Rezolvarea problemei de stocare lipicioasă a energiei regenerabile

Când Soarele strălucește și vântul bate, centralele solare și eoliene ale Germaniei trec la viteze mari. Timp de nouă zile din iulie 2023, sursele regenerabile au produs mai mult de 70 la sută din energia electrică generată în țară; există momente în care turbinele eoliene chiar trebuie să fie oprite pentru a evita supraîncărcarea rețelei.

Dar în alte zile, norii reduc energia solară până la o pâlpâire, iar turbinele eoliene lâncezesc. Timp de aproape o săptămână, în ianuarie 2023, generarea de energie regenerabilă a scăzut la mai puțin de 30% din totalul națiunii, iar centralele alimentate cu gaz, petrol și cărbune s-au accelerat pentru a relua slăbiciunea.

Germanii numesc aceste perioade Dunkelflautenceea ce înseamnă „stăpânire întunecată” și pot dura o săptămână sau mai mult. Ele reprezintă o preocupare majoră pentru locurile afectate de stagnare, cum ar fi Germania și părți ale Statelor Unite, deoarece națiunile promovează din ce în ce mai mult dezvoltarea energiei regenerabile. Solar și eolianul combinat contribuie cu 40% din generarea totală de energie în Germania și cu 15% în SUA și, începând cu decembrie 2024, ambele țări au obiectivele de a deveni 100% alimentate cu energie curată până în 2035.

Provocarea: cum să evitați întreruperile de curent fără a apela la combustibili fosili de încredere, dar care încălzesc planeta.

Rezolvarea problemei variabilitatii solare si vânt energia necesită reimaginarea modului de a alimenta lumea noastră, trecând de la o rețea în care centralele de combustibili fosili sunt pornite și oprite în pas cu nevoile de energie la una care transformă sursele de energie fluctuante într-o sursă de energie continuă. Soluția constă, desigur, în stocarea energiei atunci când aceasta este abundentă, astfel încât să fie disponibilă pentru utilizare în perioadele de sarcină.

Dar dispozitivele de stocare a energiei electrice din ce în ce mai populare din zilele noastre – bateriile litiu-ion – sunt doar rentabile pentru a acoperi fluctuațiile zilnice ale soarelui și vântului, nu stagnele de mai multe zile. Și o metodă veche de zeci de ani care stochează electricitate prin pomparea apei în sus și recuperarea energiei atunci când curge înapoi în jos printr-un generator cu turbină funcționează de obicei doar pe terenuri montane. Cu cât lumea instalează mai multe centrale solare și eoliene pentru a îndepărta rețelele de combustibili fosili, cu atât mai urgent are nevoie de tehnologii mature, eficiente din punct de vedere al costurilor, care pot acoperi multe locații și pot stoca energie timp de cel puțin opt ore și până la săptămâni.

Inginerii din întreaga lume sunt ocupați să dezvolte aceste tehnologii – de la tipuri mai noi de baterii până la sisteme care valorifică presiunea aerului, roțile care învârtesc, căldura sau substanțe chimice precum hidrogenul. Nu este clar ce se va lipi.

„Partea creativă… se întâmplă acum”, spune Eric Hittingerun expert în politica energetică și piețe la Institutul de Tehnologie Rochester, care a fost coautor al unei cercetări profunde în 2020 în Revizuirea anuală a mediului și a resurselor pe beneficiile și costurile sistemelor de stocare a energiei. „O mare parte din ea va fi distrusă, pe măsură ce favoriții încep să se arate.”

Găsirea de soluții viabile de stocare va contribui la modelarea cursului general al tranziției energetice în multe țări care se străduiesc să reducă emisiile de carbon în următoarele decenii, precum și la determinarea costurilor de utilizare a energiei regenerabile – o problemă mult dezbătută în rândul experților. Unele previziuni sugerează că înțărcarea rețelei de combustibili fosili va economisi invariabil bani, datorită scăderii costurilor panourilor solare și turbinelor eoliene, dar acele proiecții nu includ costurile de stocare a energiei.

Alți experți subliniază necesitatea de a face mai mult decât construirea de noi stocări, cum ar fi ajustarea cererii de energie electrică a umanității. În general, „trebuie să fim foarte atenți la modul în care proiectăm grila viitorului”, spune cercetătorul și inginerul de materiale. Shirley Meng de la Universitatea din Chicago.

