Apa itu penyimpanan energi-skala jaringan?

Pada bulan Februari 2021, saya sedang menelepon operator penyimpanan di Texas ketika harga listrik grosir mencapai $9.000 per megawatt-jam. Sembilan ribu dolar. Untuk konteksnya, harga normal berkisar sekitar $30-50. Sistem baterainya mencetak uang - dibuang ke jaringan listrik selama Badai Musim Dingin Uri sementara pabrik gas alam membeku. "Untuk itulah kami membangunnya," katanya, tapi suaranya terdengar tajam. Hampir terbukti benar. Sepertinya dia telah menunggu bertahun-tahun untuk membuktikan bahwa orang-orang skeptis itu salah.

Saat itu - menyaksikan harga melonjak di layar perdagangan sementara pipa-pipa pecah di seluruh negara bagian - mengkristalkan sesuatu yang telah saya lingkari selama beberapa waktu. Penyimpanan skala-grid bukan lagi tentang teknologi. Masalahnya adalah apakah kita bersedia mengakui bahwa cara kita menjalankan jaringan listrik selama satu abad sudah tidak berfungsi lagi.

Mari kita mundur. 2000 dan pada tahun 2001, California mengalami pemadaman bergilir. Tidak sekali atau dua kali - puluhan kali. Masyarakat kehilangan listrik, lampu lalu lintas menjadi gelap, rumah sakit beralih ke generator. Investigasi resmi menyalahkan manipulasi pasar Enron, dan hal ini memang benar, namun bukan itu keseluruhan ceritanya. Masalah sebenarnya semakin dalam. Jaringan listrik California dirancang berdasarkan pembangkit bahan bakar fosil yang dapat Anda kendalikan. Butuh lebih banyak kekuatan? Bakar lebih banyak gas. Permintaan turun? Throttle kembali. Sederhana.

Namun hal ini tidak lagi menjadi hal yang sederhana ketika generasi terbarukan mulai menjadi penting. Dan yang saya maksud bukan panel surya token yang dipasang oleh beberapa utilitas untuk PR di tahun 90an. Kapasitas nyata. gigawatt.

Saya menghadiri konferensi di San Diego - pasti pada tahun 2014 atau 2015 - di mana seorang insinyur ISO California menunjukkan apa yang mereka sebut "kurva bebek". Ruangan menjadi sunyi. Grafik menunjukkan beban bersih (total permintaan dikurangi tenaga surya) turun pada siang hari saat puncak tenaga surya, kemudian meningkat saat matahari terbenam. Kecepatan peningkatan itu - yang meningkat dari minimum ke maksimum mungkin dalam waktu 3 jam - hal itu merusak cara kerja operasi jaringan. Anda harus menjaga pabrik gas tetap siaga sepanjang sore hanya untuk menangani lonjakan malam. Mahal, tidak efisien, dan pada dasarnya bodoh.

Seorang pria di belakang bertanya, "Tidak bisakah kita mengurangi penggunaan tenaga surya?" Insinyur itu berhenti. "Kita bisa. Atau kita bisa memikirkan tempat penyimpanannya."

Penyimpanan. Benar.

Bilah sisi cepat - apa itu penyimpanan-skala grid? Tanya lima orang, dapatkan enam jawaban. Konsensus yang longgar adalah lebih dari 1 megawatt, namun saya telah mengikuti panel konferensi di mana orang-orang berdebat tentang hal ini selama dua puluh menit. Apakah penerapan lebih penting daripada kapasitas? Jika Anda mempunyai 500 kilowatt yang melayani gardu induk penting, apakah itu dihitung?

Sekarang ada fasilitas di California - Moss Landing, menurut saya - berkapasitas lebih dari 400 MW. Mungkin 450. Mungkin 420. Intinya adalah, jika digabungkan dengan proyek 1 MW terasa salah, namun industri belum menemukan terminologi yang lebih baik. Kita berbicara tentang penyimpanan yang benar-benar mempengaruhi operasi jaringan listrik. Bukan Tesla Powerwall milik tetangga Anda.

