Co je úložiště energie-v síti?

V únoru 2021 jsem telefonoval s operátorem úložiště v Texasu, když velkoobchodní ceny elektřiny dosáhly 9 000 $ za megawatt-hodinu. Devět tisíc dolarů. Pro kontext se běžné ceny pohybují kolem 30{7}}50 USD. Jeho bateriový systém tiskl peníze - vybíjely se do sítě během Zimní bouře Uri, zatímco elektrárny na zemní plyn zamrzly. "Pro tohle jsme to postavili," řekl, ale jeho hlas měl takovou ostrost. Téměř ospravedlněno. Jako by roky čekal, aby dokázal skeptikům, že se mýlili.

V tu chvíli -, kdy jsem sledoval, jak ceny na obchodních obrazovkách prudce rostou, zatímco potrubí praská přes stát -, vykrystalizovalo něco, kolem čeho jsem chvíli kroužil. Síťové-úložiště už ve skutečnosti není o technologii. Jde o to, zda jsme ochotni připustit, že způsob, jakým jsme celé století provozovali elektrické sítě, už nefunguje.

Vraťme se{0}} a v roce 2001 měla Kalifornie průběžné výpadky proudu. Ani jednou nebo dvakrát - tuctkrát. Lidé ztratili proud, semafory potemněly, nemocnice přešly na generátory. Oficiální vyšetřování obvinilo Enron z manipulace trhu, což byla pravda, ale to nebyl celý příběh. Skutečný problém byl hlubší. Kalifornská síť byla navržena kolem elektráren na fosilní paliva, které můžete ovládat. Potřebujete více energie? Spalte více plynu. Pokles poptávky? Plyn zpět. Jednoduchý.

Až na to, že to přestalo být jednoduché v okamžiku, kdy obnovitelné zdroje energie začaly mít význam. A nemám na mysli token solární panely nějakou utilitu instalovanou pro PR v 90. letech. Skutečná kapacita. Gigawatty.

Byl jsem na konferenci v San Diegu - muselo to být v roce 2014 nebo 2015 -, kde kalifornský ISO inženýr ukázal to, čemu říkali „kachní křivka“. Místnost ztichla. Graf ukázal, že čistá zátěž (celková poptávka mínus solární energie) klesá v poledne, když solární energie dosáhla vrcholu, a poté vystřelila nahoru při západu slunce. Ta rychlost náběhu - z minima na maximum za možná 3 hodiny - narušila fungování sítě. Museli byste nechat plynové elektrárny v pohotovostním režimu celé odpoledne, abyste zvládli večerní nápor. Drahé, neefektivní a zásadně hloupé.

Jeden chlap vzadu se zeptal: "Nemůžeme prostě omezit solární energii?" Inženýr se odmlčel. "Mohli bychom. Nebo bychom mohli vymyslet sklad."

Skladování. Právo.

Rychlý postranní panel - co je to mřížkové{1}}úložiště? Zeptejte se pěti lidí, získejte šest odpovědí. Volný konsenzus je něco přes 1 megawatt, ale seděl jsem u konferenčních panelů, kde se o tom lidé dvacet minut dohadovali. Záleží na aplikaci víc než na kapacitě? Pokud máte 500 kilowattů obsluhující kritickou rozvodnu, počítá se to?

V Kalifornii je nyní zařízení - Moss Landing, myslím, že - má více než 400 MW. Možná 450. Možná 420. Pointa je, že dávat to dohromady s 1 MW projektem je špatné, ale průmysl se neusadil na lepší terminologii. Hovoříme o úložišti, které ve skutečnosti ovlivňuje provoz sítě. Ne Tesla Powerwall vašeho souseda.

Tady je vtipné. Všichni teď mluví o bateriích, ale přečerpávací vodní elektrárny stále dominují globální skladovací kapacitě. Ani zdaleka. Pumpujte vodu do kopce, když je elektřina levná, nechte ji proudit zpět přes turbíny, když ceny rostou. Bath County ve Virginii to dělá od roku 1985. Přes 3000 MW. Účinnost je slušná - 70-80% zpáteční cesta - a „palivo“ je voda, kterou opakovaně používáte po neomezenou dobu.

Problém je geografie. Potřebujete hory, vhodné nádrže, místa, kde stavba přehrad nezatopí nic, na čem lidem záleží. Většina dobrých amerických webů byla vyvinuta začátkem 90. let. Občas se objeví nové návrhy, ale povolování trvá tak dlouho, že to vývojáři obvykle vzdají. V Montaně je projekt, který se plánuje asi 15 let. Stále nepostaveno.

