Hvordan en ny klasse af startups arbejder på at løse gitteropbevaringspuslespillet

Konceptuel illustration af et batteri lavet af et rubiks terningpuslespil Nicholas Ortega

Her er problemet: Solpaneler og vindmøller er billige, rene, pålidelige kilder til elektricitet, lige indtil de ikke er det. Solen går ned; vindens flag. De kan ikke drive et elnet alene.

Kul- og naturgasanlæg kan udfylde hullerne i dag. Men efterhånden som klimaregler lukker flere af disse kulstofudspyende kilder, vil der i sidste ende være dage eller endda uger hvert år, hvor vedvarende energi ikke vil være nok til at holde lysene tændt. Noget andet skal træde til.

Form Energy er overbevist om, at noget kunne være et batteri. Men det skal være et batteri i modsætning til noget, verden har set.

For at være lige så billigt, pålideligt og fleksibelt som naturgas ville et sådant batterisystem skulle koste mindre end $10 pr. kilowatt-time. Nutidens bedste netbatterier, store lithium-ion-systemer, koste hundredvis af dollars per kilowatt-time (præcise skøn variere ). Det kan tage årtier, selv for den pris at falde til under $100.

Det er et kæmpe spring. Men Forms grundlæggere tror, ​​at de kunne nå det mål ved at udvikle store batterier, der er afhængige af ekstremt billige, energitætte materialer. Vi tror, ​​vi kan nå dertil, siger MIT-professor Yet-Ming Chiang, medstifter og chefforsker ved Form. Vi tror, ​​vi kan matche teknologien til disse krav.

En billig, langtidsholdbar form for energilagring, der kan bygges hvor som helst, ville være nærmest en sølvkugle til at rydde op i elsektoren. Det ville få mest muligt ud af de stærkt faldende omkostninger ved sol og vind uden mange af de miljømæssige, sikkerhedsmæssige eller æstetiske problemer, som andre måder at udligne fluktuerende vedvarende energi på.

Netopbevaringsgåden

Form, der er baseret i Somerville, Massachusetts, fangede batteriverdenens opmærksomhed, da den blev skabt i 2017. Chiang er en af ​​verdens førende batteriforskere. Han har udgivet hundredvis af videnskabelige artikler, har mere end 80 patenter , og har været med til at stifte seks startups. Flere har tjent værdiansættelser på mere end 1 mia , herunder A123 systemer , som laver lithium-ion-batterier til elektriske køretøjer.

Forms administrerende direktør, Matthew Jaramillo , tidligere samlet og ledet en forretningsenhed i Tesla, der sælger batterisystemer til boliger og er bygger nu nogle af største netbatteriprojekter jorden rundt. Til dato har Form rejst omkring $50 millioner fra Bill Gates' Breakthrough Energy Ventures, den italienske energigigant Eni og andre.

Grundlæggerholdet af Form Energy. Høflighed: Form Energy

En bølge af tidligere netlagervirksomheder mislykkedes (se hvorfor der sker dårlige ting med ren-energi startups). Form er blot en af ​​flere, der for nylig har rejst midler til at tage et nyt knæk på problemet.

Det vigtigste lagerbehov på nettet i dag er kendt som intradaglager. Det giver hurtige strømudbrud i et par timer for at udjævne uoverensstemmelser mellem produktion og efterspørgsel i løbet af dagen og i det mindste tidligt på aftenen.

En voksende mængde af denne lagerplads kommer fra lithium-ion-batterier, som også driver telefoner, bærbare computere og elbiler og bliver støt billigere og mere kraftfulde. Mængden af ​​installeret netenergilager globalt steg næsten 150 % sidste år til seks gigawatt-timer, ifølge analysefirmaet Wood Mackenzie . Det er næsten det dobbelte af den gennemsnitlige rate i løbet af de foregående fem år, og lithium-ion-systemer tegnede sig for det meste af stigningen.

Tesla, for eksempel, planlægger at bygge hundredvis af dens nye tre megawatt-time Megapack batterisystemer i Moss Landing, Californien. Det projekt , som også omfatter andre udviklere af energilagring, ville erstatte en trio af årtier gamle gasanlæg på stedet, der drives af Calpine, et stort amerikansk elselskab.

