Складиштење енергије натријум-јонске батерије: исплативост још није очигледна, али будући потенцијал у одређеним апликацијама
Натријум-јонска батерија је секундарна батерија која се ослања на кретање натријумових јона између позитивних и негативних електрода за потпуно пуњење и пражњење. Принцип рада складиштења енергије натријум-јонске батерије је сличан оном код литијум-јонске батерије, а структура се такође састоји од позитивне електроде, негативне електроде, сепаратора и електролита. Разлика лежи углавном у материјалу позитивне електроде, натријумова со замењује литијумову со, а алуминијумска фолија замењује бакарну фолију.
Предности натријумских батерија леже у радној температури, безбедности, животном циклусу и брзини пуњења.
1) Безбедност. Натријумове батерије имају већу стабилност и мањи ризик од топлотног одласка, што је кључно за системе за складиштење енергије, посебно за велике складишта енергије. Може ефикасно смањити вероватноћу безбедносних несрећа и обезбедити безбедност особља и опреме.
2) Перформансе ниске температуре. Натријум-јонске батерије обично могу стабилно да раде у окружењу од -40℃ до 80℃, док је опсег радне температуре тернарних литијум-јонских батерија углавном између -20℃ и 60℃. Када је температура околине испод 0℃, перформансе литијумских батерија ће значајно пасти, док натријум-јонске батерије и даље могу да одржавају стопу задржавања капацитета већу од 80% у окружењу ниске температуре од -20℃.
3) Животни циклус. Натријум-јонске батерије могу да издрже више циклуса пуњења и пражњења, смањујући трошкове и потрошњу ресурса узроковане честом заменом батерија, и побољшавајући укупан век трајања и економске предности система за складиштење енергије.
4) Брзина пуњења. Натријум-јонске батерије могу да заврше процес пуњења за 10 минута, док тернарним литијумским батеријама треба најмање 40 минута, а литијум-гвожђе-фосфатним батеријама 45 минута.
Предност у цени је важан покретачки фактор за складиштење енергије натријум-јонске батерије. Гледајући уназад на 2022, цена литијум карбоната узводно је порасла, а цена литијумских батерија је порасла, због чега је индустрија посветила више пажње натријум-јонским батеријама. Натријум-јонске батерије, са својим предностима као што су ниски трошкови сировина, сматрају се обећавајућим за постизање пробоја у цени, ублажавање притиска на трошкове складиштења енергије изазване високом ценом литијумских ресурса и на тај начин добијају шире изгледе за примену.
Међутим, цена литијум карбоната се вратила у протекле две године, а услед тога је и цена литијумских батерија нагло пала. У том контексту, предност у трошковима натријум-јонских батерија, за коју се првобитно очекивало да ће бити висока, више није тако истакнута, а даље је дубинско истраживање и даље потребно да би се истакла њихова конкурентност. На крају крајева, када цена литијум карбоната падне испод 100,000 јуана, цена литијумских батерија ће се постепено приближавати теоријској цени натријум-јонских батерија. На овај начин ће цена натријум-јонских батерија бити знатно смањена у поређењу са литијумским батеријама. Заменљивост и њена каснија промоција на тржишту ће се вероватно суочити са многим препрекама.
Иако натријум-јонске батерије имају потенцијал да имају предности у погледу трошкова, ова предност још увек није ефективно трансформисана у стварну тржишну конкурентност и остаје на теоретском нивоу. У наредном процесу развоја, индустрија натријум-јонских батерија и даље треба да се фокусира на кључну карику смањења трошкова.
Раније је индустрија генерално очекивала да ће 2023. бити „прва година натријумове електричне енергије“, али је процес комерцијализације изнова и изнова одлаган. Верујемо да ће 2025. године натријум електрична енергија увести прекретницу за убрзани индустријски развој.
