Prepreke implementaciji skladišta baterija u Sjedinjenim Državama: cijena i proizvodi

Iako SAD trenutačno ima razne tehnologije koje bi mogle dekarbonizirati mrežu, društvene, financijske i političke prepreke mogle bi spriječiti da se te moderne tehnologije uvedu u vremenskom okviru potrebnom za suzbijanje promjena okoliša. Ova perspektiva ističe 2 najveće prepreke uvođenju prostora za pohranu baterija: cijenu i proizvode. Troškovi u glavnom prostoru za skladištenje baterija moderne tehnologije, konkretno, obično su i dalje previsoki. Studijska skupina na Massachusetts Institute of Modern Technology istražila je zbirku političkih i financijskih strategija koje je razvila i osigurala vlada Sjedinjenih Država za reklamiranje bržeg oslobađanja prostora za pohranu energije i smanjivanje cijena. Bitno uzeti u obzir rastuće cijene je relativno visoka vrijednost materijala za baterije, izvješće ima na umu. A manji i pojednostavljeni opskrbni lanac naglašava hitnost baterijskih proizvoda, povećavajući stope i izazivajući brzo povećanje. Uz tehnološke i ekonomske usluge postoje čimbenici za to, od kojih neke analizira MIT. Često postoji neko kontrastno partnerstvo između konkurentske prednosti poduzeća (tj. ekskluzivnog izgleda i također proizvodnje) i ekstraekonomične proizvodnje (tj. centralizacije, standardizacije, itd.) koje treba prevladati političkim i ekonomskim nagradama. U konačnici, potrebna je veća hitnost u javnim i ekskluzivnim područjima ulaganja kako bi se pozabavilo modifikacijom okoliša s brzim rastom i implementacijom najučinkovitijih rješenja.

Među najvažnijim rješenjima za sprječavanje dodatnih promjena klime je dekarbonizacija elektroenergetskog sektora. Prema podacima koje je objavila ujedinjena državna Uprava za podatke o energiji (EIA), u 2020., ukupne emisije ugljika koje je generiralo tržište električne energije predstavljale su oko 32% ukupnih ispušnih plinova ugljika u SAD-u. Korištenjem obnovljivih izvora energije poput vjetra, kao i solarne energije, energija se može proizvesti bez oslobađanja ugljičnog dioksida, glavnog zagađivača koji izaziva globalno zatopljenje. Unatoč tome, obnovljiva energija nailazi na ponovljene probleme s proizvodnjom jer se njezina opskrba oslanja na nesigurne klimatske uvjete kao i na prošlost ljudske kontrole, što je značajna razlika u usporedbi s postrojenjima za proizvodnju fosilnih goriva koja mogu dati više energije u bilo kojem trenutku. Postoje različita rješenja za rješavanje problema isprekidanosti i osiguravanje da je potražnja uvijek zadovoljena: kao primjer, postrojenja za proizvodnju obnovljive energije mogu se pregraditi tako da kada sunce ili vjetar nisu dovoljni, stvorena električna energija može zadovoljiti potražnju opskrbe. Međutim, ovaj pristup je skup i uključuje smanjenje. Druga usluga je korištenje minimalne količine opskrbe energijom kojom se može upravljati (kao što je ekološki prihvatljiv vodik kao i nuklearna energija, itd.), idealno tipično čiste energije koja ne stvara CO2 (kao što je zeleni vodik, amonijak, biografsko gorivo, itd.). Unatoč tome, ove nove inovacije još uvijek se bore za postizanje održivih metrika troškova i učinkovitosti kada se generiraju korištenjem ugljično neutralnih postupaka. Dok je potrebno više metoda, prostorni sustavi za pohranu energije iznimno su obećavajući lijek, kao i da nude širok raspon dizajnerskih izbora.

