Ameerika Ühendriikide akuhoidla rakendamise takistused: hind ja tooted

Kuigi USA-l on praegu mitmesuguseid tehnoloogiaid, mis võivad võrku dekarboniseerida, võivad sotsiaalsed, rahalised ja ka poliitilised tõkked vältida nende kaasaegsete tehnoloogiate kasutuselevõttu keskkonnamuutuste mahasurumiseks vajaliku aja jooksul. See vaatenurk toob esile kaks suurimat takistust aku salvestusruumi kasutuselevõtul: hind ja ka tooted. Kaasaegse tehnoloogia põhivoolu aku salvestusruumi kulud on tavaliselt jätkuvalt liiga suured. Massachusettsi moodsa tehnoloogia instituudi uurimisrühm uuris Ameerika Ühendriikide valitsuse välja töötatud ja pakutud poliitiliste ja ka finantsstrateegiate kogumit, et reklaamida energiasalvestusruumide kiiremat vabastamist ja samuti minimeerida hindu. Aruandes peeti meeles, et tõusvate hindade oluline aspekt on akumaterjalide suhteliselt kõrge väärtus. Väiksem ja sujuvam tarneahel tõstab esile akutoodete kiireloomulisuse, hinnatõusu ja väljakutse kiire laiendamise. Selleks on lisaks tehnoloogilistele ja majandusteenustele ka tegureid, millest mõnda analüüsib MIT. Sageli eksisteerib vastandlik partnerlus ettevõtte konkurentsieelise (st eksklusiivne paigutus ja ka tootmine) ja eriti ökonoomse tootmise (st tsentraliseerimine, standardimine jne) vahel, millest tuleks üle saada poliitiliste ja majanduslike hüvede abil. Lõppkokkuvõttes on nii avalikkuses kui ka eksklusiivsetes investeerimisvaldkondades vaja suuremat kiireloomulisust, et tegeleda kiire kasvuga keskkonnamuutustega ja ka kõige tõhusamate lahenduste rakendamisega.

Üks olulisemaid lahendusi täiendavate kliimamuutuste ärahoidmiseks on elektrienergia sektori dekarboniseerimine. Ameerika Ühendriikide Energy Details Administrationi (EIA) andmetel moodustas 2020. aastal elektrituru tekitatud süsinikdioksiidi heitkogused umbes 32% USA süsinikdioksiidi heitkogustest. Kasutades taastuvaid energiaallikaid, nagu tuule- ja päikeseenergiat, saab energiat toota ilma süsinikdioksiidi, peamise globaalset soojenemist käivitavat saasteainet, vabastamata. Sellegipoolest on taastuvenergial korduvad tootmisprobleemid, kuna selle tarnimine sõltub kliimatingimustest, mis on ebakindlad, ja ka varasemast inimese kontrollist, mis on oluline erinevus võrreldes fossiilkütuste tootmisrajatistega, mis suudavad igal ajal rohkem energiat tarnida. Katkendlikkusega toimetulemiseks ja nõudluse alatise rahuldamise tagamiseks on erinevaid lahendusi: näiteks taastuvenergia tootmisrajatisi saab üle ehitada, et päikese või tuule puudumisel suudaks tekkiv elektrienergia pakkumise nõudlust siiski rahuldada. See lähenemisviis on aga kulukas ja toob kaasa kärpimise. Teine teenus on kasutada minimaalset kogust hallatavat energiavarustust (näiteks keskkonnasõbralikku vesinikku, tuumaenergiat jne), ideaaljuhul puhast energiat, mis ei tekita CO2 (nt roheline vesinik, ammoniaak, biokütus jne). Sellegipoolest võitlevad need esilekerkivad uuendused endiselt elujõuliste kulu- ja tõhususnäitajate saavutamise nimel, kui need luuakse süsinikuneutraalsete protseduuride abil. Kuigi on vaja mitut meetodit, on energiasalvestusruumisüsteemid väga paljutõotavad abinõud ning pakuvad laia valikut disainivalikuid.

