Barrierat për zbatimin e ruajtjes së baterive të Shteteve të Bashkuara: Çmimi dhe Produktet

Ndërsa SHBA-ja aktualisht ka një shumëllojshmëri teknologjish që mund të dekarbonizojnë rrjetin, barrierat sociale, financiare dhe gjithashtu politike mund të shmangin vendosjen e këtyre teknologjive moderne në kornizën kohore të kërkuar për të shtypur ndryshimin e mjedisit. Kjo perspektivë nxjerr në pah 2 nga pengesat më të mëdha për vendosjen e hapësirës së ruajtjes së baterive: çmimin dhe gjithashtu produktet. Shpenzimet në hapësirën e zakonshme të ruajtjes së baterive, teknologjia moderne, në mënyrë tipike, zakonisht vazhdojnë të jenë shumë të larta. Një grup studimi në Institutin e Teknologjisë Moderne në Masaçusets eksploroi një koleksion strategjish politike dhe gjithashtu financiare të zhvilluara dhe ofruara nga qeveria e Shteteve të Bashkuara për të reklamuar lëshimin më të shpejtë të hapësirës së ruajtjes së energjisë dhe gjithashtu për të minimizuar çmimet. Një konsideratë thelbësore për rritjen e çmimeve është vlera relativisht e lartë e materialeve të baterive, mbahet parasysh raporti. Dhe një zinxhir furnizimi me përmasa më të vogla dhe të thjeshta nxjerr në pah urgjencën e produkteve të baterive, duke rritur tarifat dhe duke sfiduar shkallëzimin e shpejtë. Për këtë ka faktorë përveç shërbimeve teknologjike dhe ekonomike, disa prej të cilëve janë analizuar nga MIT. Shpesh, ekziston një partneritet i kundërt midis avantazhit konkurrues të një firme (p.sh. paraqitjen ekskluzive dhe gjithashtu prodhimin) dhe prodhimit shtesë ekonomik (dmth. centralizimi, standardizimi, etj) që duhet të kapërcehet përmes shpërblimeve politike dhe ekonomike. Në fund të fundit, kërkohet një urgjencë më e madhe në publik, si dhe në fushat ekskluzive të investimeve për të adresuar modifikimin e mjedisit me rritjen e shpejtë dhe gjithashtu zbatimin e zgjidhjeve më efektive.

Ndër zgjidhjet më të rëndësishme për të parandaluar modifikimin shtesë të klimës është dekarbonizimi i sektorit të energjisë elektrike. Sipas të dhënave të lëshuara nga Administrata e Detajeve të Energjisë (EIA), në vitin 2020, emetimet totale të karbonit të gjeneruara nga tregu i energjisë përfaqësonin rreth 32% të totalit të shkarkimeve të karbonit në SHBA. Duke përdorur burime të rinovueshme të energjisë si era si dhe energjia diellore, energjia mund të prodhohet pa çliruar dioksid karboni, ndotësi kryesor që shkakton ngrohjen globale. Megjithatë, energjia e rinovueshme përballet me probleme gjeneruese të përsëritura, sepse furnizimi i saj mbështetet në kushtet klimatike që janë të pasigurta, si dhe në kontrollin e kaluar njerëzor, që është një ndryshim thelbësor në kontrast me objektet e prodhimit të karburanteve fosile që mund të furnizojnë më shumë energji në çdo kohë. Ekzistojnë zgjidhje të ndryshme për t'u marrë me ndërprerjet dhe për të siguruar që kërkesa të jetë gjithmonë e kënaqur: si shembull, objektet e prodhimit të energjisë së rinovueshme mund të ndërtohen tepër, në mënyrë që kur dielli ose era janë të pamjaftueshme, energjia elektrike e krijuar mund të plotësojë ende kërkesën për furnizim. Megjithatë, kjo qasje është e kushtueshme, si dhe kërkon pakësim. Një shërbim tjetër është përdorimi i një sasie minimale të furnizimit me energji të menaxhueshme (të tilla si hidrogjeni miqësor ndaj mjedisit, si dhe energjia bërthamore, etj.), në mënyrë ideale, energji tipike e rregullt që nuk krijon CO2 (si hidrogjeni i gjelbër, amoniaku, karburanti biografik, etj.). Sidoqoftë, këto risi në zhvillim ende luftojnë për të përmbushur metrikat e qëndrueshme të kostos dhe efikasitetit kur krijohen duke përdorur procedura neutrale ndaj karbonit. Ndërsa nevojiten metoda të shumta, sistemet e hapësirës së ruajtjes së energjisë janë një ilaç jashtëzakonisht premtues, si dhe ofrojnë një gamë të madhe zgjedhjesh të projektimit.

