Wat is energieberging op rooster-skaal?

In Februarie 2021 was ek in gesprek met 'n bergingsoperateur in Texas toe groothandel-elektrisiteitspryse $9 000 per megawatt-uur bereik het. Negeduisend dollar. Vir konteks, normale pryse beweeg rondom $30-50. Sy batterystelsel was besig om geld te gedruk - het tydens Winter Storm Uri in die netwerk ontlaai terwyl aardgasaanlegte solied gevries het. "Dit is waarvoor ons dit gebou het," het hy gesê, maar sy stem het hierdie rand daaraan gehad. Amper geregverdig. Soos hy jare lank gewag het om die skeptici verkeerd te bewys.

Daardie oomblik - toe ek kyk hoe pryse op handelsskerms styg terwyl pype oor die staat bars, - het iets gekristalliseer wat ek al 'n ruk lank rondgesirkel het. Grid-skaalberging gaan nie eintlik meer oor tegnologie nie. Dit gaan daaroor of ons bereid is om te erken dat die manier waarop ons kragnetwerke vir 'n eeu bestuur nie meer werk nie.

Kom ons rugsteun. 2000 en 2001, Kalifornië het geleidelike stroomonderbrekings gehad. Nie een of twee keer nie - dosyne kere. Mense het krag verloor, verkeersligte het donker geword, hospitale het na kragopwekkers oorgeskakel. Die amptelike ondersoeke het Enron se markmanipulasie die skuld gegee, wat waar was, maar dit was nie die hele storie nie. Die werklike probleem het dieper geloop. Kalifornië se rooster is ontwerp rondom fossielbrandstofaanlegte wat jy kan beheer. Het jy meer krag nodig? Verbrand meer gas. Vraag daal? Smoor terug. Eenvoudig.

Behalwe dat dit ophou eenvoudig wees die oomblik toe hernubare generasie saak maak. En ek bedoel nie die teken-sonpanele wat een of ander hulpprogram vir PR in die 90's geïnstalleer is nie. Werklike kapasiteit. Gigawatts.

Ek was by 'n konferensie in San Diego - moes 2014 of 2015 - gewees het waar 'n Kaliforniese ISO-ingenieur gewys het wat hulle die "eendkurwe" genoem het. Kamer het stil geword. Die grafiek het getoon dat netto vrag (totale vraag minus sonkrag) teen die middag gedaal het wanneer sonkrag 'n hoogtepunt bereik het, en dan teen sononder opskiet. Daardie oprittempo - wat oor miskien 3 uur van minimum na maksimum gaan - dit het gebreek hoe roosterbedrywighede gewerk het. Jy sal die gasaanlegte die hele middag in bystand moet laat draai net om die aandopwelling te hanteer. Duur, ondoeltreffend en fundamenteel dom.

Een ou agter het gevra: "Kan ons nie net sonkrag inkort nie?" Die ingenieur het stilgebly. "Ons kan. Of ons kan berging uitvind."

Berging. Reg.

Vinnige sybalk - wat is selfs rooster-skaalberging? Vra vyf mense, kry ses antwoorde. Die losse konsensus is enigiets meer as 1 megawatt, maar ek het al twintig minute lank deur konferensiepanele gesit waar mense hieroor gestry het. Maak toepassing meer saak as kapasiteit? As jy 500 kilowatt het wat 'n kritieke substasie bedien, tel dit?

Daar is nou 'n fasiliteit in Kalifornië - Moss Landing, ek dink - wat meer as 400 MW is. Miskien 450. Miskien 420. Die punt is dat om dit saam met 'n 1 MW-projek verkeerd te voel, maar die bedryf het nie op beter terminologie besluit nie. Ons praat van berging wat eintlik netbedrywighede beïnvloed. Nie jou buurman se Tesla Powerwall nie.

Hier is wat snaaks is. Almal praat nou van batterye, maar gepompte hidro oorheers steeds wêreldwye bergingskapasiteit. Nie eers naby nie. Pomp water opdraand wanneer elektrisiteit goedkoop is, laat dit terugvloei deur turbines wanneer pryse styg. Bath County in Virginia doen dit sedert 1985. Meer as 3 000 MW. Die doeltreffendheid is ordentlik - 70-80% heen-en-weer - en die "brandstof" is water wat jy onbepaald hergebruik.

Probleem is geografie. Jy het berge nodig, geskikte reservoirterreine, plekke waar damme bou niks sal oorstroom waaroor mense omgee nie. Die meeste goeie Amerikaanse werwe is teen die vroeë 90's ontwikkel. Nuwe voorstelle duik af en toe op, maar dit neem so lank om toe te laat dat ontwikkelaars gewoonlik tou opgooi. Daar is 'n projek in Montana wat al 15 jaar lank beplan word. Steeds nie gebou nie.

