Barrierer for implementering af batteriopbevaring i USA: Pris og produkter

Mens USA i øjeblikket har en række forskellige teknologier, der kan dekarbonisere nettet, kan sociale, økonomiske og også politiske barrierer undgå, at disse moderne teknologier bliver implementeret inden for den tidsramme, der kræves for at undertrykke miljøændringer. Dette perspektiv fremhæver 2 af de største barrierer for at implementere batterilagerplads: pris og også produkter. Udgifterne i almindeligt batterilagerplads moderne teknologi, specifikt, fortsætter typisk med at være alt for høje. En studiegruppe ved Massachusetts Institute of Modern Technology udforskede en samling af politiske og også finansielle strategier udviklet og leveret af den amerikanske regering for at reklamere for hurtigere frigivelse af energilagerplads og også minimere priserne. En væsentlig overvejelse af de stigende priser er den relative høje værdi af batterimaterialer, holdt rapporten i tankerne. Og en mindre størrelse og strømlinet forsyningskæde fremhæver vigtigheden af ​​batteriprodukter, stigende rater og udfordrende hurtig opskalering. Der er faktorer til dette ud over teknologiske og økonomiske tjenester, hvoraf nogle er analyseret af MIT. Ofte er der et modsat partnerskab mellem en virksomheds konkurrencefordel (dvs. eksklusivt layout og også fremstilling) og ekstra økonomisk produktion (dvs. centralisering, standardisering osv.), som bør overvindes gennem politiske og økonomiske belønninger. I sidste ende kræves der større påtrængning i offentlige såvel som eksklusive investeringsområder for at håndtere miljøændringer med den hurtige vækst og også implementering af de mest effektive løsninger.

Blandt de mest afgørende løsninger til at forhindre yderligere klimaændringer er dekarboniseringen af ​​den elektriske energisektor. Ifølge data lanceret af United States Energy Details Administration (EIA) repræsenterede de samlede kulstofemissioner genereret af elmarkedet i 2020 omkring 32 % af de samlede kulstofudstødninger i USA. Ved at bruge vedvarende energikilder som vind- og solenergi kan der produceres energi uden at frigive kuldioxid, det største forurenende stof, der udløser global opvarmning. Ikke desto mindre støder vedvarende energi på tilbagevendende produktionsproblemer, fordi dens forsyning afhænger af klimaforhold, der er usikre, såvel som tidligere menneskelig kontrol, hvilket er en væsentlig forskel i forhold til fossile brændstoffer, der kan levere mere strøm til enhver tid. Der er forskellige løsninger til at håndtere intermittens og sikre, at efterspørgslen altid er tilfredsstillet: For eksempel kan anlæg til produktion af vedvarende energi overbygges, så når solen eller vinden er utilstrækkelig, kan den skabte elektriske energi stadig opfylde udbudsefterspørgslen. Denne tilgang er dog både dyr og indebærer indskrænkninger. En anden service er at udnytte en minimal mængde håndterbar energiforsyning (såsom miljøvenlig brint såvel som atomkraft osv.), ideelt typisk ryddelig strøm, der ikke skaber co2 (såsom grøn brint, ammoniak, biografibrændstof osv.). Ikke desto mindre kæmper disse nye innovationer stadig for at opnå levedygtige omkostnings- og effektivitetsmålinger, når de genereres ved hjælp af CO2-neutrale procedurer. Mens der er behov for flere metoder, er energilagringspladssystemer et ekstremt lovende middel og tilbyder et stort udvalg af designvalg.

Faciliteten ved at tage strømlagerplads er at konvertere den elektriske energi fra vedvarende ressourcer til andre typer strøm, såsom termisk energi, elektrokemisk energi, strøm og så videre, når strømforsyningen er tilstrækkelig, som både kan lagres og frigives for at imødekomme efterspørgslen i løbet af forsyningsvarigheden. Pumpede vandkraftværker har faktisk været en effektiv og også veldokumenteret form for energilagringsplads i mere end 100 år; ifølge det forenede stats energiministerium (DOE) udgør pumpet vandkraft i øjeblikket alle energilagringssystemer i forsyningsskala i USA 95 % af kapaciteten til energilagerplads. Ikke desto mindre kræves der mere kapacitet til lagerplads for at dekarbonisere nettet til et højere niveau: ifølge den amerikanske Power Information Administration (EIA) undersøgelsesrapport har USA i øjeblikket mindre end 2 GW energilagerpladssystemer på nytteskala installeret, såvel som hundredvis af gigawatt strømlagerplads kan være nødvendige i 2050 for at hjælpe med dyb decarbonisering. Pumped hydro er svært at skalere på grund af det faktum, at det normalt kun er lukrativt for store, kapitalintensive energilagerpladsprojekter, ligesom implementeringssteder er begrænset af geografiske såvel som tillader begrænsninger. Derudover er nettet en samling af tjenester, som hver især er afhængige af forskellige karakteristiske effekt og også effektbehov, reaktionstider og så videre, hvilket kræver en række forskellige energilagringspladstjenester. De mest almindelige statistikker, der bruges til at hjælpe med at finde ud af, om en moderne teknologi til strømlagring er praktisk og også økonomisk ideel til en applikation, er 'perioden', som også repræsenterer det øjeblik, det kræver at lade batteriet helt op eller genoplades. Derfor kan valg til at køre med adskillige varigheder undersøges. På grund af den store designplads, de leverer for at opnå en række perioder, og også de forskellige andre fordele, der er gået over i denne artikel, bruger batterier en række tiltalende energilagringspladsteknologier til energilagringsjob.

