Ovire pri izvajanju shranjevanja baterij v Združenih državah: cena in izdelki

Medtem ko imajo ZDA trenutno različne tehnologije, ki bi lahko razogljičile omrežje, bi socialne, finančne in tudi politične ovire lahko preprečile, da bi se te sodobne tehnologije uvedle v časovnem okviru, ki je potreben za zatiranje okoljskih sprememb. Ta perspektiva poudarja 2 največji oviri za uvajanje prostora za shranjevanje baterij: ceno in tudi izdelke. Stroški običajnega prostora za shranjevanje baterij, predvsem sodobne tehnologije, so običajno še vedno previsoki. Študijska skupina na Massachusetts Institute of Modern Technology je raziskala zbirko političnih in tudi finančnih strategij, ki jih je razvila in zagotovila vlada Združenih držav za oglaševanje hitrejšega sproščanja prostora za shranjevanje energije in tudi znižanja cen. Bistveno upoštevanje naraščajočih cen je sorazmerno visoka vrednost materialov za baterije, upošteva poročilo. In manjša in poenostavljena dobavna veriga poudarja nujnost baterijskih izdelkov, naraščajoče stopnje in izziv hitre širitve. Za to obstajajo dejavniki poleg tehnoloških in ekonomskih storitev, od katerih nekatere analizira MIT. Pogosto obstaja nasprotujoče si partnerstvo med konkurenčno prednostjo podjetja (tj. ekskluzivna postavitev in tudi proizvodnja) in izjemno ekonomično proizvodnjo (tj. centralizacija, standardizacija itd.), ki ga je treba premagati s političnimi in ekonomskimi nagradami. Navsezadnje je potrebna večja nujnost na javnih in ekskluzivnih naložbenih področjih za obravnavanje sprememb okolja s hitro rastjo in tudi implementacijo najučinkovitejših rešitev.

Med najpomembnejšimi rešitvami za preprečevanje dodatnega spreminjanja podnebja je dekarbonizacija elektroenergetskega sektorja. Po podatkih, ki jih je objavila Uprava Združenih držav za energetske podatke (EIA), so leta 2020 skupne emisije ogljika, ki jih ustvari trg električne energije, predstavljale približno 32 % skupnih izpušnih plinov ogljika v ZDA. Z uporabo obnovljivih virov energije, kot sta veter in sončna energija, je mogoče proizvesti energijo brez sproščanja ogljikovega dioksida, glavnega onesnaževala, ki povzroča globalno segrevanje. Kljub temu se obnovljiva energija srečuje s ponavljajočimi se težavami pri proizvodnji, ker je njena oskrba odvisna od podnebnih razmer, ki so negotove, pa tudi od človekovega nadzora, kar je bistvena razlika v primerjavi z napravami za proizvodnjo fosilnih goriv, ​​ki lahko kadar koli zagotovijo več energije. Obstajajo različne rešitve za spopadanje s prekinitvami in zagotavljanje, da je povpraševanje vedno zadovoljeno: na primer, objekti za proizvodnjo obnovljive energije se lahko nadzidajo, tako da lahko ustvarjena električna energija, ko ni dovolj sonca ali vetra, še vedno zadosti povpraševanju po dobavi. Vendar je ta pristop drag in vključuje omejevanje. Druga storitev je uporaba minimalne količine obvladljive oskrbe z energijo (kot je okolju prijazen vodik in jedrska energija itd.), v idealnem primeru tipično čista energija, ki ne ustvarja CO2 (kot je zeleni vodik, amoniak, biografsko gorivo itd.). Kljub temu se te nastajajoče inovacije še vedno borijo za doseganje izvedljivih meritev stroškov in učinkovitosti, če so ustvarjene z uporabo ogljično nevtralnih postopkov. Medtem ko je potrebnih več metod, so prostorski sistemi za shranjevanje energije izjemno obetavno rešitev, poleg tega pa ponujajo širok nabor možnosti oblikovanja.

