Wie eine neue Klasse von Startups daran arbeitet, das Grid-Storage-Rätsel zu lösen

Konzeptionelle Darstellung einer Batterie aus einem Zauberwürfel-Puzzle Nikolaus Ortega

Hier ist das Problem: Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen sind billige, saubere und zuverlässige Stromquellen, bis sie es nicht mehr sind. Die Sonne geht unter; die Windfahnen. Sie können kein Stromnetz alleine versorgen.

Kohle- und Erdgaskraftwerke können heute die Lücken füllen. Aber da die Klimavorschriften immer mehr dieser kohlenstoffspeienden Quellen schließen, wird es jedes Jahr Tage oder sogar Wochen geben, an denen erneuerbare Energien nicht ausreichen werden, um das Licht am Laufen zu halten. Etwas anderes muss eingreifen.

Form Energy ist davon überzeugt, dass es sich dabei um eine Batterie handeln könnte. Aber es müsste eine Batterie sein, wie sie die Welt noch nie gesehen hat.

Um so billig, zuverlässig und flexibel wie Erdgas zu sein, müsste ein solches Batteriesystem weniger als 10 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten. Die besten Netzbatterien von heute, große Lithium-Ionen-Systeme, Hunderte von Dollar kosten pro Kilowattstunde (genaue Schätzungen variieren ). Es könnte sogar Jahrzehnte dauern, bis dieser Preis unter 100 $ fällt.

Es ist ein großer Sprung. Aber die Gründer von Form glauben, dass sie dieses Ziel erreichen könnten, indem sie große Batterien entwickeln, die auf extrem billigen, energiedichten Materialien basieren. Wir glauben, dass wir dorthin gelangen können, sagt MIT-Professor Yet-Ming Chiang, Mitbegründer und leitender Wissenschaftler bei Form. Wir glauben, dass wir die Technologie an diese Anforderungen anpassen können.

Eine kostengünstige, langlebige Form der Energiespeicherung, die überall gebaut werden könnte, käme einer Wunderwaffe zur Säuberung des Energiesektors am nächsten. Es würde das Beste aus den stark sinkenden Kosten von Sonne und Wind machen, ohne viele der Umwelt-, Sicherheits- oder ästhetischen Probleme, die durch andere Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energien entstehen.

Das Grid-Storage-Rätsel

Form mit Sitz in Somerville, Massachusetts, erregte bei seiner Gründung im Jahr 2017 die Aufmerksamkeit der Batteriewelt. Chiang ist einer der weltweit führenden Batteriewissenschaftler. Er hat Hunderte von wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlicht, hält mehr als 80 Patente , und hat sechs Startups mitbegründet. Mehrere haben verdient Bewertungen von mehr als 1 Milliarde US-Dollar , einschließlich A123-Systeme , das Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge herstellt.

CEO von Form, Matthäus Jaramillo Er hat zuvor eine Geschäftseinheit von Tesla aufgebaut und geleitet, die Batteriesysteme für Privathaushalte verkauft und verkauft jetzt bauen einige von den größten Netzbatterieprojekte auf der ganzen Welt. Bis heute hat Form rund 50 Millionen US-Dollar von Bill Gates’ Breakthrough Energy Ventures, dem italienischen Energieriesen Eni und anderen gesammelt.

Das Gründerteam von Form Energy. Höflichkeit: Form Energy

Eine Welle früherer Grid-Storage-Unternehmen ist gescheitert (siehe Warum Startups im Bereich saubere Energie schlimme Dinge passieren ). Form ist nur eine von mehreren, die kürzlich Spenden gesammelt haben, um das Problem neu anzugehen.

Der Hauptspeicherbedarf im Netz wird heute als Intraday-Speicher bezeichnet. Es liefert für einige Stunden schnelle Stromstöße, um Diskrepanzen zwischen Erzeugung und Nachfrage den ganzen Tag und zumindest bis in die frühen Abendstunden auszugleichen.