Stlačený vzduch existuje také, sotva. Dva závody po celém světě: Huntorf v Německu (1978) a McIntosh, Alabama (1991). To je vše. Technologie funguje dobře - pumpujte vzduch do podzemních jeskyní, uvolněte ho později turbínami -, ale potřebujete konkrétní geologii. Solné dómy nebo zásobníky vyčerpaného plynu se správnými vlastnostmi. Obě stávající elektrárny spalují zemní plyn během expanze, což omezuje přínosy pro životní prostředí. Novější "adiabatické" konstrukce tvrdí, že mohou eliminovat spalování plynu. Žádný se komerčně nezměnil.

Takže baterie. Všichni jsou nyní z baterií nadšeni, ale nebylo tomu tak vždy. Možná až do roku 2012-2015 byly náklady příliš vysoké. V roce 2012 byla na větrné farmě Notree v Austrálii malá instalace, která byla důkazem-koncepce více než životaschopné ekonomiky.

Poté Tesla postavil Hornsdale. 2017 v Jižní Austrálii, 100 MW / 129 MWh. Elon vsadil na Twitteru, že to postaví za 100 dní - typický Elon -, a udělali to za 63 dní. Lidé se soustředili na rychlost výstavby, ale skutečným příběhem byl výkon. Baterie vydělávala peníze mnohem rychleji než projekce prostřednictvím služeb regulace frekvence.

Ve skutečnosti jsem navštívil řídicí centrum sítě mimo Adelaide asi 6 měsíců po spuštění Hornsdale. Inženýři o tom stále bzučeli. Jeden chlap mi ukázal grafy frekvenční odezvy. Když se frekvence sítě odchýlila od 50 Hz, baterie se opravila v milisekundách. Konvenční generátory zabraly několik sekund, protože doslova roztáčíte turbíny. "Je to jako srovnávat sportovní vůz s nákladním vlakem," řekl.

Tato doba odezvy v milisekundách je pro určité služby sítě nesmírně důležitá. Jakmile si energetické společnosti uvědomily, že baterie dokážou věci, které konvenční generace fyzicky nedokáže, postoje se rychle změnily. Během jednoho roku jste začali vidět mnohem více oznámení o projektech.

Situace v chemii je horší, než naznačují obchodní publikace. „Lithium-ion“ není jedna věc. Několik chemických látek se spojí dohromady. U mřížkových aplikací v podstatě zvítězil fosforečnan lithný. LFP, LiFePO4,lithium-iontová fosfátová baterie- různých názvů podle toho, kdo je prodává.

Tato chemie nyní představuje možná 60-65 % nových amerických a evropských instalací. Čísla se liší v závislosti na tom, kdo počítá a co obsahují. Důvod je praktický: LFP zvládá cyklování nabíjení a vybíjení lépe než alternativy jako NMC (nikl-mangan-kobalt). Snižte také riziko požáru, což je důležité, když v obytných oblastech skládáte přepravní kontejnery plné baterií. K požárům se dostaneme později.

Hustota energie je nižší než u NMC, ale pro stacionární úložiště to nevadí. Nemontuješ to pod autosedačky. Skládejte kontejnery, dokud nedosáhnete cílů kapacity.

Průtokové baterie stále kryjí. Vanadové redoxní systémy oddělují skladování energie (velikost nádrže) od energie (velikost zásobníku). Závod Dalian v Číně, uveden do provozu v roce 2022, 100 MW / 400 MWh, v současnosti největší. Náklady jsou vyšší než u lithia, ale životnost může přesáhnout 20 000 cyklů bez větší degradace.

Teoreticky je to důležité pro plánování provozu veřejných služeb na 20+ rok. V praxi náklady na lithium klesají rychleji, než průtokové baterie uzavírají mezeru. Průtokové baterie se „chystají k průlomu“ již nejméně deset let. Začíná to znít jako fúzní energie.

Německo vyřešilo problém se skladováním tvrdším způsobem. Kolem roku 2011-2012 měli najednou gigawatty střešních solárních panelů z jejich iniciativy Energiewende. V poledne slunečných dnů generace narůstala. Mraky se převalily, klesly o gigawatty. Rychle.

