211service.com
Hvordan en ny klasse oppstartsbedrifter jobber for å løse grid storage puslespillet
Konseptuell illustrasjon av et batteri laget av et rubiks kubepuslespill Nicholas Ortega
Her er problemet: Solcellepaneler og vindturbiner er billige, rene, pålitelige kilder til strøm, helt til de ikke er det. Solnedgangene; vindflaggene. De kan ikke drive et strømnett alene.
Kull- og naturgassanlegg kan fylle hullene i dag. Men ettersom klimaforskriftene lukker flere av disse karbon-spytende kildene, vil det til slutt være dager eller til og med uker hvert år når fornybar energi ikke vil være nok til å holde lysene på. Noe annet må tre inn.
Form Energy er overbevist om at noe kan være et batteri. Men det må være et batteri ulikt noe verden har sett.
For å være like billig, pålitelig og fleksibel som naturgass, ville et slikt batterisystem måtte koste mindre enn $10 per kilowattime. Dagens beste nettbatterier, store litiumionsystemer, koste hundrevis av dollar per kilowatt-time (nøyaktige anslag variere ). Det kan ta flere tiår selv før den prisen faller under $100.
Det er et stort sprang. Men Forms grunnleggere tror de kan nå dette målet ved å utvikle store batterier som er avhengige av ekstremt billige, energitette materialer. Vi tror vi kan komme dit, sier MIT-professor Yet-Ming Chiang, medgründer og sjefforsker ved Form. Vi tror vi kan matche teknologi til disse kravene.
En rimelig, langvarig form for energilagring som kan bygges hvor som helst, ville være omtrent det som er nærmest en sølvkule for å rydde opp i kraftsektoren. Det ville få mest mulig ut av de kraftig fallende kostnadene ved solenergi og vind, uten mange av de miljømessige, sikkerhetsmessige eller estetiske problemene som oppstår ved andre måter å balansere ut varierende fornybar energi.
Nettlagringsgåten
Form, basert i Somerville, Massachusetts, fanget oppmerksomheten til batteriverdenen da den ble opprettet i 2017. Chiang er en av verdens beste batteriforskere. Han har publisert hundrevis av vitenskapelige artikler, har mer enn 80 patenter , og har medstiftet seks startups. Flere har tjent verdivurderinger på mer enn 1 milliard dollar , gjelder også A123-systemer , som lager litium-ion-batterier for elektriske kjøretøy.
Forms administrerende direktør, Matthew Jaramillo , tidligere satt sammen og ledet en forretningsenhet i Tesla som selger batterisystemer til hjemmene og er bygger nå noen av største nettbatteriprosjekter jorden rundt. Til dags dato har Form samlet inn rundt 50 millioner dollar fra Bill Gates' Breakthrough Energy Ventures, den italienske energigiganten Eni og andre.
Grunnlaget til Form Energy. Med tillatelse: Form Energy
En bølge av tidligere nettlagringsselskaper mislyktes (se hvorfor dårlige ting skjer med oppstart av ren energi). Form er bare en av flere som nylig har samlet inn midler for å ta en ny knekk på problemet.
Hovedlagerbehovet på nettet i dag er kjent som intradaglagring. Den gir raske strømutbrudd i noen timer for å jevne ut uoverensstemmelser mellom produksjon og etterspørsel gjennom dagen og i det minste tidlig på kvelden.
En økende mengde av denne lagringen kommer fra litiumion-batterier, som også driver telefoner, bærbare datamaskiner og elektriske biler, og som stadig blir billigere og kraftigere. Mengden installert nettenergilagring globalt steg nesten 150 % i fjor til seks gigawattimer, ifølge analysefirmaet Wood Mackenzie . Det er nesten det dobbelte av gjennomsnittsraten i løpet av de foregående fem årene, og litiumionsystemer sto for det meste av økningen.
Tesla, for eksempel, planlegger å bygge hundrevis av sin nye tre megawatt-time Megapack batterisystemer i Moss Landing, California. De prosjekt , som også inkluderer andre utviklere av energilagring, ville erstatte en trio av flere tiår gamle gassanlegg på stedet som drives av Calpine, et stort amerikansk kraftselskap.
