The Scattergood Generating Station i El Segundo, Kalifornien, är ett av tre naturgaskraftverk som Los Angeles planerar att ersätta med en kombination av förnybar energi och batterilagring under det kommande decenniet. Kredit:iStock
Eftersom blandningen av energikällor matar energikrävande hem, företag och industri kommer att införliva fler förnybara energikällor som vind och sol, samhället står inför en uppgörelse med vart man ska vända sig när vind och solsken lägger sig. Vad krävs för att grönare källor inte bara ska ansluta sig till fossila bränslen på det amerikanska elnätet, men till slut att förskjuta dem?
I februari 2019, Los Angeles tillkännagav planer på att fasa ut tre naturgaskraftverk till 2029 och att ersätta dem med en kombination av förnybar energi och batterilagring. Några månader tidigare, det kaliforniska bolaget Pacific Gas &Electric vann regulatoriskt godkännande för liknande planer. Man hoppades kunna ersätta en trio av naturgasanläggningar med batterilagringssystem i industriell skala, inklusive ett 730 megawattimmars projekt som ska designas och byggas av elbilsföretaget Tesla Motors. För jämförelse, de två små anläggningarna som planeras för pensionering i PG&E:s plan kan generera upp till 47,6 megawatt el vid behov, medan en större naturgasanläggning i projektet kan producera upp till 606 megawatt.
Tanken bakom båda planerna är att den nyckfulla naturen hos energi från solsken och vind skapar ett problem för operatörer som behöver matcha mängden energitillförsel hela tiden till mängden efterfrågan. Lagringsteknik, inklusive batterier, erbjuder ett sätt att upprätthålla balansen mellan utbud och efterfrågan genom att dra elektricitet från elnätet när det finns gott om förnybara energikällor och skicka tillbaka den när efterfrågan ökar eller produktionen av förnybara energikällor brister.
Både Los Angeles- och PG&E-planerna har några ovanliga faktorer. Men även så, de kan ge glimtar av en framtid där storskalig batterilagring hjälper till att underlätta för den typ av energimix som ett växande antal stater kräver. Kalifornien beordrade förra året att all dess el kommer från nollutsläppskällor senast 2045. Och lagstiftning om ren el ligger på bordet i år i delstater inklusive Minnesota, New Mexico, New York, och delstaten Washington. I Kalifornien, Tillsynsmyndigheter kräver också att PG&E och de två andra investerarägda verktygen ska skaffa minst 1,3 gigawatt energilagringskapacitet för statens elnät till 2020.
Ändå står batterier inför betydande hinder om de ska hjälpa förnybara energikällor att tränga undan fossila bränslen. Här, Simona Onori, en biträdande professor i energiresursteknik vid School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth), och Frank Wolak, som leder Freeman Spogli Institutes program för energi och hållbar utveckling, diskutera några av löftena och fallgroparna med att använda batterier för lagring av nätet, samt genomförbara alternativ.
Ur prestationssynpunkt, vilka typer av batterier är bäst lämpade för jobbet att tillhandahålla energilagring för nätet?
Simona Onori:Jämfört med andra batteriteknologier, Litiumjonbatterier är lätta och kompakta med hög lagringskapacitet för sin storlek. De är mer motståndskraftiga mot skador från överdriven urladdning och extrema temperaturer, de har en längre livslängd och de kan cykla fler gånger utan betydande kapacitetsförlust. Litiumjonenergilagringssystem kräver lite underhåll och få reservdelar och batterierna har en modulär struktur som lämpar sig för storskaliga applikationer på nätet.
Blickar framåt, förbättringar av redox- eller flödesbatterier gör dem till ett allt mer lovande alternativ för stationära applikationer. En teknik för lagring av elektrisk energi känd som superkondensatorer eller dubbelskiktskondensatorer kan också ge stora fördelar för nätet, speciellt om den används i en hybridkonfiguration med andra enheter som litiumjonbatterier. Med denna inställning, superkondensatorer skulle användas för att reglera frekvensen, tack vare deras snabba svarstider, medan batterier skulle ge energi när efterfrågan toppar. Genomförbarheten av denna lösning har inte undersökts fullt ut ännu, men det är något vi undersöker i vårt labb.
Hur mycket är känt om hur litiumjonbatterier kommer att uthärda stressen och kraven på lagring för nätet?
Onori:Prestandan och livslängden för ett batteri beror helt på hur batteriet används. Ju mer ett batteri belastas – under extrema temperaturer, till exempel – ju sämre den kommer att prestera och desto kortare kommer dess livslängd att bli. De behöver ett robust batterihanteringssystem som håller dem i drift inom sin temperatursöta punkt.
Batterispänningsfaktorer brukar sammanfattas i vad vi kallar en arbetscykel. Vi har mycket gedigen kunskap om arbetscykler i bilar, men inte mycket är känt om batteridriftscykler för nätet, mestadels på grund av bristen på fältdata. Eftersom fler och fler batterier används i nättillämpningar, mer data kommer att samlas in som så småningom kan hjälpa till att bygga korrekta modeller.
Vilka är de mest lönsamma alternativen till batterier när det gäller att lagra energi till nätet?
Frank Wolak:Historiskt sett, den mest kostnadseffektiva formen av lagring i nätskala har varit en vattenkraftsanläggning med pumplager, där vatten pumpas uppför när priserna är låga och sedan körs nedför genom en turbin för att producera el när priserna är höga.
Oro från miljögrupper och brist på pålitliga intäktskällor har hindrat nya pumpade lagringsenheter från att utvecklas på många attraktiva platser i Kalifornien. Dessutom, eftersom pumpad lagring är beroende av vissa geografiska egenskaper, såsom reservoarer som är nära på avstånd men långt ifrån varandra i höjdled, den kan inte nödvändigtvis placeras där den kan vara till störst hjälp för att upprätthålla en tillförlitlig elförsörjning.
Kan batterilagring erbjuda ett billigare alternativ till gaseldade kraftverk?
Wolak:Investeringar i lagring har en brant backe att bestiga i förhållande till befintliga naturgaseldade produktionsenheter, som ofta producerar el till ett marknadspris som ligger över produktionsenhetens marginalkostnad, som ger nettointäkter för att täcka de fasta kostnaderna för dessa produktionsenheter.
Ekonomin med lagring kan komma att förändras i framtiden till förmån för batterier, men det bästa hoppet för lagring på kort sikt är ett högt pris på utsläpp av växthusgaser som gör det dyrare att driva naturgasanläggningar när förnybar energi inte är tillgänglig.
Energilagring är inte det enda sättet att hantera nedgångar i produktionen av förnybar energi. Vilka är några lovande alternativ?
Wolak:Vi skulle kunna flytta energianvändningen till perioder med betydande produktion av förnybar energi. I standardformen för dessa program, deltagarna bestämmer hur mycket el som ska förbrukas varje timme baserat på detaljhandelspriser som varierar tillsammans med grossistpriset per timme.
I Kalifornien, det är vanligare att leverantörer säljer efterfrågeminskningar. Enligt dessa system, om deltagarna kan minska sin efterfrågan under en viss baslinje, ett företag kommer att betala dem för den minskningen i samma takt som om de levererade ytterligare energi.
