Hur en ny klass av startups arbetar för att lösa nätlagringspusslet

Konceptuell illustration av ett batteri gjord av en rubiks kub pussel Nicholas Ortega

Här är problemet: Solpaneler och vindturbiner är billiga, rena, pålitliga elkällor, ända tills de inte är det. Solen går ner; vindens flaggor. De kan inte driva ett elnät ensamma.

Kol- och naturgasanläggningar kan fylla luckorna idag. Men eftersom klimatreglerna stänger av fler av dessa kolutsprutande källor, kommer det så småningom att finnas dagar eller till och med veckor varje år då förnybara energikällor inte kommer att räcka för att hålla lamporna tända. Något annat måste kliva in.

Form Energy är övertygad om att något kan vara ett batteri. Men det måste vara ett batteri som inte liknar något som världen har sett.

För att vara lika billig, pålitlig och flexibel som naturgas skulle ett sådant batterisystem behöva kosta mindre än 10 dollar per kilowattimme. Dagens bästa nätbatterier, stora litiumjonsystem, kosta hundratals dollar per kilowattimme (exakta uppskattningar variera ). Det kan ta årtionden även för det priset att sjunka under 100 dollar.

Det är ett stort språng. Men Forms grundare tror att de kan nå det målet genom att utveckla stora batterier som är beroende av extremt billiga, energitäta material. Vi tror att vi kan nå dit, säger MIT-professorn Yet-Ming Chiang, medgrundare och chefsforskare på Form. Vi tror att vi kan matcha tekniken till de kraven.

En låg kostnad, långvarig form av energilagring som kan byggas var som helst skulle vara det närmaste en silverkula för att städa upp kraftsektorn. Det skulle få ut det mesta av de kraftigt sjunkande kostnaderna för sol och vind, utan många av de miljö-, säkerhets- eller estetiska problem som orsakas av andra sätt att balansera ut fluktuerande förnybara energikällor.

Gatan för lagring av nätet

Form, baserat i Somerville, Massachusetts, grep batterivärldens uppmärksamhet när den skapades 2017. Chiang är en av världens främsta batteriforskare. Han har publicerat hundratals vetenskapliga artiklar, innehar mer än 80 patent , och har varit med och grundat sex startups. Flera har tjänat värderingar på mer än 1 miljard dollar , Inklusive A123-system , som gör litiumjonbatterier för elfordon.

Forms VD, Matthew Jaramillo , tidigare sammansatt och lett en affärsenhet inom Tesla som säljer batterisystem för hem och är bygger nu några av största elnätsbatteriprojekt runt världen. Hittills har Form samlat in cirka 50 miljoner dollar från Bill Gates Breakthrough Energy Ventures, den italienska energijätten Eni och andra.

Grundarteamet av Form Energy. Artighet: Form Energy

En våg av tidigare nätlagringsföretag misslyckades (se varför dåliga saker händer med nystartade företag med ren energi). Form är bara en av flera som nyligen har samlat in pengar för att ta en ny spricka på problemet.

Det huvudsakliga lagringsbehovet på nätet idag kallas intradagslagring. Den ger snabba strömutbrott under några timmar för att jämna ut obalanser mellan produktion och efterfrågan under hela dagen och åtminstone till tidigt på kvällen.

En växande mängd av denna lagring kommer från litiumjonbatterier, som också driver telefoner, bärbara datorer och elbilar och blir stadigt billigare och kraftfullare. Mängden installerad nätenergilagring globalt ökade med nästan 150 % förra året till sex gigawattimmar, enligt analysföretaget Wood Mackenzie . Det är nästan dubbelt så högt som genomsnittet under de föregående fem åren, och litiumjonsystem stod för större delen av ökningen.

Tesla, till exempel, planerar att bygga hundratals av sin nya tre megawattimme Megapack batterisystem i Moss Landing, Kalifornien. De projekt , som också inkluderar andra utvecklare av energilagring, skulle ersätta en trio av decennier gamla gasanläggningar på platsen som drivs av Calpine, ett stort amerikanskt kraftbolag.

