Az egyesült államokbeli akkumulátortárolás megvalósításának akadályai: ár és termékek

Míg az Egyesült Államokban jelenleg számos olyan technológia létezik, amelyek dekarbonizálhatják a hálózatot, a társadalmi, pénzügyi és politikai korlátok elkerülhetik, hogy ezeket a modern technológiákat a környezeti változások visszaszorításához szükséges időn belül alkalmazzák. Ez a perspektíva rávilágít a két legnagyobb akadályra az akkumulátor tárhelyének kiépítése előtt: az ár és a termékek. A főáramú akkumulátor tárolóhely költségei, különösen a modern technológia, jellemzően továbbra is túl magasak. A Massachusetts Institute of Modern Technology tanulmányozócsoportja az Egyesült Államok kormánya által kidolgozott és biztosított politikai és pénzügyi stratégiák gyűjteményét vizsgálta az energiatárolóhelyek gyorsabb felszabadításának és az árak minimalizálásának hirdetésére. Az emelkedő árak lényeges szempontja az akkumulátoranyagok viszonylag magas értéke – tartotta szem előtt a jelentés. A kisebb méretű és áramvonalas ellátási lánc pedig rávilágít az akkumulátortermékek sürgősségére, a növekvő árakra és a kihívást jelentő gyors bővítésre. Ennek a technológiai és gazdasági szolgáltatások mellett vannak tényezői is, amelyek egy részét az MIT elemzi. Gyakran van némi ellentétes partnerség a cég versenyelőnye (azaz exkluzív elrendezés és gyártás) és az extragazdaságos termelés (pl. centralizáció, szabványosítás stb.) között, amelyet politikai és gazdasági jutalmakkal kell leküzdeni. Végső soron nagyobb sürgősségre van szükség mind a lakossági, mind a kizárólagos befektetési területeken a környezetváltozás gyors növekedésével és a leghatékonyabb megoldások megvalósításával való szembenézéshez.

Az éghajlat további változásainak megelőzésére a legfontosabb megoldások közé tartozik a villamosenergia-ágazat szén-dioxid-mentesítése. Az egyesült államokbeli Energy Details Administration (EIA) által közzétett adatok szerint 2020-ban az energiapiac által generált összes szén-dioxid-kibocsátás az USA összes szén-dioxid-kibocsátásának mintegy 32%-át tette ki. Megújuló energiaforrások, például szél- és napenergia felhasználásával szén-dioxid, a globális felmelegedést kiváltó fő szennyezőanyag felszabadulása nélkül lehet energiát előállítani. Mindazonáltal a megújuló energia visszatérő termelési problémákkal szembesül, mert ellátása bizonytalan éghajlati viszonyok, valamint múltbeli emberi kontroll függvénye, ami lényeges különbség a fosszilis tüzelőanyagot termelő létesítményekkel szemben, amelyek bármikor több energiát tudnak szolgáltatni. Különböző megoldások léteznek az időszakosság kezelésére és a kereslet mindig kielégítésére: például a megújuló energiatermelő létesítményeket túl lehet építeni, hogy ha a napsütés vagy a szél nem megfelelő, a keletkező elektromos energia továbbra is kielégítse a kínálati keresletet. Ez a megközelítés azonban költséges, és megnyirbálással jár. Egy másik szolgáltatás a kezelhető energiaforrás minimális mennyiségének (például környezetbarát hidrogén, atomenergia stb.) hasznosítása, ideális esetben olyan rendezett energia, amely nem termel széndioxidot (például zöld hidrogén, ammónia, életrajzi üzemanyag stb.). Mindazonáltal ezek a feltörekvő innovációk még mindig küzdenek azért, hogy életképes költség- és hatékonysági mutatókat érjenek el, ha szén-dioxid-semleges eljárásokat alkalmaznak. Noha többféle módszerre van szükség, az energiatároló rendszerek rendkívül ígéretes megoldást jelentenek, és a tervezési lehetőségek széles skáláját kínálják.

