Energiavarastoinnin Tulevaisuus – Sähköverkon Suurmittakaavaiset Akkujen Tekniikka

Sähköverkon Tarve Akkuille

Akkut ovat kehittyneet halpasta komponentista pienissä elektroniikkalaitteissa kalliiksi keskeiseksi osaksi sähköautojen vallankumousta. Mutta on olemassa toinen sektori liikkumisen lisäksi, joka vaatii yhä suurempaa akkukapasiteettia: sähköverkko.

Uusiutuva energia kasvaa osana kokonaisenergiantuotantoa. Mutta se on myös epäsäännöllisempää kuin fossiilipohjaiset voimalaitokset, sillä se tuottaa enimmäkseen vain auringon paistaessa tai tuulen puhaltessa. Tämä ei välttämättä osu huippukulutuksen aikaan, joka on usein iltaisin tai talvella. Sähköverkko ei varastoi sähköä, mutta sen on tasapainotettava tuotanto ja kulutus jatkuvasti.

Siis mitä enemmän uusiutuvaa tuotantoa, sitä enemmän akkuja tarvitaan sähköverkon vakauttamiseksi. Tämä on merkittävä uusi energiasijoitusalue, ja hyötysähköakut on suunniteltu kolminkertaistamaan nykyinen kapasiteetti vuoteen 2025 mennessä.

Lähde: EIA

Toistaiseksi monet näistä akkuparkeista käyttävät litiumioniakkuja. Mutta tämä saattaa muuttua.

Eri Tarpeet

Toistaiseksi akkuteollisuus on kehittynyt pääasiassa palvelemaan pieniä elektroniikkalaitteita ja sähköautomarkkinaa. Tämä johtuu siitä, että molemmat jakavat samankaltaiset vaatimukset ihanteelliselle akulle:

• Pieni ja kevyt, siis korkea energiatihteys (Wh/kg).
• Toimii “normaalissa” lämpötilassa.
• Ei ole äärimmäisen hintaherkä.
• Kestää vähintään 5–10 vuotta, noin yksi täysi lataus päivässä.

Tälle erityiselle kriteerijoukolle litiumioni‑tekniikka on tähän mennessä ollut paras. Tämä saattaa pian muuttua, kun kiinteän tilan akut, natriumioni‑ tai litium-rauta-fosfaatti (LFP) -akut nousevat mahdollisiksi vaihtoehdoiksi. Lue aiheesta lisää artikkelissamme: “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Kuitenkin sähköverkon / hyötysähköakut tarvitsevat hyvin erilaisia ominaisuuksia.

• Ei kovia painorajoituksia. Akut eivät liiku, joten paino, joka rasittaisi sähköautoa, ei ole ongelma.
• Ei kovia tilarajoituksia. Akkuparkit rakennetaan edulliselle maalle lähellä voimalaitoksia. Ei tarvita pakata tiukasti tietokoneen tai sähköauton runkoon.
• Korkeat lämpötilat eivät ole niin ongelmallisia. Jos tietty kemia toimii paremmin 200 °C:ssa, se ei polta sähköauton matkustajia. Useimmissa maissa akkujen on kuitenkin kestettävä kylmä sää, sillä niiden lämmittäminen talvella olisi erittäin kallista – jotain litium‑pohjaiset akut voivat kamppailla.
• Jokaisen Wh:n hinta on tärkein tekijä.
• Mitä pidempään akku kestää, sitä paremmin sen kustannukset voidaan jakaa pitkälle ajanjaksolle, kun hyötyyhtiöt investoivat 30–40 vuoden aikavälillä.

Kun otetaan huomioon sähköautojen ja hyötysähköakkujen hyvin erilaiset tarpeet, ei ole yllättävää, että uusia teknologioita ja akkemekaanisia kehitetään kustannustehokkaampien ratkaisujen tarjoamiseksi sähköyhtiöille ja verkon operaattoreille.

Käytännössä voimme odottaa useiden eri energian varastointiteknologioiden “voittavan” yhdessä, sillä jotkut soveltuvat paremmin välittömään verkon tasapainottamiseen, kun taas toiset sopivat eri aikaskaalalle (tunnit, viikot, kokonaiset kaudet).

Lähde: CleanTech

Vaikka tämä artikkeli antaa sinulle yleiskuvan aiheesta, saatat myös haluta lukea tämän yksityiskohtaisen raportin Ara Ake:lta kiinteistä energian varastointijärjestelmistä.