Inilah yang lucu. Saat ini semua orang membicarakan tentang baterai, namun pompa air masih mendominasi kapasitas penyimpanan global. Bahkan tidak dekat. Pompa air ke atas saat listrik murah, biarkan mengalir kembali melalui turbin saat harga melonjak. Bath County di Virginia telah melakukan hal ini sejak tahun 1985. Lebih dari 3.000 MW. Efisiensinya lumayan - 70-80% pulang pergi - dan "bahan bakar" adalah air yang Anda gunakan kembali tanpa batas waktu.

Masalahnya adalah geografi. Anda memerlukan pegunungan, lokasi waduk yang sesuai, tempat di mana pembangunan bendungan tidak akan membanjiri apa pun yang dipedulikan orang. Sebagian besar situs AS yang bagus dikembangkan pada awal tahun 90an. Proposal baru kadang-kadang muncul tetapi perizinannya memakan waktu lama sehingga pengembang biasanya menyerah. Ada proyek di Montana yang telah direncanakan selama 15 tahun. Masih belum dibangun.

Udara bertekanan juga hampir tidak ada. Dua pabrik di seluruh dunia: Huntorf di Jerman (1978) dan McIntosh, Alabama (1991). Itu saja. Teknologi ini berfungsi dengan baik - memompa udara ke dalam gua bawah tanah, kemudian melepaskannya melalui turbin - tetapi Anda memerlukan geologi yang spesifik. Kubah garam atau reservoir gas yang habis dengan sifat yang tepat. Kedua pembangkit listrik yang ada saat ini membakar gas alam selama ekspansi sehingga membatasi manfaat lingkungan. Desain "adiabatik" yang lebih baru menyatakan bahwa mereka dapat menghilangkan pembakaran gas. Tidak ada yang melakukan skala komersial.

Jadi baterai. Saat ini semua orang tertarik dengan baterai, namun tidak selalu seperti ini. Biayanya mahal hingga mungkin tahun 2012-2015. Terdapat instalasi kecil di Notree Wind Farm di Australia pada tahun 2012, yang merupakan bukti-konsep lebih dari sekadar kelayakan ekonomi.

Kemudian Tesla membangun Hornsdale. 2017, Australia Selatan, 100 MW / 129 MWh. Elon membuat taruhan Twitter untuk membangunnya dalam 100 hari - tipikal Elon - dan mereka melakukannya dalam waktu 63 hari. Orang-orang berfokus pada kecepatan konstruksi, namun yang sebenarnya adalah kinerja. Baterai menghasilkan uang jauh lebih cepat daripada proyeksi melalui layanan pengaturan frekuensi.

Saya sebenarnya mengunjungi pusat kendali jaringan di luar Adelaide mungkin 6 bulan setelah Hornsdale diluncurkan. Para insinyur masih sibuk membicarakan hal itu. Seorang pria menunjukkan kepada saya grafik respons frekuensi. Ketika frekuensi grid menyimpang dari 50 Hz, baterai terkoreksi dalam milidetik. Generator konvensional membutuhkan waktu beberapa detik karena Anda benar-benar memutar turbin. “Ibarat membandingkan mobil sport dengan kereta barang,” ujarnya.

Waktu respons milidetik tersebut sangat berarti bagi layanan jaringan listrik tertentu. Ketika perusahaan utilitas menyadari bahwa baterai dapat melakukan hal-hal yang secara fisik tidak dapat dilakukan oleh generasi konvensional, sikap berubah dengan cepat. Dalam setahun Anda mulai melihat lebih banyak pengumuman proyek.

Situasi kimiawi lebih kacau daripada yang diperkirakan oleh publikasi perdagangan. "Lithium-ion" bukanlah satu hal. Beberapa kimia disatukan. Untuk aplikasi jaringan listrik, litium besi fosfat pada dasarnya unggul. LFP, LiFePO4,baterai litium ion fosfat- nama berbeda tergantung siapa yang memasarkannya.

Chemistry ini sekarang mewakili sekitar 60-65% instalasi baru di AS dan Eropa. Jumlahnya bervariasi tergantung siapa yang menghitung dan apa saja yang termasuk di dalamnya. Alasannya praktis: LFP menangani perputaran muatan-pengosongan lebih baik dibandingkan alternatif seperti NMC (nikel mangan kobalt). Risiko kebakaran juga lebih rendah, yang penting ketika Anda menumpuk kontainer pengiriman penuh baterai di area pemukiman. Kita akan menyalakan api nanti.