Az energiatároló tér felvételének lehetősége, hogy a megújuló energiaforrásból származó villamos energiát más típusú energiává, például hőenergiává, elektrokémiai energiává, energiává alakítja, ha elegendő a tápellátás, amely a kínálat időtartama alatt tárolható, illetve felszabadítható az igény kielégítésére. A szivattyús víztermelő létesítmények valójában több mint 100 éve hatékony és egyben jól dokumentált energiatároló helyek; Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) szerint a szivattyús víz jelenleg az egyesült államok összes közüzemi szintű energiatároló rendszerét teszi ki az energiatároló kapacitás 95%-át. Mindazonáltal több energiatároló kapacitásra van szükség a hálózat magasabb szintű szén-dioxid-mentesítéséhez: az US Power Information Administration (EIA) tanulmányi jelentése szerint az Egyesült Államokban jelenleg kevesebb, mint 2 GW-nyi közüzemi szintű energiatároló rendszert telepítenek, valamint több száz gigawatt energiatároló területre lehet szükség 2050-ben a mély szén-dioxid-mentesítéshez. A szivattyúzott vízerőmű nehezen skálázható, mivel általában csak nagy, tőkeigényes energiatároló projekteknél jövedelmező, valamint a megvalósítási helyeket földrajzi és megengedett korlátok is korlátozzák. Ezen túlmenően a hálózat olyan szolgáltatások gyűjteménye, amelyek mindegyike különböző jellemző teljesítményekre, valamint teljesítményigényekre, reakcióidőkre stb. támaszkodik, és sokféle energiatároló szolgáltatást igényel. A legáltalánosabb statisztikai adatok, amelyek segítségével megállapítható, hogy a modern energiatároló technológia gyakorlatilag és gazdaságilag is ideális-e egy alkalmazáshoz, az 'időszak', amely egyben azt a pillanatot is jelzi, amelyre az akkumulátor teljes feltöltéséhez vagy újratöltéséhez szükséges. Ezért meg lehet vizsgálni a különböző időtartamú futtatási lehetőségeket. A nagy tervezési hely miatt, amelyet egy sor periódus eléréséhez biztosítanak, valamint az ebben az írásban bemutatott számos egyéb előnynek köszönhetően, az akkumulátorok egy sor vonzó energiatároló technológiai megoldást alkalmaznak az energiatárolási munkákhoz.

Az akkumulátor egy elektrokémiai tárolóeszköz, amely a 'redox' reakciók közötti energiakülönbséget használja fel az elektromos energia átalakítására, következésképpen elektromos energiát takarít meg kémiai energiaként, vagy elektromos energiát takarít meg kémiai energiából. Az akkumulátorok számos potenciális előnnyel rendelkeznek a különféle más típusú energiatároló technológiákkal szemben. Például az elektrokémiai reakciók általában sokkal megbízhatóbbak, mint a termokémiai reakciók egy dekarbonizált rácsban (és általában egy feszültség alatt álló rácsban), mivel az elektromos energia közvetlen felszabadul (általában közös hőmérsékleti szinten és nyomáson).

Ezen kívül különféle redoxreakciós energiatárolási tervek közül választhatunk, amelyek széles elrendezési teret biztosítanak az alkalmazásalapú energiatárolási modern technológiák számára. Vegyük például a vásárlói elektronikában használt különféle üzleti akkumulátorokat, amelyek a hálózati méretű akkumulátoros energiatároló rendszereknek csak egy kis részét képviselik, amelyek különféle kivitelben használhatók: lítium-ion, ólom-savas, nikkel-kadmium, cink-szén akkumulátor stb. Ezen túlmenően, az akkumulátorok gyakorlatilag bárhol behelyezhetők, ellentétben a termikus vagy gravitációs földrajzi tárolással, ami általában véve a tárolási helyet igényli. Ezek az előnyök lehetővé teszik, hogy az akkumulátorokat ne csak a szén-dioxid-mentesítésen túli hálózati üzemeltetéshez használják fel, hanem másodlagos szolgáltatásként is hozzáadott értéket kínáljanak; például az akkumulátorok hozzájárulnak az energiafüggetlenség fokozásához és a megbízhatósághoz is. Vegye figyelembe Puerto Rico elektromos hálózatának összeomlását a 2017-es Maria Storm során. A szétszórt mikrohálózatok kialakítása, beleértve a megújuló erőforrásokat termelő létesítményeket és az energiatároló rendszereket, megelőzheti a tragikus nagy áramkimaradásokat. Ennek az az oka, hogy a szétszórt termelés csökkenti az átviteli keretek (például távvezetékek és közüzemi oszlopok) építését és utólagos felszerelését, amelyek szétszórják az áramot, azonban ki vannak téve a súlyos időjárási események kockázatának.

