Kaip naujos klasės pradedančiųjų dirba, kad išspręstų tinklelio saugojimo galvosūkį

Konceptuali baterijos, pagamintos iš rubiko kubo dėlionės, iliustracija Nikolajus Ortega

Štai problema: saulės kolektoriai ir vėjo turbinos yra pigūs, švarūs ir patikimi elektros energijos šaltiniai, kol jų nėra. saulė leidžiasi; vėjo vėliavos. Jie vieni negali maitinti elektros tinklo.

Anglies ir gamtinių dujų jėgainės šiandien gali užpildyti spragas. Tačiau klimato taisyklėms užkertant kelią daugiau šių anglies dioksido išskiriančių šaltinių, ilgainiui kiekvienais metais bus dienų ar net savaičių, kai atsinaujinančių energijos šaltinių nepakaks, kad apšvietimas būtų įjungtas. Reikės įsikišti dar kažko.

„Form Energy“ įsitikinusi, kad tai gali būti baterija. Tačiau tai turi būti akumuliatorius, nepanašus į jokį pasaulį.

Kad tokia akumuliatoriaus sistema būtų pigi, patikima ir lanksti kaip gamtinės dujos, kilovatvalandė turėtų kainuoti mažiau nei 10 USD. Geriausios šiandienos tinklo baterijos, didelės ličio jonų sistemos, kainavo šimtus dolerių už kilovatvalandę (tikslūs įvertinimai skirtis ). Netgi gali prireikti dešimtmečių, kol ši kaina nukris žemiau 100 USD.

Tai didžiulis šuolis. Tačiau „Form“ įkūrėjai mano, kad galėtų pasiekti šį tikslą kurdami dideles baterijas, kurios priklauso nuo itin pigių, daug energijos naudojančių medžiagų. Manome, kad galime ten patekti, sako MIT profesorius Yet-Ming Chiang, „Form“ įkūrėjas ir vyriausiasis mokslininkas. Manome, kad galime pritaikyti technologijas prie šių reikalavimų.

Pigi, ilgalaikė energijos kaupimo forma, kurią būtų galima pastatyti bet kur, būtų arčiausiai sidabrinės kulkos energijos sektoriaus valymui. Tai leistų maksimaliai išnaudoti smarkiai mažėjančias saulės ir vėjo energijos sąnaudas, be daugelio aplinkos, saugos ar estetinių problemų, kylančių dėl kitų būdų, kaip subalansuoti svyruojančius atsinaujinančius energijos šaltinius.

Tinklo saugojimo mįslė

„Form“, įsikūrusi Somervilyje, Masačusetso valstijoje, patraukė baterijų pasaulio dėmesį, kai buvo sukurta 2017 m. Čiangas yra vienas geriausių baterijų mokslininkų pasaulyje. Jis paskelbė šimtus mokslinių straipsnių, turi daugiau nei 80 patentų ir įkūrė šešis startuolius. Keli uždirbo vertės daugiau nei 1 mlrd , įskaitant A123 sistemos , gaminanti ličio jonų baterijas elektromobiliams.

Formos generalinis direktorius, Matthew Jaramillo , anksčiau surinko ir vadovavo Tesla verslo padaliniui, kuris parduoda baterijų sistemas namams ir yra dabar pastatas kai kurie iš didžiausi tinklo baterijų projektai aplink pasauli. Iki šiol „Form“ surinko apie 50 mln. USD iš Billo Gateso „Breakthrough Energy Ventures“, Italijos energetikos milžinės „Eni“ ir kitų.

„Form Energy“ įkūrėjų komanda. Mandagumas: „Form Energy“.

Ankstesnių tinklo saugojimo įmonių banga žlugo (žr. „Kodėl švarios energijos naujovėms nutinka blogi dalykai“). Forma yra tik viena iš kelių, kurios neseniai surinko lėšų, kad iš naujo išspręstų problemą.

Pagrindinis saugojimo poreikis tinkle šiandien žinomas kaip dienos saugykla. Jis suteikia greitą elektros energijos srautą kelioms valandoms, kad išlygintų gamybos ir paklausos neatitikimus visą dieną ir bent jau ankstyvą vakarą.