Lehtësia e marrjes së hapësirës së ruajtjes së energjisë është shndërrimi i energjisë elektrike të dhënë nga burimet e rinovueshme drejt e në lloje të tjera të energjisë, si energjia termike, energjia elektrokimike, energjia, e kështu me radhë, kur furnizimi me energji elektrike është i mjaftueshëm, i cili mund të ruhet si dhe të lirohet për të përmbushur kërkesën gjatë kohëzgjatjes së furnizimit. Objektet e prodhimit të hidrocentraleve me pompa kanë qenë në fakt një lloj hapësire efikase dhe gjithashtu e mirë-dokumentuar e ruajtjes së energjisë për më shumë se 100 vjet; sipas Departamentit të Energjisë të Shtetit të Bashkuar (DOE), hidrocentralet e pompuara aktualisht përbëjnë të gjitha sistemet e ruajtjes së energjisë në shkallë të shërbimeve në shtetin e bashkuar 95% të kapacitetit të hapësirës së ruajtjes së energjisë. Megjithatë, kërkohet më shumë kapacitet hapësirë ​​ruajtëse të energjisë për të dekarbonizuar rrjetin në një nivel më të madh: sipas raportit të studimit të Administratës së Informacionit të Energjisë së SHBA (EIA), SHBA aktualisht ka më pak se 2 GW sisteme të hapësirës së ruajtjes së energjisë në shkallë të shërbimeve të vendosura, si dhe qindra gigavat hapësirë ​​të thellë të ruajtjes së energjisë mund të nevojiten në vitin 2050 për të ndihmuar dekarbonizimin. Hidrocentrali i pompuar është i vështirë për t'u shkallëzuar për shkak të faktit se zakonisht është fitimprurës vetëm për projekte të mëdha të hapësirës së ruajtjes së energjisë me intensitet kapital, si dhe vendndodhjet e zbatimit janë të kufizuara nga gjeografia si dhe lejojnë kufizime. Për më tepër, rrjeti është një koleksion shërbimesh, secila prej të cilave mbështetet në fuqi të ndryshme karakteristike dhe gjithashtu kërkesa për energji, kohë reagimi, e kështu me radhë, duke kërkuar një shumëllojshmëri shërbimesh të hapësirës së ruajtjes së energjisë. Statistikat më të zakonshme të përdorura për të ndihmuar të kuptojmë nëse një teknologji moderne e ruajtjes së energjisë është praktikisht dhe gjithashtu ekonomikisht ideale për një aplikacion është 'periudha', e cila gjithashtu përfaqëson momentin që kërkon për të karikuar plotësisht ose për të riaktivizuar baterinë. Prandaj, mund të hulumtohen zgjedhje për të ekzekutuar në kohëzgjatje të shumta. Për shkak të hapësirës së madhe të projektimit që ofrojnë për të arritur një seri periudhash dhe gjithashtu avantazheve të tjera të ndryshme të kaluara në këtë shkrim, bateritë përdorin një sërë teknologjish tërheqëse të hapësirës së ruajtjes së energjisë për punët e ruajtjes së energjisë.

Një bateri është një pajisje ruajtëse elektrokimike që përdor diferencën e energjisë midis reaksioneve 'redoks' për të transformuar energjinë elektrike, si rrjedhim duke kursyer energjinë elektrike si energji kimike ose duke kursyer energjinë elektrike nga energjia kimike. Bateritë kanë shumë avantazhe të mundshme ndaj llojeve të ndryshme të teknologjive të tjera të ruajtjes së energjisë. Për shembull, reaksionet elektrokimike janë zakonisht shumë më të besueshme sesa përgjigjet termokimike në një rrjet të dekarbonizuar (dhe gjithashtu, në përgjithësi, në një rrjet me energji) për shkak të çlirimit të drejtpërdrejtë të energjisë elektrike (përgjithësisht në nivelin e temperaturës dhe presionit të përbashkët).