Telsas netbatterifabrik i Kauai, Hawaii. Høflighed: Tesla

I mellemtiden er et stigende antal vedvarende energiudviklere, såsom Recurrent Energy og First Solar, foreslår gigantiske solfarme kombineret med enorme batterilagringssystemer , hvilket gør det muligt for anlæggene at fortsætte med at levere elektricitet i timer efter solnedgang.

Men solen og vinden falmer ikke bare i timevis; nogle gange dykker de i dage eller uger. Hvis vi primært vil skifte til vedvarende energi, får vi brug for meget mere lagerplads, der kan holde meget længere.

Med nutidens batteriteknologi ville omkostningerne stige i vejret, siger Jesse Jenkins, en adjunkt ved Princeton, som forsker i energisystemer. Det ville kræve banker på banker af lithium-ion-batterier, hvoraf mange måske kun bruges et par gange om året. Vi bliver også nødt til at bygge flere sol- og vindmølleparker for at generere nok overskudselektricitet til at oplade dem. (Se 2,5 billioner dollars grund til, at vi ikke kan stole på batterier til at rydde op i nettet.)

Økonomien smuldrer i dette scenarie. Hvis disse aktiver formodes at ligge ubrugte i tre fjerdedele af året, har du netop øget de effektive omkostninger med 4X, siger Don Sadoway, en MIT-kemiker, der var medstifter af Ambri, som har udviklet et flydende metal-netbatteri, der holder. cirka en time længere end lithium-ion.

Men det er faktisk endnu værre. Vi bliver nødt til at overbygge vedvarende energi og lager for at imødekomme efterspørgslen under de mest sjældne begivenheder: de langvarige ebbe i sol eller vind, der sker med få års mellemrum, måske endda en gang om året.

Regioner behøver ikke løse dette problem udelukkende gennem opbevaring. Møde blot en lille andel af den samlede efterspørgsel gennem andre midler ville lette de omkostningsmål, som lagervirksomheder skulle nå, viser anden forskning . Det kunne omfatte atomreaktorer, vandkraft, naturgasanlæg med systemer, der fanger kulstofemissioner, eller langdistancetransmissionsledninger, der kan balancere vedvarende energi på tværs af tidszoner. Men disse muligheder er politisk upopulære, dyre, geografisk begrænsede eller alle tre. Batterier har den fordel, at de ikke forstyrrer mennesker.

Vi er nødt til at tænke over disse fremtidige problemer i dag, fordi de nødvendige teknologier kan tage år, hvis ikke årtier at udvikle. Områder med store andele af vedvarende energi, som Californien og Tyskland, producerer allerede mere sol- eller vindenergi, end nettet kan bruge i visse perioder, hvilket underminerer de økonomiske incitamenter til at bygge mere. Mange flere regioner begynder at indse, at der er et gabende hul, som noget teknologi bliver nødt til at lukke, hvis de håber at fjerne fossile brændstoffer.

Forms tilgang

At udvikle billige, langtidsholdbare batterier har forbløffet forskerne i årtier, hovedsageligt fordi de metaller og kemikalier, der hidtil har fungeret bedst, er dyre. At bruge dem til at opfylde længere opbevaringsbehov betyder at stable flere og flere af dem op. Form er vagt over, hvordan den forsøger at omgå disse udfordringer, men en del af virksomhedens tilgang fremgår tydeligt af en artikel, Chiang og kolleger publicerede i tidsskriftet Joule i slutningen af ​​2017 (se Seriel batteri-iværksætterens nye venture tackler ren energis største problem).

Form energi

Form Energy blev skabt i 2017, da MIT-spinout Baseload Renewables fusionerede med Verse Energy, som blev startet af Mateo Jaramillo, som tidligere ledede Teslau2019s energilagringsvirksomhed. Virksomheden har rejst omkring 50 millioner dollars til dato.

