Neexistuje konsenzus o nadradenosti batérií na skladovanie energie, ale smer vývoja je založený najmä na zosúladení technológie a aplikačných scenárov. Prevádzkovatelia sietí, majitelia domov a priemysel majú odlišné priority, od nákladov a životnosti až po bezpečnosť, škálovateľnosť a výkon pri záťaži. S rastom výroby obnoviteľnej energie sa batérie na skladovanie energie už nepovažujú za záložný zdroj energie, ale skôr za kľúčové infraštruktúrne aktívum, ktoré pomáha vyrovnávať dodávky, minimalizovať obmedzenia a zvyšovať odolnosť.

Väčšina ľudí sa v prvých minútach výskumu stretne s tým, že lítium-iónové systémy zahlcujú trh. Alternatívy, ako sú prietokové batérie, sodíkové iónové a polovodičové batérie, však priťahujú záujem, pretože potenciálne riešia problémy týkajúce sa nákladov, surovín a dlhodobého skladovania. Tieto kompromisy je dôležité pochopiť predtým, ako sa začneme rozhodovať, ktorá technológia je najlepšia.

Ako vyhodnotiť batériu na skladovanie energie

V skutočnosti je pred porovnaním chemických zložiek užitočné určiť, čo znamená byť „najlepší“ z hľadiska merateľných parametrov.

Dôležité výkonnostné štandardy

Hustota energie je mierou toho, koľko energie batéria udrží v pomere k svojej hmotnosti alebo objemu. Vysoká hustota je nevyhnutná pre elektromobily a aplikácie s obmedzeným priestorom, ale menej pre stacionárne skladovanie v sieti.

Cyklus života udáva počet cyklov nabitia a vybitia, ktoré môže batéria prevádzkovať, kým sa jej kapacita nezníži o určitú hodnotu. Dlhá životnosť cyklu znižuje celkové náklady na vlastníctvo, najmä pri systémoch, ktoré sa denne zapájajú do siete.

Efektivita spiatočnej cesty hovorí, koľko energie zostáva na konci skladovania. Zvýšená účinnosť znižuje prevádzkové straty a zvyšuje hospodárnosť systému.

Požiadavky na inštaláciu, poistné a prijatie verejnosťou sú ovplyvnené bezpečnosťou a tepelnou stabilitou.

Rozhodujúcim faktorom pri zavádzaní vo veľkom meradle zostáva ekonomika na kilowatthodinu (kWh). Batéria s vyššou technológiou by stále mohla byť komerčnou katastrofou, ak by boli náklady príliš vysoké.

Problém je v tom, že tieto ciele sa často vzájomne vylučujú. Konštrukcie batérií s vysokou hustotou energie môžu ohroziť ich životnosť alebo konštrukcie s vysokým výkonom a dlhou výdržou môžu byť menej účinné.

Lítium-iónové batérie

V oblasti spotrebnej elektroniky aj nasadenia v rozvodnej sieti dominovali lítium-iónové batérie. Ich úspech pramení z optimalizovanej kombinácie vysokej energetickej hustoty, dobrej účinnosti a vyspelej výrobnej infraštruktúry.

Prečo je dnes lítium-iónová batéria víťazom

Lítium-iónové systémy majú vo všeobecnosti účinnosť pri každom nabíjaní a vybíjaní vyššiu ako 90 percent, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie s častým cyklovaním. Ich modularita umožňuje škálovanie od domácich systémov až po sieťové kapacity s kapacitou viacerých gigawattov.

Štúdia s názvom Správa o systémoch skladovania energie v batériách, ktorú publikovalo americké ministerstvo energetiky, zistila, že lítium-iónové batérie v súčasnosti tvoria väčšinu inštalovanej kapacity batérií na ukladanie energie vďaka klesajúcim nákladom, vysokej účinnosti a zavedeným dodávateľským reťazcom.

Obmedzenia lítium-iónových batérií

Napriek svojej dominancii na trhu čelia lítium-iónové batérie viacerým obmedzeniam:

• Spolieha sa na kritické ťažené minerály, ako je lítium, kobalt a nikel
• Riziko tepelného úniku, ktoré si vyžaduje zložitý bezpečnostný systém
• Zhoršenie pri vysokej teplote alebo hlbokom vybití.
• Skladovanie dlhšie ako 6 – 8 hodín nie je ekonomicky výhodné.

Tieto obmedzenia podnietili skúmanie iných možností, ktoré sú vhodnejšie na dlhodobé skladovanie a ktoré sú udržateľné z hľadiska materiálov.

Prietokové batérie: Navrhnuté pre dlhodobé skladovanie

Prietokové batérie ukladajú energiu v tekutých elektrolytoch uchovávaných v externých nádržiach, takže energetická kapacita je oddelená od výstupného výkonu. Táto konštrukcia ich robí ideálnymi pre aplikácie na úrovni siete.

Výhody prietokových batérií

• Dlhá životnosť presahujúca 10 000 cyklov
• Malé zhoršenie v dôsledku hlbokého vybitia
• Zvýšená bezpečnosť – s nehorľavými elektrolytmi
• Škálovateľné so zväčšujúcou sa veľkosťou nádrže

Najrozvinutejším typom redoxnej prietokovej batérie je vanádová redoxná prietoková batéria, hoci železo a organické elektrolyty sa stávajú konkurencieschopnými možnosťami na zníženie nákladov.

