Ne postoji konsenzus o superiornosti baterija za pohranu energije, ali smjer razvoja uglavnom se temelji na usklađivanju tehnologije i scenarija primjene. Operateri mreže, vlasnici kuća i industrija imaju različite prioritete, od troškova i vijeka trajanja do sigurnosti, skalabilnosti i performansi pod opterećenjem. S rastom proizvodnje obnovljive energije, baterije za pohranu energije više se ne smatraju rezervnim izvorom energije, već ključnom infrastrukturnom imovinom koja pomaže uravnotežiti opskrbu, smanjiti ograničenja i povećati otpornost.

Većina ljudi u prvih nekoliko minuta istraživanja nailazi na litij-ionske sustave koji preplavljuju tržište. No, alternative poput protočnih baterija, natrij-ionskih i čvrstog stanja privlače interes jer potencijalno rješavaju izazove vezane uz troškove, sirovine i dugotrajno skladištenje. Važno je razumjeti ove kompromise prije nego što se počne odlučivati ​​koja je tehnologija najbolja.

Kako procijeniti bateriju za pohranu energije

Zapravo, prije usporedbe kemijskih sastava korisno je utvrditi što znači biti „najbolji“ u smislu koji se može izmjeriti.

Važni standardi performansi

Gustoća energije je mjera koliko energije baterija može pohraniti u odnosu na svoju težinu ili volumen. Visoka gustoća je bitna za električna vozila i primjene s ograničenim prostorom, ali manje za stacionarno skladištenje u mreži.

Ciklus života označava broj ciklusa punjenja i pražnjenja koliko baterija može raditi prije nego što se njezin kapacitet smanji za određeni iznos. Dugi vijek trajanja ciklusa smanjuje ukupne troškove vlasništva, posebno za sustave koji se svakodnevno uključuju u mrežu.

Učinkovitost povratnog putovanja govori koliko je energije preostalo na kraju skladištenja. Povećana učinkovitost smanjuje operativne gubitke i povećava ekonomičnost sustava.

Zahtjevi za ugradnju, premije osiguranja i prihvaćanje javnosti ovise o sigurnosti i toplinskoj stabilnosti.

Ekonomičnost po kilovat-satu (kWh) ostaje odlučujući faktor u velikom opsegu uvođenja. Baterija vrhunske tehnologije i dalje bi mogla biti komercijalna katastrofa ako je cijena previsoka.

Problem je u tome što su ti ciljevi često međusobno isključivi. Dizajni baterija visoke gustoće energije mogu ugroziti dugovječnost ili dizajni velike snage s dugim trajanjem mogu biti manje učinkoviti.

Litij-ionske baterije

Litij-ionske baterije dominirale su i u potrošačkoj elektronici i u primjeni na razini mreže. Njihov uspjeh proizlazi iz optimizirane kombinacije visoke gustoće energije, dobre učinkovitosti i zrele proizvodne infrastrukture.

Zašto je litij-ionska baterija danas pobjednik

Litij-ionski sustavi općenito imaju učinkovitost povratnog puta veću od 90 posto, što ih čini prikladnima za primjene s čestim cikliranjem. Njihova modularnost omogućuje skaliranje od kućnih sustava do mrežnih kapaciteta od više gigavata.

Studija pod nazivom Izvješće o sustavima za pohranu energije u baterijama, koje je objavilo američko Ministarstvo energetike, otkriva da litij-ionske baterije trenutno čine većinu instaliranog kapaciteta za pohranu energije u baterijama zbog smanjenja troškova, visoke učinkovitosti i uspostavljenih lanaca opskrbe.

Ograničenja litij-ionskih baterija

Unatoč svojoj tržišnoj dominaciji, litij-ionske baterije podložne su brojnim ograničenjima:

• Oslanja se na kritične iskopane minerale poput litija, kobalta i nikla
• Rizik od termalnog bijega koji zahtijeva složeni sigurnosni sustav
• Pogoršanje na visokoj temperaturi ili dubokom pražnjenju.
• Skladištenje dulje od 6-8 sati nije ekonomski isplativo.

Ova ograničenja potaknula su istraživanja drugih opcija koje su prikladnije za dugotrajno skladištenje i koje su održive u smislu materijala.

Protočne baterije: Projektirane za dugotrajno skladištenje

Protočne baterije pohranjuju energiju u tekućim elektrolitima koji se nalaze u vanjskim spremnicima, tako da je energetski kapacitet odvojen od izlazne snage. Ovaj dizajn ih čini idealnim za primjenu na razini mreže.

Prednosti protočnih baterija

• Dugi vijek trajanja veći od 10,000 ciklusa
• Malo pogoršanje od dubokog pražnjenja
• Povećana sigurnost - s nezapaljivim elektrolitima
• Skalabilno s povećanjem veličine spremnika

Najrazvijeniji tip redoks protočne baterije je vanadijeva redoks protočna baterija, iako željezo i organski elektroliti postaju konkurentne opcije za smanjenje troškova.

