Το Μέλλον της Αποθήκευσης Ενέργειας – Τεχνολογία Μπαταριών Κλίμακας Υποδομών

Η Ανάγκη των Μπαταριών για το Δίκτυο Ηλεκτρισμού

Οι μπαταρίες έχουν εξελιχθεί από ένα φθηνό εξάρτημα μικρών ηλεκτρονικών σε ένα ακριβό βασικό εξάρτημα στην επανάσταση των ηλεκτρικών οχημάτων. Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος τομέας εκτός της κινητικότητας που απαιτεί ολοένα και μεγαλύτερη χωρητικότητα μπαταριών: το δίκτυο ηλεκτρισμού.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αυξάνονται ως μέρος της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, είναι επίσης πιο διακοπτόμενες από τα εργοστάσια που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα, καθώς παράγουν ενέργεια κυρίως όταν ο ήλιος λάμπει ή ο άνεμος φυσάει. Αυτό μπορεί να μην συμπίπτει με τις ώρες αιχμής κατανάλωσης, που συχνά είναι το βράδυ ή το χειμώνα. Το δίκτυο ηλεκτρισμού δεν αποθηκεύει ηλεκτρισμό, αλλά πρέπει να ισορροπεί μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης ανά πάσα στιγμή.

Έτσι, όσο αυξάνεται η παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές, τόσο περισσότερες μπαταρίες θα χρειαστούν για να διατηρήσουν το δίκτυο σταθερό. Πρόκειται για έναν σημαντικό τομέα νέων επενδύσεων στην ενέργεια, με έργα μπαταριών κλίμακας υποδομών να προγραμματίζονται να τριπλασιάσουν την τρέχουσα χωρητικότητα μέχρι το 2025.

Πηγή: EIA

Για την ώρα, πολλά από αυτά τα πάρκα μπαταριών χρησιμοποιούν μπαταρίες λιθίου-ιόντων. Αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει.

Διαφορετικές Ανάγκες

Για την ώρα, η βιομηχανία μπαταριών έχει εξελιχθεί κυρίως για να εξυπηρετήσει την αγορά μικρών ηλεκτρονικών και των ηλεκτρικών οχημάτων. Αυτό συμβαίνει επειδή και οι δύο μοιράζονται παρόμοιες απαιτήσεις για την ιδανική μπαταρία:

• Μικρή και ελαφριά, ώστε να έχει υψηλή πυκνότητα όπως μετράται σε Wh/kg.
• Λειτουργία σε «κανονικό» εύρος θερμοκρασιών.
• Μη εξαιρετικά ευαίσθητη στην τιμή.
• Διάρκεια ζωής τουλάχιστον 5‑10 χρόνια, με περίπου μία πλήρη φόρτιση την ημέρα.

Για αυτό το συγκεκριμένο σύνολο κριτηρίων, η τεχνολογία λιθίου‑ιόντων ήταν μέχρι τώρα η καλύτερη για τις μπαταρίες. Αυτό μπορεί σύντομα να αλλάξει, με δυνατότητες όπως μπαταρίες στερεάς κατάστασης, νάτριο‑ιόν ή μπαταρίες λιθίου‑σιδήρου‑φωσφορικού (LFP) ως πιθανές εναλλακτικές. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα στο άρθρο μας: «The Future of Mobility – Battery Tech».

Αλλά οι μπαταρίες για το δίκτυο / κλίμακας υποδομών έχουν πολύ διαφορετικές ανάγκες.

• Δεν υπάρχουν σκληροί περιορισμοί βάρους. Οι μπαταρίες δεν μετακινούνται, οπότε ένα βάρος που θα ήταν πρόβλημα για ένα EV δεν αποτελεί ζήτημα.
• Δεν υπάρχουν σκληροί περιορισμοί χώρου. Τα πάρκα μπαταριών θα χτιστούν σε φθηνή γη γύρω από σταθμούς παραγωγής. Δεν χρειάζεται να τα πακετάρετε σφιχτά μέσα σε ένα πλαίσιο υπολογιστή ή EV.
• Οι υψηλές θερμοκρασίες δεν είναι τόσο προβληματικές. Αν μια συγκεκριμένη χημεία λειτουργεί καλύτερα στους 200 °C, αυτό δεν θα «ψήνει» τους επιβάτες ενός EV. Ωστόσο, στις περισσότερες χώρες, οι μπαταρίες θα πρέπει να αντέχουν το κρύο, καθώς η θέρμανση τους το χειμώνα θα ήταν πολύ δαπανηρή. Αυτό είναι κάτι που οι μπαταρίες βάσει λιθίου δυσκολεύονται.
• Το κόστος ανά Wh είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας.
• Όσο πιο πολύ διαρκεί η μπαταρία, τόσο περισσότερο μπορεί να αποσβεστεί το κόστος της σε μακρά χρονική περίοδο, με τις εταιρείες κοινής ωφέλειας να επενδύουν σε προοπτική 30‑40 ετών.