Reinventarea bateriei

Dispozitivele de stocare a energiei electrice cu cea mai rapidă creștere în prezent — pentru rețele, precum și pentru vehicule electrice, telefoane și laptopuri — sunt baterii litiu-ion. În ultimii ani, acestea au fost instalate masiv pe tot globul pentru a ajuta la echilibrarea cererii și ofertei de energie electrică și, mai recent, pentru a compensa fluctuațiile zilnice ale energiei solare și eoliene. Una dintre cele mai mari instalații de stocare a rețelei de baterii din lume, în comitatul Monterey din California, și-a atins capacitatea maximă în 2023 într-un loc cu o centrală alimentată cu gaze naturale. Acum poate stoca 3.000 de megawați-oră și este capabil să furnizeze 750 de megawați – suficienți pentru a alimenta peste 600.000 de case în fiecare oră timp de până la patru ore.

Bateriile litiu-ion transformă energia electrică în energie chimică utilizând electricitate pentru a alimenta reacțiile chimice la două suprafețe de electrozi care conțin litiu, stocând și eliberând energie. Litiul a devenit materialul preferat deoarece stochează multă energie în raport cu greutatea sa. Dar bateriile au deficiențe, inclusiv riscul de incendiu, nevoia de aer condiționat în climă caldă și o aprovizionare globală limitată de litiu.

Important este că bateriile litiu-ion nu sunt potrivite pentru stocarea de lungă durată, explică Meng. În ciuda scăderi monumentale ale prețurilor în ultimii aniele rămân costisitoare datorită designului lor și prețului exploatării și extragerii litiului și a altor metale. Costul bateriei este de peste 100 USD pe kilowatt-oră, ceea ce înseamnă că un container de baterii care furnizează un megawatt (suficient pentru aproximativ 800 de case) la fiecare oră timp de cinci ore ar costa cel puțin 500.000 USD. Furnizarea de energie electrică pentru mai mult timp ar deveni rapid imposibilă din punct de vedere economic, spune Meng. „Cred că patru până la opt ore sunt într-adevăr un punct ideal pentru echilibrarea costurilor și performanței”, spune ea.

Pentru perioade mai lungi, „dorim o stocare de energie care costă o zecime din ceea ce face astăzi – sau poate, dacă am putea, o sutime”, spune Hittinger. „Dacă nu poți să-l faci extrem de ieftin, atunci nu ai un produs.”

O modalitate de a reduce costurile este trecerea la ingrediente mai ieftine. Mai multe companii din SUA, Europa și Asia lucrează la comercializarea bateriilor cu ioni de sodiu care înlocuiesc litiul cu sodiu, care este mai abundent și mai ieftin de extras și purificat. De asemenea, sunt dezvoltate diferite arhitecturi de baterii, cum ar fi baterii „flux redox”.în care reacțiile chimice au loc nu la suprafețele electrozilor, ci în două rezervoare umplute cu fluid care acționează ca electrozi. Cu acest tip de design, capacitatea poate fi mărită prin creșterea dimensiunii rezervorului și a cantității de electrolit, ceea ce este mult mai ieftin decât creșterea materialului scump al electrodului bateriilor litiu-ion. Bateriile cu flux redox ar putea furniza energie electrică în zile sau săptămâni, spune Meng.

Între timp, compania Form Energy din SUA, doar a deschis o fabrică în Virginia de Vest pentru a produce baterii „fier-aer”.. Acestea valorifică energia eliberată atunci când fierul reacționează cu aerul și apa pentru a forma hidroxid de fier – cu alte cuvinte, rugina. „Încărcarea bateriei înseamnă a lua rugină și a o desface”, spune William Woodforddirectorul tehnic al lui Form.

Deoarece fierul și aerul sunt ieftine, bateriile sunt ieftine. Dezavantajul atât al bateriilor fier-aer, cât și al bateriilor cu flux redox este că oferă cu până la 60% mai puțină energie decât este introdusă în ele, parțial pentru că se descarcă treptat fără curent aplicat. Meng crede că ambele tipuri de baterii nu au rezolvat încă aceste probleme și nu își dovedesc fiabilitatea și rentabilitatea. Dar pierderea de eficiență a bateriilor fier-aer ar putea fi rezolvată făcându-le mai mari. Și din moment ce bateriile de lungă durată furnizează energie în momente în care energia solară și eoliană este limitată și mai costisitoare, „există mai multă toleranță pentru o mică pierdere”, spune Woodford.

Roți care se învârtesc și aer strivit

Alți ingineri explorează metode de stocare mecanică. Un dispozitiv este volantul, care folosește același principiu care face ca o roată de bicicletă să se rotească în continuare odată ce este pusă în mișcare. Tehnologia volantului folosește electricitatea pentru a învârti discuri mari de oțel și sisteme de rulmenți magnetici pentru a reduce frecarea care provoacă încetiniri, explică expertul în inginerie electrică. Seth Sanders de la Universitatea din California, Berkeley. „Energia poate fi stocată de fapt pentru o perioadă foarte substanțială de timp”, spune el.

