Bariéry pri implementácii batériového skladu v Spojených štátoch: Cena a produkty

Zatiaľ čo USA v súčasnosti disponujú rôznymi technológiami, ktoré by mohli dekarbonizovať rozvodnú sieť, sociálne, finančné a tiež politické bariéry môžu zabrániť nasadeniu týchto moderných technológií v časovom rámci potrebnom na potlačenie zmeny prostredia. Táto perspektíva poukazuje na 2 najväčšie prekážky nasadenia batériového úložného priestoru: cenu a tiež produkty. Výdavky v bežnom batériovom úložnom priestore modernej technológie sú zvyčajne stále príliš vysoké. Študijná skupina na Massachusettskom inštitúte modernej technológie preskúmala zbierku politických a tiež finančných stratégií, ktoré vyvinula a poskytla vláda Spojených štátov s cieľom propagovať rýchlejšie uvoľnenie priestoru na skladovanie energie a tiež minimalizovať ceny. Nezanedbateľným aspektom rastúcich cien je relatívne vysoká hodnota batériových materiálov, uvádza správa. Menší a zjednodušený dodávateľský reťazec zdôrazňuje naliehavosť batériových produktov, zvyšujúce sa sadzby a náročné rýchle škálovanie. Okrem technologických a ekonomických služieb sú na to faktory, z ktorých niektoré analyzuje MIT. Často existuje určité kontrastné partnerstvo medzi konkurenčnou výhodou firmy (tj exkluzívne usporiadanie a tiež výroba) a mimoriadne ekonomickou výrobou (tj centralizácia, štandardizácia atď.), ktoré by sa malo prekonať prostredníctvom politických a ekonomických odmien. V konečnom dôsledku je potrebná vyššia naliehavosť vo verejných, ako aj exkluzívnych investičných oblastiach, aby sa riešili zmeny životného prostredia s rýchlym rastom a tiež implementáciou najefektívnejších riešení.

Medzi najdôležitejšie riešenia na zabránenie ďalšej klimatickej zmeny patrí dekarbonizácia sektora elektrickej energie. Podľa údajov, ktoré zverejnila americká správa Energy Details Administration (EIA), v roku 2020 celkové emisie uhlíka generované trhom s elektrinou predstavovali približne 32 % celkových emisií uhlíka v USA. Použitím obnoviteľných zdrojov energie, ako je veterná a solárna energia, možno energiu vyrábať bez uvoľňovania oxidu uhličitého, hlavnej znečisťujúcej látky, ktorá spúšťa globálne otepľovanie. Napriek tomu obnoviteľná energia naráža na opakujúce sa problémy s výrobou, pretože jej dodávka závisí od klimatických podmienok, ktoré sú neisté, ako aj od minulej ľudskej kontroly, čo je podstatný rozdiel v porovnaní so zariadeniami na výrobu fosílnych palív, ktoré môžu kedykoľvek dodať viac energie. Existujú rôzne riešenia, ako sa vysporiadať s prerušovaním a zabezpečiť, aby bol dopyt vždy uspokojený: napríklad zariadenia na výrobu obnoviteľnej energie môžu byť prestavané tak, že keď slnko alebo vietor nie sú dostatočné, vytvorená elektrická energia môže stále uspokojovať dopyt ponuky. Tento prístup je však nákladný a zahŕňa aj obmedzovanie. Ďalšou službou je využitie minimálneho množstva zvládnuteľnej dodávky energie (ako je ekologický vodík, ako aj jadrová energia atď.), v ideálnom prípade typicky čistá energia, ktorá nevytvára CO2 (ako je zelený vodík, čpavok, biopalivo atď.). Napriek tomu tieto vznikajúce inovácie stále bojujú o dosiahnutie životaschopných metrík nákladov a efektívnosti, keď sa vytvárajú s využitím uhlíkovo neutrálnych postupov. Aj keď sú potrebné viaceré metódy, systémy na skladovanie energie sú mimoriadne sľubným liekom a ponúkajú širokú škálu možností dizajnu.

