Проблемы аккумуляторов: быстрая зарядка, связь автомобиля с сетью, длительный срок службы, вторая жизнь

С огромным наращиванием за последние несколько лет мощностей производства литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов и краткосрочными обязательствами по дальнейшему расширению, затраты на хранение аккумуляторов продолжают резко падать. Снижение затрат в сочетании с улучшением производительности позволяет создавать новые приложения для батарей, которые значительно ускорят переход энергии.

Для многих инвесторов, политиков и системных планировщиков характеристики производительности за пределами цены, которые привлекают наибольшее внимание, часто являются такими показателями, как плотность энергии или безопасность. Однако в следующие пять лет улучшения, направленные на деградацию аккумуляторной батареи (срок службы), могут стать более важными — не только для расширения внедрения электромобилей, но и для открытия новых приложений для аккумуляторов, таких как межсетевые сервисы и вторичное использование для аккумуляторов, которые больше не подходят для мобильности, и для длительного хранения.

Эти приложения могли бы значительно изменить экономику батарей и открыть новые горизонты возможностей вдоль ранее неиспользованных цепочек создания стоимости — другими словами, они могли бы изменить правила игры с точки зрения ускорения перехода к чистой энергетической системе.

Производственная мощность литий-ионных аккумуляторов (ГВтч)
Различные типы литий-ионных аккумуляторов, различные компромиссы

Чего многие не понимают, так это того, что литий-ионные аккумуляторы включают в себя широкий спектр электрохимических накопителей энергии. Как поясняется в отчете RMI Breakthrough Batteries, существует множество типов литий-ионных аккумуляторов, все они имеют различные эксплуатационные характеристики и компромиссы. Страны, исследовательские организации и производители вкладывают значительные средства в исследования и разработки в погоне за лучшими и даже более дешевыми, в основном литий-ионными батареями.

Относительные рабочие характеристики выбранных литий-ионных химических компонентов
Батарея на миллион миль

В последнее время появилось много слухов о том, что Tesla разработала химию литий-ионных аккумуляторов, которая может достигать миллиона миль в течение всего срока службы, что предполагает резкое улучшение характеристик деградации. В то время как наиболее очевидным следствием является возможность проехать миллион миль с одной и той же батареей (функция, полезная для роботов-такси), улучшение срока службы батарей EV имеет много других последствий для расширения вариантов использования электрификации.

Что ухудшает работу аккумулятора?

Литий-ионные аккумуляторы разлагаются из-за нескольких факторов: времени, количества циклов, глубины цикла и температуры. Литий-ионные аккумуляторы, оптимизированные по плотности энергии, такие как катодная химия NMC или NCA, исторически имели более короткий срок службы, если они обычно полностью разряжаются (100-процентная глубина разряда). Другой наиболее распространенной литий-ионной химией, производимой сегодня, является фосфат железа лития (LFP), который намного тяжелее и менее энергоемкий (не так хорош для легких транспортных средств), но с более длительным циклом жизни.

Новые возможности от более длительного срока службы цикла

Значительное улучшение срока службы литий-ионных химикатов с высокой плотностью энергии станет огромным шагом на пути к внедрению EV-быстрой зарядки, возможностей подключения транспортных средств к сетке и более длительных систем хранения, включая использование батарей второго срока службы. Однако эти улучшения также создают проблемы.

Быстрая зарядка

Быстрая зарядка является важной частью будущего электрической мобильности, поскольку очень важно, чтобы EVs обеспечивали ту же, если не лучшую, функциональность и простоту транспортировки, которые существуют сегодня. Тем не менее, скорость износа некоторых типов литий-ионных аккумуляторов значительна, когда они быстро заряжаются или разряжаются. Улучшения катода и электролита, которые уменьшают степень износа и продлевают срок службы батареи, уменьшат негативное воздействие быстрой зарядки.

Зарядка от транспортного средства к сетке (V2G)

Идея о том, что транспортные средства могут играть определенную роль в балансировке энергосистемы, является захватывающей, но она изобилует проблемами. И Nissan, и Fiat занимаются пилотами для тестирования моделей V2G. Опять же, батареи EV распадаются с циклами заряда и разряда. Поставщики гарантий на батареи не заинтересованы в обесценивании возможностей мобильности этих активов в обмен на небольшое возмещение от электросети.

