Перешкоди для впровадження Об’єднаного державного акумуляторного сховища: ціна та продукти

Хоча наразі в США є різноманітні технології, які можуть декарбонізувати мережу, соціальні, фінансові, а також політичні бар’єри можуть перешкодити розгортанню цих сучасних технологій у терміни, необхідні для придушення змін навколишнього середовища. Ця перспектива висвітлює 2 найбільші перешкоди для розгортання місця для зберігання акумуляторів: ціна, а також продукти. Витрати на сучасні сучасні технології, як правило, залишаються занадто високими. Дослідницька група в Массачусетському інституті сучасних технологій дослідила колекцію політичних, а також фінансових стратегій, розроблених і наданих урядом Сполучених Штатів для реклами швидшого вивільнення місця зберігання енергії та мінімізації цін. Важливим фактором зростання цін є відносно висока вартість матеріалів для акумуляторів, згадується у звіті. А менший за розміром і спрощений ланцюжок постачання підкреслює актуальність акумуляторних продуктів, збільшуючи ставки та викликаючи швидке розширення. Окрім технологічних та економічних послуг, для цього існують фактори, деякі з яких аналізує MIT. Часто існує певне контрастне партнерство між конкурентною перевагою фірми (тобто ексклюзивним плануванням, а також виробництвом) і надекономічним виробництвом (тобто централізацією, стандартизацією тощо), яке слід подолати за допомогою політичних та економічних винагород. Зрештою, у державних і ексклюзивних галузях інвестування необхідна більша терміновість для вирішення проблеми зміни навколишнього середовища зі швидким зростанням, а також впровадження найефективніших рішень.

Серед найважливіших рішень для запобігання додатковій зміні клімату є декарбонізація сектору електроенергетики. Згідно з даними, опублікованими Об’єднаним державним управлінням з питань енергетики (EIA), у 2020 році загальні викиди вуглецю, створені ринком електроенергії, становили близько 32% від загального обсягу викидів вуглецю в США. Використовуючи відновлювані джерела енергії, такі як вітер і сонячна енергія, можна виробляти енергію без виділення вуглекислого газу, основного забруднювача, який викликає глобальне потепління. Тим не менш, відновлювана енергія постійно стикається з проблемами виробництва, оскільки її постачання залежить від кліматичних умов, які є невизначеними, а також від минулого контролю людини, що є суттєвою відмінністю від установок з виробництва викопного палива, які можуть забезпечити більше енергії в будь-який час. Існують різні рішення для вирішення проблем із перебоями та забезпечення постійного задоволення попиту: наприклад, об’єкти з виробництва відновлюваної енергії можна перебудувати, щоб у разі недостатнього сонця чи вітру вироблена електроенергія могла задовольнити попит на постачання. Однак цей підхід є дорогим, а також передбачає скорочення. Інша послуга полягає у використанні мінімальної кількості керованої енергії (наприклад, екологічно чистого водню, а також ядерної енергії тощо), в ідеалі типової чистої енергії, яка не створює CO2 (наприклад, зелений водень, аміак, біопаливо тощо). Тим не менш, ці нові інновації все ще борються за досягнення життєздатних показників вартості та ефективності, створених з використанням процедур з нейтральним викидом вуглецю. Хоча потрібні кілька методів, просторові системи накопичення енергії є надзвичайно перспективним засобом, а також пропонують широкий вибір варіантів дизайну.

Засіб використання простору для зберігання електроенергії полягає в тому, щоб перетворювати електричну енергію, отриману від відновлюваних джерел, в інші види енергії, такі як теплова енергія, електрохімічна енергія, потужність тощо, коли джерело живлення є достатнім, яке можна зберігати, а також вивільняти для задоволення попиту протягом тривалості постачання. Насосні гідрогенеруючі установки фактично були ефективним і добре задокументованим типом накопичувачів енергії протягом більше 100 років; за даними Міністерства енергетики США (DOE), насосна гідроенергетика в даний час складає 95% від загального обсягу накопичувальних потужностей для всіх систем накопичення енергії загального масштабу. Тим не менш, для вищого рівня декарбонізації мережі потрібна більша ємність накопичувача електроенергії: згідно зі звітом про дослідження Управління енергетичної інформації США (EIA), наразі в США розгорнуто менше 2 ГВт систем накопичення енергії загального масштабу, а також сотні гігават простору для зберігання електроенергії можуть знадобитися в 2050 році для сприяння глибокій декарбонізації. Насосну ГЕС важко масштабувати через те, що вона зазвичай є прибутковою лише для великих, капіталомістких проектів накопичення енергії, а також місця впровадження обмежені географічними та дозволеними обмеженнями. Крім того, мережа — це набір служб, кожна з яких залежить від різних характеристик потужності, а також вимог до потужності, часу реакції тощо, що вимагає різноманітних служб зберігання енергії. Найпоширенішою статистикою, яка використовується, щоб допомогти з’ясувати, чи сучасна технологія зберігання енергії є практично та економічно ідеальною для застосування, є 'період', який також представляє момент, потрібний для повного заряджання або повторного живлення батареї. Таким чином, можна досліджувати варіанти запуску з різною тривалістю. Завдяки великому конструктивному простору, який вони надають для досягнення серії періодів, а також різноманітним іншим перевагам, розглянутим у цьому описі, батареї використовують серію привабливих технологій накопичення енергії для завдань зберігання енергії.

