Što je mrežno{0}}skladištenje energije?

U veljači 2021. razgovarao sam s operaterom skladišta u Teksasu kada su veleprodajne cijene električne energije dosegle 9000 USD po megavat-satu. Devet tisuća dolara. Za kontekst, normalne cijene kreću se oko 30 USD-50. Njegov sustav baterija tiskao je novac - ispuštao se u mrežu tijekom Winter Storm Uri dok su se postrojenja za prirodni plin smrzavala. "Za ovo smo ga izgradili", rekao je, ali glas mu je imao oštrinu. Gotovo opravdano. Kao da je godinama čekao da dokaže skepticima da su u krivu.

Taj trenutak - gledanja skoka cijena na zaslonima za trgovanje dok cijevi pucaju diljem države - iskristalizirao je nešto oko čega sam kružio neko vrijeme. Mrežno-spremanje zapravo više nije vezano uz tehnologiju. Radi se o tome jesmo li spremni priznati da način na koji smo stoljeće vodili električne mreže više ne funkcionira.

Vratimo se natrag. 2000 i 2001., Kalifornija je imala neprekidne nestanke struje. Ne jednom ili dvaput - desetke puta. Ljudi su ostali bez struje, semafori su se ugasili, bolnice su prešle na generatore. Službena istraga okrivila je Enronovu tržišnu manipulaciju, što je bila istina, ali to nije bila cijela priča. Pravi problem bio je dublji. Kalifornijska mreža je dizajnirana oko postrojenja na fosilna goriva koja možete kontrolirati. Trebate više snage? Sagorijevajte više plina. Pad potražnje? Gas natrag. Jednostavan.

Osim što je prestalo biti jednostavno onog trenutka kada je proizvodnja obnovljivih izvora energije počela biti važna. I ne mislim na simbolične solarne panele koje je neki alat instalirao za PR 90-ih. Stvarni kapacitet. Gigavati.

Bio sam na konferenciji u San Diegu - mora da je bilo 2014. ili 2015 - gdje je kalifornijski ISO inženjer pokazao ono što su zvali "krivulja patke". Soba je utihnula. Grafikon je pokazao neto opterećenje (ukupna potražnja minus solarna energija) koja pada u podne kada je solarna energija dosegla vrhunac, a zatim raste pri zalasku sunca. Ta stopa porasta - koja se kreće od minimuma do maksimuma u možda 3 sata - pokvarila je rad mreže. Morali biste držati plinska postrojenja u stanju pripravnosti cijelo poslijepodne samo da biste podnijeli večernji val. Skupo, neučinkovito i suštinski glupo.

Jedan tip straga je pitao: "Možemo li samo smanjiti solarnu energiju?" Inženjer je zastao. "Mogli bismo. Ili bismo mogli smisliti pohranu."

Skladištenje. Pravo.

Brza bočna traka - što je uopće grid{1}}skladištenje? Pitajte pet ljudi, dobijte šest odgovora. Labavi konsenzus je bilo što iznad 1 megavata, ali sjedio sam na konferencijskim panelima na kojima su ljudi raspravljali o tome dvadeset minuta. Je li aplikacija važnija od kapaciteta? Ako imate 500 kilovata koji opslužuju kritičnu trafostanicu, računa li se to?

Sada postoji postrojenje u Kaliforniji - Moss Landing, mislim - koje ima preko 400 MW. Moglo bi biti 450. Možda 420. Stvar je u tome da se to skupa s projektom od 1 MW čini pogrešnim, ali industrija se nije odlučila za bolju terminologiju. Govorimo o pohrani koja zapravo utječe na mrežne operacije. Ne susjedov Tesla Powerwall.

Evo što je smiješno. Sada svi govore o baterijama, ali pumpana hidroelektrana još uvijek dominira globalnim kapacitetom skladištenja. Ni blizu. Pumpajte vodu uzbrdo kada je struja jeftina, pustite je da teče natrag kroz turbine kada cijene skoče. Okrug Bath u Virginiji to radi od 1985. Preko 3000 MW. Učinkovitost je pristojna - 70-80% povratna vožnja -, a "gorivo" je voda koju ponovno koristite na neodređeno vrijeme.

Problem je geografija. Trebate planine, prikladna mjesta za akumulacije, mjesta gdje izgradnja brana neće poplaviti ništa do čega je ljudima stalo. Većina dobrih američkih stranica razvijena je ranih 90-ih. Novi prijedlozi se povremeno pojavljuju, ali dopuštenje traje toliko dugo da programeri obično odustaju. Postoji projekt u Montani koji se planira oko 15 godina. Još uvijek nije izgrađeno.

