Баријере за имплементацију складиштења батерија Сједињених Држава: цена и производи

Док САД тренутно имају низ технологија које би могле да декарбонизирају мрежу, друштвене, финансијске и политичке баријере могу избјећи примјену ових модерних технологија у временском оквиру потребном за сузбијање промјена животне средине. Ова перспектива истиче 2 највеће препреке за коришћење простора за складиштење батерија: цену и производе. Трошкови у главном простору за складиштење батерија модерне технологије, посебно, обично су и даље превисоки. Студијска група на Институту за модерну технологију у Масачусетсу истражила је колекцију политичких и финансијских стратегија које је развила и обезбедила влада Сједињених Држава за брже оглашавање ослобађања простора за складиштење енергије и смањење цена. У извештају се има у виду релативно висока вредност материјала за батерије, од суштинског значаја за растуће цене. А мањи и модернији ланац снабдевања наглашава хитност батеријских производа, повећавајући стопе и изазивајући брзо повећање. За то постоје фактори поред технолошких и економских услуга, од којих неке анализира МИТ. Често постоји неко супротстављено партнерство између конкурентске предности фирме (тј. ексклузивни изглед и производња) и екстра економичне производње (тј. централизација, стандардизација, итд.) коју треба превазићи политичким и економским наградама. На крају крајева, потребна је већа хитност у јавности, као и ексклузивна инвестициона поља за решавање промена животне средине брзим растом и применом најефикаснијих решења.

Међу најважнијим решењима за спречавање додатних климатских промена је декарбонизација сектора електричне енергије. Према подацима које је објавила Уједињена државна управа за детаље о енергији (ЕИА), у 2020. години, укупне емисије угљеника које је произвело тржиште електричне енергије представљале су око 32% укупног издувног гаса угљеника у САД. Коришћењем обновљивих извора енергије као што су ветар и соларна енергија, енергија се може производити без ослобађања угљен-диоксида, главног загађивача који изазива глобално загревање. Без обзира на то, обновљива енергија се сусреће са понављајућим проблемима у производњи јер се њено снабдевање ослања на климатске услове који су неизвесни, као и на претходну контролу људи, што је суштинска разлика у поређењу са постројењима за производњу фосилних горива која могу да испоруче више енергије у било ком тренутку. Постоје различита решења за решавање повремених појава и обезбеђивање да потражња увек буде задовољена: на пример, објекти за производњу обновљивих извора енергије могу се надградити тако да када су сунце или ветар неадекватни, створена електрична енергија и даље може да задовољи потражњу понуде. Међутим, овај приступ је скуп и подразумева смањење. Друга услуга је коришћење минималне количине снабдевања енергијом којим се може управљати (као што је еколошки прихватљив водоник, као и нуклеарна енергија, итд.), идеално је типично уредна енергија која не ствара ЦО2 (као што је зелени водоник, амонијак, биографско гориво, итд.). Без обзира на то, ове иновације у настајању се и даље боре за постизање одрживих метрика трошкова и ефикасности када се генеришу коришћењем процедура које су неутралне по питању угљеника. Иако је потребно више метода, системи за складиштење енергије су изузетно обећавајући лек, као и да нуде велики избор дизајна.

Могућност преузимања простора за складиштење енергије је претварање електричне енергије коју дају обновљиви извори право у друге врсте енергије, као што су топлотна енергија, електрохемијска енергија, енергија и тако даље, када је напајање довољно, које се може складиштити као и ослобађати да би се задовољила потражња током трајања снабдевања. Постројења за производњу хидроелектрана су заправо ефикасна и такође добро документована врста простора за складиштење енергије више од 100 година; према Министарству енергетике Сједињених Држава (ДОЕ), пумпна хидроелектрана тренутно чини све комуналне системе за складиштење енергије у Сједињеним Државама 95% могућности простора за складиштење енергије. Без обзира на то, потребан је већи капацитет простора за складиштење енергије да би се мрежа декарбонизирала на виши ниво: према студијском извештају америчке Управе за информације о енергетици (ЕИА), САД тренутно имају мање од 2 ГВ распоређених система за складиштење енергије комуналног обима, као и стотине гигавата простора за складиштење енергије могло би бити потребно 2050. да би се помогло у дубокој декарбонизацији. Пумпане хидроелектране је тешко скалирати због чињенице да је обично уносно само за велике, капитално интензивне просторе за складиштење енергије, као и да су локације за имплементацију ограничене географским, као и дозвољеним ограничењима. Поред тога, мрежа је скуп услуга, од којих се свака ослања на различите карактеристичне снаге, као и на захтеве за снагом, време реакције и тако даље, захтевајући разне услуге простора за складиштење енергије. Најчешћи статистички подаци који се користе да би се утврдило да ли је модерна технологија за складиштење енергије практично и економски идеална за апликацију је „период“, који такође представља тренутак који је потребан за потпуно пуњење или поновно напајање батерије. Стога се могу истражити избори за покретање у бројним временима. Због великог дизајнерског простора који обезбеђују за постизање низа периода, као и разних других предности које су наведене у овом тексту, батерије користе низ привлачних технологија простора за складиштење енергије за послове складиштења енергије.

