나는 다이빙에 너무 많은 시간을 소비했습니다.에너지 저장 기술. 솔직히 말해서 이웃의 배터리 설정에 대한 호기심으로 시작된 것이 집착으로 바뀌었습니다. 그래서 제가 알아낸 것은 다음과 같습니다.-저를 믿으세요. 이 중 일부는 저를 놀라게 했습니다.
풍경이 극적으로 변했습니다. 5년 전, 우리는 기본적으로 리튬-이온과 양수 수력에 관해 이야기했습니다. 그게 다야. 지금? 옵션이 거의 압도적입니다.
리튬-이온 이야기
리튬-이온은 누구나 알고 있습니다. 휴대전화, 노트북, 아마도 자동차-는 어디에나 있습니다. 그러나 그리드-규모 및 홈 애플리케이션에 대한 흥미로운 점은 다음과 같습니다.
에너지 밀도가 놀랍습니다. 150-250Wh/kg에 대해 이야기하고 있는데, 이는 상대적으로 작은 장치에 상당한 저장 용량을 담을 수 있음을 의미합니다. 이를 약 35~40Wh/kg의 납{5}}산과 비교하면 리튬 이온이 왜 그토록 빠르게 자리를 잡았는지 이해하기 시작합니다. 가깝지도 않아요.
왕복-효율성은 약 85~95%입니다. 그것은 중요합니다. 100kWh를 투입할 때마다 85-95를 돌려받게 됩니다. 남은 에너지는 열이 되므로 이러한 시스템에서 열 관리가 매우 중요합니다. 나는 열악한 냉각으로 인해 효율성이 10~15% 포인트 저하된 설치를 본 적이 있습니다. 비싼 실수.
주기 수명은 화학적 성질과 사용 패턴에 따라 크게 달라집니다. LFP(인산철리튬) 셀은 80% 방전 심도에서 4,000~6,000사이클을 달성할 수 있습니다. NMC화학? 비슷한 조건에서는 1,500~2,000 정도 됩니다. 평생 가치를 계산할 때 그 차이가 중요합니다.
성능 저하 곡선은 제조업체가 항상 강조하는 것은 아닙니다. 최적의 사용량을 사용하더라도 연간 약 2~3%의 용량이 손실됩니다. 10년이 지나면 10kWh 배터리는 실제로 8kWh 배터리가 됩니다. 그에 따라 계획을 세우세요.
플로우 배터리: 저평가된 옵션
나는 수년간 흐름 배터리를 과소평가했음을 인정합니다. 결코 확장되지 않는 틈새 기술처럼 보였습니다. 나는 틀렸다.
개념은 우아합니다. 두 개의 전해질 용액이 별도의 탱크에 저장되고 셀 스택을 통해 펌핑되어 멤브레인을 통해 이온을 교환합니다. 전력 출력은 스택 크기에 따라 다릅니다. 에너지 용량은 탱크 크기에 따라 다릅니다. 특정 애플리케이션에 정말 유용한{3}}독립적으로 확장할 수 있습니다.
현재 상용 시장은 바나듐 레독스 흐름 배터리(VRFB)가 지배하고 있습니다. 왕복-효율은 리튬-이온-일반적으로 65-75%-보다 낮지만 중요한 점은 전해질이 리튬 이온 전극처럼 성능을 저하시키지 않는다는 것입니다. 일부 제조업체는 최소 용량 손실로 20,000+ 사이클을 요구합니다. 전해질 자체는 거의 무한정 재활용될 수 있습니다.
그래도 발자국은 상당합니다. 탱크, 펌프, 셀 스택, 냉각 시스템을 위한 공간이 필요합니다. 4+ 시간 요구 사항을 갖춘 유틸리티- 규모 설치의 경우 경제성이 매력적으로 보이기 시작합니다. 주거용? 실용적이지 않습니다. 적어도 아직은 아닙니다.
펌핑 하이드로: 여전히 거인
여기서 시간을 좀 투자해야 합니다. 왜냐하면 양수 수력은 최신 에너지 저장 논의에서 간과되기 때문입니다. 이는 실수입니다.
전 세계적으로 양수는 설치된 그리드-규모 에너지 저장 용량의 약 95%를 차지합니다. 이해해 보세요. 모든 리튬-이온 헤드라인과 모든 플로우 배터리 보도 자료는-나머지 5%를 놓고 경쟁하고 있습니다. 그 숫자는 엄청납니다. 전 세계적으로 160GW가 넘는 양수 용량과 수백 GWh에 달하는 에너지를 저장하고 있습니다.
원리는 이보다 더 간단할 수 없습니다. 전기가 저렴하거나 풍부할 때 오르막길에 물을 퍼 올립니다. 전력이 필요할 때 터빈을 통해 다시 흘러내리도록 하세요. 저장되고 방출되는 중력 위치 에너지. 이국적인 재료, 복잡한 화학, 전통적인 의미의 분해 우려가 없습니다.