Kepadatan energi lebih rendah dari NMC tetapi untuk penyimpanan stasioner itu tidak menjadi masalah. Anda tidak memasangnya di bawah jok mobil. Tumpuk kontainer hingga Anda mencapai target kapasitas.

Baterai aliran terus mendapatkan cakupan. Sistem redoks vanadium memisahkan penyimpanan energi (ukuran tangki) dari daya (ukuran tumpukan). Fasilitas Dalian di Tiongkok, ditugaskan pada tahun 2022, 100 MW / 400 MWh, saat ini merupakan yang terbesar. Biayanya lebih tinggi dibandingkan litium, namun masa pakainya dapat melebihi 20.000 siklus tanpa penurunan yang berarti.

Secara teori, hal ini penting untuk perencanaan utilitas selama 20+ tahun operasi. Dalam praktiknya, harga litium turun lebih cepat dibandingkan baterai biasa yang menutup kesenjangan tersebut. Baterai Flow telah "akan mencapai terobosan" setidaknya selama satu dekade. Mulai terdengar seperti energi fusi.

Jerman mengatasi masalah penyimpanan dengan cara yang sulit. Sekitar tahun 2011-2012 mereka tiba-tiba mendapatkan gigawatt tenaga surya di atap dari dorongan Energiewende mereka. Siang hari di hari yang cerah, generasi melonjak. Awan bergulung, turun sebesar gigawatt. Cepat.

Operator jaringan listrik yang menghabiskan seluruh kariernya mengelola kurva permintaan yang dapat diprediksi kini menghadapi kurva pasokan yang bergerak lebih cepat daripada reaksi mereka. Pergeseran paradigma total. Salah satu operator yang saya ajak bicara di konferensi Berlin - ini tahun 2016 mungkin - mengatakan pertama kali dia melihat pembangkitan listrik turun 5 GW dalam 20 menit, dia mengira sistem pemantauannya rusak.

Angin melakukan hal serupa tetapi rentang waktunya berbeda. Sistem tekanan tinggi-yang parkir di ladang angin dan pembangkit listrik hampir tidak ada sama sekali. Tinggal di sana selama berhari-hari. Anda tidak dapat menelepon pembangkit listrik tenaga angin pada jam 6 sore dan memintanya untuk menghasilkan lebih banyak tenaga karena orang-orang sedang memasak makan malam di rumah. Tidak bekerja seperti itu.

Waktu respons sangat penting untuk beberapa aplikasi. California ISO mengharuskan layanan pengaturan frekuensi mencapai daya penuh dalam waktu 10 menit. Mungkin 8 menit, saya harus memeriksa spesifikasinya. Beberapa layanan memerlukan respons kurang-detik. Baterai unggul di sini - reaksi elektrokimia pada dasarnya terjadi seketika dari sudut pandang operator jaringan.

Hidro yang dipompa memerlukan waktu 10-15 detik agar aliran air dapat dipercepat melalui turbin, ditambah pengoperasian katup. Kesenjangan ini penting untuk pengaturan frekuensi. Tidak terlalu menjadi masalah untuk pencukuran puncak saat Anda menggunakannya selama berjam-jam.

Efisiensi menentukan apakah proyek menghasilkan uang. Matematika dasar: simpan 100 MWh, pulihkan 90 MWh, Anda kehilangan 10% setiap siklus. Lithium mencapai 85-95% tergantung pada konfigurasi dan seberapa keras Anda mendorongnya. Aliran baterai lebih seperti 65-75%. Tampaknya kecil, tetapi bersepeda setiap hari selama 15 tahun, delta efisiensi tersebut menambah selisih pendapatan hingga jutaan. Mungkin puluhan juta untuk proyek yang lebih besar.

Siklus hidup menjadi rumit. Sebagian besar sistem litium jaringan beroperasi dengan kondisi pengisian daya 20-80%, bukan siklus penuh. Korbankan 40% kapasitas papan nama untuk menggandakan atau tiga kali lipat masa operasional. Ekonomis berhasil karena mengganti baterai di tengah proyek sangat mahal. Lebih baik ukurannya terlalu besar pada awalnya.

grid-scale energy storage

Undang-undang Pengurangan Inflasi pada tahun 2022 benar-benar menggeser pasar AS. Biarkan penyimpanan mandiri mengklaim kredit pajak investasi 30%. Sebelumnya penyimpanan hanya memenuhi syarat dipasangkan dengan tenaga surya atau angin, yang merupakan kebijakan bodoh tapi begitulah yang tertulis.

