Перашкоды для ўкаранення акумулятарнага сховішча Злучаных Штатаў: цана і прадукты

У той час як у цяперашні час у ЗША ёсць мноства тэхналогій, якія могуць дэкарбанізаваць сетку, сацыяльныя, фінансавыя, а таксама палітычныя бар'еры могуць пазбегнуць разгортвання гэтых сучасных тэхналогій у тэрміны, неабходныя для падаўлення змяненняў навакольнага асяроддзя. У гэтым ракурсе вылучаюцца 2 найбуйнейшыя бар'еры для разгортвання прасторы для захоўвання батарэй: цана і прадукты. У прыватнасці, выдаткі на акумулятарныя прасторы для захоўвання сучасных тэхналогій звычайна працягваюць заставацца занадта высокімі. Даследчая група ў Масачусецкім інстытуце сучасных тэхналогій вывучыла набор палітычных і фінансавых стратэгій, распрацаваных і прадстаўленых урадам Злучаных Штатаў, каб рэкламаваць больш хуткае вызваленне прасторы для захоўвання энергіі і мінімізаваць цэны. У справаздачы адзначаецца, што рост коштаў з'яўляецца істотным фактарам адносна высокай кошту акумулятарных матэрыялаў. А меншы памер і абцякальны ланцужок паставак падкрэслівае актуальнасць акумулятарных прадуктаў, павялічваючы стаўкі і выклікаючы хуткае пашырэнне. Ёсць фактары для гэтага ў дадатак да тэхналагічных і эканамічных паслуг, некаторыя з якіх аналізуюцца MIT. Часта паміж канкурэнтнай перавагай фірмы (г.зн. эксклюзіўнай кампаноўкай, а таксама вытворчасцю) і звышэканамічнай вытворчасцю (г.зн. цэнтралізацыяй, стандартызацыяй і г.д.) існуе нейкае кантраснае партнёрства, якое трэба пераадолець праз палітычныя і эканамічныя ўзнагароды. У канчатковым рахунку, больш высокая тэрміновасць патрабуецца ў грамадскіх, а таксама ў эксклюзіўных сферах інвестыцый для вырашэння мадыфікацыі навакольнага асяроддзя з хуткім ростам, а таксама ўкаранення найбольш эфектыўных рашэнняў.

Адным з найбольш важных рашэнняў для прадухілення дадатковай змены клімату з'яўляецца дэкарбанізацыя сектара электраэнергетыкі. Паводле звестак, апублікаваных Упраўленнем дэталяў энергетыкі (EIA), у 2020 годзе агульны аб'ём выкідаў вугляроду на рынку электраэнергіі склаў каля 32% ад агульнага аб'ёму выкідаў вугляроду ў ЗША. Выкарыстоўваючы аднаўляльныя крыніцы энергіі, такія як вецер і сонечная энергія, энергію можна вырабляць без выкіду вуглякіслага газу, галоўнага забруджвальніка, які выклікае глабальнае пацяпленне. Тым не менш аднаўляльная энергія сутыкаецца з перыядычнымі праблемамі вытворчасці, таму што яе пастаўкі залежаць ад нявызначаных кліматычных умоў, а таксама ад мінулага кантролю чалавека, што з'яўляецца істотнай розніцай у параўнанні з выкапнёвым палівам, якія могуць забяспечыць больш энергіі ў любы час. Існуюць розныя рашэнні для барацьбы з перабоямі і забеспячэння таго, каб попыт заўсёды быў задаволены: напрыклад, аб'екты па вытворчасці аднаўляльнай энергіі могуць быць перабудаваны, каб, калі сонца або ветру недастаткова, створаная электрычная энергія магла задаволіць попыт на прапанову. Аднак такі падыход каштуе дорага, а таксама цягне за сабой скарачэнне. Яшчэ адна паслуга заключаецца ў выкарыстанні мінімальнай колькасці кіраванай энергіі (напрыклад, экалагічна чыстага вадароду, а таксама ядзернай энергіі і г.д.), у ідэале звычайнай чыстай энергіі, якая не стварае CO2 (напрыклад, зялёнага вадароду, аміяку, біяграфічнага паліва і г.д.). Тым не менш, гэтыя новаўвядзенні ўсё яшчэ змагаюцца за дасягненне жыццяздольных паказчыкаў кошту і эфектыўнасці, калі яны ствараюцца з выкарыстаннем працэдур, нейтральных да вугляроду. Нягледзячы на ​​тое, што неабходныя некалькі метадаў, касмічныя сістэмы захоўвання энергіі з'яўляюцца надзвычай перспектыўным сродкам, а таксама прапануюць шырокі спектр варыянтаў дызайну.