Λαμβάνοντας υπόψη τις πολύ διαφορετικές ανάγκες μεταξύ EV και μπαταριών κλίμακας υποδομών, δεν είναι έκπληξη το γεγονός ότι αναπτύσσονται νέες τεχνολογίες και νέες χημείες μπαταριών για πιο οικονομικές λύσεις στις εταιρείες ενέργειας και τους διαχειριστές δικτύων.

Στην πράξη, μπορούμε να περιμένουμε πολλές διαφορετικές τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας να «κερδίζουν» μαζί, καθώς κάποιες είναι πιο κατάλληλες για άμεση εξισορρόπηση του δικτύου, ενώ άλλες για διαφορετικές χρονικές κλίμακες (ώρες, εβδομάδες, ολόκληρες εποχές).

Πηγή: CleanTech

Ενώ αυτό το άρθρο θα σας δώσει μια επισκόπηση του θέματος, ίσως θέλετε επίσης να διαβάσετε αυτήν την λεπτομερή αναφορά του Ara Ake για σταθερά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

Νέες Χημείες Μπαταριών για Εφαρμογές Κλίμακας Δικτύου

Νέες Χημείες Προερχόμενες από EV

Η κατασκευή μπαταριών είναι ένα παιχνίδι κλιμάκωσης. Οι μεγαλύτερες παρτίδες παραγωγής, με την πιο εκτενή αλυσίδα εφοδιασμού, μπορούν να αξιοποιήσουν οικονομίες κλίμακας και έτσι να μειώσουν το κόστος ανά Wh.

Για το λόγο αυτό, αρκετές εταιρείες μπαταριών κλίμακας υποδομών στοιχηματίζουν σε χαμηλού κόστους χημείες μπαταριών που ήδη χρησιμοποιούνται στα EV για να αντικαταστήσουν την αποθήκευση βάσει λιθίου‑ιόντων.

Μπαταρίες LFP

Μία επιλογή είναι οι LFP (λιθίου‑σιδήρου‑φωσφορικού), ένας καλός υποψήφιος για φθηνές μπαταρίες EV, και μια χημεία μπαταρίας που δεν εξαρτάται από ακριβό κοβάλτιο και νικέλιο. Είναι επίσης πιο ανθεκτικές από τις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων, καθιστώντας τες ακόμη πιο οικονομικές μακροπρόθεσμα. Αυτό είναι κάτι που είναι ήδη διαθέσιμο σε έτοιμες λύσεις κλίμακας υποδομών, συμπεριλαμβανομένων των ηγετών του κλάδου όπως CATL ή BYD.

Μπαταρίες Νάτριο‑Ιόν

Εκτός του κοβάλτιου και του νικελίου, το ίδιο το λίθιο μπορεί μερικές φορές να είναι πολύ ακριβό, ανάλογα με τις διακυμάνσεις της τιμής του. Έτσι, η αντικατάστασή του με άφθονο νάτριο μπορεί να βοηθήσει ακόμη περισσότερο στη μείωση των τιμών. Είναι ελαφρώς λιγότερο ενεργειακά πυκνό (Wh/kg) από τις LFP, αλλά επίσης φθηνότερο, οπότε μπορεί να είναι ακόμη καλύτερος υποψήφιος για χημεία μπαταρίας που μπορεί να λειτουργήσει τόσο στα EV όσο και στο δίκτυο.

Μπαταρίες Redox Flow

Αυτές οι κατηγορίες μπαταριών βασίζονται στη χημική διαδικασία οξείδωσης και μείωσης μετάλλου. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα μέταλλα για τις redox‑flow μπαταρίες, καθώς και άλλοι τύποι ιοντικών ροών.

Πηγή: CellCube

Μπαταρίες Σίδηρος‑Αέρα

Αυτές οι μπαταρίες λειτουργούν αξιοποιώντας την οξείδωση του σιδήρου (συνήθως γνωστή ως σκουριά). Οι μπαταρίες παράγουν ηλεκτρισμό οξειδωμένου σιδήρου και στη συνέχεια αντιστρέφουν τη διαδικασία καταναλώνοντας ηλεκτρισμό.