Operátoři sítě, kteří strávili celou kariéru správou předvídatelných křivek poptávky, se nyní zabývali křivkami nabídky, které se pohybovaly rychleji, než mohli reagovat. Kompletní změna paradigmatu. Jeden operátor, se kterým jsem mluvil na berlínské konferenci - to bylo v roce 2016, možná - řekl, že když poprvé viděl pokles generace o 5 GW za 20 minut, myslel si, že jeho monitorovací systém je rozbitý.

Vítr dělá podobné věci, ale v různých časových horizontech. Vysokotlaký-systém zaparkuje nad větrnými elektrárnami a výroba klesne téměř na nulu. Zůstane tam několik dní. Nemůžete zavolat větrnou elektrárnu v 18:00 a říct jí, aby generovala více, protože lidé připravují večeři doma. Takhle to nefunguje.

Doba odezvy je pro některé aplikace kritická. Kalifornie ISO vyžaduje, aby služby regulace frekvence dosáhly plného výkonu do 10 minut. Může to být 8 minut, musel bych zkontrolovat specifikace. Některé služby vyžadují méně než{5}}sekundovou odezvu. Baterie zde excelují - elektrochemické reakce jsou z pohledu provozovatele sítě v podstatě okamžité.

Čerpaná vodní elektrárna potřebuje 10-15 sekund na to, aby se průtok vody urychlil přes turbíny, plus operace ventilů. Tato mezera je důležitá pro regulaci frekvence. Nezáleží na špičkovém holení, kde vybíjíte hodiny.

O tom, zda projekty vydělávají peníze, rozhoduje efektivita. Základní matematika: skladujte 100 MWh, obnovte 90 MWh, každý cyklus jste ztratili 10 %. Lithium zasáhne 85-95% v závislosti na konfiguraci a na tom, jak silně na něj zatlačíte. Průtokové baterie spíše 65-75%. Zdá se, že je to zanedbatelné, ale každý den po dobu 15 let se tato účinnost spojuje s milionovým rozdílem v příjmech. Možná desítky milionů na větší projekty.

Cyklistický život se komplikuje. Většina lithiových systémů pracuje na 20-80% stavu nabití, nikoli na plný cyklus. Obětujte 40 % kapacity jmenovky pro zdvojnásobení nebo ztrojnásobení provozní životnosti. Ekonomika funguje, protože výměna baterií v polovině projektu je opravdu drahá. Na začátku je lepší předimenzovat.

grid-scale energy storage

Zákon o snižování inflace v roce 2022 skutečně posunul americké trhy. Nechte samostatné úložiště nárokovat 30% slevy na dani z investic. Před tím úložištěm bylo kvalifikováno pouze spárování se solárním nebo větrným, což byla hloupá politika, ale tak se to psalo.

Poté, co IRA prošel, zaplavila se oznámení projektu. Fronta propojení měla do poloviny roku 2023 85+ GW úložného prostoru. Každý, kdo je obeznámen s frontami propojení, ví, že většina projektů se nikdy nepostaví. Historická míra dokončení je v nejlepším případě 20–30 %.

Minulý rok jsem byl na vývojářské konferenci v Houstonu -, chlap od jednoho z velkých čínských výrobců řekl, že nestíhá držet krok s poptávkou v USA. "Přidáváme výrobní linky, ale na vybavení trvá 18 měsíců." Omezení dodavatelského řetězce všude.

Globální úložiště dosáhlo do roku 2023 přibližně 27-28 GW v závislosti na tom, jak počítáte, . 90% nárůstu od roku 2018. Jen v roce 2022 přidaly USA 4,8 GW, mohlo to být 5,2, ztrácím paměť. Kalifornie a Texas dominují nasazení ze zcela jiných důvodů. Kalifornie má politické mandáty, které řídí integraci obnovitelných zdrojů. Texas má pouze energetický{{14}trh ERCOT, který způsobuje masivní kolísání cen. Provozovatelé úložiště milují volatilitu – využijte těchto cenových výkyvů.

Náklady klesly z více než 500 USD/kWh v roce 2015 na 150–200 USD/kWh do roku 2023 pro kompletní systémy. Někteří lidé tvrdí, že ještě nižší, ale 150-200 dolarů je to, co jsem viděl u skutečných projektů. Výrobní měřítko především, brutální konkurence mezi čínskými a korejskými výrobci článků.

Modely tržeb se podle trhu velmi liší. Texas ERCOT umožňuje skladování přímo na energetických trzích. Ten příklad Winter Storm Uri ze začátku - někteří operátoři vyčistili $10+ milionů, možná 12 milionů $, slyšel jsem jiná čísla. I když ne normální.