Možnost zavzemanja prostora za shranjevanje električne energije je pretvorba električne energije, ki jo dajejo obnovljivi viri, v druge vrste energije, kot so toplotna energija, elektrokemična energija, moč in tako naprej, ko je oskrba z električno energijo zadostna, ki jo je mogoče shraniti in sprostiti, da zadosti povpraševanju med trajanjem dobave. Objekti za proizvodnjo črpalne hidroelektrarne so dejansko že več kot 100 let učinkovita in tudi dobro dokumentirana vrsta prostora za shranjevanje energije; po podatkih Ministrstva za energijo Združene države (DOE) črpalna hidroelektrarna trenutno predstavlja vse sisteme za shranjevanje energije v uporabnem obsegu v Združeni državi 95 % zmogljivosti prostora za shranjevanje energije. Kljub temu je za višjo razogljičenje omrežja potrebna večja zmogljivost prostora za shranjevanje energije: glede na študijsko poročilo ameriške uprave za informacije o energiji (EIA) imajo ZDA trenutno nameščenih manj kot 2 GW prostorskih sistemov za shranjevanje energije v uporabnem obsegu, leta 2050 pa bo morda potrebnih na stotine gigavatov prostora za shranjevanje energije za pomoč pri globoki razogljičenju. Črpalne hidroelektrarne je težko meriti zaradi dejstva, da so običajno donosne le za velike, kapitalsko intenzivne projekte prostorov za shranjevanje energije, poleg tega pa so lokacije izvajanja omejene z geografskimi in dovoljenimi omejitvami. Poleg tega je omrežje zbirka storitev, od katerih se vsaka opira na različne značilne moči in tudi zahteve po moči, reakcijske čase itd., kar zahteva različne storitve prostora za shranjevanje energije. Najpogostejša statistika, ki se uporablja za pomoč pri ugotavljanju, ali je sodobna tehnologija shranjevanja energije praktično in tudi ekonomsko idealna za aplikacijo, je 'obdobje', ki predstavlja tudi trenutek, potreben za polno polnjenje ali ponovno vklop baterije. Zato je mogoče raziskati možnosti izvajanja v številnih trajanjih. Zaradi velikega oblikovalskega prostora, ki ga zagotavljajo za doseganje niza obdobij, in tudi zaradi različnih drugih prednosti, omenjenih v tem zapisu, baterije uporabljajo vrsto privlačnih tehnologij prostora za shranjevanje energije za naloge shranjevanja energije.

Baterija je elektrokemična naprava za shranjevanje, ki uporablja energijsko razliko med 'redoks' reakcijami za pretvorbo električne energije, posledično prihranek električne energije kot kemične energije ali prihranek električne energije iz kemične energije. Baterije imajo veliko potencialnih prednosti pred različnimi drugimi vrstami tehnologij za shranjevanje energije. Na primer, elektrokemične reakcije so običajno veliko bolj zanesljive kot termokemični odzivi v dekarboniziranem omrežju (in tudi na splošno v omrežju pod napetostjo) zaradi neposrednega sproščanja električne energije (običajno pri običajni ravni temperature in tlaka).

Poleg tega lahko izbirate med različnimi načrti za shranjevanje redoks reakcijske energije, ki zagotavljajo široko razporeditev sodobnih tehnologij za shranjevanje energije, ki temeljijo na aplikacijah. Kot primer razmislite o različnih poslovnih baterijah, ki se uporabljajo v uporabniški elektroniki, ki predstavljajo le majhen del omrežnih baterijskih sistemov za shranjevanje energije, ki so na voljo za uporabo v različnih izvedbah: litij-ionske, svinčeno-kislinske, nikelj-kadmijeve, cink-ogljikove baterije itd. Poleg tega je baterije mogoče uporabiti praktično kjer koli, za razliko od toplotnih ali gravitacijskih shranjevalnikov, ki običajno zahtevajo geografsko podrobne lokacije za shranjevanje. Te prednosti omogočajo, da se baterije uporabljajo ne samo za delovanje omrežja po razogljičenju, temveč tudi za zagotavljanje dodane vrednosti kot sekundarne storitve; baterije na primer prispevajo k večji neodvisnosti od napajanja in tudi zanesljivosti. Upoštevajte kolaps portoriškega električnega omrežja med nevihto Maria leta 2017. Razpršene zasnove mikroomrežij, vključno z objekti za proizvodnjo obnovljivih virov in prostorskimi sistemi za shranjevanje energije, lahko preprečijo tragične velike izpade električne energije. To je zato, ker razpršena proizvodnja zmanjšuje konstrukcijo in naknadno opremljanje prenosnega ogrodja (kot so daljnovodi in stebri), ki razpršujejo moč, vendar so ogroženi zaradi hudih vremenskih razmer.