Uudet Akkujen Kemialliset Yhdisteet Sähköverkon Suurmittakaavaisiin Sovelluksiin

Sähköautojen Johdannaiset Uudet Kemialliset Yhdisteet

Akkujen rakentaminen on mittakaavapeli. Suurimmat tuotantoerät, joissa on syvin toimitusketju, voivat hyödyntää mittakaavaetuja ja siten alhaisempaa Wh-hintaa.

Tämän vuoksi melko moni hyötysähköakkujen yritys panostaa matalakustannuksisiin akkemekaanisiin, joita jo käytetään sähköautoissa, korvaamaan litium‑ioni‑pohjaista varastointia.

LFP-akuut

Yksi vaihtoehto on LFP (litium-rauta-fosfaatti), hyvä ehdokas matalakustannuksisiin sähköautoakkuihin, eikä se luota kalliisiin koboltti- ja nikkeliresursseihin. Ne kestävät myös pidempään kuin litium‑ioni‑akut, mikä tekee niistä pitkällä aikavälillä taloudellisempia. Tämä on jo saatavilla valmiina, hyötysähköakku‑ratkaisuina, mm. alansa johtajilta kuten CATL tai BYD.

Natriumioniakut

Koboltin ja nikkelin lisäksi litium itse voi olla erittäin kallista hintavaihtelujen vuoksi. Siksi sen korvaaminen runsaan natriumin avulla voi vielä enemmän alentaa hintoja. Ne ovat hieman vähemmän energiatehokkaita (Wh/kg) kuin LFP‑akut, mutta myös halvempia, joten ne voivat olla vielä parempi ehdokas akkemekaaniksi, joka toimii sekä sähköautoissa että sähköverkossa.

Redox-virtausakut

Nämä akkutyypit perustuvat metallien hapetus‑ ja pelkistysprosessiin. Useita erilaisia metalleja voidaan käyttää redox‑virtausakuissa, samoin kuin muita ionivirtoja.

Lähde: CellCube

Rauta-ilma-akuut

Nämä akut toimivat hyödyntämällä raudan hapettumista (yleisesti ruostetta). Akut tuottavat sähköä hapettamalla rautaa ja kääntävät prosessin käänteisesti kuluttamalla sähköä.

Keskeinen etu on, että äärimmäisen halpoja materiaaleja käyttäen nämä akut voisivat olla erittäin kustannustehokkaita. Teknologian puolestapuhujat väittävät, että rauta‑ilma‑akut olisivat 10‑kertaista halvempia, parempia ja 17‑kertaista pidempikestoisia. Akun suuri koko, paino ja hidas lataus‑ tai purkausnopeus eivät ole merkittävä ongelma hyötysähköakuille. Yritykset kuten Form Energy rakentavat jo laitoksia massatuotantoon.

Sinkki-akuut

Toista halpaa metallia käyttäen näihin akkuun sisältyy useita vaihtoehtoja kuten sinkki-bromiini, sinkki-mangaani tai sinkki-ilma‑kemialliset yhdisteet. Teknologian keskeinen etu on sen erittäin pitkä varastointikapasiteetti, hyvin vähän häviöitä/tyhjenemistä. Tämä voi tehdä siitä hyvän ehdokkaan tuulivoiman varastointiin, kun tuulettomat päivät voivat venyä useiksi viikoiksi, mikä on haaste muille vähemmän kestäville varastointiteknologioille. “Sinkki‑akut odotetaan kattavan 10 % varastointimarkkinasta vuoteen 2030 mennessä, energianalyytikon Avicenne Consulting mukaan”. Merkittäviä yrityksiä alalla ovat Redflow (sinkki‑bromiini) ja Zinc8 (sinkki‑ilma).

Vanadiumin Redox-virtausakut – VRFB

Vanadiinia käytetään nykyään enimmäkseen ruostumattoman teräksen tuotannossa. Akuissa se voi luoda akkuja, jotka sopivat parhaiten päivittäisiin sykleihin ja uusiutuvan energian tuotantokäyrän tasoitukseen päivän aikana, koska ne kestävät vähintään 10 lataus‑purkusykliä päivässä ja säilyttävät hyvän kapasiteetin jopa 24 tunnin ajan. Akun elinikä voi olla hyvin pitkä, 20–25 vuotta, ja silloinkin vain muovikehän osat täytyy vaihtaa, kun metallikomponentit ovat lähes täysin kierrätettäviä.

Alalla on paljon toimijoita, kuten CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power ja VRB Energy, jotka kehittävät tätä teknologiaa.

