: mer stabila elräkningar, färre avbrott och bättre utnyttjande av energi från vind och sol. Om testet i Kalifornien går bra kommer diskussionen om havsbottnens roll i framtidens energisystem endast att öka i styrka.