Telsas nätbatterifabrik i Kauai, Hawaii. Med tillstånd: Tesla

Samtidigt är ett växande antal utvecklare av förnybar energi, som Recurrent Energy och First Solar, föreslår gigantiska solgårdar i kombination med enorma batterilagringssystem , vilket gör det möjligt för anläggningarna att fortsätta leverera el i timmar efter solnedgången.

Men solen och vinden bleknar inte bara i timmar; ibland sjunker de i dagar eller veckor. Om vi ​​främst vill gå över till förnybara energikällor kommer vi att behöva mycket mer lagring som kan hålla mycket längre.

Med dagens batteriteknik skulle kostnaderna skjuta i höjden, säger Jesse Jenkins, biträdande professor vid Princeton som forskar om energisystem. Det skulle kräva banker på banker av litiumjonbatterier, av vilka många bara kan användas ett par gånger om året. Vi skulle också behöva bygga fler sol- och vindkraftsparker för att generera tillräckligt med överskottsel för att ladda dem. (Se anledningen till att vi inte kan lita på batterier för att städa upp nätet på 2,5 biljoner dollar.)

Ekonomin rasar i detta scenario. Om dessa tillgångar är tänkta att vara lediga under tre fjärdedelar av året, har du precis höjt den effektiva kostnaden med 4X, säger Don Sadoway, en MIT-kemist som var med och grundade Ambri, som har utvecklat ett vätskemetallbatteri som håller ungefär en timme längre än litiumjoner.

Men det är faktiskt ännu värre. Vi skulle behöva bygga över förnybar energi och lagring för att möta efterfrågan under de mest sällsynta händelserna: de långvariga ebbarna i sol eller vind som händer med några års mellanrum, kanske till och med en gång per årtionde.

Regioner behöver inte lösa detta problem helt och hållet genom lagring. Möte bara en liten andel av den totala efterfrågan på andra sätt skulle underlätta de kostnadsmål som lagringsföretagen skulle behöva nå, visar annan forskning . Det kan inkludera kärnreaktorer, vattenkraft, naturgasanläggningar med system som fångar upp koldioxidutsläpp eller långdistansledningar som kan balansera ut förnybara energikällor över tidszoner. Men dessa alternativ är politiskt impopulära, dyra, geografiskt begränsade eller alla tre. Batterier har fördelen att de inte stör människor särskilt mycket.

Vi måste tänka på dessa framtida problem idag eftersom den nödvändiga tekniken kan ta år om inte årtionden att utveckla. Områden med stora andelar förnybar energi, som Kalifornien och Tyskland, producerar redan mer sol- eller vindkraft än vad nätet kan använda under vissa perioder, vilket undergräver de ekonomiska incitamenten att bygga mer. Många fler regioner börjar inse att det finns ett gäspande gap som viss teknik kommer att behöva stänga om de hoppas kunna eliminera fossila bränslen.

Formens tillvägagångssätt

Att utveckla billiga batterier med lång livslängd har stött forskare i decennier, främst för att de metaller och kemikalier som hittills har fungerat bäst är dyra. Att använda dem för att möta längre lagringsbehov innebär att stapla upp fler och fler av dem. Form är bevakad över hur det försöker kringgå dessa utmaningar, men en del av företagets tillvägagångssätt framgår tydligt av en artikel som Chiang och kollegor publicerade i tidskriften Joule i slutet av 2017 (se Seriell batterientreprenörens nya satsning tacklar ren energis största problem).

Form energi

Form Energy skapades 2017, när MIT spinout Baseload Renewables slogs samman med Verse Energy, som startades av Mateo Jaramillo, som tidigare ledde Teslau2019s energilagringsverksamhet. Företaget har hittills samlat in cirka 50 miljoner dollar.

Grundare

Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
nBilly Woodford, 24M
nTed Wiley, Aquion Energy

Finansiärer

Banbrytande energisatsningar
nEni Group
nPrelude Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s motorn
nSaudi Aramco
nThe Department of Energyu2019s ARPA-E-program

Alla batterier innehåller två grundläggande komponenter: en elektrolyt, vanligtvis en flytande kemikalie, och ett par elektroder, anoden och katoden, som är gjorda av olika material (ofta, men inte alltid, metaller). Laddade atomer, kända som joner, bär ström genom elektrolyten mellan de två elektroderna när batteriet laddas eller laddas ur. I litiumjonbatterier är elektrolyten en förening av litium blandad med andra kemikalier.

