Amerika Birleşik Devletleri Pil Depolama Uygulamasının Önündeki Engeller: Fiyat ve Ürünler

ABD şu anda şebekeyi karbondan arındırabilecek çeşitli teknolojilere sahip olsa da sosyal, finansal ve politik engeller, bu modern teknolojilerin çevre değişikliğini bastırmak için gereken zaman diliminde konuşlandırılmasını engelleyebilir. Bu bakış açısı, pil depolama alanının kullanılmasının önündeki en büyük iki engelin altını çiziyor: fiyat ve ayrıca ürünler. Özellikle ana akım pil depolama alanı modern teknolojisindeki harcamalar genellikle çok yüksek olmaya devam ediyor. Massachusetts Modern Teknoloji Enstitüsü'ndeki bir çalışma grubu, enerji depolama alanı salınımını daha hızlı duyurmak ve aynı zamanda fiyatları en aza indirmek için Amerika Birleşik Devletleri hükümeti tarafından geliştirilen ve sağlanan bir dizi politik ve aynı zamanda finansal stratejiyi araştırdı. Raporda, artan fiyatlara ilişkin önemli bir hususun, pil malzemelerinin göreceli olarak yüksek değeri olduğu belirtildi. Daha küçük boyutlu ve düzenli bir tedarik zinciri, pil ürünlerinin aciliyetini, artan oranları ve hızlı ölçeklendirmenin zorluğunu vurguluyor. Bunun teknolojik ve ekonomik hizmetlerin yanı sıra, bir kısmı MIT tarafından analiz edilen faktörler de var. Çoğu zaman, bir firmanın rekabet avantajı (örn. ayrıcalıklı düzen ve aynı zamanda üretim) ile ekstra ekonomik üretim (örn. merkezileştirme, standardizasyon, vb.) arasında politik ve ekonomik ödüllerle aşılması gereken bazı zıt ortaklıklar vardır. Sonuçta, hızlı büyümeyle birlikte çevre değişikliğinin ele alınması ve en etkili çözümlerin uygulanması için kamunun yanı sıra özel yatırım alanlarında da daha yüksek aciliyete ihtiyaç duyulmaktadır.

Daha fazla iklim değişikliğinin önlenmesine yönelik en önemli çözümlerden biri elektrik enerjisi sektörünün karbondan arındırılmasıdır. Amerika Birleşik Devletleri Enerji Detayları İdaresi (EIA) tarafından açıklanan verilere göre, 2020 yılında enerji piyasasının ürettiği toplam karbon emisyonları, ABD'deki toplam karbon emisyonlarının yaklaşık %32'sini temsil ediyordu. Rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak, küresel ısınmayı tetikleyen en büyük kirletici olan karbondioksit salımına yol açmadan enerji üretilebiliyor. Bununla birlikte, yenilenebilir enerji tekrarlayan üretim sorunlarıyla karşı karşıyadır çünkü tedariki belirsiz iklim koşullarına ve geçmişteki insan kontrolüne bağlıdır; bu, her an daha fazla güç sağlayabilen fosil yakıt üretim tesisleriyle karşılaştırıldığında önemli bir farktır. Kesintilerle başa çıkmak ve talebin her zaman karşılanmasını sağlamak için çeşitli çözümler vardır: Örneğin, yenilenebilir enerji üretim tesisleri, güneş veya rüzgar yetersiz olduğunda, üretilen elektrik enerjisinin arz talebini karşılayabilecek şekilde aşırı inşa edilebilir. Ancak bu yaklaşım hem maliyetli hem de kesintiyi beraberinde getiriyor. Diğer bir hizmet ise minimum miktarda yönetilebilir enerji kaynağı (çevre dostu hidrojen ve nükleer enerji vb.), ideal olarak genellikle CO2 oluşturmayan düzenli enerji (yeşil hidrojen, amonyak, biyografi yakıtı vb.) kullanmaktır. Bununla birlikte, ortaya çıkan bu yenilikler, karbon nötr prosedürler kullanılarak oluşturulduklarında hâlâ geçerli maliyet ve verimlilik ölçümlerini başarmak için mücadele ediyor. Birden fazla yönteme ihtiyaç duyulurken, enerji depolama alanı sistemleri son derece umut verici bir çözüm olmasının yanı sıra çok çeşitli tasarım seçenekleri de sunuyor.