Mogućnost preuzimanja prostora za pohranu energije je pretvaranje električne energije dobivene iz obnovljivih izvora u druge vrste energije, kao što su toplinska energija, elektrokemijska energija, snaga i tako dalje, kada je opskrba električnom energijom dovoljna, koja se može pohraniti, kao i osloboditi kako bi se zadovoljila potražnja tijekom trajanja opskrbe. Postrojenja za proizvodnju crpne hidroelektrane zapravo su učinkovita i također dobro dokumentirana vrsta prostora za pohranu energije više od 100 godina; prema američkom Ministarstvu energetike (DOE), pumpana hidroelektrana trenutno čini sve komunalne sustave za pohranu energije u Sjedinjenim Državama 95% kapaciteta prostora za pohranu energije. Unatoč tome, potreban je veći kapacitet prostora za pohranu energije kako bi se mreža dekarbonizirala na višu razinu: prema izvješću američke Uprave za informacije o energetici (EIA), SAD trenutačno ima manje od 2 GW razmještenih sustava prostora za pohranu energije, kao i stotine gigavata prostora za pohranu energije koje bi mogle biti potrebne 2050. kako bi se pomoglo dubokoj dekarbonizaciji. Teško je mjeriti pumpnu hidroelektranu zbog činjenice da je obično unosna samo za velike, kapitalno intenzivne projekte prostora za pohranu energije, kao i da su lokacije za implementaciju ograničene zemljopisnim, kao i dopuštenim ograničenjima. Osim toga, mreža je zbirka usluga, od kojih se svaka oslanja na različite karakteristične snage i zahtjeve za snagom, vremena reakcije i tako dalje, zahtijevajući razne usluge prostora za pohranu energije. Najčešći statistički podaci koji se koriste kako bi se pomoglo u otkrivanju je li moderna tehnologija za pohranjivanje energije praktično i ekonomski idealna za aplikaciju je 'razdoblje', koje također predstavlja trenutak koji je potreban za potpuno punjenje ili ponovno pokretanje baterije. Stoga se mogu istražiti izbori za izvođenje u brojnim trajanjima. Zbog velikog dizajnerskog prostora koji pružaju za postizanje niza razdoblja i raznih drugih prednosti navedenih u ovom tekstu, baterije koriste niz privlačnih tehnologija prostora za pohranu energije za poslove pohrane energije.

Baterija je elektrokemijski uređaj za pohranu koji koristi razliku energije između 'redoks' reakcija za transformaciju električne energije, posljedično uštedu električne energije kao kemijske energije ili uštedu električne energije od kemijske energije. Baterije imaju mnogo potencijalnih prednosti u odnosu na razne druge vrste tehnologija za pohranu energije. Na primjer, elektrokemijske reakcije obično su puno pouzdanije od termokemijskih odgovora u dekarboniziranoj mreži (i također, općenito, mreži pod naponom) zbog izravnog oslobađanja električne energije (općenito na uobičajenoj razini temperature i tlaka).

Osim toga, postoje različiti planovi za pohranu energije redoks reakcije koje možete odabrati, pružajući širok prostor za suvremene tehnologije pohrane energije temeljene na aplikacijama. Kao primjer, razmotrite raznolikost poslovnih baterija koje se koriste u korisničkoj elektronici, a koje predstavljaju samo mali dio mrežnih sustava prostora za pohranu energije baterija dostupnih za korištenje u različitim izvedbama: litij-ionske, olovno-kisele, nikal-kadmijeve, cink-ugljične baterije itd. Nadalje, baterije se mogu rasporediti praktički bilo gdje, za razliku od termalnih ili gravitacijskih pohrana, koje obično zahtijevaju geografski detaljne lokacije za pohranu. Ove prednosti dopuštaju da se baterije koriste ne samo za mrežne operacije nakon dekarbonizacije, već i za pružanje dodane vrijednosti kao sekundarne usluge; na primjer, baterije pridonose povećanoj neovisnosti o napajanju, a također i pouzdanosti. Uzmite u obzir kolaps elektroenergetske mreže Portorika tijekom oluje Maria 2017. Dizajni disperzirane mikromreže uključujući objekte za proizvodnju obnovljivih resursa i prostorne sustave za pohranu energije mogu spriječiti tragične velike nestanke struje. To je zato što disperzirana proizvodnja smanjuje izgradnju i naknadno opremanje prijenosnog okvira (kao što su dalekovodi i komunalni stupovi) koji disperziraju snagu, ali su izloženi riziku od ozbiljnih vremenskih uvjeta.

