Oorspronkelijk gepubliceerd op RMI Outlet, blog van het Rocky Mountain Institute
Door Madeline Tyson
Met de enorme uitbreiding van de capaciteit van de fabriek voor lithium-ionbatterijen (Li-ion) in de afgelopen jaren en de kortetermijnverplichtingen voor verdere uitbreidingen, blijven de kosten voor batterijopslag drastisch dalen. Dalende kosten, in combinatie met verbeterde prestaties, maken nieuwe batterijtoepassingen mogelijk die de energietransitie drastisch zullen versnellen.
Voor veel investeerders, beleidsmakers en systeemplanners zijn de prestatiekenmerken die naast de prijs de meeste aandacht trekken vaak maatstaven zoals energiedichtheid of veiligheid. In de komende vijf jaar kunnen verbeteringen gericht op batterijdegradatie (levensduur) echter belangrijker zijn - niet alleen voor het uitbreiden van de acceptatie van EV's, maar ook voor het openen van nieuwe toepassingen voor batterijen zoals voertuig-naar-netdiensten, tweede leven voor batterijen die niet meer geschikt zijn voor mobiliteitsdoeleinden en voor langdurige opslag. Deze toepassingen zouden de economie van batterijen aanzienlijk kunnen verschuiven en nieuwe horizonten van kansen openen langs voorheen onaangeboorde waardeketens - met andere woorden, ze zouden game changers zijn in termen van het versnellen van de overgang naar een schoon energiesysteem.
Wat velen zich niet realiseren, is dat Li-ion-batterijen een grote diversiteit aan elektrochemische energieopslagapparaten bevatten. Zoals uitgelegd in RMI's Breakthrough Batteries rapport, er zijn veel soorten Li-ion-batterijen, allemaal met verschillende prestatiekenmerken en compromissen. Landen, onderzoeksinstellingen en fabrikanten investeren substantieel in onderzoek en ontwikkeling in het streven naar betere en zelfs goedkopere, meestal Li-ion-batterijen.
Onlangs is er veel geroezemoes opgedoken over Tesla's bewering dat het een Li-ion-batterijchemie heeft ontwikkeld die gedurende zijn levensduur een miljoen mijl kan bereiken, wat een dramatische verbetering van de degradatieprestaties suggereert. Hoewel de meest voor de hand liggende implicatie de mogelijkheid is om een miljoen mijl te rijden met dezelfde batterij (een functie die handig is voor robottaxi's), hebben verbeteringen in de levensduur van EV-batterijen vele andere implicaties voor het uitbreiden van gebruiksgevallen voor elektrificatie.
Li-ionbatterijen verslechteren door verschillende factoren:tijd, aantal cycli, diepte van fietsen en temperatuur. Li-ionbatterijen die zijn geoptimaliseerd voor energiedichtheid, zoals NMC- of NCA-kathodechemie, hebben in het verleden een kortere levensduur gehad als ze routinematig volledig worden ontladen (100 procent ontladingsdiepte). De andere meest voorkomende Li-ion-chemie die tegenwoordig wordt vervaardigd, is lithiumijzerfosfaat (LFP), dat veel zwaarder is en minder energiedicht (niet zo goed voor lichte voertuigen) maar met een langere levensduur.
Aanzienlijke verbeteringen in de levensduur van Li-ion-chemie met hoge energiedichtheid zullen een enorme stap zijn in de richting van de implementatie van snelladen van elektrische voertuigen, voertuig-naar-net-mogelijkheden en opslaginstallaties met een langere levensduur, inclusief het gebruik van batterijen van een tweede leven. Deze verbeteringen brengen echter ook uitdagingen met zich mee:
Snel opladen
Snel opladen is een cruciaal onderdeel van een toekomst van elektrische mobiliteit, omdat het van cruciaal belang is dat EV's dezelfde, zo niet betere, functionaliteit en transportgemak bieden als vandaag. Toch zijn de verslechteringspercentages voor sommige soorten Li-ion-batterijen aanzienlijk wanneer ze snel worden opgeladen of ontladen. Kathode- en elektrolytverbeteringen die de ernst van verslechtering verminderen en de levensduur van de batterij verlengen, verminderen de negatieve effecten van snel opladen.
Vehicle-to-grid (V2G) opladen
Het idee dat voertuigen een rol kunnen spelen bij het balanceren van het elektriciteitsnet is opwindend, maar het staat vol met uitdagingen. Zowel Nissan als Fiat zijn bezig met pilots om V2G-modellen te testen. Nogmaals, EV-batterijen bederven met laad- en ontlaadcycli. Aanbieders van batterijgarantie zijn niet geïnteresseerd in het afschrijven van de mobiliteitscapaciteiten van die activa in ruil voor een kleine vergoeding van het elektriciteitsnet.
