211service.com
Hoe een nieuwe klasse startups werkt aan het oplossen van de rasteropslagpuzzel
Conceptuele afbeelding van een batterij gemaakt van een rubiks kubuspuzzel Nicholas Ortega
Hier is het probleem: zonnepanelen en windturbines zijn goedkope, schone, betrouwbare bronnen van elektriciteit, totdat ze dat niet zijn. De zon gaat onder; de windvlaggen. Ze kunnen niet alleen een elektriciteitsnet van stroom voorzien.
Kolen- en aardgascentrales kunnen vandaag de dag de leemtes opvullen. Maar naarmate klimaatregels meer van deze koolstofspuwende bronnen sluiten, zullen er uiteindelijk dagen of zelfs weken per jaar zijn dat hernieuwbare energiebronnen niet genoeg zullen zijn om de lichten aan te houden. Er zal iets anders moeten ingrijpen.
Form Energy is ervan overtuigd dat dat iets een batterij zou kunnen zijn. Maar het zou een batterij moeten zijn die de wereld nog nooit heeft gezien.
Om zo goedkoop, betrouwbaar en flexibel te zijn als aardgas, zou een dergelijk batterijsysteem minder dan $ 10 per kilowattuur moeten kosten. De beste netbatterijen van vandaag, grote lithium-ionsystemen, kost honderden dollars per kilowattuur (nauwkeurige schattingen) variëren ). Het kan zelfs tientallen jaren duren voordat die prijs onder de $ 100 daalt.
Het is een enorme sprong. Maar de oprichters van Form denken dat ze dat doel kunnen bereiken door grote batterijen te ontwikkelen die afhankelijk zijn van extreem goedkope, energierijke materialen. We denken dat we daar kunnen komen, zegt MIT-professor Yet-Ming Chiang, medeoprichter en hoofdwetenschapper bij Form. We denken dat we technologie kunnen afstemmen op die eisen.
Een goedkope, duurzame vorm van energieopslag die overal kan worden gebouwd, komt ongeveer het dichtst in de buurt van een zilveren kogel voor het opruimen van de energiesector. Het zou optimaal profiteren van de sterk dalende kosten van zon en wind, zonder veel van de milieu-, veiligheids- of esthetische problemen die worden veroorzaakt door andere manieren om fluctuerende hernieuwbare energiebronnen in evenwicht te brengen.
Het raadsel van de rasteropslag
Form, gevestigd in Somerville, Massachusetts, trok de aandacht van de batterijwereld toen het in 2017 werd opgericht. Chiang is een van 's werelds beste batterijwetenschappers. Hij heeft honderden wetenschappelijke artikelen gepubliceerd, heeft meer dan 80 patenten , en heeft zes startups mede opgericht. Verschillende hebben verdiend waarderingen van meer dan $ 1 miljard , met inbegrip van A123-systemen , dat lithium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen maakt.
CEO van Form, Matthew Jaramillo , heeft eerder een business unit van Tesla geassembleerd en geleid die batterijsystemen voor woningen verkoopt en is nu aan het bouwen sommige van de grootste netwerkbatterijprojecten rond de wereld. Tot op heden heeft Form ongeveer $ 50 miljoen opgehaald bij Bill Gates's Breakthrough Energy Ventures, de Italiaanse energiegigant Eni en anderen.
Het oprichtende team van Form Energy. Hoffelijkheid: vorm energie
Een golf van eerdere netopslagbedrijven faalde (zie Waarom er slechte dingen gebeuren met startups voor schone energie). Form is slechts een van de vele die onlangs geld hebben ingezameld om het probleem opnieuw aan te pakken.
De belangrijkste opslagbehoefte op het netwerk van vandaag staat bekend als intraday-opslag. Het levert gedurende een paar uur snelle stroomstoten om de discrepantie tussen opwekking en vraag gedurende de dag en in ieder geval tot in de vroege avond weg te werken.
Een groeiend deel van die opslag komt van lithium-ionbatterijen, die ook telefoons, laptops en elektrische auto's van stroom voorzien en steeds goedkoper en krachtiger worden. De hoeveelheid geïnstalleerde energieopslag in het elektriciteitsnet steeg vorig jaar met bijna 150% tot zes gigawattuur, volgens onderzoeksbureau Wood Mackenzie . Dat is bijna het dubbele van het gemiddelde tarief in de afgelopen vijf jaar, en lithium-ionsystemen waren verantwoordelijk voor het grootste deel van de stijging.
Tesla is bijvoorbeeld van plan om bouw honderden van zijn nieuwe drie megawattuur Megapak batterijsystemen in Moss Landing, Californië. De projecteren , dat ook andere ontwikkelaars van energieopslag omvat, zou een drietal decennia-oude gascentrales vervangen op de site die wordt gerund door Calpine, een groot Amerikaans energiebedrijf.