Osim toga, disperzirana proizvodnja energije oslobađa se mogućnosti samotne točke kvara. Svakako, zabrinutost vezana uz političku i financijsku slobodu u susjedstvu također treba uzeti u obzir. Mnoge zemlje ne posjeduju velike ekonomski praktične neobnovljive izvore goriva, tako da bi promjena na tržištu obnovljive energije mogla poboljšati domaću proizvodnju električne energije, smanjiti potrebu za uvozom električne energije, kao i potaknuti geopolitičku slobodu. Sjedinjene Države posebno priznaju financijske izazove koje može predstavljati ovisnost o energiji, jer su 1970-ih i 1980-ih iskusile geopolitički generirane nestašice nafte.

Danas postoje mnoge vrste baterijskih tehnologija, svaka s različitim dizajnom modela, od kojih se mnoge mogu uklopiti u niz kemijskih spojeva kao i koristiti izbor alternativa. Litij-ionske baterije (LIB) uzimaju se u obzir kao glavna tehnologija baterija; u 1990-ima, kao i kasnije, litij-ionske baterije uglavnom su se koristile u elektroničkim i mobilnim uređajima, dok se posljednjih godina litij-ionske baterije prvenstveno koriste u stacionarnim sustavima za pohranu energije, kao iu električnim automobilima (EV) na ova dva velika tržišta. Većina inovacija baterija o kojima se razmišlja za upotrebu u energetskom sektoru još je uvijek relativno preuranjena i mogla bi zahtijevati sveobuhvatnu studiju istraživanja pokušaja i pogrešaka, ali poslovi koji su do danas postignuti zapravo su bili mala implementacija ili minimalni komercijalni postupci, često zbog činjenice da još uvijek nisu dovoljno učinkoviti ili su prikladni samo za Grid primjenu. Primjeri takvih inovacija sastoje se od redoks cirkulacijskih baterija (RFB) i metal-zrak baterija (MAB).

Prema Međunarodnoj agenciji za energiju, do 2030. većina smanjenja ispuštanja CO2 sigurno će doći od modernih tehnologija koje su trenutno puštene u promet ili su danas na tržištu, a također će se do 2050. pedeset posto smanjenja ugljika oslanjati na inovacije koje su trenutačno u fazi demo ili prototipa energetske inovacije. Dakle, savezne vlade, kao i kulture, praktički su na pravom putu da se pozabave promjenama okoliša. Unatoč tome, postoje brojne druge potencijalne društvene, financijske i političke prepreke koje je potrebno savladati kako bi se zajamčilo da se suvremene tehnologije idealne energije dovoljno brzo primjenjuju da ta smanjenja budu dovoljno velika da se izbjegne šteta većih razmjera (Slika 1). Iako ti čimbenici koje treba uzeti u obzir nisu neovisni o tehničkim aspektima, mogu zahtijevati različite pristupe i rješenja. Ovaj rad provjerava dva ključna izazova u široj implementaciji baterija: cijenu baterije i ograničenja proizvoda. Trenutačno postoji niz baterijskih tehnologija s odgovarajućim atributima učinkovitosti, no visoki početni troškovi mogu odgoditi ili zaustaviti šire poticanje, posebno u trenutnim niskim proizvodnim razmjerima. Na kraju, čak i ako određena baterijska tehnologija zadovoljava bitnu metriku cijene i performansi, dostupnost i opskrbni lanac njenih vitalnih komponenti mogli bi spriječiti brzu, ali i duboku integraciju. Stoga se ova pitanja moraju riješiti što je brže moguće kako bi se postigli ključni ciljevi dekarbonizacije. Ovaj rad otkriva financijske i političke tehnike za prevladavanje ili zaobilaženje tih prepreka.
Ključna prepreka 1: Trošak baterije