Vis daugiau šios saugyklos vietos gaunama iš ličio jonų baterijų, kurios taip pat maitina telefonus, nešiojamuosius kompiuterius ir elektromobilius ir nuolat pigėja bei galingėja. Pasaulyje įdiegtų tinklo energijos kaupimo vietų skaičius pernai išaugo beveik 150% iki šešių gigavatvalandžių. pagal tyrimų firmą Wood Mackenzie . Tai beveik dvigubai daugiau nei vidutinis rodiklis per pastaruosius penkerius metus, o ličio jonų sistemos sudarė didžiąją dalį augimo.

Pavyzdžiui, „Tesla“ planuoja pastatyti šimtus savo naujų trijų megavatvalandių Megapakas akumuliatorių sistemos Moss Landing mieste, Kalifornijoje. The projektą , kuri apima ir kitus energijos kaupimo kūrėjus, pakeistų tris dešimtmečius skaičiuojančias dujų jėgaines, kurias valdo didelė Amerikos energijos įmonė „Calpine“.

„Telsa“ tinklo baterijų gamykla Kauaʻi mieste, Havajuose. Mandagumas: Tesla

Tuo tarpu vis daugiau atsinaujinančių energijos šaltinių kūrėjų, tokių kaip „Recurrent Energy“ ir „First Solar“, yra siūlo milžiniškas saulės energijos fermas kartu su didžiulėmis baterijų laikymo sistemomis , leidžianti augalams ir toliau tiekti elektrą valandas po saulėlydžio.

Tačiau saulė ir vėjas ne tik gęsta valandas; kartais jie panyra dienomis ar savaitėmis. Jei norime daugiausia pereiti prie atsinaujinančių energijos šaltinių, mums reikės daug daugiau saugyklos, kuri gali trukti daug ilgiau.

Naudojant šiuolaikinę baterijų technologiją, sąnaudos labai išaugtų, sako Jesse Jenkins, Prinstono docentas, tyrinėjantis energijos sistemas. Tam reikės ličio jonų baterijų bankų, kurių daugelis galėtų būti naudojami tik kelis kartus per metus. Taip pat turėtume statyti daugiau saulės ir vėjo jėgainių, kad gautume pakankamai elektros energijos pertekliaus, kad galėtume juos įkrauti. (Žr. 2,5 trilijono USD priežastį, kodėl negalime pasikliauti baterijomis, kad išvalytume tinklą.)

Pagal šį scenarijų ekonomika žlunga. Jei manoma, kad šis turtas nenaudojamas tris ketvirčius metų, jūs ką tik padidinote faktines išlaidas 4 kartus, sako Don Sadoway, MIT chemikas, įkūręs įmonę „Ambri“, kuri sukūrė skysto metalo tinklelio bateriją, kuri ilgai trunka. maždaug valanda ilgiau nei ličio jonų.

Bet iš tikrųjų tai dar blogiau. Turėtume perstatyti atsinaujinančius energijos šaltinius ir saugyklas, kad patenkintume poreikį rečiausių įvykių metu: užsitęsus saulės ar vėjo atoslūgiams, kurie nutinka kas kelerius metus, o gal net kartą per dešimtmetį.

Regionai neturi išspręsti šios problemos vien tik saugodami. Susitikimas tik a maža dalis visos paklausos sumažinimas kitomis priemonėmis palengvintų sąnaudų tikslus, kuriuos saugojimo įmonės turėtų pasiekti, kiti tyrimai rodo . Tai galėtų apimti branduolinius reaktorius, hidroelektrines, gamtinių dujų jėgaines su sistemomis, kurios surenka anglies dvideginio išmetimą, arba tolimojo perdavimo linijas, kurios gali subalansuoti atsinaujinančius energijos šaltinius įvairiose laiko juostose. Tačiau tie variantai yra politiškai nepopuliarūs, brangūs, geografiškai suvaržyti arba visi trys. Akumuliatorių pranašumas yra tai, kad jie ne itin trikdo žmones.