Ein wachsender Anteil dieses Speichers stammt aus Lithium-Ionen-Batterien, die auch Telefone, Laptops und Elektroautos mit Strom versorgen und immer billiger und leistungsfähiger werden. Die Menge der weltweit installierten Netzspeicher ist im vergangenen Jahr um fast 150 % auf sechs Gigawattstunden gestiegen, nach Angaben des Forschungsunternehmens Wood Mackenzie . Das ist fast das Doppelte der durchschnittlichen Rate in den vorangegangenen fünf Jahren, und Lithium-Ionen-Systeme machten den größten Teil des Anstiegs aus.

Tesla zum Beispiel plant dies Hunderte bauen seiner neuen drei Megawattstunde Megapack Batteriesysteme in Moss Landing, Kalifornien. Der Projekt , zu dem auch andere Entwickler von Energiespeichern gehören, würde ein Trio von jahrzehntealten Gasanlagen am Standort ersetzen, der von Calpine, einem großen amerikanischen Energieunternehmen, betrieben wird.

Das Netzbatteriewerk von Telsa in Kauaʻi, Hawaii. Mit freundlicher Genehmigung: Tesla

Inzwischen sind es eine wachsende Zahl von Entwicklern erneuerbarer Energien wie Recurrent Energy und First Solar Er schlägt riesige Solarparks vor, die mit riesigen Batteriespeichersystemen gekoppelt sind , sodass die Anlagen noch Stunden nach Sonnenuntergang Strom liefern können.

Aber die Sonne und der Wind verblassen nicht nur für Stunden; manchmal tauchen sie tage- oder wochenlang ein. Wenn wir hauptsächlich auf erneuerbare Energien umsteigen wollen, brauchen wir viel mehr Speicher, der viel länger halten kann.

Mit der heutigen Batterietechnologie würden die Kosten in die Höhe schnellen, sagt Jesse Jenkins, Assistenzprofessor in Princeton, der Energiesysteme erforscht. Es würde Banken über Banken von Lithium-Ionen-Batterien erfordern, von denen viele möglicherweise nur wenige Male im Jahr verwendet werden. Wir müssten auch mehr Solar- und Windparks bauen, um genügend überschüssigen Strom zu erzeugen, um sie aufzuladen. (Siehe Der 2,5-Billionen-Dollar-Grund, warum wir uns nicht auf Batterien verlassen können, um das Stromnetz zu bereinigen.)

Die Wirtschaft bröckelt in diesem Szenario. Wenn diese Vermögenswerte drei Viertel des Jahres ungenutzt bleiben sollen, haben Sie die effektiven Kosten gerade um das Vierfache erhöht, sagt Don Sadoway, ein MIT-Chemiker, der Ambri mitbegründet hat, das eine langlebige Flüssigmetall-Gitterbatterie entwickelt hat etwa eine Stunde länger als Lithium-Ionen-Batterien.

Aber es ist eigentlich noch schlimmer. Wir müssten erneuerbare Energien und Speicher überbauen, um die Nachfrage während der seltensten Ereignisse zu decken: die anhaltenden Ebbes von Sonne oder Wind, die alle paar Jahre auftreten, vielleicht sogar einmal pro Jahrzehnt.

Regionen müssen dieses Problem nicht ausschließlich durch Speicherung lösen. Treffen nur a kleiner Anteil der Gesamtnachfrage durch andere Mittel würde die Kostenziele erleichtern, die Speicherunternehmen erreichen müssten, andere Forschungsergebnisse . Dazu könnten Kernreaktoren, Wasserkraft, Erdgaskraftwerke mit Systemen zur Abscheidung von Kohlenstoffemissionen oder Fernübertragungsleitungen gehören, die erneuerbare Energien über Zeitzonen hinweg ausgleichen können. Aber diese Optionen sind politisch unbeliebt, teuer, geografisch eingeschränkt oder alle drei. Batterien haben den Vorteil, dass sie Menschen nicht besonders nerven.