Ezen túlmenően a szétszórt villamosenergia-gyártás megszabadul egy magányos meghibásodási pont lehetőségétől. Természetesen a szomszédságpolitikai, valamint a pénzügyi szabadsággal kapcsolatos aggályokat is figyelembe kell venni. Sok ország nem rendelkezik nagy gazdaságilag praktikus, nem megújuló tüzelőanyag-forrásokkal, így a megújuló energiapiacra való átállás fellendítheti a hazai energiatermelést, csökkentheti az energiaimport igényét, és ezzel a geopolitikai szabadságot is. Az Egyesült Államok kifejezetten elismeri azokat a pénzügyi kihívásokat, amelyeket a hatalomfüggőség jelenthet, miután az 1970-es és 1980-as években geopolitikai eredetű olajhiányt tapasztalt.

Manapság sokféle akkumulátortechnológia létezik, amelyek mindegyike különböző modelltervekkel rendelkezik, amelyek közül sok megfelel egy sor vegyi anyagnak, valamint számos alternatívát használhat. A lítium-ion akkumulátorokat (LIB) a fő akkumulátor technológiaként tekintik; az 1990-es években és később is a lítium-ion akkumulátorokat elsősorban az elektronikai és mobil eszközökben használták, míg az utóbbi években a lítium-ion akkumulátorokat elsősorban a helyhez kötött energiatároló rendszerekben, valamint az elektromos autóiparban (EV) használják ezeken a 2 nagy piacokon. Az energiaszektorban való felhasználásra gondolt akkumulátor-innovációk többsége még viszonylag korai, és átfogó próba-hiba kutatást igényelhet, de az eddig elért munkák valójában kis telepítések vagy minimális kereskedelmi eljárások voltak, gyakran annak a ténynek köszönhetően, hogy még mindig alulteljesítenek, vagy csak Grid alkalmazásra alkalmasak. Ilyen innovációk például redox keringtető akkumulátorok (RFB) és fém-levegő akkumulátorok (MAB).

A Nemzetközi Energia Ügynökség szerint 2030-ra a CO2-kibocsátás csökkentésének nagy része minden bizonnyal a jelenleg forgalomba hozott vagy jelenleg forgalomban lévő modern technológiákból származik majd, 2050-re pedig a szén-dioxid-csökkentés mintegy ötven százaléka a jelenleg demó- vagy prototípus stádiumban lévő energetikai innovációkra fog támaszkodni. Tehát a szövetségi kormányok és a kultúrák gyakorlatilag jó úton haladnak a környezeti változások kezelésében. Mindazonáltal számos egyéb lehetséges társadalmi, pénzügyi és politikai akadály leküzdése szükséges ahhoz, hogy az ideális energetikai modern technológiák elég gyorsan beépüljenek ahhoz, hogy ezek a csökkenések elegendőek legyenek a nagyobb méretű károk elkerüléséhez (1. ábra). Bár ezek a figyelembe veendő tényezők nem függetlenek a műszaki szempontoktól, eltérő megközelítéseket és megoldásokat igényelhetnek. Ez a munka két kulcsfontosságú kihívást vizsgál az akkumulátorok tágabb megvalósításában: az akkumulátorárat és a termékkorlátozásokat. Jelenleg számos akkumulátortechnológia létezik megfelelő hatékonysági jellemzőkkel, de a magas előzetes költségek késleltethetik vagy leállíthatják a szélesebb körű támogatást, különösen a jelenlegi alacsony termelési léptékek esetén. Végül, még ha egy bizonyos akkumulátortechnológia teljesíti is az alapvető ár- és teljesítménymutatókat, létfontosságú összetevőinek elérhetősége és ellátási lánca akadályozhatja a gyors és mélyreható integrációt. Ezért ezeket az aggályokat a lehető leggyorsabban meg kell oldani a fő dekarbonizációs célkitűzések elérése érdekében. Ez a munka pénzügyi és politikai technikákat fedez fel ezen akadályok leküzdésére vagy megkerülésére.
1. kulcskorlát: Az akkumulátor költsége

A költség alapvető tényező, amelyet figyelembe kell venni annak eldöntésében, hogy az akkumulátorok felhasználhatók-e a hálózati energiatároló alkalmazásokban. Más akkumulátorpiacokkal ellentétben, mint például a klinikai eszközök, fogyasztói elektronikai eszközök, elektromos teherautók stb., a hálózati alkalmazásoknak sokkal alacsonyabb költségű tiszta energiaszolgáltatásra van szükségük ahhoz, hogy versenyezzenek a megfizethető fosszilis tüzelőanyag-termelő létesítményekkel. Mivel a hálózat felszabadítása nagy beruházásokat tesz szükségessé, amelyek gyakran finanszírozáshoz (pl. finanszírozás) való hozzáférést igényelnek, az erőforrások költsége hagyományosan jelentős akadályt jelent a megújuló erőforrások elterjedésében, és ezért a technológiai-gazdasági megvalósíthatóságának központi jelzése. Az akkumulátorok költsége általában az anyagártól és a gyártási tartománytól függ. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma általában 100 USD/kWh és 150 USD/kWh közé szab egy pénzügyileg praktikus hálózati energiatároló rendszer finanszírozási költségeinek felső határát.