Без улучшений в циклическом использовании и долговечности батарей EV тарифная ставка, необходимая для стимулирования зарядки автомобиля от сети, скорее всего, будет слишком высокой. Для обеспечения этой балансирующей способности, вероятно, потребуются различные и дополнительные инвестиции в накопление энергии. Например, сопряжение локальных накопителей энергии с инфраструктурой быстрой зарядки все еще может генерировать такие преимущества, а также смягчать последствия резких скачков спроса от быстрой зарядки. Потенциал только для электромобилей по обеспечению распределенной балансировки сети или локальной устойчивости маловероятен без значительного улучшения характеристик батареи электромобиля.

Более длительное хранение

Подавляющее большинство проектов, связанных с сетевыми батареями, нацелены на краткосрочные события хранения, но поскольку стоимость батарей снизилась, средняя продолжительность таких проектов увеличилась с 1,5 часов в 2015 году до 2,2 часов сегодня. В дополнение к тому, что дополнительная энергия увеличивает стоимость проектов, разработчики проектов по хранению литий-ионных аккумуляторов также обычно перерасходуют необходимое им количество энергии на 10-30 процентов. Эта дополнительная емкость помогает уменьшить количество раз, когда батареи полностью разряжаются, и может привести к некоторой деградации.

Кроме того, более длительные установки часто отдают приоритет более коротким возможностям, когда это возможно, включая вспомогательные услуги или кратковременный перенос энергии (например, 15 минут). Предпочтение разработчиков батарей и владельцев активов этим краткосрочным рынкам может подорвать преимущества устойчивости батарей для сети.

Батареям с лучшей долговечностью и производительностью не нужно будет иметь столько буферной емкости или бояться затрат на деградацию батареи. В результате будут установлены более длительные проекты, которые будут чаще использовать свою полностью установленную мощность таким образом, чтобы значительно улучшить экономику проекта батареи. Проектировщики систем, регуляторы и инвесторы должны учитывать эти характеристики при проектировании и выборе систем.

Батареи второго срока службы для длительного хранения

Li-ion LFP уже имеет относительно длительный срок службы и является логичным выбором для многих сетевых установок. Однако конечная цена LFP, как ожидается, составит около $60/кВтч, исходя из стоимости комплектующих материалов. Это, вероятно, слишком высоко для типа длительного сезонного хранения, которое будет необходимо для более высокого проникновения возобновляемых источников энергии. Это особенно верно в более холодных частях мира, которые сталкиваются с зимними пиковыми потребностями в энергии при ограниченной доступности ресурсов, иногда в течение длительного периода времени.

Form Energy решает эту проблему с помощью своей инновационной запатентованной технологии, которая нацелена на капитальные затраты менее 10 долларов США/кВтч. Недавно компания подписала соглашение с Great River Energy о демонстрации проекта хранения на  150 часов, что является  важной вехой и достижением для перехода в энергетике.

Литий-ионные аккумуляторы второго срока службы могут стать еще одним экономичным решением для длительного хранения, поскольку их более низкая стоимость может соответствовать необходимому порогу. Это потребует создания литий-ионной экосистемы, включающей сбор, тестирование и переработку аккумуляторов.

Текущие литий-ионные аккумуляторы может быть трудно монетизировать для большого количества вторичных приложений из-за нестабильности состояния аккумуляторов и резкого снижения срока службы и безопасности при езде на велосипеде. На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы второго срока службы в основном используются для обеспечения устойчивости телекоммуникационных вышек, но некоторые компании тестируют сетевое оборудование второго срока службы. По мере того как рынки для более длительного хранения созреют, улучшенная долговечность батареи будет необходима для обеспечения уверенности в остаточном содержании энергии перепрофилированных батарей EV чтобы сопоставить оставшееся значение с прецедентом использования. Кроме того, консолидация рынка литий-ионных аккумуляторов в сторону меньшего количества химикатов и общих стандартов между производителями значительно помогла бы рынкам второй жизни отслеживать и работать над этой проблемой.

Прогноз

Перспективное видение электросети включает в себя быструю зарядку, возможность подключения автомобиля к сети и длительное хранение энергии, включая батареи второго срока службы. Эти новые варианты использования будут значительно ускорены с помощью батареи EV, которая имеет повышенную долговечность. Инвесторам, системным планировщикам и политикам следует учитывать влияние цикличности на будущие варианты использования, когда они стремятся стимулировать и инвестировать в решения для хранения данных. Это должно включать в себя создание надежной цепочки поставок батарей, которая становится все более стандартизированной и может отслеживать и сравнивать оставшийся срок службы аккумуляторных батарей со вторым сроком службы.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