Compania lui Sanders, Cinetica chihlimbaruluiproduce volante care se pot învârti săptămâni întregi, dar sunt cele mai rentabile atunci când sunt utilizate cel puțin zilnic. Când este nevoie de energie, un motor generator transformă energia de mișcare înapoi în electricitate. Deoarece roțile pot trece rapid de la încărcare la descărcare, ele sunt ideale pentru a acoperi variațiile rapide ale disponibilității energiei, cum ar fi la apusul soarelui sau în perioadele înnorate.

Fiecare volant poate stoca 32 de kilowați-oră de energieaproape de cererea zilnică de energie electrică a unei gospodării americane medii. Acest lucru este mic pentru aplicațiile de rețea, dar volantele sunt deja instalate în multe comunități, adesea pentru a echilibra fluctuațiile energiei regenerabile. O Utilitatea municipală din Massachusetts, de exemplu, a instalat 16 volante lângă o centrală solară; Ei furnizează energie pentru mai mult de patru ore, absorbind electricitatea în perioadele de cerere scăzută și descarcând în timpul cererii de vârf, spune Sanders.

Un alt tip de instalație mecanică stochează electricitatea utilizând-o pentru a comprima aerul, apoi ascunde aerul în caverne. „Când rețeaua are nevoie, eliberați acel aer într-o turbină cu aer și generează din nou electricitate”, explică Jon Normanpreședinte al companiei Hydrostor cu sediul în Canada, care este specializată în stocarea aerului comprimat. „Este doar o baterie de aer gigantică sub pământ.”

Astfel de sisteme necesită de obicei caverne naturale, dar Hydrostor sculptează cavități în roca tare. În comparație cu bateriile sau volantele, acestea sunt proiecte mari de infrastructură cu procese lungi de autorizare și construcție. Dar odată ce aceste obstacole sunt depășite, capacitatea lor poate fi mărită încet prin sculptarea cavernelor mai adânc, la un cost suplimentar destul de mic, spune Norman.

În 2019, Hydrostor s-a lansat prima unitate comercială de depozitare a aerului comprimat, în Goderich, Ontariocare stochează aproximativ 10 megawați-oră — suficient pentru a alimenta aproximativ 2.100 de case timp de mai mult de 5 ore. Compania plănuiește câteva facilități mult mai mari în California și construiește un Instalație de 200 de megawați în orașul australian Broken Hill care poate furniza energie până la opt ore pentru a compensa deficitele de energie solară și eoliană.

Stocarea energiei sub formă de căldură și gaz

În întreaga lume, există eforturi pentru a utiliza excesul de electricitate regenerabilă utilizându-l pentru a încălzi apa sau alte materiale de stocare a căldurii. Acest lucru poate oferi apoi căldură ecologică pentru clădiri sau procese industriale, spune Katja Esche al Asociației Germane de Stocare a Energiei.

Căldura poate fi folosită și pentru a stoca energie, deși această tehnologie este încă în curs de dezvoltare. Expert în stocare și sisteme de energie Zhiwei Ma de la Universitatea Durham din Regatul Unit a testat recent un sistem de stocare a energiei termice cu pompare. Aici, principalul proces de stocare a energiei are loc atunci când electricitatea este utilizată pentru a comprima un gaz, cum ar fi argonul, la o presiune ridicată, încălzindu-l; electricitatea este generată atunci când gazul este lăsat să se extindă printr-un generator cu turbină. Unii experți sunt sceptici cu privire la astfel de sisteme de stocare termică, deoarece furnizează cu până la 60% mai puțină energie electrică decât înmagazinează, dar Ma este optimist că, cu mai multe cercetări, astfel de sisteme ar putea ajuta la nevoile zilnice de stocare.

Pentru o stocare chiar mai lungă – peste săptămâni – mulți experți pun pariu pe hidrogenul gazos. Hidrogenul există în mod natural în atmosferă dar poate fi de asemenea produs folosind electricitatea pentru a împărți apa în oxigen și hidrogen. Hidrogenul este stocat în rezervoare sub presiune și atunci când reacționează cu oxigenul într-o celulă de combustie sau turbină, aceasta generează energie electrică.

Hidrogenul și derivații săi sunt deja explorați ca combustibil pentru nave, avioane și procese industriale. Pentru stocarea de lungă durată, „pare plauzibil că aceasta ar fi tehnologia preferată”, spune expertul în energie. Wolf-Peter Schill al Institutului German de Cercetări Economice care a fost coautor al a Revizuirea din 2021 privind economia stocării energiei în Revizuirea anuală a economiei resurselor.

Compania energetică germană Enertrag construiește o instalație care utilizează hidrogen în ambele moduri. Surplusul de energie de la instalația solară și eoliană de 700 de megawați a companiei de lângă Berlin este folosit pentru a produce hidrogen gazos, care este vândut diverselor industrii. În viitor, aproximativ 10% din hidrogenul respectiv va fi ascuns „ca măsură de rezervă de urgență” pentru a fi folosit în săptămânile fără soare sau vânt, spune inginer mecanic. Tobias Bischof-Niemz, care se află în consiliul de administrație al Enertrag.