Батерија је електрохемијски уређај за складиштење који користи разлику у енергији између 'редок' реакција да трансформише електричну енергију, чиме се штеди електрична енергија као хемијска или штеди електрична енергија од хемијске енергије. Батерије имају много потенцијалних предности у односу на разне друге врсте технологија складиштења енергије. На пример, електрохемијске реакције су обично много поузданије од термохемијских реакција у декарбонизованој мрежи (и такође, генерално, у мрежи под напоном) због директног ослобађања електричне енергије (углавном на уобичајеном нивоу температуре и притиска).

Поред тога, постоје различити планови за складиштење енергије редокс реакција које можете изабрати, пружајући широку просторију за модерне технологије за складиштење енергије засноване на апликацијама. Као пример, узмите у обзир разне пословне батерије које се користе у корисничкој електроници, а које представљају само мали део система за складиштење енергије батерија на мрежи доступних за употребу у различитим дизајнима: литијум-јонске, оловно-киселинске, никл-кадмијумске, цинк-угљеничне батерије итд. Штавише, батерије се могу применити практично на било ком месту које захтевају уобичајено географско складиштење, за разлику од географске локације за складиштење. Ове погодности дозвољавају да се батерије користе не само за рад мреже након декарбонизације, већ и да понуде додатну вредност као секундарне услуге; на пример, батерије доприносе повећању енергетске независности и поузданости. Узмите у обзир колапс енергетске мреже Порторика током Олује Марија 2017. Распршени дизајн микромрежа, укључујући постројења за производњу обновљивих ресурса и системе за складиштење енергије, могу спречити трагичне велике нестанке струје. То је зато што дисперзована производња смањује конструкцију и накнадну уградњу преносног оквира (као што су далеководи и стубови) који су, међутим, изложени ризику од озбиљних временских услова.

Поред тога, дисперзована производња енергије ослобађа се могућности квара на самој тачки. Свакако, забринутост за политичке и финансијске слободе у сусједству такође треба узети у обзир. Многе земље не поседују велике економски практичне ресурсе необновљивих извора горива, тако да би промена тржишта обновљиве енергије могла да унапреди домаћу производњу електричне енергије, смањи потребу за увозом електричне енергије, као и да повећа геополитичку слободу. Сједињене Државе посебно признају финансијске изазове које може представљати зависност од моћи, пошто су 1970-их и 1980-их искусиле геополитички генерисану несташицу нафте.

Данас постоји много врста технологија батерија, свака са различитим дизајном модела, од којих многе могу да одговарају низу хемија, као и да користе избор алтернатива. Литијум-јонске батерије (ЛИБ) се узимају у обзир као главна технологија батерија; 1990-их, као и касније, литијум-јонске батерије су се углавном користиле у електронским и мобилним уређајима, док се последњих година литијум-јонске батерије првенствено користе у стационарним системима за складиштење енергије, као и електричним аутомобилима (ЕВ) ова 2 велика тржишта. Већина иновација у батеријама о којима се размишљало за употребу у енергетском сектору је још увек релативно преурањено и могло би да захтева свеобухватно истраживање покушаја и грешака, али послови који су до сада постигнути заправо су била мала имплементација или минималне комерцијалне процедуре, често због чињенице да још увек не раде или су прикладне само за Грид примену. Примери таквих иновација се састоје од редокс циркулационих батерија (РФБ) и метално-ваздушних батерија (МАБ).