Meren Suola / Vedenpohjaiset Suolavesi-akuut

Tämä konsepti perustuu suolioni‑virtaan kalvon läpi energian varastoinnissa. Jokin Salgenx -yrityksen versio ei edes käytä kalvoa, mikä vähentää kustannuksia, monimutkaisuutta ja huoltoa, mutta käyttää räätälöityä elektrolyyttiä, joka ei sekoitu veteen.

Sulavat Metalliakut

Käsite perustuu alumiinin sulatukseen, erittäin sähköä kuluttavaan prosessiin; entä jos se voitaisiin kääntää?

Monet akkujen kustannuksista johtuvat valmistuksen vaikeuksista. Anodit ja katodit on erotettava täydellisesti lyhytpiirtojen välttämiseksi.

Sulavassa metalliakussa kaikki kolme pääkomponenttia – anodi, katodi ja elektrolyytti – ovat nestemäisiä. Ne erottuvat itsestään eri nestemäisten tiheysarvojen vuoksi. Se, että kiinteitä komponentteja ei ole, pitäisi teoriassa pidentää akun elinikää dramaattisesti sekä mahdollistaa erittäin nopea lataus‑ ja purku sekä täysi kierrätettävyys.

Yritys Ambri, joka käyttää kalsium‑ ja antimonium‑akkua, pyrkii valmistamaan 200 000 akkukennoa vuodessa uudessa tehtaassaan vuoteen 2024 mennessä, ja on ollut toimittaja Microsoftille vuodesta 2022.

Lähde: Ambri

Yritys NGK Insulator työskentelee myös natrium‑rikki‑sulfaattisulan suolakuparakkeen parissa, ja yritys FZSoNick kehittää natrium‑nikkeli‑kloori‑akkua.

Metalli‑vety / Nikkeli‑vety-akuut

Nämä akut kierrättävät vetyä veteen ja sitten hapettavat metallin. Vaikka nikkeli ei ole ainoa mahdollinen katodimetalli tässä teknologiassa (vaihtoehtoina voivat olla mangaani, lyijy tai rauta), se on yleisin ja energiatehokkain vaihtoehto. (MSFT )

Tämä on se akkutyyppi, jota NASA käyttää Kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS).

Tällä teknologialla on etuna erittäin suuri turvallisuus, nolla huolto ja laaja lämpötilavalikoima (-40 °C – +60 °C).

Teknologiaa edistää erityisesti Enervenue, joka poistui salamyhkästä tilasta vuonna 2020, ja esitteli uuden version akustaan, jonka 30‑vuotinen, 30 000‑syklin elinikä julkaistiin syyskuussa 2023. Vety‑mangaani‑akut kehittää RFC Power.

CO2-akuut

Kasvavat CO₂-pitoisuudet ovat ajava voima uusiutuvan energian ja sähköistämisen edistämisessä, ja siten myös akkujen kasvavassa tarpeessa. Siksi on hieman ironista, että sama molekyyli alkaa toimia uusiutuvan energian varastoinnissa.

Noon Energy CO₂‑akku jakaa CO₂:n hiileksi ja hapeksi energian varastointia varten. Virtausakku toimii korkeissa paineissa ja lämpötiloissa 50–200 bar ja 600–800 °C. Tämä akkutyyppi kehitettiin alun perin Mars‑rover Perseverance -lennolle.

Tätä ei tule sekoittaa Energy Dome:n “CO₂‑akulla”, joka perustuu CO₂:n nesteytys‑ ja haihtumis‑kiertoon, eikä ole oikea akku vaan enemmänkin puristettua kaasua energian varastointia.

Natrium‑ ja Rikki-akuut

Nämä akut ovat toistaiseksi rajoittuneet sovelluksiin, joissa akku pidetään korkeassa lämpötilassa (300 °C). Tämä ei välttämättä ole ongelma hyötysähkökäytössä. Kuitenkin teknologia on vielä melko uusi eikä vielä skaalaudu massatuotantoon. Näiden akkujen erittäin pitkäkestoisuus voi myös olla tekninen haaste.

Polymeer-akuut

Myös kutsuttu muoviakuksi, tämä konsepti käyttää johtavaa polymeeriä litiumin tai muiden metallien sijaan. Keskeinen etu on, että se perustuu yksinkertaiseen valmistukseen ja helposti saatavilla oleviin materiaaleihin. Tuloksena oleva akku olisi myös erittäin pitkäikäinen ja helppo käyttää turvallisesti.

Polyjoule, MIT‑spin‑off, on yksi tämän idean johtajista. Mutta pitkällä aikavälillä se ei ehkä ole akkutyyppi, joka voi vähentää kustannuksia yhtä paljon kuin jotkin muut vaihtoehdot.