Jak nowa klasa startupów pracuje nad rozwiązaniem zagadki przechowywania w sieci

Koncepcyjna ilustracja baterii wykonanej z układanki kostki rubika Mikołaj Ortega

Oto problem: panele słoneczne i turbiny wiatrowe są tanimi, czystymi i niezawodnymi źródłami energii elektrycznej, aż do momentu, gdy nimi nie są. Zachodzi słońce; flagi wiatru. Nie mogą samodzielnie zasilać sieci elektrycznej.

Dzisiejsze luki mogą wypełnić elektrownie węglowe i gazowe. Ale ponieważ przepisy klimatyczne zamykają więcej tych emitujących węgiel źródeł, w końcu każdego roku będą dni, a nawet tygodnie, kiedy odnawialne źródła energii nie wystarczą, aby utrzymać światło. Coś innego będzie musiało wkroczyć.

Form Energy jest przekonany, że coś może być baterią. Ale musiałaby to być bateria, jakiej nie widział świat.

Aby być tak tanim, niezawodnym i elastycznym jak gaz ziemny, taki system baterii musiałby kosztować mniej niż 10 USD za kilowatogodzinę. Najlepsze dzisiejsze akumulatory sieciowe, duże systemy litowo-jonowe, kosztować setki dolarów za kilowatogodzinę (dokładne szacunki różnią się ). Może minąć kilkadziesiąt lat, nawet zanim cena spadnie poniżej 100 dolarów.

To ogromny skok. Ale założyciele Form sądzą, że mogliby osiągnąć ten cel, opracowując duże baterie, które opierają się na wyjątkowo tanich, energochłonnych materiałach. Uważamy, że możemy się tam dostać, mówi profesor z MIT Yet-Ming Chiang, współzałożyciel i główny naukowiec Form. Uważamy, że możemy dopasować technologię do tych wymagań.

Tania, długotrwała forma magazynowania energii, którą można by zbudować w dowolnym miejscu, byłaby najbliższa srebrnej kuli do oczyszczenia sektora energetycznego. Pozwoliłoby to w pełni wykorzystać gwałtownie spadające koszty energii słonecznej i wiatrowej, bez wielu problemów środowiskowych, bezpieczeństwa lub estetycznych, jakie stwarzają inne sposoby równoważenia wahań odnawialnych źródeł energii.

Zagadka przechowywania sieci

Form, z siedzibą w Somerville w stanie Massachusetts, zwrócił na siebie uwagę świata akumulatorów, gdy powstał w 2017 roku. Chiang jest jednym z najlepszych naukowców zajmujących się akumulatorami na świecie. Opublikował setki prac naukowych, posiada ponad 80 patentów i współtworzył sześć startupów. Kilku zarobiło wyceny powyżej 1 miliarda USD , łącznie z Systemy A123 , która produkuje akumulatory litowo-jonowe do pojazdów elektrycznych.

CEO Form, Mateusz Jaramillo , wcześniej zmontowany i prowadził jednostkę biznesową Tesli, która sprzedaje systemy akumulatorów do domów i jest teraz buduję niektóre największe projekty akumulatorów sieciowych dookoła świata. Do tej pory Form zebrał około 50 milionów dolarów od Breakthrough Energy Ventures Billa Gatesa, włoskiego giganta energetycznego Eni i innych.

Zespół założycielski Form Energy. Dzięki uprzejmości: Energia formy

Fala wcześniejszych firm zajmujących się magazynowaniem energii nie powiodła się (zobacz Dlaczego złe rzeczy przytrafiają się start-upom czystej energii). Formularz jest tylko jednym z kilku, które w ostatnim czasie zebrały fundusze, aby zmierzyć się z problemem.

Głównym zapotrzebowaniem na magazynowanie w sieci jest dziś magazynowanie w ciągu dnia. Zapewnia szybkie wyładowania prądu na kilka godzin, aby zniwelować rozbieżności między wytwarzaniem a zapotrzebowaniem w ciągu dnia, a przynajmniej do wczesnych godzin wieczornych.