Përveç kësaj, ekzistojnë plane të ndryshme të ruajtjes së energjisë reaksioni redoks për të zgjedhur, duke ofruar një hapësirë ​​të gjerë plan urbanistik për teknologjitë moderne të ruajtjes së energjisë bazuar në aplikim. Si shembull, merrni parasysh shumëllojshmërinë e baterive të biznesit të përdorura në elektronikën e klientëve, të cilat përfaqësojnë vetëm një pjesë të vogël të sistemeve të hapësirës së ruajtjes së fuqisë së baterisë në shkallë rrjeti, të disponueshme për përdorim në dizajne të ndryshme: litium-jon, acid plumbi, nikel-kadmium, bateri zink-karbon etj. Për më tepër, bateritë mund të vendosen praktikisht kudo që kërkojnë vendndodhjen e zakonshme të ruajtjes, ndryshe nga lokacioni i ruajtjes grafikisht. Këto përfitime lejojnë që bateritë të përdoren jo vetëm për operimet e rrjetit pas dekarbonizimit, por gjithashtu për të ofruar vlerë të shtuar si shërbime dytësore; për shembull bateritë kontribuojnë në rritjen e pavarësisë së energjisë dhe gjithashtu besueshmërinë. Merrni parasysh kolapsin e rrjetit të energjisë në Porto Riko gjatë stuhisë Maria në 2017. Dizajni i shpërndarë i mikrorrjetit, duke përfshirë objektet e prodhimit të burimeve të rinovueshme dhe sistemet e hapësirës së ruajtjes së energjisë, mund të parandalojnë ndërprerje të mëdha tragjike të energjisë. Kjo është për shkak se gjenerimi i shpërndarë ul ndërtimin dhe rikonstruksionin e kornizës së transmetimit (të tilla si linjat e energjisë dhe shtyllat e shërbimeve) që shpërndajnë energjinë, megjithatë janë në rrezik ndaj ngjarjeve të kushteve të rënda të motit.

Për më tepër, prodhimi i energjisë së shpërndarë shpëton nga mundësia e një pike të vetmuar dështimi. Sigurisht, duhet të merren parasysh edhe shqetësimet politike të fqinjësisë, si dhe liria financiare. Shumë vende nuk posedojnë burime të mëdha ekonomikisht praktike të burimeve të karburantit të papërtëritshëm, kështu që një ndryshim në tregun e energjisë së rinovueshme mund të përmirësojë prodhimin vendas të energjisë, të ulë nevojën për importe të energjisë, si dhe të nxisë lirinë gjeopolitike. Shtetet e Bashkuara i pranojnë në mënyrë specifike sfidat financiare që mund të paraqesë varësia nga pushteti, pasi kanë përjetuar mungesa gjeopolitike të naftës në vitet 1970 dhe 1980.

Sot ekzistojnë shumë lloje të teknologjive të baterive, secila me modele të ndryshme modelesh, shumë prej të cilave mund të përshtaten me një sërë kimikatesh si dhe të përdorin një përzgjedhje alternativash. Bateritë litium-jon (LIB) janë marrë në konsideratë si teknologjia kryesore e baterive; në vitet 1990, si dhe më vonë, bateritë litium-jon u përdorën kryesisht në pajisjet elektronike dhe celulare, ndërsa vitet e fundit, bateritë litium-jon përdoren kryesisht në sistemet stacionare të ruajtjes së energjisë, si dhe në Automotive elektrike (EV) këto 2 tregje në shkallë të gjerë. Shumica e inovacioneve të baterive të menduara për përdorim në sektorin e energjisë janë ende relativisht të parakohshme dhe mund të kërkojnë studime gjithëpërfshirëse të provave dhe gabimeve, por punët e arritura deri më sot kanë qenë në fakt vendosje të vogla ose procedura minimale tregtare, shpesh për shkak të faktit se ato janë ende të dobëta ose janë të përshtatshme vetëm për aplikimin e Rrjetit. Rastet e inovacioneve të tilla përbëhen nga bateritë me qarkullim redoks (RFB) dhe gjithashtu bateritë metal-ajër (MAB).

