Šķēršļi ASV akumulatoru uzglabāšanas ieviešanai: cena un produkti

Lai gan ASV pašlaik ir dažādas tehnoloģijas, kas varētu dekarbonizēt tīklu, sociālie, finansiālie un arī politiskie šķēršļi varētu izvairīties no šo moderno tehnoloģiju ieviešanas laika posmā, kas nepieciešams, lai apspiestu vides izmaiņas. Šī perspektīva izceļ divus lielākos šķēršļus akumulatora uzglabāšanas vietas izvietošanai: cena un arī produkti. Izdevumi, kas saistīti ar galveno akumulatoru uzglabāšanas vietu mūsdienu tehnoloģijās, jo īpaši, parasti joprojām ir pārāk augsti. Masačūsetsas Moderno tehnoloģiju institūta izpētes grupa izpētīja politisko un arī finanšu stratēģiju kolekciju, ko izstrādāja un nodrošināja ASV valdība, lai reklamētu ātrāku enerģijas uzglabāšanas vietu atbrīvošanu un arī samazinātu cenas. Būtisks, ņemot vērā pieaugošās cenas, ir akumulatoru materiālu relatīvi augstā vērtība, teikts ziņojumā. Un mazāka izmēra un racionalizēta piegādes ķēde uzsver akumulatoru produktu steidzamību, pieaugošos tarifus un izaicinājumu ātrai palielināšanai. Papildus tehnoloģiskajiem un ekonomiskajiem pakalpojumiem ir arī faktori, no kuriem dažus analizē MIT. Bieži vien pastāv kāda pretrunīga partnerība starp uzņēmuma konkurences priekšrocībām (ti, ekskluzīvu izkārtojumu un arī ražošanu) un īpaši ekonomisku ražošanu (ti, centralizāciju, standartizāciju utt.), kas jāpārvar ar politisku un ekonomisku atlīdzību. Galu galā ir nepieciešama lielāka steidzamība gan sabiedrībā, gan ekskluzīvās investīciju jomās, lai risinātu vides pārveidojumus ar strauju izaugsmi un arī efektīvāko risinājumu ieviešanu.

Viens no svarīgākajiem risinājumiem, lai novērstu papildu klimata pārmaiņas, ir elektroenerģijas sektora dekarbonizācija. Saskaņā ar Amerikas Savienoto Valstu Enerģētikas detaļu administrācijas (EIA) publicētajiem datiem 2020. gadā kopējās elektroenerģijas tirgus radītās oglekļa emisijas veidoja aptuveni 32% no kopējā oglekļa emisiju apjoma ASV. Izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, vēja, kā arī saules enerģiju, enerģiju var ražot, neizlaižot oglekļa dioksīdu, kas ir galvenais piesārņotājs, kas izraisa globālo sasilšanu. Neskatoties uz to, atjaunojamā enerģija saskaras ar atkārtotām ražošanas problēmām, jo ​​tās piegāde ir atkarīga no nenoteiktiem klimatiskajiem apstākļiem, kā arī no cilvēka pagātnes kontroles, kas ir būtiska atšķirība pretstatā fosilā kurināmā ražošanas iekārtām, kas jebkurā laikā var piegādāt vairāk enerģijas. Ir dažādi risinājumi, kā tikt galā ar pārtraukumiem un nodrošināt vienmērīgu pieprasījuma apmierināšanu: piemēram, atjaunojamās enerģijas ražošanas iekārtas var pārbūvēt, lai tad, kad saule vai vējš nav pietiekams, radītā elektroenerģija joprojām spētu apmierināt piedāvājuma pieprasījumu. Tomēr šī pieeja ir dārga, kā arī ietver ierobežojumus. Vēl viens pakalpojums ir izmantot minimālu daudzumu pārvaldāmas enerģijas piegādes (piemēram, videi draudzīgs ūdeņradis, kā arī kodolenerģija utt.), ideālā gadījumā tīru enerģiju, kas nerada CO2 (piemēram, zaļais ūdeņradis, amonjaks, biodegviela utt.). Tomēr šīs jaunās inovācijas joprojām cīnās, lai sasniegtu dzīvotspējīgus izmaksu un efektivitātes rādītājus, ja tie tiek radīti, izmantojot oglekļa neitrālas procedūras. Lai gan ir vajadzīgas vairākas metodes, enerģijas uzglabāšanas telpas sistēmas ir ļoti daudzsološs līdzeklis, kā arī piedāvā plašu dizaina izvēli.