Telsa's grid-batterijfabriek in Kaua'i, Hawaii. Hoffelijkheid: Tesla
Ondertussen is een groeiend aantal ontwikkelaars van hernieuwbare energie, zoals Recurrent Energy en First Solar, voorstellen van gigantische zonneparken in combinatie met enorme batterijopslagsystemen , waardoor de centrales nog uren na zonsondergang stroom kunnen blijven leveren.
Maar de zon en de wind vervagen niet alleen voor uren; soms dompelen ze dagen of weken onder. Als we vooral willen overschakelen op hernieuwbare energiebronnen, hebben we veel meer opslagruimte nodig die veel langer meegaat.
Met de huidige batterijtechnologie zouden de kosten omhoogschieten, zegt Jesse Jenkins, een assistent-professor aan Princeton die onderzoek doet naar energiesystemen. Het zou banken op banken van lithium-ionbatterijen vereisen, waarvan vele slechts een paar keer per jaar kunnen worden gebruikt. We zouden ook meer zonne- en windparken moeten bouwen om genoeg overtollige elektriciteit op te wekken om ze op te laden. (Zie De 2,5 biljoen dollar reden waarom we niet op batterijen kunnen vertrouwen om het elektriciteitsnet op te schonen.)
De economie brokkelt af in dit scenario. Als deze activa geacht worden driekwart van het jaar inactief te zijn, heb je de effectieve kosten zojuist met 4x verhoogd, zegt Don Sadoway, een MIT-chemicus die medeoprichter was van Ambri, dat een batterij van vloeibaar metaal heeft ontwikkeld die lang meegaat ongeveer een uur langer dan lithium-ionen.
Maar het is eigenlijk nog erger. We zouden hernieuwbare energiebronnen en opslag moeten overbouwen om aan de vraag te voldoen tijdens de zeldzaamste gebeurtenissen: de langdurige eb of vloed in zon of wind die om de paar jaar, misschien zelfs eens in de tien jaar plaatsvindt.
Regio's hoeven dit probleem niet volledig op te lossen door middel van opslag. Vergadering gewoon een klein aandeel van de totale vraag via andere middelen zou de kostendoelstellingen die opslagbedrijven zouden moeten halen, verlichten, ander onderzoek toont aan . Dat kunnen kernreactoren zijn, waterkrachtcentrales, aardgascentrales met systemen die koolstofemissies opvangen, of langeafstandstransmissielijnen die hernieuwbare energiebronnen in tijdzones in evenwicht kunnen brengen. Maar die opties zijn politiek impopulair, duur, geografisch beperkt, of alle drie. Batterijen hebben het voordeel dat ze mensen niet erg lastig vallen.
We moeten vandaag over deze toekomstige problemen nadenken, want de ontwikkeling van de noodzakelijke technologieën kan jaren, zo niet decennia duren. Gebieden met een groot aandeel hernieuwbare energie, zoals Californië en Duitsland, produceren al meer zonne- of windenergie dan het net in bepaalde periodes kan gebruiken, wat de economische prikkels om meer te bouwen ondermijnt. Veel meer regio's beginnen zich te realiseren dat er een gapende kloof is die sommige technologie zal moeten dichten als ze hopen fossiele brandstoffen te elimineren.
Aanpak van formulier
Het ontwikkelen van goedkope batterijen met een lange levensduur heeft onderzoekers al tientallen jaren tot wanhoop gedreven, vooral omdat de metalen en chemicaliën die tot nu toe het beste hebben gewerkt, duur zijn. Als u ze gebruikt om aan langere opslagbehoeften te voldoen, moet u er steeds meer van stapelen. Vorm wordt bewaakt over de manier waarop het deze uitdagingen probeert te omzeilen, maar een deel van de aanpak van het bedrijf blijkt duidelijk uit een paper die Chiang en collega's eind 2017 in het tijdschrift Joule publiceerden (zie de nieuwe onderneming van een seriële batterijondernemer pakt het grootste probleem van schone energie aan).