Coraz większa ilość tej pamięci pochodzi z akumulatorów litowo-jonowych, które zasilają również telefony, laptopy i samochody elektryczne, a przy tym są coraz tańsze i wydajniejsze. Ilość zainstalowanych magazynów energii w sieci wzrosła w ubiegłym roku o prawie 150% do sześciu gigawatogodzin, według firmy badawczej Wood Mackenzie . To prawie dwa razy więcej niż średnia w ciągu ostatnich pięciu lat, a większość tego wzrostu stanowiły systemy litowo-jonowe.

Na przykład Tesla planuje buduj setki jego nowej trzymegawatogodziny Megapack systemy akumulatorów w Moss Landing w Kalifornii. ten projekt , który obejmuje również innych deweloperów magazynów energii, zastąpiłby trzy dekady elektrowni gazowych na terenie prowadzonym przez Calpine, dużą amerykańską firmę energetyczną.

Elektrownia sieciowa firmy Telsa w Kauaʻi na Hawajach. Dzięki uprzejmości: Tesla

Tymczasem coraz większa liczba deweloperów odnawialnych źródeł energii, takich jak Recurrent Energy i First Solar, proponując gigantyczne farmy słoneczne połączone z ogromnymi systemami magazynowania baterii , umożliwiając elektrowniom dostarczanie energii elektrycznej przez wiele godzin po zachodzie słońca.

Ale słońce i wiatr nie gasną godzinami; czasami zanurzają się na kilka dni lub tygodni. Jeśli chcemy przejść głównie na odnawialne źródła energii, będziemy potrzebować znacznie więcej pamięci, która może wytrzymać znacznie dłużej.

Przy dzisiejszej technologii akumulatorów koszty wzrosłyby gwałtownie, mówi Jesse Jenkins, adiunkt w Princeton, który bada systemy energetyczne. Wymagałoby to użycia zestawów baterii litowo-jonowych, z których wiele może być używanych tylko kilka razy w roku. Musielibyśmy również zbudować więcej farm słonecznych i wiatrowych, aby wygenerować wystarczającą ilość energii elektrycznej do ich ładowania. (Zobacz Powód 2,5 biliona dolarów, dla którego nie możemy polegać na bateriach w celu oczyszczenia sieci.)

W tym scenariuszu ekonomia załamuje się. Don Sadoway, chemik z MIT, współzałożyciel firmy Ambri, która opracowała wytrzymałą baterię z ciekłym metalem, mówi, że jeśli te aktywa mają pozostawać bezczynne przez trzy czwarte roku, to właśnie czterokrotnie zwiększyłeś efektywny koszt. około godziny dłużej niż litowo-jonowe.

Ale w rzeczywistości jest jeszcze gorzej. Musielibyśmy nadmiernie rozbudować odnawialne źródła energii i magazynowanie, aby zaspokoić popyt podczas najrzadszych wydarzeń: długotrwałych przypływów słońca lub wiatru, które zdarzają się co kilka lat, a może nawet raz na dekadę.

Regiony nie muszą całkowicie rozwiązywać tego problemu poprzez przechowywanie. Spotkanie tylko mały udział całkowitego popytu za pomocą innych środków złagodziłoby docelowe koszty, które firmy magazynowe musiałyby osiągnąć, inne badania pokazują . Może to obejmować reaktory jądrowe, elektrownie wodne, elektrownie gazowe z systemami wychwytującymi emisje dwutlenku węgla lub dalekosiężne linie przesyłowe, które mogą zrównoważyć odnawialne źródła energii w różnych strefach czasowych. Ale te opcje są niepopularne politycznie, drogie, ograniczone geograficznie lub wszystkie trzy. Baterie mają tę zaletę, że nie są szczególnie podsłuchiwane przez ludzi.