Trošak je ključni čimbenik koji treba razmotriti da li se baterije mogu koristiti u aplikacijama za pohranu energije u mreži. Za razliku od drugih tržišta baterija kao što su klinički uređaji, potrošački elektronički uređaji, električni kamioni itd., mrežnim aplikacijama potrebne su puno niže cijene usluga čiste energije kako bi se natjecale s pristupačnim postrojenjima za proizvodnju fosilnih goriva. Budući da puštanje u rad mreže zahtijeva velika ulaganja, često tražeći pristup financiranju (npr. financijskim sredstvima), cijena resursa zapravo je tradicionalno bila značajna prepreka za usvajanje obnovljivih izvora energije i stoga središnji pokazatelj njihove tehno-ekonomske izvedivosti. Za baterije, trošak se općenito oslanja na cijenu materijala kao i na opseg proizvodnje. Ministarstvo energetike Sjedinjenih Država obično stavlja između 100 USD/kWh i 150 USD/kWh kao gornju granicu troškova financiranja financijski praktičnog mrežnog sustava za pohranu energije.

Litij-ionske baterije trenutno su jedna od najkorištenijih tehnologija za pohranu baterije u mrežnim aplikacijama. Litij-ionske baterije imale su sposobnost ubrzati svoj razvoj s obzirom na 1990-e jer su se prvi put koristile u velikom broju na tržištima visoke vrijednosti koja se sastoje od korisničkih elektroničkih uređaja i električnih kamiona. Na tim tržištima dobavljači baterija mogu plasirati puno manje poboljšane i skuplje baterijske proizvode budući da su oni jedini izbor. To omogućuje stvaranje litij-ionskih baterija po mjeri i cijeni, uz dodatno povećanje performansi. Dakle, kada se ova tehnologija uzme u obzir za prostorne sustave za pohranu energije, litij-ionske baterije su zapravo pokazale snažnu učinkovitost, performanse punjenja i pražnjenja ove baterije sada su vrlo visoke, obično čak 95%, a lanac opskrbe je uspostavljen kako bi se osigurala niža cijena. Konkretno s razvojem električnih automobila, cijena litij-ionskih baterija zapravo je dramatično pala posljednjih godina; litij-ionske baterije, koje se sastoje od sklopljenih baterijskih ćelija i administrativnih i sigurnosnih sustava, pale su unutar mogućeg raspona koji je definirao Ministarstvo energetike SAD-a (oko 140 USD/kWh), a očekuje se da će u budućnosti pasti ispod 100 USD/kWh. Međunarodna sposobnost proizvodnje litij-ionskih baterija približno premašuje 700 GWh godišnje, a danas je to sektor vrijedan gotovo 50 milijardi dolara. Iako je ovo izvrstan razvoj, još uvijek je potreban niz rješenja kako bi se omogućile sve mrežne usluge i postigla duboka dekarbonizacija. Nadalje, problemi u opskrbnom lancu koji su razmotreni u sljedećem odjeljku mogli bi spriječiti raspon primjene sustava za pohranu energije litij-ionskih baterija. Nekoliko drugih modernih baterijskih tehnologija nudi čak i ekonomičnije usluge, posebno u dužim razdobljima (više od 4 sata), ali ne profitiraju od istih tržišnih problema kao Li-ion, a teško im je natjecati se.

Brojni alternativni dizajni baterija kao i proizvodi imaju temeljne cjenovne prednosti u usporedbi s Li-ion baterijama. Cirkulacijske baterije, na primjer, koriste dizajn sustava koji jedinstveno dijeli snagu i snagu, što ukazuje da se dvije mogu mjeriti neovisno jedna o drugoj. To omogućuje pristupačan rast kapaciteta prostora za pohranu energije, čineći takve baterije puno konkurentnijima u pogledu troškova za dulji vijek trajanja. S druge strane, sustav zatvaranja poput litij-ionske baterije spaja snagu i snagu, čineći cijenu njegove jedinice za pohranu energije razumno fiksnim kriterijem. Iako je istaknuto da je dugotrajni trošak manji faktor koji treba uzeti u obzir u usporedbi s početnim troškovima, otvoreni stil protočne baterije (RFB) ili baterije metal-zrak (MAB) dodatno olakšava dugoročne financijske uštede dopuštajući ciljano održavanje komponenti. Može se izravno dopuniti ili promijeniti s elektrolitom (najbrža pogrešna komponenta baterije), dok tipični zatvoreni sustavi poput litij-ionskih baterija trebaju poboljšati ili zamijeniti cijeli paket baterija, što stvara određenu količinu otpada. U konačnici, postoje dodatne baterije koje koriste jeftinije proizvode s većim sadržajem od litij-ionskih baterija, smanjujući očekivane troškove.