Güç depolama alanı alma olanağı, yenilenebilir kaynak tarafından verilen elektrik enerjisini, güç kaynağı yeterli olduğunda, depolanabilen ve tedarik süresi boyunca talebi karşılamak için serbest bırakılabilen termal enerji, elektrokimyasal enerji, güç vb. diğer güç türlerine dönüştürmektir. Pompajlı hidroelektrik üretim tesisleri aslında 100 yılı aşkın süredir etkili ve aynı zamanda iyi belgelenmiş bir enerji depolama alanı olmuştur; Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı'na (DOE) göre, pompalanan hidroelektrik şu anda Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüm şebeke ölçekli enerji depolama sistemlerini, güç depolama alanı kapasitesinin %95'ini oluşturmaktadır. Bununla birlikte, şebekeyi daha yüksek bir seviyeye kadar karbondan arındırmak için daha fazla güç depolama alanı kapasitesi gerekiyor: ABD Güç Bilgi İdaresi (EIA) çalışma raporuna göre, ABD şu anda 2 GW'tan daha az şebeke ölçeğinde enerji depolama alanı sistemine sahip ve ayrıca derin karbonsuzlaştırmaya yardımcı olmak için 2050'de yüzlerce gigawatt'lık enerji depolama alanına ihtiyaç duyulabilir. Pompalanan hidroelektrik santrallerin genellikle yalnızca büyük, sermaye yoğun enerji depolama alanı projeleri için kazançlı olması ve uygulama yerlerinin coğrafi olarak sınırlandırılması ve sınırlamalara izin verilmesi nedeniyle ölçeklendirilmesi zordur. Buna ek olarak şebeke, her biri çeşitli karakteristik güce ve ayrıca güç taleplerine, tepki sürelerine vb. bağlı olan ve çeşitli enerji depolama alanı hizmetleri gerektiren bir hizmet koleksiyonudur. Bir güç depolama modern teknolojisinin bir uygulama için pratik ve aynı zamanda ekonomik açıdan ideal olup olmadığının anlaşılmasına yardımcı olmak için kullanılan en yaygın istatistik, aynı zamanda pilin tamamen şarj edilmesi veya yeniden enerjilendirilmesi için gereken anı da temsil eden 'dönem'dir. Bu nedenle, çeşitli sürelerde koşma seçenekleri araştırılabilir. Bir dizi periyodu gerçekleştirmek için sağladıkları büyük tasarım alanı ve bu yazıda değinilen diğer çeşitli avantajlar nedeniyle piller, enerji depolama işleri için bir dizi çekici enerji depolama alanı teknolojisi kullanır.

Pil, elektrik enerjisini dönüştürmek için 'redoks' reaksiyonları arasındaki enerji farkından yararlanan, dolayısıyla elektrik gücünü kimyasal güç olarak veya elektrik gücünü kimyasal güçten tasarruf eden bir elektrokimyasal depolama cihazıdır. Pillerin diğer çeşitli enerji depolama teknolojilerine göre birçok potansiyel avantajı vardır. Örneğin, elektrokimyasal reaksiyonlar, elektrik enerjisinin doğrudan salınması nedeniyle (genellikle ortak sıcaklık seviyesinde ve basınçta), karbonsuzlaştırılmış bir ızgaradaki (ve ayrıca genellikle enerjili bir ızgaradaki) termokimyasal tepkilerden genellikle çok daha güvenilirdir.