Сродак выкарыстання прасторы для захоўвання энергіі заключаецца ў пераўтварэнні электрычнай энергіі, атрыманай аднаўляльнымі рэсурсамі, у іншыя віды энергіі, такія як цеплавая энергія, электрахімічная энергія, магутнасць і г.д., пры дастатковай магутнасці, якая можа захоўвацца, а таксама выдзяляцца для задавальнення попыту на працягу працягласці пастаўкі. На працягу больш чым 100 гадоў помпавыя гідраўстаноўкі з'яўляюцца эфектыўным і таксама добра задакументаваным відам прасторы для захоўвання энергіі; па дадзеных Дэпартамента энергетыкі аб'яднанага штата (DOE), гідраўлічная помпа ў цяперашні час складае ўсе камунальныя сістэмы захоўвання энергіі ў аб'яднаным штаце 95% магчымасці прасторы захоўвання энергіі. Тым не менш, для дэкарбанізацыі сеткі патрабуецца большая ёмістасць для захоўвання электраэнергіі: паводле справаздачы аб даследаванні Упраўлення энергетычнай інфармацыі ЗША (EIA), у цяперашні час у ЗША разгорнута менш за 2 ГВт сістэм захоўвання энергіі ў камунальным маштабе, а таксама сотні гігават прасторы для захоўвання энергіі могуць спатрэбіцца ў 2050 годзе для аказання дапамогі ў глыбокай дэкарбанізацыі. Перапампаваную ГЭС цяжка маштабаваць з-за таго, што яна звычайна прыносіць прыбытак толькі для буйных, капіталаёмістых праектаў па захоўванні энергіі, а таксама месцы ўкаранення абмежаваныя як геаграфічнымі, так і дазвольнымі абмежаваннямі. Акрамя таго, сетка ўяўляе сабой набор сэрвісаў, кожны з якіх абапіраецца на розныя характарыстыкі магутнасці, а таксама патрабаванні да магутнасці, час рэакцыі і г.д., што патрабуе мноства сэрвісаў прасторы для захоўвання энергіі. Самая распаўсюджаная статыстыка, якая выкарыстоўваецца, каб дапамагчы высветліць, ці з'яўляецца сучасная тэхналогія назапашвання энергіі практычна і эканамічна ідэальнай для прымянення, гэта 'перыяд', які таксама ўяўляе момант, неабходны для поўнай зарадкі або паўторнага ўключэння акумулятара. Такім чынам, можна вывучыць варыянты запуску з рознымі працягласцямі. З-за вялікай дызайнерскай прасторы, якую яны забяспечваюць для дасягнення серыі перыядаў, а таксама розных іншых пераваг, пра якія гаварылася ў гэтым апісанні, акумулятары выкарыстоўваюць шэраг прывабных тэхналогій захоўвання энергіі для назапашвання энергіі.

Акумулятар - гэта электрахімічны назапашвальнік, які выкарыстоўвае розніцу энергіі паміж «акісляльна-аднаўленчымі» рэакцыямі для пераўтварэння электрычнай энергіі, у выніку эканоміі электраэнергіі як хімічнай энергіі або эканоміі электрычнай энергіі ад хімічнай. Батарэі маюць шмат патэнцыйных пераваг перад рознымі іншымі тыпамі тэхналогій захоўвання энергіі. Напрыклад, электрахімічныя рэакцыі звычайна нашмат больш надзейныя, чым тэрмахімічныя рэакцыі ў дэкарбанізаванай сетцы (а таксама, як правіла, пад напругай) з-за прамога вызвалення электрычнай энергіі (як правіла, пры агульным узроўні тэмпературы і ціску).