Setelah IRA disahkan, pengumuman proyek pun membanjiri. Antrean interkoneksi memiliki penyimpanan sebesar 85+ GW pada pertengahan tahun 2023. Siapa pun yang akrab dengan antrian interkoneksi tahu bahwa sebagian besar proyek tidak pernah dibangun. Tingkat penyelesaian historis paling baik mencapai 20-30%.

Saya menghadiri konferensi pengembang di Houston tahun lalu - orang dari salah satu pabrikan besar Tiongkok mengatakan mereka tidak dapat memenuhi permintaan AS. “Kami menambahkan jalur produksi tetapi ada waktu tunggu 18 bulan untuk peralatan.” Kendala rantai pasokan di mana-mana.

Penyimpanan global mencapai sekitar 27-28 GW pada tahun 2023 bergantung pada cara Anda menghitung. 90% pertumbuhan yang terjadi sejak tahun 2018. AS menambahkan 4,8 GW pada tahun 2022 saja, mungkin sebesar 5,2, saya lupa. California dan Texas mendominasi penerapan karena alasan yang sangat berbeda. California memiliki mandat kebijakan yang mendorong integrasi energi terbarukan. Texas memiliki pasar energi-khusus ERCOT yang menciptakan volatilitas harga yang sangat besar. Operator penyimpanan menyukai volatilitas - manfaatkan perubahan harga tersebut.

Biaya turun dari lebih dari $500/kWh pada tahun 2015 menjadi $150-200/kWh pada tahun 2023 untuk sistem yang lengkap. Beberapa orang mengklaim lebih rendah tetapi $150-200 adalah apa yang saya lihat untuk proyek sebenarnya. Skala manufaktur terutama persaingan brutal antara produsen sel Tiongkok dan Korea.

Model pendapatan sangat bervariasi menurut pasar. Texas ERCOT memungkinkan penawaran penyimpanan langsung ke pasar energi. Contoh Winter Storm Uri dari awal - beberapa operator menghasilkan $10+ juta, mungkin $12 juta, saya mendengar angka yang berbeda. Tapi tidak normal.

Operasi yang umum melibatkan penumpukan aliran pendapatan: arbitrase energi (biaya murah, pelepasan mahal), pembayaran kapasitas, pengaturan frekuensi, kadang-kadang penangguhan peningkatan transmisi. SGIP California memberikan insentif di muka, terutama untuk fasilitas penting.

Salah satu operator memberi tahu saya - secara tidak resmi di sebuah bar saat konferensi - bahwa separuh proyeksi pendapatan mereka berasal dari layanan yang belum ada lima tahun lalu. "Kami sedang mengada-ada. Operator jaringan listrik sedang mencari tahu apa yang bisa dilakukan baterai secara real-time."

Durasi tetap menjadi kendala yang jelas dan membuat frustrasi. Kebanyakan sistem mengeluarkan daya selama 2-4 jam pada daya tetapan. Sempurna untuk puncak malam saat matahari turun. Sama sekali tidak berguna untuk penyimpanan beberapa hari selama kejadian cuaca yang berkepanjangan.

Teknologi untuk durasi yang lebih lama terus diumumkan melalui siaran pers besar-besaran. Udara bertekanan, sistem gravitasi, penyimpanan termal. Penerapan secara komersial masih sulit dilakukan. Semua orang menginginkan penyimpanan 8+ jam, ada pula yang menginginkan 12 atau 24 jam. Belum ada yang mengetahui skala ekonominya.

Ada startup yang mengangkat balok beton dengan derek untuk menyimpan energi. Kedengarannya konyol tetapi fisika berhasil. Namun belum ada yang meningkat. Sama dengan penyimpanan termal.

Degradasi baterai dalam pola perputaran nyata terus mengejutkan operator, dan hal ini mengganggu saya karena Anda mungkin mengira kita sudah menemukan jawabannya sekarang.