Vorm energie
Form Energy werd opgericht in 2017, toen MIT-spin-out Baseload Renewables fuseerde met Verse Energy, dat werd gestart door Mateo Jaramillo, die eerder de energieopslagactiviteiten van Teslau2019 leidde. Het bedrijf heeft tot nu toe ongeveer $ 50 miljoen opgehaald.
oprichters
Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
nBilly Woodford, 24M
nTed Wiley, Aquion Energy
Financiers
Baanbrekende energie-ondernemingen
nEni Group
nPrelude Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s De motor
nSaudi Aramco
nHet Department of Energyu2019s ARPA-E-programma
Alle batterijen bevatten twee basiscomponenten: een elektrolyt, meestal een vloeibare chemische stof, en een paar elektroden, de anode en de kathode, die van verschillende materialen zijn gemaakt (vaak, maar niet altijd, metalen). Geladen atomen, ook wel ionen genoemd, voeren stroom door de elektrolyt tussen de twee elektroden wanneer de batterij wordt opgeladen of ontladen. In lithium-ionbatterijen is de elektrolyt een verbinding van lithium gemengd met andere chemicaliën.
In de paper van 2017 benadrukten Chiang en zijn collega's het potentieel van een luchtademende waterige zwavelstroombatterij. Een stroombatterij begint het kostenprobleem te omzeilen door de elektriciteitsleverende componenten van de batterij, inclusief de elektroden, te scheiden van het energieopslaggedeelte, de elektrolyt.
Een standaardstroombatterij heeft twee verschillende elektrolyten, bekend als de katholiet en de anoliet, die elk kunnen worden opgeslagen in grote, gemakkelijk verwisselde tanks. Dus als je meer opslagruimte wilt, kun je gewoon grotere tanks toevoegen terwijl die andere dure onderdelen, inclusief de elektroden, hetzelfde blijven.
Maar om het echt goedkoop te maken, moeten de elektrolyten die die gigantische tanks vullen ook goedkoop zijn. De sleutel tot de stroombatterij in de Joule papier is het gebruik van een op zwavel gebaseerde oplossing als anoliet. Zwavel is een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst en is ook een bijproduct van brandstofraffinage, dus het is extreem goedkoop en kan veel energie opslaan.
Op basis van de opgeslagen lading per dollar, was zwavel meer dan een factor 10 beter dan het op één na beste, vertelde Chiang me in 2017.
Al met al zouden de chemische kosten in zo'n stroombatterij volgens de studie zo laag kunnen zijn als $ 1 per kilowattuur.
Toen ik afgelopen augustus met Chiang sprak, bevestigde hij dat zwavel zeker nog steeds deel uitmaakt van onze routekaart. Hij zei dat het de aanpak is die ze gebruiken in een project gefinancierd door het Moonshot ARPA-E-programma van het Department of Energy . Maar Form zegt dat het nu meerdere chemieën ontwikkelt, hoewel het niet wil zeggen wat de andere zijn.
Yet-Ming Chiang, een MIT-professor en medeoprichter van Form Energy. Simon Simard
Hoewel de meeste grid-opslagbedrijven zich alleen op het opslaggedeelte concentreren, heeft Jaramillo ook gezegd: ze onderzoeken de mogelijkheid van bidirectionele energiecentrales , die ter plaatse hernieuwbare energie zou opwekken met behulp van zonne- of windenergie, deze zou opslaan in grote batterijen en indien nodig aan het net zou leveren.
Andere paden naar langdurige opslag
Maar een elektrochemische batterij, of die nu gebaseerd is op zwavel- of lithium-ionchemie of iets anders, is slechts één manier om grote hoeveelheden energie op te slaan.
Begin september verdrong een groep ingenieurs zich rond een gedrongen, zilveren cilinder ter grootte van een grilltank achterin een rommelige werkplaats in het Lawrence Berkeley National Lab, genesteld in de heuvels met uitzicht over de Baai van San Francisco. Afgezien van hun intense blik op het aangrenzende computerscherm, was de enige aanwijzing dat er iets aan het werk was een oranje gloed die zichtbaar was in een klein venster aan de onderkant van het apparaat.
De onderzoekers van Antora Energy ontwikkelen een nieuw type WKO. Het is een zelden gebruikte benadering dat energie vasthoudt in de vorm van extreme hitte of koude in een verscheidenheid aan stoffen, zoals ondergrondse rotsen of ijsblokken. In het geval van Antora was de substantie in de tank een blok koolstof dat op dat moment ruim boven de 2.000 ˚C liep.
De hoop is dat ze overtollige elektriciteit van zonne- of windparken kunnen gebruiken om dat materiaal op te warmen en de warmte vervolgens weer om te zetten in elektriciteit wanneer dat nodig is. Typisch bij thermische opslag gebeurt dit nog steeds in de zeer inefficiënte 19e-eeuwse stijl: door stoom te creëren die een turbinegenerator aandrijft. Maar de meeste energie wordt verspild als gevolg van mechanische wrijving, stoomlekken en andere problemen.