Telsas nettbatterianlegg i Kauai, Hawaii. Gjenstand: Tesla
I mellomtiden er et økende antall fornybare utviklere, som Recurrent Energy og First Solar, foreslår gigantiske solfarmer kombinert med enorme batterilagringssystemer , som gjør at anleggene kan fortsette å levere strøm i timer etter solnedgang.
Men solen og vinden blekner ikke bare i timevis; noen ganger dykker de i dager eller uker. Hvis vi hovedsakelig ønsker å gå over til fornybar energi, trenger vi mye mer lagring som kan vare mye lenger.
Med dagens batteriteknologi vil kostnadene skyte i været, sier Jesse Jenkins, assisterende professor ved Princeton som forsker på energisystemer. Det ville kreve banker på banker av litium-ion-batterier, hvorav mange kan brukes bare noen få ganger i året. Vi må også bygge flere sol- og vindparker for å generere nok overskuddselektrisitet til å lade dem. (Se grunnen til $2,5 billioner til at vi ikke kan stole på batterier for å rydde opp i nettet.)
Økonomien smuldrer opp i dette scenariet. Hvis disse eiendelene er ment å ligge ubrukte i tre fjerdedeler av året, har du nettopp jekket opp den effektive kostnaden med 4X, sier Don Sadoway, en kjemiker fra MIT som var med på å grunnlegge Ambri, som har utviklet et flytende metallnettbatteri som varer omtrent en time lengre enn litium-ion.
Men det er faktisk enda verre. Vi må overbygge fornybar energi og lagring for å møte etterspørselen under de sjeldneste hendelsene: de langvarige ebbene i sol eller vind som skjer med noen års mellomrom, kanskje til og med en gang i tiåret.
Regioner trenger ikke løse dette problemet helt gjennom lagring. Møte bare en liten andel av den totale etterspørselen på andre måter vil lette kostnadsmålene som lagringsselskaper må nå, viser annen forskning . Det kan inkludere atomreaktorer, vannkraft, naturgassanlegg med systemer som fanger opp karbonutslipp, eller langdistanse overføringslinjer som kan balansere ut fornybar energi på tvers av tidssoner. Men disse alternativene er politisk upopulære, dyre, geografisk begrensede, eller alle tre. Batterier har fordelen av å ikke plage folk spesielt.
Vi må tenke på disse fremtidige problemene i dag fordi de nødvendige teknologiene kan ta år om ikke tiår å utvikle. Områder med store andeler fornybar energi, som California og Tyskland, produserer allerede mer sol- eller vindkraft enn nettet kan bruke i visse perioder, noe som undergraver de økonomiske insentivene til å bygge mer. Mange flere regioner begynner å innse at det er et gapende gap som noe teknologi må lukke hvis de håper å eliminere fossilt brensel.
Forms tilnærming
Utviklingen av billige batterier med lang levetid har slått forskerne i stuss i flere tiår, hovedsakelig fordi metallene og kjemikaliene som har fungert best så langt er dyre. Å bruke dem til å dekke lengre lagringsbehov betyr å stable opp flere og flere av dem. Form er på vakt om hvordan det prøver å omgå disse utfordringene, men en del av selskapets tilnærming er tydelig fra en artikkel som Chiang og kolleger publiserte i tidsskriftet Joule sent i 2017 (se Seriell batterientreprenørens nye satsning takler ren energis største problem).
Form energi
Form Energy ble opprettet i 2017, da MIT-spinout Baseload Renewables fusjonerte med Verse Energy, som ble startet av Mateo Jaramillo, som tidligere ledet Teslau2019s energilagringsvirksomhet. Selskapet har hittil samlet inn rundt 50 millioner dollar.
Grunnleggere
Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
nBilly Woodford, 24M
nTed Wiley, Aquion Energy
Finansiører
Banebrytende energisatsinger
nEni Group
nPrelude Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s motoren
nSaudi Aramco
nThe Department of Energyu2019s ARPA-E-program
Alle batterier inneholder to grunnleggende komponenter: en elektrolytt, vanligvis et flytende kjemikalie, og et par elektroder, anoden og katoden, som er laget av forskjellige materialer (ofte, men ikke alltid, metaller). Ladede atomer, kjent som ioner, fører strøm gjennom elektrolytten mellom de to elektrodene når batteriet lades eller utlades. I litiumionbatterier er elektrolytten en blanding av litium blandet med andre kjemikalier.
