Батарея на миллион миль:не только для электромобилей

Новые рекомендации для инвесторов и регулирующих органов

Первоначально опубликовано в RMI Outlet, блоге Института Роки-Маунтин
Мадлен Тайсон

Благодаря колоссальному наращиванию мощностей завода по производству литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов за последние несколько лет и краткосрочным обязательствам по дальнейшему расширению затраты на хранение аккумуляторов продолжают резко падать. Снижение затрат в сочетании с повышением производительности позволяет использовать новые аккумуляторные батареи, которые значительно ускорят переход к источникам энергии.

Для многих инвесторов, политиков и системных планировщиков рабочие характеристики помимо цены, которые привлекают наибольшее внимание, часто являются такими показателями, как плотность энергии или безопасность. Однако в следующие пять лет улучшения, направленные на деградацию аккумуляторов (срок службы), могут оказаться более важными — не только для расширения внедрения электромобилей, но и для открытия новых приложений для аккумуляторов, таких как услуги «автомобиль-сеть», вторичное использование. для батарей, которые больше не подходят для целей мобильности и длительного хранения. Эти приложения могут значительно изменить экономику батарей и открыть новые горизонты возможностей в ранее неиспользованных цепочках создания стоимости — другими словами, они изменят правила игры с точки зрения ускорения перехода к экологически чистой энергетической системе.

Не все литий-ионные аккумуляторы одинаковы

Чего многие не понимают, так это того, что литий-ионные аккумуляторы включают в себя широкий спектр электрохимических накопителей энергии. Как поясняется в Battery Breakthrough RMI. сообщают, существует много типов литий-ионных аккумуляторов, все с различными характеристиками производительности и компромиссами. Страны, исследовательские организации и производители вкладывают значительные средства в исследования и разработки в поисках лучших и еще более дешевых, в основном литий-ионных аккумуляторов.

В последнее время появилось много слухов о заявлении Теслы о разработке химического состава литий-ионных аккумуляторов, которые могут проехать миллион миль за срок службы, что предполагает значительное улучшение характеристик деградации. Хотя наиболее очевидным последствием является возможность проехать миллион миль с одной и той же батареей (функция, полезная для роботов-такси), увеличение срока службы аккумуляторов электромобилей имеет множество других последствий для расширения вариантов использования электрификации.

Литий-ионные аккумуляторы разлагаются из-за нескольких факторов:времени, количества циклов, глубины циклирования и температуры. Литий-ионные аккумуляторы, оптимизированные по плотности энергии, такие как катод NMC или NCA, исторически имели более короткий срок службы, если они регулярно полностью разряжались (100-процентная глубина разряда). Другим наиболее распространенным литий-ионным химическим веществом, производимым сегодня, является литий-железо-фосфат (LFP), который намного тяжелее и менее энергоемок (не так хорош для легковых автомобилей), но имеет более длительный срок службы.

Новые возможности благодаря более длительному сроку службы

Значительное улучшение срока службы литий-ионных химических элементов с высокой плотностью энергии станет огромным шагом на пути к внедрению быстрой зарядки электромобилей, возможностей подключения автомобиля к сети и более длительных хранилищ, включая использование аккумуляторов второго срока службы. Однако эти улучшения также создают проблемы:

Быстрая зарядка

Быстрая зарядка является важной частью электромобилей будущего, поскольку крайне важно, чтобы электромобили обеспечивали такую ​​же, если не лучшую, функциональность и простоту транспортировки, которые существуют сегодня. Тем не менее, скорость износа некоторых типов литий-ионных аккумуляторов значительна, когда они быстро заряжаются или разряжаются. Усовершенствования катода и электролита, которые уменьшают серьезность износа и продлевают срок службы батареи, уменьшают негативное воздействие быстрой зарядки.

Зарядка автомобиля от сети (V2G)

Идея о том, что транспортные средства могут играть роль в балансировке энергосистемы, захватывающая, но она полна проблем. И Nissan, и Fiat проводят пилотные испытания моделей V2G. Опять же, аккумуляторы электромобилей разлагаются с циклами зарядки и разрядки. Поставщики гарантии на батареи не заинтересованы в обесценивании мобильности этих активов в обмен на небольшую компенсацию от энергосистемы.