Натријум-јонске батерије имају јединствен стратешки значај за моју земљу. Иако је тренутни тржишни удео још увек мали, снага натријума је кључна резервна опција када је међународна ситуација сложена и снабдевање литијумским ресурсима нестабилно, а њен значај се не може потценити. У будућности, тржишни удео натријумске енергије може бити тешко надмашити удео литијумске енергије, али ће се постепено ширити у тржишним сегментима и градити сопствене предности. Према временској линији, очекује се да ће снага натријум-а стећи упориште на тржишту пре чврстих батерија и играти кључну улогу у одређеном периоду. Процењује се да ће до 2030. године потражња за натријум-јонским батеријама у области складиштења енергије премашити 300 ГВх.
Складиштење енергије у чврстој батерији: виши плафон густине енергије, али треба решити проблеме са интерфејсом
Солид-стате батерије се углавном састоје од позитивних електрода, негативних електрода, чврстих електролита и других главних материјала. Суштинска разлика је у томе што батерије у чврстом стању користе незапаљиве чврсте електролите уместо запаљивих течних електролита течних батерија.
Према садржају течности у чврстој батерији, чврсте батерије се могу поделити на полу-чврсте батерије и чврсте батерије. Према дефиницији академске заједнице, батерија са садржајем течности већим од 10% је течна батерија; батерија са садржајем течности од 5%-10% се дефинише као получврста батерија. Течност у получврстој батерији (Кингтао Енерги је дефинише као средство за влажење) се разликује од електролита у течној батерији. Средство за влажење има једну компоненту, која побољшава квашење унутрашњег интерфејса батерије и смањује отпорност батерије; потпуно чврста батерија не садржи течне компоненте.
Шематски дијаграм традиционалне литијум-јонске батерије и потпуно чврсте литијумске батерије
Чврсте батерије имају три главне предности: 1) Већа сигурност: чврсти електролити су незапаљиви и имају бољу стабилност и механичка својства на високим температурама. 2) Већи плафон густине енергије: чврсти електролити имају шири електрохемијски прозор, смањују споредне реакције са електродним материјалима и проширују опсег доступних електродних материјала. 3) Дужи животни век циклуса: чврсте електролите није лако испарити и нема проблема са цурењем. Чврсте батерије су такође лакше по тежини због елиминације течних електролита и сепаратора.
Солид-стате батерије имају значајне предности у погледу перформанси, али је још дуг пут у смислу практичности и индустријализације, а и даље се суочавају са неким техничким изазовима.
1) Проблем транспорта јона: Јонска проводљивост чврстих електролита је ниска, што ограничава брзину пуњења и пражњења.
2) Проблем са литијум дендритом: Могу расти унутар и између кристала, узрокујући кратки спој и квар батерије.
3) Проблем са интерфејсом: Површина контакта између електроде и електролита је мала, што резултира повећаном импедансом интерфејса, што није погодно за директну проводљивост литијум јона између позитивне и негативне електроде.
4) Проблем са трошковима: Крајем јула 2024., цена НЦМ призматичне ћелије за напајање је била 0.46 РМБ/Вх, а цена литијум-гвозденог фосфата квадратне ћелије батерије је била 0.37 РМБ/Вх; према Ксинвангди, цена потпуно чврстих батерија са полимерним системима биће смањена на 2.00 РМБ/Вх 2026. Тренутно је цена чврстих батерија релативно висока, а простор за пад у наредних 3-5 година је још увек непредвидљив.
У технолошком смислу, сулфидни пут има велики развојни потенцијал у области потпуно чврстих батерија, а водећи произвођачи батерија су се фокусирали на њега. Међу њима, прекурсор литијум сулфида је постао кључна карика у контроли трошкова. Као основни елемент перформанси потпуно чврстих батерија, сулфиди у чврстим електролитима су се појавили са високом проводљивошћу и одличним перформансама обраде. Конкретно, литијум-фосфор сумпорни хлор се истакао својом предности у погледу трошкова и постао је главни избор за масовну производњу. Тренутна тржишна цена је у распону од 20,000-40,000 РМБ/кг.
