Hinder för implementering av batterilagring i USA: Pris och produkter

Medan USA för närvarande har en mängd olika tekniker som kan minska koldioxidutsläppen från nätet, kan sociala, finansiella och även politiska hinder undvika att dessa moderna tekniker används inom den tidsram som krävs för att undertrycka miljöförändringar. Detta perspektiv belyser två av de största hindren för att distribuera batterilagringsutrymme: pris och även produkter. Utgifterna för vanliga batterilagringsutrymmen modern teknik, närmare bestämt, fortsätter vanligtvis att vara alldeles för höga. En studiegrupp vid Massachusetts Institute of Modern Technology undersökte en samling politiska och även finansiella strategier som utvecklats och tillhandahållits av USA:s regering för att marknadsföra energilagringsutrymme snabbare och även minimera priserna. Ett viktigt övervägande av de stigande priserna är det relativt höga värdet av batterimaterial, höll rapporten i åtanke. Och en mindre och strömlinjeformad försörjningskedja framhäver vikten av batteriprodukter, ökande priser och utmanande snabb uppskalning. Det finns faktorer för detta förutom tekniska och ekonomiska tjänster, av vilka en del analyseras av MIT. Ofta finns det ett kontrasterande partnerskap mellan ett företags konkurrensfördel (dvs. exklusiv layout och även tillverkning) och extra ekonomisk produktion (dvs centralisering, standardisering, etc) som bör övervinnas genom politiska och ekonomiska belöningar. I slutändan krävs högre angelägenheter i såväl offentliga som exklusiva investeringsområden för att hantera miljöförändringar med snabb tillväxt och även implementering av de mest effektiva lösningarna.

En av de mest avgörande lösningarna för att förhindra ytterligare klimatförändringar är avkarboniseringen av elenergisektorn. Enligt uppgifter som lanserades av United State Energy Details Administration (EIA) utgjorde de totala koldioxidutsläppen som genererades av kraftmarknaden 2020 cirka 32 % av de totala kolavgaserna i USA. Genom att använda förnybara energikällor som vind- och solenergi kan energi produceras utan att släppa ut koldioxid, den stora föroreningen som utlöser den globala uppvärmningen. Ändå stöter förnybar energi på återkommande produktionsproblem eftersom dess tillgång är beroende av klimatförhållanden som är osäkra samt tidigare mänsklig kontroll, vilket är en väsentlig skillnad jämfört med fossilbränsleproduktionsanläggningar som kan leverera mer kraft när som helst. Det finns olika lösningar för att hantera intermittens och säkerställa att efterfrågan alltid tillfredsställs: till exempel kan anläggningar för produktion av förnybar energi överbyggas så att när solen eller vinden är otillräcklig kan den elektriska energin som skapas fortfarande möta utbudsefterfrågan. Detta tillvägagångssätt är dock både kostsamt och medför inskränkningar. En annan tjänst är att använda en minimal mängd hanterbar energiförsörjning (såsom miljövänligt vätgas såväl som kärnkraft, etc), helst typiskt städad kraft som inte skapar co2 (såsom grönt väte, ammoniak, biografibränsle, etc). Ändå kämpar dessa framväxande innovationer fortfarande för att uppnå lönsamma kostnads- och effektivitetsmått när de genereras med hjälp av koldioxidneutrala förfaranden. Medan flera metoder behövs, är system för energilagringsutrymme ett extremt lovande botemedel och erbjuder ett stort utbud av designval.

Möjligheten att ta kraftlagringsutrymme är att omvandla den elektriska energi som ges av förnybara resurser till andra typer av kraft, såsom termisk energi, elektrokemisk energi, kraft, och så vidare, när strömförsörjningen är tillräcklig, som kan lagras och frigöras för att möta efterfrågan under leveranstiden. Pumpade vattenkraftverk har faktiskt varit en effektiv och även väldokumenterad typ av energilagringsutrymme i mer än 100 år; enligt United State Department of Energy (DOE) utgör pumpad vattenkraft för närvarande alla energilagringssystem i storskaliga USA 95 % av kraftlagringsutrymmet. Icke desto mindre krävs mer kraftlagringsutrymmeskapacitet för att koldioxidutlösa elnätet till en högre nivå: enligt studierapporten från US Power Information Administration (EIA) har USA för närvarande mindre än 2GW energilagringsutrymmen på mindre än 2 GW utplacerade, såväl som hundratals gigawatts kraftlagringsutrymme kan behövas 2050 för att hjälpa till med djup koldioxidutsläpp. Pumpad vattenkraft är svår att skala på grund av det faktum att det vanligtvis bara är lukrativt för stora, kapitalintensiva energilagringsprojekt, och implementeringsplatser är begränsade av geografiska såväl som tillåter begränsningar. Dessutom är nätet en samling tjänster, som var och en förlitar sig på olika karakteristiska krafter och även effektbehov, reaktionstider och så vidare, vilket kräver en mängd olika energilagringsutrymmestjänster. Den vanligaste statistiken som används för att ta reda på om en modern teknik för strömlagring är praktiskt och även ekonomiskt idealisk för en applikation är 'period', vilket också representerar det ögonblick som det krävs för att ladda eller återuppta ett batteri. Därför kan alternativen för att köras med många varaktigheter undersökas. På grund av det stora designutrymmet som de tillhandahåller för att uppnå en serie perioder och även de olika andra fördelarna som tagits över i denna uppskrivning, använder batterier en serie tilltalande energilagringsutrymmestekniker för energilagringsjobb.