Musimy pomyśleć o tych przyszłych problemach już dziś, ponieważ niezbędne technologie mogą zająć lata, jeśli nie dziesięciolecia, aby się rozwinąć. Obszary o dużym udziale odnawialnych źródeł energii, takie jak Kalifornia i Niemcy, już teraz wytwarzają więcej energii słonecznej lub wiatrowej, niż sieć może wykorzystać w pewnych okresach, co osłabia zachęty ekonomiczne do budowania większej liczby. Wiele innych regionów zaczyna zdawać sobie sprawę, że istnieje ziewająca luka, którą niektóre technologie będą musiały zlikwidować, jeśli mają nadzieję na wyeliminowanie paliw kopalnych.

Podejście formularza

Opracowywanie tanich, długotrwałych akumulatorów od dziesięcioleci wprawia naukowców w zakłopotanie, głównie dlatego, że metale i chemikalia, które do tej pory działały najlepiej, są drogie. Wykorzystywanie ich do zaspokojenia dłuższych potrzeb związanych z przechowywaniem oznacza układanie ich w stosy. Forma strzeże tego, w jaki sposób próbuje ominąć te wyzwania, ale część podejścia firmy jasno wynika z artykułu Chiang i współpracowników opublikowanego w czasopiśmie Joule pod koniec 2017 r. (patrz Nowe przedsięwzięcie przedsiębiorcy zajmującego się bateriami seryjnymi rozwiązuje największy problem czystej energii).

Energia formy

Form Energy powstało w 2017 roku, kiedy MIT spinout Baseload Renewables połączył się z Verse Energy, którą założył Mateo Jaramillo, który wcześniej kierował działalnością w zakresie magazynowania energii w Teslau2019. Do tej pory firma zebrała około 50 milionów dolarów.

Założyciele

Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
nBilly Woodford, 24 miesiące
nTed Wiley, Aquion Energy

Fundatorzy

Przełomowe przedsięwzięcia energetyczne
nEni Group
nPreludium przedsięwzięcia
nMacquarie Capital
nMITu2019s Silnik
nSaudi Aramco
nZakład Energiiu2019s program ARPA-E

Wszystkie akumulatory zawierają dwa podstawowe składniki: elektrolit, zwykle płynną substancję chemiczną oraz parę elektrod, anodę i katodę, które są wykonane z różnych materiałów (często, choć nie zawsze, metali). Naładowane atomy, znane jako jony, przenoszą prąd przez elektrolit między dwiema elektrodami podczas ładowania lub rozładowywania akumulatora. W akumulatorach litowo-jonowych elektrolitem jest pewien związek litu zmieszany z innymi chemikaliami.

W artykule z 2017 r. Chiang i jego koledzy podkreślili potencjał zasilanego powietrzem, wodnego, przepływowego akumulatora siarkowego. Akumulator przepływowy zaczyna omijać problem kosztowy, oddzielając elementy dostarczające energię elektryczną akumulatora, w tym elektrody, od części magazynującej energię, czyli elektrolitu.

Standardowy akumulator przepływowy ma dwa różne elektrolity, znane jako katolit i anolit, z których każdy może być przechowywany w dużych, łatwo wymienialnych zbiornikach. Więc jeśli chcesz więcej miejsca do przechowywania, możesz po prostu dodać większe zbiorniki, podczas gdy inne drogie części, w tym elektrody, pozostaną takie same.

Aby było to naprawdę niedrogie, elektrolity wypełniające te gigantyczne zbiorniki również muszą być tanie. Klucz do akumulatora przepływowego w Papier dżulowy jest zastosowanie roztworu na bazie siarki jako anolitu. Siarka jest jednym z najobficiej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej, a także produktem ubocznym rafinacji paliw, więc jest niezwykle tania i może magazynować dużo energii.

Według Chianga w 2017 roku siarka była o ponad 10 razy lepsza niż następna najlepsza rzecz.

W sumie koszty chemiczne takiego akumulatora przepływowego mogą być tak niskie, jak 1 dolar za kilowatogodzinę, zgodnie z badaniem.