I 2017 års tidning lyfte Chiang och hans kollegor fram potentialen hos ett luftandande vattenhaltigt svavelflödesbatteri. Ett flödesbatteri börjar komma runt kostnadsproblemet genom att separera batteriets ellevererande komponenter, inklusive elektroderna, från energilagringsdelen, elektrolyten.

Ett standardflödesbatteri har två olika elektrolyter, kända som katolyten och anolyten, som var och en kan förvaras i stora tankar som är lätta att byta. Så om du vill ha mer lagring kan du bara lägga till större tankar medan de andra dyra delarna, inklusive elektroderna, förblir desamma.

För att göra det riktigt billigt måste elektrolyterna som fyller dessa gigantiska tankar också vara billiga. Nyckeln till flödesbatteriet i Joule papper är att använda en svavelbaserad lösning som anolyt. Svavel är bland de vanligaste grundämnena i jordskorpan och är en biprodukt av bränsleraffinering, så det är extremt billigt och kan lagra mycket energi.

Baserat på den lagrade avgiften per dollar var svavel mer än en faktor 10 bättre än det näst bästa, berättade Chiang för mig 2017.

Sammantaget kan kemikaliekostnaderna i ett sådant flödesbatteri vara så låga som $1 per kilowattimme, enligt studien.

När jag pratade med Chiang i augusti förra året bekräftade han att svavel definitivt fortfarande är en del av vår färdplan. Han sa att det är den metod de använder i ett projekt finansierat av Department of Energys moonshot ARPA-E-program . Men Form säger att det nu utvecklar flera kemier, även om det inte kommer att säga vad de andra är.

Yet-Ming Chiang, en MIT-professor och medgrundare av Form Energy. Simon Simard

Medan de flesta nätlagringsföretag är fokuserade bara på lagringsdelen, har Jaramillo också sagt de undersöker möjligheten till dubbelriktade kraftverk , som skulle generera förnybar energi på plats med hjälp av sol eller vind, lagra den i stora batterier och leverera den till elnätet efter behov.

Andra vägar till långtidsförvaring

Men ett elektrokemiskt batteri, oavsett om det är baserat på svavel- eller litiumjonkemi eller något annat, är bara ett sätt att lagra stora mängder energi.

I början av september trängdes en grupp ingenjörer runt en squat, silvercylinder ungefär lika stor som en grilltank på baksidan av en rörig verkstad vid Lawrence Berkeley National Lab, inbäddad i kullarna med utsikt över San Francisco Bay. Bortsett från deras intensiva blick på den intilliggande datorskärmen, var den enda antydan om att något var på jobbet ett orange sken synligt i ett litet fönster nära enhetens undersida.

Forskarna vid Antora Energy utvecklar en ny typ av värmelagring. Det är en sällan använt tillvägagångssätt som behåller energi i form av extrem värme eller kyla i en mängd olika ämnen, som underjordiska stenar eller isblock. I Antoras fall var ämnet inuti tanken ett kolblock som i det ögonblicket höll på en bra bit över 2 000 ˚C.

Förhoppningen är att de kan använda överflödig el från sol- eller vindkraftsparker för att värma upp det materialet och sedan omvandla värmen tillbaka till el när det behövs. Vanligtvis i termisk lagring görs detta fortfarande i den mycket ineffektiva 1800-talsstilen: genom att skapa ånga som driver en turbingenerator. Men det mesta av energin går till spillo som ett resultat av mekanisk friktion, ångläckor och andra problem.

Antora testar ett nytt termofotovoltaiskt system. Det är ungefär som en solpanel, men den omvandlar den infraröda strålningen som kommer från ett varmt föremål, snarare än solljus, till elektricitet. I slutet av september meddelade forskarna att de hade satt ett nytt rekord genom att omvandla mer än 30 % procent av värmen som strömmar till cellen tillbaka till elektricitet i ett labbexperiment. De siktar på att uppnå mer än 50 % effektivitet.