Saamgeperste lug bestaan ook, skaars. Twee aanlegte wêreldwyd: Huntorf in Duitsland (1978) en McIntosh, Alabama (1991). Dit is dit. Die tegnologie werk goed - pomp lug in ondergrondse grotte in, laat later deur turbines vry - maar jy het spesifieke geologie nodig. Soutkoepels of uitgeputte gasreservoirs met die regte eienskappe. Beide bestaande aanlegte verbrand aardgas tydens uitbreiding wat omgewingsvoordele beperk. Nuwer "adiabatiese" ontwerpe beweer dat hulle gasverbranding kan uitskakel. Nie een het kommersieel geskaal nie.

Dus batterye. Almal is nou opgewonde oor batterye, maar dit was nie altyd so nie. Koste was buitensporig tot miskien 2012-2015. Daar was 'n klein installasie by Notree Wind Farm in Australië in 2012, 'n bewys-van die konsep meer as lewensvatbare ekonomie.

Toe het Tesla Hornsdale. 2017, Suid-Australië, 100 MW / 129 MWh gebou. Elon het daardie Twitter weddenskap gemaak om dit in 100 dae te bou - tipiese Elon - en hulle het dit in so 63 dae gedoen. Mense het op konstruksiespoed gefokus, maar die eintlike storie was prestasie. Die battery het baie vinniger geld verdien as projeksies deur frekwensiereguleringsdienste.

Ek het eintlik 'n roosterbeheersentrum buite Adelaide besoek, miskien 6 maande nadat Hornsdale in werking gestel is. Ingenieurs het nog daaroor gegons. Een ou het vir my frekwensie-responskaarte gewys. Toe die roosterfrekwensie van 50 Hz afwyk, het die battery in millisekondes reggestel. Konvensionele kragopwekkers het sekondes geneem omdat jy letterlik turbines laat draai. “Dit is soos om ’n sportmotor met ’n goederetrein te vergelyk,” het hy gesê.

Daardie millisekonde reaksietyd is baie belangrik vir sekere netwerkdienste. Sodra nutsdienste besef het dat batterye dinge kon doen wat konvensionele generasie fisies nie kon doen nie, het houdings vinnig verander. Binne 'n jaar het jy baie meer projekaankondigings begin sien.

Die chemie-situasie is rommeliger as wat handelspublikasies voorstel. "Lithium-ioon" is nie een ding nie. Veelvuldige chemieë word saamgevoeg. Vir roostertoepassings het litiumysterfosfaat basies gewen. LFP, LiFePO4,litiumioonfosfaatbattery- verskillende name na gelang van wie dit bemark.

Hierdie chemie verteenwoordig nou miskien 60-65% van nuwe Amerikaanse en Europese installasies. Getalle verskil na gelang van wie tel en wat dit insluit. Die rede is prakties: LFP hanteer lading-ontladingsfietsry beter as alternatiewe soos NMC (nikkelmangaankobalt). Laer brandrisiko ook, wat saak maak wanneer jy skeepsvraghouers vol batterye in woongebiede stapel. Ons kom later by brande uit.

Energiedigtheid is laer as NMC, maar vir stilstaande berging maak dit nie saak nie. Jy pas dit nie onder motorsitplekke nie. Stapel houers totdat jy kapasiteit teikens tref.

Vloeibatterye kry steeds dekking. Vanadium redoksstelsels skei energieberging (tenkgrootte) van krag (stapelgrootte). Dalian-fasiliteit in China, in gebruik geneem in 2022, 100 MW / 400 MWh, tans die grootste. Kostes is hoër as litium, maar die sikluslewe kan 20 000 siklusse oorskry sonder groot agteruitgang.

In teorie wat saak maak vir nutsdienste wat 20+ jaar bedrywighede beplan. In die praktyk daal litiumkoste vinniger as wat vloeibatterye die gaping vernou. Vloeibatterye is "op die punt om deur te breek" vir ten minste 'n dekade. Begin soos fusie-energie klink.

Duitsland het die stoorprobleem op die harde manier uitgepluis. Omstreeks 2011-2012 het hulle skielik gigawatt se daksonkrag van hul Energiewende-stoot gehad. Middag op sonnige dae, generasie spits. Wolke het deur gerol, met gigawatt gedaal. Vinnig.