Το βασικό πλεονέκτημα είναι ότι, χρησιμοποιώντας εξαιρετικά φθηνά υλικά, αυτές οι μπαταρίες θα μπορούσαν να είναι εξαιρετικά οικονομικές. Οι υποστηρικτές αυτής της τεχνολογίας ισχυρίζονται ότι οι μπαταρίες σίδηρος‑αέρα θα είναι 10 φορές φθηνότερες, θα αποδίδουν καλύτερα και θα διαρκούν 17 φορές περισσότερο. Το μειονέκτημα ότι είναι μεγάλες, βαριές και αργές στη φόρτιση ή εκφόρτιση δεν θα πρέπει να αποτελεί πρόβλημα για εφαρμογές κλίμακας υποδομών. Εταιρείες όπως Form Energy ήδη κατασκευάζουν εγκαταστάσεις για μαζική παραγωγή αυτών των μπαταριών.

Μπαταρίες Ψευδάργυρου

Χρησιμοποιώντας ένα ακόμη φθηνό μέταλλο, αυτές οι μπαταρίες περιλαμβάνουν πολλές επιλογές όπως χημείες ψευδάργυρο‑βρωμίου, ψευδάργυρο‑μαγγανίου ή ψευδάργυρο‑αέρα. Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι η πολύ μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης, με ελάχιστες απώλειες/εκφόρτιση. Αυτό θα την έκανε καλό υποψήφιο για αποθήκευση αιολικής ενέργειας, καθώς οι ημέρες χωρίς άνεμο μπορεί να διαρκούν αρκετές εβδομάδες, κάτι που οι τεχνολογίες μπαταριών με λιγότερο ανθεκτική αποθήκευση δυσκολεύονται να αντισταθμίσουν. «Οι μπαταρίες ψευδάργυρου αναμένεται να αποτελέσουν το 10 % της αγοράς αποθήκευσης μέχρι το 2030, σύμφωνα με τον αναλυτή ενέργειας Avicenne Consulting». Σημαντικές εταιρείες σε αυτόν τον χώρο είναι Redflow (ψευδάργυρο‑βρώμιο) και Zinc8 (ψευδάργυρο‑αέρα).

Μπαταρίες Vanadium Redox Flow – VRFB

Το βανάδιο είναι ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται σήμερα κυρίως στην παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα. Σε μπαταρίες, μπορεί να δημιουργήσει μπαταρίες που είναι ιδανικές για καθημερινά κύκλους και εξομάλυνση της παραγωγικής καμπύλης των ανανεώσιμων πηγών κατά τη διάρκεια της ημέρας, χάρη στην ικανότητά τους να διαχειρίζονται τουλάχιστον 10 κύκλους φόρτισης‑εκφόρτισης την ημέρα, ενώ διατηρούν καλή χωρητικότητα διατήρησης έως και 24 ώρες. Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί να είναι πολύ μεγάλη, έως 20‑25 χρόνια, και ακόμη τότε θα χρειάζεται μόνο η αντικατάσταση των πλαστικών μερών του πλαισίου, ενώ τα μεταλλικά εξαρτήματα είναι σχεδόν πλήρως ανακυκλώσιμα.

Ο κλάδος είναι πολύ ενεργός, με εταιρείες όπως CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power και VRB Energy να εργάζονται σε αυτήν την τεχνολογία.

Μπαταρίες Θαλασσινού Αλατιού / Αφυδατωμένες Αλκοσόλητες Μπαταρίες

Αυτή η έννοια βασίζεται στη ροή ιόντων αλατιού μέσω μιας μεμβράνης για αποθήκευση ενέργειας. Μια έκδοση αυτής της μπαταρίας που κατασκευάζεται από τη Salgenx δεν χρησιμοποιεί καθόλου μεμβράνη, μειώνοντας το κόστος, την πολυπλοκότητα και τη συντήρηση, αλλά με ένα προσαρμοσμένο ηλεκτρολύτη που δεν αναμειγνύεται με το νερό.

Μπαταρίες Μελιούχου Μετάλλου

Η έννοια βασίζεται στην τήξη αλουμινίου, μια διαδικασία που καταναλώνει πολύ ηλεκτρισμό· τι θα γινόταν αν μπορούσε να αντιστραφεί;

Ένα μεγάλο μέρος του κόστους των μπαταριών προέρχεται από τις δυσκολίες στην κατασκευή τους. Τα άνοδος και τα κάθοδος πρέπει να είναι τέλεια χωρισμένα για να αποφεύγονται συντομεύσεις.

Σε μια μπαταρία μελιούχου μετάλλου, όλα τα 3 κύρια συστατικά – το άνοδος, το κάθοδος και ο ηλεκτρολύτης – είναι υγρά. Διαχωρίζονται αυτόματα μεταξύ τους χάρη στις διαφορετικές πυκνότητες των υγρών. Το γεγονός ότι δεν υπάρχουν στερεά εξαρτήματα θα πρέπει θεωρητικά να αυξήσει δραστικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, καθώς και να επιτρέψει πολύ γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση και πλήρη ανακυκλωσιμότητα.