I 2017-avisen fremhevet Chiang og kollegene potensialet til et luftpustende vannholdig svovelstrømningsbatteri. Et strømningsbatteri begynner å omgå kostnadsproblemet ved å separere de strømleverende komponentene til batteriet, inkludert elektrodene, fra energilagringsdelen, elektrolytten.
Et standard strømningsbatteri har to forskjellige elektrolytter, kjent som katolytten og anolytten, som hver kan lagres i store tanker som enkelt kan byttes. Så hvis du vil ha mer lagring, kan du bare legge til større tanker mens de andre kostbare delene, inkludert elektrodene, forblir de samme.
For å gjøre det veldig billig, må elektrolyttene som fyller de gigantiske tankene også være billige. Nøkkelen til strømningsbatteriet i Joule papir er å bruke en svovelbasert løsning som anolytt. Svovel er blant de mest tallrike grunnstoffene i jordskorpen, så vel som et biprodukt av drivstoffraffinering, så det er ekstremt billig og kan lagre mye energi.
Basert på kostnaden som er lagret per dollar, var svovel mer enn en faktor 10 bedre enn det nest beste, fortalte Chiang meg i 2017.
Til sammen kan de kjemiske kostnadene i et slikt strømningsbatteri være så lave som $1 per kilowatt-time, ifølge studien.
Da jeg snakket med Chiang i august i fjor, bekreftet han at svovel definitivt fortsatt er en del av veikartet vårt. Han sa at det er tilnærmingen de bruker i et prosjekt finansiert av Department of Energy sitt moonshot ARPA-E-program . Men Form sier at det nå utvikler flere kjemier, men det vil ikke si hva de andre er.
Yet-Ming Chiang, en MIT-professor og medgründer av Form Energy. Simon Simard
Mens de fleste nettlagringsselskaper er fokusert bare på lagringsdelen, har Jaramillo også sagt de undersøker muligheten for toveis kraftverk , som ville generere fornybar energi på stedet ved hjelp av sol eller vind, lagre den i store batterier og levere den til nettet etter behov.
Andre veier til langtidslagring
Men et elektrokjemisk batteri, enten det er basert på svovel- eller litiumionkjemi eller noe annet, er bare én måte å lagre store mengder energi på.
I begynnelsen av september samlet en gruppe ingeniører seg rundt en knebøy, sølvfarget sylinder omtrent på størrelse med en grilltank på baksiden av et rotete verksted ved Lawrence Berkeley National Lab, plassert i åsene med utsikt over San Francisco Bay. Bortsett fra deres intense blikk på den tilstøtende dataskjermen, var det eneste hintet om at noe var på jobb en oransje glød synlig i et lite vindu nær bunnen av enheten.
Forskerne ved Antora Energy utvikler en ny type termisk lagring. Det er en sjelden brukt tilnærming som beholder energi i form av ekstrem varme eller kulde i en rekke stoffer, som underjordiske steiner eller isblokker. I Antoras tilfelle var stoffet inne i tanken en karbonblokk som i det øyeblikket løp godt over 2000 ˚C.
Håpet er at de kan bruke overflødig elektrisitet fra sol- eller vindparker for å varme opp det materialet, og deretter konvertere varmen tilbake til elektrisitet når det er nødvendig. Vanligvis i termisk lagring gjøres dette fortsatt i den svært ineffektive 1800-tallsstilen: ved å lage damp som driver en turbingenerator. Men mesteparten av energien blir bortkastet som følge av mekanisk friksjon, damplekkasjer og andre problemer.
Antora tester et nytt termofotovoltaisk system. Det er noe som et solcellepanel, men det konverterer den infrarøde strålingen som kommer fra en varm gjenstand, i stedet for sollys, til elektrisitet. I slutten av september kunngjorde forskerne at de hadde satt ny rekord ved å konvertere mer enn 30 % prosent av varmen som strømmer til cellen tilbake til elektrisitet i et laboratorieeksperiment. De har som mål å oppnå mer enn 50 % effektivitet.
