Faldende omkostninger til vedvarende energi driver fokus på energilagring

Et ofte gentaget omkvæd - solen skinner ikke altid, og vinden blæser ikke altid - ses nogle gange som en hindring for vedvarende energi. Men det er også et incitament til at opdage de bedste måder at lagre den energi på, indtil den er nødvendig.

Faldende omkostninger i tilgængelige teknologier har drevet interessen for energilagring fremad som aldrig før. Prisen på lithium-ion-batterier er faldet med omkring 80% over de seneste fem år, muliggør integration af lagring i solenergisystemer. I dag, næsten 18% af al elektricitet produceret i USA kommer fra vedvarende energikilder, såsom vandkraft og vind - et tal, der forventes at stige. Og efterhånden som samfund og hele stater skubber mod højere procenter af strøm fra vedvarende energi, der er ingen tvivl om, at opbevaring vil spille en vigtig rolle.

Sammenlignet med samme periode året før, USA oplevede en stigning på 93 % i mængden af ​​udrullet lagerplads i tredje kvartal af 2019. I 2024 det tal forventes at toppe 5,4 gigawatt, ifølge en prognose fra markedsundersøgelsesfirmaet Wood Mackenzie Power &Renewables. Markedsværdien forventes at stige fra $720 millioner i dag til $5,1 milliarder i 2024. At drive en sådan vækst er et øget fokus på at tilføje vedvarende energikilder til landets net.

Først i det seneste årti er den udbredte anvendelse af vedvarende energikilder blevet en økonomisk mulighed, sagde Paul Denholm, en ledende energianalytiker ved National Renewable Energy Laboratory (NREL). Han kom til NREL for 15 år siden, og på det tidspunkt, han og andre analytikere havde travlt med at planlægge en vej til, at 20 % af landets energiforsyning kom fra vedvarende kilder. Nu, de sigter meget højere.

"De faldende omkostninger til vind og sol og nu batterier gør det tænkeligt at overveje 100 % vedvarende energi, " han sagde.

NREL's Renewable Electricity Futures Study anslog, at der ville være behov for 120 gigawatt lager på tværs af det kontinentale USA inden 2050, da scenariet forestillede sig en fremtid, hvor 80 % af elektriciteten vil komme fra vedvarende ressourcer. Landet har i øjeblikket 22 gigawatt lager fra pumpet vandkraft, og endnu en gigawatt i batterier.

Udrulning af lager er et must i Hawaii

Hawaii, som skal importere alle sine fossile brændstoffer og betaler en høj pris for elektricitet som følge heraf, eksperimenterer med at bruge batterilagring til at nå sine energimål. Staten sigter mod 100 % ren energi i 2045, brug af både vedvarende energi og forbedret energieffektivitet. AES Corporation, baseret i Virginia, har installeret verdens største sol-plus-lagersystem i den sydlige ende af Kauai.

Solpaneler, der var i stand til at producere 28 megawatt elektricitet, blev parret med 18, 304 lithium-ion batterimoduler. Batterierne oplades i løbet af dagen og leverer energi tidligt om morgenen og aftenen, når solpanelerne ikke genererer elektricitet.

Systemet lagrer nok energi til at dække elbehovet i fire timer og eliminerer behovet for 3,7 millioner gallons brændstof årligt, ifølge Kauai Island Utility Cooperative, som giver strøm til øen. Kauai genererer nu omkring 55% af sin energi via fotovoltaiske (PV) systemer.

NREL-forskere testede, hvor godt dette PV-lagersystem ville fungere ved at installere og evaluere en nedskaleret version på dets Flatirons Campus.

"Du kan se simuleringer, og du kan se nogle grafer. Det er intet så overbevisende som at se en enhed i værktøjsstørrelse fungere, " sagde Przemek Koralewicz, hovedefterforsker på testprojektet. "Dette giver dig en masse selvtillid."