Enerģijas uzglabāšanas telpas pārņemšanas iespēja ir tieši atjaunojamo resursa doto elektroenerģiju pārveidot cita veida enerģijā, piemēram, siltumenerģijā, elektroķīmiskajā enerģijā, enerģijā, enerģijā u.tml., kad jaudas padeve ir pietiekama, ko var uzglabāt, kā arī atbrīvot, lai nodrošinātu pieprasījumu piegādes laikā. Sūknējamās hidroģenerācijas iekārtas faktiski ir efektīvas un arī labi dokumentētas enerģijas uzglabāšanas telpas jau vairāk nekā 100 gadus; Saskaņā ar Amerikas Savienoto Valstu Enerģētikas departamenta (DOE) datiem, sūknētā hidroenerģija pašlaik veido visas komunālo pakalpojumu mēroga enerģijas uzglabāšanas sistēmas Amerikas Savienotajās Valstīs 95% no jaudas uzglabāšanas vietas. Neskatoties uz to, ir nepieciešama lielāka jaudas uzglabāšanas vietas jauda, ​​lai dekarbonizētu tīklu līdz lielākam līmenim: saskaņā ar ASV Enerģijas informācijas administrācijas (EIA) pētījuma ziņojumu ASV pašlaik ir izvietotas mazāk nekā 2 GW komunālo pakalpojumu mēroga enerģijas uzglabāšanas telpu sistēmas, kā arī simtiem gigavatu enerģijas uzglabāšanas vietas varētu būt nepieciešamas 2050. gadā, lai palīdzētu veikt dziļu dekarbonizāciju. Sūknējamo hidroenerģiju ir grūti mērogot, jo tas parasti ir ienesīgs tikai lieliem, kapitālietilpīgiem enerģijas uzglabāšanas telpu projektiem, kā arī ieviešanas vietas ir ierobežotas gan ar ģeogrāfiskiem, gan pieļaujamiem ierobežojumiem. Turklāt tīkls ir pakalpojumu kopums, no kuriem katrs ir atkarīgs no dažādām raksturīgām jaudas un arī jaudas prasībām, reakcijas laikiem un tā tālāk, kas prasa dažādus enerģijas uzglabāšanas telpas pakalpojumus. Visizplatītākā statistika, kas tiek izmantota, lai noskaidrotu, vai enerģijas uzglabāšanas modernā tehnoloģija ir praktiski un arī ekonomiski ideāla lietojumam, ir 'periods', kas arī atspoguļo brīdi, kas nepieciešams, lai pilnībā uzlādētu vai atjaunotu akumulatoru. Tāpēc var izpētīt izvēles iespējas darboties dažādos ilgumos. Pateicoties lielajai dizaina telpai, ko tie piegādā, lai sasniegtu virkni periodu, un arī dažādām citām priekšrocībām, kas minētas šajā pārskatā, akumulatori izmanto virkni pievilcīgu enerģijas uzglabāšanas telpu tehnoloģiju enerģijas uzkrāšanas darbiem.

Akumulators ir elektroķīmiskas uzglabāšanas ierīce, kas izmanto enerģijas atšķirību starp 'redox' reakcijām, lai pārveidotu elektrisko enerģiju, tādējādi ietaupot elektroenerģiju kā ķīmisko enerģiju vai ietaupot elektroenerģiju no ķīmiskās enerģijas. Baterijām ir daudz potenciālu priekšrocību salīdzinājumā ar dažādiem citiem enerģijas uzglabāšanas tehnoloģiju veidiem. Piemēram, elektroķīmiskās reakcijas parasti ir daudz uzticamākas nekā termoķīmiskās reakcijas dekarbonizētā režģī (un arī parasti elektriskajā tīklā), jo tiek izvadīta elektriskā enerģija (parasti kopējā temperatūras līmenī un spiedienā).