Zmyslom prevzatia priestoru na ukladanie energie je pri dostatočnom napájaní premeniť elektrickú energiu danú obnoviteľným zdrojom priamo na iné druhy energie, ako je tepelná energia, elektrochemická energia, energia a pod., ktorú je možné skladovať aj uvoľňovať, aby pokryla dopyt počas trvania dodávky. Zariadenia na výrobu prečerpávacích vodných elektrární sú už viac ako 100 rokov efektívnym a tiež dobre zdokumentovaným druhom priestoru na skladovanie energie; podľa Ministerstva energetiky Spojených štátov amerických (DOE), prečerpávacie vodné elektrárne v súčasnosti tvoria všetky systémy akumulácie energie v energetickom meradle v americkom štáte 95 % kapacity priestoru na ukladanie energie. Napriek tomu je potrebná väčšia kapacita úložného priestoru na dekarbonizáciu siete na vyššiu úroveň: podľa správy zo štúdie US Power Information Administration (EIA) má USA v súčasnosti nasadených menej ako 2 GW systémov na skladovanie energie v širokom meradle, ako aj stovky gigawattov úložného priestoru, ktoré môžu byť potrebné v roku 2050 na pomoc pri hlbokej dekarbonizácii. Prečerpávacia vodná elektráreň je ťažko škálovateľná vzhľadom na skutočnosť, že je zvyčajne lukratívna len pre veľké, kapitálovo náročné projekty na skladovanie energie, ako aj miesta implementácie sú obmedzené geografickými, ako aj povolenými obmedzeniami. Okrem toho je sieť súborom služieb, z ktorých každá závisí od rôznych charakteristických výkonov a tiež energetických požiadaviek, reakčných časov atď., čo si vyžaduje rôzne služby priestoru na ukladanie energie. Najbežnejšou štatistikou, ktorá pomáha zistiť, či je moderná technológia na ukladanie energie prakticky a aj ekonomicky ideálna pre danú aplikáciu, je 'perióda', ktorá tiež predstavuje okamih, ktorý si vyžaduje úplné nabitie alebo opätovné nabitie batérie. Preto je možné preskúmať možnosti spustenia v rôznych dĺžkach. Kvôli veľkému konštrukčnému priestoru, ktorý poskytujú na dosiahnutie série období a tiež rôznym ďalším výhodám uvedeným v tomto článku, batérie využívajú na úlohy ukladania energie sériu atraktívnych technológií skladovania energie.

Batéria je elektrochemické skladovacie zariadenie, ktoré využíva energetický rozdiel medzi 'redoxnými' reakciami na transformáciu elektrickej energie, čím šetrí elektrickú energiu ako chemickú energiu alebo šetrí elektrickú energiu z chemickej energie. Batérie majú veľa potenciálnych výhod oproti rôznym iným typom technológií skladovania energie. Napríklad elektrochemické reakcie sú zvyčajne oveľa spoľahlivejšie ako termochemické reakcie v dekarbonizovanej sieti (a tiež vo všeobecnosti v sieti pod napätím) kvôli priamemu uvoľneniu elektrickej energie (vo všeobecnosti pri bežnej teplote a tlaku).

Okrem toho sú na výber rôzne plány ukladania energie redoxnej reakcie, ktoré poskytujú široký priestor pre moderné technológie ukladania energie založené na aplikácii. Ako príklad si vezmite rozmanitosť podnikových batérií používaných v zákazníckej elektronike, ktoré predstavujú len malú časť mriežkových batériových úložných priestorov dostupných na použitie v rôznych prevedeniach: lítium-iónové, olovené, nikel-kadmiové, zinko-uhlíkové batérie atď. Okrem toho možno batérie nasadiť prakticky kdekoľvek, na rozdiel od tepelných alebo gravitačných skladov, ktoré si bežne vyžadujú geograficky podrobné miesta skladovania. Tieto výhody umožňujú, aby sa batérie využívali nielen na sieťové operácie po dekarbonizácii, ale aby tiež ponúkali pridanú hodnotu ako sekundárne služby; napríklad batérie prispievajú k väčšej nezávislosti napájania a tiež spoľahlivosti. Vezmite do úvahy kolaps elektrickej siete v Portoriku počas Storm Maria v roku 2017. Návrhy rozptýlených mikrosietí vrátane zariadení na výrobu obnoviteľných zdrojov a systémov skladovania energie môžu zabrániť tragickým veľkým výpadkom elektriny. Je to preto, že rozptýlená výroba znižuje konštrukciu a modernizáciu prenosovej sústavy (ako sú elektrické vedenia a stĺpy inžinierskych sietí), ktoré rozptyľujú energiu, sú však ohrozené nepriaznivými poveternostnými podmienkami.