Võimsuse salvestusruumi võtmise võimalus on teisendada taastuvatest ressurssidest saadav elektrienergia piisava toiteallika korral muudeks energialiikideks, näiteks soojusenergiaks, elektrokeemiliseks energiaks, võimsuseks jne, mida saab tarnimise kestel nii salvestada kui ka vabastada nõudluse rahuldamiseks. Pumbaga hüdroenergia tootmisrajatised on tegelikult olnud tõhus ja ka hästi dokumenteeritud energiasalvestusruum juba üle 100 aasta; Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi (DOE) andmetel moodustab pumbaga hüdroenergia praegu kõigist ühendriigi energiasalvestussüsteemidest 95% energiasalvestusruumist. Sellegipoolest on võrgu suuremale tasemele süsinikdioksiidivabaks muutmiseks vaja rohkem energiasalvestusruumi: USA Energiateabe Administratsiooni (EIA) uuringuaruande kohaselt on USA-s praegu kasutusel vähem kui 2 GW kasuliku energiasalvestusruumi süsteeme, samuti võib 2050. aastal vaja minna sadu gigavatte energiasalvestusruumi, et aidata süsihappegaasi süsihappegaasi vabastada. Pumbaga hüdroenergiat on raske skaleerida, kuna see on tavaliselt tulus ainult suurte kapitalimahukate energiasalvestusruumide projektide puhul, samuti on rakenduskohad piiratud nii geograafiliste kui ka lubatavate piirangutega. Lisaks on võrk teenuste kogum, millest igaüks tugineb erinevatele iseloomulikele võimsustele ja ka võimsusvajadustele, reaktsiooniaegadele jne, mis nõuavad mitmesuguseid energiasalvestusruumi teenuseid. Kõige tavalisem statistika, mida kasutatakse selleks, et välja selgitada, kas toitesalvesti kaasaegne tehnoloogia on rakenduse jaoks praktiliselt ja ka majanduslikult ideaalne, on 'periood', mis näitab ka hetke, mis on vajalik aku täielikuks laadimiseks või taastamiseks. Seetõttu saab uurida mitme kestusega jooksmise valikuid. Tänu suurele disainiruumile, mida nad pakuvad, et saavutada mitmeid perioode, ja ka mitmete muude eeliste tõttu, mida selles kirjelduses käsitletakse, kasutavad akud energiasalvestamiseks mitmeid ahvatlevaid energiasalvestusruumi tehnoloogiaid.

Aku on elektrokeemiline salvestusseade, mis kasutab 'redoks' reaktsioonide vahelist energiaerinevust elektrienergia muundamiseks, säästes seega elektrienergiat keemilise energiana või elektrienergiat keemilisest energiast. Patareidel on palju potentsiaalseid eeliseid võrreldes erinevate muude energiasalvestustehnoloogiate tüüpidega. Näiteks on elektrokeemilised reaktsioonid tavaliselt palju usaldusväärsemad kui termokeemilised reaktsioonid dekarboniseeritud võrgus (ja üldiselt ka pingestatud võrgus) elektrienergia otsese vabanemise tõttu (tavaliselt tavalisel temperatuuril ja rõhul).

Lisaks on valida erinevate redoksreaktsioonide energiasalvestusplaanide vahel, pakkudes laialdast paigutusruumi rakenduspõhistele kaasaegsetele energiasalvestustehnoloogiatele. Mõelge näiteks mitmesugustele klientide elektroonikas kasutatavatele äripatareidele, mis moodustavad vaid väikese osa võrgumastaabis olevatest akude salvestusruumi süsteemidest, mida saab kasutada mitmesugustes konstruktsioonides: liitiumioon-, plii-happe-, nikkel-kaadmium-, tsink-süsinik-aku jne. Lisaks saab akusid kasutada praktiliselt kõikjal, erinevalt termilise või gravitatsioonilise geograafilise salvestuse jaoks, mis tavaliselt nõuavad ladustamiskohta. Need eelised võimaldavad akusid kasutada mitte ainult pärast dekarboniseerimist võrguoperatsioonides, vaid pakuvad ka lisandväärtust kõrvalteenustena; näiteks akud aitavad suurendada voolu sõltumatust ja ka töökindlust. Võtke arvesse Puerto Rico elektrivõrgu kokkuvarisemist tormi Maria ajal 2017. aastal. Hajutatud mikrovõrgu konstruktsioonid, sealhulgas taastuvate ressursside tootmisrajatised ja energiasalvestusruumi süsteemid, võivad ära hoida traagilisi suuri elektrikatkestusi. Selle põhjuseks on asjaolu, et hajutatud tootmine vähendab ülekanderaamistiku (nt elektriliinid ja elektripostid) ehitamist ja moderniseerimist, mis hajutab elektrit, kuid on ohus raskete ilmastikutingimuste korral.

