Dollars og sans for store batterier på nettet

Som en blanding af energikilder, der fodrer energisultne hjem, virksomheder og industri kommer til at indarbejde flere vedvarende energikilder som vind og sol, samfundet står over for en opgørelse med, hvor man kan vende sig, når vind og solskin falder ned. Hvad skal der til for, at grønnere kilder ikke kun slutter sig til fossile brændstoffer på det amerikanske elnet, men til sidst at fortrænge dem?

I februar 2019, Los Angeles annoncerede planer om at udfase tre naturgas -kraftværker inden 2029 og erstatte dem med en kombination af vedvarende energi og batterilagring. Et par måneder tidligere, California -elværket Pacific Gas &Electric vandt myndighedsgodkendelse til lignende planer. Det håbede at erstatte en trio naturgasanlæg med batterilagringssystemer i industriel skala, herunder et 730 megawatt-timers projekt, der skal designes og bygges af elbilfirmaet Tesla Motors. Til sammenligning, de to små anlæg, der er planlagt til pensionering i PG &E's plan, kan generere op til 47,6 megawatt elektricitet, når det er nødvendigt, mens et større naturgasanlæg i projektet kan producere op til 606 megawatt.

Ideen bag begge planer er, at den lunefulde karakter af energi fra sol og vind skaber et problem for operatører, der til enhver tid skal matche mængden af ​​energiforsyning til efterspørgslen. Lagringsteknologier, herunder batterier, tilbyder en måde at opretholde balancen mellem udbud og efterspørgsel ved at trække elektricitet fra nettet, når vedvarende energikilder er rigelige og sende det tilbage, når efterspørgslen tager til, eller vedvarende energikilder falder.

Både Los Angeles og PG&E planerne har nogle usædvanlige faktorer. Men alligevel, de kan give glimt af en fremtid, hvor storstilet batterilagring hjælper med at lette vejen for den slags energimiks, som et stigende antal stater efterspørger. Californien gav sidste år mandat til, at al sin elektricitet skulle komme fra nul-emissionskilder inden 2045. Og ren elektricitetslovgivning er på bordet i år i stater, herunder Minnesota, Ny mexico, New York, og staten Washington. I Californien, tilsynsmyndigheder kræver også, at PG&E og de to andre investorejede forsyningsselskaber anskaffer mindst 1,3 gigawatt energilagringskapacitet til statens net inden 2020.

Alligevel står batterier over for betydelige forhindringer, hvis de skal hjælpe vedvarende energikilder med at fortrænge fossile brændstoffer. Her, Simona Onori, en adjunkt i energiressourceteknik på Jordens Skole, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth), og Frank Wolak, der leder Freeman Spogli Instituts program om energi og bæredygtig udvikling, diskutere nogle af løfterne og faldgruberne ved at anvende batterier til netopbevaring, samt levedygtige alternativer.

Ud fra et præstationssynspunkt, hvilke batterityper er bedst egnet til at levere energilagring til nettet?

Simona Onori:Sammenlignet med andre batteriteknologier, lithium-ion batterier er lette og kompakte med høj lagerkapacitet for deres størrelse. De er mere modstandsdygtige over for skader på grund af overdreven afladning og ekstreme temperaturer, de har en længere levetid, og de kan cykle flere gange uden væsentligt tab af kapacitet. Lithium-ion energilagringssystemer kræver lidt vedligeholdelse og få udskiftningsdele, og batterierne har en modulær struktur, der egner sig til store applikationer på nettet.

Ser frem til, forbedringer i redox- eller flowbatterier gør dem til en stadig mere lovende mulighed for stationære applikationer. En elektrisk energilagringsteknologi kendt som superkapacitorer eller dobbeltlagskondensatorer kan også give store fordele for nettet, især hvis det bruges i en hybridkonfiguration med andre enheder som lithium-ion-batterier. Med denne opsætning, superkondensatorer ville blive brugt til at regulere frekvensen, takket være deres hurtige svartider, mens batterier ville give energi, når efterspørgslen topper. Gennemførligheden af ​​denne løsning er ikke blevet undersøgt fuldt ud endnu, men det er noget, vi undersøger i vores laboratorium.

Hvor meget er kendt om, hvordan lithium-ion-batterier vil udholde stress og krav til lagring af nettet?

Onori:Ydelsen og levetiden for ethvert batteri afhænger strengt af, hvordan batteriet bruges. Jo mere et batteri er belastet - under ekstreme temperaturer, for eksempel - jo dårligere den vil klare sig, og jo kortere bliver dens levetid. De har brug for et robust batteristyringssystem, der holder dem i drift inden for deres temperatur.

Batteristressfaktorer er normalt opsummeret i det, vi kalder en driftscyklus. Vi har meget solid viden om driftscyklusser i biler, men der er ikke meget kendt om batteriets driftscyklusser for nettet, mest på grund af manglen på feltdata. Efterhånden som flere og flere batterier bruges i netapplikationer, der vil blive indsamlet flere data, der i sidste ende kan hjælpe med at bygge præcise modeller.

Hvad er de mest levedygtige alternativer til batterier, når det kommer til lagring af energi til nettet?

Frank Wolak:Historisk set den mest omkostningseffektive form for lagring i netskala har været en vandkraftanlæg med pumpelagring, hvor vand pumpes op ad bakke, når priserne er lave og derefter løber ned ad bakke gennem en turbine for at producere elektricitet, når priserne er høje.

Bekymringer fra miljøgrupper og mangel på pålidelige indtægtskilder har forhindret nye pumpede lagerenheder i at blive udviklet på mange attraktive steder i Californien. Ud over, fordi pumpet lager afhænger af visse geografiske funktioner, såsom reservoirer, der er tæt på afstand, men langt fra hinanden i højden, det kan ikke nødvendigvis være placeret, hvor det kan være mest nyttigt at opretholde en pålidelig forsyning af elektricitet.

Kan batterilagring tilbyde et billigere alternativ til gasfyrede kraftværker?

Wolak:Investeringer i lager har en stejl bakke at klatre i forhold til eksisterende naturgasfyrede generationenheder, som ofte producerer elektricitet til en markedspris, der ligger over produktionsenhedens marginale produktionsomkostninger, som giver nettoindtægter til at inddrive de faste omkostninger ved disse generationsenheder.

Lagringsøkonomien kan ændre sig i fremtiden til fordel for batterier, men det bedste håb for opbevaring på kort sigt er en høj pris på drivhusgasemissioner, som gør det dyrere at drive naturgasanlæg, når vedvarende energi ikke er tilgængelig.

Energilagring er ikke den eneste måde at håndtere fald i vedvarende energiproduktion. Hvad er nogle lovende alternativer?

Wolak:Vi kunne flytte energiforbruget til perioder med betydelig vedvarende energiproduktion. I standardformen for disse programmer, deltagerne bestemmer, hvor meget elektricitet de skal forbruge hver time baseret på detailpriser, der varierer sammen med timeprisen engrospris.

I Californien, det er mere almindeligt, at udbydere sælger efterspørgselsreduktioner. Under disse ordninger, hvis deltagerne er i stand til at reducere deres efterspørgsel under en bestemt baseline, et forsyningsværktøj betaler dem for denne reduktion i samme takt, som hvis de leverede yderligere energi.