Η εταιρεία Ambri, που χρησιμοποιεί μπαταρία ασβεστίου και αντιμόνιου, στοχεύει στην παραγωγή 200.000 κυψελών μπαταρίας ετησίως στο νέο της εργοστάσιο μέχρι το 2024, και είναι προμηθευτής της Microsoft από το 2022.

Πηγή: Ambri

Η εταιρεία NGK insulator εργάζεται επίσης σε μπαταρία νάτριο‑θειού σε λιωμένο αλάτι, και η εταιρεία FZSoNick εργάζεται σε μπαταρία νάτριο‑νικελίου‑χλωριούχου.

Μπαταρίες Μετάλλου Υδρογόνου / Νικελίου Υδρογόνου

Αυτές οι μπαταρίες κυκλώνουν το υδρογόνο σε νερό και στη συνέχεια οξειδώνουν ένα μέταλλο. Ενώ το νικέλιο δεν είναι το μοναδικό δυνατό κάθοδος μέταλλο σε αυτήν την τεχνολογία (εναλλακτικές μπορούν να είναι μαγγάνιο, μόλυβδο ή σίδηρος), είναι η πιο κοινή και ενεργειακά πυκνή επιλογή.

Αυτή είναι η μπαταρία που χρησιμοποιεί η NASA στο ISS (Διεθνή Διαστημικός Σταθμός).

Αυτή η τεχνολογία θα είχε το πλεονέκτημα της πολύ υψηλής ασφάλειας, μηδενικής συντήρησης και λειτουργίας σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (‑40 έως +60 °C).

Αυτή η τεχνολογία προωθείται ιδιαίτερα από την Enervenue, η οποία βγήκε από το stealth mode το 2020, παρουσιάζοντας μια νέα έκδοση της μπαταρίας της με διάρκεια ζωής 30 ετών, 30.000 κύκλοι, που κυκλοφόρησε τον Σεπτέμβριο του 2023. Οι μπαταρίες υδρογόνου‑μαγγανίου αναπτύσσονται από την RFC Power.

Μπαταρίες CO₂

Η αύξηση των επιπέδων CO₂ είναι η κινητήρια δύναμη πίσω από την ώθηση για ανανεώσιμες πηγές και την ηλεκτροποίηση, και επομένως πίσω από την αυξανόμενη ανάγκη για μπαταρίες. Έτσι, θα ήταν κάπως ειρωνικό το ίδιο μόριο να χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.

Noon Energy η μπαταρία CO₂ διασπά το CO₂ σε άνθρακα και οξυγόνο για αποθήκευση ενέργειας. Η ροή μπαταρίας λειτουργεί υπό υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες από 50 έως 200 bar και 600 έως 800 °C. Αυτός ο τύπος μπαταρίας αναπτύχθηκε αρχικά για το διαστημικό όχημα Mars Rover Perseverance.

Αυτό δεν πρέπει να συγχέεται με την «μπαταρία CO₂» της Energy Dome, η οποία βασίζεται στον κύκλο υγροποίησης και εξάτμισης του CO₂, καθιστώντας την όχι πραγματική μπαταρία, αλλά περισσότερο μια αποθήκευση ενέργειας σε συμπιεσμένο αέριο.

Μπαταρίες Νάτριο‑Θειού

Αυτές οι μπαταρίες, μέχρι τώρα, περιορίζονταν σε εφαρμογές όπου η μπαταρία διατηρείται σε υψηλές θερμοκρασίες (300 °C). Αυτό μπορεί να μην αποτελεί πρόβλημα για εφαρμογές κλίμακας υποδομών. Ωστόσο, η τεχνολογία είναι ακόμη σχετικά νέα και λείπουν η κλίμακα και η μαζική παραγωγή. Η δημιουργία πολύ ανθεκτικών μπαταριών μπορεί επίσης να αποτελεί τεχνολογική πρόκληση.

Πολυμερικές Μπαταρίες

Επίσης γνωστές ως πλαστικές μπαταρίες, αυτή η έννοια χρησιμοποιεί αγώγιμο πολυμερές αντί για λίθιο ή άλλα μέταλλα. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της έννοιας είναι ότι βασίζεται σε απλή κατασκευή και υλικά που είναι άμεσα διαθέσιμα. Η προκύπτουσα μπαταρία θα είναι επίσης πολύ ανθεκτική και εύκολη στη λειτουργία με ασφάλεια.

Polyjoule, ένα spin‑off του MIT, είναι ένας από τους ηγέτες σε αυτήν την ιδέα. Αλλά ενδέχεται μακροπρόθεσμα να μην είναι ένας τύπος μπαταρίας που μπορεί να μειώσει το κόστος τόσο όσο ορισμένες άλλες εναλλακτικές.