Et batteri er en elektrokemisk lagringsenhed, der udnytter energiforskellen mellem 'redox'-reaktioner til at omdanne elektrisk energi, som følgelig sparer elektrisk strøm som kemisk strøm eller sparer elektrisk strøm fra kemisk strøm. Batterier har mange potentielle fordele i forhold til forskellige andre typer energilagringsteknologier. For eksempel er elektrokemiske reaktioner sædvanligvis meget mere pålidelige end termokemiske reaktioner i et dekarboniseret net (og også generelt et strømforsyningsnet) på grund af den direkte frigivelse af elektrisk energi (generelt ved almindeligt temperaturniveau og tryk).

Derudover er der forskellige redoxreaktionsenergilagringsplaner at vælge imellem, hvilket giver et bredt layoutrum til applikationsbaseret energilagring moderne teknologier. Som et eksempel kan du overveje de mange forskellige virksomhedsbatterier, der bruges i kundeelektronik, som kun står for en lille del af de netbaserede batterilagerpladssystemer, der er tilgængelige til brug i forskellige designs: lithium-ion, bly-syre, nikkel-cadmium, zink-carbon batteri osv. Desuden kan batterier anvendes praktisk talt hvor som helst, i modsætning til termisk eller tyngdekraftslagring, hvor almindelige detaljer kræver geografisk opbevaring. Disse fordele gør det muligt for batterier at blive brugt ikke kun til netdrift, der er gået forbi dekarbonisering, men også at tilbyde merværdi som sekundære tjenester; for eksempel bidrager batterier til øget strømuafhængighed og også pålidelighed. Tag i betragtning sammenbruddet af Puerto Ricos elnet under Storm Maria i 2017. Dispergerede mikronetdesigns, herunder anlæg til generering af vedvarende ressourcer og energilagringspladssystemer, kan forhindre tragiske store strømafbrydelser. Dette skyldes, at spredt produktion sænker konstruktionen og eftermonteringen af ​​transmissionsrammerne (såsom elledninger og forsyningsstænger), der spreder strøm, men er i fare for alvorlige vejrforhold.

Derudover slipper spredt kraftproduktion af med muligheden for et ensomt fejlpunkt. Det er bestemt også nødvendigt at tage hensyn til naboskabspolitiske såvel som økonomiske frihedsproblemer. Mange lande besidder ikke store økonomisk praktiske ikke-vedvarende brændstofressourcer, så en ændring af markedet for vedvarende energi kan øge den indenlandske elproduktion, mindske behovet for strømimport og dermed øge den geopolitiske frihed. USA anerkender specifikt de økonomiske udfordringer, som magtafhængighed kan give, efter at have oplevet geopolitisk genereret oliemangel i 1970'erne og 1980'erne.

Der er mange slags batteriteknologier i dag, hver med forskellige modeldesigns, hvoraf mange kan passe til en række kemier samt bruge et udvalg af alternativer. Lithium-ion-batterier (LIB) anses for at være den almindelige batteriteknologi; i 1990'erne såvel som senere blev lithium-ion-batterier hovedsageligt brugt i elektroniske og mobile enheder, mens lithium-ion-batterier i de senere år primært anvendes i stationære energilagringssystemer samt elektriske Automotive (EV) disse 2 store markeder. Størstedelen af ​​de batteriinnovationer, der er overvejet til brug i elsektoren, er stadig relativt for tidlige og kan kræve omfattende undersøgelser med trial and error-undersøgelser, men de opgaver, der er opnået til dato, har faktisk været små implementeringer eller minimale kommercielle procedurer, ofte på grund af det faktum, at de stadig er underpræsterende eller kun egnede til Grid-anvendelse. Forekomster af sådanne innovationer består af redox-cirkulationsbatterier (RFB) og også metal-luft-batterier (MAB).