Grundlæggere

Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
nBilly Woodford, 24M
nTed Wiley, Aquion Energy

Finansieringsmidler

Banebrydende energiprojekter
nEni Group
nPrelude Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s motoren
nSaudi Aramco
nThe Department of Energyu2019s ARPA-E-program

Alle batterier indeholder to grundlæggende komponenter: en elektrolyt, normalt et flydende kemikalie, og et par elektroder, anoden og katoden, som er lavet af forskellige materialer (ofte, men ikke altid, metaller). Ladede atomer, kendt som ioner, fører strøm gennem elektrolytten mellem de to elektroder, når batteriet oplades eller aflades. I lithium-ion-batterier er elektrolytten en forbindelse af lithium blandet med andre kemikalier.

I 2017-avisen fremhævede Chiang og hans kolleger potentialet i et luftåndende vandigt svovlstrømsbatteri. Et flowbatteri begynder at omgå omkostningsproblemet ved at adskille batteriets el-leverende komponenter, inklusive elektroderne, fra energilagringsdelen, elektrolytten.

Et standard flowbatteri har to forskellige elektrolytter, kendt som katolytten og anolytten, som hver kan opbevares i store, let udskiftelige tanke. Så hvis du vil have mere opbevaring, kan du bare tilføje større tanke, mens de andre dyre dele, inklusive elektroderne, forbliver de samme.

For at gøre det virkelig billigt, skal elektrolytterne, der fylder de gigantiske tanke, også være billige. Nøglen til flowbatteriet i Joule papir er at bruge en svovlbaseret opløsning som anolyt. Svovl er blandt de mest udbredte grundstoffer i jordskorpen såvel som et biprodukt af brændstofraffinering, så det er ekstremt billigt og kan lagre meget energi.

Baseret på den oplagrede afgift pr. dollar var svovl mere end en faktor 10 bedre end den næstbedste ting, fortalte Chiang mig i 2017.

Samlet set kan de kemiske omkostninger i et sådant flowbatteri være så lave som $1 per kilowatt-time ifølge undersøgelsen.

Da jeg talte med Chiang i august sidste år, bekræftede han, at svovl bestemt stadig er en del af vores køreplan. Han sagde, at det er den tilgang, de bruger i et projekt finansieret af Energiministeriets moonshot ARPA-E-program . Men Form siger, at det nu udvikler flere kemier, selvom det ikke vil sige, hvad de andre er.

Yet-Ming Chiang, en MIT-professor og medstifter af Form Energy. Simon Simard

Mens de fleste netlagervirksomheder kun fokuserer på lagerdelen, har Jaramillo også sagt de undersøger muligheden for tovejs kraftværker , som ville generere vedvarende energi på stedet ved hjælp af sol eller vind, lagre den i store batterier og levere den til nettet efter behov.

Andre veje til langtidsopbevaring

Men et elektrokemisk batteri, uanset om det er baseret på svovl- eller lithium-ion-kemi eller noget andet, er kun én måde at lagre store mængder energi på.

I begyndelsen af ​​september stimlede en gruppe ingeniører sammen omkring en squat, sølvcylinder på størrelse med en grilltank bagerst i et rodet værksted på Lawrence Berkeley National Lab, beliggende i bakkerne med udsigt over San Francisco-bugten. Bortset fra deres intense blik på den tilstødende computerskærm, var det eneste antydning af, at noget var på arbejde, et orange skær, der var synligt i et lille vindue nær bunden af ​​enheden.

Forskerne hos Antora Energy er ved at udvikle en ny type termisk lagring. Det er en sjældent brugt tilgang der bevarer energi i form af ekstrem varme eller kulde i en række forskellige stoffer, såsom underjordiske sten eller isblokke. I Antoras tilfælde var stoffet inde i tanken en kulstofblok, der i det øjeblik kørte et godt stykke over 2.000 ˚C.

Håbet er, at de kunne bruge overskydende elektricitet fra sol- eller vindmølleparker til at varme det materiale op og derefter konvertere varmen tilbage til elektricitet, når det er nødvendigt. Typisk i termisk opbevaring gøres dette stadig i den meget ineffektive 1800-tals stil: ved at skabe damp, der driver en turbinegenerator. Men det meste af energien bliver spildt som følge af mekanisk friktion, damplækager og andre problemer.