Výroba rozptýlenej energie sa navyše zbavuje možnosti zlyhania jediného bodu. Iste, treba vziať do úvahy aj obavy týkajúce sa susedskej politiky, ako aj finančnej slobody. Mnoho krajín nevlastní veľké ekonomicky praktické zdroje neobnoviteľných zdrojov palív, takže zmena trhu s obnoviteľnou energiou by mohla posilniť domácu výrobu energie, znížiť potrebu dovozu energie, ako aj posilniť geopolitickú slobodu. Spojené štáty špecificky uznávajú finančné problémy, ktoré môže predstavovať závislosť od moci, keďže v 70. a 80. rokoch 20. storočia zažili geopoliticky generovaný nedostatok ropy.

V súčasnosti existuje mnoho druhov batériových technológií, z ktorých každá má rôzny dizajn modelov, z ktorých mnohé môžu vyhovovať rôznym chemickým látkam, ako aj využívať výber alternatív. Lítium-iónové batérie (LIB) sa považujú za hlavnú technológiu batérií; v deväťdesiatych rokoch, ako aj neskôr, sa lítium-iónové batérie používali najmä v elektronických a mobilných zariadeniach, zatiaľ čo v posledných rokoch sa lítium-iónové batérie používajú predovšetkým v stacionárnych systémoch skladovania energie, ako aj v elektrických automobilových (EV) na týchto 2 veľkých trhoch. Väčšina inovácií batérií, o ktorých sa uvažuje pre použitie v energetickom sektore, je stále relatívne predčasná a môže si vyžadovať komplexnú výskumnú štúdiu pokusov a omylov, ale doteraz dosiahnuté úlohy boli v skutočnosti malé nasadenia alebo minimálne komerčné postupy, často kvôli skutočnosti, že sú stále nedostatočne výkonné alebo sú vhodné len pre Gridové aplikácie. Príklady takýchto inovácií pozostávajú z redoxných cirkulačných batérií (RFB) a tiež batérií typu metal-air (MAB).

Podľa Medzinárodnej energetickej agentúry bude do roku 2030 väčšina zníženia vypúšťania CO2 určite pochádzať z moderných technológií, ktoré sú v súčasnosti uvádzané na trh alebo sú dnes na trhu, a tiež do roku 2050, čo sa týka päťdesiatich percent zníženia uhlíka, bude závisieť od inovácií, ktoré sú v súčasnosti v štádiu demonštrácie alebo prototypu energetickej inovácie. Takže federálne vlády, ako aj kultúry sú prakticky na správnej ceste riešiť zmeny životného prostredia. Napriek tomu existuje množstvo rôznych ďalších potenciálnych sociálnych, finančných a politických prekážok, ktoré je potrebné prekonať, aby sa zaručilo, že ideálne energetické moderné technológie budú nasadené dostatočne rýchlo, aby tieto poklesy boli dostatočné na to, aby sa predišlo škodám väčšieho rozsahu (obrázok 1). Hoci tieto faktory, ktoré je potrebné zvážiť, nie sú nezávislé od technických aspektov, môžu si vyžadovať rôzne prístupy a riešenia. Táto práca preveruje dve kľúčové výzvy v širšej implementácii batérií: cena batérií a obmedzenia produktov. V súčasnosti existuje celý rad batériových technológií s vhodnými atribútmi účinnosti, no vysoké počiatočné náklady môžu oddialiť alebo zastaviť širšiu podporu, najmä pri súčasných nízkych výrobných mierach. Napokon, aj keď určitá technológia batérií spĺňa základné metriky ceny a výkonu, dostupnosť a dodávateľský reťazec jej životne dôležitých komponentov môže brániť rýchlej a hlbokej integrácii. Preto sa tieto obavy musia čo najrýchlejšie vyriešiť, aby sa dosiahli kľúčové ciele dekarbonizácie. Táto práca objavuje finančné a politické techniky na prekonanie alebo obídenie týchto bariér.
Kľúčová bariéra 1: Cena batérie