Ifølge Det Internationale Energiagentur vil størstedelen af ​​reduktionen i CO2-udledninger i 2030 helt sikkert komme fra moderne teknologier, der i øjeblikket er frigivet eller på markedet i dag, og også i 2050, vil halvtreds procent af kulstofreduktionen afhænge af innovationer i øjeblikket i demo- eller prototype-energiinnovation. Så føderale regeringer såvel som kulturer er praktisk talt på rette vej til at håndtere miljøændringer. Ikke desto mindre er der adskillige forskellige andre potentielle sociale, økonomiske og politiske forhindringer, der skal overvindes for at sikre, at moderne energiteknologier bliver implementeret hurtigt nok til, at disse fald er store nok til at undgå større skader (figur 1). Selvom disse faktorer ikke er uafhængige af tekniske aspekter, kan de kræve forskellige tilgange og løsninger. Dette arbejde undersøger to afgørende udfordringer i bredere batteriimplementering: batteripris og produktbegrænsninger. Der findes i øjeblikket en række batteriteknologier med passende effektivitetsegenskaber, men høje forhåndsomkostninger kan forsinke eller stoppe en bredere udvikling, specielt ved nuværende lave produktionsskalaer. Til sidst, selvom en bestemt batteriteknologi opfylder de væsentlige pris- og ydeevnemålinger, kan tilgængeligheden og forsyningskæden for dens vitale komponenter hæmme hurtig såvel som dyb integration. Derfor skal disse bekymringer løses så hurtigt som muligt for at nå de vigtigste dekarboniseringsmål. Dette arbejde opdager økonomiske og politiske teknikker til at overvinde eller omgå disse barrierer.
Nøglebarriere 1: Batteriomkostninger

Omkostninger er en kernefaktor, der skal overvejes for, om batterier kan bruges i netenergilagringsapplikationer. I modsætning til andre batterimarkeder såsom kliniske apparater, forbrugerelektronik, elektriske lastbiler osv., har netapplikationer brug for meget lavere omkostninger til ren energi for at konkurrere med overkommelige faciliteter til produktion af fossilt brændstof. Fordi frigivelse af net kræver store investeringer, som ofte kræver adgang til finansiering (f.eks. finansiering), har ressourceomkostninger faktisk traditionelt været en væsentlig barriere for vedtagelse af vedvarende ressourcer og derfor også en central indikation af dets teknologiske økonomiske gennemførlighed. For batterier afhænger omkostningerne generelt af materialepris samt fremstillingsområde. United State Department of Power sætter normalt mellem $100/kWh såvel som $150/kWh som loftet på finansieringsudgifterne til et økonomisk praktisk netstrømlagringssystem.

Lithium-ion-batterier er i øjeblikket en af ​​de mest udbredte batterienergilagringsteknologier i netapplikationer. Lithium-ion-batterier har haft evnen til at accelerere deres udvikling i betragtning af at 1990'erne, fordi de først blev brugt i mængder på højværdimarkeder bestående af kundeelektronik og elektriske lastbiler. På disse markeder kan batterileverandører markedsføre meget mindre forbedrede og dyrere batteriprodukter, da de er det eneste valg. Dette gør det muligt for lithium-ion-batterier at blive skabt i skala og pris, samtidig med at ydeevnen maksimeres yderligere. Så når denne teknologi tages i betragtning til strømlagerpladssystemer, har lithium-ion-batterier faktisk vist stærk effektivitet, opladnings- og afladningsydelsen af ​​dette batteri er nu meget høj, sædvanligvis så høj som 95%, og forsyningskæden er etableret for at sikre, at prisen er lavere. Specifikt med udviklingen af ​​elektriske biler er prisen på lithium-ion-batterier faktisk faldet dramatisk i de seneste år; lithium-ion-batterier, der består af samlede battericeller og administration og også sikkerhedssystemer, er faldet inden for det mulige område defineret af US Department of Power (ca. 140 USD/kWh), det forventes at falde til under USD 100/kWh i fremtiden. International produktionsevne for lithium-ion-batterier anslås til at overstige 700 GWh årligt, ligesom den i dag er en sektor på næsten 50 milliarder dollars. Selvom dette er en fremragende udvikling, er der stadig behov for en række løsninger for at tillade alle nettjenester og opnå dyb dekarbonisering. Ydermere kan de forsyningskædeproblemer, der gennemgås i næste afsnit, hæmme implementeringsområdet for lithium-ion-batteristrømlagringssystemer. Adskillige andre batteri moderne teknologier tilbyder endnu mere økonomiske tjenester, især i længere perioder (over 4 timer), men de får ikke fordel af de samme markedsproblemer som Li-ion, og de har svært ved at kæmpe.