Међутим, тренутна цена прекурсора литијум сулфида остаје висока, са квотом цене од више од 5 милиона јуана по тони, што у великој мери омета смањење трошкова. Верујемо да се уз континуирану иновацију наредних процеса и опреме очекује значајан пад трошкова. У исто време, пут ка комерцијализацији потпуно чврстих батерија такође се суочава са изазовима производног процеса, посебно у вези за формирање фронт-енд филма. Контролни захтеви за дебљину мембране чврстог електролита, уједначеност дисперзије материјала и равност негативне електроде су строги и морају бити тачни до нивоа микрона или чак нанометара. Тренутно, производна опрема још није сазрела и тешко је подржати потребе масовне производње.
Године 2025. глобално тржиште за различите типове солид-стате батерија ће вредети стотине милијарди јуана. Ако солид-стате батерије могу у потпуности да искористе своје безбедносне предности и додатно побољшају густину енергије, док оптимизују перформансе брзине, животни век и производне процесе, имаће огромну потенцијалну базу купаца у специфичним повољним сценаријима. Поред тога, ако се направи напредак у цени солид-стате батерија, очекује се да ће се тржишни простор даље ширити.
Проточна батерија за складиштење енергије: Изразите предности за дуготрајно складиштење енергије у будућности
Батерије са течним протоком могу се поделити на цинк-гвожђе течне батерије, цинк-бром течне батерије, потпуно гвожђе течне батерије, гвожђе-хром течне проточне батерије и потпуно ванадијумске течне батерије, у зависности од позитивних и негативних електрода и врсте активног електричног раствора у електролиту. Међу њима, ванадијумске батерије су преузеле водећу улогу у уласку у рану фазу комерцијализације заједно са развојем узводне и низводне индустрије.
Потпуно ванадијумска течна батерија је батерија са ванадијумом као активним материјалом у циркулишућем течном стању. Електролит се пумпа у сноп батерија преко спољне пумпе. Под дејством механичке снаге, електролит циркулише између резервоара за складиштење и полућелије, тече кроз површину електроде да би произвео електрохемијску реакцију, а затим плоче са двоструком електродом сакупљају и проводе струју, чиме се остварује конверзија хемијске енергије у електричну енергију. Овај јединствени режим рада са циркулационим протоком омогућава ванадијумским батеријама да имају флексибилност у капацитету складиштења енергије, а различите потребе се могу задовољити подешавањем запремине електролита.
Шематски дијаграм за складиштење енергије у пуној батерији
Ванадијумске батерије имају јединствене предности у контексту дуготрајног складиштења енергије. Снага ванадијумских батерија је одређена снопом батерија, а капацитет складиштења енергије зависи од електролита, а ове две су независне једна од друге. Што се тиче цене, ванадијумске батерије могу ефикасно да амортизују трошкове енергетских јединица заједно са временом складиштења енергије, смањујући на тај начин цену по Вх, што је веома у складу са дуготрајним складиштењем енергије. У практичним применама, ако је потребно повећати снагу, број батерија се може повећати; ако капацитет треба да се прошири, концентрација и запремина електролита се могу променити како би се флексибилно задовољиле различите потребе складиштења енергије, пружајући високо обећавајуће техничко решење за област складиштења енергије.
Складиштење енергије у пуној батерији: Излазна снага и капацитет складиштења могу се независно дизајнирати
Ванадијумске батерије такође показују одличне карактеристике у погледу безбедности и животног века.
1) Ванадијумске батерије користе неорганске електролите на бази воде, који немају ризик од сагоревања и експлозије, и могу стабилно да раде под нормалном температуром и притиском, потпуно елиминишући ризик од топлотног бекства. Систем батерија показује добру конзистентност, а са ефикасним механизмом управљања батеријом обезбеђује високу поузданост рада.
2) Што се тиче животног века циклуса, календарски век може да достигне 25 година, број циклуса пуњења и пражњења може да достигне 16,000 пута, а електроде не учествују у реакцији током процеса реакције, а дубоко пуњење и пражњење не утичу на век батерије. Капацитет може одржавати стање нулте распада. Ванадијумске батерије могу постићи стопу задржавања капацитета од 100% током целог животног циклуса и не долази до смањења ефикасности, пружајући чврсту гаранцију за дуготрајно стабилно складиштење и снабдевање енергијом.