Poleg tega se razpršena proizvodnja električne energije znebi možnosti osamljene točke okvare. Vsekakor je treba upoštevati tudi vprašanja sosedske politične in finančne svobode. Številne države nimajo velikih ekonomsko praktičnih neobnovljivih virov goriva, zato bi lahko sprememba na trgu obnovljive energije povečala domačo proizvodnjo električne energije, zmanjšala potrebo po uvozu električne energije in s tem povečala geopolitično svobodo. Združene države posebej priznavajo finančne izzive, ki jih lahko predstavlja odvisnost od električne energije, saj so v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja izkusile geopolitično povzročeno pomanjkanje nafte.

Danes obstaja veliko vrst baterijskih tehnologij, vsaka z različnimi zasnovami modelov, od katerih se mnoge lahko prilegajo vrsti kemije in uporabijo izbor alternativ. Litij-ionske baterije (LIB) veljajo za glavno baterijsko tehnologijo; v devetdesetih letih prejšnjega stoletja in tudi pozneje so se litij-ionske baterije uporabljale predvsem v elektronskih in mobilnih napravah, medtem ko se v zadnjih letih litij-ionske baterije uporabljajo predvsem v stacionarnih sistemih za shranjevanje energije ter v električnih avtomobilih (EV) na teh dveh velikih trgih. Večina inovacij na področju baterij, o katerih se razmišlja za uporabo v elektroenergetskem sektorju, je še razmeroma prezgodnjih in bi lahko zahtevale obsežno raziskavo poskusov in napak, vendar so bila do danes dosežena dela dejansko majhna uvajanja ali minimalni komercialni postopki, pogosto zaradi dejstva, da so še vedno neučinkoviti ali primerni le za aplikacijo Grid. Primeri takšnih inovacij so redoks cirkulacijske baterije (RFB) in tudi kovinsko-zračne baterije (MAB).

Po podatkih Mednarodne agencije za energijo bo do leta 2030 večina zmanjšanja izpustov CO2 gotovo izvirala iz sodobnih tehnologij, ki so trenutno na voljo ali so danes na trgu, prav tako pa bo do leta 2050 50 odstotkov zmanjšanja ogljika temeljilo na inovacijah, ki so trenutno v predstavitveni ali prototipni energetski inovaciji. Tako so zvezne vlade in kulture praktično na pravi poti, da obravnavajo spreminjanje okolja. Kljub temu obstajajo številne druge možne družbene, finančne in politične ovire, ki jih je treba premagati, da se zagotovi dovolj hitra uvedba idealnih energetskih sodobnih tehnologij, da so ta zmanjšanja dovolj velika, da se prepreči škoda večjega obsega (slika 1). Čeprav ti dejavniki, ki jih je treba upoštevati, niso neodvisni od tehničnih vidikov, lahko zahtevajo različne pristope in rešitve. To delo preverja dva ključna izziva pri širši implementaciji baterij: ceno baterije in omejitve izdelkov. Trenutno obstaja vrsta baterijskih tehnologij z ustreznimi lastnostmi učinkovitosti, vendar lahko visoki vnaprejšnji stroški odložijo ali ustavijo širše spodbujanje, zlasti pri trenutnem nizkem obsegu proizvodnje. Nazadnje, tudi če določena baterijska tehnologija izpolnjuje bistvene meritve glede cene in zmogljivosti, lahko dostopnost in dobavna veriga njenih vitalnih komponent ovirata hitro in tudi globoko integracijo. Zato je treba te pomisleke rešiti čim prej, da bi dosegli ključne cilje razogljičenja. To delo odkriva finančne in politične tehnike za premagovanje ali izogibanje tem oviram.
Ključna ovira 1: Stroški baterije