Talrige alternative batteridesigns samt produkter har fundamentale prisfordele sammenlignet med Li-ion-batterier. Cirkulationsbatterier bruger for eksempel et systemdesign, der unikt deler strøm og effekt, hvilket indikerer, at de to kan skaleres uafhængigt af hinanden. Dette tillader en overkommelig vækst af kapacitet til strømlagringsplads, hvilket gør sådanne batterier meget mere omkostningskonkurrencedygtige i længere tid. På den anden side parrer et lukket system som et lithium-ion-batteri strøm og strøm, hvilket gør prisen på dets strømlagerenhed til et rimeligt fast kriterium. Selvom det er blevet påpeget, at langvarige omkostninger er mindre af en faktor at overveje sammenlignet med forhåndsomkostninger, letter den åbne stil af et flowbatteri (RFB) eller metal-luftbatteri (MAB) desuden langsigtede økonomiske besparelser ved at tillade målrettet komponentvedligeholdelse. Man kan lige efterfylde eller udskifte det med elektrolytten (den hurtigste nedsættende batterikomponent), hvorimod typiske lukkede systemer som lithium-ion-batterier har brug for at forbedre eller udskifte hele batteripakken, hvilket udvikler en vis mængde spild. I sidste ende er der yderligere batterier, der gør brug af billigere produkter med højere indhold end lithium-ion-batterier, hvilket reducerer fremtidige udgifter.

På trods af disse iboende fordele har opståede energilagringsløsninger svært ved at fuldføre af forskellige årsager. I første omgang, mens den optimale stil af et dybt dekarboniseret net integrerer en række batterilagringstjenester, er dette scenarie meget fra eksisterende fakta. Fordi disse splinternye batteriinnovationer egentlig bare er omkostningseffektive til applikationer i netskala og heller ikke kan komme ind på markeder med højere værdi, er det uklart, præcist hvordan man kan sænke priserne samt øge effektiviteten, så de kan konkurrere med lithium-ion-batterier, når de når behovet opstår, kan langvarige strømlagringstjenester eller udskiftning af fossile brændstoffer til en lavere pris tilfredsstilles.

At forværre dette kylling-og-æg-problem er endnu en lignende gåde: Disse opståede innovationer er naturligvis mere risikable. Dette gør dem mindre iøjnefaldende for projektledere, sponsorer eller andre beslutningsproducenter, hvilket gør disse moderne teknologier meget mindre almindeligt omfavnede og vist, samt et resultat, der konsekvent tænkes over risikabelt. Som et resultat af disse forhindringer har adskillige opgaver, der foreslår at gøre brug af disse nye batterimoderne teknologier, kæmpet for at sikre finansiering med virksomhedens finansielle investeringer, jobøkonomi og ekstra. Disse problemer løses måske ikke af den private sektor alene, og føderal regeringsbehandling kan mindske den teknologiske fare og også reducere prisen på opståede energilagerpladsmidler, der kun er iøjnefaldende for nettet, men som alligevel kan bidrage til dyb dekarbonisering. Normalt skal demonstrationer i stor skala helt sikkert testes og også opretholdes med direkte indkøb. En måde at opnå dette på er via føderal regeringsfinansiering af virksomhedspræsentationsopgaver, som det tidligere blev gjort med den amerikanske inddrivelse og også geninvesteringsloven. I øjeblikket yder den amerikanske magtdivision betydelig finansiering til projekter med demo-energilagerplads. Ikke desto mindre er denne finansiering faktisk historisk blevet givet til USA's nationale forskningslaboratorier, ikke med en offentlig opfordring, hvilket ville medføre den private sektor og også potentielt fremskynde udviklingen. Derudover kan den amerikanske regering udvikle et specialiseret program til præsentationer af netstrømlagring, hvilket har vist lovende i mange af deres tidlige udviklingsprojekter. Dette behov blev på det seneste delvist opfyldt af den amerikanske division of Powers Advanced Research-undersøgelse Projects Agency for Power (ARPA-E) Program for Important Advancements in Energy Technologies with Untapped Possible. Ligeledes er US Office of Clean Energy Demo endnu et skridt i den bedste retning: Virksomheden blev etableret i 2021 med et mål om at fremvise store (selv milliarder-dollar) energilagringsprojekter, og også at arbejde med den private sektor for at fremskynde indførelse og også implementering af ren energi moderne teknologier.

Der findes teknologier i dag, som kan bidrage til dekarboniseringen af ​​kraftfeltet. Der er dog bekymringer om evnen til at skabe og også implementere disse moderne teknologier hurtigt og omkostningseffektivt, en opgave der ikke er på plads i øjeblikket. Med de passende incitamenter kan offentlig behandling hjælpe med at opnå og fremskynde ønskede resultater. Desuden kan en række forskellige tilgange og procedurer hjælpe med at overvinde et par af disse forhindringer, hvis de bliver brugt klogt og også hurtigt. På trods af tilgangen kræves der tid såvel som tilgængelighed for offentligheden, og også eksklusive investeringer er afgørende