Zonder verbeteringen in EV-batterijcyclus en levensduur zou het prijsniveau dat nodig is om het opladen van voertuigen naar het elektriciteitsnet te stimuleren, waarschijnlijk veel te hoog zijn. Er zouden waarschijnlijk andere en aanvullende investeringen in energieopslag nodig zijn om deze balanceringscapaciteit te bieden. Het koppelen van lokale energieopslag aan snellaadinfrastructuur zou bijvoorbeeld nog steeds dergelijke voordelen kunnen opleveren en tegelijkertijd de gevolgen van pieken in de vraag van snelladen kunnen matigen. Het is onwaarschijnlijk dat EV's alleen kunnen zorgen voor gedistribueerde netbalancering of gelokaliseerde veerkracht zonder significante prestatieverbeteringen van EV-batterijen.
Opslag voor langere duur
De overgrote meerderheid van netgekoppelde batterijprojecten zijn gericht op opslaggebeurtenissen van korte duur, maar aangezien de kosten van batterijen zijn gedaald, is de gemiddelde duur van dergelijke projecten gestegen van 1,5 uur in 2015 tot 2,2 uur vandaag. Naast het feit dat extra energie kosten aan projecten toevoegt, bouwen projectontwikkelaars van Li-ion-opslagprojecten de hoeveelheid energie die ze nodig hebben doorgaans met 10 tot 30 procent te hoog op. Deze extra capaciteit helpt het aantal keren dat batterijen volledig worden ontladen te verminderen en kan enige degradatie veroorzaken.
Bovendien geven installaties met een langere levensduur waar mogelijk vaak prioriteit aan mogelijkheden met een kortere duur, waaronder ondersteunende diensten of kortetermijn-energieverschuivingen (bijv. 15 minuten). De voorkeur van batterijontwikkelaars en eigenaren van activa voor deze kortere termijnmarkten kan de veerkrachtvoordelen van batterijen voor het net ondermijnen. Batterijen met een langere levensduur en betere prestaties hoeven niet zoveel buffercapaciteit te hebben of bang te zijn voor degradatiekosten van de batterij. Als gevolg hiervan zullen projecten met een langere looptijd worden geïnstalleerd die vaker hun volledig geïnstalleerde capaciteit zullen gebruiken op een manier die de economie van het batterijproject aanzienlijk verbetert. Systeemplanners, regelgevers en investeerders moeten deze kenmerken in overweging nemen bij het ontwerpen en selecteren van systemen.
Tweedehands batterijen voor langdurige opslag
Li-ion LFP heeft al een relatief lange levensduur en is voor veel netinstallaties een logische keuze. De uiteindelijke prijsbodem van LFP zal naar verwachting echter rond de $ 60/kWh liggen op basis van de materiaalkosten van de componenten. Dit is waarschijnlijk te hoog voor het type langdurige seizoensopslag dat nodig zal zijn voor hogere penetraties van hernieuwbare energie. Dit geldt met name in koudere delen van de wereld die te maken hebben met piekenergie in de winter met beperkte beschikbaarheid van hulpbronnen, soms voor langere tijd.
Form Energy heeft dit probleem aangepakt met zijn innovatieve gepatenteerde technologie die zich richt op kapitaalkosten van minder dan $ 10/kWh. Onlangs tekende het bedrijf een overeenkomst om een opslagproject van 150 uur te demonstreren met Great River Energy, wat een belangrijke mijlpaal en vooruitgang is voor de energietransitie.
Second-life Li-ion-batterijen kunnen een andere economische oplossing zijn voor langdurige opslag, omdat hun lagere kosten de noodzakelijke drempel zouden kunnen halen. Dit vereist een uitbouw van het Li-ion-ecosysteem met het inzamelen, testen, recyclen en verwerken van batterijen.
De huidige Li-ion-batterijen kunnen moeilijk te gelde worden gemaakt voor een grote selectie van toepassingen met een tweede leven vanwege de variabiliteit in de batterijstatus en de dramatische afname van de levensduur en veiligheid van fietsen. Tot op heden zijn tweedehands Li-ion-batterijen voornamelijk gebruikt voor veerkrachtige toepassingen op telecommunicatietorens, maar sommige bedrijven testen tweede leven-netwerktoepassingen. Naarmate markten voor opslag voor langere tijd volwassen worden, zal een langere levensduur van de batterij nodig zijn om vertrouwen te geven in de resterende energie-inhoud van hergebruikte EV-batterijen om de resterende gebruikswaarde te evenaren. Bovendien zou consolidering van de Li-ionmarkt naar minder chemicaliën en gedeelde normen tussen fabrikanten de tweedehandsmarkten enorm helpen om dit probleem op te sporen en eraan te werken.
Een toekomstgerichte visie op het elektriciteitsnet omvat snel opladen, voertuig-naar-net-capaciteit en langdurige energieopslag, inclusief batterijen voor een tweede leven. Deze opkomende use-cases zullen aanzienlijk worden versneld met een EV-batterij die een langere levensduur heeft. Investeerders, systeemplanners en beleidsmakers moeten rekening houden met de impact van fietsen op toekomstige gebruiksscenario's wanneer ze willen stimuleren en investeren in opslagoplossingen. Dit zou onder meer moeten bestaan uit het uitbouwen van een robuuste batterijtoeleveringsketen die steeds meer gestandaardiseerd wordt en die de resterende batterijlevensduur van tweedehands batterijen kan controleren en vergelijken.