Cena je ključni dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri ugotavljanju, ali je mogoče baterije uporabiti v aplikacijah za shranjevanje energije v omrežju. V nasprotju z drugimi trgi baterij, kot so klinične naprave, potrošniške elektronske naprave, električni tovornjaki itd., omrežne aplikacije potrebujejo veliko cenejše storitve čiste energije, da lahko konkurirajo cenovno dostopnim objektom za proizvodnjo fosilnih goriv. Ker sprostitev omrežja zahteva velike naložbe, ki pogosto zahtevajo dostop do financiranja (npr. financiranja), so bili stroški virov dejansko tradicionalno pomembna ovira za sprejemanje obnovljivih virov in zato tudi osrednji pokazatelj njihove tehnično-ekonomske izvedljivosti. Pri baterijah so stroški na splošno odvisni od cene materiala in obsega izdelave. Ministrstvo za energijo Združenih držav običajno postavi med 100 $/kWh in tudi 150 $/kWh kot zgornjo mejo stroškov financiranja finančno praktičnega sistema za shranjevanje električne energije v omrežju.

Litij-ionske baterije so trenutno ena najbolj uporabljenih tehnologij za shranjevanje energije v omrežjih. Litij-ionske baterije so lahko pospešile svoj razvoj v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ker so bile prvič uporabljene v množici na trgih z visoko vrednostjo, ki jih sestavljajo elektronske naprave strank in električni tovornjaki. Na teh trgih lahko dobavitelji baterij tržijo veliko manj izboljšane in dražje baterijske izdelke, saj so edina izbira. To omogoča ustvarjanje litij-ionskih baterij v velikem obsegu in tudi po ceni, hkrati pa še poveča zmogljivost. Torej, ko se ta tehnologija upošteva pri prostorskih sistemih za shranjevanje energije, so litij-ionske baterije dejansko pokazale visoko učinkovitost, zmogljivost polnjenja in praznjenja te baterije je zdaj zelo visoka, običajno kar 95 %, dobavna veriga pa je vzpostavljena tako, da zagotavlja nižjo ceno. Konkretno z razvojem električnih avtomobilov je cena litij-ionskih baterij v zadnjih letih dejansko močno padla; litij-ionske baterije, sestavljene iz sestavljenih baterijskih celic ter administrativnih in tudi varnostnih sistemov, so padle v možni razpon, ki ga je opredelilo ameriško ministrstvo za energijo (približno 140 USD/kWh), v prihodnosti naj bi padle pod 100 USD/kWh. Mednarodna proizvodna zmogljivost za litij-ionske baterije naj bi presegla 700 GWh letno, danes pa je sektor vreden skoraj 50 milijard dolarjev. Čeprav je to odličen razvoj, je še vedno potrebna vrsta rešitev, da se omogočijo vse storitve omrežja in doseže globoka dekarbonizacija. Poleg tega lahko težave z dobavno verigo, pregledane v naslednjem razdelku, ovirajo obseg uporabe sistemov za shranjevanje energije z litij-ionskimi baterijami. Več drugih sodobnih baterijskih tehnologij ponuja še bolj ekonomične storitve, zlasti v daljših obdobjih (več kot 4 ure), vendar ne izkoriščajo istih tržnih težav kot Li-ion in jim je težko konkurirati.

Številne alternativne zasnove baterij in izdelki imajo temeljne cenovne prednosti v primerjavi z Li-ion baterijami. Obtočne baterije, na primer, uporabljajo sistemsko zasnovo, ki edinstveno deli moč in moč, kar kaže, da se lahko obe merita neodvisno drug od drugega. To omogoča cenovno ugodno rast zmogljivosti prostora za shranjevanje energije, zaradi česar so takšne baterije veliko bolj stroškovno konkurenčne za daljše trajanje. Po drugi strani zaprti sistem, kot je litij-ionska baterija, združuje moč in moč, zaradi česar je cena njegove enote za shranjevanje energije razumno fiksno merilo. Medtem ko je bilo poudarjeno, da so dolgotrajni stroški manjši dejavnik, ki ga je treba upoštevati v primerjavi z začetnimi stroški, odprt slog pretočne baterije (RFB) ali kovinsko-zračne baterije (MAB) dodatno olajša dolgoročne prihranke pri stroških, saj omogoča ciljno vzdrževanje komponent. Lahko ga takoj dopolnimo ali zamenjamo z elektrolitom (najhitrejši slabši element baterije), medtem ko je treba tipične zaprte sisteme, kot so litij-ionske baterije, izboljšati ali zamenjati celoten paket baterij, kar povzroči določeno količino odpadkov. Navsezadnje obstajajo tudi baterije, ki uporabljajo cenejše izdelke z višjo vsebnostjo kot litij-ionske baterije, kar zmanjšuje predvidene stroške.