Sipas Agjencisë Ndërkombëtare të Energjisë, deri në vitin 2030, pjesa më e madhe e reduktimit të shkarkimeve të CO2 sigurisht që do të vijë nga teknologjitë moderne të lëshuara ose në treg sot, dhe gjithashtu deri në vitin 2050, rreth pesëdhjetë për qind e uljes së karbonit do të mbështetet në risitë aktualisht në fazën demo ose prototip të inovacionit të energjisë. Pra, qeveritë federale si dhe kulturat janë praktikisht në rrugën e duhur për të adresuar modifikimin e mjedisit. Megjithatë, ka shumë pengesa të tjera të ndryshme të mundshme sociale, financiare dhe politike që duhet të kapërcehen për të garantuar që teknologjitë moderne të energjisë ideale të përdoren mjaft shpejt, sa që këto ulje të jenë mjaft të mëdha për të shmangur dëmtimet në shkallë më të madhe (Figura 1). Ndërsa këta faktorë për t'u marrë parasysh nuk janë të pavarur nga aspektet teknike, ata mund të kërkojnë qasje dhe zgjidhje të ndryshme. Kjo punë kontrollon dy sfida thelbësore në zbatimin më të gjerë të baterive: çmimin e baterisë dhe kufizimet e produktit. Aktualisht ekzistojnë një sërë teknologjish baterish me atribute të përshtatshme të efikasitetit, megjithatë kostot e larta fillestare mund të vonojnë ose ndalojnë nxitjen më të gjerë, veçanërisht në shkallët aktuale të prodhimit të ulët. Së fundmi, edhe nëse një teknologji e caktuar e baterisë plotëson matjet thelbësore të çmimit dhe performancës, aksesi dhe zinxhiri i furnizimit të komponentëve të tij jetikë mund të pengojnë integrimin e shpejtë dhe të thellë. Prandaj, këto shqetësime duhet të zgjidhen sa më shpejt që të jetë e mundur për të arritur objektivat kryesore të dekarbonizimit. Kjo vepër zbulon teknika financiare dhe politike për të kapërcyer ose anashkaluar këto barriera.
Barriera kryesore 1: Kostoja e baterisë

Kostoja është një faktor thelbësor për t'u marrë parasysh nëse bateritë mund të përdoren në aplikimet e ruajtjes së energjisë në rrjet. Ndryshe nga tregjet e tjera të baterive si pajisjet klinike, pajisjet elektronike të konsumit, kamionët elektrikë, etj., aplikacionet e rrjetit kanë nevojë për shërbime të energjisë së pastër me shpenzime shumë më të ulëta për të konkurruar me objektet e prodhimit të karburanteve fosile të përballueshme. Për shkak se lirimi i rrjetit kërkon investime të mëdha, duke kërkuar shpesh akses në financim (p.sh. financime), kostoja e burimeve ka qenë në fakt tradicionalisht një pengesë e rëndësishme për adoptimin e burimeve të rinovueshme dhe gjithashtu një tregues qendror i fizibilitetit të tij tekniko-ekonomik. Për bateritë, kostoja në përgjithësi varet nga çmimi i materialit, si dhe nga diapazoni i prodhimit. Departamenti i Shteteve të Bashkuara të Energjisë zakonisht vendos ndërmjet 100 dollarë/kWh si dhe 150 dollarë/kWh si kufi për shpenzimet e financimit të një sistemi financiarisht praktik të ruajtjes së energjisë në rrjet.