Et andet AES PV-plus-lageranlæg, der nu er under opførelse på flådebasen på Kauai, vil levere elektricitet til kunderne efter behov, men også tjene som et isoleret mikronet for militæret, hvis strømmen skulle blive afbrudt. Når det nye anlæg tages i brug næste år, omkring 60% af elektriciteten på Kauai vil komme fra vedvarende energi.

"Disse to anlæg fra AES kan levere halvdelen af ​​strømmen til hele øen, " sagde Koralewicz. "I løbet af natten, de kan levere fuld kraft, i visse scenarier. Derfor er det vigtigt at teste det. AES ønsker ikke, at det skal være ustabilt eller have problemer."

Batteriopbevaring giver mulighed for at holde nettet stabilt, tillader en øjeblikkelig balance mellem udbud og efterspørgsel. Opbevaring er også klar til at erstatte konventionel energiproduktion under spidsbelastning, eliminerer behovet for yderligere planter, men begrænsninger hæmmer brugen af ​​batterier. Et kraftværk kan forblive i drift i årtier, men et batteri skal udskiftes efter omkring et dusin år. Batterier lider også af en begrænset kapacitet, hvilket betyder, at de typisk kun kan lagre nok energi til at levere strøm i fire timer.

Opbevaringsomkostninger er ikke let at kvantificere

Det er stadig svært at fastholde omkostningerne ved opbevaring. En ofte brugt metrik kaldet levelized cost of energy (LCOE) tillader en sammenligning af omkostningerne ved at generere elektricitet på forskellige måder. Men LCOE er kun nøjagtig, når de forskellige teknologier leverer de samme tjenester.

En gruppe NREL-forskere, herunder David Feldman og Robert Margolis, udviklet en LCOE til solenergi plus lagring. "Som alle LCOE'er, det har sine begrænsninger i brug, " sagde Feldman. "En af udfordringerne, især til opbevaring, er, at der er så mange forskellige use cases, at omkostningerne ikke betyder meget, medmindre du definerer den værdi, som systemet bringer."

Brug af lager kan spare et forsyningsselskab penge ved at reducere behovet for at generere elektricitet og undgå transmissionsomkostninger.

Et NREL-forfattet papir udgivet sidste år i Elektricitetsbladet fandt solenergi-plus-opbevaring reducerede forsyningsomkostninger til kommercielle bygninger i mere end halvdelen af ​​de 17 undersøgte byer, i nogle tilfælde med helt op til 24 %. Brug af batterier til opbevaring, ejendommene var i stand til at opveje et forsyningsselskabs priser, der kræver, at brugerne betaler mere i tider med spidsbelastning.

Højeste kraftværker, drevet af naturgas og tændt for at hjælpe med at imødekomme spidsbelastning, løbe ind i omkostningssammenligninger med batterier, der er i stand til at lagre fire timers energi. I den varighed, balancen tipper til fordel for batterier. Ud over fire timer, selvom, batteriet bliver dyrere.

"Grunden til, at vi har så mange topplanter, er aircondition, sagde Denholm. Det er da, vi bruger mest strøm. En ting du kan gøre er i stedet for at bygge en masse kraftværker, der kun kører 100 timer om året, når det er rigtig varmt, du kan opbevare kold energi i form af is eller andet. Lav is klokken 4 om morgenen og derefter, når det bliver varmt midt på eftermiddagen, du kan frigive den kølelagrede energi og køle dit hus eller din bygning ned."

Teknologier omfatter en bred vifte

"Der er en misforståelse. Opbevaring betragtes ofte som elektrokemisk opbevaring eller batteriopbevaring, " sagde Adarsh ​​Nagarajan, gruppelederen for Power System Design and Planning hos NREL og som arbejder meget med at integrere vedvarende energi på nettet. "Opbevaring er mere end batterier. Det er ud over elektrokemisk. Det er meget bredere."

Department of Energy (DOE) Global Energy Storage Database tæller næsten 700 annoncerede lagringsprojekter, operationelle, eller under konstruktion i hele USA, der er afhængige af utallige teknologier. Ud over batterier, opbevaringsmetoderne omfatter is, pumpet vandkraft, varme, afkølet vand, og elektrokemisk. Endnu andre teknologier er under udvikling.