Turklāt ir pieejami dažādi redoksreakcijas enerģijas uzglabāšanas plāni, kas nodrošina plašu izkārtojuma telpu modernām, uz lietojumu balstītām enerģijas uzglabāšanas tehnoloģijām. Piemēram, apsveriet dažādus biznesa akumulatorus, ko izmanto klientu elektronikā, kas ir tikai neliela daļa no tīkla mēroga akumulatoru enerģijas uzglabāšanas telpu sistēmām, kuras ir pieejamas dažādu dizainu izmantošanai: litija jonu, svina-skābes, niķeļa-kadmija, cinka-oglekļa akumulatoru utt. Turklāt akumulatorus var izvietot praktiski jebkur, atšķirībā no termiskās vai gravitācijas ģeogrāfiskās uzglabāšanas, kas parasti prasa uzglabāšanas vietu. Šīs priekšrocības ļauj izmantot akumulatorus ne tikai tīkla darbībām pēc dekarbonizācijas, bet arī piedāvāt pievienoto vērtību kā sekundāros pakalpojumus; piemēram, akumulatori veicina enerģijas neatkarību un arī uzticamību. Ņemiet vērā Puertoriko elektrotīkla sabrukumu Marija vētras laikā 2017. gadā. Izkliedēti mikrotīklu projekti, tostarp atjaunojamo resursu ražošanas iekārtas un enerģijas uzglabāšanas telpu sistēmas, var novērst traģiskus lielus elektroenerģijas padeves pārtraukumus. Tas ir tāpēc, ka izkliedētā ģenerācija samazina pārvades karkasa (piemēram, elektropārvades līniju un komunālo pakalpojumu stabu) būvniecību un modernizēšanu, kas izkliedē enerģiju, tomēr ir pakļauti smagiem laikapstākļiem.

Turklāt izkliedētā elektroenerģijas ražošana novērš iespēju, ka var rasties neveiksmes vientuļš punkts. Protams, ir jāņem vērā arī kaimiņvalstu politiskās, kā arī finansiālās brīvības problēmas. Daudzām valstīm nav lielu ekonomiski praktisku neatjaunojamo kurināmo resursu, tāpēc pāreja uz atjaunojamo energoresursu tirgu varētu veicināt vietējo elektroenerģijas ražošanu, samazināt vajadzību pēc elektroenerģijas importa, kā arī palielināt ģeopolitisko brīvību. Amerikas Savienotās Valstis īpaši atzīst finansiālās problēmas, ko var radīt atkarība no varas, jo 1970. un 1980. gados piedzīvoja ģeopolitiski radītu naftas trūkumu.

Mūsdienās ir daudz dažādu akumulatoru tehnoloģiju, un katrai no tām ir dažādi modeļu modeļi, no kurām daudzas var atbilst virknei ķīmisko vielu, kā arī izmantot dažādas alternatīvas. Litija jonu akumulatori (LIB) tiek uzskatīti par galveno akumulatoru tehnoloģiju; 90. gados, kā arī vēlāk litija jonu akumulatorus galvenokārt izmantoja elektroniskajās un mobilajās ierīcēs, savukārt pēdējos gados litija jonu baterijas galvenokārt izmanto stacionārajās enerģijas uzglabāšanas sistēmās, kā arī elektriskajos automobiļos (EV) šajos divos liela mēroga tirgos. Lielākā daļa no akumulatoru jauninājumiem, kas domāti izmantošanai enerģētikas nozarē, joprojām ir salīdzinoši priekšlaicīgi un varētu prasīt visaptverošu izmēģinājumu un kļūdu pētījumu, taču līdz šim sasniegtie darbi faktiski ir bijuši nelieli izvietošanas gadījumi vai minimālas komerciālas procedūras, bieži vien tāpēc, ka tie joprojām nedarbojas vai ir piemēroti tikai Grid lietošanai. Šādu jauninājumu piemēri ir redox cirkulācijas akumulatori (RFB) un arī metāla-gaisa akumulatori (MAB).