Bateritë litium-jon janë aktualisht një nga teknologjitë më të përdorura të ruajtjes së energjisë së baterive në aplikacionet e rrjetit. Bateritë litium-jon kanë pasur aftësinë për të përshpejtuar zhvillimin e tyre duke pasur parasysh se në vitet 1990, sepse ato u përdorën për herë të parë në shumë tregje me vlerë të lartë të përbërë nga pajisje elektronike të klientëve dhe kamionë elektrike. Në këto tregje, furnizuesit e baterive mund të tregtojnë produkte baterish shumë më pak të përmirësuara dhe me çmim më të lartë, pasi ato janë zgjidhja e vetme. Kjo bën të mundur që bateritë litium-jon të krijohen në shkallë dhe gjithashtu me çmim, duke maksimizuar më tej performancën. Pra, kur kjo teknologji merret në konsideratë për sistemet e hapësirës së ruajtjes së energjisë, bateritë litium-jon kanë treguar në fakt efikasitet të fortë, performanca e ngarkimit dhe shkarkimit të kësaj baterie tani është shumë e lartë, zakonisht deri në 95%, dhe zinxhiri i furnizimit është krijuar për të siguruar që çmimi të jetë më i ulët. Në mënyrë të veçantë me zhvillimin e automobilave elektrike, çmimi i baterive litium-jon ka rënë në mënyrë dramatike në vitet e fundit; Bateritë litium-jon, të përbëra nga qelizat e montuara të baterive dhe sistemet e administrimit, si dhe sistemet e sigurisë, kanë rënë brenda kufijve të mundshëm të përcaktuar nga Departamenti i Energjisë i SHBA (rreth 140 USD/kWh), parashikohet të bjerë nën 100 USD/kWh në të ardhmen. Aftësia ndërkombëtare e prodhimit për bateritë litium-jon është e përafërt të kalojë 700 GWh në vit, si dhe sot është një sektor gati 50 miliardë dollarë. Ndërsa ky është një zhvillim i shkëlqyer, ende nevojiten një sërë zgjidhjesh për të lejuar të gjitha shërbimet e rrjetit dhe për të kryer dekarbonizimin e thellë. Për më tepër, çështjet e zinxhirit të furnizimit të shqyrtuara në seksionin vijues mund të pengojnë gamën e vendosjes së sistemeve të ruajtjes së energjisë së baterive litium-jon. Disa teknologji të tjera moderne të baterive ofrojnë shërbime edhe më ekonomike, veçanërisht në periudha më të gjata (mbi 4 orë), megjithatë ato nuk përfitojnë nga të njëjtat probleme të tregut si Li-ion, si dhe e kanë të vështirë të përballen.

Modele të shumta alternative të baterive, si dhe produkte kanë avantazhe themelore të çmimit në krahasim me bateritë Li-jon. Bateritë e qarkullimit, për shembull, përdorin një dizajn sistemi që ndan në mënyrë unike fuqinë dhe fuqinë, duke treguar që të dyja mund të shkallëzohen në mënyrë të pavarur nga njëra-tjetra. Kjo lejon rritjen e përballueshme të kapacitetit të hapësirës së ruajtjes së energjisë, duke i bërë bateritë e tilla shumë më konkurruese me kosto për kohëzgjatje më të gjata. Nga ana tjetër, një sistem i mbyllur si një bateri litium-jon çifton fuqinë dhe fuqinë, duke e bërë koston e njësisë së saj të ruajtjes së energjisë një kriter të arsyeshëm të fiksuar. Ndërsa është vënë në dukje se kostoja afatgjatë është më pak një faktor për t'u marrë parasysh në krahasim me kostot fillestare, stili i hapur i një baterie rrjedhëse (RFB) ose baterisë metalike-ajër (MAB) lehtëson gjithashtu kursimet financiare afatgjata të shpenzimeve duke lejuar mirëmbajtjen e synuar të komponentëve. Dikush mund ta plotësojë ose ta ndryshojë atë drejtpërdrejt me elektrolitin (komponenti më i shpejtë nënçmues i baterisë), ndërsa sistemet tipike të mbyllura si bateritë litium-jon kanë nevojë për të përmirësuar ose zëvendësuar të gjithë paketën e baterisë, e cila krijon një sasi të caktuar mbetjesh. Në fund të fundit, ka edhe bateri që përdorin produkte me kosto më të ulët dhe me përmbajtje më të lartë se bateritë litium-jon, duke reduktuar shpenzimet e mundshme.

Pavarësisht këtyre përfitimeve të qenësishme, zgjidhjet e akumulimit të energjisë e kanë të vështirë për t'u përfunduar për një sërë arsyesh. Fillimisht, ndërsa stili optimal i një rrjeti thellësisht të dekarbonizuar integron një sërë shërbimesh të ruajtjes së baterive, ky skenar është shumë nga faktet ekzistuese. Për shkak se këto inovacione krejt të reja të baterive janë me të vërtetë thjesht me kosto efektive për aplikime në shkallë rrjeti dhe gjithashtu nuk mund të gjenden në tregje me vlerë më të lartë, është e paqartë saktësisht se si të ulen çmimet, si dhe të përmirësohet efikasiteti në mënyrë që ato të konkurrojnë me bateritë litium-jon, kur ato të mund të konkurrojnë me bateritë litium-jon kur më në fund paraqitet nevoja, shërbimet e ruajtjes së energjisë afatgjatë ose zëvendësimi i pajisjeve të prodhimit të karburantit fosile mund të jetë i reduktuar.

