Ursprungligen publicerad på RMI Outlet, blogg från Rocky Mountain Institute
Av Madeline Tyson
Med de senaste årens enorma utbyggnad av litiumjonbatterier (Li-ion) batteritillverkningsanläggningens kapacitet och kortsiktiga åtaganden om ytterligare expansioner, fortsätter batterilagringskostnaderna att sjunka dramatiskt. Fallande kostnader, tillsammans med förbättrad prestanda, möjliggör nya batteriapplikationer som dramatiskt kommer att påskynda energiomställningen.
För många investerare, beslutsfattare och systemplanerare är de prestandaegenskaper utöver priset som får mest uppmärksamhet ofta mått som energitäthet eller säkerhet. Under de kommande fem åren kan dock förbättringar som är inriktade på batteriförsämring (cykellivslängd) bli mer kritiska – inte bara för att utöka användningen av elbilar, utan också för att öppna upp nya applikationer för batterier som fordon-till-nättjänster, andra användningsområden för batterier som inte längre är lämpliga för mobilitetsändamål och långtidsförvaring. Dessa applikationer skulle kunna förändra batteriernas ekonomi avsevärt och öppna nya möjligheter längs tidigare outnyttjade värdekedjor – med andra ord, de skulle förändra spelet när det gäller att påskynda övergången till ett system för ren energi.
Vad många inte inser är att Li-ion-batterier innehåller en mängd olika elektrokemiska energilagringsenheter. Som förklaras i RMI:s Beakthård batterier rapport, det finns många typer av Li-ion-batterier, alla med olika prestandaegenskaper och kompromisser. Länder, forskningsenheter och tillverkare investerar avsevärt i forskning och utveckling i jakten på bättre och ännu billigare, mestadels Li-ion-batterier.
Nyligen har det dykt upp mycket surr om Teslas påstående om att ha utvecklat en Li-ion-batterikemi som kan uppnå en miljon mil under sin livstid, vilket tyder på en dramatisk förbättring av nedbrytningsprestanda. Även om den mest uppenbara implikationen är förmågan att köra en miljon mil med samma batteri (en funktion som är användbar för robottaxibilar), har förbättringar av livslängden för elbilsbatterier många andra konsekvenser för utökade elektrifieringsanvändningar.
Li-ion-batterier försämras på grund av flera faktorer:tid, antal cykler, cyklingsdjup och temperatur. Li-ion-batterier som är optimerade för energitäthet, såsom NMC- eller NCA-katodkemi, har historiskt sett haft kortare cykellivslängder om de rutinmässigt urladdas helt (100 procents urladdningsdjup). Den andra vanligaste Li-ion-kemin som tillverkas idag är litiumjärnfosfat (LFP), som är mycket tyngre och mindre energität (inte lika bra för lätta fordon) men med längre livslängd.
Betydande förbättringar i cykellivslängden för Li-ion-kemi med hög energitäthet kommer att vara ett stort steg mot att implementera EV-snabbladdning, fordon-till-nät-kapacitet och längre lagringsinstallationer, inklusive utnyttjande av andra livslängdsbatterier. Men dessa förbättringar innebär också utmaningar:
Snabbladdning
Snabbladdning är en avgörande del av en framtid för elektrisk mobilitet, eftersom det är avgörande att elbilar ger samma, om inte bättre, funktionalitet och lätthet att transportera som finns idag. Ändå är försämringshastigheten för vissa typer av litiumjonbatterier betydande när de snabbt laddas eller laddas ur. Katod- och elektrolytförbättringar som minskar allvaret av försämringen och förlänger batteriets livslängd kommer att minska de negativa effekterna av snabbladdning.
V2G-laddning (Vehicle-to-grid)
Tanken att fordon kan spela en roll för att balansera elnätet är spännande, men den är full av utmaningar. Både Nissan och Fiat är engagerade i piloter för att testa V2G-modeller. Återigen, EV-batterier sönderfaller med laddnings- och urladdningscykler. Leverantörer av batterigaranti är ointresserade av att avskriva mobilitetskapaciteten för dessa tillgångar i utbyte mot en liten återbetalning från elnätet.