Ek olarak, uygulama tabanlı enerji depolama modern teknolojileri için geniş bir yerleşim alanı sağlayan, seçilebilecek çeşitli redoks reaksiyonu enerji depolama planları vardır. Örnek olarak, çeşitli tasarımlarda kullanılabilen şebeke ölçekli pil güç depolama alanı sistemlerinin sadece küçük bir bölümünü temsil eden, müşteri elektroniklerinde kullanılan iş pillerinin çeşitliliğini düşünün: lityum iyon, kurşun asit, nikel-kadmiyum, çinko-karbon pil vb. Ayrıca piller, genellikle coğrafi olarak ayrıntılı depolama konumları gerektiren termal veya yerçekimi depolamasından farklı olarak hemen hemen her yere yerleştirilebilir. Bu avantajlar, pillerin yalnızca karbondan arındırma sonrasındaki şebeke operasyonlarında kullanılmasına değil, aynı zamanda ikincil hizmetler olarak katma değer sunmasına da olanak tanır; örneğin piller, güç bağımsızlığının ve güvenilirliğin arttırılmasına katkıda bulunur. 2017'deki Maria Fırtınası sırasında Porto Riko'nun elektrik şebekesinin çöktüğünü göz önünde bulundurun. Yenilenebilir kaynak üretim tesisleri ve enerji depolama alanı sistemlerini içeren dağınık mikro şebeke tasarımları, trajik büyük elektrik kesintilerini önleyebilir. Bunun nedeni, dağınık üretimin, gücü dağıtan ancak şiddetli hava koşulları olayları açısından risk taşıyan iletim çerçevesinin (elektrik hatları ve elektrik direkleri gibi) inşaatını ve güçlendirilmesini azaltmasıdır.

Ayrıca, dağınık güç üretimi, tek bir arıza noktası olasılığını ortadan kaldırır. Kuşkusuz, mali özgürlük kaygılarının yanı sıra mahalle siyasi kaygılarının da dikkate alınması gerekir. Pek çok ülke, ekonomik açıdan pratik, yenilenemez büyük yakıt kaynağı kaynaklarına sahip değildir; dolayısıyla yenilenebilir enerji piyasasındaki bir değişiklik, yerli enerji üretimini geliştirebilir, enerji ithalatına olan ihtiyacı azaltabilir ve dolayısıyla jeopolitik özgürlüğü artırabilir. Amerika Birleşik Devletleri, 1970'ler ve 1980'lerde jeopolitik olarak ortaya çıkan petrol kıtlığı deneyiminden dolayı, güce bağımlılığın yol açabileceği mali zorlukları özellikle kabul etmektedir.

Günümüzde her biri çeşitli model tasarımlarına sahip, birçoğu bir dizi kimyaya uyabilen ve çeşitli alternatifleri kullanabilen birçok türde pil teknolojisi bulunmaktadır. Lityum-iyon piller (LIB), ana pil teknolojisi olarak dikkate alınır; 1990'lı yıllarda ve sonrasında lityum iyon piller ağırlıklı olarak elektronik ve mobil cihazlarda kullanılırken, son yıllarda lityum iyon piller öncelikle sabit enerji depolama sistemlerinde ve elektrikli Otomotiv (EV) bu iki büyük ölçekli pazarda kullanılıyor. Enerji sektöründe kullanılması düşünülen batarya yeniliklerinin çoğunluğu henüz nispeten olgunlaşmamış durumda ve kapsamlı deneme yanılma araştırmaları gerektirebilir, ancak bugüne kadar elde edilen işler aslında küçük dağıtımlar veya minimum ticari prosedürler olmuştur; bunun nedeni çoğunlukla bunların hala düşük performans göstermesi veya yalnızca Grid uygulaması için uygun olmasıdır. Bu tür yeniliklere örnek olarak redoks sirkülasyon pilleri (RFB) ve ayrıca metal-hava pilleri (MAB) verilebilir.