Pengujian laboratorium tidak memprediksi kinerja lapangan dengan baik. Pemasangan awal - 2018, jangka waktu 2019 - berjalan lebih agresif dari yang direncanakan, memperpendek umur operasional jauh lebih cepat dari perkiraan, dan memaksa revisi klaim garansi. Model degradasi yang lebih baik sudah ada saat ini, namun ketidakpastian mengenai kinerja 10+ tahun masih ada, terutama seiring dengan berkembangnya strategi pengiriman.

Anda tidak dapat menguji 15 tahun beroperasi dalam jangka waktu pengembangan 2 tahun. Itu tidak mungkin. Seorang insinyur di NREL memberi tahu saya bahwa mereka sedang membangun model probabilistik berdasarkan data lapangan yang terbatas. “Kami melakukan ekstrapolasi dari 5 tahun beroperasi untuk memprediksi 20 tahun. Ini adalah tebakan yang cerdas.”

Keamanan kebakaran belum hilang meskipun standarnya ditingkatkan. Kebakaran McMicken di Arizona - April 2019 - tetap menjadi insiden paling serius. Ledakan melukai empat petugas pemadam kebakaran, bisa menjadi bencana besar.

Saya berbicara dengan salah satu responden pertama di konferensi keselamatan. Dia mengatakan ketika mereka tiba, protokol standar mengatakan menyemprotkan air ke api baterai. Mulai melakukan itu. Kemudian meledak. "Tidak ada yang memberi tahu kami bahwa benda-benda ini bisa hilang karena panas bahkan setelah api padam."

Peristiwa tersebut mengungkapkan betapa buruknya pemahaman industri terhadap propagasi termal yang tidak terkendali dalam sistem dalam container. Kami pikir kami tahu. Ternyata tidak. Standar pengujian meningkat secara substansial setelahnya. UL 9540A menjadi acuan semua orang.

Namun setiap kimia sel baru memerlukan evaluasi dari awal. Tidak semua vendor mengikuti praktik desain yang sama untuk jarak sel, pendinginan, dan pemadaman kebakaran. Beberapa melakukan persyaratan kode minimum. Yang lainnya melakukan rekayasa berlebihan. Tidak selalu bisa membedakan dari pemasaran pendekatan mana yang digunakan suatu proyek. Itu sebuah masalah.

Australia Selatan memberikan gambaran sekilas tentang-masa depan dengan penetrasi yang tinggi. Hampir 300 MW pembangkit listrik melayani sekitar 2.000 MW permintaan puncak pada tahun 2022. Jumlah tersebut setara dengan 15% dari permintaan puncak kapasitas penyimpanan. Besar.

Operasi jaringan listrik berubah secara mendasar. Namun rezimnya sangat berbeda dengan Texas atau California di mana persentase penyimpanan masih kecil dari total kapasitas. Bisakah Anda mengukur pendekatan Australia Selatan terhadap ERCOT? Mungkin, mungkin juga tidak.

Saya bertanya kepada operator jaringan listrik Australia Selatan tentang hal ini di sebuah konferensi. Tanggapannya: "Kami adalah kasus ujiannya. Jika kasus ini rusak di sini, setidaknya kami cukup kecil untuk mengatasi kegagalan tersebut." Bukan rasa percaya diri-yang menginspirasi tapi jujur.

grid-scale energy storage

NREL memproyeksikan penyimpanan sebesar 250+ GW AS pada tahun 2050 dalam skenario energi terbarukan yang tinggi. Atau 300 GW? Saya harus mencarinya. Apakah hal itu terwujud tergantung pada banyak faktor. Pengurangan biaya yang berkelanjutan tentu saja. Dukungan kebijakan tetap ada, dan tidak pernah ada jaminannya. Operator jaringan listrik sebenarnya mengubah praktik operasional dan bukan sekadar membicarakannya.

Beberapa proyeksi lima tahun lalu sudah terlihat konservatif. Penempatan melebihi perkiraan sebelumnya. Namun proyeksi lain mungkin terbukti sangat optimis jika asumsi utama tidak terpenuhi atau terjadi sesuatu yang tidak terduga. Sulit untuk mengatakannya.

