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Lithiumbatterien gewinnen die Grid Scale Energy Storage Battle
Jun 12, 2018

Wie haben Lithium-Batterien es geschafft, neue Energiespeicher im Rastermaßstab zu dominieren?


Thomas Edison begann vor mehr als 100 Jahren erfolgreich mit der "The Edison Storage Battery Company" und bot eine große Auswahl an Lithiumbatterien für Autos, Busse, Lastkraftwagen und andere Anwendungen an, aber dieses Geschäft mit Lithiumbatterien verblasste mit dem Erfolg des Verbrennungsmotors und die Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen. Batterien für Elektrofahrzeuge sind heute ein wichtiger Markttreiber für netzbetriebene Batterien. Moderne Forschungs- und Herstellungsmethoden haben die Leistungsfähigkeit und die Kosten von Lithiumbatterien erheblich verbessert. Verschiedene Konfigurationen von Lithiumbatterien (NMC, Cobalt Oxide, LMO, LFP und NCA) stören die Transport- und Elektrizitätsindustrien durch die Kombination mit der Erzeugung erneuerbarer Energie, um fossile und nukleare Energie zu ersetzen.

 

Der Einsatz von Lithium für netzbetriebene Batterien in den USA vor 2009 war genau "Null". Laut einem Bericht des Energieministeriums von 2016 gab es vor 2009 keine Projekte mit Lithiumbatterien. Wie sind Lithiumbatterien bis 2018 die bevorzugte Art der Chemie geworden? Bis 2001 identifizierte der DOE-Bericht eine Handvoll kleiner Blei-Säure-Batterie-Projekte. Im Jahr 2003 gab es die 27MW GVEA (Golden Valley Electric Association), ein Batteriespeichersystem auf Nickel-Basis. GVEA ist eine Genossenschaft, die etwa 100.000 Kunden in Zentral-Alaska betreut, und die Batterie verbesserte die Netzzuverlässigkeit, die bei kalten Winterbedingungen Priorität hat. Zwischen 2004 und 2008 hat das DOE viele deutlich kleinere Natrium-Schwefel-Batterieprojekte (NGK) mit einer Gesamtleistung von etwa 8,2 MW registriert. Die Kosteneffizienz dieser schwefelbasierten Batterieprojekte wurde nie nachgewiesen, und die Kosten dieser Batterien gingen über den Zeitraum von vier Jahren nicht zurück. Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 2007 waren nicht besser, da sie unbewiesen waren und mehr als 1000 $ / kWh kosteten.

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Der Übergang zu Lithium

Im Zeitraum von 2010 bis 2014 gab es in den USA viele neue Hochrisiko-Batterieprojekte, die dem American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) von 2009 unterlagen, der öffentliche Finanzierungsmittel in Höhe von etwa 97 Millionen US-Dollar für Demonstrationen von Batteriespeichern bereitstellte. Der unabhängige Netzbetreiber PJM sah einen frühen und erfolgreichen Umstieg auf Lithiumbatterien. Mit konstanten Kosten- und Leistungsverbesserungen bei Lithiumbatterien reagierte PJM im Jahr 2015 auf den Auftrag der FERC (Federal Energy Regulatory Commission) von 2011, Leistung für Netzdienstleistungen zu zahlen, indem der Einsatz von Lithiumbatterien für den sehr wichtigen Frequenzregulationsmarkt gefördert wurde. PJM erkannte, dass neue Lithiumbatterien, die für den Automobilmarkt hergestellt wurden, sich schnell aufladen und entladen konnten, und genau das wurde für die Frequenzsteuerung benötigt. Moderne Stromnetze verwenden eine Technik, die AGC oder automatische Netzsteuerung genannt wird, um die Erzeugung und Lasten auszugleichen. Wenn in diesem Schema eine große Last zu einem Gitter hinzugefügt wird, fällt die Frequenz anfänglich ab und synchrone Motoren, einschließlich jener in gewöhnlichen Wanduhren, verlangsamen sich alle leicht. Dieser Frequenzabfall ist das Steuersignal, das von allen Generatoren im Netz verwendet wird, um die Leistung schnell zu erhöhen, um diese Last zu erreichen und die Netzfrequenz wiederherzustellen, ohne zu bemerken, dass Ihre Wanduhr keine konstante Zeit hat.