왕복-효율성은 설치 설계에 따라 70{3}}85%입니다. 리튬-이온만큼 높지는 않지만 플로우 배터리와 경쟁력이 있습니다. 그리고 중요한 것은 시스템이 지속된다는 것입니다. 버지니아의 배스 카운티 양수 저장 스테이션은 1985년부터 운영되어 왔습니다. 거의 40년 동안 안정적으로 운영되었습니다. 아직 작동하는 40년 된 배터리를 찾아보세요.
가변-속도 펌프-터빈으로 응답 시간이 크게 향상되었습니다. 최신 설치는 2분 이내에 0에서 전체 출력으로 전환될 수 있습니다. 이는 대부분의 그리드 안정화 요구에 충분히 빠릅니다.
명백한 한계는 지리입니다. 고도차와 물이 필요합니다. 노르웨이, 스위스, 미국 일부 지역에는 이미 적합한 사이트가 많이 개발되었습니다. 하지만-매혹적입니다.{4}}자연 수역에 의존하지 않는 폐쇄형 루프 시스템에 대한 관심이 높아지고 있습니다.- 버려진 광산,-특수 목적으로 건설된 저수지, 심지어 지하 동굴까지.
건설 비용은 여전히 높습니다. 우리는 주요 설치에 수십억 달러를 투자하고 있으며 수년, 때로는 수십 년 단위로 측정되는 일정을 허용하고 있습니다. 이러한 초기-투자는 기술적 제한이 아니라 새로운 개발의 주요 장벽입니다.
압축공기
CAES-압축 공기 에너지 저장. 현재 운영 중인 대규모-공장은 독일의 Huntorf(1978년 이후)와 앨라배마의 McIntosh(1991년 이후)입니다. 둘 다 지하 소금 동굴을 사용합니다. 전통적인 단열 설계의 효율성은 약 40-50%이지만 고급 등온 접근 방식은 70%를 약속합니다.+. 흥미로운 기술, 제한된 배포. 계속해서.
수소 문제
나는 수소를 가지고왔다 갔다합니다. 언젠가는 이것이 장기 저장의 미래가 될 것이라고-생각합니다. 다른 날에는 효율성 손실이 극복할 수 없는 것처럼 보입니다.
사람들을 넘어지게 만드는 기본적인 수학은 다음과 같습니다. 전기분해는 약 60-80% 효율로 실행됩니다. 압축이나 액화에는 또 다른 에너지 덩어리가 필요합니다. 연료 전지를 통해 다시 전기로 변환하면 효율이 40~60% 정도 됩니다. 이를 함께 쌓으면 왕복 효율성이 25~45% 사이에 도달합니다. 그건... 좋지 않아요.
하지만 효율성이 전부는 아닙니다. 수소는 다른 기술이 제공할 수 없는 기능, 즉 성능 저하 없이 진정한 계절별 저장 기능을 제공합니다. 태양광 출력이 최고조에 달하는 여름에 수소를 생산해 지하 동굴이나 탱크에 저장했다가 수요가 급증하는 겨울에 사용합니다. 흐름 배터리의 전해질은 6개월 동안 유휴 상태를 유지한 후에도 여전히 작동하지만 수소는 단지... 거기에 머물러 있습니다. 자가 방전에 대한 걱정은-없습니다.
또 다른 장점은 다양성입니다. 저장된 수소는 다시 전기가 될 수 있습니다. 그렇습니다. 그러나 산업 공정에 연료를 공급하거나 차량에 연료를 공급하거나 열을 발생시킬 수도 있습니다. 비록 정량화하기 어렵더라도 이러한 선택성은 실질적인 가치를 갖고 있습니다.
플라이휠에 대한 빠른 참고 사항
플라이휠을 거의 잊었습니다. 회전하는 회전자(대개 마찰을 최소화하기 위해 진공 상태에서 작동하는 탄소 섬유 복합재)에 운동 에너지를 저장합니다. 응답 시간은 기본적으로 즉각적이므로 주파수 조절에 적합합니다. 그러나 에너지 용량은 제한되어 있습니다. 몇 시간이 아닌 몇 분만 저장하면 됩니다. Beacon Power는 뉴욕에서 주파수 조절을 훌륭하게 수행하는 20MW 시설을 운영하고 있습니다. 대량 저장을 위해? 다른 곳을 찾아보세요.
열 저장이 흥미로워집니다
녹은 소금, 가열된 모래, 극저온 액체, 얼음-여기에는 사람들이 생각하는 것보다 더 다양한 것들이 있습니다.
집중형 태양광 발전소에서는 수년간 용융염 저장소를 사용해 왔습니다. 스페인의 게마솔라(Gemasolar) 발전소는 약 565도의 용융 질산염에 저장된 열을 이용해 직사광선 없이 최대 15시간 동안 전기를 생산할 수 있다. 검증된 기술입니다.
최근 나를 흥분시키는 것은 가열된 모래와 자갈 저장입니다. 이 시스템은 1000도 이상의 온도를 견딜 수 있는 저렴하고 풍부한 재료를 사용합니다. 걱정할 이국적인 공급망이 없습니다. Polar Night Energy라는 핀란드 회사는 2022년부터 상업적으로 운영되고 있는 100MWh 모래 배터리를 제작했습니다. 왕복-여행 효율은 더 낮습니다{7}}전기 대{10}}50-60%{10}}그러나{11}}주요 용도가 난방인 경우 90%에 도달할 수 있습니다.+.
