Betongklot som batterier – nu testas de i havet utanför Kalifornien

På havsbottnen utanför Kaliforniens kust pågår ett experiment som kan vända upp och ner på sättet vi lagrar grön energi

En massiv betongsfär med nio meters diameter har just sänkts ner under havsytan – 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 försöken äger rum utanför Long Beach i USA. Den centrala frågeställningen är enkel: Kan havsbottnen bli ett stort, diskret lagringsanlägg för el från vind och sol?

Varför letar vi överhuvudtaget efter nya batterier för förnybar energi

Förnybar energi har en ihållande svaghet: den producerar ström när solen lyser eller vinden blåser – inte nödvändigtvis när vi behöver den. Konventionella batterier, som bygger på metaller och komplex kemi, är kostsamma och kräver enorma mängder råvaror.

Pumpkraftverk, där vatten pumpas upp i högre belägna reservoarer, omvandlar hela dalgångar och utlöser protester från lokalbefolkningen. Ingenjörerna från Fraunhofer IEE drog slutsatsen att när det saknas utrymme eller social acceptans på jordytan, är det värt att titta under vattenytan. Haven erbjuder oerhört mycket plats, och det tryck som råder på större djup kan betraktas som ett gratis, naturligt ”bränsle” för energiproduktion.

Så fungerar betongsfären som batteri på havsbottnen

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

• Laddningsfasen: Sfären är ihålig invändigt och vilar på flera hundra meters djup. När det finns överskottsström från vindkraftverk eller solpaneler, pumpar man ut vattnet från sfären och ut i omgivningen – det kräver arbete mot det enorma omgivande trycket.
• Urladdningsfasen: När energibehovet ökar, öppnas ventilerna, och vatten strömmar in under högt tryck och driver en turbin och generator. Den energi som användes för att pumpa ut vattnet, återvänder som elektricitet.

Den sfär som testas just nu väger omkring 400 ton och mäter nio meter i diameter. Trots den imponerande massan är själva konceptet anmärkningsvärt enkelt i driften: de mekaniska komponenterna består främst av pumpar, ventiler och en generator – teknologier som är välkända från andra energianläggningar.

Forskarteamets beräkningar visar att bara några få fullständiga laddningscykler skulle kunna täcka ett genomsnittligt hushålls årliga elförbrukning.

Systemet är designat för att hålla i fem till sex årtionden. Generatorn förväntas bytas ut ungefär vart tjugonde år – och det ska ske under vatten, utan att hela konstruktionen lyfts till ytan.

Djupt hav i stället för översvämmade dalgångar

Nyckeln till projektets framgång ligger i de rätta förhållandena långt ner under ytan. De optimala parametrarna uppnås mellan 600 och 800 meters djup. Här är vattentrycket tillräckligt stort för att systemet ska kunna lagra betydande energimängder, utan att sfären kräver överdrivet förstärkning.

På dessa djup uppnås en balans mellan tre avgörande faktorer:

Till skillnad från dammar och stora landbaserade reservoarer kräver undervattenanläggningar varken tvångsförflyttningar eller omvandling av landskapet. Kustområden i Norge, USA, Japan och Brasilien lämpar sig särskilt väl för denna energiform – de har branta undervattenssluttningar och tillräckliga djup nära kusten.

Forskarna framhåller att vidareutveckling av traditionella pumpkraftverk blockeras av arealbegränsningar och miljöprotester, medan det rumsliga potentialen på havsbottnen växer, och konflikter med lokalbefolkningen i praktiken minskar.

Betong som nytt hem för havets liv

Betong förknippas normalt med en grå, livlös massa. Den amerikanska projektpartnern, företaget Sperra, försöker ändra den bilden med hjälp av storskalig 3D-utskrift. I stället för att gjuta glatta, monolitiska ytor printar ingenjörerna konstruktionerna lager för lager och efterlämnar kontrollerat grov textur och porer.

3D-utskrift – kulbatteriet som konstgjort rev

Ytstrukturen är avgörande. Den grova ytan med talrika fördjupningar ger snabbare fäste för:

• mikroorganismer som bildar grunden för näringskedjan,
• alger och andra havsväxter,
• koraller och små ryggradslösa djur,
• fiskar på jakt efter skydd och föda.