Mekaniska metoder erbjuder en annan metod för lagring av nät. Det inkluderar att pumpa luft in i underjordiska grottor, köra stenfyllda tåg uppför kullar eller överföra vatten mellan reservoarer på olika höjder. Alla dessa fungerar på ungefär samma sätt och använder extra energi när det är tillgängligt för att flytta något till en högre höjd eller placera det under tryck. När det sedan släpps kan vi utnyttja den kinetiska energin från den utströmmande luften eller nedstigande tåg eller vatten för att generera elektricitet.

I själva verket är pumpad vattenkraft vår i särklass billigaste och mest förekommande källa för energilagring i nätet idag. Problemet är att du inte alltid har tillräckligt med vatten eller kullar nära varje kraftverk.

Under sitt DAYS-program har ARPA-E investerat mer än 30 miljoner dollar i 12 startups eller forskargrupper som försöker knäcka problemet med nätlagring. Dessa inkluderar Forms flödesbatterier och Antoras termiska system, såväl som Quidnet Energys twist på pumpad vattenkraft: San Franciscos startup-system pumpar vatten in i luckorna mellan instängda stenar under jorden , vilket skapar tryck som tvingar vattnet tillbaka upp och genom en generator när elektricitet behövs.

Banbrytande energisatsningar , den Bill Gates-stödda fonden, har gjort långvarig lagring till en av sina högsta prioriteringar. Förutom Form har den backat upp Quidnet och Malta, en annan termisk startup som förlitar sig på smält salt som lagringsmedium (se Alphabet är i samtal om att spinna ut sin lagring av smält salt ).

Under tiden japanska konglomeratet SoftBank nyligen investerat 110 miljoner dollar i den schweiziska startupen för mekanisk lagring Energy Vault, som använder kranar och vajrar för att stapla upp betongblock när förnybara energikällor genererar överskottsel. Den släpper sedan tillbaka blocken till marken på samma ledningar och använder deras momentum för att vända motorerna i kranarna baklänges och pumpa ut elektricitet. ( Den här videon gör konceptet tydligare.)

Den okonventionella karaktären hos vissa av dessa idéer visar hur svårt ett problem det är för tekniker att ta steget från att lagra energi för några timmar till några veckor.

Om vi ​​pratar om att fånga, säg, en månad eller två månaders energi under sommaren och ha den tillgänglig i en månad eller två månader på vintern, är det gigantiska summor energi, säger Sadoway. Hur många tåglass med stenar har du?

Mycket stora oms

De flesta mekaniska metoder som tåg eller kranar kräver stora mängder utrymme. Termiska metoder är i sig ineffektiva, eftersom det är svårt att förhindra att värme eller kyla läcker bort. Och att producera eller förbränna de flesta flytande bränslen skapar just de klimatutsläpp vi vill undvika.

Batterier har fördelen av att vara rena, kompakta, mobila och effektiva. Så om någon kan göra dem billiga och hållbara också, kan de ansluta till vilket nät som helst. Det skulle göra det möjligt för vind och sol att tillhandahålla mycket mer av vår el och, i sin tur, för ren el för att tillgodose mycket mer av vårt totala energibehov.

Men de är fortfarande väldigt stora oms. Vissa energiobservatörer tvivlar på att Form kan uppnå sina mål, eller ifrågasätter hur mycket naturgas sådana batterier skulle ersätta även om de gjorde det. För sin del företagets grundare säga det är minst ett decennium långt projekt, med allvarliga tekniska, finansiella och marknadsrisker.

Stora batteriframsteg inträffar bara ungefär en gång vart tredje decennium i genomsnitt, och fältets historia är belamrad med mycket mer lovande tillvägagångssätt som inte lyckades än de som gjorde det.

Återigen, den sista, litiumjonteknik, kom ut på marknaden för 28 år sedan. Vi står för ett nytt genombrott.

Dölj