En ofta upprepad refräng - solen skiner inte alltid, och vinden blåser inte alltid – ses ibland som ett hinder för förnybar energi. Men det är också en drivkraft mot att upptäcka de bästa sätten att lagra den energin tills den behövs.

Sjunkande kostnader för tillgänglig teknik har drivit intresset för energilagring framåt som aldrig förr. Priset på litiumjonbatterier har sjunkit med cirka 80 % under de senaste fem åren, möjliggör integrering av lagring i solenergisystem. I dag, nästan 18 % av all el som produceras i USA kommer från förnybara energikällor, som vattenkraft och vind — en siffra som förväntas stiga. Och när samhällen och hela stater strävar mot högre andelar av kraft från förnybar energi, Det råder ingen tvekan om att lagring kommer att spela en viktig roll.

Jämfört med samma period ett år tidigare, USA såg en ökning med 93 % i mängden utplacerad lagring under tredje kvartalet 2019. År 2024, den siffran förväntas toppa 5,4 gigawatt, enligt en prognos från marknadsundersökningsföretaget Wood Mackenzie Power &Renewables. Marknadsvärdet förväntas öka från 720 miljoner dollar idag till 5,1 miljarder dollar 2024. Att driva på sådan tillväxt är ett ökat fokus på att lägga till förnybara energikällor till landets elnät.

Först under det senaste decenniet har den utbredda användningen av förnybara energikällor blivit en ekonomisk möjlighet, sa Paul Denholm, en huvudenergianalytiker vid National Renewable Energy Laboratory (NREL). Han gick med i NREL för 15 år sedan och, just då, han och andra analytiker var upptagna med att planera en väg till att 20 % av landets energiförsörjning kommer från förnybara källor. Nu, de siktar mycket högre.

"Den sjunkande kostnaden för vind och sol och nu batterier gör det tänkbart att överväga 100 % förnybar energi, " han sa.

NREL:s framtidsstudie för förnybar el beräknade att 120 gigawatt lagring skulle behövas över hela det kontinentala USA år 2050, när scenariot föreställde sig en framtid där 80 % av elen kommer från förnybara resurser. Landet har för närvarande 22 gigawatt lagring från pumpad vattenkraft, och ytterligare en gigawatt i batterier.

Utplacering av lagring ett måste på Hawaii

Hawaii, som måste importera alla sina fossila bränslen och betalar ett högt pris för el som ett resultat, experimenterar med att använda batterilagring för att nå sina energimål. Staten siktar på 100 % ren energi till 2045, använda både förnybar energi och förbättrad energieffektivitet. AES Corporation, baserad i Virginia, har installerat världens största solenergi-plus-lagringssystem i den södra delen av Kauai.

Solpaneler som kan producera 28 megawatt elektricitet parades ihop med 18, 304 litiumjonbatterimoduler. Batterierna laddas under dagen och levererar energi tidigt på morgonen och kvällen när solpanelerna inte genererar elektricitet.

Systemet lagrar tillräckligt med energi för att tillgodose elbehovet i fyra timmar och eliminerar behovet av 3,7 miljoner liter bränsle årligen, enligt Kauai Island Utility Cooperative, som ger kraft till ön. Kauai genererar nu cirka 55% av sin energi via solcellssystem (PV).

NREL-forskare testade hur väl detta PV-lagringssystem skulle fungera genom att installera och utvärdera en förminskad version på Flatirons Campus.

"Du kan se simuleringar och du kan se några grafer. Det är inget så övertygande som att se en enhet i verktygsstorlek fungera, sade Przemek Koralewicz, huvudutredare på testprojektet. "Det här ger dig mycket självförtroende."

En andra AES PV-plus-lagringsanläggning som nu är under uppbyggnad vid marinens bas på Kauai kommer att tillhandahålla el till kunder efter behov men också fungera som ett isolerat mikronät för militären om strömmen skulle avbrytas. När den nya anläggningen tas i drift nästa år, cirka 60 % av elen på Kauai kommer från förnybar energi.

"Dessa två anläggningar från AES kan leverera hälften av strömmen till hela ön, " sa Koralewicz. "Under natten, de kan ge full kraft, i vissa scenarier. Det är därför det är viktigt att testa det. AES vill inte att den ska vara instabil eller ha problem."

Batteriförvaring ger ett sätt att hålla nätet stabilt, möjliggör en omedelbar balans mellan utbud och efterfrågan. Lagring är också redo att ersätta konventionell energiproduktion under toppbehov, eliminerar behovet av ytterligare växter, men begränsningar hindrar användningen av batterier. Ett kraftverk kan vara i drift i årtionden, men ett batteri måste bytas ut efter ungefär ett dussin år. Batterier har också en begränsad kapacitet, vilket innebär att de vanligtvis bara kan lagra tillräckligt med energi för att ge ström i fyra timmar.

Kostnaden för lagring är inte lätt att kvantifiera

Att fastställa kostnaden för lagring är fortfarande svårfångat. Ett ofta använt mått som kallas utjämnad energikostnad (LCOE) möjliggör en jämförelse av kostnaden för att generera el på olika sätt. Men LCOE är bara korrekt när de olika teknologierna tillhandahåller samma tjänster.