Apie šias ateities problemas turime galvoti jau šiandien, nes reikalingoms technologijoms sukurti gali prireikti metų ar net dešimtmečių. Teritorijose, kuriose daug atsinaujinančių energijos šaltinių, pvz., Kalifornijoje ir Vokietijoje, jau pagaminama daugiau saulės ar vėjo energijos, nei tam tikrais laikotarpiais gali sunaudoti tinklas, o tai mažina ekonomines paskatas statyti daugiau. Daug daugiau regionų pradeda suprasti, kad yra didelis atotrūkis, kurį kai kurioms technologijoms reikės užpildyti, jei tikisi panaikinti iškastinį kurą.

Formos požiūris

Pigių, ilgaamžių baterijų kūrimas dešimtmečius kliudė tyrėjus, daugiausia dėl to, kad iki šiol geriausiai veikė metalai ir cheminės medžiagos yra brangios. Naudojant juos ilgesniam saugojimo poreikiams patenkinti, reikia sukrauti vis daugiau jų. Forma yra apsaugota, kaip ji bando apeiti šiuos iššūkius, tačiau dalis įmonės požiūrio aiškiai matyti iš Chiang ir jo kolegų 2017 m. pabaigoje žurnale paskelbto dokumento (žr. Nauja serijinių baterijų verslininko įmonė sprendžia didžiausią švarios energijos problemą).

Formos energija

„Form Energy“ buvo sukurta 2017 m., kai MIT „Baseload Renewables“ susijungė su „Verse Energy“, kurią pradėjo Mateo Jaramillo, anksčiau vadovavęs „Teslau2019s“ energijos kaupimo verslui. Bendrovė iki šiol surinko apie 50 mln.

Steigėjai

Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24 mln
nBilis Vudfordas, 24 mln
nTed Wiley, „Aquion Energy“.

Finansuotojai

Proveržis „Energy Ventures“.
nEni grupė
nPrelude Ventures
„nMacquarie Capital“.
nMITu2019s variklis
nSaudi Aramco
nEnergetikos departamento 2019 m. ARPA-E programa

Visose baterijose yra du pagrindiniai komponentai: elektrolitas, dažniausiai skysta cheminė medžiaga, ir elektrodų pora, anodas ir katodas, pagaminti iš skirtingų medžiagų (dažnai, nors ir ne visada, metalų). Įkrauti atomai, žinomi kaip jonai, perneša srovę per elektrolitą tarp dviejų elektrodų, kai baterija kraunasi arba išsikrauna. Ličio jonų akumuliatoriuose elektrolitas yra tam tikras ličio junginys, sumaišytas su kitomis cheminėmis medžiagomis.

2017 m. straipsnyje Chiangas ir jo kolegos pabrėžė oru kvėpuojančios vandeninės sieros srauto baterijos potencialą. Srautas akumuliatorius pradeda išspręsti sąnaudų problemą, atskirdamas elektrą tiekiančius akumuliatoriaus komponentus, įskaitant elektrodus, nuo energijos kaupimo dalies, elektrolito.

Standartinio srauto akumuliatoriuje yra du skirtingi elektrolitai, žinomi kaip katolitas ir anolitas, kurių kiekvienas gali būti laikomas didelėse, lengvai keičiamose talpyklose. Taigi, jei norite daugiau saugyklos, galite tiesiog pridėti didesnius bakus, o kitos brangios dalys, įskaitant elektrodus, išliks tokios pačios.

Tačiau, kad tai būtų tikrai nebrangi, elektrolitai, užpildantys tas milžiniškas talpyklas, taip pat turi būti pigūs. Raktas į srauto bateriją Džaulio popierius kaip anolitą naudoti sieros tirpalą. Siera yra vienas iš gausiausių elementų žemės plutoje, taip pat šalutinis kuro perdirbimo produktas, todėl yra itin pigus ir gali sukaupti daug energijos.