Mekaniske metoder tilbyr en annen tilnærming til nettlagring. Det inkluderer å pumpe luft inn i underjordiske huler, kjøre steinfylte tog opp bakker, eller overføre vann mellom reservoarer i varierende høyder. Alle disse fungerer på omtrent samme måte, og bruker ekstra energi når det er tilgjengelig for å flytte noe til en høyere høyde eller sette det under press. Så når den frigjøres, kan vi utnytte den kinetiske energien fra luften som slipper ut eller synkende tog eller vann for å generere elektrisitet.
Pumpet vann er faktisk vår desidert billigste og mest rike kilde til energilagring i nett i dag. Problemet er at du ikke alltid har nok vann eller bakker i nærheten av alle kraftverk.
Under sitt DAYS-program har ARPA-E investerte mer enn 30 millioner dollar i 12 startups eller forskningsgrupper som prøver å ta knekken på problemet med nettlagring. Disse inkluderer Forms strømningsbatterier og Antoras termiske system, samt Quidnet Energys vri på pumpet vann: San Francisco oppstartssystemet pumper vann inn i hullene mellom avgrensede bergarter under jorden , skaper trykk som tvinger vannet opp igjen og gjennom en generator når elektrisitet er nødvendig.
Banebrytende energisatsinger , det Bill Gates-støttede fondet, har gjort langvarig lagring til en av sine høyeste prioriteter. I tillegg til Form har den støttet Quidnet og Malta, en annen termisk oppstart som er avhengig av smeltet salt som lagringsmedium (se Alphabet er i samtaler om å spinne ut lagringsspillet for smeltet salt ).
I mellomtiden, det japanske konglomeratet SoftBank nylig investert 110 millioner dollar i den sveitsiske oppstarten for mekanisk lagring Energy Vault, som bruker kraner og ledninger til å stable opp betongblokker når fornybare energikilder genererer overflødig elektrisitet. Deretter slipper den blokkene tilbake til bakken på de samme ledningene, og bruker momentumet deres til å snu motorene i kranene i revers og pumpe ut elektrisitet. ( Denne videoen gjør konseptet klarere.)
Den ukonvensjonelle naturen til noen av disse ideene viser hvor vanskelig et problem det er for teknologier å gjøre spranget fra å lagre noen timers til noen ukers energi.
Hvis vi snakker om å fange for eksempel en måned eller to måneders energi om sommeren og ha den tilgjengelig i en måned eller to måneder om vinteren, er det gigantiske energisummer, sier Sadoway. Hvor mange toglass med stein har du?
Veldig store ifs
De fleste mekaniske metoder som tog eller kraner krever store mengder plass. Termiske metoder er iboende ineffektive, siden det er vanskelig å forhindre at varmen eller kulden lekker bort. Og å produsere eller brenne det meste av flytende drivstoff skaper selve klimautslippene vi ønsker å unngå.
Batterier har fordelen av å være rene, kompakte, mobile og effektive. Så hvis noen kan gjøre dem billige og holdbare også, kan de kobles til et hvilket som helst rutenett. Det vil gjøre det mulig for vind og sol å gi langt mer av elektrisiteten vår, og i sin tur for ren elektrisitet for å dekke mye mer av vårt totale energibehov.
Men de er fortsatt veldig store hvis. Noen energiobservatører tviler på at Form kan nå sine mål, eller stiller spørsmål ved hvor mye naturgass slike batterier ville erstatte selv om de gjorde det. På sin side selskapets grunnleggere si det er minst et tiår langt prosjekt, med alvorlig teknisk, finansiell og markedsrisiko.
Store batterifremskritt skjer bare omtrent en gang hvert tredje tiår i gjennomsnitt, og historien til feltet er full av langt mer lovende tilnærminger som ikke fungerte enn de som gjorde det.
Så igjen, den siste, litium-ion-teknologi, kom på markedet for 28 år siden. Vi er på vei til et nytt gjennombrudd.