Kiedy rozmawiałem z Chiangiem w sierpniu zeszłego roku, potwierdził, że siarka jest zdecydowanie nadal częścią naszej mapy drogowej. Powiedział, że to podejście, którego używają w projekcie finansowanym przez Departament Energii w ramach programu moonshot ARPA-E . Ale Form mówi, że teraz rozwija wiele chemii, chociaż nie powie, jakie są inne.

Yet-Ming Chiang, profesor MIT i współzałożyciel Form Energy. Szymon Simard

Podczas gdy większość firm zajmujących się magazynowaniem sieciowym koncentruje się tylko na części magazynowej, Jaramillo również powiedział: badają możliwości dwukierunkowych elektrowni , który generowałby energię odnawialną na miejscu za pomocą energii słonecznej lub wiatrowej, magazynował ją w dużych bateriach i dostarczał do sieci w razie potrzeby.

Inne ścieżki do długoterminowego przechowywania

Ale bateria elektrochemiczna, czy to oparta na chemii siarkowej, litowo-jonowej, czy na czymś innym, jest tylko jednym ze sposobów przechowywania dużych ilości energii.

Na początku września grupa inżynierów stłoczyła się wokół przysadzistego, srebrnego cylindra wielkości zbiornika na grilla na tyłach zagraconego warsztatu w Lawrence Berkeley National Lab, położonego na wzgórzach z widokiem na zatokę San Francisco. Oprócz intensywnego spojrzenia na sąsiedni ekran komputera, jedyną wskazówką, że coś działa, była pomarańczowa poświata widoczna w maleńkim okienku u dołu urządzenia.

Naukowcy z Antora Energy opracowują nowy rodzaj magazynowania ciepła. To jest rzadko stosowane podejście który zatrzymuje energię w postaci ekstremalnego ciepła lub zimna w różnych substancjach, takich jak podziemne skały lub bloki lodu. W przypadku Antory substancja w zbiorniku była blokiem węgla, który w tym momencie pracował znacznie powyżej 2000 ˚C.

Istnieje nadzieja, że ​​mogą wykorzystać nadmiar energii elektrycznej z farm słonecznych lub wiatrowych do podgrzania tego materiału, a następnie zamienić ciepło z powrotem na energię elektryczną, gdy jest to potrzebne. Zazwyczaj w magazynowaniu termicznym, nadal odbywa się to w wysoce nieefektywnym XIX-wiecznym stylu: wytwarzając parę napędzającą turbinę. Ale większość energii marnuje się w wyniku tarcia mechanicznego, wycieków pary i innych problemów.

Antora testuje nowatorski system termofotowoltaiczny. To coś w rodzaju panelu słonecznego, ale przekształca promieniowanie podczerwone pochodzące z gorącego obiektu zamiast światła słonecznego w energię elektryczną. Pod koniec września naukowcy ogłosili, że ustanowili nowy rekord, przekształcając ponad 30% procent ciepła przepływającego do ogniwa z powrotem w energię elektryczną w eksperymencie laboratoryjnym. Dążą do osiągnięcia ponad 50% wydajności.

Metody mechaniczne oferują inne podejście do przechowywania w sieci. Obejmuje to pompowanie powietrza do podziemnych jaskiń, prowadzenie wypełnionych skałami pociągów w górę wzgórz lub przenoszenie wody między zbiornikami na różnych wysokościach. Wszystko to działa mniej więcej w ten sam sposób, wykorzystując zapasową energię, gdy jest dostępna, aby przenieść coś na wyższą wysokość lub umieścić to pod presją. Następnie, gdy zostanie uwolniony, możemy wykorzystać energię kinetyczną z uciekającego powietrza, zjeżdżających pociągów lub wody do generowania elektryczności.

Rzeczywiście, elektrownie wodne pompowane są obecnie zdecydowanie naszym najtańszym i najobfitszym źródłem magazynowania energii w sieci. Problem polega na tym, że nie zawsze masz wystarczającą ilość wody lub wzgórz w pobliżu każdej elektrowni.