Wir müssen heute über diese zukünftigen Probleme nachdenken, denn die Entwicklung der erforderlichen Technologien könnte Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern. Gebiete mit hohen Anteilen an erneuerbaren Energien wie Kalifornien und Deutschland produzieren bereits jetzt mehr Solar- oder Windenergie, als das Netz in bestimmten Zeiträumen verbrauchen kann, was die wirtschaftlichen Anreize für mehr Bau untergräbt. Viele weitere Regionen beginnen zu erkennen, dass es eine gähnende Lücke gibt, die einige Technologien schließen müssen, wenn sie hoffen, fossile Brennstoffe zu eliminieren.

Forms Ansatz

Die Entwicklung billiger Batterien mit langer Lebensdauer hat Forscher jahrzehntelang ratlos gemacht, hauptsächlich weil die Metalle und Chemikalien, die bisher am besten funktionierten, teuer sind. Wenn Sie sie verwenden, um einen längeren Lagerbedarf zu decken, müssen Sie immer mehr davon stapeln. Form ist vorsichtig, wie es versucht, diese Herausforderungen zu umgehen, aber ein Teil des Ansatzes des Unternehmens geht aus einem Papier hervor, das Chiang und Kollegen Ende 2017 in der Zeitschrift Joule veröffentlicht haben (siehe Serial Battery Entrepreneur’s New Venture packt das größte Problem sauberer Energie an).

Energie bilden

Form Energy wurde 2017 gegründet, als das MIT-Spinout Baseload Renewables mit Verse Energy fusionierte, das von Mateo Jaramillo gegründet wurde, der zuvor das Energiespeichergeschäft von Teslau2019 leitete. Das Unternehmen hat bisher rund 50 Millionen US-Dollar gesammelt.

Gründer

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

Geldgeber

Bahnbrechende Energie-Ventures
nEni-Gruppe
nPrelude Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s Der Motor
nSaudi Aramco
nDas ARPA-E-Programm des Department of Energyu2019

Alle Batterien enthalten zwei grundlegende Komponenten: einen Elektrolyten, normalerweise eine flüssige Chemikalie, und ein Elektrodenpaar, die Anode und die Kathode, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen (oft, aber nicht immer, Metalle). Geladene Atome, bekannt als Ionen, transportieren Strom durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden, wenn die Batterie geladen oder entladen wird. In Lithium-Ionen-Batterien ist der Elektrolyt eine Lithiumverbindung, die mit anderen Chemikalien vermischt ist.

In der Veröffentlichung von 2017 hoben Chiang und seine Kollegen das Potenzial einer luftatmenden wässrigen Schwefel-Flow-Batterie hervor. Eine Flow-Batterie beginnt, das Kostenproblem zu umgehen, indem sie die stromliefernden Komponenten der Batterie, einschließlich der Elektroden, vom energiespeichernden Teil, dem Elektrolyten, trennt.

Eine Standard-Flow-Batterie hat zwei verschiedene Elektrolyte, den Katholyten und den Anolyten, die jeweils in großen, leicht austauschbaren Tanks gelagert werden können. Wenn Sie also mehr Stauraum wünschen, können Sie einfach größere Tanks hinzufügen, während die anderen teuren Teile, einschließlich der Elektroden, gleich bleiben.

Um es jedoch wirklich preiswert zu machen, müssen die Elektrolyte, die diese riesigen Tanks füllen, auch billig sein. Der Schlüssel zur Flow-Batterie im Joule-Papier besteht darin, als Anolyt eine Lösung auf Schwefelbasis zu verwenden. Schwefel gehört zu den am häufigsten vorkommenden Elementen in der Erdkruste und ist ein Nebenprodukt der Kraftstoffraffination, daher ist es extrem billig und kann viel Energie speichern.

Basierend auf der gespeicherten Ladung pro Dollar war Schwefel um mehr als den Faktor 10 besser als das nächstbeste, sagte mir Chiang im Jahr 2017.

Insgesamt könnten die Chemikalienkosten in einer solchen Durchflussbatterie laut der Studie bis zu 1 US-Dollar pro Kilowattstunde betragen.