Ett batteri är en elektrokemisk lagringsenhet som utnyttjar energiskillnaden mellan 'redox'-reaktioner för att omvandla elektrisk energi, vilket följaktligen sparar elektrisk kraft som kemisk kraft eller sparar elektrisk kraft från kemisk kraft. Batterier har många potentiella fördelar jämfört med olika andra typer av energilagringstekniker. Till exempel är elektrokemiska reaktioner vanligtvis mycket mer tillförlitliga än termokemiska reaktioner i ett kolfritt nät (och i allmänhet också ett strömförsörjt nät) på grund av den direkta frigöringen av elektrisk energi (vanligtvis vid vanlig temperaturnivå och tryck).

Dessutom finns det olika planer för redoxreaktionsenergilagring att välja mellan, vilket ger ett brett layoutrum för applikationsbaserad energilagring av modern teknik. Som ett exempel, ta en titt på de många olika företagsbatterier som används i kundelektronik, som bara står för en liten del av batterilagringsutrymmet i nätskala som är tillgängliga för användning i olika konstruktioner: litiumjon, blysyra, nickel-kadmium, zink-kolbatteri etc. Dessutom kan batterier användas praktiskt taget var som helst, till skillnad från termisk lagring eller gravitationslagring, vilka detaljer kräver geografisk lagring. Dessa fördelar gör det möjligt att använda batterier inte bara för nätdrift efter att ha minskat koldioxidutsläppen, men samtidigt erbjuda ett mervärde som sekundära tjänster; till exempel bidrar batterier till ökat strömoberoende och även tillförlitlighet. Ta hänsyn till kollapsen av Puerto Ricos elnät under Storm Maria 2017. Utspridda mikronätskonstruktioner inklusive anläggningar för generering av förnybara resurser och system för energilagringsutrymme kan förhindra tragiska stora strömavbrott. Detta beror på att spridd generering sänker konstruktionen och eftermonteringen av transmissionsramverk (såsom kraftledningar och elstolpar) som sprider kraft men riskerar att drabbas av svåra väderförhållanden.

Dessutom eliminerar spridd krafttillverkning möjligheten till en ensam punkt att misslyckas. Visst, grannskapspolitiska såväl som ekonomiska frihetsproblem måste också tas i beaktande. Många länder har inte stora ekonomiskt praktiska icke-förnybara bränslekällor, så en förändring av marknaden för förnybar energi kan förbättra den inhemska krafttillverkningen, minska behovet av kraftimport och därmed öka den geopolitiska friheten. USA erkänner specifikt de ekonomiska utmaningar som maktberoende kan innebära, efter att ha upplevt geopolitiskt genererad oljebrist på 1970- och 1980-talen.

Det finns många typer av batteriteknologier idag, var och en med olika modelldesigner, av vilka många kan passa en rad kemier samt använda ett urval av alternativ. Litiumjonbatterier (LIB) anses vara den vanliga batteritekniken; såväl under 1990-talet som senare användes litiumjonbatterier främst i elektroniska och mobila enheter, medan litiumjonbatterier under senare år främst används i stationära energilagringssystem samt elektriska Automotive (EV) dessa 2 storskaliga marknader. Majoriteten av batteriinnovationerna som man har tänkt på för användning inom kraftsektorn är fortfarande relativt förhastade och kan kräva en omfattande undersökning av försök och fel, men de jobb som hittills uppnåtts har faktiskt varit små utbyggnader eller minimala kommersiella procedurer, ofta på grund av det faktum att de fortfarande är underpresterande eller endast lämpar sig för Grid-applikationer. Exempel på sådana innovationer består av redoxcirkulationsbatterier (RFB) och även metall-luftbatterier (MAB).