Без улучшений цикличности и долговечности аккумуляторов электромобилей уровень ценообразования, необходимый для стимулирования зарядки транспортных средств от сети, скорее всего, был бы слишком высоким. Для обеспечения такой возможности балансировки, вероятно, потребуются различные и дополнительные инвестиции в накопление энергии. Например, сочетание локального хранилища энергии с инфраструктурой быстрой зарядки может по-прежнему давать такие преимущества, а также смягчать последствия скачков спроса от быстрой зарядки. Маловероятно, что только электромобили смогут обеспечить распределенную балансировку сети или локальную устойчивость без значительных улучшений производительности аккумуляторов электромобилей.

Длительное хранение

Подавляющее большинство проектов аккумуляторных батарей, привязанных к сети, нацелены на кратковременное хранение, но по мере снижения стоимости батарей средняя продолжительность таких проектов увеличилась с 1,5 часов в 2015 году до 2,2 часов сегодня. В дополнение к тому факту, что дополнительная энергия увеличивает стоимость проектов, разработчики проектов хранения литий-ионных аккумуляторов также обычно завышают количество необходимой им энергии на 10–30 процентов. Эта дополнительная емкость помогает сократить количество случаев полной разрядки аккумуляторов и может привести к некоторой деградации.

Кроме того, долгосрочные установки часто отдают предпочтение более коротким возможностям, когда это возможно, включая вспомогательные услуги или краткосрочное переключение энергии (например, 15 минут). Предпочтение разработчиков аккумуляторов и владельцев активов этим краткосрочным рынкам может подорвать преимущества устойчивости аккумуляторов для сети. Аккумуляторы с более длительным сроком службы и производительностью не должны иметь такой большой буферной емкости или опасаться затрат на деградацию батареи. В результате будут установлены более длительные проекты, которые будут чаще использовать свою полную установленную мощность таким образом, что это значительно улучшит экономику проекта батареи. Разработчики систем, регулирующие органы и инвесторы должны учитывать эти характеристики при проектировании и выборе систем.

Батарея второго срока службы для длительного хранения

Литий-ионный LFP уже имеет относительно длительный срок службы и является логичным выбором для многих сетевых установок. Однако ожидается, что конечная минимальная цена LFP составит около 60 долларов США за кВтч, исходя из стоимости материалов для компонентов. Это, вероятно, слишком много для типа долгосрочного сезонного хранения, которое потребуется для более широкого проникновения возобновляемых источников энергии. Это особенно актуально для более холодных регионов мира, которые сталкиваются с пиковым зимним спросом на энергию при ограниченных ресурсах, иногда в течение длительных периодов времени.

Form Energy решает эту проблему с помощью своей инновационной запатентованной технологии, которая нацелена на капитальные затраты менее 10 долларов США за кВтч. Недавно компания подписала соглашение с Great River Energy о демонстрации проекта хранения на 150 часов, что является важной вехой и шагом вперед на пути перехода к энергетике.

Литий-ионные аккумуляторы второго срока службы могут стать еще одним экономичным решением для длительного хранения, поскольку их более низкая стоимость может соответствовать необходимому порогу. Это потребует создания литий-ионной экосистемы, включающей сбор, тестирование, переработку и переработку аккумуляторов.

Существующие литий-ионные аккумуляторы может быть трудно монетизировать для большого количества приложений вторичного использования из-за изменчивости состояния аккумуляторов и резкого снижения срока службы и безопасности при циклировании. На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы второго срока службы в основном использовались для обеспечения отказоустойчивости телекоммуникационных вышек, но некоторые компании тестируют сетевые приложения второго срока службы. По мере развития рынков более длительного хранения потребуется увеличить срок службы батарей, чтобы обеспечить уверенность в том, что остаточное содержание энергии в перепрофилированных батареях для электромобилей соответствует остаточной ценности для варианта использования. Кроме того, консолидация рынка литий-ионных аккумуляторов в сторону меньшего количества химикатов и общих стандартов между производителями в значительной степени поможет рынкам вторичного использования отслеживать и работать над этой проблемой.

Заглядывая вперед

Перспективное видение электросети включает в себя быструю зарядку, возможность подключения автомобиля к сети и длительное хранение энергии, в том числе батареи второго срока службы. Эти новые варианты использования будут значительно ускорены благодаря аккумулятору электромобиля с увеличенным сроком службы. Инвесторы, специалисты по системному планированию и разработчики политики должны учитывать влияние цикла на обеспечение будущих вариантов использования, когда они хотят стимулировать и инвестировать в решения для хранения данных. Это должно включать в себя создание надежной цепочки поставок аккумуляторов, которая становится все более стандартизированной и может отслеживать и сравнивать оставшийся срок службы аккумуляторов второго срока службы.