Lisaks vabaneb hajutatud elektritootmine võimalusest, et üksildane ebaõnnestumine. Kindlasti tuleb arvesse võtta ka naabruspoliitilisi ja ka finantsvabaduse probleeme. Paljudel riikidel ei ole suuri majanduslikult praktilisi taastumatuid kütuseallikaid, mistõttu taastuvenergia turu muutus võib suurendada kodumaist elektritootmist, vähendada vajadust elektrienergia impordi järele ja seega suurendada geopoliitilist vabadust. USA tunnistab konkreetselt rahalisi väljakutseid, mida võimusõltuvus võib kaasa tuua, olles kogenud geopoliitiliselt tekitatud naftapuudust 1970. ja 1980. aastatel.

Tänapäeval on palju erinevaid akutehnoloogiaid, millest igaühel on erinev mudelikujundus, millest paljud sobivad erinevate keemiliste omadustega ja võivad kasutada ka valikut alternatiive. Liitiumioonakusid (LIB) peetakse peavoolu akutehnoloogiaks; 1990ndatel ja ka hiljem kasutati liitiumioonakusid peamiselt elektroonika- ja mobiilseadmetes, viimastel aastatel aga kasutatakse liitiumioonakusid peamiselt statsionaarsetes energiasalvestussüsteemides ning ka elektriautodes (EV) neil kahel suuremahulisel turul. Enamik energiasektoris kasutamiseks mõeldud akuuuendusi on veel suhteliselt ennatlikud ja võivad nõuda põhjalikku katse-eksituse uuringut, kuid praeguseks saavutatud töökohad on tegelikult olnud väikesed juurutused või minimaalsed kaubanduslikud protseduurid, mis on sageli tingitud asjaolust, et need on endiselt kehvemad või sobivad ainult võrgurakenduseks. Sellised uuendused hõlmavad redoksringluspatareid (RFB) ja ka metall-õhkpatareisid (MAB).

Rahvusvahelise Energiaagentuuri hinnangul tuleneb 2030. aastaks suurem osa CO2 heitmete vähenemisest kindlasti praegu turule lastud või turul olevatest kaasaegsetest tehnoloogiatest ning ka 2050. aastaks toetub ligikaudu viiskümmend protsenti süsinikdioksiidi vähendamisest praegu demo- või prototüübifaasis olevatele energiainnovatsioonile. Seega on nii föderaalvalitsused kui ka kultuurid keskkonnamuutuste käsitlemisel praktiliselt õigel teel. Sellegipoolest on palju muid potentsiaalseid sotsiaalseid, rahalisi ja poliitilisi takistusi, mis tuleb ületada, et tagada ideaalse energia kaasaegse tehnoloogia kasutuselevõtt piisavalt kiiresti, et need vähenemised oleksid piisavad suuremahuliste kahjude vältimiseks (joonis 1). Kuigi need tegurid, mida tuleb arvesse võtta, ei sõltu tehnilistest aspektidest, võivad vajada erinevaid lähenemisviise ja lahendusi. Selles töös vaadeldakse kahte olulist väljakutset aku laiemas rakendamises: aku hind ja tootepiirangud. Praegu on olemas rida sobivate tõhususe atribuutidega akutehnoloogiaid, kuid kõrged esialgsed kulud võivad laiemat edendamist edasi lükata või peatada, eriti praeguste madalate tootmismahtude korral. Lõpuks, isegi kui teatud akutehnoloogia vastab olulistele hinna- ja jõudlusnäitajatele, võib selle oluliste komponentide juurdepääsetavus ja tarneahel takistada nii kiiret kui ka sügavat integratsiooni. Seetõttu tuleb need probleemid võimalikult kiiresti lahendada, et saavutada peamised süsinikdioksiidiheite vähendamise eesmärgid. See töö avastab rahalisi ja poliitilisi võtteid nende tõkete ületamiseks või neist möödahiilimiseks.
Võtmetõke 1: aku maksumus