Gdje protočne baterije izvrsno funkcioniraju

Protočni sustavi prikladni su za primjene kojima je potrebna stalna proizvodnja energije tijekom duljeg vremena, kao što je balansiranje vjetroelektrana i solarnih panela na mrežama ili opskrba energijom mikromreža na lokacijama izvan mreže. Kada prostor nije problem, njihova niža gustoća energije je manje problematična.

Natrij-ionske baterije: isplativa alternativa

Tehnologija natrijevih iona zamjenjuje litij puno obilnijim natrijem, omogućujući manje oslanjanje na kritične lance opskrbe. Ova kemija je još uvijek u povojima, ali je privukla interes kao potencijalno jeftinija opcija za stacionarno skladištenje.

Jake točke

• Obilne sirovine smanjuju dugoročnu volatilnost cijena
• Bolja sigurnost od nekih litijevih kemijskih spojeva
• Dobro funkcionira u hladnim vremenskim uvjetima

Trenutni izazovi

Gustoća energije i vijek trajanja natrij-ionskih baterija niži su od najboljih litij-ionskih baterija. Ipak, ovi nedostaci mogli bi biti prihvatljivi za pohranu energije u mreži - gdje su težina i volumen tek trećina iza cijene i kapaciteta.

Poluvodičke baterije: Visok potencijal, ograničena dostupnost

Očekuje se da će baterije u čvrstom stanju, koje koriste krute, a ne tekuće elektrolite, omogućiti značajna poboljšanja sigurnosti i gustoće energije. Bile su predmet mnogih rasprava, ali do sada nisu uspjele postići široku komercijalnu primjenu.

Potencijalne prednosti

• Elektroliti koji nisu zapaljivi, pa pune baterije u čvrstom stanju imaju manji rizik od požara.
• Veća gustoća energije omogućuje kompaktniju
• Dulji vijek trajanja zbog manje nuspojava.

Prepreke za usvajanje

Složenost izrade baterija u čvrstom stanju, kao i njihova visoka cijena, znači da su za sada ograničene na pilot projekte i nišne primjene. Njihov temeljni utjecaj ovisit će o napretku u skalabilnoj proizvodnji.

Usklađivanje tehnologije baterija s primjerima upotrebe

Različite primjene imaju različite prioritete u pogledu performansi. Tablica u nastavku prikazuje usporedbu glavnih tipova baterija kada su u pitanju uobičajeni zahtjevi za pohranu energije.

Ova usporedba pokazuje da ne postoji jedna najbolja tehnologija baterija za pohranu energije za sve slučajeve. Umjesto toga, svaka je prilagođena određenoj niši vođenoj tehničkim i ekonomskim ograničenjima.

Novi trendovi koji će oblikovati budućnost

Različiti trendovi oblikovat će koje će tehnologije baterija dobiti na popularnosti u sljedećih deset godina.

Prelazak na dugotrajno skladištenje

S porastom prodora obnovljivih izvora energije, energetskim sustavima je potrebno skladištenje reda veličine 10-100 sati, a ne nekoliko sati. Protočne baterije, sustavi komprimiranog zraka i hibridi mogli bi biti aktivniji igrači u ovom području.

Diverzifikacija lanca opskrbe

Zabrinutost zbog mineralnih izvora potiče razvoj natrijevih iona i drugih kemijskih procesa koji koriste materijale koji se nalaze u izobilju. To bi moglo dovesti do promjene u globalnoj proizvodnji baterija.

Hibridni sustavi za pohranu energije

Sve je moguće kombinirati baterije različitih tipova u jednom sustavu. Na primjer, litij-ionske se mogu koristiti za brzi odziv, a protočne baterije za održivi izlaz, pružajući najbolje performanse i cijenu.

Koja je "najbolja" baterija za pohranu energije?

Idealna baterija za pohranu energije ne određuje se samo kemijom, njezine performanse moraju odgovarati zahtjevima primjene. Zbog svoje učinkovitosti, pada cijena i iskustva u proizvodnji, litij-ionska baterija je dominantna tehnologija za većinu trenutnih implementacija. Protočne baterije su prikladnije za primjene s dugim trajanjem i velikim brojem ciklusa. Natrij-ionske baterije pružaju obećavajuće jeftino rješenje za stacionarnu pohranu, a tehnologije čvrstog stanja su evolucijsko rješenje na dugi rok.

Za donositelje odluka, pragmatična metoda je započeti s potrebama slučaja upotrebe (trajanje, ciljani troškovi, sigurnosna ograničenja i raspoloživi prostor), a zatim razmotriti tehnologije koje najbolje odgovaraju tim zahtjevima. Pilotne instalacije i hibridni sustavi mogu ublažiti rizik i omogućiti buduća poboljšanja.