En grupp NREL-forskare, inklusive David Feldman och Robert Margolis, utvecklat en LCOE för solenergi plus lagring. "Som alla LCOEer, det har sina begränsningar i användningen, " sa Feldman. "En av utmaningarna, speciellt för förvaring, är att det finns så många olika användningsfall att kostnaden inte betyder mycket om du inte definierar värdet som systemet ger."

Att använda lagring kan spara pengar genom att minska behovet av att generera el och undvika överföringskostnader.

En NREL-författare publicerad förra året i Eltidningen fann solenergi-plus-lagring minskade energikostnader för kommersiella byggnader i mer än hälften av de 17 undersökta städerna, i vissa fall med så mycket som 24 %. Använda batterier för förvaring, Fastigheterna kunde kompensera för ett energibolags priser som kräver att användarna betalar mer under tider med hög efterfrågan.

Toppkraftverk, drivs med naturgas och slås på för att hjälpa till att möta toppefterfrågan, stöter på kostnadsjämförelser med batterier som kan lagra fyra timmars energi. För den varaktigheten, balansen tippar till fördel för batterier. Efter fyra timmar, fastän, batteriet blir dyrare.

"Anledningen till att vi har så många toppväxter är luftkonditionering, sa Denholm. Det är då vi använder mest el. En sak du kan göra är istället för att bygga ett gäng kraftverk som bara går 100 timmar om året när det är riktigt varmt, du kan lagra kall energi i form av is eller något. Gör is klockan 4 på morgonen och sedan, när det blir varmt mitt på eftermiddagen, du kan frigöra den kyllagrade energin och kyla ner ditt hus eller din byggnad."

Teknologier omfattar ett brett spektrum

"Det finns ett missförstånd. Lagring ses ofta som elektrokemisk lagring eller batterilagring, " sa Adarsh ​​Nagarajan, gruppchefen för Power System Design and Planning på NREL och som arbetar mycket med att integrera förnybar energi på nätet. "Lagring är bortom batterier. Det är bortom elektrokemiskt. Det är mycket bredare."

Department of Energy (DOE) Global Energy Storage Database räknar nästan 700 tillkännagivna lagringsprojekt, operativ, eller under uppbyggnad över hela USA som förlitar sig på otaliga teknologier. Förutom batterier, lagringsmetoderna inkluderar is, pumpad vattenkraft, värme, kylt vatten, och elektrokemiska. Ytterligare andra tekniker är under utveckling.

"Det finns ingen vinnare, ", sa Nagarajan. "Alla borde arbeta tillsammans för att uppnå ett visst mål, som är nätstabilitet och motståndskraft och för att uppfylla kundernas behov."

Men även med så många sätt att lagra energi som redan är tillgänglig, nya eller förbättrade tekniker föreslås ständigt. Forskare vid NREL utvecklade en teknik för att injicera naturgas i utarmade brunnar, patenterade en metod för att lagra trycksatt väte inuti specialdesignade vindturbiner, och förbättrade designen av litiumjonbatterier för att få dem att hålla längre.

Tydliga favoriter har dykt upp bland lagringstekniker som redan används. DOE Energy Storage Technology and Cost Characterization ReportPDF beräknade att bland batteriteknologier, litiumjonbatterier ger det bästa alternativet för fyra timmars lagring när det gäller kostnad, prestanda, och mognad av tekniken. För en längre tid, pumpad lagring vattenkraft och tryckluftsenergi lagring anses vara de bästa alternativen. Mellan dessa två, pumpad lagringsvattenkraft är den mer mogna tekniken och stod för 98 procent av den globala energilagringen som användes under 2018.

Vatten som används oftast i förvaring

Pumpad lagringsvattenkraft är ryggraden i landets lagringsförmåga. Historiskt sett, den användes för att införliva stora, oflexibel generering på kraftsystemet. För närvarande, pumpad lagring används för att hjälpa till att integrera stora mängder förnybar energi på nätet, fungerar som en möjliggörande teknik som både förbättrar tillförlitligheten och minskar kostnaderna. Pumpad lagringsvattenkraft är beroende av två reservoarer placerade på olika höjder. El som har genererats men som inte behövs omedelbart används för att pumpa vatten från den nedre reservoaren till den övre. När ström behövs, det lagrade vattnet släpps ut för att rinna nedför och driva en turbin.

"En av de verkliga utmaningarna som hydro står inför är att det kan ta åtta till tio år att få en anläggning byggd, " sa Greg Stark, vattenkraftstekniska chefen på NREL samt laboratoriets vattenkraftnätintegreringsledning. "Med tanke på all osäkerhet på elmarknaderna, människor är tveksamma till att investera i ett 10-årigt projekt."