Komprimirani zrak također postoji, jedva. Dvije tvornice širom svijeta: Huntorf u Njemačkoj (1978.) i McIntosh, Alabama (1991.). to je to Tehnologija dobro funkcionira - pumpa zrak u podzemne pećine, ispušta ga kasnije kroz turbine - ali potrebna vam je specifična geologija. Solne kupole ili osiromašeni plinski rezervoari s pravim svojstvima. Oba postojeća postrojenja izgaraju prirodni plin tijekom širenja što ograničava koristi za okoliš. Noviji "adijabatski" dizajni tvrde da mogu eliminirati izgaranje plina. Nijedan nije komercijalno rastao.

Dakle baterije. Sada su svi uzbuđeni oko baterija, ali nije uvijek bilo tako. Troškovi su bili previsoki do možda 2012-2015. Postojala je mala instalacija na vjetroelektrani Notree u Australiji još 2012., dokaz-koncepta više nego održive ekonomije.

Zatim je Tesla izgradio Hornsdale. 2017, Južna Australija, 100 MW / 129 MWh. Elon se na Twitteru kladio da će ga izgraditi za 100 dana - tipični Elon - i uspjeli su to za 63 dana. Ljudi su se usredotočili na brzinu izgradnje, ali prava je priča bila izvedba. Baterija je zaradila mnogo brže od projekcija putem usluga regulacije frekvencije.

Zapravo sam posjetio centar za kontrolu mreže izvan Adelaidea možda 6 mjeseci nakon što je Hornsdale počeo raditi. Inženjeri su još uvijek brujali o tome. Jedan tip mi je pokazao dijagrame frekvencijskog odziva. Kad je frekvencija mreže odstupila od 50 Hz, baterija se ispravljala u milisekundama. Konvencionalnim generatorima bile su potrebne sekunde jer doslovno vrtite turbine. "To je kao da sportski automobil usporedite s teretnim vlakom", rekao je.

Ta milisekunda vremena odgovora iznimno je važna za određene mrežne usluge. Nakon što su komunalna poduzeća shvatila da baterije mogu činiti stvari koje konvencionalna proizvodnja fizički ne može, stavovi su se brzo promijenili. U roku od godinu dana počeli ste viđati mnogo više najava projekata.

Situacija s kemijom je lošija nego što to sugeriraju stručne publikacije. "Litij-ion" nije jedna stvar. Više kemija se skuplja. Za mrežne primjene, litij željezo fosfat je u osnovi pobijedio. LFP, LiFePO4,litij-ionska fosfatna baterija- različita imena ovisno o tome tko ga reklamira.

Ova kemija sada predstavlja možda 60-65% novih američkih i europskih instalacija. Brojevi se razlikuju ovisno o tome tko broji i što uključuje. Razlog je praktičan: LFP se nosi s ciklusima punjenja i pražnjenja bolje od alternativa poput NMC (nikl mangan kobalt). Manji rizik od požara također, što je važno kada slažete kontejnere pune baterija u stambenim područjima. Kasnije ćemo doći do požara.

Gustoća energije niža je od NMC, ali za stacionarno skladištenje to nije važno. Ne postavljate ga ispod autosjedalica. Slagajte spremnike dok ne postignete ciljni kapacitet.

Protočne baterije stalno dobivaju pokrivenost. Vanadij redoks sustavi odvajaju skladištenje energije (veličina spremnika) od energije (veličina dimnjaka). Postrojenje Dalian u Kini, pušteno u rad 2022., 100 MW / 400 MWh, trenutno najveće. Troškovi su veći nego kod litija, ali radni vijek može premašiti 20 000 ciklusa bez veće degradacije.

U teoriji to je važno za komunalna poduzeća koja planiraju 20+-godišnje poslovanje. U praksi, troškovi litija padaju brže nego što protočne baterije zatvaraju jaz. Protočne baterije su "na korak od proboja" već najmanje jedno desetljeće. Počinje zvučati kao fuzijska energija.

Njemačka je problem skladištenja riješila na teži način. Oko 2011.-2012. iznenada su imali gigavata krovne solarne energije iz svog Energiewende pusha. Podne za sunčanih dana, generacija na vrhuncu. Oblaci su se valjali, smanjeni u gigavatima. Brzo.

Mrežni operateri koji su proveli cijele karijere upravljajući predvidljivim krivuljama potražnje sada su imali posla s krivuljama ponude koje su se kretale brže nego što su mogli reagirati. Potpuna promjena paradigme. Jedan operater s kojim sam razgovarao na berlinskoj konferenciji - ovo je možda bila 2016. - rekao je da je prvi put kad je vidio pad proizvodnje od 5 GW u 20 minuta mislio da mu je sustav nadzora pokvaren.