Акрамя таго, можна выбраць розныя планы захоўвання энергіі акісляльна-аднаўленчай рэакцыі, якія забяспечваюць шырокі прастор для сучасных тэхналогій захоўвання энергіі на аснове прыкладанняў. У якасці прыкладу разгледзім разнастайнасць бізнес-акумулятараў, якія выкарыстоўваюцца ў карыстальніцкай электроніцы, якія складаюць толькі невялікую частку сеткавых сістэм захоўвання энергіі акумулятараў, даступных для выкарыстання ў розных канструкцыях: літый-іённыя, свінцова-кіслотныя, нікель-кадміевыя, цынкава-вугляродныя акумулятары і г. д. Больш за тое, акумулятары могуць быць разгорнуты практычна ў любым месцы, у адрозненне ад цеплавых або гравітацыйных назапашвальнікаў, якія звычайна патрабуюць геаграфічна падрабязных месцаў захоўвання. Гэтыя перавагі дазваляюць выкарыстоўваць акумулятары не толькі для працы ў сетцы пасля дэкарбанізацыі, але і для таго, каб прапанаваць дадатковыя паслугі; напрыклад, батарэі спрыяюць павелічэнню энерганезалежнасці, а таксама надзейнасці. Прыміце да ўвагі абвал энергасістэмы Пуэрта-Рыка падчас шторму 'Марыя' ў 2017 годзе. Дысперсныя канструкцыі мікрасетак, уключаючы аб'екты па вытворчасці аднаўляльных рэсурсаў і сістэмы захоўвання энергіі, могуць прадухіліць трагічныя адключэнні электрычнасці. Гэта тлумачыцца тым, што дысперсная генерацыя памяншае будаўніцтва і мадэрнізацыю каркаса перадачы (напрыклад, ліній электраперадач і слупоў камунальных камунікацый), якія рассейваюць энергію, але падвяргаюцца рызыцы сур'ёзных умоў надвор'я.

Акрамя таго, дысперсная вытворчасць электраэнергіі пазбаўляе ад магчымасці выхаду з ладу адзіночнай кропкі. Безумоўна, неабходна ўлічваць і палітычныя праблемы суседства, і праблемы фінансавай свабоды. Многія краіны не валодаюць вялікімі эканамічна практычнымі неаднаўляльнымі крыніцамі паліва, таму пераход на рынак аднаўляльнай энергіі можа павялічыць унутраную вытворчасць электраэнергіі, паменшыць патрэбу ў імпарце электраэнергіі, а таксама, такім чынам, павялічыць геапалітычную свабоду. Злучаныя Штаты асабліва прызнаюць фінансавыя праблемы, якія можа стварыць залежнасць ад улады, бо ў 1970-х і 1980-х гадах яны адчувалі дэфіцыт нафты, выкліканы геапалітыкай.

Сёння існуе шмат відаў тэхналогій акумулятараў, кожная з якіх мае розны мадэльны дызайн, многія з якіх могуць адпавядаць серыі хімікатаў, а таксама выкарыстоўваць выбар альтэрнатыў. Літый-іённыя акумулятары (LIB) лічацца асноўнай тэхналогіяй акумулятараў; у 1990-я гады, а таксама пазней, літый-іённыя батарэі ў асноўным выкарыстоўваліся ў электронных і мабільных прыладах, у той час як у апошнія гады літый-іённыя батарэі ў асноўным выкарыстоўваюцца ў стацыянарных сістэмах захоўвання энергіі, а таксама ў электрычных аўтамабілях (EV) на гэтых двух буйных рынках. Большасць новаўвядзенняў у галіне акумулятараў, якія разглядаюцца для выкарыстання ў энергетычным сектары, яшчэ адносна заўчасныя і могуць запатрабаваць комплекснага даследавання метадам спроб і памылак, але дасягнутыя на сённяшні дзень заданні ўяўляюць сабой невялікае разгортванне або мінімальныя камерцыйныя працэдуры, часта з-за таго, што яны па-ранейшаму неэфектыўныя або падыходзяць толькі для прымянення Grid. Асобы такіх новаўвядзенняў - акісляльна-аднаўленчыя цыркуляцыйныя батарэі (RFB), а таксама метала-паветраныя батарэі (MAB).