Saskaņā ar Starptautiskās Enerģētikas aģentūras datiem līdz 2030. gadam lielākā daļa CO2 izmešu samazinājuma noteikti tiks nodrošināta ar modernām tehnoloģijām, kas pašlaik tiek izlaistas vai tiek piedāvātas tirgū, un arī līdz 2050. gadam aptuveni piecdesmit procenti oglekļa emisiju samazinājuma būs balstīti uz jauninājumiem, kas pašlaik ir demonstrācijas vai prototipa stadijā. Tātad federālās valdības, kā arī kultūras praktiski ir uz pareizā ceļa, lai risinātu vides izmaiņas. Tomēr ir daudz dažādu citu potenciālu sociālu, finansiālu un politisku šķēršļu, kas jāpārvar, lai garantētu, ka ideālas enerģijas modernās tehnoloģijas tiek ieviestas pietiekami ātri, lai šie samazinājumi būtu pietiekami lieli, lai izvairītos no lielāka mēroga bojājumiem (1. attēls). Lai gan šie faktori, kas jāņem vērā, nav neatkarīgi no tehniskajiem aspektiem, tiem var būt vajadzīgas dažādas pieejas un risinājumi. Šajā darbā tiek pārbaudīti divi būtiski izaicinājumi plašākā akumulatora ieviešanā: akumulatora cena un produktu ierobežojumi. Pašlaik pastāv virkne akumulatoru tehnoloģiju ar atbilstošiem efektivitātes atribūtiem, tomēr augstās sākotnējās izmaksas var aizkavēt vai apturēt plašāku veicināšanu, īpaši pašreizējos zemos ražošanas apmēros. Visbeidzot, pat tad, ja noteikta akumulatora tehnoloģija atbilst būtiskiem cenas un arī veiktspējas rādītājiem, tās svarīgo komponentu pieejamība un piegādes ķēde var kavēt ātru un dziļu integrāciju. Tādēļ šīs bažas ir jāatrisina pēc iespējas ātrāk, lai sasniegtu galvenos dekarbonizācijas mērķus. Šis darbs atklāj finanšu un politiskās metodes, lai pārvarētu vai apietu šos šķēršļus.
Galvenais šķērslis 1: akumulatora izmaksas

Izmaksas ir galvenais faktors, kas jāņem vērā, lai noteiktu, vai baterijas var izmantot tīkla enerģijas uzglabāšanas lietojumos. Atšķirībā no citiem akumulatoru tirgiem, piemēram, klīniskām ierīcēm, plaša patēriņa elektroniskām ierīcēm, elektriskajām kravas automašīnām utt., tīkla lietojumiem ir nepieciešami daudz zemāki tīras enerģijas pakalpojumi, lai konkurētu ar pieejamām fosilā kurināmā ražošanas iekārtām. Tā kā tīkla izveidei ir nepieciešami lieli ieguldījumi, kas bieži vien prasa piekļuvi finansējumam (piemēram, finansējumam), resursu izmaksas faktiski tradicionāli ir bijis nozīmīgs šķērslis atjaunojamo resursu ieviešanai un līdz ar to arī galvenais norāde uz to tehniski ekonomisko iespējamību. Baterijām izmaksas parasti ir atkarīgas no materiāla cenas, kā arī no ražošanas diapazona. Amerikas Savienoto Valstu Enerģētikas departaments parasti nosaka no 100 USD/kWh, kā arī USD 150/kWh kā finansiāli praktiskas tīkla enerģijas uzglabāšanas sistēmas finansēšanas izdevumu ierobežojumu.