Typické operace zahrnují hromadění toků příjmů: energetická arbitráž (levné nabíjení, drahé vybíjení), platby za kapacitu, regulace frekvence, příležitostně odklad aktualizace přenosu. Kalifornský SGIP nabízí předem pobídky, zejména pro kritická zařízení.

Jeden operátor mi řekl - mimo záznam v baru během konference -, že polovina jeho předpokládaných příjmů pochází ze služeb, které před pěti lety neexistovaly. "Vymýšlíme si to za pochodu. Operátoři sítě zjišťují, co dokážou baterie v reálném čase."

Trvání zůstává zjevným omezením a je to frustrující. Většina systémů se vybíjí 2-4 hodiny při jmenovitém výkonu. Ideální pro večerní špičky, když slunce klesá. Zcela nepoužitelné pro vícedenní skladování při delších povětrnostních událostech.

Technologie s delší dobou trvání jsou stále oznamovány prostřednictvím velkých tiskových zpráv. Stlačený vzduch, gravitační systémy, akumulace tepla. Komerční nasazení zůstává v nedohlednu. Každý chce 8+ hodin úložiště, někteří chtějí 12 nebo 24. Ekonomiku ve velkém zatím nikdo nevyřešil.

Existují doslova startupy, které zvedají betonové bloky pomocí jeřábů, aby ukládaly energii. Zní to směšně, ale fyzika funguje. Žádný se však nezměnil. To samé s tepelnou akumulací.

Degradace baterie za skutečných cyklických vzorců stále překvapuje operátory, což mě trápí, protože byste si mysleli, že už jsme na to přišli.

Laboratorní testování nepředpovídá výkon v terénu dobře. Rané instalace - 2018, časový rámec roku 2019 - probíhaly agresivněji, než bylo plánováno, zkracovaly provozní životnost mnohem rychleji, než se očekávalo, vynucené revize reklamací. V současné době existují lepší modely degradace, ale nejistota ohledně výkonu trvá 10+ rok, zejména s tím, jak se vyvíjejí strategie odesílání.

Nemůžete testovat 15 let provozu ve dvouletých vývojových časových liniích. To je nemožné. Inženýr z NREL mi řekl, že vytvářejí pravděpodobnostní modely založené na omezených terénních datech. "Extrapolujeme z 5 let provozu na předpovědi 20 let. Je to poučené hádání."

Požární bezpečnost nezmizela ani přes vylepšené standardy. Nejvážnějším incidentem zůstává požár McMicken v Arizoně - duben 2019 -. Výbuch zranil čtyři hasiče, mohl být katastrofální.

Mluvil jsem s jedním z prvních respondentů na bezpečnostní konferenci. Řekl, že když dorazili, standardní protokoly říkaly, že stříkají vodu na požáry baterií. Začal to dělat. Pak to explodovalo. "Nikdo nám neřekl, že by tyto věci mohly tepelně uniknout, i když oheň zhasl."

Tato událost odhalila, jak špatně průmysl pochopil šíření tepelného úniku v kontejnerových systémech. Mysleli jsme, že víme. Ukázalo se, že ne. Testovací standardy se poté podstatně zlepšily. UL 9540A se stal měřítkem, na které každý odkazuje.

Ale každá nová buněčná chemie potřebuje vyhodnocení od začátku. Ne všichni prodejci dodržují stejné konstrukční postupy pro rozmístění článků, chlazení a potlačení požáru. Některé splňují minimální požadavky na kód. Ostatní přestrojují. Z marketingu nelze vždy určit, jaký přístup projekt používá. To je problém.

Jižní Austrálie nabízí pohled na budoucnost s vysokou{0}}penetrací. Téměř 300 MW úložiště sloužící zhruba 2 000 MW špičkové poptávce do roku 2022. To je jako 15 % špičkové poptávky ve skladovací kapacitě. Podstatné.

Zásadně změnil provoz sítě. Ale velmi odlišný režim než v Texasu nebo Kalifornii, kde úložiště zůstává malým procentem celkové kapacity. Můžete škálovat přístup jižní Austrálie k ERCOT? Možná, možná ne.