Vjetar radi slične stvari, ali u različitim vremenskim okvirima. Sustav pod visokim{1}}tlakom parkira se iznad vjetroelektrana i proizvodnja pada gotovo na nulu. Ostaje tamo danima. Ne možete pozvati vjetroelektranu u 18 sati i reći joj da proizvede više jer ljudi večeru kuhaju kod kuće. Ne ide to tako.

Vrijeme odziva je kritično za neke aplikacije. California ISO zahtijeva da usluge regulacije frekvencije postignu punu snagu unutar 10 minuta. Možda će biti 8 minuta, moram provjeriti specifikacije. Neke usluge zahtijevaju kraći odgovor od-sekunde. Baterije ovdje briljiraju - elektrokemijske reakcije su u osnovi trenutne iz perspektive operatera mreže.

Pumpanoj hidroelektrani treba 10-15 sekundi da se protok vode ubrza kroz turbine, plus operacije ventila. Taj razmak je važan za regulaciju frekvencije. Nije bitno za vrhunsko brijanje gdje se satima praznite.

Učinkovitost određuje hoće li projekti zarađivati. Osnovna matematika: pohranite 100 MWh, vratite 90 MWh, izgubili ste 10% u svakom ciklusu. Litij doseže 85-95% ovisno o konfiguraciji i snazi koju gurate. Protok baterija oko 65-75%. Čini se neznatnim, ali mijenjajući se svaki dan tijekom 15 godina, ta delta učinkovitosti povećava milijunsku razliku u prihodu. Možda deseci milijuna za veće projekte.

Životni ciklus se komplicira. Većina mrežnih litijevih sustava radi na 20-80% stanju napunjenosti umjesto punog ciklusa. Žrtvujte 40% kapaciteta s natpisnom pločicom kako biste udvostručili ili utrostručili vijek trajanja. Ekonomično funkcionira jer je zamjena baterija usred projekta stvarno skupa. U početku je bolje predimenzionirati.

grid-scale energy storage

Zakon o smanjenju inflacije 2022. doista je promijenio tržište SAD-a. Neka samostalna pohrana zahtijeva 30% poreznih olakšica za ulaganje. Prije toga pohrana je bila kvalificirana samo u kombinaciji sa solarnom ili vjetarskom energijom, što je bila glupa politika, ali tako je bilo napisano.

Nakon što je IRA prošla, zapljusnule su najave projekata. Red čekanja za međusobno povezivanje imao je 85+ GW pohrane do sredine 2023. godine. Svatko tko je upoznat s redovima čekanja za međusobno povezivanje zna da se većina projekata ipak nikada ne izgradi. Povijesne stope završetka kreću se u najboljem slučaju od 20-30%.

Bio sam na konferenciji za razvojne programere u Houstonu prošle godine - tip iz jednog od velikih kineskih proizvođača rekao je da ne mogu pratiti potražnju u SAD-u. "Dodajemo proizvodne linije, ali imamo rokove isporuke od 18 mjeseci za opremu." Ograničenja lanca opskrbe posvuda.

Globalna pohrana dostigla je oko 27-28 GW do 2023., ovisno o tome kako brojite. 90% rasta dogodilo se od 2018. SAD je dodao 4,8 GW samo 2022., možda je bilo 5,2, gubim sjećanje. Kalifornija i Teksas dominiraju implementacijom iz potpuno različitih razloga. Kalifornija ima političke mandate koji potiču integraciju obnovljivih izvora energije. Teksas ima ERCOT-ovo{14}}jedino tržište energije koje stvara golemu kolebljivost cijena. Operateri skladišta vole volatilnost - iskoristite te promjene cijena.

Troškovi su pali s preko 500 USD/kWh u 2015. na 150-200 USD/kWh do 2023. za kompletne sustave. Neki ljudi tvrde čak niže, ali 150-200 dolara je ono što sam vidio za stvarne projekte. Prije svega opseg proizvodnje, brutalna konkurencija među kineskim i korejskim proizvođačima ćelija.

Modeli prihoda jako se razlikuju ovisno o tržištu. Texas ERCOT omogućuje pohranjivanje ponuda izravno na energetskim tržištima. Onaj Winter Storm Uri primjer od početka - neki su operateri oslobodili 10+ milijuna dolara, možda 12 milijuna dolara, čuo sam različite brojke. Ipak nije normalno.