Náklady sú kľúčovým faktorom, ktorý treba zvážiť, či možno batérie použiť v aplikáciách na skladovanie energie v sieti. Na rozdiel od iných trhov s batériami, ako sú klinické zariadenia, spotrebné elektronické zariadenia, elektrické nákladné autá atď., sieťové aplikácie potrebujú oveľa nižšie náklady na služby čistej energie, aby mohli konkurovať cenovo dostupným zariadeniam na výrobu fosílnych palív. Keďže uvoľnenie siete si vyžaduje veľké investície, ktoré si často vyžadujú prístup k financovaniu (napr. financiám), náklady na zdroje boli v skutočnosti tradične významnou prekážkou pri prijímaní obnoviteľných zdrojov, a preto aj ústredným ukazovateľom ich technicko-ekonomickej realizovateľnosti. V prípade batérií sa náklady vo všeobecnosti odvíjajú od ceny materiálu, ako aj od výrobného rozsahu. Ministerstvo energetiky Spojených štátov amerických zvyčajne stanovuje medzi 100 USD/kWh a 150 USD/kWh ako strop nákladov na financovanie finančne praktického systému skladovania elektrickej energie v rozvodnej sieti.

Lítium-iónové batérie sú v súčasnosti jednou z najpoužívanejších technológií na ukladanie energie batérií v sieťových aplikáciách. Lítium-iónové batérie mali schopnosť urýchliť svoj vývoj vzhľadom na to, že v 90. rokoch 20. storočia boli prvýkrát použité v množstve na vysokohodnotných trhoch pozostávajúcich zo zákazníckych elektronických zariadení a elektrických nákladných vozidiel. Na týchto trhoch môžu dodávatelia batérií predávať oveľa menej vylepšené a cenovo výhodnejšie batérie, pretože sú jedinou voľbou. To umožňuje, aby sa lítium-iónové batérie vyrábali vo veľkom rozsahu a tiež za cenu, pričom sa ďalej maximalizuje výkon. Takže keď sa táto technológia vezme do úvahy pre systémy na ukladanie energie, lítium-iónové batérie skutočne preukázali vysokú účinnosť, výkon nabíjania a vybíjania tejto batérie je teraz veľmi vysoký, bežne až 95 %, a dodávateľský reťazec je vytvorený tak, aby sa zabezpečila nižšia cena. Najmä s vývojom elektrických automobilov sa cena lítium-iónových batérií v posledných rokoch dramaticky znížila; lítium-iónové batérie pozostávajúce zo zložených batériových článkov a administratívnych a tiež bezpečnostných systémov klesli do možného rozsahu definovaného Ministerstvom energetiky USA (okolo 140 USD/kWh), v budúcnosti sa predpokladá pokles pod 100 USD/kWh. Medzinárodná výrobná kapacita lítium-iónových batérií je približne 700 GWh ročne a dnes predstavuje sektor takmer 50 miliárd USD. Aj keď ide o vynikajúci vývoj, stále je potrebný celý rad nápravných opatrení, aby sa umožnili všetky služby siete a aby sa dosiahla hlboká dekarbonizácia. Okrem toho problémy s dodávateľským reťazcom preskúmané v ďalšej časti môžu brániť rozsahu nasadenia systémov na ukladanie energie z lítium-iónových batérií. Niekoľko ďalších moderných technológií batérií ponúka ešte ekonomickejšie služby, najmä pri dlhších časových úsekoch (viac ako 4 hodiny), napriek tomu neťažia z rovnakých trhových problémov ako Li-ion a ťažko sa s nimi bojuje.

Početné alternatívne konštrukcie batérií, ako aj produkty majú zásadné cenové výhody v porovnaní s lítium-iónovými batériami. Napríklad obehové batérie používajú systémový dizajn, ktorý jedinečne rozdeľuje výkon a výkon, čo naznačuje, že sa môžu meniť nezávisle od seba. To umožňuje cenovo dostupný rast kapacity úložného priestoru, vďaka čomu sú takéto batérie oveľa konkurencieschopnejšie z hľadiska nákladov na dlhšie trvanie. Na druhej strane, uzavretý systém, ako je lítium-iónová batéria, spája energiu a energiu, vďaka čomu sú náklady na jej jednotku na ukladanie energie primerane pevným kritériom. Aj keď sa poukázalo na to, že dlhotrvajúce náklady sú menej dôležitým faktorom v porovnaní s počiatočnými nákladmi, otvorený štýl prietokovej batérie (RFB) alebo batérie s kovovým vzduchom (MAB) navyše uľahčuje dlhodobé finančné úspory nákladov tým, že umožňuje cielenú údržbu komponentov. Dá sa rovno doplniť alebo vymeniť pomocou elektrolytu (najrýchlejšia hanlivá zložka batérie), zatiaľ čo typické uzavreté systémy, ako sú lítium-iónové batérie, vyžadujú vylepšenie alebo výmenu celej batérie, čo vytvára určité množstvo odpadu. V konečnom dôsledku existujú aj batérie, ktoré využívajú lacnejšie produkty s vyšším obsahom ako lítium-iónové batérie, čím sa znižujú potenciálne náklady.