Netoperateurs wat hul hele loopbane daaraan bestee het om voorspelbare vraagkrommes te bestuur, het nou te doen gehad met aanbodkrommes wat vinniger beweeg het as wat hulle kon reageer. Voltooi paradigmaskuif. Een operateur met wie ek by 'n Berlynse konferensie gepraat het - dit was 2016 miskien - het gesê die eerste keer dat hy die generasie 5 GW in 20 minute afgeneem het, het hy gedink sy moniteringstelsel is stukkend.

Wind doen soortgelyke dinge maar verskillende tydskale. Hoë-drukstelsel parkeer oor windplase en opwekking daal tot byna niks. Bly vir dae daar. Jy kan nie 'n windplaas om 18:00 oproep en dit sê om meer te genereer omdat mense tuis kook aandete. Werk nie so nie.

Reaksietyd is van kritieke belang vir sommige toepassings. Kalifornië ISO vereis dat frekwensiereguleringsdienste binne 10 minute volle krag tref. Dalk 8 minute, ek sal spesifikasies moet nagaan. Sommige dienste benodig sub-sekonde reaksie. Batterye presteer hier - elektrochemiese reaksies is basies oombliklik vanuit roosteroperateur se perspektief.

Gepompte hidro benodig 10-15 sekondes vir watervloei om deur turbines te versnel, plus klepbedrywighede. Daardie gaping is belangrik vir frekwensieregulering. Maak nie veel saak vir piekskeer waar jy ure lank ontlaai nie.

Doeltreffendheid bepaal of projekte geld maak. Basiese wiskunde: stoor 100 MWh, herstel 90 MWh, jy het elke siklus 10% verloor. Litium tref 85-95%, afhangend van die konfigurasie en hoe hard jy dit druk. Vloei batterye meer soos 65-75%. Lyk gering, maar fietsry daagliks vir 15 jaar, dat doeltreffendheid delta samestellings tot miljoene in inkomste verskil. Miskien tienmiljoene vir groter projekte.

Die sikluslewe raak ingewikkeld. Die meeste litium-roosterstelsels werk 20-80%-ladingstoestand eerder as volle fietsry. Offer 40% naambordkapasiteit op om die operasionele leeftyd te verdubbel of te verdriedubbel. Ekonomie werk omdat die vervanging van batterye mid-projek baie duur is. Dit is beter om aanvanklik te groot te maak.

grid-scale energy storage

Wet op die vermindering van inflasie in 2022 het die Amerikaanse markte werklik verskuif. Laat selfstandige berging 30% beleggingsbelastingkrediete eis. Voor daardie berging het net gekwalifiseer saam met sonkrag of wind, wat dom beleid was, maar dit is hoe dit geskryf is.

Nadat IRA geslaag het, het projekaankondigings ingestroom. Tussenverbindingswag het teen middel-2023 85+ GW berging gehad. Enigiemand wat vertroud is met interkonneksie-toue weet dat die meeste projekte egter nooit gebou word nie. Historiese voltooiingsyfers is hoogstens 20-30%.

Ek was verlede jaar by 'n ontwikkelaarkonferensie in Houston - ou van een van die groot Chinese vervaardigers het gesê hulle kan nie tred hou met die Amerikaanse vraag nie. "Ons voeg produksielyne by, maar daar is 18-maande-leertye op toerusting." Voorsieningskettingbeperkings oral.

Wêreldberging het ongeveer 27-28 GW teen 2023 bereik, afhangend van hoe jy tel. 90% van groei het sedert 2018 plaasgevind. VSA het in 2022 alleen 4,8 GW bygevoeg, dalk 5,2 gewees, ek gaan van geheue af. Kalifornië en Texas oorheers ontplooiing om heeltemal verskillende redes. Kalifornië het beleidsmandate wat integrasie van hernubare energie aandryf. Texas het ERCOT se energie-enigste mark wat groot pryswisselvalligheid skep. Bergingsoperateurs hou van wisselvalligheid – ontgin daardie prysswaaie.

Kostes het ineengestort van meer as $500/kWh in 2015 tot $150-200/kWh teen 2023 vir volledige stelsels. Sommige mense beweer selfs laer, maar $150-200 is wat ek vir werklike projekte gesien het. Vervaardigingskaal hoofsaaklik, wrede mededinging tussen Chinese en Koreaanse selvervaardigers.

Inkomstemodelle verskil baie volgens mark. Texas ERCOT laat berging direk in energiemarkte in. Daardie Winter Storm Uri-voorbeeld van die begin af - sommige operateurs het $10+ miljoen, miskien $12 miljoen, skoongemaak, ek het verskillende syfers gehoor. Tog nie normaal nie.