Kde prietokové batérie vynikajú

Prietokové systémy sú vhodné pre aplikácie, ktoré vyžadujú stabilný energetický výstup počas dlhého obdobia, ako je napríklad vyvažovanie veternej a solárnej energie v sieťach alebo dodávanie energie do mikrosietí v lokalitách mimo siete. Keď priestor nie je problémom, ich nižšia hustota energie je menej problematická.

Sodík-iónové batérie: Cenovo výhodná alternatíva

Technológia sodíkových iónov nahrádza lítium oveľa hojnejším sodíkom, čo umožňuje menšiu závislosť od kritických dodávateľských reťazcov. Táto chémia je stále v počiatočnom štádiu, ale vzbudila záujem ako potenciálne lacnejšia možnosť stacionárneho skladovania.

Silné body

• Bohaté zásoby surovín znižujú dlhodobú cenovú volatilitu
• Lepšia bezpečnosť ako niektoré lítiové chemické zloženia
• Funguje dobre v chladnom počasí

Súčasné výzvy

Hustota energie a životnosť sodíkovo-iónových batérií sú nižšie ako u najlepších lítium-iónových batérií. Napriek tomu by tieto nevýhody mohli byť prijateľné pre skladovanie v sieti – kde hmotnosť a objem predstavujú len vzdialenú tretinu za nákladmi a kapacitou.

Polovodičové batérie: vysoký potenciál, obmedzená dostupnosť

Očakáva sa, že polovodičové batérie, ktoré používajú pevné namiesto kvapalných elektrolytov, umožnia podstatné zvýšenie bezpečnosti a hustoty energie. Boli predmetom mnohých diskusií, ale doteraz sa im nepodarilo dosiahnuť široké komerčné nasadenie.

Potenciálne výhody

• Elektrolyty, ktoré sú nehorľavé, takže plne polovodičové batérie majú nižšie riziko požiaru.
• Vyššia hustota energie umožňuje kompaktnejšie
• Dlhšia životnosť vďaka menšiemu počtu vedľajších reakcií.

Bariéry adopcie

Zložitosť výroby polovodičových batérií, ako aj ich vysoké náklady, znamenajú, že zatiaľ sú obmedzené na pilotné projekty a špecializované aplikácie. Ich zásadný vplyv bude závisieť od pokroku v škálovateľnej výrobe.

Prispôsobenie technológie batérií prípadom použitia

Rôzne aplikácie majú rôzne priority z hľadiska výkonu. Tabuľka nižšie ukazuje porovnanie hlavných typov batérií, pokiaľ ide o bežné požiadavky na skladovanie energie.

Toto porovnanie ukazuje, že neexistuje jedna najlepšia technológia batérií na skladovanie energie pre všetky prípady. Každá z nich je skôr prispôsobená konkrétnemu segmentu trhu, ktorý je daný technickými a ekonomickými obmedzeniami.

Nové trendy, ktoré budú formovať budúcnosť

Rôzne trendy budú formovať, ktoré technológie batérií získajú na popularite v nasledujúcich desiatich rokoch.

Prechod na dlhodobé skladovanie

S rastúcim podielom obnoviteľných zdrojov energie potrebujú energetické systémy skladovanie energie rádovo 10 – 100 hodín, a nie niekoľko hodín. Prietokové batérie, systémy stlačeného vzduchu a hybridy by mohli byť v tejto oblasti aktívnejšími hráčmi.

Diverzifikácia dodávateľského reťazca

Obavy týkajúce sa zdrojov nerastných surovín zvyšujú nárast chemických procesov s použitím sodíkových iónov a iných materiálov, ktoré sa nachádzajú v hojnom množstve. To by mohlo viesť k posunu v globálnej výrobe batérií.

Hybridné systémy na skladovanie energie

Je čoraz viac možné kombinovať batérie rôznych typov v jednom systéme. Napríklad lítium-iónové batérie sa dajú použiť na rýchlu odozvu a prietokové batérie na trvalý výkon, čím sa dosahuje najlepší výkon a cena.

Aká je „najlepšia“ batéria na skladovanie energie?

Ideálna batéria na skladovanie energie nie je určená len chémiou, jej výkon musí zodpovedať požiadavkám aplikácie. Vďaka svojej účinnosti, klesajúcim cenám a výrobným skúsenostiam je lítium-iónová batéria dominantnou technológiou pre väčšinu súčasných implementácií. Prietokové batérie sú vhodnejšie pre aplikácie s dlhou výdržou a vysokým počtom cyklov. Sodík-iónové batérie poskytujú sľubné nízkonákladové riešenie pre stacionárne skladovanie a polovodičové technológie sú z dlhodobého hľadiska evolučným riešením.

Pre osoby s rozhodovacou právomocou je pragmatickou metódou začať s potrebami prípadu použitia (trvanie, cieľové náklady, bezpečnostné obmedzenia a dostupný priestor) a potom sa pozrieť na technológie, ktoré najlepšie zodpovedajú týmto požiadavkám. Pilotné inštalácie a hybridné systémy môžu zmierniť riziko a umožniť budúce vylepšenia.