Према Међународној агенцији за енергетику, до 2030. године, већина смањења испуштања ЦО2 сигурно ће доћи од савремених технологија које су тренутно доступне или су данас на тржишту, а такође ће се до 2050. године, у погледу педесет посто смањења угљеника, ослањати на иновације које су тренутно у демо или прототип фази енергетске иновације. Дакле, савезне владе као и културе су практично на добром путу да се позабаве променама животне средине. Без обзира на то, постоје бројне друге потенцијалне друштвене, финансијске и политичке препреке које је потребно савладати да би се гарантовало да се модерне технологије идеалне енергије примењују довољно брзо да су ова смањења довољна да избегну штету већег обима (Слика 1). Иако ови фактори које треба узети у обзир нису независни од техничких аспеката, они могу захтевати различите приступе и решења. Овај рад проверава два кључна изазова у широј примени батерија: цену батерије и ограничења производа. Тренутно постоји низ технологија за батерије са одговарајућим атрибутима ефикасности, али високи почетни трошкови могу одложити или зауставити шире неговање, посебно на тренутним ниским обима производње. На крају, чак и ако одређена технологија батерија задовољава основну цену и метрику перформанси, доступност и ланац снабдевања њених виталних компоненти могу да ометају брзу и дубоку интеграцију. Због тога, ови проблеми морају бити решени што је пре могуће да би се постигли кључни циљеви декарбонизације. Овај рад открива финансијске и политичке технике за превазилажење или заобилажење ових баријера.
Кључна препрека 1: Цена батерије

Цена је кључни фактор који треба узети у обзир да ли се батерије могу користити у апликацијама за складиштење енергије у мрежи. За разлику од других тржишта батерија, као што су клинички уређаји, потрошачки електронски уређаји, електрични камиони, итд., мрежне апликације захтевају много ниже трошкове чисте енергије како би се такмичили са приступачним постројењима за производњу фосилних горива. Пошто ослобађање мреже захтева велике инвестиције, често захтевајући приступ финансирању (нпр. финансирање), цена ресурса је заправо традиционално била значајна препрека усвајању обновљивих ресурса и стога централни показатељ њихове техно-економске изводљивости. За батерије, цена се углавном ослања на цену материјала као и на производни опсег. Министарство за енергетику Сједињених Држава обично ставља између 100 УСД/кВх као и 150 УСД/кВх као горњу границу трошкова финансирања финансијски практичног система за складиштење електричне енергије у мрежи.

Литијум-јонске батерије су тренутно једна од технологија за складиштење енергије батерија које се највише користи у мрежним апликацијама. Литијум-јонске батерије су имале способност да убрзају свој развој с обзиром на то да су 1990-те године биле први пут коришћене у мноштву на тржиштима високе вредности која се састоје од електронских уређаја купаца и електричних камиона. На овим тржиштима, добављачи батерија могу пласирати производе са много мање побољшаним и скупљим батеријама јер су они једини избор. Ово омогућава да се литијум-јонске батерије праве по обиму и по цени, уз додатно повећање перформанси. Дакле, када се ова технологија узме у обзир за системе за складиштење енергије, литијум-јонске батерије су заправо показале јаку ефикасност, перформансе пуњења и пражњења ове батерије су сада веома високе, обично чак 95%, а ланац снабдевања је успостављен како би се осигурало да је цена нижа. Конкретно са развојем електричних аутомобила, цена литијум-јонских батерија је заправо драматично опала последњих година; литијум-јонске батерије, које се састоје од склопљених батеријских ћелија и административних и сигурносних система, пале су у оквиру могућег опсега који је дефинисало Министарство енергетике САД (око 140 УСД/кВх), а очекује се да ће у будућности пасти испод 100 УСД/кВх. Међународна производна способност за литијум-јонске батерије приближно прелази 700 ГВх годишње, а данас је сектор од скоро 50 милијарди долара. Иако је ово одличан развој, још увек је потребан низ правних лекова да би се омогућиле све мрежне услуге и постигла дубока декарбонизација. Штавише, проблеми у ланцу снабдевања разматрани у следећем одељку могу да ометају опсег примене система за складиштење енергије литијум-јонских батерија. Неколико других модерних технологија батерија нуде још економичније услуге, посебно у дужим периодима (преко 4 сата), али не добијају од истих тржишних проблема као Ли-ион, као и да им је тешко да се изборе.