У 2024. години, кинески инсталирани капацитет складиштења енергије батерија са течним протоком је по први пут премашио ГВх, достигавши 1.81 ГВх. Према ГГИИ, течне батерије брзо продиру у хибридне апликације за складиштење енергије. Од јануара до новембра 2024. године, пројекти хибридног складиштења енергије потпуно ванадијумских батерија са течним протоком + литијум гвожђе-фосфатних батерија (ЛФП) чинили су скоро 60% кинеских пројеката лицитирања за батерије са течним протоком. Како цена батеријских система са течним протоком наставља да опада, очекује се да ће 2. пасти на мање од 2026МБ/Вх.
Складиштење енергије водоника: ускладиштени водоник се може претворити у електричну енергију и користити у различитим секторима као што су металургија и транспорт
Енергија водоника је јасно подељена према различитим категоријама. У ужем смислу, складиштење енергије водоника се врти око процеса конверзије „електрична енергија-водоник-струја”. Када постоји вишак снабдевања електричном енергијом, посебно током невршних сати, ова електрична енергија се може у потпуности искористити за енергично обављање великих активности производње водоника, успешно и вешто претварање електричне енергије у енергију водоника за правилно складиштење. Ова врста енергије водоника може се користити као резервна енергија и испоручивати низводно повезаним индустријама на захтев; може се користити и када дође до вршне потражње за електричном енергијом и потражња за електричном енергијом нагло порасте. Кључна технологија горивих ћелија може се користити за брзо претварање ускладиштеног водоника у електричну енергију и преноса у мрежу на време, ефективно играјући кључну улогу у регулисању равнотеже снабдевања и потражње електричне енергије.
Складиштење енергије водоника у ширем смислу наглашава карактеристике једносмерне конверзије „електрична енергија-водоник“. Складиштени водоник се широко користи у многим областима као што су транспорт и челик. На пример, може се користити за погон возила са водоничним горивним ћелијама за вожњу и помоћ зеленој и нискоугљеничној трансформацији индустрије челика; или кроз низ сложених хемијских реакција, водоник се може претворити у вредне хемијске деривате као што су метанол и амонијак за употребу у другим индустријама као што је хемијска производња. Након конверзије и примене, водоник се више неће враћати у електричну мрежу за производњу електричне енергије.
Складиштење енергије водоника има следеће значајне предности:
1) Дугорочно: Кључни елементи дугорочног складиштења енергије су мобилност носилаца енергије и раздвајање капацитета и снаге. Иако пумпно складиште и складиште енергије компримованог ваздуха имају мобилност енергетских носача, њихова примена је ограничена географским положајем. Насупрот томе, складиштење енергије водоника је погодније за дуготрајне потребе пуњења и пражњења од више од 4 сата и може постићи сезонски пренос енергије. Његово просечно непрекидно време пражњења може да достигне 500-1000 сати. Стопа самопражњења акумулације енергије водоника је изузетно ниска, скоро нула, што му омогућава да се прилагоди циклусима складиштења енергије дужим од једне године без географских ограничења.
2) Велики капацитет: Густина енергије складиштења енергије водоника у течном водонику може да достигне 143 МЈ/кг (око 40кВх/кг), што је више од 100 пута више од електрохемијског складиштења енергије као што су литијумске батерије; у смислу калоријске вредности, калоријска вредност водоника може да достигне 120МЈ/кг, што је 3-4 пута више од традиционалне фосилне енергије као што су угаљ, природни гас и нафта. Складиштење енергије је једна од ретких метода складиштења енергије која може да ускладишти више од 100 ГВх енергије.
Поређење времена пражњења и перформанси капацитета у различитим технологијама складиштења енергије
3) Међурегионално: Водоник се може транспортовати на различите начине, укључујући гасовите, течне и чврсте облике. Складиштење енергије водоника није ограничено мрежом за пренос и дистрибуцију енергије и може постићи међурегионалну регулацију вршног оптерећења. Међутим, електране за складиштење електрохемијске енергије ограничене су електричном мрежом и условима транспорта и тешко је постићи међурегионалну регулацију вршног оптерећења. Посебно у развоју енергије ветра на мору, са великим развојем енергије ветра на мору, пренос и потрошња енергије на мору постали су изазов. Коришћење енергије ветра на мору за производњу водоника може ефикасно решити проблеме великог повезивања на мрежу и потрошње енергије ветра на мору и високе цене преноса енергије у дубоком мору.