Remiantis už vieną dolerį sukauptą mokestį, siera buvo daugiau nei 10 kartų geresnė nei kitas geriausias dalykas, Chiangas man pasakė 2017 m.

Remiantis tyrimu, tokio srauto akumuliatoriaus cheminių medžiagų sąnaudos gali siekti 1 USD už kilovatvalandę.

Kai praėjusį rugpjūtį kalbėjausi su Čiangu, jis patvirtino, kad siera vis dar yra mūsų veiksmų plano dalis. Jis sakė, kad tai yra jų naudojamas metodas projekte, finansuojamame Energetikos departamento moonshot ARPA-E programos . Tačiau „Form“ teigia, kad dabar kuria kelias chemines medžiagas, tačiau nepasakys, kokios yra kitos.

Yet-Ming Chiang, MIT profesorius ir „Form Energy“ įkūrėjas. Simonas Simardas

Nors dauguma tinklo saugyklų įmonių sutelkia dėmesį tik į saugojimo dalį, Jaramillo taip pat sakė jie tiria dvikrypčių elektrinių galimybę , kuris vietoje, naudodamas saulės ar vėjo energiją, gamintų atsinaujinančią energiją, kauptų ją didelėse baterijose ir prireikus pristatytų į tinklą.

Kiti ilgalaikio saugojimo keliai

Tačiau elektrocheminis akumuliatorius, pagrįstas sieros, ličio jonų chemija ar dar kažkuo, yra tik vienas iš būdų kaupti didelius energijos kiekius.

Rugsėjo pradžioje grupė inžinierių būriavosi aplink pritūptą, maždaug grilio bako dydžio sidabrinį cilindrą netvarkingoje Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos dirbtuvėje, įsikūrusioje kalvose, žvelgiančiose į San Francisko įlanką. Be jų intensyvaus žvilgsnio į gretimą kompiuterio ekraną, vienintelė užuomina, kad kažkas veikia, buvo oranžinis švytėjimas, matomas mažame langelyje netoli įrenginio apačios.

Antora Energy tyrėjai kuria naujo tipo šiluminę saugyklą. Tai yra retai naudojamas metodas kuri išlaiko energiją didelio karščio ar šalčio pavidalu įvairiose medžiagose, pavyzdžiui, požeminėse uolienose ar ledo blokuose. Antora atveju medžiaga bako viduje buvo anglies blokas, kurio temperatūra tuo metu veikė gerokai virš 2000 ˚C.

Tikimasi, kad jie galėtų panaudoti perteklinę elektros energiją iš saulės ar vėjo jėgainių, kad pašildytų tą medžiagą, o tada šilumą vėl pavers elektra, kai to prireiks. Paprastai šiluminėje saugykloje tai vis dar daroma labai neefektyviu XIX amžiaus stiliumi: sukuriant garą, kuris varo turbinos generatorių. Tačiau didžioji dalis energijos eikvojama dėl mechaninės trinties, garų nuotėkio ir kitų problemų.

Antora išbando naują termofotovoltinę sistemą. Tai kažkas panašaus į saulės bateriją, tačiau infraraudonąją spinduliuotę, sklindančią nuo karšto objekto, o ne saulės šviesą paverčia elektra. Rugsėjo pabaigoje mokslininkai paskelbė, kad pasiekė naują rekordą, laboratorinio eksperimento metu daugiau nei 30% šilumos, patenkančios į ląstelę, pavertę atgal į elektrą. Jie siekia pasiekti daugiau nei 50% efektyvumo.

Mechaniniai metodai siūlo kitą tinklelio saugojimo būdą. Tai apima oro siurbimą į požemines urvas, uolų užpildytų traukinių važiavimą į kalnus arba vandens perkėlimą tarp įvairaus aukščio rezervuarų. Visi jie veikia maždaug vienodai, naudojant atsarginę energiją, kai ji yra prieinama, norint ką nors perkelti į aukštesnį aukštį arba padaryti jį slėgį. Tada, kai jis bus paleistas, galime panaudoti išeinančio oro, besileidžiančių traukinių ar vandens kinetinę energiją elektros gamybai.