För att hjälpa till att ta itu med dessa problem med tiden till marknaden, DOE har inlett FAST Commissioning Challenge. Tessa Greco, NREL:s nya innovativa projektledare för vattenkraft, leder tävlingen för avdelningens Water Power Technologies Office, med målet att halvera projektexekveringstiden och samtidigt minska kostnaderna och riskerna förknippade med att få pumpad lagring online. Federal Energy Regulatory Commission har också erkänt dessa utmaningar och har beordrat att licensbeslut för slutna pumpade lagringsprojekt ska fattas inom två år. Än så länge, den här typen av system – som inte är kopplat till en befintlig vattenförekomst och därmed minskar miljöhänsyn – har ännu inte byggts i USA.

Flera projekt pågår, inklusive Gordon Butte-projektet i Montana. Gordon Butte-systemet, som har tillåtits och beräknas börja byggas i år, kommer att använda två konstgjorda reservoarer och tre turbiner för att ge 400 MW kapacitet och 8,5 timmars lagring. Pumpad lagring har historiskt sett krävt en unik design- och byggstrategi för varje nytt projekt; dock, Gordon Butte-projektet presenterar en replikerbar modell, vilket kan spara pengar för potentiella utvecklare.

"Pumpad lagring kommer verkligen till sin rätt när du behöver mycket stora mängder ström under en längre tid, Stark sa. "En del av det beror på att den inkrementella kostnaden för att öka varaktigheten för pumpad lagring bara bygger en större reservoar. Det är fortfarande samma turbiner och annan infrastruktur, medan med batterilagring till exempel, om du vill ha längre varaktighet, du måste köpa fler batterier."

Säsongslagring kräver noggrann undersökning

Långsiktig energilagring definieras grovt som från 10–100 timmar. Allt utöver det anses säsongsbetonat. Vinden blåser mer på våren, så att kunna fånga den energin tills den kan användas vid behov på sommaren skapar forskningsmöjligheter. Väte, vattenkraft, och tryckluft är de mest lönsamma teknikerna för att lagra energi under långa perioder, enligt Omar Guerra och Josh Eichman, forskare vid NREL studerar värdet av säsongsbetonad energilagringsteknik.

Arbetar i partnerskap med Southern California Gas Company, NREL installerade en bioreaktor för att testa power-to-gas-teknik som ett sätt att lagra förnybar energi. Projektet, en första i USA, förlitar sig på mikroorganismer som omvandlar väte och koldioxid till metan. Metanet kan lagras i företagets pipeline för att användas senare.

Nätverket av naturgasledningar över hela USA sträcker sig över cirka 3 miljoner miles och används redan som ett lagringsfordon. "Det rör på gasen, men det är också ett sätt att lagra det, sa Keith Wipke, chef för NREL:s program för bränslecell och väteteknologi.

Vätgas kan tillsättas naturgasledningen – så mycket som cirka 10 % – eller lagras separat. En metod för att lagra väte som har föreslagits – men som ännu inte har antagits allmänt – är att skapa utrymme i salthålor, sa Wipke.

Att lagra naturgas hjälper till att säkra sig mot prisfluktuationer och möta säsongsbetonade krav, men kostnaden för utrustningen har stoppat antagandet av säsongsbetonad ellagring. Vätgaslagring är fortfarande en ny teknik, men eftersom forskning leder till förbättringar förväntas det så småningom bli den mest kostnadseffektiva metoden för att behålla och ladda ur minst en veckas el, sa Guerra. Pumpad vattenkraft och tryckluftslagring på så länge som två dygn spås bli kostnadskonkurrenskraftig med att generera ny el.

"Pumpad vatten- och tryckluftsenergilagring är välutvecklad teknik, så vi förväntar oss inte en betydande minskning av dessa kapitalkostnader, "Guerra sade. "Dessa kostnader kan också bero på platsen. På vissa ställen kan du ha möjlighet att utveckla pumpad vattenkraft på ett kostnadseffektivt sätt. På andra ställen kan du ha möjlighet till lagring av tryckluftsenergi."

"Vi måste sänka kostnaderna på den teknik vi har idag, och visst skulle vissa nya tekniker som är bättre och billigare vara bra, sa Wipke.

Zhiwen Ma jobbar på just det. Forskaren arbetar i NRELs Thermal Systems Group och fokuserar sina ansträngningar på att koncentrera solenergi, eller CSP. Tekniken använder en serie speglar eller linser för att koncentrera solljus på ett litet område, och den infångade energin kan lagras i smält salt. Men salterna är frätande, så forskning pågår till det ideala inneslutningskärlet. Istället för salt, Mamma använder sand för att lagra värmen.

DOE:s Advanced Research Projects Agency-Energy, som finansierar futuristiska idéer, har tilldelat NREL 2,8 miljoner dollar för att undersöka genomförbarheten av Ma:s lågkostnadssystem för lagring av värmeenergi. När det behövs, den uppvärmda sanden kommer att värma en vätska som driver en gasturbin kopplad till en generator.

"De främsta fördelarna jämfört med smält salt är den låga kostnaden och prestanda, " sa mamma. Sanden är en bråkdel av kostnaden för saltet men kan värmas upp till 1, 200 grader Celsius jämfört med 600 grader för nitratsalt eller 800 grader för kloridsalt.

Med så många alternativ att lagra energi, forskare är fast beslutna att hitta de bästa metoderna. Trots allt, solen skiner inte alltid, och vinden blåser inte alltid.