A lítium-ion akkumulátorok jelenleg az egyik leggyakrabban alkalmazott akkumulátor-energiatároló technológia a hálózati alkalmazásokban. A lítium-ion akkumulátorok képesek voltak felgyorsítani fejlődésüket, mivel az 1990-es években először használták őket nagy értékű piacokon, amelyek az ügyfelek elektronikus eszközeiből és elektromos teherautóiból álltak. Ezeken a piacokon az akkumulátor-beszállítók sokkal kevésbé fejlett és magasabb árú akkumulátortermékeket forgalmazhatnak, mivel ez az egyetlen választás. Ez lehetővé teszi a lítium-ion akkumulátorok méretarányos és árú létrehozását, miközben tovább maximalizálja a teljesítményt. Tehát ha ezt a technológiát figyelembe vesszük az energiatároló rendszerekben, akkor a lítium-ion akkumulátorok valóban nagy hatékonyságot mutattak, ezen akkumulátor töltési és kisütési teljesítménye most nagyon magas, általában akár 95%, és az ellátási láncot úgy alakították ki, hogy az alacsonyabb árat biztosítson. Konkrétan az elektromos autók fejlődésével a lítium-ion akkumulátorok ára drámaian csökkent az elmúlt években; Az összeszerelt akkumulátorcellákból és adminisztrációs és biztonsági rendszerekből álló lítium-ion akkumulátorok az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma által meghatározott lehetséges tartományba (kb. 140 USD/kWh) süllyedtek, a jövőben várhatóan 100 USD/kWh alá süllyed. A lítium-ion akkumulátorok nemzetközi termelési kapacitása megközelítőleg meghaladja az évi 700 GWh-t, és ma egy közel 50 milliárd dolláros szektorról van szó. Bár ez kiváló fejlesztés, számos jogorvoslatra továbbra is szükség van az összes hálózati szolgáltatás engedélyezéséhez és a mély szén-dioxid-mentesítéshez. Ezenkívül a következő részben áttekintett ellátási lánc problémái akadályozhatják a lítium-ion akkumulátoros energiatároló rendszerek telepítési tartományát. Számos más akkumulátoros modern technológia még gazdaságosabb szolgáltatásokat kínál, különösen hosszabb időszakokban (4 óra felett), mégsem nyernek ugyanazokat a piaci problémákat, mint a Li-ion, és nehezen viselik a küzdelmet.

Számos alternatív akkumulátor-konstrukció, valamint termék alapvető árelőnnyel rendelkezik a Li-ion akkumulátorokhoz képest. A keringtető akkumulátorok például olyan rendszertervet használnak, amely egyedileg osztja el a teljesítményt és a teljesítményt, jelezve, hogy a kettő egymástól függetlenül skálázható. Ez lehetővé teszi az energiatároló kapacitás megfizethető növekedését, így az ilyen akkumulátorok sokkal versenyképesebbek a hosszabb ideig. Másrészt egy zárt rendszer, mint a lítium-ion akkumulátor, párosítja a teljesítményt és a teljesítményt, így az energiatároló egység költsége ésszerűen rögzített kritérium. Bár rámutattak arra, hogy a hosszan tartó költség kevésbé figyelembe veendő tényező az előzetes költségekhez képest, az áramlási akkumulátor (RFB) vagy a fém-levegő akkumulátor (MAB) nyitott stílusa emellett hosszú távú pénzügyi megtakarításokat tesz lehetővé azáltal, hogy lehetővé teszi az alkatrészek célzott karbantartását. Az elektrolittal (a leggyorsabb lekicsinylő akkumulátorkomponens) közvetlenül pótolható vagy cserélhető, míg a tipikus zárt rendszerekben, például a lítium-ion akkumulátorokban a teljes akkumulátorcsomagot bővíteni vagy cserélni kell, ami bizonyos mennyiségű hulladékot termel. Végső soron vannak olyan akkumulátorok is, amelyek alacsonyabb költségű, magasabb tartalmú termékeket használnak, mint a lítium-ion akkumulátorok, csökkentve ezzel a várható kiadásokat.