Iš tiesų, siurblys hidroenergija yra mūsų pigiausias ir gausiausias tinklo energijos kaupimo šaltinis šiandien. Problema ta, kad prie kiekvienos elektrinės ne visada turite pakankamai vandens ar kalvų.

Pagal savo DAYS programą ARPA-E turi investavo daugiau nei 30 mln 12 naujų įmonių ar tyrimų grupių, bandančių išspręsti tinklo saugojimo problemą. Tai apima „Form“ srauto baterijas ir „Antoros“ šiluminę sistemą, taip pat „Quidnet Energy“ siurbiamą vandens sistemą: San Francisko paleidimo sistemą. pumpuoja vandenį į tarpus tarp uždarų uolienų po žeme , sukuriant slėgį, kuris priverčia vandenį atgal ir per generatorių, kai reikia elektros energijos.

Proveržis „Energy Ventures“. , Billo Gateso remiamas fondas, ilgalaikį saugojimą pavertė vienu didžiausių prioritetų. Be „Form“, ji palaiko „Quidnet“ ir „Malta“ – kitą šiluminį paleidimą, kuriame kaip laikmena naudojama išlydyta druska (žr. „Alphabet“ derasi, kaip išplėsti išlydytos druskos saugojimo žaidimą).

Tuo tarpu Japonijos konglomeratas SoftBank neseniai investavo 110 mln Šveicarijos mechaninės saugojimo įmonėje Energy Vault, kuri naudoja kranus ir laidus betono blokams sukrauti, kai iš atsinaujinančių šaltinių susidaro perteklinė elektros energija. Tada jis numeta tuos blokus atgal ant žemės tais pačiais laidais, panaudodamas jų impulsą kranų variklius pasukti atbuline eiga ir pumpuoti elektrą. ( Šis vaizdo įrašas padaro sąvoką aiškesnę.)

Netradicinis kai kurių iš šių idėjų pobūdis rodo, kokia sudėtinga technologijoms kyla problemų, leidžiančių peršokti nuo kelių valandų iki kelių savaičių energijos.

Jei kalbame apie, tarkime, vieno mėnesio ar dviejų mėnesių energijos sukaupimą vasarą ir jos turėjimą mėnesį ar du mėnesius žiemą, tai yra milžiniškos energijos sumos, sako Sadoway. Kiek traukinio krovinių akmenų turite?

Labai dideli jei

Daugumai mechaninių metodų, tokių kaip traukiniai ar kranai, reikia daug vietos. Šiluminiai metodai iš prigimties yra neefektyvūs, nes sunku užkirsti kelią šilumos ar šalčio nutekėjimui. O daugumos skystųjų degalų gamyba arba deginimas sukelia būtent tokias klimato kaitos emisijas, kurių norime išvengti.

Akumuliatorių pranašumas yra tas, kad jie yra švarūs, kompaktiški, mobilūs ir efektyvūs. Taigi, jei kas nors gali padaryti juos pigius ir ilgaamžius, jie galėtų prijungti prie bet kurio tinklo. Tai leistų vėjo ir saulės energijai tiekti daug daugiau elektros energijos, o švaria elektra patenkintų daug daugiau visų mūsų energijos poreikių.

Bet jie išlieka labai dideli, jei. Kai kurie energijos stebėtojai abejoja, ar „Form“ gali pasiekti savo tikslus, arba abejoja, kiek gamtinių dujų tokios baterijos išstumtų, net jei tai padarytų. Savo ruožtu įmonės įkūrėjai pasakyti tai mažiausiai dešimtmečio trukmės projektas, su rimta technine, finansine ir rinkos rizika.

Didelė baterijos pažanga įvyksta vidutiniškai tik kartą per tris dešimtmečius, o šios srities istorija yra perpildyta daug žadančių metodų, kurie nepasiteisino nei tie, kurie padarė.

Vėlgi, paskutinė – ličio jonų technologija – į rinką pasirodė prieš 28 metus. Mes jau laukiame dar vieno proveržio.

paslėpti