Litija jonu akumulatori pašlaik ir viena no visvairāk izmantotajām akumulatoru enerģijas uzglabāšanas tehnoloģijām tīkla lietojumos. Litija jonu akumulatori ir spējuši paātrināt savu attīstību, ņemot vērā 90. gadus, jo tos pirmo reizi izmantoja daudzos augstvērtīgos tirgos, kas sastāvēja no klientu elektroniskajām ierīcēm un elektriskajām kravas automašīnām. Šajos tirgos akumulatoru piegādātāji var tirgot daudz mazāk uzlabotus un dārgākus akumulatoru produktus, jo tie ir vienīgā izvēle. Tas ļauj izveidot litija jonu akumulatorus pēc mēroga un arī par cenu, vienlaikus palielinot veiktspēju. Tātad, ja šī tehnoloģija tiek ņemta vērā enerģijas uzglabāšanas telpu sistēmās, litija jonu akumulatori faktiski ir uzrādījuši augstu efektivitāti, šī akumulatora uzlādes un izlādes veiktspēja tagad ir ļoti augsta, parasti pat 95%, un piegādes ķēde ir izveidota, lai nodrošinātu zemāku cenu. Jo īpaši, attīstoties elektriskajiem automobiļiem, litija jonu akumulatoru cena pēdējos gados ir dramatiski samazinājusies; litija jonu akumulatori, kas sastāv no samontētiem akumulatoru elementiem un administrācijas un arī drošības sistēmām, ir noslīdējuši ASV Enerģētikas departamenta noteiktajā iespējamajā diapazonā (ap 140 USD/kWh), nākotnē tiek prognozēts, ka tas samazināsies zem 100 USD/kWh. Tiek lēsts, ka litija jonu akumulatoru starptautiskās ražošanas jauda pārsniedz 700 GWh gadā, kā arī šobrīd nozare maksā gandrīz 50 miljardus ASV dolāru. Lai gan šī ir lieliska attīstība, joprojām ir nepieciešami vairāki aizsardzības līdzekļi, lai atļautu visus tīkla pakalpojumus un veiktu dziļu dekarbonizāciju. Turklāt piegādes ķēdes problēmas, kas apskatītas nākamajā sadaļā, var kavēt litija jonu akumulatoru enerģijas uzglabāšanas sistēmu izvietošanas diapazonu. Vairākas citas akumulatoru modernās tehnoloģijas piedāvā vēl ekonomiskākus pakalpojumus, īpaši ilgākā laika posmā (virs 4 stundām), tomēr tās neiegūst no tām pašām tirgus problēmām kā Li-ion, kā arī tām ir grūti cīnīties.

Daudziem alternatīviem akumulatoru dizainiem, kā arī produktiem ir būtiskas cenas priekšrocības salīdzinājumā ar litija jonu akumulatoriem. Piemēram, cirkulācijas akumulatori izmanto sistēmas dizainu, kas unikāli sadala jaudu un jaudu, norādot, ka abas var mērogot neatkarīgi viens no otra. Tas ļauj par pieņemamu cenu palielināt enerģijas uzglabāšanas vietas iespējas, padarot šādas baterijas daudz konkurētspējīgākas ilgākam darbības laikam. No otras puses, slēgta sistēma, piemēram, litija jonu akumulators, savieno jaudu un jaudu, padarot tās enerģijas uzglabāšanas vienības izmaksas par pamatoti fiksētu kritēriju. Lai gan ir norādīts, ka ilgstošas ​​izmaksas ir mazāks faktors, kas jāņem vērā salīdzinājumā ar sākotnējām izmaksām, plūsmas akumulatora (RFB) vai metāla-gaisa akumulatora (MAB) atvērtais stils papildus atvieglo ilgtermiņa izdevumu finansiālus ietaupījumus, ļaujot mērķtiecīgi uzturēt komponentus. To var tieši papildināt vai nomainīt ar elektrolītu (ātrākā nicinošā akumulatora sastāvdaļa), savukārt tipiskām slēgtām sistēmām, piemēram, litija jonu akumulatoriem, ir jāuzlabo vai jānomaina viss akumulatoru komplekts, kas rada noteiktu atkritumu daudzumu. Galu galā ir arī akumulatori, kas izmanto lētākus produktus ar augstāku saturu nekā litija jonu akumulatori, tādējādi samazinot iespējamos izdevumus.