Kulud on põhitegur, mida tuleb kaaluda, kas akusid saab kasutada võrgu energiasalvestusrakendustes. Erinevalt teistest akuturgudest, nagu kliinilised seadmed, tarbeelektroonikaseadmed, elektriveoautod jne, vajavad võrgurakendused palju madalama hinnaga puhta energia teenuseid, et konkureerida taskukohaste fossiilkütuste tootmisrajatistega. Kuna võrgu vabastamine nõuab suuri investeeringuid, mis nõuavad sageli juurdepääsu rahastamisele (nt rahalistele vahenditele), on ressursside maksumus traditsiooniliselt olnud oluline takistus taastuvate ressursside kasutuselevõtul ja seega ka selle tehnilis-majandusliku teostatavuse keskne näitaja. Patareide puhul sõltub hind üldiselt nii materjali hinnast kui ka tootmisvahemikust. USA osariigi energiaministeerium seab rahaliselt praktilise võrguenergia salvestamise süsteemi rahastamiskulude ülempiiriks tavaliselt 100 dollarit kWh ja 150 dollarit kWh kohta.

Liitiumioonakud on praegu võrgurakendustes üks enimkasutatud akuenergia salvestamise tehnoloogiaid. Liitiumioonakud on 1990. aastatel suutnud oma arengut kiirendada, kuna neid kasutati esmakordselt paljudel kõrge väärtusega turgudel, mis koosnesid klientide elektroonikaseadmetest ja elektriveokitest. Nendel turgudel saavad akutarnijad turustada palju vähem täiustatud ja kõrgema hinnaga akutooteid, kuna need on ainus valik. See võimaldab liitiumioonakusid luua mastaapselt ja ka hinnaga, suurendades samal ajal jõudlust veelgi. Seega, kui seda tehnoloogiat energiasalvestusruumisüsteemide puhul arvesse võtta, on liitiumioonakud tegelikult näidanud suurt efektiivsust, selle aku laadimis- ja tühjendusjõudlus on nüüd väga kõrge, tavaliselt kuni 95%, ja tarneahel on loodud tagamaks, et hind on madalam. Täpsemalt seoses elektriautode arenguga on liitiumioonakude hind viimastel aastatel järsult langenud; Liitiumioonakud, mis koosnevad kokkupandud akuelementidest ja haldus- ning ka turvasüsteemidest, on langenud USA Energeetikaministeeriumi poolt määratletud võimalikku vahemikku (umbes 140 USD/kWh), see peaks tulevikus langema alla 100 USD/kWh. Liitium-ioonakude rahvusvaheline tootmisvõimsus ületab hinnanguliselt 700 GWh aastas ning praegu on see sektor ligi 50 miljardit dollarit. Kuigi see on suurepärane areng, on siiski vaja mitmeid parandusmeetmeid, et võimaldada kõiki võrguteenuseid ja saavutada sügav süsinikdioksiidi heitkogus. Lisaks võivad järgmises jaotises läbi vaadatud tarneahela probleemid takistada liitium-ioonaku energiasalvestussüsteemide kasutuselevõttu. Mitmed teised kaasaegsed akutehnoloogiad pakuvad veelgi säästlikumaid teenuseid, eriti pikema aja jooksul (üle 4 tunni), kuid need ei võida samadest turuprobleemidest nagu Li-ion ja neil on raske vastu pidada.

Paljudel alternatiivsetel akude disainidel ja toodetel on võrreldes liitiumioonakudega põhimõttelised hinnaeelised. Näiteks tsirkulatsiooniakud kasutavad süsteemi disaini, mis jagab ainulaadselt võimsuse ja võimsuse, mis näitab, et need kaks võivad üksteisest sõltumatult skaleerida. See võimaldab taskukohaselt suurendada energiasalvestusruumi mahtu, muutes sellised akud pikema kasutusaja jaoks palju konkurentsivõimelisemaks. Teisest küljest ühendab suletud süsteem nagu liitium-ioonaku võimsuse ja võimsuse, muutes selle energiasalvestusseadme maksumuse mõistlikult fikseeritud kriteeriumiks. Kuigi on juhitud tähelepanu sellele, et pikaajaline kulu on vähem oluline tegur võrreldes esialgsete kuludega, hõlbustab vooluaku (RFB) või metall-õhkpatarei (MAB) avatud stiil lisaks pikaajalist rahalist kokkuhoidu, võimaldades komponentide sihipärast hooldust. Seda saab otse täiendada või vahetada elektrolüüdiga (kiireim halvustav akukomponent), samas kui tüüpilised suletud süsteemid, nagu liitium-ioonakud, vajavad kogu aku täiendamist või väljavahetamist, mis tekitab teatud koguse jäätmeid. Lõppkokkuvõttes on lisaks akusid, mis kasutavad liitium-ioonakudest odavamaid ja suurema sisaldusega tooteid, mis vähendab tulevasi kulusid.