Antora tester et nyt termofotovoltaisk system. Det er noget som et solpanel, men det konverterer den infrarøde stråling, der kommer fra en varm genstand, i stedet for sollys, til elektricitet. I slutningen af ​​september meddelte forskerne, at de havde sat ny rekord ved at omdanne mere end 30 % procent af varmen, der strømmer til cellen, tilbage til elektricitet i et laboratorieeksperiment. De sigter efter at opnå mere end 50 % effektivitet.

Mekaniske metoder tilbyder en anden tilgang til netlagring. Det inkluderer at pumpe luft ind i underjordiske huler, køre stenfyldte tog op ad bakker eller overføre vand mellem reservoirer i varierende højder. Alle disse fungerer på nogenlunde samme måde ved at bruge ekstra energi, når den er tilgængelig til at flytte noget til en højere højde eller sætte det under pres. Når det så er frigivet, kan vi udnytte den kinetiske energi fra den undslippende luft eller nedadgående tog eller vand til at generere elektricitet.

Faktisk er pumpet vandkraft langt vores billigste og mest rigelige kilde til energilagring i nettet i dag. Problemet er, at du ikke altid har nok vand eller bakker i nærheden af ​​hvert kraftværk.

Under sit DAYS-program har ARPA-E investeret mere end $30 mio i 12 startups eller forskningsgrupper, der forsøger at knække problemet med netlagring. Disse inkluderer Forms flow-batterier og Antoras termiske system, såvel som Quidnet Energy's twist på pumpet hydro: San Francisco-startup'ens system pumper vand ind i hullerne mellem afgrænsede klipper under jorden , hvilket skaber tryk, der tvinger vandet tilbage op og gennem en generator, når der er behov for elektricitet.

Banebrydende energiprojekter , den Bill Gates-støttede fond, har gjort langtidsopbevaring til en af ​​sine højeste prioriteter. Ud over Form har den støttet Quidnet og Malta, en anden termisk opstart, der er afhængig af smeltet salt som lagringsmediet (se Alphabet er i forhandlinger om at udvinde dets smeltede salt-lagringsspil).

I mellemtiden, det japanske konglomerat SoftBank for nylig investeret 110 mio i den schweiziske mekaniske lagerstartup Energy Vault, som bruger kraner og ledninger til at stable betonblokke op, når vedvarende energi genererer overskydende elektricitet. Det taber derefter disse blokke tilbage til jorden på de samme ledninger og bruger deres momentum til at dreje motorerne i kranerne i bakgear og pumpe elektricitet ud. ( Denne video gør konceptet klarere.)

Den utraditionelle karakter af nogle af disse ideer viser, hvor svært et problem det er for teknologier at tage springet fra at lagre et par timers til et par ugers energi.

Hvis vi taler om at fange for eksempel en måned eller to måneders energi i løbet af sommeren og have den tilgængelig i en måned eller to måneder om vinteren, er det gigantiske energisummer, siger Sadoway. Hvor mange toglæs sten har du?

Meget store hvis

De fleste mekaniske metoder som tog eller kraner kræver store mængder plads. Termiske metoder er i sagens natur ineffektive, da det er svært at forhindre varmen eller kulden i at lække væk. Og produktion eller afbrænding af de fleste flydende brændstoffer skaber netop de klimaemissioner, vi søger at undgå.

Batterier har den fordel, at de er rene, kompakte, mobile og effektive. Så hvis nogen også kan gøre dem billige og langtidsholdbare, kan de tilsluttes ethvert net. Det ville gøre det muligt for vind og sol at levere langt mere af vores elektricitet og til gengæld for ren elektricitet til at dække meget mere af vores samlede energibehov.

Men de er fortsat meget store hvis. Nogle energiobservatører tvivler på, at Form kan nå sine mål, eller stiller spørgsmålstegn ved, hvor meget naturgas sådanne batterier ville erstatte, selvom de gjorde det. På deres side virksomhedens stiftere sige det er mindst et årti langt projekt med alvorlige tekniske, finansielle og markedsmæssige risici.

Store batterifremskridt forekommer kun cirka en gang hvert tredje årti i gennemsnit, og feltets historie er fyldt med langt mere lovende tilgange, der ikke lykkedes, end dem, der gjorde.

Så igen kom den sidste, lithium-ion-teknologi, på markedet for 28 år siden. Vi skal til endnu et gennembrud.

skjule