Па дадзеных Міжнароднага энергетычнага агенцтва, да 2030 г. большая частка скарачэння выкідаў CO2, безумоўна, будзе адбывацца дзякуючы сучасным тэхналогіям, якія зараз выпушчаны або ёсць на рынку, а таксама да 2050 г. каля пяцідзесяці працэнтаў зніжэння выкідаў вугляроду будзе залежаць ад інавацый, якія зараз знаходзяцца на стадыі дэманстрацыі або прататыпа энергетычных інавацый. Такім чынам, федэральныя ўрады, а таксама культуры знаходзяцца практычна на правільным шляху да змены навакольнага асяроддзя. Тым не менш існуе мноства іншых патэнцыйных сацыяльных, фінансавых і палітычных перашкод, якія неабходна пераадолець, каб гарантаваць, што сучасныя тэхналогіі ідэальнай энергетыкі разгортваюцца досыць хутка, каб гэтыя зніжэння былі дастаткова вялікімі, каб пазбегнуць больш маштабнай шкоды (Малюнак 1). Хоць гэтыя фактары, якія трэба ўлічваць, не залежаць ад тэхнічных аспектаў, яны могуць запатрабаваць розных падыходаў і рашэнняў. У гэтай працы разглядаюцца дзве важныя праблемы пры больш шырокім укараненні акумулятараў: цана на акумулятары і абмежаванні на прадукцыю. У цяперашні час існуе серыя акумулятарных тэхналогій з адпаведнымі атрыбутамі эфектыўнасці, але высокія першапачатковыя выдаткі могуць затрымаць або спыніць больш шырокае развіццё, асабліва пры цяперашніх нізкіх маштабах вытворчасці. Нарэшце, нават калі пэўная тэхналогія акумулятара задавальняе асноўныя паказчыкі цаны, а таксама прадукцыйнасці, даступнасць і ланцужок паставак яе жыццёва важных кампанентаў могуць перашкодзіць хуткай і глыбокай інтэграцыі. Такім чынам, гэтыя праблемы павінны быць вырашаны як мага хутчэй, каб дасягнуць ключавых мэт дэкарбанізацыі. Гэтая праца выяўляе фінансавыя і палітычныя метады пераадолення або абыходу гэтых бар'ераў.
Асноўны бар'ер 1: Кошт батарэі

Кошт з'яўляецца асноўным фактарам, які трэба ўлічваць, каб вызначыць, ці можна выкарыстоўваць акумулятары ў сеткавых назапашвальніках энергіі. У адрозненне ад іншых рынкаў акумулятараў, такіх як медыцынскія прыборы, спажывецкія электронныя прылады, электрычныя грузавікі і г.д., сеткавым прылажэнням патрэбны значна больш нізкія выдаткі на паслугі чыстай энергіі, каб канкурыраваць з даступнымі аб'ектамі вытворчасці выкапнёвага паліва. Паколькі выпуск электрасеткі патрабуе вялікіх інвестыцый, часта патрабуе доступу да фінансавання (напрыклад, фінансавання), кошт рэсурсаў на самай справе традыцыйна з'яўляецца істотнай перашкодай для прыняцця аднаўляльных рэсурсаў і, такім чынам, галоўным паказчыкам яго тэхніка-эканамічнай мэтазгоднасці. Кошт акумулятараў звычайна залежыць ад кошту матэрыялу, а таксама дыяпазону вытворчасці. Дэпартамент энергетыкі Злучаных Штатаў звычайна ставіць ад 100 да 150 долараў за кВт/гадз у якасці абмежавання выдаткаў на фінансаванне практычнай у фінансавым плане сістэмы захоўвання электраэнергіі ў сетцы.