냉각 응용 분야를 위한 얼음 저장 장치도 언급할 가치가 있습니다. 전기요금이 저렴한 밤에는 얼음을 만들고, 오후 피크시간에는 에어컨에 사용하세요. 간단하고 효과적이며 이미 수천 개의 상업용 건물에 배포되었습니다. 화려하지는 않지만 효과가 있습니다.
그렇다면 그들은 실제로 어떻게 비교합니까?
정직한 대답은 다음과 같습니다. 무엇을 하려는지에 따라 다릅니다. 나는 그 대답을 싫어하지만 그것은 사실입니다.
기간 요구 사항
1초 미만의 -응답 및 짧은{1}}기간(초~분)이 필요한 경우에는 플라이휠과 슈퍼커패시터가 우세합니다. kWh당 가격은 비싸지만 속도 면에서는 타의 추종을 불허합니다. 리튬-이온은 1-4시간 창을 매우 잘 처리합니다. 이는 대부분의 주거용 및 상업용 배포가 이루어지는 곳입니다. 8~10시간을 넘기면 펌핑된 수력 및 흐름 배터리가 더욱 경제적이 됩니다. 몇 주 또는 몇 달에 걸쳐 계절별로 보관하는 경우 현재로서는 수소가 유일하게 실행 가능한 옵션입니다.
비용 현실
리튬{0}}이온 팩 비용은{1}2010년 약 $1,100/kWh에서 2024년 약 $140/kWh로 급락했습니다. 이는 놀라운 궤적입니다. 그러나 배터리 비용은 전체 방정식의 일부일 뿐입니다. 시스템, 설치, 그리드 상호 연결의 균형으로 인해-이러한 "소프트 비용"이 점점 더 프로젝트 예산을 지배하게 됩니다. 100kWh 주거용 시스템 설치 비용은 위치 및 현지 규정에 따라 $20,000-35,000가 될 수 있습니다.
양수는 장기간 적용을 위한 최저 수준의 저장 비용을 가지며,{0}}일반적으로 프로젝트 수명 동안 $50~80/MWh입니다. 중요한 점은 앞서 언급한 선행 자본 요구 사항입니다. 인내심 있는 투자자가 필요합니다.
플로우 배터리는 완전한 시스템의 경우 여전히 비용이 $300-500/kWh 정도 비쌉니다. 하지만 수명이 길어지면 균등화 비용 계산이 달라집니다. 애플리케이션이 20년에 걸쳐 10{5}}주기를 요구하는 경우 숫자를 주의 깊게 실행하세요.
환경 고려 사항
여기서 제가 약간 설교를 듣게 됩니다. 죄송합니다. 리튬-이온 제조는 환경에 실질적인 영향을 미칩니다.-코발트 채굴 조건, 리튬 추출수 사용, 수명 종료--재활용 문제 등이 있습니다. 우리는 이 모든 면에서 점점 나아지고 있지만 배터리가 완벽하게 깨끗한 척하는 것은 순진합니다. 양수 수력은 풍경과 생태계를 변화시키지만 폐쇄-루프 설계는 영향을 최소화합니다. 전기분해를 통해 생성된 수소는 전력을 공급하는 전기만큼 깨끗합니다. 이러한 절충안은 중요하며 솔직한 논의가 필요합니다.
제가 실제로 추천하고 싶은 것은
대부분의 가정과 중소기업에 해당됩니까? 리튬-이온, 특히 LFP 화학. 기술은 성숙했고, 설치자는 이를 이해했으며, 가격은 정말 합리적이 되었습니다. 옥상 태양광과 결합하면 10~15년 동안 잘 사용할 수 있는 시스템을 갖게 됩니다.
4+시간 요구 사항이 있는 그리드-규모 프로젝트의 경우 대화가 더욱 흥미로워집니다. 특히 애플리케이션이 높은 사이클 수를 요구하는 경우 리튬-이온과 함께 플로우 배터리를 진지하게 평가하고 싶습니다. 그리고 지리적으로 허용되는 한 구식-방식-으로 들린다는 이유로 양수 발전을 무시하지 마십시오. 이는 종종 최고의 장기 투자-입니다.
최신 기술에도 주목하세요. 나트륨-이온 배터리는 상용화 가능성에 도달했으며 몇 년 내에 리튬{2}}이온 비용을 줄일 수 있습니다. 철-공기 배터리는 장기간 사용 시 놀라운 에너지 밀도를 제공합니다.- 물 대신 고체블록을 이용한 중력저장이 상용화되고 있다.
풍경이 빠르게 발전하고 있습니다. 오늘날 최적으로 보이는 것이 5년 후에는 답이 아닐 수도 있습니다. 지금 결정을 내려야 한다면 그 불확실성은 실망스러울 수도 있지만, 정말 흥미로운 일이기도 합니다. 우리는 세계가 에너지를 저장하는 방식의 변화를 겪고 있으며 혁신의 속도는 느려지지 않습니다.