Als ich letzten August mit Chiang sprach, bestätigte er, dass Schwefel definitiv immer noch Teil unserer Roadmap ist. Er sagte, es sei der Ansatz, den sie verwenden in einem Projekt, das vom Moonshot-ARPA-E-Programm des Energieministeriums finanziert wird . Aber Form sagt, dass es jetzt mehrere Chemien entwickelt, obwohl es nicht sagen wird, was die anderen sind.

Yet-Ming Chiang, MIT-Professor und Mitbegründer von Form Energy. Simon Simard

Während sich die meisten Netzspeicherunternehmen nur auf den Speicherteil konzentrieren, hat Jaramillo auch gesagt Sie untersuchen die Möglichkeit von bidirektionalen Kraftwerken , das vor Ort erneuerbare Energie aus Sonne oder Wind erzeugt, in großen Batterien speichert und bei Bedarf ins Netz einspeist.

Andere Wege zur Langzeitspeicherung

Aber eine elektrochemische Batterie, ob auf Basis von Schwefel- oder Lithium-Ionen-Chemie oder etwas anderem, ist nur eine Möglichkeit, große Energiemengen zu speichern.

Anfang September drängte sich eine Gruppe von Ingenieuren um einen gedrungenen, silbernen Zylinder von der Größe eines Grilltanks im hinteren Teil einer vollgestopften Werkstatt des Lawrence Berkeley National Lab, eingebettet in die Hügel mit Blick auf die Bucht von San Francisco. Abgesehen von ihrem intensiven Blick auf den angrenzenden Computerbildschirm war der einzige Hinweis darauf, dass etwas am Werk war, ein orangefarbenes Leuchten, das in einem winzigen Fenster nahe der Unterseite des Geräts sichtbar war.

Die Forscher von Antora Energy entwickeln einen neuartigen thermischen Speicher. Es ist ein selten verwendeter Ansatz das Energie in Form von extremer Hitze oder Kälte in einer Vielzahl von Substanzen wie unterirdischen Felsen oder Eisblöcken speichert. In Antoras Fall war die Substanz im Tank ein Kohlenstoffblock, der zu diesem Zeitpunkt weit über 2.000 °C lief.

Die Hoffnung ist, dass sie überschüssigen Strom aus Solar- oder Windparks verwenden könnten, um dieses Material zu erwärmen und die Wärme dann bei Bedarf wieder in Strom umzuwandeln. Typischerweise geschieht dies bei Wärmespeichern immer noch im höchst ineffizienten Stil des 19. Jahrhunderts: durch die Erzeugung von Dampf, der einen Turbinengenerator antreibt. Der größte Teil der Energie wird jedoch durch mechanische Reibung, Dampflecks und andere Probleme verschwendet.

Antora testet ein neuartiges Thermophotovoltaik-System. Es ist so etwas wie ein Solarpanel, aber es wandelt die Infrarotstrahlung, die von einem heißen Objekt ausgeht, und nicht Sonnenlicht, in Elektrizität um. Ende September gaben die Forscher bekannt, dass sie einen neuen Rekord aufgestellt haben, indem sie in einem Laborexperiment mehr als 30 Prozent der zur Zelle fließenden Wärme wieder in Strom umgewandelt haben. Sie streben einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % an.

Mechanische Verfahren bieten einen weiteren Ansatz zur Netzspeicherung. Dazu gehört das Pumpen von Luft in unterirdische Kavernen, das Fahren von mit Steinen gefüllten Zügen bergauf oder das Übertragen von Wasser zwischen Stauseen in unterschiedlichen Höhen. All dies funktioniert ungefähr auf die gleiche Weise und verwendet überschüssige Energie, wenn sie verfügbar ist, um etwas auf eine höhere Höhe zu bewegen oder es unter Druck zu setzen. Wenn es dann freigesetzt wird, können wir die kinetische Energie aus der entweichenden Luft oder herunterfahrenden Zügen oder Wasser nutzen, um Strom zu erzeugen.