Tipiese bedrywighede behels die stapel van inkomstestrome: energie-arbitrage (lading goedkoop, ontslag duur), kapasiteitsbetalings, frekwensieregulering, soms uitstel van transmissie-opgradering. Kalifornië se SGIP gooi vooraf aansporings boonop, veral vir kritieke fasiliteite.

Een operateur het vir my - buite rekord by 'n kroeg tydens 'n konferensie - gesê dat die helfte van hul geprojekteerde inkomste uit dienste kom wat vyf jaar gelede nie bestaan het nie. "Ons maak dit op soos ons gaan. Netoperateurs is besig om uit te vind wat batterye in reële tyd kan doen."

Tydsduur bly die ooglopende beperking en dit is frustrerend. Die meeste stelsels ontlaai 2-4 uur teen nominale krag. Perfek vir aandpieke wanneer sonkrag daal. Heeltemal nutteloos vir meerdaagse berging tydens lang weergebeurtenisse.

Tegnologieë vir langer duur word voortdurend aangekondig met groot persverklarings. Saamgeperste lug, swaartekragstelsels, termiese berging. Kommersiële ontplooiing bly ontwykend. Almal wil 8+ uur berging hê, sommige wil 12 of 24 hê. Niemand het nog ekonomies op skaal uitgepluis nie.

Daar is letterlik beginners wat betonblokke met hyskrane oplig om energie te stoor. Klink belaglik maar die fisika werk. Nie een het egter afgeskaal nie. Dieselfde met termiese berging.

Batterydegradasie onder werklike fietsrypatrone bly operateurs verras, wat my pla, want jy sou dink ons sou dit nou al uitgevind het.

Laboratoriumtoetsing voorspel nie veldprestasie goed nie. Vroeë installasies - 2018, 2019-tydraamwerk - het meer aggressief as beplan verloop, die operasionele lewensduur baie vinniger verkort as wat verwag is, gedwonge waarborg-eishersienings. Beter agteruitgangsmodelle bestaan nou maar onsekerheid bly oor 10+ jaar prestasie, veral namate versendingstrategieë ontwikkel.

Jy kan nie 15 jaar se werking in 2-jaar ontwikkelingstydlyne toets nie. Dis onmoontlik. 'n Ingenieur by NREL het vir my gesê hulle bou waarskynlikheidsmodelle gebaseer op beperkte velddata. "Ons ekstrapoleer van 5 jaar van bedryf om 20 jaar te voorspel. Dit is opgevoede raai."

Brandveiligheid het nie verdwyn nie ten spyte van verbeterde standaarde. McMicken-brand in Arizona - April 2019 - bly die ernstigste voorval. Ontploffing het vier brandbestryders beseer, kon katastrofies gewees het.

Ek het met een van die eerste reageerders by 'n veiligheidskonferensie gepraat. Hy het gesê toe hulle aankom, het standaardprotokolle gesê spuit water op batterybrande. Het dit begin doen. Toe ontplof dit. "Niemand het vir ons gesê hierdie goed kan termies weghol nie, selfs nadat die brand uitgekyk het."

Dié gebeurtenis het aan die lig gebring hoe swak die bedryf termiese wegholvoortplanting in houerstelsels verstaan het. Ons het gedink ons weet. Dit blyk dat ons dit nie gedoen het nie. Toetsstandaarde het daarna aansienlik verbeter. UL 9540A het die maatstaf geword wat almal verwys.

Maar elke nuwe selchemie moet van nuuts af geëvalueer word. Nie alle verskaffers volg identiese ontwerppraktyke vir selspasiëring, verkoeling, brandonderdrukking nie. Sommige het die minimum kodevereistes. Ander ooringenieur. Kan nie altyd uit bemarking sê watter benadering 'n projek gebruik nie. Dis 'n probleem.

Suid-Australië bied 'n blik op hoë-penetrasie-termynkontrakte. Byna 300 MW-berging voorsien ongeveer 2 000 MW se piekaanvraag teen 2022. Dit is soos 15% van die piekaanvraag in bergingskapasiteit. Aansienlik.

Netwerkbedrywighede is fundamenteel verander. Maar baie ander regime as Texas of Kalifornië waar berging 'n klein persentasie van die totale kapasiteit bly. Kan jy Suid-Australië se benadering tot ERCOT skaal? Miskien, miskien nie.

Ek het 'n Suid-Australiese netwerkoperateur hieroor by 'n konferensie gevra. Sy antwoord: "Ons is die toetssaak. As dit hier breek, is ons ten minste klein genoeg dat die mislukking in bedwang is." Nie juis vertroue-inspireerend nie, maar eerlik.

grid-scale energy storage

NREL projekteer iets soos 250+ GW US-berging teen 2050 onder hoë hernubare scenario's. Of was dit 300 GW? Ek sal dit moet opsoek. Of dit realiseer, hang van soveel faktore af. Voortgesette kosteverlagings natuurlik. Beleidsondersteuning bly in plek, wat nooit gewaarborg word nie. Netoperateurs verander eintlik bedryfspraktyke in plaas daarvan om net daaroor te praat.