Napriek týmto inherentným výhodám je z rôznych dôvodov ťažké dokončiť vznikajúce riešenia skladovania energie. Spočiatku, zatiaľ čo optimálny štýl hlboko dekarbonizovanej siete integruje sériu služieb batériového skladovania, tento scenár je veľmi odlišný od existujúcej skutočnosti. Pretože tieto úplne nové inovácie batérií sú skutočne len nákladovo efektívne pre aplikácie v sieťovom meradle a tiež sa nemôžu dostať na trhy s vyššou hodnotou, nie je jasné, ako presne znížiť ceny, ako aj zvýšiť účinnosť, aby mohli konkurovať lítium-iónovým batériám, keď nakoniec nastane potreba, služby dlhodobého skladovania energie alebo výmena zariadení na výrobu fosílnych palív môžu byť uspokojené so zníženými nákladmi.

Zhoršenie tohto problému s kuracím a vaječným je ďalším podobným hlavolamom: Tieto vznikajúce inovácie sú prirodzene riskantnejšie. Vďaka tomu sú menej pútavé pre projektových dozorov, sponzorov alebo iných rozhodujúcich výrobcov, vďaka čomu sú tieto moderné technológie oveľa menej bežne prijímané a zobrazované, ako aj výsledok, ktorý sa dôsledne považuje za riskantný. Výsledkom týchto prekážok je, že mnohé úlohy, ktoré navrhujú využitie týchto novovznikajúcich batériových moderných technológií, bojovali o zabezpečenie financovania s finančnými investíciami spoločnosti, financiami na prácu a ďalšími. Tieto problémy možno nevyrieši len súkromný sektor a liečba federálnou vládou môže znížiť technologické nebezpečenstvo a tiež znížiť cenu vznikajúcich nápravných opatrení na skladovanie energie, ktoré priťahujú pozornosť siete, ale môžu prispieť k hlbokej dekarbonizácii. Vo všeobecnosti bude určite potrebné otestovať rozsiahle demonštrácie a tiež ich udržať priamym obstarávaním. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je financovanie úloh obchodnej prezentácie federálnou vládou, ako to bolo predtým v prípade amerického zákona o obnove a tiež o reinvestíciách. V súčasnosti poskytuje americká divízia energie značné financovanie projektov demonštračných priestorov na ukladanie energie. Napriek tomu sa toto financovanie v skutočnosti historicky poskytovalo národným výskumným laboratóriám Spojených štátov, nie na základe verejnej žiadosti, čo by zahŕňalo súkromný sektor a tiež by potenciálne urýchlilo postup. Okrem toho môže vláda USA vyvinúť špecializovaný program pre prezentácie sieťového skladovania energie, čo sa ukázalo ako sľubné v mnohých jej počiatočných vývojových projektoch. Táto potreba bola nedávno čiastočne uspokojená štúdiou Advanced Research Projects Agency for Power (ARPA-E) americkej divízie Power pre dôležité pokroky v energetických technológiách s nevyužitými možnosťami. Podobne je ďalším krokom najlepším smerom US Office of Clean Energy Demo: spoločnosť bola založená v roku 2021 s cieľom prezentovať veľké (aj miliardové) projekty skladovania energie a tiež spolupracovať so súkromným sektorom na urýchlení prijatia a tiež nasadenia moderných technológií čistej energie.

Dnes existujú technológie, ktoré môžu prispieť k dekarbonizácii energetického poľa. Existujú však obavy týkajúce sa schopnosti vytvárať a tiež nasadzovať tieto moderné technológie rýchlo a nákladovo efektívne, čo je úloha, ktorá v súčasnosti neexistuje. S vhodnými stimulmi môže vládna liečba pomôcť dosiahnuť a urýchliť požadované výsledky. Okrem toho rôzne prístupy a postupy môžu pomôcť prekonať niekoľko z týchto prekážok, ak sa použijú rozumne a tiež rýchlo. Napriek tomuto prístupu je potrebný čas, rovnako ako dostupnosť verejnosti a tiež exkluzívne investície sú kritické