Літый-іённыя акумулятары ў цяперашні час з'яўляюцца адной з найбольш распаўсюджаных тэхналогій акумулявання энергіі ў сетках. Літый-іённыя акумулятары мелі магчымасць паскорыць сваё развіццё ў 1990-х гадах, таму што яны ўпершыню былі выкарыстаны мноствам на рынках высокай кошту, якія складаюцца з электронных прылад кліентаў і электрычных грузавікоў. На гэтых рынках пастаўшчыкі акумулятараў могуць прадаваць значна менш пашыраныя і даражэйшыя акумулятарныя прадукты, паколькі яны з'яўляюцца адзіным выбарам. Гэта дазваляе ствараць літый-іённыя акумулятары ў маштабе і па цане, адначасова павялічваючы прадукцыйнасць. Такім чынам, калі гэтая тэхналогія бярэцца пад увагу для касмічных сістэм захоўвання энергіі, літый-іённыя акумулятары сапраўды паказалі высокую эфектыўнасць, прадукцыйнасць зарада і разраду гэтай батарэі цяпер вельмі высокая, звычайна дасягае 95%, а ланцужок паставак створаны так, каб гарантаваць нізкую цану. У прыватнасці, з развіццём электрамабіляў цана на літый-іённыя батарэі за апошнія гады рэзка ўпала; Літый-іённыя акумулятары, якія складаюцца з акумулятарных элементаў і сістэмы кіравання, а таксама бяспекі, апусціліся ў межах магчымага дыяпазону, вызначанага Міністэрствам энергетыкі ЗША (каля 140 долараў ЗША/кВт-гадз), чакаецца, што ў будучыні ён апусціцца ніжэй за 100 долараў ЗША/кВт-гадз. Міжнародны аб'ём вытворчасці літый-іённых акумулятараў прыблізна перавышае 700 ГВт-гадз штогод, а сёння гэта сектар, які складае амаль 50 мільярдаў долараў. Нягледзячы на ​​​​тое, што гэта выдатная распрацоўка, усё яшчэ неабходны шэраг сродкаў, каб дазволіць усім сеткавым сэрвісам і выканаць глыбокую дэкарбанізацыю. Больш за тое, праблемы з ланцужкамі паставак, разгледжаныя ў наступным раздзеле, могуць перашкодзіць дыяпазону разгортвання сістэм захоўвання энергіі з літый-іённых батарэй. Некалькі іншых сучасных тэхналогій акумулятараў прапануюць нават больш эканамічныя паслугі, асабліва на працягу больш працяглых перыядаў (больш за 4 гадзіны), але яны не выйграюць ад тых жа рынкавых праблем, што і літый-іённыя, і ім цяжка змагацца.

Шматлікія альтэрнатыўныя канструкцыі акумулятараў, а таксама прадукты маюць фундаментальныя цэнавыя перавагі ў параўнанні з літый-іённымі акумулятарамі. Напрыклад, у цыркуляцыйных батарэях выкарыстоўваецца канструкцыя сістэмы, якая адназначна падзяляе магутнасць і магутнасць, паказваючы, што гэтыя дзве батарэі могуць маштабавацца незалежна адна ад адной. Гэта дазваляе даступнае павелічэнне ёмістасці для захоўвання энергіі, што робіць такія батарэі значна больш канкурэнтаздольнымі з большага тэрміну службы. З іншага боку, закрытая сістэма, такая як літый-іённы акумулятар, спалучае магутнасць і магутнасць, што робіць кошт яе блока захоўвання энергіі дастаткова фіксаваным крытэрыем. У той час як было адзначана, што доўгатэрміновыя выдаткі з'яўляюцца менш важным фактарам у параўнанні з першапачатковымі выдаткамі, адкрыты стыль праточнай батарэі (RFB) або металічна-паветранай батарэі (MAB) дадаткова спрыяе доўгатэрміновай эканоміі фінансавых выдаткаў, дазваляючы мэтанакіраванае абслугоўванне кампанентаў. Яго можна адразу папоўніць або замяніць з дапамогай электраліта (самага хуткага кампанента акумулятара), у той час як тыповыя закрытыя сістэмы, такія як літый-іённыя акумулятары, патрабуюць паляпшэння або замены ўсяго акумулятарнага блока, які стварае пэўную колькасць адходаў. У канчатковым рахунку, ёсць дадатковыя акумулятары, якія выкарыстоўваюць больш танныя прадукты з больш высокім утрыманнем, чым літый-іённыя акумулятары, што зніжае будучыя выдаткі.

Нягледзячы на ​​гэтыя неад'емныя перавагі, узнікаючыя рашэнні для захоўвання энергіі цяжка завяршыць па розных прычынах. Першапачаткова, у той час як аптымальны стыль глыбока дэкарбанізаванай сеткі аб'ядноўвае шэраг сэрвісаў захоўвання батарэі, гэты сцэнар значна адрозніваецца ад існуючага факту. Паколькі гэтыя новенькія інавацыі акумулятараў сапраўды проста эканамічна эфектыўныя для сеткавых прыкладанняў, а таксама не могуць патрапіць на больш дарагія рынкі, незразумела, як менавіта знізіць цэны, а таксама павысіць эфектыўнасць, каб яны маглі канкурыраваць з літый-іённымі акумулятарамі, калі яны. Калі нарэшце ўзнікае неабходнасць, паслугі доўгатэрміновага захоўвання энергіі або замена аб'ектаў па выпрацоўцы выкапнёвага паліва могуць быць задаволены па меншай цане.