Kljub tem inherentnim prednostim je nastajajoče rešitve za shranjevanje energije težko dokončati iz različnih razlogov. Na začetku, medtem ko optimalni slog globoko dekarboniziranega omrežja vključuje vrsto storitev za shranjevanje baterij, je ta scenarij precej od obstoječega dejstva. Ker so te popolnoma nove baterijske inovacije v resnici le stroškovno učinkovite za aplikacije v omrežju in jih tudi ne morejo priti na trge z višjo vrednostjo, ni jasno, kako natančno znižati cene in povečati učinkovitost, da bodo lahko konkurirale litij-ionskim baterijam, ko se bodo.

Poslabšanje te težave s piščancem in jajci je še ena podobna uganka: te nastajajoče inovacije so seveda bolj tvegane. Zaradi tega so manj privlačne za nadzornike projektov, sponzorje ali druge proizvajalce odločitev, zaradi česar so te sodobne tehnologije veliko redkeje sprejete in prikazane, rezultat pa je dosledno ocenjen kot tvegan. Zaradi teh ovir so se številne naloge, ki predlagajo uporabo teh nastajajočih sodobnih baterijskih tehnologij, borile za zaščito financiranja s finančnimi naložbami podjetja, financami delovnih mest in dodatnimi dodatki. Teh težav morda ne bo rešil sam zasebni sektor, obravnava zvezne vlade pa lahko zmanjša tehnološko nevarnost in tudi ceno nastajajočih rešitev prostora za shranjevanje energije, ki so v omrežju privlačne le za oko, vendar lahko prispevajo k globoki dekarbonizaciji. Običajno bo treba preizkusiti obsežne predstavitve in jih tudi vzdrževati z neposrednimi naročili. Eden od načinov, kako to doseči, je financiranje poslovnih predstavitvenih nalog zvezne vlade, kot je bilo prej storjeno z ameriškim zakonom o okrevanju in ponovnem vlaganju. Trenutno Oddelek za moč ZDA zagotavlja znatna sredstva za demo projekte prostora za shranjevanje električne energije. Kljub temu je bilo to financiranje dejansko zgodovinsko dano nacionalnim raziskovalnim laboratorijem Združenih držav, ne z javnim pozivom, kar bi vključevalo zasebni sektor in tudi potencialno pospešilo napredovanje. Poleg tega lahko ameriška vlada razvije specializiran program za predstavitve shranjevanja električne energije v omrežju, ki je obetaven v mnogih njenih razvojnih projektih v zgodnji fazi. To potrebo je nedavno delno zadovoljil program Agencije za napredne raziskovalne študije za energijo (ARPA-E) ameriškega oddelka za energijo za pomembne napredke v energetskih tehnologijah z neizkoriščeno možnostjo. Podobno je predstavitev ameriškega urada za čisto energijo še en korak v najboljšo smer: podjetje je bilo ustanovljeno leta 2021 s ciljem predstaviti velike (tudi milijarde dolarjev vredne) projekte shranjevanja energije ter sodelovati z zasebnim sektorjem, da bi pospešili sprejemanje in tudi uvajanje sodobnih tehnologij za čisto energijo.

Danes obstajajo tehnologije, ki lahko prispevajo k razogljičenju energetskega polja. Vendar pa obstajajo pomisleki glede zmožnosti hitrega in stroškovno učinkovitega ustvarjanja in tudi uvajanja teh sodobnih tehnologij, kar trenutno ni na mestu. Z ustreznimi spodbudami lahko državno zdravljenje pomaga doseči in pospešiti želene rezultate. Poleg tega lahko različni pristopi in postopki pomagajo premagati nekatere od teh ovir, če se uporabljajo pametno in tudi hitro. Kljub pristopu je potreben čas, kritična pa je tudi dostopnost javnosti in tudi ekskluzivna naložba