Акумулятор — це електрохімічний накопичувальний пристрій, який використовує різницю в енергії між «окисно-відновними» реакціями для перетворення електричної енергії, отже, економії електроенергії як хімічної енергії або економії електроенергії від хімічної. Батареї мають багато потенційних переваг перед різними іншими типами технологій зберігання енергії. Наприклад, електрохімічні реакції зазвичай набагато надійніші, ніж термохімічні реакції в декарбонізованій сітці (а також, як правило, під напругою) через пряме вивільнення електричної енергії (зазвичай при звичайному рівні температури та тиску).

Крім того, існують різні плани накопичення енергії окислювально-відновної реакції, які надають широкий простір для сучасних технологій накопичення енергії на основі застосування. Як приклад, розглянемо різноманіття бізнес-батарей, які використовуються в клієнтській електроніці, які становлять лише невелику частину мережевих систем накопичення електроенергії для акумуляторів, доступних для використання в різних конструкціях: літій-іонні, свинцево-кислотні, нікель-кадмієві, цинк-вуглецеві батареї тощо. Крім того, батареї можна розгортати практично будь-де, на відміну від термічних або гравітаційних накопичувачів, які зазвичай вимагають географічно деталізованих місць зберігання. Ці переваги дозволяють використовувати батареї не лише для роботи в мережі після декарбонізації, але й для надання додаткової вартості як вторинних послуг; наприклад, акумулятори сприяють підвищенню енергонезалежності та надійності. Візьміть до уваги крах енергомережі Пуерто-Ріко під час шторму Марія в 2017 році. Розпорошені мікромережі, включаючи об’єкти виробництва відновлюваних ресурсів і системи зберігання енергії, можуть запобігти трагічним великим відключенням електроенергії. Це пояснюється тим, що розосереджена генерація зменшує будівництво та модернізацію каркасу передачі (таких як лінії електропередач та опори), які розсіюють електроенергію, але піддаються ризику несприятливих погодних умов.

Крім того, розосереджене виробництво електроенергії позбавляє можливості одиночної точки відмови. Безперечно, політичні інтереси сусідів, а також проблеми фінансової свободи також необхідно брати до уваги. Багато країн не мають великих економічно практичних невідновлюваних джерел палива, тому зміна ринку відновлюваної енергії може збільшити внутрішнє виробництво електроенергії, зменшити потребу в імпорті електроенергії, а також, отже, посилити геополітичну свободу. Сполучені Штати особливо визнають фінансові проблеми, які може спричинити залежність від електроенергії, оскільки вони зазнали геополітичного дефіциту нафти в 1970-х і 1980-х роках.

Сьогодні існує багато типів батарейних технологій, кожна з яких має різну конструкцію моделей, багато з яких можуть відповідати серії хімічних речовин, а також використовувати вибір альтернатив. Літій-іонні акумулятори (LIB) вважаються основною технологією акумуляторів; у 1990-х роках, а також пізніше, літій-іонні батареї в основному використовувалися в електронних і мобільних пристроях, тоді як в останні роки літій-іонні батареї в основному використовуються в стаціонарних системах накопичення енергії, а також у електричних автомобілях (EV) на цих двох великих ринках. Більшість нововведень акумуляторів, які розглядаються для використання в енергетичному секторі, ще відносно передчасні та можуть вимагати всебічного дослідження методом проб і помилок, але досягнуті на сьогоднішній день завдання насправді були невеликими розгортаннями або мінімальними комерційними процедурами, часто через те, що вони все ще недостатньо ефективні або підходять лише для Grid-додатків. Прикладами таких інновацій є окисно-відновні циркуляційні батареї (RFB), а також метало-повітряні батареї (MAB).