Tipične operacije uključuju slaganje tokova prihoda: energetska arbitraža (jeftino plaćanje, skupo pražnjenje), plaćanja kapaciteta, regulacija frekvencije, povremeno odgoda nadogradnje prijenosa. Kalifornijski SGIP daje poticaje unaprijed, posebno za kritične objekte.

Jedan operater rekao mi je - neslužbeno u baru tijekom konferencije - da polovica njihovog predviđenog prihoda dolazi od usluga koje nisu postojale prije pet godina. "Ovo izmišljamo u hodu. Operateri mreže shvaćaju što baterije mogu učiniti u stvarnom vremenu."

Trajanje ostaje očito ograničenje i to je frustrirajuće. Većina sustava se prazni 2-4 sata pri nazivnoj snazi. Savršeno za večernje vrhunce kada sunce pada. Potpuno beskoristan za višednevno skladištenje tijekom dužih vremenskih nepogoda.

Tehnologije za dulje trajanje stalno se najavljuju velikim priopćenjima za javnost. Komprimirani zrak, gravitacijski sustavi, skladištenje topline. Komercijalna implementacija ostaje nedostižna. Svatko želi 8+ sat pohrane, neki žele 12 ili 24. Nitko još nije shvatio ekonomiju u razmjeru.

Doslovno postoje startupi koji dizalicama podižu betonske blokove za pohranu energije. Zvuči smiješno, ali fizika funkcionira. Ipak, nijedna nije skalirala. Isto je i s toplinskim skladištenjem.

Degradacija baterije pod stvarnim cikličkim obrascima nastavlja iznenađivati operatere, što me smeta jer biste pomislili da smo to do sada shvatili.

Laboratorijsko testiranje ne predviđa dobro učinak na terenu. Rane instalacije - 2018, 2019. vremenski okvir - ciklično su bile agresivnije od planiranog, skraćeni radni vijek mnogo brže od očekivanog, prisilne revizije zahtjeva za jamstvo. Sada postoje bolji modeli degradacije, ali ostaje neizvjesnost oko 10+-godišnjeg učinka, posebno kako se razvijaju strategije otpreme.

Ne možete testirati 15 godina rada u dvogodišnjim rokovima razvoja. Nemoguće je. Inženjer u NREL-u rekao mi je da grade probabilističke modele temeljene na ograničenim terenskim podacima. "Ekstrapoliramo 5 godina rada kako bismo predvidjeli 20 godina. To je obrazovano nagađanje."

Sigurnost od požara nije nestala unatoč poboljšanim standardima. Požar McMicken u Arizoni -. travnja 2019 -. ostaje najozbiljniji incident. Eksplozija je ozlijedila četiri vatrogasca, mogla je biti katastrofalna.

Razgovarao sam s jednim od onih koji su prvi reagirali na sigurnosnoj konferenciji. Rekao je da su, kada su stigli, standardni protokoli rekli da pošpricaju vodu na požare akumulatora. Počeo to raditi. Onda je eksplodiralo. "Nitko nam nije rekao da te stvari mogu termalno pobjeći čak i nakon što se požar ugasi."

Taj je događaj otkrio koliko je industrija slabo razumjela širenje toplinske struje u sustavima u spremnicima. Mislili smo da znamo. Ispalo je da nismo. Nakon toga su se standardi testiranja znatno poboljšali. UL 9540A postao je mjerilo na koje se svi pozivaju.

Ali svaka nova kemija stanice treba procjenu ispočetka. Ne slijede svi dobavljači identične prakse dizajna za razmak ćelija, hlađenje, suzbijanje požara. Neki ispunjavaju minimalne zahtjeve koda. Drugi su pretjerani inženjering. Iz marketinga se ne može uvijek znati koji pristup projekt koristi. To je problem.

Južna Australija daje uvid u budućnost-visokog prodora. Gotovo 300 MW skladišta opslužuje otprilike 2000 MW vršne potražnje do 2022. To je otprilike 15% vršne potražnje u skladišnom kapacitetu. Značajan.

Iz temelja promijenjen rad mreže. Ali vrlo različit režim od Teksasa ili Kalifornije gdje skladištenje ostaje mali postotak ukupnog kapaciteta. Možete li mjeriti pristup Južne Australije ERCOT-u? Možda, možda ne.

Pitao sam operatera mreže iz Južne Australije o tome na konferenciji. Njegov odgovor: "Mi smo testni slučaj. Ako se ovdje pokvari, barem smo dovoljno mali da se kvar obuzda." Nije baš nadahnjujuće-ali iskreno.

grid-scale energy storage

NREL predviđa nešto poput 250+ GW skladištenja u SAD-u do 2050. prema scenarijima visoke obnovljivosti. Ili je bilo 300 GW? Morao bih to potražiti. Hoće li se to ostvariti ovisi o toliko čimbenika. Očigledno kontinuirano smanjenje troškova. Podrška politike ostaje na mjestu, što nikada nije zajamčeno. Mrežni operateri zapravo mijenjaju operativne prakse umjesto da samo govore o tome.