E benne rejlő előnyök ellenére a felmerülő energiatárolási megoldások különféle okok miatt nehezen kivitelezhetők. Kezdetben, míg a mélyen szén-dioxid-mentesített rács optimális stílusa egy sor akkumulátor-tárolási szolgáltatást integrál, ez a forgatókönyv nagyrészt a meglévő tényekből áll. Mivel ezek a vadonatúj akkumulátor-innovációk valójában csak a hálózati méretű alkalmazásokban költséghatékonyak, és a magasabb értékű piacokon sem jutnak el, nem világos, hogy pontosan hogyan lehet csökkenteni az árakat és növelni a hatékonyságot, hogy felvegyék a versenyt a lítium-ion akkumulátorokkal, amikor végül szükség van rá, a hosszú távú energiatárolási szolgáltatások vagy a fosszilis tüzelőanyag-termelő létesítmények cseréje alacsonyabb költséggel kielégíthető.

A tyúk-tojás-probléma súlyosbítása még egy hasonló rejtvény: ezek a felmerülő újítások természetesen kockázatosabbak. Ezáltal kevésbé vonzzák őket a projektfelügyelők, a szponzorok vagy más döntéshozók számára, így ezek a modern technológiák sokkal ritkábban kerülnek magáévá és bemutatásra, valamint az eredmény, amelyet következetesen kockázatosnak gondolnak. Ezen akadályok eredményeként számos olyan feladat, amely a feltörekvő akkumulátoros modern technológiák felhasználását javasolta, megküzdött a vállalati pénzügyi befektetésekkel, munkahelyek finanszírozásával és többletforrásokkal történő finanszírozás megőrzéséért. Ezeket a problémákat nem biztos, hogy a magánszektor önmagában megoldja, a szövetségi kormányzati bánásmód pedig csökkentheti a technológiai veszélyt, és csökkentheti a keletkező energiatárolási eszközök árát is, amelyek csak a hálózatra figyelnek fel, de hozzájárulhatnak a mély szén-dioxid-mentesítéshez. Általában a nagyszabású demonstrációkat minden bizonnyal tesztelni kell, és egyenes beszerzéssel fenn kell tartani. Ennek egyik módja az üzleti prezentációs feladatok szövetségi kormányzati finanszírozása, ahogyan azt korábban az amerikai helyreállítási és újrabefektetési törvényben is megtették. Jelenleg az Egyesült Államok Energiaügyi Osztálya jelentős finanszírozást biztosít demo energiatároló projektekhez. Mindazonáltal ezt a finanszírozást a történelem során valójában az Egyesült Államok nemzeti kutatólaboratóriumai kapták, nem nyilvános felkérésre, ami a magánszektort vonná maga után, és potenciálisan felgyorsítaná a fejlődést. Ezen túlmenően az Egyesült Államok kormánya speciális programot dolgozhat ki a hálózati energiatárolás bemutatására, amely számos korai szakaszban lévő fejlesztési projektjében ígéretesnek bizonyult. Ezt az igényt a közelmúltban részben elégítette ki az Egyesült Államok Energiaügyi Osztályának Advanced Research study Projects Agency for Power (ARPA-E) programja az energiatechnológiák fontos fejlesztései kiaknázatlan lehetőségeivel. Ugyanígy a US Office of Clean Energy Demo egy újabb lépés a legjobb irányba: a céget 2021-ben hozták létre azzal a céllal, hogy nagy (akár milliárd dolláros) energiatárolási projekteket mutasson be, valamint hogy a magánszektorral együttműködve felgyorsítsa a tiszta energia modern technológiák bevezetését és bevezetését.

Ma már léteznek olyan technológiák, amelyek hozzájárulhatnak az erőtér dekarbonizációjához. Mindazonáltal aggályok merülnek fel e modern technológiák gyors és költséghatékony létrehozásának és bevezetésének képességével kapcsolatban, amely feladat jelenleg nem áll rendelkezésre. Megfelelő ösztönzőkkel az állami kezelés elősegítheti a kívánt eredmények elérését és felgyorsítását. Ezen túlmenően a különféle megközelítések és eljárások segíthetnek leküzdeni néhány ilyen akadályt, ha bölcsen és gyorsan alkalmazzák őket. A megközelítés ellenére időigényes, valamint az állami és kizárólagos befektetések hozzáférhetősége is kritikus