За даними Міжнародного енергетичного агентства, до 2030 року більша частина скорочення викидів CO2, безумовно, відбуватиметься завдяки сучасним технологіям, які зараз випущені або є на ринку, а також до 2050 року п’ятдесят відсотків скорочення викидів вуглецю залежатиме від інновацій, які зараз перебувають на стадії демонстрації або прототипу енергетичних інновацій. Таким чином, федеральні уряди, а також культури практично на правильному шляху щодо зміни навколишнього середовища. Тим не менш, існують численні інші потенційні соціальні, фінансові та політичні перешкоди, які необхідно подолати, щоб гарантувати, що сучасні технології ідеальної енергетики будуть розгорнуті достатньо швидко, щоб ці зменшення були достатньо великими, щоб уникнути більш масштабної шкоди (рис. 1). Хоча ці фактори, які слід враховувати, не залежать від технічних аспектів, вони можуть потребувати різних підходів і рішень. У цій роботі перевіряються дві ключові проблеми, пов’язані з широким впровадженням акумуляторів: ціна акумулятора та обмеження на продукт. В даний час існує низка технологій акумуляторів з відповідними атрибутами ефективності, але високі початкові витрати можуть затримати або зупинити ширше сприяння, зокрема в поточних низьких масштабах виробництва. Нарешті, навіть якщо певна технологія акумулятора задовольняє основні показники ціни та продуктивності, доступність і ланцюжок постачання її життєво важливих компонентів можуть перешкоджати швидкій і глибокій інтеграції. Тому ці проблеми необхідно вирішити якомога швидше, щоб досягти ключових цілей декарбонізації. Ця робота відкриває фінансові та політичні методи подолання або обходу цих бар'єрів.
Ключова перешкода 1: вартість батареї

Вартість є основним фактором, який слід враховувати, щоб визначити, чи можна використовувати батареї в мережевих системах зберігання енергії. На відміну від інших ринків акумуляторів, таких як клінічні прилади, споживчі електронні пристрої, електричні вантажівки тощо, мережеві програми потребують значно менших витрат на чисту енергію, щоб конкурувати з доступними об’єктами виробництва викопного палива. Оскільки випуск електромережі вимагає великих інвестицій, часто вимагає доступу до фінансування (наприклад, фінансування), вартість ресурсів фактично традиційно була суттєвою перешкодою для впровадження відновлюваних ресурсів і, отже, центральним показником техніко-економічної доцільності. Для акумуляторів вартість, як правило, залежить від ціни матеріалу, а також діапазону виробництва. Міністерство енергетики Сполучених Штатів зазвичай ставить від 100 до 150 доларів США/кВт-год як обмеження витрат на фінансування фінансово практичної системи зберігання електроенергії.

Літій-іонні батареї в даний час є однією з найбільш розповсюджених технологій зберігання енергії в електромережах. Літій-іонні батареї мали можливість прискорити свій розвиток, враховуючи 1990-ті роки, оскільки вони вперше були використані у багатьох країнах на ринках високої вартості, що складаються з електронних пристроїв споживачів та електричних вантажівок. На цих ринках постачальники акумуляторів можуть продавати набагато менш вдосконалені та дорожчі акумуляторні вироби, оскільки це єдиний вибір. Це дає змогу створювати літій-іонні батареї в масштабі та за ціною, одночасно максимізуючи продуктивність. Отже, коли ця технологія береться до уваги для систем накопичення електроенергії, літій-іонні батареї фактично показали високу ефективність, ефективність заряду та розряду цієї батареї зараз дуже висока, зазвичай досягає 95%, а ланцюжок постачання налагоджено, щоб гарантувати нижчу ціну. Зокрема, з розвитком електричних автомобілів ціна на літій-іонні батареї фактично різко впала в останні роки; Літій-іонні батареї, що складаються із зібраних елементів батареї та адміністрування, а також систем безпеки, впали в межах можливого діапазону, визначеного Міністерством енергетики США (близько 140 доларів США/кВт-год), очікується, що в майбутньому впадуть нижче 100 доларів США/кВт-год. Міжнародні можливості виробництва літій-іонних акумуляторів приблизно перевищують 700 ГВт-год на рік, а на сьогоднішній день цей сектор становить майже 50 мільярдів доларів. Незважаючи на те, що це чудова розробка, ще потрібен ряд заходів, щоб дозволити всім мережевим службам і виконати глибоку декарбонізацію. Крім того, проблеми з ланцюгом постачання, розглянуті в наступному розділі, можуть перешкоджати діапазону розгортання систем накопичення електроенергії на літій-іонних акумуляторах. Декілька інших сучасних технологій акумуляторів пропонують навіть більш економічні послуги, особливо протягом тривалих періодів часу (понад 4 години), але вони не виграють від тих самих проблем ринку, що й літій-іонні, і їм важко конкурувати.