Uluslararası Enerji Ajansı'na göre, 2030 yılına kadar CO2 emisyonlarındaki azalmanın büyük bir kısmı kesinlikle şu anda piyasaya sürülen veya piyasada bulunan modern teknolojilerden gelecektir ve ayrıca 2050 yılına kadar karbon azaltımının yüzde ellisi şu anda demo veya prototip aşamasında olan enerji inovasyonlarına bağlı olacaktır. Yani hem federal hükümetler hem de kültürler çevre değişikliğini ele alma konusunda pratik olarak doğru yoldalar. Bununla birlikte, ideal enerji modern teknolojilerinin yeterince hızlı kullanılmasını ve bu azalmaların daha büyük ölçekli hasarları önleyecek kadar büyük olmasını garanti altına almak için aşılması gereken çok sayıda başka potansiyel sosyal, finansal ve politik engel vardır (Şekil 1). Dikkate alınması gereken bu faktörler teknik açıdan bağımsız olmamakla birlikte farklı yaklaşım ve çözümler gerektirebilmektedir. Bu çalışma, daha geniş pil uygulamasındaki iki önemli zorluğu kontrol ediyor: pil fiyatı ve ürün kısıtlamaları. Uygun verimlilik özelliklerine sahip bir dizi pil teknolojisi şu anda mevcuttur, ancak yüksek ön maliyetler, özellikle mevcut düşük üretim ölçeklerinde daha geniş çaplı teşvikleri geciktirebilir veya durdurabilir. Son olarak, belirli bir pil teknolojisi temel fiyat ve performans ölçütlerini karşılasa bile, hayati bileşenlerinin erişilebilirliği ve tedarik zinciri, hızlı ve derin entegrasyonu engelleyebilir. Bu nedenle, temel dekarbonizasyon hedeflerine ulaşmak için bu endişelerin mümkün olduğunca hızlı bir şekilde çözülmesi gerekmektedir. Bu çalışma, bu engelleri aşmak veya aşmak için finansal ve politik teknikleri keşfediyor.
Temel Engel 1: Pil Maliyeti

Maliyet, pillerin şebeke enerji depolama uygulamalarında kullanılıp kullanılamayacağı konusunda dikkate alınması gereken temel bir faktördür. Klinik cihazlar, tüketici elektroniği cihazları, elektrikli kamyonlar vb. gibi diğer pil pazarlarının aksine, şebeke uygulamaları, uygun fiyatlı fosil yakıt üretim tesisleriyle rekabet edebilmek için çok daha düşük maliyetli temiz enerji hizmetlerine ihtiyaç duyuyor. Şebekenin piyasaya sürülmesi büyük yatırımlar gerektirdiğinden ve sıklıkla finansmana (örn. finansman) erişim çağrısı yapıldığından, kaynak maliyeti aslında geleneksel olarak yenilenebilir kaynakların benimsenmesinde önemli bir engel ve dolayısıyla tekno-ekonomik fizibilitesinin merkezi bir göstergesi olmuştur. Piller için maliyet genellikle malzeme fiyatının yanı sıra üretim aralığına da bağlıdır. Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı, mali açıdan pratik bir şebeke enerji depolama sisteminin finansman giderine üst sınır olarak genellikle 100 ABD Doları/kWh ile 150 ABD Doları/kWh arasında bir sınır koyar.