За водоник се може рећи да је крајњи облик енергије. Водоник се може произвести електролизом воде, која је скоро неисцрпна; може да генерише електричну енергију реагујући са кисеоником, а производи се само вода, што је заиста нулта емисија угљеника. Међутим, изазови са којима се суочава складиштење и транспорт водоника су такође озбиљни. Посебна физичка и хемијска својства водоника су праћена ризицима по безбедност током транспорта, било у гасу под високим притиском или у течности ниске температуре. Поред тога, ниска густина водоника доводи до његове ниске ефикасности транспорта. Чак и под условима високог притиска, тешки камион од 49 тона може да превезе само око 300 килограма водоника. Изузетно ниска тачка кључања течног водоника захтева од нас да уложимо огромне трошкове технологије и енергије у одржавање његовог течног стања.
Што се тиче тога када ће складиштење енергије водоника постати главна индустрија, верујемо да постоје две кључне фазе на које вреди обратити пажњу:
Прва прекретница: На глобалном нивоу, политике су постављене да подрже развој складиштења енергије водоника. Министарство индустрије и информационих технологија је у новембру 2024. године јавно затражило мишљење о „Акционом плану за квалитетан развој нове производне индустрије за складиштење енергије“ (Нацрт за коментаре). Мишљења су истакла развој технологија за дуготрајно складиштење енергије, као што је компримовани ваздух, и одговарајући напредни распоред технологија за дуготрајно складиштење енергије као што је складиштење енергије водоника. Активно охрабрујте топлотну енергију да разумно конфигуришете ново складиште енергије и проширите нове сценарије примене енергије као што су складиштење водоника на ветру и сунца. Истражите употребу обновљиве енергије за производњу водоника у областима где је нова енергија богата, а локални капацитет апсорпције мали, као што су пустиње, Гоби и пустош.
Друга прекретница: Када се производња водоника из енергије ветра на мору и технологија складиштења водоника у чврстом стању комерцијализују, очекује се да ће енергија водоника играти кључну улогу у производњи индустријских поља као што су челик и цемент, као и зелени метанол и други производи. Очекује се да ће до 2035. године капацитет производње енергије водоника достићи 5 трилиона јуана, постајући важна сила у енергетској индустрији. На страни трошкова, тренутни трошкови изградње водоничних станица су високи. Цена изградње стандардне водоничне станице је најмање 2 милиона америчких долара, око 15 милиона јуана, а цена система за хидрогенацију под високим притиском је чак 20 милиона јуана. Међу њима, компресори водоника чине 30% трошкова водоничних станица. Суочене са изазовом ограниченог простора за смањење трошкова, домаће компаније које се баве компресором водоника хитно морају да повећају технолошке иновације како би постигле исплативост и тржишну конкурентност.
Хибридно складиштење енергије: Интегрисање вишеструких технологија складиштења за постизање ефекта '1+1>2'
хибридни систем за складиштење енергије паметно интегрише две или више различитих технологија складиштења енергије у једну. Циљ му је да учи од предности многих и да у потпуности искористи јединствене предности различитих технологија складиштења енергије, чиме се постиже ефикасније и флексибилније складиштење енергије и фини циљеви управљања.
Хибридно складиштење енергије привукло је велику пажњу у индустрији јер може постићи ефекат „1+1>2“ кроз своје предности јаких комплементарних перформанси, вишеструких функција, дисперзије ризика и високе свеобухватне ефикасности. Године 2022., у „14. петогодишњем плану за развој новог складишта енергије“ који су објавили Национална комисија за развој и реформу и Национална управа за енергетику је наведено да ће промовисати заједничку примену више технологија складиштења енергије у комбинацији са потребама система и спровести пилот демонстрације композитног складиштења енергије.