"Der er ingen vinder, " sagde Nagarajan. "Alle burde arbejde sammen for at nå et bestemt mål, som er netstabilitet og modstandsdygtighed og opfylder kundernes behov."

Men selv med så mange måder at lagre energi på, der allerede er tilgængelig, nye eller forbedrede teknologier bliver konstant foreslået. Forskere ved NREL udviklede en teknik til at sprøjte naturgas ind i udtømte brønde, patenteret en metode til opbevaring af tryksat brint inde i specialdesignede vindmøller, og forbedret designet af lithium-ion-batterier for at få dem til at holde længere.

Klare favoritter er dukket op blandt lagringsteknologier, der allerede er i brug. DOE Energy Storage Technology and Cost Characterization ReportPDF beregnede, at blandt batteriteknologier, lithium-ion-batterier giver den bedste mulighed for fire timers opbevaring med hensyn til omkostninger, ydeevne, og teknologiens modenhed. For et længere tidsrum, pumpelagret vandkraft og trykluftenergilagring betragtes som de bedste muligheder. Mellem de to, pumped-storage hydro er den mere modne teknologi og tegnede sig for 98 procent af verdensomspændende energilagring, der blev implementeret i 2018.

Vand, der oftest bruges til opbevaring

Pumpet lagringsvandkraft er rygraden i nationens lagringskapacitet. Historisk set, det blev brugt til at inkorporere store, ufleksibel generering på elsystemet. I øjeblikket, pumpet lager bliver brugt til at hjælpe med at integrere store mængder vedvarende energi på nettet, fungerer som en muliggørende teknologi, der både forbedrer pålideligheden og reducerer omkostningerne. Pumpet vandkraftværk er afhængig af to reservoirer placeret i forskellige højder. Elektricitet, der er blevet genereret, men som ikke umiddelbart er nødvendig, bruges til at pumpe vand fra det nederste reservoir til det øverste. Når der er brug for strøm, det oplagrede vand frigives til at strømme ned ad bakke og drive en turbine.

"En af de virkelige udfordringer, hydro står over for, er, at det kan tage otte til 10 år at få bygget et anlæg, " sagde Greg Stark, den vandkrafttekniske chef hos NREL samt laboratoriets vandkraftnetintegrationsled. "I betragtning af al usikkerhed på elmarkederne, folk er tøvende med at investere i et 10-årigt projekt."

For at hjælpe med at løse disse bekymringer om time-to-market, DOE har iværksat FAST Commissioning Challenge. Tessa Greco, NRELs nye vandkraft innovative projektleder, leder konkurrencen om afdelingens Water Power Technologies Office, med målet at halvere projektgennemførelsestiden og samtidig reducere omkostningerne og risiciene forbundet med at bringe pumped storage online. Federal Energy Regulatory Commission har også anerkendt disse udfordringer og har beordret, at licensbeslutninger for lukket sløjfe pumpede lagerprojekter skal træffes inden for to år. Indtil nu, denne type system – som ikke er forbundet med en eksisterende vandmasse og derved reducerer miljøhensyn – er endnu ikke bygget i USA.

Flere projekter er i gang, bl. herunder Gordon Butte-projektet i Montana. Gordon Butte-systemet, som er tilladt og forventes at påbegynde byggeriet i år, vil bruge to menneskeskabte reservoirer og tre turbiner til at levere 400 MW kapacitet og 8,5 timers lagring. Pumpet lager har historisk set krævet en unik design- og byggestrategi for hvert nyt projekt; imidlertid, Gordon Butte-projektet præsenterer en replikerbar model, hvilket kunne spare penge for potentielle udviklere.

"Pumpet opbevaring kommer virkelig til sin ret, når du har brug for meget store mængder strøm i en længere periode, " sagde Stark. "En del af det er, fordi de trinvise omkostninger til at øge varigheden for pumpet opbevaring bare bygger et større reservoir. Det er stadig de samme turbiner og anden infrastruktur, hvorimod med batteriopbevaring f.eks. hvis du ønsker længere varighed, du skal købe flere batterier."