Lityum-iyon piller şu anda şebeke uygulamalarında en çok kullanılan pil enerji depolama teknolojilerinden biridir. Lityum-iyon piller, ilk kez tüketici elektronik cihazları ve elektrikli kamyonlar gibi yüksek değerli pazarlarda çok sayıda kullanıldığı için 1990'lı yıllardan bu yana gelişimini hızlandırabildi. Bu pazarlarda akü tedarikçileri, tek seçenek oldukları için çok daha az gelişmiş ve daha yüksek fiyatlı akü ürünlerini pazarlayabilmektedir. Bu, lityum iyon pillerin uygun ölçekte ve aynı zamanda fiyatta üretilmesini mümkün kılarken performansı daha da maksimuma çıkarır. Dolayısıyla, güç depolama alanı sistemleri için bu teknoloji dikkate alındığında, lityum iyon piller aslında güçlü bir verimlilik göstermiştir, bu pilin şarj ve deşarj performansı artık çok yüksektir, genellikle %95'e kadar çıkmaktadır ve tedarik zinciri, fiyatın daha düşük olmasını sağlayacak şekilde oluşturulmuştur. Özellikle elektrikli otomobillerin gelişmesiyle birlikte lityum iyon pillerin fiyatı geçtiğimiz yıllarda önemli ölçüde düştü; Montajlı pil hücreleri ile yönetim ve güvenlik sistemlerinden oluşan lityum iyon piller, ABD Enerji Bakanlığı'nın belirlediği olası aralığa (yaklaşık 140 ABD Doları/kWh) düşmüş olup, gelecekte 100 ABD Doları/kWh'nin altına düşmesi beklenmektedir. Lityum-iyon pillerin uluslararası üretim kapasitesinin yıllık 700 GWh'yi aştığı tahmin edilmekte olup, bugün yaklaşık 50 milyar dolarlık bir sektördür. Bu mükemmel bir gelişme olsa da, tüm şebeke hizmetlerine izin vermek ve derin karbonsuzlaştırmayı gerçekleştirmek için hâlâ bir dizi çözüme ihtiyaç var. Ayrıca, bir sonraki bölümde incelenen tedarik zinciri sorunları, lityum iyon pil güç depolama sistemlerinin dağıtım aralığını engelleyebilir. Diğer bazı modern batarya teknolojileri, özellikle daha uzun sürelerde (4 saatten fazla) daha ekonomik hizmetler sunuyor, ancak Li-ion ile aynı pazar sorunlarından kazanç sağlayamıyorlar ve mücadele etmekte zorlanıyorlar.

Çok sayıda alternatif pil tasarımı ve ürünü, Li-ion pillere kıyasla temel fiyat avantajlarına sahiptir. Örneğin sirkülasyon pilleri, gücü ve gücü benzersiz bir şekilde bölen ve ikisinin birbirinden bağımsız olarak ölçeklenebileceğini gösteren bir sistem tasarımı kullanır. Bu, güç depolama alanı kapasitesinin makul bir şekilde büyümesine olanak tanıyarak bu tür pillerin daha uzun süreler için maliyet açısından çok daha rekabetçi olmasını sağlar. Öte yandan, lityum iyon pil gibi kapalı bir sistem, güç ve gücü eşleştirerek güç depolama biriminin maliyetini makul ölçüde sabit bir kriter haline getirir. Uzun süreli maliyetin, ön maliyetlere kıyasla dikkate alınması gereken bir faktör olmadığı belirtilmiş olsa da, akışlı bataryanın (RFB) veya metal-hava bataryasının (MAB) açık tarzı, hedeflenen bileşen bakımına izin vererek uzun vadeli gider mali tasarruflarını da kolaylaştırır. Elektrolit (en hızlı olumsuz pil bileşeni) ile doğrudan doldurulabilir veya değiştirilebilir, halbuki lityum iyon piller gibi tipik kapalı sistemlerin pil paketinin tamamının iyileştirilmesi veya değiştirilmesi gerekir, bu da belirli bir miktarda atık oluşturur. Sonuçta, lityum iyon pillere göre daha düşük maliyetli, daha yüksek içerikli ürünleri kullanan ve olası masrafları azaltan piller de var.

Bu doğal faydalara rağmen, ortaya çıkan enerji depolama çözümlerinin çeşitli nedenlerden dolayı tamamlanması zordur. Başlangıçta, derinlemesine karbondan arındırılmış bir şebekenin optimum stili bir dizi pil depolama hizmetini entegre etse de, bu senaryo mevcut gerçeklerden çok uzaktır. Bu yepyeni pil yenilikleri, şebeke ölçeğindeki uygulamalar için gerçekten uygun maliyetli olduğundan ve aynı zamanda daha yüksek değerli pazarlara giremediğinden, lityum iyon pillerle rekabet edebilmeleri için fiyatların nasıl düşürüleceği ve verimliliğin nasıl artırılacağı tam olarak belirsizdir. En sonunda ihtiyaç oluştuğunda, uzun süreli enerji depolama hizmetleri veya fosil yakıt üretim tesislerinin değiştirilmesi daha düşük bir maliyetle karşılanabilir.