Sommige projeksies van vyf jaar gelede lyk reeds konserwatief. Ontplooiing het vroeëre voorspellings oorskry. Maar ander projeksies kan baie optimisties wees as sleutelaannames nie hou nie of iets onverwags gebeur. Moeilik om te sê.

Nuwe chemieë kom voortdurend uit navorsingslaboratoriums. Natrium-ioon beloof laer materiaalkoste omdat jy nie litium gebruik nie. Sink-lug maak aanspraak op hoër digtheid. Nog 'n paar goed wat ek seker vergeet. Sal enige litium-ioon vir roostertoepassings verplaas? Waarskynlik nie heeltemal nie, sou my raaiskoot wees. Bestaande tegnologieë het vervaardigingskaal nuwelinge kan nie vinnig ooreenstem nie. Dit neem jare om fabrieke te bou.

Meer waarskynlik vind verskillende chemie spesifieke nisse gebaseer op spesifieke sterk punte. Die mark word divers genoeg om veelvuldige benaderings te ondersteun, met die veronderstelling dat hulle eintlik kommersiële skaal bereik en nie net vir ewig in loodsprojekte bly nie.

Berging het begin as hernubare intermitterende oplossing, maar het breër ontwikkel. Nou is dit 'n hulpmiddel vir roosterbuigsaamheid, ongeag die generasiebron. Vervang verbrandingsturbines vir frekwensieregulering. Stel duur transmissie-opgraderings uit deur plaaslike opeenhoping te bestuur. Verskaf swart-beginvermoë vir roosterherstel na groot onderbrekings.

Hierdie toepassings maak saak of hernubare penetrasie 80% bereik of by 40% bly vassteek of waar dit ook al eindig.

Ekonomie bly inkrementeel verbeter. Vervaardigingskaal dryf koste elke jaar af. Batterywerkverrigting - energiedigtheid, sikluslewe, alles wat - verbeter ook inkrementeel. Of berging die oorheersende buigsaamheidsoplossing word of net een opsie onder verskeie (aanvraagreaksie, verbeterde transmissie, beter voorspelling) bly 'n oop vraag wat waarskynlik nie vir nog 'n dekade of twee beantwoord sal word nie.

Wat wel duidelik lyk: roosters verander op fundamentele maniere. Bergingtegnologieë - watter vorm dit ook al aanneem - maak baie van daardie verandering moontlik. Soveel lyk redelik seker.

Terug na daardie Texas-operateur tydens Winter Storm Uri. Nadat pryse na normaal teruggesak het en die krisis verby is, het ek hom gevra wat hy geleer het. Lang pouse. "Dat batterye die werk kan doen. Maar ook dat niemand nog regtig weet wat hulle doen nie. Ons is almal besig om dit saam uit te vind."

Voel omtrent reg.

OIE publiseer maandelikse bergingstatistieke. Redelik betroubaar kom egter uit met vertraging. Bloomberg NEF doen jaarlikse vooruitsigte, benodig duur intekening. NREL hou prestasiedatabasisse in stand, data vertraag die werklikheid met 12-18 maande. Steeds nuttig vir akademiese doeleindes.

Wood Mackenzie en soortgelyke firmas publiseer voorspellings. Baanrekord akkuraatheid-gewys oor langer tydskale was, kom ons sê, gemeng. Hulle het konsekwent 2018-2022-ontplooiingsyfers onderskat. Snaaks in retrospek.

Handelspublikasies soos Utility Dive en Energy Storage News dek projekte redelik goed. Neig egter na optimistiese raamwerk. Die helfte van die goed wat hulle aankondig as "binnekort kom" bereik nooit kommersiële bedryf nie. Neem met sout.

Het oor die jare nuttige gesprekke gehad met ingenieurs by California ISO, ERCOT, South Australia Power Networks, plus operateurs by verskeie konferensies (Austin, San Diego, Berlyn, Adelaide). Die mees insiggewende goed het gekom van kroeggesprekke nadat amptelike panele geëindig het.

Data huidige vanaf 2023 of vroeg in 2024. Bedryf verander vinnig genoeg, jy moet spesifieke nommers verifieer as jy dit vir enigiets belangriks gebruik. Moenie net hierdie artikel aanhaal nie - Ek is een of ander persoon op die internet.