Sæsonbestemt opbevaring kræver omhyggelig undersøgelse

Langsigtet energilagring er groft defineret som fra 10-100 timer. Alt over det betragtes som sæsonbestemt. Vinden blæser mere om foråret, så at kunne fange den energi, indtil den kan bruges, når der er brug for det om sommeren, skaber forskningsmuligheder. Brint, vandkraft, og trykluft er de mest levedygtige teknologier til at lagre energi over længere perioder, ifølge Omar Guerra og Josh Eichman, forskere ved NREL, der studerer værdien af ​​sæsonbestemte energilagringsteknologier.

Arbejder i partnerskab med Southern California Gas Company, NREL installerede en bioreaktor for at teste power-to-gas teknologi som en måde at lagre vedvarende energi på. Projektet, en første i USA, er afhængig af mikroorganismer, der omdanner brint og kuldioxid til metan. Metanen kan opbevares i virksomhedens pipeline til senere brug.

Netværket af naturgasrørledninger på tværs af USA løber omkring 3 millioner miles og bruges allerede som et lagerkøretøj. "Det flytter gassen, men det er også en måde at opbevare det på, " sagde Keith Wipke, leder af NREL's Fuel Cell and Hydrogen Technologies-program.

Brint kan tilsættes naturgasrørledningen - så meget som omkring 10% - eller opbevares separat. En metode til at opbevare brint, der er blevet foreslået - men endnu ikke er blevet brugt bredt - er at udskære plads i salthuler, sagde Wipke.

Oplagring af naturgas hjælper med at afdække prisudsving og opfylde sæsonbestemte krav, men udgifterne til udstyret har stoppet vedtagelsen af ​​sæsonbestemt ellagring. Brintlagring er fortsat en ny teknologi, men da forskning fører til forbedringer, forventes det i sidste ende at være den mest omkostningseffektive metode til at opbevare og aflade mindst en uges elektricitet, sagde Guerra. Pumpet vandkraft og trykluftlagring på så længe som to dage forventes at være omkostningskonkurrencedygtigt med generering af ny elektricitet.

"Pumpet vandkraft og komprimeret luftenergilagring er veludviklede teknologier, så vi forventer ikke et væsentligt fald i disse kapitalomkostninger, " sagde Guerra. "Disse omkostninger kan også afhænge af placeringen. Nogle steder kan du have mulighed for at udvikle pumpet vandkraft på en omkostningseffektiv måde. Andre steder kan du have mulighed for trykluftenergilagring."

"Vi er nødt til at drive omkostningerne ned på de teknologier, vi har i dag, og helt sikkert nogle nye teknologier, der er bedre og billigere, ville være gode, " sagde Wipke.

Zhiwen Ma arbejder på netop det. Forskeren arbejder i NRELs Thermal Systems Group og fokuserer sin indsats på at koncentrere solenergi, eller CSP. Teknologien bruger en række spejle eller linser til at koncentrere sollys på et lille område, og den opfangede energi kan opbevares i smeltet salt. Men saltene er ætsende, så forskning er i gang med det ideelle indeslutningsfartøj. I stedet for salt, Mor bruger sand til at lagre varmen.

DOE's Advanced Research Projects Agency-Energy, som finansierer futuristiske ideer, har tildelt NREL $2,8 millioner til at undersøge gennemførligheden af ​​Ma's billige termiske energilagringssystem. Når det er nødvendigt, det opvarmede sand vil opvarme en væske, der driver en gasturbine, der er knyttet til en generator.

"De vigtigste fordele i forhold til smeltet salt er de lave omkostninger og ydeevne, " sagde mor. Sandet er en brøkdel af prisen på saltet, men kan opvarmes til 1, 200 grader Celsius sammenlignet med 600 grader for nitratsalt eller 800 grader for kloridsalt.

Med så mange muligheder for at lagre energi, forskere er fast besluttet på at finde de bedste metoder. Trods alt, solen skinner ikke altid, og vinden blæser ikke altid.