Из перспективе класификације, хибридно складиштење енергије покрива интеграцију батерија и батерија, као што је комбинација батерија различитих хемијских система, која користи разлике у њиховим одговарајућим карактеристикама пуњења и пражњења како би се постигло стабилно снабдевање енергијом у сваком тренутку; батерије и суперкондензатори су комбиновани, први обезбеђује дугорочне резерве енергије, а други се ослања на ултра-велику густину снаге да брзо реагује у тренутним сценаријима потражње велике снаге како би се попунио енергетски јаз; треће, батерије и замајци раде заједно, а замајци се ослањају на ротацију великом брзином за складиштење енергије, што може са лакоћом да се носи са краткорочним и високофреквентним флуктуацијама снаге, допуњујући батерије како би се осигурала стабилна излазна снага; постоји и комбинација батерија и складиштења водоника, која користи високу густину енергије водоника и флексибилне карактеристике конверзије да прошири границе времена складиштења енергије.
Тренутно, литијум-гвожђе-фосфатне батерије доминирају у пољу електрохемијског складиштења енергије у мојој земљи. Међутим, један пут технологије литијум гвожђе фосфата има инхерентне недостатке, а хибридно складиштење енергије то може ефикасно да надокнади. Када се одређена технологија складиштења енергије изненада поквари или поквари, друге пратеће технологије могу да преузму време како би континуирано обезбедиле складиштење и ослобађање енергије и одржале стабилан рад система.
Тренутно се постепено спроводи примена пројеката који комбинују литијумске батерије са другим техничким правцима, а разне нове технологије складиштења енергије међусобно сарађују како би задовољиле потребе вишеструких сценарија. Према ГГИИ-у, међу пројектима за лицитирање кинеских батерија за проток од јануара до новембра 2024., хибридни пројекти за складиштење енергије са потпуно ванадијумским протоком + литијум-гвоздено-фосфатне батерије (ЛФП) чинили су скоро 60%. Према ЦЕСА-и, од јануара до октобра 2024. године, укупно 10 хибридних пројеката складиштења енергије у мојој земљи има новоинсталисане капацитете, са укупном скалом од 1.4ГВ/4.6ГВх, што чини 7.92% капацитета, просечним трајањем од 3.28 сати и укупном инвестицијом од више од 6.7 милијарди РМБ.
Остала нова складиштења енергије: многи чамци се такмиче, сви имају могућности
1) Складиштење енергије компримованог ваздуха: Компримујте ваздух и складиштите га у резервоару за гас, а затим користите уређај за конверзију енергије за претварање ваздуха у резервоару за гас у механичку енергију или електричну енергију, чиме се остварује складиштење и ослобађање енергије. Технологија складиштења енергије компримованог ваздуха има предности великог капацитета, дугог циклуса складиштења енергије, кратког циклуса изградње и релативно флексибилног распореда локације. Медијум за складиштење је само ваздух и не постоји опасност од експлозије. У поређењу са пумпним складиштем, није ограничен географским условима. Очекује се да ће постати важан додатак у области великих електрана за складиштење енергије (>100МВ) када се комбинује са другим технологијама складиштења енергије. Његово време пражњења може достићи више од 4 сата.
2) Складиштење енергије замашњака: Енергија се складишти кроз велику брзину ротације замајца, а затим се претвара у електричну енергију или топлотну енергију преко уређаја за опоравак енергије. Складиштење енергије замашњака се углавном фокусира на његову улогу у регулацији фреквенције мреже. Замајац може да игра улогу углађивања и успоравања мреже на време како се мрежа мења, постајући алтернатива регулацији фреквенције топлотне енергије.
3) Складиштење енергије гравитације: Претварањем гравитационе потенцијалне енергије у електричну енергију постиже се складиштење и ослобађање енергије. Његова предност је у томе што не треба да преноси електричну енергију удаљеним корисницима преко високонапонских далековода, има високу ефикасност конверзије енергије и не ствара много загађења животне средине. Ефикасност конверзије система је 80%-90%, а животни век је 25-40 година.