Пагаршэнне гэтай праблемы курыцы і яйка - яшчэ адна падобная загадка: гэтыя новаўвядзенні, натуральна, больш рызыкоўныя. Гэта робіць іх менш прывабнымі для кіраўнікоў праектаў, спонсараў або іншых вытворцаў рашэнняў, што робіць гэтыя сучасныя тэхналогіі нашмат радзей прынятымі і дэманстраванымі, а таксама ў выніку пастаянна лічаць іх рызыкоўнымі. У выніку гэтых перашкод шматлікія задачы, якія прапануюць выкарыстоўваць гэтыя новыя сучасныя тэхналогіі акумулятараў, змагаюцца за захаванне фінансавання з дапамогай фінансавых укладанняў кампаніі, фінансаў працоўных месцаў і дадатковых сродкаў. Гэтыя праблемы не могуць быць вырашаны прыватным сектарам у адзіночку, і лячэнне федэральнага ўрада можа паменшыць тэхналагічную небяспеку, а таксама знізіць цану ўзнікаючых сродкаў абароны прасторы для захоўвання энергіі, якія толькі кідаюцца ў вочы сетцы, але могуць спрыяць глыбокай дэкарбанізацыі. Як правіла, буйнамаштабныя дэманстрацыі абавязкова трэба будзе праверыць, а таксама падтрымліваць прамымі закупкамі. Адзін са спосабаў дасягнуць гэтага - праз фінансаванне бізнес-прэзентацый федэральным урадам, як гэта было зроблена раней з Законам аб аднаўленні Амерыкі, а таксама Законам аб рэінвестыцыях. У цяперашні час Аддзел энергетыкі ЗША забяспечвае значнае фінансаванне дэманстрацыйных касмічных праектаў захоўвання энергіі. Тым не менш, такое фінансаванне насамрэч гістарычна прадастаўлялася нацыянальным даследчым лабараторыям Злучаных Штатаў, а не з публічнага запыту, што пацягнула б за сабой прыватны сектар і патэнцыйна паскарала развіццё. Акрамя таго, урад ЗША можа распрацаваць спецыялізаваную праграму для прэзентацый сеткавага назапашвання электраэнергіі, якая паказала перспектыўнасць у многіх з яго праектаў развіцця на ранніх стадыях. Нядаўна гэтая патрэба была часткова задаволена Праграмай важных дасягненняў у энергетычных тэхналогіях з нявыкарыстанымі магчымасцямі Агенцтва па энергетыцы (ARPA-E) Аддзела энергетыкі ЗША. Сапраўды гэтак жа дэманстрацыя Упраўлення чыстай энергіі ЗША з'яўляецца яшчэ адным крокам у найлепшым кірунку: кампанія была створана ў 2021 годзе з мэтай дэманстрацыі буйных (нават мільярдных) праектаў захоўвання энергіі, а таксама працы з прыватным сектарам, каб паскорыць прыняцце і таксама разгортванне сучасных тэхналогій чыстай энергіі.

Сёння існуюць тэхналогіі, якія могуць спрыяць дэкарбанізацыі энергетычнага поля. Тым не менш, ёсць занепакоенасць здольнасцю ствараць, а таксама разгортваць гэтыя сучасныя тэхналогіі хутка і з эканамічнай эфектыўнасцю, задача, якая ў цяперашні час не на месцы. Пры адпаведных стымулах дзяржаўнае лячэнне можа дапамагчы дасягнуць жаданых вынікаў і паскорыць іх. Больш за тое, мноства падыходаў і працэдур можа дапамагчы пераадолець некаторыя з гэтых перашкод, калі выкарыстоўваць іх разумна і таксама хутка. Нягледзячы на ​​падыход, неабходны час, а таксама даступнасць для грамадскасці, а таксама эксклюзіўныя інвестыцыі маюць вырашальнае значэнне