Bu tavuk-yumurta meselesini daha da kötüleştiren benzer bir açmazdır: Ortaya çıkan bu yenilikler doğal olarak daha risklidir. Bu, onları proje denetçileri, sponsorlar veya diğer karar üreticileri için daha az dikkat çekici hale getirerek, bu modern teknolojilerin çok daha az benimsenmesine ve gösterilmesine neden oluyor ve aynı zamanda sürekli olarak riskli olduğu düşünülen bir sonuç haline geliyor. Bu engellerin bir sonucu olarak, bu ortaya çıkan pil modern teknolojilerinden yararlanmayı öneren çok sayıda görev, şirket finansal yatırımı, iş finansmanı ve daha fazlasıyla finansmanı korumak için mücadele etti. Bu sorunlar yalnızca özel sektör tarafından çözülemeyebilir ve federal hükümetin müdahalesi teknolojik tehlikeyi azaltabilir ve aynı zamanda sadece şebeke açısından dikkat çekici olan ancak derin karbonsuzlaştırmaya katkıda bulunabilecek enerji depolama alanı çözümlerinin fiyatını da düşürebilir. Genellikle büyük ölçekli gösterilerin mutlaka test edilmesi ve doğrudan satın alma yoluyla sürdürülmesi gerekecektir. Bunu başarmanın bir yolu, daha önce Amerikan Kurtarma ve Yeniden Yatırım Yasası'nda yapıldığı gibi, iş sunumu görevlerinin federal hükümet tarafından finanse edilmesidir. Şu anda ABD Güç Bölümü, demo güç depolama alanı projeleri için önemli miktarda finansman sağlıyor. Bununla birlikte, bu finansman aslında tarihsel olarak kamu talebiyle değil, Amerika Birleşik Devletleri ulusal araştırma laboratuvarlarına verilmiştir; bu da özel sektörü gerektirecek ve potansiyel olarak ilerlemeyi hızlandıracaktır. Buna ek olarak ABD hükümeti, erken aşamadaki geliştirme projelerinin çoğunda umut vaat eden, şebeke enerji depolama sunumları için özel bir program geliştirebilir. Bu ihtiyaç son zamanlarda ABD Enerji Bakanlığı'nın Gelişmiş Araştırma çalışması olan Enerji Teknolojileri Projeleri Ajansı'nın (ARPA-E) Kullanılmayan Mümkün Olan Enerji Teknolojilerindeki Önemli Gelişmeler Programı tarafından kısmen karşılandı. Benzer şekilde, ABD Temiz Enerji Demo Ofisi de en iyi yönde atılmış bir başka adımdır: Şirket, büyük (hatta milyar dolarlık) enerji depolama projelerini sergilemek ve aynı zamanda temiz enerji modern teknolojilerinin benimsenmesini ve yayılmasını hızlandırmak için özel sektörle birlikte çalışmak amacıyla 2021 yılında kuruldu.

Günümüzde enerji alanının karbonsuzlaştırılmasına katkıda bulunabilecek teknolojiler mevcuttur. Ancak, bu modern teknolojilerin hızlı ve uygun maliyetli bir şekilde oluşturulabilmesi ve aynı zamanda dağıtılabilmesi konusunda endişeler mevcut olup bu şu anda mevcut olmayan bir görevdir. Uygun teşviklerle, devlet tedavisi istenen sonuçların elde edilmesine ve hızlandırılmasına yardımcı olabilir. Üstelik çeşitli yaklaşımlar ve prosedürler, akıllıca ve hızlı bir şekilde kullanıldığında bu engellerin bir kısmının aşılmasına yardımcı olabilir. Yaklaşıma rağmen zaman gerekiyor, kamuya erişilebilirlik ve özel yatırım kritik önem taşıyor