Antora test een nieuw thermofotovoltaïsch systeem. Het is zoiets als een zonnepaneel, maar het zet de infrarode straling die van een heet object komt, in plaats van zonlicht, om in elektriciteit. Eind september maakten de onderzoekers bekend dat ze een nieuw record hadden gevestigd door in een laboratoriumexperiment meer dan 30% procent van de warmte die naar de cel stroomt terug om te zetten in elektriciteit. Ze streven naar een efficiëntie van meer dan 50%.
Mechanische methoden bieden een andere benadering van rasteropslag. Dat omvat het pompen van lucht in ondergrondse grotten, het laten rijden van met rotsen gevulde treinen over heuvels of het overbrengen van water tussen reservoirs op verschillende hoogten. Al deze werken op ongeveer dezelfde manier, met behulp van reserve-energie wanneer deze beschikbaar is om iets naar een grotere hoogte te verplaatsen of onder druk te zetten. Wanneer het vervolgens wordt vrijgegeven, kunnen we de kinetische energie van de ontsnappende lucht of dalende treinen of water benutten om elektriciteit op te wekken.
Opgepompte waterkracht is inderdaad verreweg onze goedkoopste en meest overvloedige bron van energieopslag in het elektriciteitsnet. Het probleem is dat je niet altijd genoeg water of heuvels hebt in de buurt van elke energiecentrale.
In het kader van het DAYS-programma heeft ARPA-E: meer dan $30 miljoen geïnvesteerd in 12 startups of onderzoeksgroepen die het probleem van grid storage proberen op te lossen. Deze omvatten Form's flow-batterijen en Antora's thermische systeem, evenals Quidnet Energy's draai aan gepompte hydro: het startup-systeem van San Francisco pompt water in de gaten tussen opgesloten rotsen onder de grond , waardoor druk ontstaat die het water weer omhoog en door een generator dwingt wanneer elektriciteit nodig is.
Baanbrekende energie-ondernemingen , het door Bill Gates gesteunde fonds, heeft van langdurige opslag een van de hoogste prioriteiten gemaakt. Naast Form steunt het Quidnet en Malta, een andere thermische startup die vertrouwt op gesmolten zout als opslagmedium (zie Alphabet is in gesprek om zijn gesmolten-zoutopslagspel uit te rollen).
Ondertussen heeft het Japanse conglomeraat SoftBank onlangs $ 110 miljoen geïnvesteerd in de Zwitserse startup Energy Vault voor mechanische opslag, die kranen en draden gebruikt om betonblokken op te stapelen wanneer hernieuwbare energiebronnen overtollige elektriciteit opwekken. Vervolgens laat het die blokken op dezelfde draden op de grond vallen en gebruikt hun momentum om de motoren in de kranen in omgekeerde richting te draaien en elektriciteit weg te pompen. ( Deze video maakt het concept duidelijker.)
Het onconventionele karakter van sommige van deze ideeën laat zien hoe moeilijk het is voor technologieën om die sprong te maken van het opslaan van een paar uur naar een paar weken aan energie.
Als we het hebben over het vastleggen van bijvoorbeeld een maand of twee maanden aan energie in de zomer en het beschikbaar hebben voor een maand of twee maanden in de winter, dan zijn dat gigantische sommen energie, zegt Sadoway. Hoeveel treinladingen stenen heb je?
Zeer grote ifs
De meeste mechanische methoden zoals treinen of kranen vereisen enorme hoeveelheden ruimte. Thermische methoden zijn inherent inefficiënt, omdat het moeilijk is om te voorkomen dat de warmte of koude weglekt. En het produceren of verbranden van de meeste vloeibare brandstoffen zorgt voor de klimaatemissies die we willen vermijden.
Batterijen hebben het voordeel dat ze schoon, compact, mobiel en efficiënt zijn. Dus als iemand ze goedkoop en duurzaam kan maken, kunnen ze op elk netwerk worden aangesloten. Dat zou wind- en zonne-energie in staat stellen om veel meer van onze elektriciteit te leveren en, op zijn beurt, schone elektriciteit om in veel meer van onze totale energiebehoeften te voorzien.
Maar dat blijven hele grote ifs. Sommige energiewaarnemers betwijfelen of Form zijn doelen kan bereiken, of vragen zich af hoeveel aardgas dergelijke batterijen zouden vervangen, zelfs als ze dat zouden doen. Van hun kant, de oprichters van het bedrijf zeggen het is op zijn minst een tien jaar durend project, met serieuze technische, financiële en marktrisico's.
Grote batterijverbeteringen vinden gemiddeld maar eens in de drie decennia plaats, en de geschiedenis van het veld is volgestopt met veel veelbelovendere benaderingen die niet uitkwamen dan die die dat wel deden.
De laatste, de lithium-iontechnologie, kwam 28 jaar geleden op de markt. We zijn toe aan een nieuwe doorbraak.