Enligt Internationella energibyrån, år 2030, kommer majoriteten av minskningen av CO2-utsläppen säkerligen att komma från modern teknik som för närvarande släpps eller finns på marknaden idag, och även år 2050, kommer femtio procent av koldioxidminskningen att förlita sig på innovationer som för närvarande är i demo- eller prototypstadiets energiinnovation. Så federala regeringar såväl som kulturer är praktiskt taget på rätt väg för att ta itu med miljöförändringar. Icke desto mindre finns det många andra potentiella sociala, finansiella och politiska hinder som måste övervinnas för att garantera att moderna idealiska energitekniker distribueras tillräckligt snabbt för att dessa minskningar är tillräckligt stora för att undvika större skador (Figur 1). Även om dessa faktorer att beakta inte är oberoende av tekniska aspekter, kan de kräva olika tillvägagångssätt och lösningar. Detta arbete undersöker två avgörande utmaningar i bredare batteriimplementering: batteripris och produktrestriktioner. En serie batteriteknologier med lämpliga effektivitetsegenskaper finns för närvarande, men höga initiala kostnader kan försena eller stoppa en bredare utveckling, särskilt vid nuvarande låga produktionsskalor. Slutligen, även om en viss batteriteknologi uppfyller det väsentliga priset och även prestandamåtten, kan tillgängligheten och leveranskedjan för dess viktiga komponenter hindra såväl snabb som djup integration. Därför måste dessa problem lösas så snabbt som möjligt för att uppnå de viktigaste målen för utsläpp av koldioxid. Detta arbete upptäcker finansiella och politiska tekniker för att övervinna eller kringgå dessa barriärer.
Nyckelbarriär 1: Batterikostnad

Kostnaden är en central faktor att överväga för huruvida batterier kan användas i nätenergilagringsapplikationer. Till skillnad från andra batterimarknader såsom klinisk utrustning, konsumentelektronik, elektriska lastbilar, etc, behöver nätapplikationer mycket lägre kostnader för ren energi för att konkurrera med prisvärda fossilbränsleproduktionsanläggningar. Eftersom frigöring av nät kräver stora investeringar, som ofta kräver tillgång till finansiering (t.ex. finansiering), har resurskostnaden faktiskt traditionellt sett varit ett betydande hinder för antagandet av förnybara resurser och därför också en central indikation på dess tekniska ekonomiska genomförbarhet. För batterier beror kostnaden i allmänhet på materialpriset samt tillverkningsomfång. United State Department of Power lägger vanligtvis mellan 100 USD/kWh och 150 USD/kWh som taket på finansieringskostnaden för ett ekonomiskt praktiskt ellagringssystem.

Litiumjonbatterier är för närvarande en av de mest använda teknologierna för lagring av batterienergi i nättillämpningar. Litiumjonbatterier har haft förmågan att accelerera sin utveckling med tanke på 1990-talet eftersom de först användes i mängder på högvärdiga marknader bestående av kundelektronik och elektriska lastbilar. På dessa marknader kan batterileverantörer marknadsföra mycket mindre förbättrade och billigare batteriprodukter eftersom de är det enda valet. Detta gör det möjligt för litiumjonbatterier att skapas i skala och även pris, samtidigt som prestandan maximeras ytterligare. Så när denna teknik tas i beaktande för system för lagringsutrymme, har litiumjonbatterier faktiskt visat stark effektivitet, laddnings- och urladdningsprestanda för detta batteri är nu mycket hög, vanligtvis så hög som 95 %, och försörjningskedjan är etablerad för att säkerställa att priset är lägre. Specifikt med utvecklingen av elbilar har priset på litiumjonbatterier faktiskt sjunkit dramatiskt under de senaste åren; litiumjonbatterier, bestående av sammansatta battericeller och administration och även säkerhetssystem, har sjunkit inom det möjliga intervall som definierats av US Department of Power (cirka 140 USD/kWh), det förväntas sjunka under 100 USD/kWh i framtiden. Den internationella produktionskapaciteten för litiumjonbatterier beräknas överstiga 700 GWh årligen och idag är sektorn nästan 50 miljarder dollar. Även om detta är en utmärkt utveckling, behövs fortfarande en rad åtgärder för att tillåta alla nättjänster och åstadkomma djup avkolning. Dessutom kan de problem med försörjningskedjan som granskas i nästa avsnitt hindra distributionsområdet för lagringssystem för litiumjonbatterier. Flera andra moderna batteriteknologier erbjuder ännu mer ekonomiska tjänster, särskilt under längre perioder (över 4 timmar), men de vinner inte på samma marknadsproblem som Li-ion och har svårt att ta itu med.