Utan förbättringar i EV-battericykling och livslängd skulle prissättningen som behövs för att stimulera laddning av fordon till nätet med största sannolikhet vara alldeles för hög. Olika och ytterligare investeringar i energilagring skulle sannolikt behövas för att tillhandahålla denna balanseringsförmåga. Till exempel kan en sammankoppling av lokal energilagring med snabbladdningsinfrastruktur fortfarande generera sådana fördelar samtidigt som effekterna av efterfrågeökningar från snabbladdning dämpas. Potentialen för enbart elbilar att tillhandahålla distribuerad nätbalansering eller lokal resiliens är osannolik utan betydande förbättringar av elbilens batteriprestanda.
Längre lagringstid
De allra flesta nätanslutna batteriprojekt har inriktat sig på kortvariga lagringshändelser, men eftersom kostnaden för batterier har minskat har den genomsnittliga varaktigheten för sådana projekt ökat från 1,5 timmar 2015 till 2,2 timmar idag. Förutom det faktum att ytterligare energi ökar kostnaden för projekt, överbygger projektutvecklare för Li-ion-lagring vanligtvis den mängd energi de behöver med 10 till 30 procent. Denna extra kapacitet hjälper till att minska antalet gånger batterier är helt urladdade och kan tillåta viss försämring.
Dessutom prioriterar installationer med längre varaktighet ofta möjligheter med kortare varaktighet när det är möjligt, inklusive kringtjänster eller kortsiktiga energiomställningar (t.ex. 15 minuter). Batteriutvecklares och tillgångsägares preferenser för dessa kortsiktiga marknader kan undergräva batteriernas motståndskraftsfördelar för nätet. Batterier med bättre livslängd och prestanda behöver inte ha så mycket buffertkapacitet eller rädsla för kostnader för batteriförsämring. Som ett resultat kommer projekt med längre varaktighet att installeras som oftare kommer att använda sin fullt installerade kapacitet på ett sätt som avsevärt förbättrar batteriprojektets ekonomi. Systemplanerare, tillsynsmyndigheter och investerare bör överväga dessa attribut när de utformar och väljer system.
Batterier med andra livslängd för långvarig förvaring
Li-ion LFP har redan en relativt lång livslängd och är ett logiskt val för många nätinstallationer. Det slutliga priset för LFP förväntas dock vara runt 60 USD/kWh baserat på komponentmaterialkostnader. Detta är sannolikt för högt för den typ av långvarig säsongslagring som kommer att behövas för högre penetration av förnybar energi. Detta gäller särskilt i kallare delar av världen som står inför vintertopparnas energibehov med begränsad tillgång på resurser, ibland under långa perioder.
Form Energy har tagit itu med detta problem med sin innovativa egenutvecklade teknologi som är inriktad på en kapitalkostnad på mindre än 10 USD/kWh. Nyligen undertecknade företaget ett avtal om att demonstrera ett 150-timmars lagringsprojekt med Great River Energy, vilket är en viktig milstolpe och framsteg för energiomställningen.
Second-life Li-ion-batterier kan vara en annan ekonomisk lösning för långvarig lagring, eftersom deras lägre kostnad kan nå den nödvändiga tröskeln. Detta kommer att kräva en utbyggnad av Li-ion-ekosystemet för att inkludera insamling, testning, återvinning och bearbetning av batterier.
Nuvarande Li-ion-batterier kan vara svåra att tjäna pengar på för ett stort urval av andra livstillämpningar på grund av variationen i batterihälsa och dramatiska minskningar i cykellivslängd och säkerhet. Hittills har second-life Li-ion-batterier främst använts för resiliensapplikationer på telekommunikationstorn, men vissa företag testar andra-life-nättillämpningar. Eftersom marknader för längre lagring mogna, kommer förbättrad batterilivslängd att vara nödvändig för att ge förtroende för det återstående energiinnehållet i återanvända elbilsbatterier för att matcha återstående värde till användningsfallet. Dessutom skulle konsolidering av Li-ion-marknaden mot färre kemier och delade standarder mellan tillverkare i hög grad hjälpa andra livets marknader att spåra och arbeta med detta problem.
En framåtblickande vision av elnätet inkluderar snabbladdning, fordon-till-nät-kapacitet och långvarig energilagring som inkluderar andra batterier. Dessa nya användningsfall kommer att accelereras avsevärt med ett EV-batteri som har förbättrat livslängden. Investerare, systemplanerare och beslutsfattare bör överväga effekten av cykling för att möjliggöra framtida användningsfall när de vill stimulera och investera i lagringslösningar. Detta bör innefatta att bygga ut en robust batteriförsörjningskedja som blir allt mer standardiserad och som kan övervaka och jämföra den återstående batteritiden i andra batterier.