Kimia baru terus bermunculan dari laboratorium penelitian. Ion-natrium menjanjikan biaya material yang lebih rendah karena Anda tidak menggunakan litium. Seng-udara mengklaim kepadatan lebih tinggi. Beberapa hal lain yang mungkin saya lupa. Akankah ada pengganti litium-ion untuk aplikasi jaringan listrik? Mungkin tidak seluruhnya, menurut dugaan saya. Teknologi lama memiliki skala manufaktur yang tidak dapat ditandingi oleh pendatang baru dengan cepat. Butuh waktu bertahun-tahun untuk membangun pabrik.

Kemungkinan besar kimia yang berbeda menemukan ceruk tertentu berdasarkan kekuatan tertentu. Pasar menjadi cukup beragam untuk mendukung berbagai pendekatan, dengan asumsi pendekatan tersebut benar-benar mencapai skala komersial dan tidak hanya bertahan dalam proyek percontohan selamanya.

Penyimpanan dimulai sebagai solusi intermiten terbarukan namun berkembang lebih luas. Sekarang ini adalah alat untuk fleksibilitas jaringan listrik, apa pun sumber pembangkitannya. Ganti turbin pembakaran untuk pengaturan frekuensi. Tunda peningkatan transmisi yang mahal dengan mengelola kemacetan lokal. Memberikan kemampuan-mulai gelap untuk restorasi jaringan setelah pemadaman besar.

Penerapan ini penting apakah penetrasi energi terbarukan mencapai 80% atau tetap di angka 40%, atau di mana pun hal tersebut berakhir.

Perekonomian terus membaik secara bertahap. Skala manufaktur menurunkan biaya setiap tahun. Kinerja baterai - kepadatan energi, siklus hidup, semua itu - juga meningkat secara bertahap. Apakah penyimpanan menjadi solusi fleksibilitas yang dominan atau hanya salah satu pilihan di antara beberapa pilihan (respons permintaan, peningkatan transmisi, perkiraan yang lebih baik) masih menjadi pertanyaan terbuka yang mungkin tidak akan terjawab dalam satu atau dua dekade ke depan.

Apa yang tampak jelas: jaringan listrik mengalami perubahan secara mendasar. Teknologi penyimpanan - apa pun bentuknya - memungkinkan banyak perubahan tersebut. Tampaknya hal itu cukup pasti.

Kembali ke operator Texas selama Winter Storm Uri. Setelah harga kembali normal dan krisis berlalu, saya bertanya kepadanya apa yang dia pelajari. Jeda panjang. "Baterai bisa melakukan tugasnya. Tapi belum ada yang benar-benar tahu apa yang mereka lakukan. Kita semua memikirkan hal ini bersama-sama."

Terasa benar.

EIA menerbitkan statistik penyimpanan bulanan. Cukup dapat diandalkan meskipun muncul dengan lag. Bloomberg NEF melakukan tinjauan tahunan, memerlukan langganan yang mahal. NREL memelihara database kinerja, data tertinggal dari kenyataan selama 12-18 bulan. Masih berguna untuk keperluan akademis.

Wood Mackenzie dan perusahaan serupa menerbitkan perkiraan. Akurasi rekam jejak-dalam jangka waktu yang lebih lama, katakanlah beragam. Mereka secara konsisten meremehkan tingkat penempatan pada tahun 2018-2022. Lucu jika dipikir-pikir.

Publikasi perdagangan seperti Utility Dive dan Energy Storage News meliput proyek dengan cukup baik. Namun, cenderung ke arah pembingkaian yang optimis. Separuh dari produk yang mereka umumkan sebagai "segera hadir" tidak pernah mencapai operasi komersial. Ambil dengan garam.

Melakukan percakapan yang bermanfaat selama bertahun-tahun dengan para insinyur di California ISO, ERCOT, South Australia Power Networks, ditambah operator di berbagai konferensi (Austin, San Diego, Berlin, Adelaide). Hal paling informatif datang dari percakapan bar setelah panel resmi berakhir.

Data terkini pada tahun 2023 atau awal tahun 2024. Industri berubah cukup cepat sehingga Anda harus memverifikasi nomor tertentu jika menggunakannya untuk hal penting. Jangan hanya mengutip artikel ini - Saya seseorang di internet.