Численні альтернативні конструкції акумуляторів, а також продукти мають фундаментальні цінові переваги порівняно з літій-іонними акумуляторами. Циркуляційні батареї, наприклад, використовують структуру системи, яка унікальним чином поділяє потужність і потужність, вказуючи, що обидві можуть масштабуватися незалежно одна від одної. Це дозволяє доступне збільшення обсягу накопичувачів електроенергії, що робить такі батареї набагато більш конкурентоспроможними за рахунок більшої тривалості роботи. З іншого боку, закрита система, як літій-іонна батарея, поєднує потужність і потужність, роблячи вартість її блоку накопичення енергії досить фіксованим критерієм. Хоча було зазначено, що довготривала вартість є меншим фактором, який слід враховувати порівняно з початковими витратами, відкритий стиль проточної батареї (RFB) або метало-повітряної батареї (MAB) додатково сприяє довгостроковій фінансовій економії, дозволяючи цільове технічне обслуговування компонентів. Його можна просто поповнити або замінити електролітом (найшвидшим шкідливим компонентом батареї), тоді як типові закриті системи, такі як літій-іонні батареї, потребують вдосконалення або заміни всього акумуляторного блоку, що створює певну кількість відходів. Зрештою, є додаткові батареї, які використовують дешевші продукти з вищим вмістом, ніж літій-іонні батареї, що знижує очікувані витрати.

Незважаючи на ці притаманні переваги, нові рішення для накопичення енергії важко реалізувати з різних причин. Спочатку, незважаючи на те, що оптимальний стиль глибоко декарбонізованої мережі об’єднує низку служб зберігання акумуляторів, цей сценарій значно відрізняється від існуючого факту. Оскільки ці абсолютно нові інноваційні акумулятори насправді просто економічно ефективні для додатків у мережевому масштабі, а також не можуть потрапити на ринки з високою вартістю, незрозуміло, як саме знизити ціни, а також підвищити ефективність, щоб вони могли конкурувати з літій-іонними акумуляторами, коли вони. Коли врешті-решт виникає потреба, послуги довгострокового накопичення електроенергії або заміна установок для виробництва викопного палива можуть бути задоволені за зниженою ціною.

Погіршення цієї проблеми курки та яйця є ще однією подібною головоломкою: ці інновації, що виникають, природно, ризикованіші. Це робить їх менш привертаючими увагу керівників проектів, спонсорів чи інших виробників рішень, що робить ці сучасні технології набагато рідше прийнятими та демонстрованими, а також результатом, який постійно вважають ризикованим. Через ці перешкоди численні завдання, які пропонують використовувати ці нові сучасні технології акумуляторів, боролися за захист фінансування за рахунок фінансових інвестицій компанії, фінансування робочих місць тощо. Ці проблеми можуть бути не вирішені лише приватним сектором, а лікування федерального уряду може зменшити технологічну небезпеку, а також знизити ціну нових засобів для зберігання енергії, які лише привертають увагу до мережі, але можуть сприяти глибокій декарбонізації. Як правило, широкомасштабні демонстрації, безсумнівно, потребують перевірки, а також підтримки прямих закупівель. Одним із способів досягти цього є фінансування завдань бізнес-презентації з федерального уряду, як це було зроблено раніше з Законом про відновлення Америки та Законом про реінвестування. Зараз Відділ влади США надає значне фінансування для демонстраційних проектів космічних накопичувачів електроенергії. Тим не менш, це фінансування фактично історично надавалося національним дослідницьким лабораторіям Сполучених Штатів, а не за публічним проханням, що включало б приватний сектор і також потенційно прискорювало прогрес. Крім того, уряд США може розробити спеціалізовану програму для презентацій мережевого зберігання електроенергії, яка показала перспективу в багатьох його проектах розробки на ранніх стадіях. Цю потребу нещодавно частково задовольнила Програма передових дослідницьких проектів енергетичного агентства Відділу енергетики США (ARPA-E) для важливих досягнень в енергетичних технологіях з невикористаною можливістю. Подібним чином демонстрація Офісу чистої енергії США є ще одним кроком у найкращому напрямку: компанію було засновано у 2021 році з метою демонстрації великих (навіть мільярдних) проектів зі зберігання енергії, а також для співпраці з приватним сектором, щоб прискорити впровадження та розгортання сучасних технологій чистої енергії.

Сьогодні існують технології, які можуть сприяти декарбонізації енергетичного поля. Однак існує занепокоєння щодо здатності створювати, а також розгортати ці сучасні технології швидко та економічно ефективно, завдання, яке зараз не виконується. За наявності відповідних стимулів державне лікування може допомогти досягти та прискорити бажані результати. Крім того, різноманітні підходи та процедури можуть допомогти подолати деякі з цих перешкод, якщо використовувати їх розумно та також швидко. Незважаючи на підхід, потрібен час, а також доступність для громадськості, а також виняткові інвестиції є критичними