Nendest loomupärastest eelistest hoolimata on tekkivaid energiasalvestuslahendusi erinevatel põhjustel keeruline lõpule viia. Esialgu, kuigi sügavalt süsinikdioksiidivaba võrgu optimaalne stiil integreerib mitmeid akusalvestusteenuseid, tuleneb see stsenaarium suuresti olemasolevast faktist. Kuna need uhiuued akuuuendused on tegelikult vaid kulutõhusad võrgumastaabis rakenduste jaoks ja ei pääse ka kõrgema väärtusega turgudele, on ebaselge, kuidas täpselt hindu alandada ja tõhusust suurendada, et nad saaksid konkureerida liitiumioonakudega.

Selle kana ja muna probleemi süvendamine on veel üks sarnane mõistatus: need esilekerkivad uuendused on loomulikult riskantsemad. See muudab need projekti juhendajatele, sponsoritele või muudele otsuste tegijatele vähem pilkupüüdvaks, mistõttu neid kaasaegseid tehnoloogiaid võetakse palju harvemini omaks ja näidatakse ning tulemust peetakse järjekindlalt riskantseks. Nende tõkete tulemusena on paljud ülesanded, mille eesmärk on kasutada neid esilekerkivaid kaasaegseid akutehnoloogiaid, võidelnud selle nimel, et kaitsta rahalisi vahendeid ettevõtte finantsinvesteeringute, töökohtade rahastamise ja lisatasude abil. Neid probleeme ei pruugi erasektor üksinda lahendada ning föderaalvalitsuse kohtlemine võib vähendada tehnoloogilisi ohte ja vähendada ka tekkivate energiasalvestusruumi abinõude hinda, mis on võrgule vaid pilkupüüdvad, kuid võivad aidata kaasa sügavale dekarboniseerimisele. Tavaliselt tuleb suuremahulisi demonstratsioone kindlasti testida ja neid ka otsehangete abil säilitada. Üks viis selle saavutamiseks on föderaalvalitsuse rahastamine ettevõtete esitlusülesannete jaoks, nagu tehti varem Ameerika taastamise ja ka reinvesteerimisseadusega. Praegu rahastab USA võimude divisjon märkimisväärselt demoenergiasalvestusruumi projekte. Sellegipoolest on see rahastamine ajalooliselt antud Ameerika Ühendriikide riiklikele uurimislaboritele, mitte avalikult tellitud, mis tooks kaasa erasektori ja potentsiaalselt kiirendaks arengut. Lisaks saab USA valitsus välja töötada võrguenergia salvestamise esitluste jaoks spetsiaalse programmi, mis on paljudes varajases staadiumis arendusprojektides osutunud paljutõotavaks. Seda vajadust rahuldas viimasel ajal osaliselt USA energiaosakonna täiustatud uuringute uuringute agentuuri ARPA-E programm energiatehnoloogiate oluliste edusammude jaoks, millel on kasutamata võimalused. Samuti on USA puhta energia demobüroo veel üks samm parimas suunas: ettevõte asutati 2021. aastal eesmärgiga tutvustada suuri (isegi miljardi dollariseid) energiasalvestusprojekte ning teha koostööd erasektoriga, et kiirendada puhta energia kaasaegsete tehnoloogiate kasutuselevõttu ja ka kasutuselevõttu.

Tänapäeval on olemas tehnoloogiad, mis võivad aidata kaasa jõuvälja dekarboniseerimisele. Siiski on muret nende kaasaegsete tehnoloogiate kiire ja kulutõhus loomise ja kasutuselevõtu pärast – ülesanne, mida praegu ei tehta. Asjakohaste stiimulitega võib valitsuse kohtlemine aidata soovitud tulemusi saavutada ja kiirendada. Lisaks võivad mitmesugused lähenemisviisid ja protseduurid aidata mõnest neist takistustest üle saada, kui neid targalt ja ka kiiresti kasutada. Vaatamata lähenemisele on nii ajakulu kui ka juurdepääs avalikele ja ka eksklusiivsetele investeeringutele kriitilise tähtsusega