Tatsächlich ist Pumpwasserkraft heute bei weitem unsere billigste und am häufigsten vorkommende Quelle für die Speicherung von Netzenergie. Das Problem ist, dass Sie nicht immer genug Wasser oder Hügel in der Nähe jedes Kraftwerks haben.

Im Rahmen seines DAYS-Programms hat ARPA-E mehr als 30 Millionen Dollar investiert in 12 Startups oder Forschungsgruppen, die versuchen, das Problem der Grid-Speicherung zu knacken. Dazu gehören die Flussbatterien von Form und das thermische System von Antora sowie Quidnet Energys Variante der Pumpwasserkraft: das System des Startups aus San Francisco pumpt Wasser in die Lücken zwischen eingeschlossenen Felsen unter der Erde , wodurch Druck entsteht, der das Wasser wieder nach oben und durch einen Generator drückt, wenn Strom benötigt wird.

Bahnbrechende Energie-Ventures , der von Bill Gates unterstützte Fonds, hat die Langzeitspeicherung zu einer seiner höchsten Prioritäten gemacht. Zusätzlich zu Form hat es Quidnet und Malta unterstützt, ein weiteres Thermal-Startup, das auf geschmolzenes Salz als Speichermedium setzt (siehe Alphabet befindet sich in Gesprächen, um sein Geschäft mit geschmolzenem Salzspeicher auszugliedern).

Unterdessen japanische Konglomerat SoftBank kürzlich 110 Millionen Dollar investiert beim Schweizer Startup für mechanische Speicher Energy Vault, das Betonblöcke mit Kränen und Drähten stapelt, wenn erneuerbare Energien überschüssigen Strom erzeugen. Dann lässt es diese Blöcke auf denselben Drähten zurück auf den Boden fallen und nutzt ihren Schwung, um die Motoren in den Kränen rückwärts zu drehen und Strom abzupumpen. ( Dieses Video macht das Konzept klarer.)

Die Unkonventionalität einiger dieser Ideen zeigt, wie schwierig es für Technologien ist, den Sprung von der Speicherung von Energie für einige Stunden zu einigen Wochen zu schaffen.

Wenn wir davon sprechen, im Sommer Energie im Wert von beispielsweise einem Monat oder zwei Monaten einzufangen und im Winter für einen Monat oder zwei Monate verfügbar zu haben, sind das gigantische Energiesummen, sagt Sadoway. Wie viele Zugladungen Steine ​​hast du?

Sehr großes Wenn

Die meisten mechanischen Methoden wie Züge oder Kräne benötigen viel Platz. Thermische Methoden sind von Natur aus ineffizient, da es schwierig ist, zu verhindern, dass Wärme oder Kälte entweicht. Und die Produktion oder Verbrennung der meisten flüssigen Brennstoffe verursacht genau die Klimaemissionen, die wir vermeiden wollen.

Batterien haben den Vorteil, dass sie sauber, kompakt, mobil und effizient sind. Wenn also jemand sie billig und langlebig machen kann, könnten sie sie an jedes Stromnetz anschließen. Das würde es Wind- und Solarenergie ermöglichen, viel mehr von unserem Strom bereitzustellen, und sauberer Strom würde wiederum einen viel größeren Teil unseres gesamten Energiebedarfs decken.

Aber das bleiben sehr große Wenns. Einige Energiebeobachter bezweifeln, dass Form seine Ziele erreichen kann, oder fragen sich, wie viel Erdgas solche Batterien ersetzen würden, selbst wenn dies der Fall wäre. Die Firmengründer ihrerseits sagen Es ist ein mindestens jahrzehntelanges Projekt mit ernsthaften technischen, finanziellen und Marktrisiken.

Große Fortschritte bei Batterien gibt es im Durchschnitt nur etwa alle drei Jahrzehnte, und die Geschichte des Feldes ist vollgestopft mit weitaus vielversprechenderen Ansätzen, die sich nicht bewährt haben, als denen, die es geschafft haben.

Andererseits kam die letzte, die Lithium-Ionen-Technologie, vor 28 Jahren auf den Markt. Wir stehen kurz vor einem weiteren Durchbruch.

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