Många alternativa batteridesigner samt produkter har grundläggande prisfördelar jämfört med Li-ion-batterier. Cirkulationsbatterier, till exempel, använder en systemdesign som unikt delar kraft och effekt, vilket indikerar att de två kan skalas oberoende av varandra. Detta möjliggör en överkomlig ökning av kapaciteten för kraftlagringsutrymme, vilket gör sådana batterier mycket mer kostnadskonkurrenskraftiga för längre varaktighet. Å andra sidan parar ett stängt system som ett litiumjonbatteri kraft och kraft, vilket gör kostnaden för dess kraftlagringsenhet till ett rimligt fast kriterium. Även om det har påpekats att långvariga kostnader är mindre av en faktor att ta hänsyn till jämfört med initiala kostnader, underlättar den öppna stilen för ett flödesbatteri (RFB) eller metall-luftbatteri (MAB) dessutom långsiktiga ekonomiska besparingar genom att tillåta riktat komponentunderhåll. Man kan direkt fylla på eller byta ut det med elektrolyten (den snabbaste nedsättande batterikomponenten), medan typiska slutna system som litiumjonbatterier behöver förbättras eller bytas ut hela batteripaketet, vilket utvecklar en viss mängd avfall. I slutändan finns det dessutom batterier som använder sig av billigare produkter med högre innehåll än litiumjonbatterier, vilket minskar framtida utgifter.

Trots dessa inneboende fördelar har uppkommande energilagringslösningar svårt att genomföra av olika anledningar. Inledningsvis, även om den optimala stilen för ett djupt dekarboniserat nät integrerar en serie batterilagringstjänster, är detta scenario mycket från existerande fakta. Eftersom dessa helt nya batteriinnovationer egentligen bara är kostnadseffektiva för applikationer i nätskala och inte heller kan komma in på marknader med högre värde, är det oklart exakt hur man kan sänka priserna och förbättra effektiviteten så att de kan konkurrera med litiumjonbatterier när de när behovet uppstår, kan långvariga energilagringstjänster eller byte av fossilbränsleproduktionsanläggningar tillgodoses till en lägre kostnad.

Att förvärra denna kyckling-och-ägg-fråga är ytterligare en liknande gåta: Dessa uppkommande innovationer är naturligtvis mer riskfyllda. Detta gör dem mindre iögonfallande för projektledare, sponsorer eller andra beslutstillverkare, vilket gör att dessa moderna teknologier blir mycket mindre vanligt omfamnade och visades, samt ett resultat som konsekvent tänkt på riskabelt. Som ett resultat av dessa hinder har många uppgifter som föreslår att använda dessa nya batterimoderna teknologier kämpat för att säkra finansieringen med företagets finansiella investeringar, jobbekonomi och extra. Dessa problem kanske inte kan lösas av den privata sektorn ensam, och federal regeringsbehandling kan minska den tekniska faran och även minska priset på uppkomna energilagringsutrymmen som bara är iögonfallande för nätet men som ändå kan bidra till djup avkolning. Vanligtvis kommer storskaliga demonstrationer säkert att behöva testas och även upprätthållas med rak upphandling. Ett sätt att åstadkomma detta är genom federal statlig finansiering av företagspresentationsuppgifter, vilket gjordes tidigare med American Recovery och även Reinvestment Act. För närvarande tillhandahåller US Division of Power avsevärd finansiering för lagringsutrymmesprojekt för demokraft. Ändå har denna finansiering historiskt sett givits till amerikanska nationella forskningslaboratorier, inte med en offentlig uppmaning, vilket skulle involvera den privata sektorn och även potentiellt påskynda utvecklingen. Dessutom kan den amerikanska regeringen utveckla ett specialiserat program för presentationer av nätkraftslagring, vilket har visat sig lovande i många av dess tidiga utvecklingsprojekt. Detta behov tillfredsställdes nyligen delvis av den amerikanska divisionen för krafts avancerade forskningsstudie Projects Agency for Power (ARPA-E) Program for Important Advancements in Energy Technologies with Untapped Possible. På samma sätt är US Office of Clean Energy Demo ytterligare ett steg i den bästa riktningen: företaget etablerades 2021 med ett mål att visa upp stora (till och med miljarder dollar) energilagringsprojekt, och även att arbeta med den privata sektorn för att påskynda antagandet och även distributionen av modern teknik för ren energi.

Teknik finns idag som kan bidra till avkarboniseringen av kraftfältet. Det finns dock oro för möjligheten att skapa och även distribuera dessa moderna tekniker snabbt och kostnadseffektivt, en uppgift som inte är på plats för närvarande. Med lämpliga incitament kan statlig behandling hjälpa till att uppnå och påskynda önskade resultat. Dessutom kan en mängd olika tillvägagångssätt och procedurer hjälpa till att övervinna några av dessa hinder om de används klokt och även snabbt. Trots tillvägagångssättet krävs tid liksom tillgänglighet för allmänheten och även exklusiva investeringar är avgörande