Unatoč ovim inherentnim prednostima, nova rješenja za pohranu energije teško je dovršiti iz niza razloga. U početku, dok optimalni stil duboko dekarbonizirane mreže integrira niz usluga za pohranu baterija, ovaj je scenarij uvelike od postojećih činjenica. Budući da su ove potpuno nove inovacije baterija zapravo samo isplative za mrežne aplikacije, a također se ne mogu naći na tržištima veće vrijednosti, nejasno je kako točno smanjiti cijene, kao i povećati učinkovitost tako da se mogu natjecati s litij-ionskim baterijama kada se mogu zadovoljiti uz smanjene troškove.

Pogoršanje ovog problema kokoši i jajeta još je jedna slična zagonetka: ove novonastale inovacije prirodno su riskantnije. To ih čini manje privlačnima nadzornicima projekta, sponzorima ili drugim proizvođačima odluka, čineći ove moderne tehnologije mnogo rjeđe prihvaćenima i prikazanima, kao i rezultat koji se dosljedno smatra riskantnim. Kao rezultat ovih prepreka, brojni zadaci koji predlažu korištenje ovih modernih baterijskih tehnologija u nastajanju borili su se za očuvanje financiranja financijskim ulaganjima tvrtke, financiranjem radnih mjesta i dodatnim sredstvima. Ove probleme možda neće riješiti sam privatni sektor, a postupak savezne vlade može smanjiti tehnološku opasnost i također smanjiti cijenu nastalih rješenja za prostor za pohranu energije koji samo privlače pažnju mreže, ali mogu pridonijeti dubokoj dekarbonizaciji. Obično će demonstracije velikih razmjera sigurno morati biti testirane i također održavane ravnom nabavom. Jedan od načina da se to postigne je financiranje zadataka poslovne prezentacije savezne vlade, kao što je to ranije učinjeno sa Zakonom o oporavku Amerike i reinvestiranju. Trenutno, US Division of Power osigurava značajna sredstva za demo projekte prostora za pohranu energije. Unatoč tome, ovo financiranje zapravo je povijesno davano nacionalnim istraživačkim laboratorijima Sjedinjenih Država, ne uz javni poziv, što bi uključivalo privatni sektor i također potencijalno ubrzalo napredak. Osim toga, američka vlada može razviti specijalizirani program za prezentacije mrežnog skladištenja električne energije, koji se pokazao obećavajućim u mnogim razvojnim projektima u ranoj fazi. Ova je potreba nedavno djelomično zadovoljena Programom za važne napretke u energetskim tehnologijama s neiskorištenim mogućnostima Agencije za napredne istraživačke studije Odjela za energetiku SAD-a (ARPA-E). Isto tako, demonstracija Ureda za čistu energiju SAD-a još je jedan korak u najboljem smjeru: tvrtka je osnovana 2021. s ciljem predstavljanja velikih (čak i milijardi dolara) projekata skladištenja energije, kao i suradnje s privatnim sektorom kako bi se ubrzalo usvajanje i uvođenje modernih tehnologija čiste energije.

Danas postoje tehnologije koje mogu doprinijeti dekarbonizaciji energetskog polja. Međutim, postoji zabrinutost u vezi s mogućnošću brzog i ekonomičnog stvaranja i implementacije ovih modernih tehnologija, što je zadatak koji trenutno nije na mjestu. Uz odgovarajuće poticaje, državno liječenje može pomoći u postizanju i ubrzanju željenih rezultata. Štoviše, različiti pristupi i postupci mogu pomoći u prevladavanju nekih od ovih prepreka ako se koriste mudro i brzo. Unatoč pristupu, potrebno je vrijeme, kao i dostupnost javnosti, a također je ključno i ekskluzivno ulaganje