I stället för ett främmande föremål kastat in i ekosystemet ska varje sfär fungera som ett omsorgsfullt designat rev. Sperra understryker i den tekniska dokumentationen att liknande strukturer redan påverkar biodiversiteten positivt – tidigare försök i Bodensjön visade att livet på de nya konstruktionerna spred sig förvånansvärt snabbt.

De pågående mätningarna i Kalifornien ska fastställa om processen förlöper motsvarande i det öppna havet. Forskarna övervakar inte bara energieffektiviteten, utan också hur snabbt och i vilken form livet samlas kring det betongmässiga ”batteri-revet”.

Hur stora kan ett sådant undervattenskraftverk bli

Den nuvarande prototypen på nio meters diameter är bara början. Teamet från Fraunhofer IEE planerar redan konstruktioner i mycket större skala – upp till 30 meters diameter. Med storleken växer den inre volymen och därmed den energimängd som kan ”låsas in” i tryckskillnaden.

I praktiken öppnar det möjlighet för hela undervattenslagringsfarmer. Tio, tjugo eller ännu fler sfärer placerade i grupper skulle kunna samarbeta med en havsvindkraftspark eller en stor solcellsanläggning på land. När produktionen överstiger behovet, ”laddas” sfärerna – och när en vindstilla natt infaller, levererar de energi efter nätoperatörens anvisning.

Var ger denna lösning mest mening

Denna typ av lager passar särskilt väl in i system som redan investerar kraftigt i förnybar energi. Konkreta användningsmöjligheter inkluderar:

• stabilisering av kustnära vindkraftsparker,
• stöd till elnätet i områden där nya högspänningsledningar är svåra att anlägga,
• lagring av solcellsenergi i kustregioner,
• effektreserv för stora tätorter belägna nära kusten.

Tack vare sfärernas långa livslängd kan även relativt höga anläggningskostnader fördelas över flera årtionden. Det är en annorlunda ekonomisk modell än klassiska batterier, som typiskt kräver utbyte av hela moduler efter tio till femton år.

Vad kan gå fel – och vad betyder det för Sverige

Varje teknologi av denna typ väcker frågor. För undervattensbetongsfärer handlar det främst om säkerhet och inverkan på havsekosystemen. Ingenjörerna måste förutse konsekvenserna av fel som ventilbrott eller otätheter. Därtill kommer utmaningen med underhåll på stora djup, där varje operation kräver specialutrustning och utbildade team.

Man måste också ta hänsyn till samspelet med fiske och sjöfart. Stora fält av kullager får inte kollidera med sjövägar eller områden som intensivt används av fiskeflottor. Ovanpå allt detta kommer internationella regler om utnyttjande av havsbottnen.

För Sverige uppstår frågan om Östersjön överhuvudtaget lämpar sig för denna teknologi. Vårt hav är grunt jämfört med oceanerna, så det är praktiskt taget omöjligt att nå det optimala intervallet på 600–800 meters djup. Det utesluter dock inte svenskt deltagande – svenska företag kan mycket väl ingå i leveranskedjan för betong, pumpar, styrsystem eller dataanalys, medan själva anläggningarna exempelvis uppförs utanför Norges eller Portugals kuster.

Energilagring på havsbottnen illustrerar en bredare tendens: i den gröna omställningen handlar det inte längre bara om att bygga fler solpaneler och vindkraftverk. Flexibiliteten i hela systemet spelar en allt större roll – förmågan att lagra överskott till senare användning. Betongsfärer som utnyttjar vattnets naturliga tryck är en av de mer påtagliga och intuitiva lösningar som kan hjälpa till att lösa det pusslet.

För den vanliga konsumenten kommer dessa strukturer att förbli osynliga, några hundra meter under havsytan. Effekten kan däremot märkas tydligt: mer stabila elräkningar, färre avbrott och bättre utnyttjande av vind- och solenergi. Om testet i Kalifornien lyckas, är diskussionen om havsbottnens roll i energisektorn långtifrån avslutad – den har bara precis börjat.