Att lagra energi är nödvändigt, dels för frekvensreglering och dels för att skapa förutsättningar för miljövänliga fordon. Svänghjul kan vara en del av lösningen på problemet.

Ett gyroskop visar principen om rörelsemängdsmomentets bevarande.

Förnyelsebara energikällor ställer krav på reglerkraft

I takt med att utbyggnaden av energikällor med ojämn uteffekt, som exempelvis vindkraft, ökar ställs också allt högre krav på att investera i välfungerande reglerkraft. Det faktum att produktionen från vindkraften är beroende av vindförhållandena gör att det ibland kan uppstå ett energiöverskott, och ibland ett underskott. När produktionen är lägre krävs att effekten från andra energikällor höjs. Exempelvis kan man vid låg produktion från vindkraft öka produktionen från vattenkraft genom att ta från de vattenmagasin som fyllts på under tiden när vindkraftsproduktionen varit högre.

Men vattenkraften, kärnkraften och de andra energikällor som har en jämnare uteffekt har en begränsad förmåga att hantera ytterligare krav från mer ojämn produktion. Såväl vatten- som kärnkraften har av politiska skäl belagts med restriktioner som gör det orealistiskt att kontinuerligt öka dess kapacitet.

Det kan således bli nödvändigt att söka nya lösningar för lagring av energi i tider när produktionen är hög, för att sedan använda denna energi när produktionen är lägre.

Lagring av energi nödvändigt för en miljövänlig fordonsflotta

Effektiva metoder för lagring av energi är nödvändigt inte bara för att underlätta frekvensreglering i elnätet. Allt högre krav ställs också på mobila lagringsenheter för användning i exempelvis elbilar. Förmågan att lagra en stor mängd energi med så liten energiförlust som möjligt är central för att öka elbilens räckvidd och göra den konkurrenskraftig i förhållande till bensin- och dieselbilar.

Svänghjul kan vara lösningen

Att lagra energi med hjälp av svänghjul kan vara en potentiell lösning på de två problem som nämndes ovan. I princip går tekniken ut på att energi används för att accelerera ett hjul till hög rotationshastighet. Desto mer energi som tillförs systemet, desto snabbare rotation. Och när man extraherar energi från systemet minskar rotationshastigheten.

De mest avancerade systemen har rotorblad av kompositmaterial och magnetiska lager som roterar i hastigheter om 20 000 till 50 000 varv per minut. Sådana system kan laddas maximalt på ett fåtal minuter och ha en energieffektivitet – kvoten energi man kan ta ut i förhållande till energi som tillförs systemet – på upp till 90 procent.

Svänghjul i bilar och fusionsreaktorer

Svänghjulstekniken kan användas i varierande skala. Exempelvis har tokamakreaktorn i fusionsanläggningen JET, belägen i England, två stycken svänghjul som väger 775 ton styck och som kan rotera med upp till 225 varv per minut. Minuterna innan ett fullskaligt experiment genomförs i JET accelereras svänghjulen upp till hög hastighet med hjälp av ström från elnätet, och denna stora mängd energi används sedan koncentrerat under kort tid för att genomföra experimentet.

Men svänghjul kan användas också i mindre skala. Exempelvis kan svänghjul fungera som energilager i bilar. Här är det den långa livslängden, den korta laddningstiden och den höga effektiviteten som lockar.

För- och nackdelar

Svänghjul är potentiellt mycket miljövänliga. Dels möjliggör de effektiv energilagring; ett krav för att kunna utnyttja förnyelsebara energikällor. Och dels kan de byggas av ofarliga material och i frånvaro av farliga kemikalier. Energieffektivitet är också centralt i ett energisystem där det ännu finns ett underskott av förnyelsebara energikällor.

En nackdel är de potentiella säkerhetsriskerna som uppstår om man laddar in mer energi än svänghjulets delar klarar av. I ett sådant scenario kan svänghjulet gå sönder och splittras i ett närmast explosionsliknande skeende. Det gör att svänghjulet ofta måste omslutas av säkerhetsväggar, vilket ökar enhetens vikt.

Det är också en fortsatt utmaning att minimera energiförluster till följd av friktion. Klassiska kullager har visat sig förhållandevis ineffektiva, medan magnetiska lager i vakuum visat sig klara utmaningen bättre.

Ytterligare en utmaning består i att undvika en destruktiv gyroeffekt när svänghjul placeras i fordon och liknande. De måste då monteras på rörliga axlar som tillåter såväl svängar som backar utan att svänghjulet påverkar bilens vägegenskaper.

Tekniken kan användas såväl som energilager som att agera frekvensreglerare i stora elnät. Dess stora potential gör att vi troligen kommer höra mer om svänghjul i framtiden.

Artikeln publicerad november 2011