Përkeqësimi i kësaj çështjeje pule dhe vezë është një rebus tjetër i ngjashëm: këto risi që lindin janë natyrisht më të rrezikshme. Kjo i bën ata më pak tërheqës për mbikëqyrësit e projekteve, sponsorët ose prodhuesit e tjerë të vendimeve, duke i bërë këto teknologji moderne të përqafuara dhe të shfaqura shumë më rrallë, si dhe një rezultat që mendohet vazhdimisht për rrezik. Si rezultat i këtyre pengesave, detyra të shumta që propozojnë përdorimin e këtyre teknologjive moderne të baterive në zhvillim kanë luftuar për të mbrojtur financimin me investime financiare të kompanisë, financat e punës dhe më shumë. Këto probleme mund të mos zgjidhen vetëm nga sektori privat dhe trajtimi i qeverisë federale mund të ulë rrezikun teknologjik dhe gjithashtu të ulë çmimin e mjeteve korrigjuese për hapësirën e ruajtjes së energjisë që janë vetëm tërheqëse për rrjetin, por mund të kontribuojnë në dekarbonizimin e thellë. Zakonisht, demonstratat në shkallë të gjerë sigurisht që do të duhet të testohen dhe gjithashtu të mbështeten me prokurime të drejtpërdrejta. Një mënyrë për ta arritur këtë është nëpërmjet financimit të qeverisë federale të detyrave të prezantimit të biznesit, siç është bërë më parë me Aktin e Rimëkëmbjes Amerikane dhe gjithashtu Aktin e Riinvestimit. Aktualisht, Divizioni i Fuqisë së SHBA-së ofron financim të konsiderueshëm për projektet e hapësirës së ruajtjes së energjisë demo. Megjithatë, ky financim në fakt historikisht u është dhënë laboratorëve kërkimor kombëtar të Shteteve të Bashkuara, jo me një kërkesë publike, që do të kërkonte sektorin privat dhe gjithashtu do të përshpejtonte progresin. Përveç kësaj, qeveria e SHBA mund të zhvillojë një program të specializuar për prezantimet e ruajtjes së energjisë në rrjet, i cili ka treguar premtim në shumë nga projektet e saj të zhvillimit në fazat e hershme. Kjo nevojë kohët e fundit u plotësua pjesërisht nga Programi i Projekteve të Agjencisë për Energjinë (ARPA-E) të Studimit të Avancuar të Divizionit të Energjisë për Avancime të Rëndësishme në Teknologjitë e Energjisë me të Pashfrytëzuara. Po kështu, Demoja e Zyrës së Energjisë së Pastër të SHBA-së është një hap tjetër në drejtimin më të mirë: kompania u krijua në vitin 2021 me synimin për të shfaqur projekte të mëdha (madje miliardë dollarëshe) të ruajtjes së energjisë, si dhe për të punuar me sektorin privat për të përshpejtuar adoptimin dhe gjithashtu vendosjen e teknologjive moderne të energjisë së pastër.

Sot ekzistojnë teknologji që mund të kontribuojnë në dekarbonizimin e fushës së energjisë. Megjithatë, ka shqetësime në lidhje me aftësinë për të krijuar dhe gjithashtu për të vendosur këto teknologji moderne me shpejtësi dhe me kosto efektive, një detyrë që nuk është aktualisht. Me stimujt e duhur, trajtimi i qeverisë mund të ndihmojë në arritjen dhe përshpejtimin e rezultateve të dëshiruara. Për më tepër, një sërë qasjesh dhe procedurash mund të ndihmojnë në kapërcimin e disa prej këtyre pengesave nëse përdoren me mençuri dhe gjithashtu me shpejtësi. Pavarësisht qasjes, kërkohet kohë, si dhe aksesi për publikun dhe gjithashtu investimi ekskluziv është kritik