Бројни алтернативни дизајни батерија као и производи имају фундаменталне предности у односу на цене у поређењу са Ли-јонским батеријама. Циркулационе батерије, на пример, користе системски дизајн који јединствено дели снагу и снагу, што указује да се ова два могу скалирати независно једно од другог. Ово омогућава приступачни раст капацитета за складиштење енергије, чинећи такве батерије много конкурентнијим током дужег трајања. С друге стране, затворени систем попут литијум-јонске батерије упарује снагу и снагу, чинећи цену јединице за складиштење енергије разумно фиксним критеријумом. Иако је истакнуто да је дуготрајни трошак мањи фактор који треба узети у обзир у поређењу са почетним трошковима, отворени стил проточне батерије (РФБ) или батерије метал-ваздух (МАБ) додатно олакшава дугорочне финансијске уштеде на трошковима омогућавајући циљано одржавање компоненти. Може се директно допунити или променити електролитом (најбржа компонента батерије), док типични затворени системи као што су литијум-јонске батерије захтевају побољшање или замену целог пакета батерија, што ствара одређену количину отпада. На крају крајева, постоје и батерије које користе јефтиније производе са већим садржајем од литијум-јонских батерија, смањујући будуће трошкове.

Упркос овим инхерентним предностима, нова решења за складиштење енергије се тешко завршавају из разних разлога. У почетку, док оптимални стил дубоко декарбонизоване мреже интегрише низ услуга складиштења батерија, овај сценарио је много од постојеће чињенице. Пошто су ове потпуно нове иновације батерија заиста само исплативе за апликације на нивоу мреже и не могу се наћи на тржиштима веће вредности, нејасно је како тачно смањити цене, као и побољшати ефикасност како би могли да се такмиче са литијум-јонским батеријама када се коначно укаже потреба, услуге дуготрајног складиштења енергије или замена постројења за производњу фосилних горива са смањеним трошковима могу бити смањени.

Погоршање овог проблема са пилетином и јајима је још једна слична загонетка: ове иновације које се појављују су природно ризичније. Ово их чини мање привлачним за надзорнике пројекта, спонзоре или друге произвођаче одлука, чинећи ове модерне технологије много мање прихваћеним и приказаним, као и резултат о коме се доследно размишља о ризичним. Као резултат ових препрека, бројни задаци који предлажу да се искористе ове нове модерне технологије батерија бориле су се за очување финансирања са финансијским инвестицијама компаније, финансирањем послова и додатним средствима. Ове проблеме можда неће решити само приватни сектор, а третман савезне владе може смањити технолошку опасност и такође смањити цену насталих лекова за складиштење енергије који су само привлачни за мрежу, али могу допринети дубокој декарбонизацији. Обично ће демонстрације великих размера свакако морати да се тестирају и такође одржавају директном набавком. Један од начина да се то постигне је финансирање задатака пословне презентације од стране савезне владе, као што је раније урађено са америчким Законом о опоравку и реинвестирању. Тренутно, Америчко одељење за напајање обезбеђује значајна средства за пројекте демо простора за складиштење енергије. Ипак, ово финансирање је историјски дато националним истраживачким лабораторијама Сједињених Држава, а не јавним позивом, што би подразумевало приватни сектор и такође потенцијално убрзало напредак. Поред тога, америчка влада може развити специјализовани програм за презентације складиштења електричне енергије у мрежи, што је обећавало у многим њеним развојним пројектима у раној фази. Ову потребу је у последње време делимично задовољио Програм Агенције за студије за напредна истраживања за енергетику (АРПА-Е) Одељења за енергетику САД за важан напредак у енергетским технологијама са неискоришћеним могућностима. Исто тако, америчка канцеларија чисте енергије Демо је још један корак у најбољем правцу: компанија је основана 2021. године са циљем да прикаже велике (чак и милијарду долара) пројекте складиштења енергије, као и да ради са приватним сектором на убрзању усвајања и увођења модерних технологија чисте енергије.

Данас постоје технологије које могу допринети декарбонизацији енергетског поља. Међутим, постоји забринутост у вези са способношћу да се ове модерне технологије створе и такође примене брзо и економично, што је задатак који тренутно није на снази. Уз одговарајуће подстицаје, државни третман може помоћи у постизању и убрзању жељених исхода. Штавише, различити приступи и процедуре могу помоћи да се савладају неке од ових препрека ако се користе мудро и такође брзо. Упркос приступу, потребно је време, као и доступност јавности, а такође и ексклузивна улагања су критична