Neke projekcije od prije pet godina već izgledaju konzervativno. Raspoređivanje je premašilo ranija predviđanja. Ali druge projekcije mogle bi se pokazati krajnje optimističnima ako ključne pretpostavke ne održe ili se dogodi nešto neočekivano. Teško je reći.

Nove kemije neprestano izlaze iz istraživačkih laboratorija. Natrijev-ion obećava niže troškove materijala jer ne koristite litij. Cink-zrak zahtijeva veću gustoću. Neke druge stvari koje vjerojatno zaboravljam. Hoće li bilo koji istisnuti litij-ion za mrežne aplikacije? Vjerojatno ne u potpunosti, pretpostavljam. Postojeće tehnologije imaju proizvodni opseg kojem pridošlice ne mogu brzo parirati. Za izgradnju tvornica potrebne su godine.

Vjerojatnije je da različite kemije pronalaze specifične niše na temelju određenih snaga. Tržište postaje dovoljno raznoliko da podržava višestruke pristupe, pod pretpostavkom da oni stvarno dosegnu komercijalne razmjere, a ne samo da zauvijek ostanu u pilot projektima.

Pohranjivanje je počelo kao obnovljivo povremeno rješenje, ali je evoluiralo šire. Sada je to alat za fleksibilnost mreže bez obzira na izvor proizvodnje. Zamijenite turbine za izgaranje radi regulacije frekvencije. Odgodite skupe nadogradnje prijenosa upravljanjem lokalnim zagušenjem. Omogućite crnu-mogućnost pokretanja za obnovu mreže nakon većih prekida.

Ove su aplikacije važne bez obzira dosegne li prodor obnovljivih izvora energije 80% ili ostane na 40% ili gdje god završi.

Ekonomija se postupno poboljšava. Obim proizvodnje svake godine smanjuje troškove. Performanse baterije - gustoća energije, vijek trajanja, sve se to - također postupno poboljšava. Hoće li skladištenje postati dominantno rješenje fleksibilnosti ili samo jedna od nekoliko opcija (odgovor na potražnju, poboljšani prijenos, bolje predviđanje) ostaje otvoreno pitanje na koje vjerojatno nećemo dobiti odgovor još jedno desetljeće ili dva.

Ono što se čini jasnim: mreže se mijenjaju na temeljne načine. Tehnologije pohrane - koje god oblike imale - omogućuju mnoge promjene. To se čini prilično sigurnim.

Povratak na onu teksašku operaterku tijekom Winter Storm Uri. Nakon što su se cijene vratile u normalu i kriza prošla, pitao sam ga što je naučio. Duga stanka. "Da baterije mogu obaviti posao. Ali isto tako da još nitko zapravo ne zna što rade. Svi to zajedno smišljamo."

Čini se da je ispravno.

EIA objavljuje mjesečnu statistiku skladištenja. Prilično pouzdan iako izlazi s odmakom. Bloomberg NEF radi godišnje izglede, potrebna je skupa pretplata. NREL održava baze podataka o performansama, podaci zaostaju za realnošću 12-18 mjeseci. Još uvijek koristan u akademske svrhe.

Wood Mackenzie i slične tvrtke objavljuju prognoze. Točnost evidencije-što se tiče dužih vremenskih razdoblja bila je, recimo, mješovita. Dosljedno su podcjenjivali stope raspoređivanja 2018.-2022. Smiješno u retrospektivi.

Stručne publikacije poput Utility Dive i Energy Storage News prilično dobro pokrivaju projekte. Ipak sklonite optimističnom kadriranju. Polovica stvari koje najavljuju kao "uskoro" nikad ne stigne u komercijalnu upotrebu. Uzimati sa soli.

Imao korisne razgovore tijekom godina s inženjerima u California ISO, ERCOT, South Australia Power Networks, plus operaterima na raznim konferencijama (Austin, San Diego, Berlin, Adelaide). Najviše informativnih stvari stizalo je iz kafanskih razgovora nakon završetka službenih panela.

Podaci aktualni od 2023. ili početkom 2024. Industrija se mijenja dovoljno brzo da biste trebali provjeriti određene brojke ako ih koristite za bilo što važno. Nemojte samo citirati ovaj članak - Ja sam neka osoba na internetu.