Zeptal jsem se na to jednoho jihoaustralského provozovatele sítě na konferenci. Jeho odpověď: "Jsme testovací případ. Jestli to tady praskne, jsme alespoň dost malí na to, aby bylo selhání pod kontrolou." Není to zrovna sebevědomí-inspirující, ale upřímné.

grid-scale energy storage

NREL plánuje něco jako 250+ GW úložiště v USA do roku 2050 podle scénářů s vysokou obnovitelností. Nebo to bylo 300 GW? Musel bych se na to podívat. Zda se to zhmotní, závisí na tolika faktorech. Samozřejmostí je pokračující snižování nákladů. Podpora politiky zůstává na místě, což není nikdy zaručeno. Provozovatelé sítí skutečně mění provozní postupy, místo aby o tom jen mluvili.

Některé projekce z doby před pěti lety už vypadají konzervativně. Nasazení překonalo dřívější prognózy. Jiné projekce se však mohou ukázat jako divoce optimistické, pokud klíčové předpoklady nebudou platit nebo se stane něco neočekávaného. Těžko říct.

Z výzkumných laboratoří se neustále objevují nové chemie. Sodík-iont slibuje nižší náklady na materiál, protože nepoužíváte lithium. Zinkový-vzduch má vyšší hustotu. Další věci, na které pravděpodobně zapomínám. Vytlačí nějaké lithium-ionty pro síťové aplikace? Pravděpodobně ne úplně, podle mého odhadu. Zavedené technologie mají výrobní rozsah, kterému se nováčci nemohou rychle rovnat. Stavba továren trvá roky.

Nejpravděpodobnější je, že různé chemie najdou specifické výklenky založené na konkrétních silných stránkách. Trh se stává dostatečně rozmanitým, aby podporoval více přístupů, za předpokladu, že skutečně dosáhnou komerčního rozsahu a nezůstanou navždy jen u pilotních projektů.

Skladování začalo jako obnovitelné přerušované řešení, ale rozvinulo se dále. Nyní je to nástroj pro flexibilitu sítě bez ohledu na zdroj výroby. Vyměňte spalovací turbíny pro regulaci frekvence. Odložte drahé upgrady přenosů řízením místního přetížení. Poskytněte možnost černého-startu pro obnovení sítě po velkých výpadcích.

U těchto aplikací záleží, zda penetrace obnovitelných zdrojů dosáhne 80 % nebo zůstane na 40 % nebo kdekoli skončí.

Ekonomika se neustále zlepšuje. Výrobní měřítko každoročně snižuje náklady. Výkon baterie - hustota energie, životnost cyklu, to vše se - také postupně zlepšuje. Zda se úložiště stane dominantním flexibilním řešením nebo jen jednou z několika možností (reakce na poptávku, lepší přenos, lepší předpovědi), zůstává otevřenou otázkou, která pravděpodobně nedostane odpověď za další desetiletí nebo dvě.

Co se zdá jasné: mřížky se zásadním způsobem mění. Technologie úložiště - bez ohledu na jejich podobu - umožňují mnohé z těchto změn. To se zdá docela jisté.

Zpět k tomu texaskému operátorovi během Winter Storm Uri. Poté, co se ceny vrátily do normálu a krize pominula, zeptal jsem se ho, co se dozvěděl. Dlouhá pauza. "Že tu práci zvládnou baterie. Ale také to, že zatím nikdo pořádně neví, co dělají. Všichni na to společně přicházíme."

Cítí se správně.

EIA zveřejňuje měsíční statistiky skladování. Docela spolehlivý i když vychází se zpožděním. Bloomberg NEF dělá roční výhledy, potřebuje drahé předplatné. NREL spravuje databáze výkonu, data zaostávají za realitou o 12-18 měsíců. Stále užitečné pro akademické účely.

Wood Mackenzie a podobné firmy zveřejňují prognózy. Přesnost záznamu trasy-byla v delších časových intervalech, řekněme, smíšená. Neustále podhodnocovali míru nasazení v letech 2018–2022. Zpětně vtipné.

Obchodní publikace jako Utility Dive a Energy Storage News pokrývají projekty docela dobře. Přesto inklinujte k optimistickému rámování. Polovina věcí, které oznámí jako „již brzy“, se nikdy nedostane do komerčního provozu. Vezměte se solí.

Měl užitečné rozhovory v průběhu let s inženýry v Kalifornii ISO, ERCOT, South Australia Power Networks a operátory na různých konferencích (Austin, San Diego, Berlín, Adelaide). Většina informativních věcí pocházela z barových konverzací po skončení oficiálních panelů.

Data aktuální k roku 2023 nebo počátkem roku 2024. Odvětví se mění dostatečně rychle, měli byste si ověřit konkrétní čísla, pokud je používáte pro cokoliv důležitého. Necitujte pouze tento článek - Jsem nějaký člověk na internetu.