 

Da die Lastantwort sehr schnell sehr viel Energie benötigt, aber nur eine lange Zeit, um eine neue Generation online zu bringen, erwies sich die Lithiumbatterie für diese Anwendung als erfolgreich, und tatsächlich haben Lithiumbatterien heute den Bedarf gedeckt und den Markt gesättigt zur Frequenzkontrolle im PJM-Servicebereich. Andere ISO und RSO (regionale Systembetreiber) folgen der Führung von PJM, und die neue FERC 841 Regel eröffnet neue Marktchancen für Batterien, um auf Großhandelsmärkten zu konkurrieren. Eigentümer und Betreiber von Anlagen für erneuerbare Energien haben herausgefunden, dass die Zugabe von Batterien leicht Mikro-Grids und sogar Nano-Grids bilden kann, wenn sie mit Solar-PV oder Wind-Erzeugung gekoppelt werden.

 

Das Ausmaß der neuen Lithium-Batterie-Fabriken, die weltweit gebaut werden, wird die Preise sowohl für Fahrzeuge als auch für die Speicherung im Netz drücken. Auf der Konferenz der ESA (Energy Storage Association) 2018 im vergangenen April war das Ziel, die Batterien im Gitter-Maßstab von heute weniger als 1 GW auf über 35 GW zu erhöhen. Batteriehersteller haben die kritischen Rohstoffe aufgerüstet Lithium und Kobalt für den Hochlauf der Produktion.

Chinesische Hersteller von Lithiumbatterien werden wahrscheinlich ihre führende Marktposition durch massive Fabrikinvestitionen stärken, die wahrscheinlich die Produktion der riesigen Tesla Gigafactory übersteigen werden , die auf dem Weg zur größten Gebäudegrundfläche der Welt ist und 35 GW * h / Jahr produziert von Lithiumbatterien bis 2020.

 

DOE kündigt neue Forschungsprojekte an

 

Am 30. April 2018 kündigte DOE neue Forschungsprojekte zu Batterien und Elektrifizierung an, die darauf abzielen, die Batteriekosten auf unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde zu senken, den EV-Bereich auf über 300 Meilen anzuheben und bis 2028 in weniger als 15 Minuten aufzuladen Lithiumbatterien und Fahrzeugelektrifizierungstechnologien, aber diese Lithiumbatterien, die für Fahrzeuge gedacht sind, werden viele neue Anwendungen finden, um elektrische Energie zu speichern. Diese neuen Batterien werden nicht nur von Versorgungsunternehmen und Übertragungsnetzbetreibern verwendet, sondern mit zunehmender dezentraler Erzeugung auch auf der Verteilerseite des Netzes. Lithiumbatterien tauchen in Nano-Gittern in Wohnungen mit Solar-PV, in großen und kleinen kommerziellen Solarfeldern, die Microgrids bilden, auf Universitätsgeländen auf, die Mikrogürtel mit Kraft-Wärme-Kopplung nutzen, und in kommunalen Energieunternehmen, die zu reduzieren suchen Spitzenlasten.

 

Batterien im Gitter-Maßstab sind im Wesentlichen zu einer standardmäßigen, nahezu Plug-and-Play-Komponente geworden, die nicht den Standort- oder Planungsproblemen von Pumpenspeicher- oder Druckluft-Energiespeicherprojekten ausgesetzt ist. Lithiumbatterien mit hoher Ausgangsleistung werden in den nächsten zehn Jahren sowohl den EV- als auch den Versorgermarkt dominieren, aber es gibt viel versprechende Fortschritte bei höheren Energiespeicherbatterien, die in Märkten, die sich um die Entkopplung von Erzeugung und Nachfrage bemühen, wettbewerbsfähiger sein könnten. Vanadium-Redox-Flow-Batterien haben in letzter Zeit Leistungsverbesserungen erfahren. China plant eine 100-MW-Vanadium-Batterie, um die Absenkung der Windkraft zu reduzieren, indem die Windenergie gespeichert und diese Last verschoben wird, um den Spitzenanforderungen besser gerecht zu werden.

 

In der oben abgebildeten Gitter-Energiespeicherskala können Lithium-Ionen-Batterien eine breitere Palette von Anwendungen abdecken als jede andere Stromquelle. Es ist schnell genug für die Frequenzsteuerung und bei fortschreitendem Preissturz greifen sie allmählich auf große Speicher wie Pumpspeicherkraftwerke über. Die Wirtschaftlichkeit für Batterien im Rastermaßstab dürfte sich verbessern. Der Wettbewerb für unterschiedliche Lithiumchemien ist ein Wettbewerb selbst, aber man beachte das Potenzial für Durchflussbatterien in der obigen Tabelle, die bisher nur einen Bruchteil der Forschungsdollar erhalten haben und noch nicht von Größenvorteilen profitieren. Das Rennen geht weiter, die Einsätze sind hoch, und wir stehen nur auf der ersten Kurve einer sehr langen Rennstrecke.