Ideea folosirii hidrogenului pentru stocarea energiei electrice are multe critici. Similar cu căldura, până la două treimi din energie se pierde în timpul reconversiei în electricitate. Și stocarea unor cantități masive de hidrogen de-a lungul săptămânilor nu este ieftină, deși Enertrag intenționează să reducă costurile prin depozitarea acestuia în caverne naturale în loc de cilindrii obișnuiți de oțel sub presiune.

Dar Bischof-Niemz susține că aceste cheltuieli nu contează prea mult dacă hidrogenul este produs din energie ieftină care altfel ar fi irosită. Și, adaugă el, stocarea hidrogenului ar fi folosită doar pentru Dunkelflauten perioade. „Pentru că aveți doar două sau trei săptămâni pe an care sunt atât de scumpe, funcționează economic”, spune el.

O chestiune de cost

Sunt multe altele eforturile de dezvoltare a metodelor de depozitare pe durată mai lungă. Costul este esențial pentru toți, indiferent de cât de mult este plătit de guverne sau companii de utilități (cele din urmă de obicei împing astfel de costuri asupra consumatorilor). Toate sistemele noi vor trebui să demonstreze că sunt semnificativ mai ieftine decât bateriile cu litiu-ion, spune expertul în energie Dirk Uwe Sauer de la Universitatea RWTH din Aachen din Germania. El spune că a văzut multe tehnologii blocate în faza de demonstrație, deoarece nu există un caz de afaceri pentru ele.

Dezvoltatorii, la rândul lor, susțin că unele sisteme se apropie de cea a bateriilor litiu-ion atunci când sunt folosite pentru a stoca energie timp de opt ore sau mai mult și că costurile vor scădea substanțial pentru altele atunci când sunt fabricate în volume mari. Poate că multe tehnologii ar putea, în cele din urmă, să concureze cu bateriile litiu-ion, dar a ajunge acolo, spune Sauer, „este extrem de dificil”.

Provocarea pentru dezvoltatori este că piața tehnologiilor de lungă durată abia începe să prindă contur. Multe națiuni, cum ar fi SUA, sunt devreme în tranziția lor energetică și încă se bazează foarte mult pe combustibilii fosili. Cele mai multe regiuni au încă centrale alimentate cu combustibili fosili pentru a acoperi starea de nebunie de mai multe zile.

Într-adevăr, Hittinger estimează că nevoia economică reală de stocare de lungă durată va apărea numai după ce solarul și eolianul vor reprezenta 80% din totalul producției de energie. În acest moment, poate fi adesea mai ieftin pentru utilități să construiască centrale de gaz – combustibili fosili, încă – pentru a asigura fiabilitatea rețelei.

O modalitate importantă de a face tehnologiile de stocare mai economice este o taxă pe carbon pe combustibilii fosili, spune cercetătorul sistemelor energetice Anne Liu a Aurora Energy Research. În țările europene precum Elveția, utilitățile sunt taxate cu până la aproximativ 130 USD pe tonă metrică de carbon emisă. Între timp, operatorii de rețea din California au stimulat dezvoltarea stocării solicitând companiilor de utilități să asigure o acoperire adecvată a energiei și ajutând la acoperirea costurilor.

Stimulentele de piață pot ajuta, de asemenea. Pe piața de energie din Texas, unde prețurile energiei electrice fluctuează foarte mult, clienții de energie electrică economisesc sute de milioane de dolari din construirea bateriilor litiu-ionîn ciuda costurilor lor, deoarece pot stoca energie atunci când este ieftină și o pot vinde pentru profit când este puțină. „Odată ce acele piețe de energie vor avea stimulente, atunci bateriile cu durată mai lungă vor fi mai viabile”, spune Liu.

Dar chiar și atunci când există stimulente, rămâne întrebarea cine va plăti factura pentru stocarea energiei, ceea ce nu este luat în considerare în multe previziuni ale costurilor pentru tranziția rețelei de la combustibilii fosili. „Nu cred că a fost suficient timp petrecut pentru a studia cât de mult vor costa aceste căi de decarbonizare”, spune Gabe Murtaughdirector de piețe și tehnologie la Long Duration Energy Storage Council, nonprofit.

Fără intervenții, estimează Murtaugh, clienții din California, de exemplu, ar putea vedea în cele din urmă o creștere de trei ori a facturilor la utilități. „Va fi foarte important să vă gândiți la modul în care statele și guvernele federale ar putea ajuta la plata pentru o parte din acestea”, spune Murtaugh.

187 Comentarii