Neskatoties uz šīm raksturīgajām priekšrocībām, dažādu iemeslu dēļ ir grūti pabeigt jaunus enerģijas uzglabāšanas risinājumus. Sākotnēji, lai gan dziļi dekarbonizēta tīkla optimālais stils integrē virkni akumulatoru uzglabāšanas pakalpojumu, šis scenārijs lielā mērā atšķiras no esošajiem faktiem. Tā kā šīs pavisam jaunās akumulatoru inovācijas patiešām ir tikai rentabli tīkla mēroga lietojumos un arī nevar tikt pie augstākas vērtības tirgos, nav skaidrs, kā tieši samazināt cenas, kā arī palielināt efektivitāti, lai tie spētu konkurēt ar litija jonu akumulatoriem, kad tie būs nepieciešami.

Šīs vistas un olu problēmas pasliktināšanās ir vēl viena līdzīga mīkla: šie jauninājumi, protams, ir riskantāki. Tas padara tos mazāk piesaistošus projektu vadītājiem, sponsoriem vai citiem lēmumu pieņēmējiem, padarot šīs modernās tehnoloģijas daudz retāk pieņemtas un rādītas, kā arī konsekventi riskants rezultāts. Šo šķēršļu rezultātā daudzi uzdevumi, kas ierosina izmantot šīs jaunās akumulatoru modernās tehnoloģijas, ir cīnījušies, lai nodrošinātu finansējumu ar uzņēmuma finanšu ieguldījumiem, darba finansēm un papildu līdzekļiem. Šīs problēmas var neatrisināt tikai privātais sektors, un federālās valdības attieksme var samazināt tehnoloģiskās briesmas, kā arī samazināt cenu, ko rada enerģijas uzglabāšanas vietas aizsardzības līdzekļi, kas tikai piesaista uzmanību tīklam, taču var veicināt dziļu dekarbonizāciju. Parasti liela mēroga demonstrācijas noteikti būs jāpārbauda un arī jāuztur ar tiešu iepirkumu. Viens veids, kā to paveikt, ir federālās valdības finansējums uzņēmējdarbības prezentācijas uzdevumiem, kā tas tika darīts iepriekš ar Amerikas atveseļošanas un arī atkārtotas investēšanas likumu. Pašlaik ASV Power Division nodrošina ievērojamu finansējumu demo enerģijas uzglabāšanas telpu projektiem. Tomēr šis finansējums faktiski vēsturiski ir piešķirts Amerikas Savienoto Valstu nacionālajām pētniecības laboratorijām, nevis pēc publiska pieprasījuma, kas būtu saistīts ar privāto sektoru un arī, iespējams, paātrinātu progresu. Turklāt ASV valdība var izstrādāt specializētu programmu tīkla enerģijas uzglabāšanas prezentācijām, kas ir izrādījusies daudzsološa daudzos tās agrīnās stadijas attīstības projektos. Šo vajadzību pēdējā laikā daļēji apmierināja ASV Enerģijas nodaļas Advanced Research Research Projects Agency for Power (ARPA-E) programma svarīgiem sasniegumiem enerģētikas tehnoloģijās ar neizmantotām iespējām. Tāpat ASV Clean Energy Demo birojs ir vēl viens solis labākajā virzienā: uzņēmums tika dibināts 2021. gadā ar mērķi demonstrēt lielus (pat miljardu dolāru) enerģijas uzglabāšanas projektus, kā arī sadarboties ar privāto sektoru, lai paātrinātu tīras enerģijas moderno tehnoloģiju ieviešanu un ieviešanu.

Mūsdienās pastāv tehnoloģijas, kas var veicināt jaudas lauka dekarbonizāciju. Tomēr pastāv bažas par spēju ātri un rentabli izveidot un arī ieviest šīs modernās tehnoloģijas, un tas pašlaik netiek veikts. Ar atbilstošiem stimuliem valdības attieksme var palīdzēt sasniegt un paātrināt vēlamos rezultātus. Turklāt dažādas pieejas un procedūras var palīdzēt pārvarēt dažus no šiem šķēršļiem, ja tās tiek izmantotas saprātīgi un arī ātri. Neskatoties uz pieeju, ir nepieciešams laiks, kā arī pieejamība publiskajām un arī ekskluzīvajām investīcijām ir būtiska