W ramach programu DAYS ARPA-E ma zainwestował ponad 30 milionów dolarów w 12 startupach lub grupach badawczych próbujących rozwiązać problem przechowywania w sieci. Należą do nich akumulatory przepływowe Form i system termiczny Antora, a także wariacja Quidnet Energy na pompowanej wodzie: system startupu z San Francisco pompuje wodę do szczelin między uwięzionymi pod ziemią skałami , wytwarzając ciśnienie, które wymusza powrót wody do generatora, gdy potrzebna jest energia elektryczna.

Przełomowe przedsięwzięcia energetyczne , fundusz wspierany przez Billa Gatesa, uczynił długoterminowe przechowywanie jednym ze swoich najwyższych priorytetów. Oprócz Form, wsparł Quidnet i Maltę, kolejny termiczny startup, który opiera się na stopionej soli jako nośniku danych (patrz Alphabet prowadzi rozmowy w sprawie rozwiązania problemu przechowywania stopionej soli).

Tymczasem japoński konglomerat SoftBank niedawno zainwestował 110 milionów dolarów w szwajcarskim startupie zajmującym się magazynowaniem mechanicznym Energy Vault, który wykorzystuje dźwigi i przewody do układania bloków betonowych, gdy odnawialne źródła energii wytwarzają nadmiar energii elektrycznej. Następnie upuszcza te bloki z powrotem na ziemię na tych samych przewodach, wykorzystując ich pęd do obracania silników w żurawiach do tyłu i pompowania energii elektrycznej. ( Ten film sprawia, że ​​koncepcja staje się jaśniejsza).

Niekonwencjonalny charakter niektórych z tych pomysłów pokazuje, jak trudnym problemem dla technologii jest przeskok z kilkugodzinnego do kilkutygodniowego przechowywania energii.

Sadoway mówi, że jeśli mówimy o przechwytywaniu, powiedzmy, miesięcznej lub dwumiesięcznej energii w lecie i udostępnianiu jej przez miesiąc lub dwa miesiące w zimie, są to gigantyczne sumy energii. Ile masz pociągów z ładunkiem kamieni?

Bardzo duże, jeśli

Większość metod mechanicznych, takich jak pociągi czy dźwigi, wymaga ogromnej przestrzeni. Metody termiczne są z natury nieefektywne, ponieważ trudno jest zapobiec wyciekowi ciepła lub zimna. A produkcja lub spalanie większości paliw płynnych powoduje emisję tych samych emisji do klimatu, których chcemy uniknąć.

Baterie mają tę zaletę, że są czyste, kompaktowe, mobilne i wydajne. Więc jeśli ktoś może sprawić, że będą one również tanie i trwałe, mogą podłączyć się do dowolnej sieci. Umożliwiłoby to dostarczanie znacznie większej ilości energii elektrycznej przez wiatr i energię słoneczną, a co za tym idzie, czystą energię elektryczną zaspokoiłaby znacznie więcej naszych całkowitych potrzeb energetycznych.

Ale te pozostają bardzo duże. Niektórzy obserwatorzy energii wątpią w to, że Forma może osiągnąć swoje cele lub kwestionują, ile gazu ziemnego zastąpiłyby takie baterie, nawet gdyby to zrobiły. Ze swojej strony założyciele firmy mowić to projekt trwający co najmniej dziesięć lat, obarczony poważnymi zagrożeniami technicznymi, finansowymi i rynkowymi.

Poważne postępy w zakresie baterii zdarzają się średnio tylko raz na trzy dekady, a historia tej dziedziny jest zaśmiecona znacznie bardziej obiecującymi podejściami, które nie sprawdziły się niż te, które się sprawdziły.

Z drugiej strony, ostatnia, technologia litowo-jonowa, pojawiła się na rynku 28 lat temu. Przed nami kolejny przełom.

ukryć