Stacjonarne magazynowanie energii: innowacje w technologiach baterii litowo-jonowych

Baterie litowo-jonowe pozostają kluczową technologią elektrochemicznego magazynowania energii na świecie, zdobywając popularność dzięki swojej elastyczności, efektywności i konkurencyjnej cenie. Z raportu IDTechEx wynika, że w 2023 roku globalnie wdrożono 92,3 GWh akumulatorowych systemów magazynowania energii opartych na bateriach litowo-jonowych (BESS). Systemy te znalazły zastosowanie w różnych sektorach, takich jak magazynowanie energii na dużą skalę, sektor komercyjny i przemysłowy (C&I), a także w gospodarstwach domowych. Inne technologie magazynowania energii, takie jak akumulatory przepływowe redoks, baterie sodowo-jonowe (Na-ion) czy metalowo-powietrzne, nadal są w fazie rozwoju. Ich udział w rynku jest niewielki.

Rozwój systemów BESS opartych na bateriach litowo-jonowych przyspieszył dzięki szybkiej redukcji kosztów technologii oraz poprawie jej wydajności w wyniku nieustannych innowacji. Producenci stale pracują nad poprawą bezpieczeństwa i zwiększeniem gęstości energii w swoich produktach, co jest kluczowe dla dużych projektów energetycznych. Zainteresowanie branży wzbudziło wprowadzenie na rynek technologii BESS o zerowej degradacji, której przykładem jest innowacyjny system magazynowania energii o nazwie TENER opracowana przez firmę CATL. Te ciągłe innowacje sprawiają, że Li-ion BESS utrzymają swoją dominację na rynku stacjonarnych magazynów energii, którego wartość ma osiągnąć 109 mld USD do 2035 roku.

Zmiana w kierunku chemii LFP

W systemach BESS bazujących na bateriach litowo-jonowych najczęściej stosuje się chemię NMC (niklowo-manganowo-kobaltowa) i LFP (litowo-żelazowo-fosforanowa). W ostatnim czasie chemia LFP zdobywa coraz większy udział w rynku, głównie dzięki niższym kosztom, dłuższemu cyklowi życia i mniejszemu ryzyku przegrzania. Brak kobaltu i niklu sprawia, że LFP jest bardziej opłacalna. Dodatkowo dłuższa żywotność i lepsze parametry bezpieczeństwa odpowiadają potrzebom systemów magazynowania energii stacjonarnej.

Mimo że większość ogniw LFP produkowana jest w Chinach, coraz więcej krajów ogłasza plany budowy własnych fabryk. Ma to umożliwić przeniesienie produkcji do innych regionów świata. Ta globalna dywersyfikacja pomoże zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na systemy BESS, szczególnie w regionach intensywnie rozwijających magazynowanie energii ze źródeł odnawialnych.

Globalne roczne instalacje akumulatorów litowo-jonowych według podziału chemicznego (%). Źródło: IDTechEx

Zmiany w gęstości energii BESS

Pomimo licznych zalet, ogniwa LFP mają także swoje wady, w tym niższą gęstość energii w porównaniu do NMC. Bywa to istotnym ograniczeniem. Gęstość energii jest bowiem ważnym wskaźnikiem w sektorze wysokowydajnych pojazdów elektrycznych (EV), ponieważ akumulatory EV o większej gęstości energii zapewniają większy zasięg. Jednak w przypadku magazynowania stacjonarnego, gdzie ograniczenia przestrzenne nie są tak rygorystyczne, gęstość energii jest mniej istotnym parametrem. Mimo to, wraz z większym zastosowaniem LFP przez producentów, optymalizacja gęstości energii na poziomie systemu staje się coraz ważniejsza.

Rozwiązaniem może być wykorzystanie większych ogniw LFP, które charakteryzują się wyższą pojemnością energetyczną. Dzięki temu większa część pojemnika BESS może być przeznaczona na same ogniwa, a mniej miejsca zajmują elementy takie jak martwa przestrzeń, systemy zarządzania ciepłem czy systemy konwersji mocy (PCS). Zwiększa to gęstość energii na poziomie całego systemu. Takie podejście pozwala zaoszczędzić powierzchnię w projektach, gdzie dostępna przestrzeń jest ograniczona. Dodatkowo mniejsza liczba kontenerów potrzebnych do realizacji projektu o danej pojemności (MWh) przekłada się na oszczędności, skracając czas instalacji.

Firma Narada Power ogłosiła wykorzystanie ogniw o pojemności 320 Ah, osiągających gęstość energetyczną 390 Wh/L w systemie BESS o pojemności 5,11 MWh. Firma CATL wprowadziła na rynek system TENER o pojemności 6,25 MWh, w którym ogniwa mają gęstość energetyczną na poziomie 430 Wh/L. Chociaż oznacza to wzrost gęstości energii na poziomie systemu o 25% w porównaniu do wcześniejszych rozwiązań, to CATL podkreśla, że technologia ta nie wykazuje żadnej degradacji przez pierwsze pięć lat użytkowania.

Twierdzenia o zerowej degradacji BESS

W ramach projektu CATL opisano rozwój biomimetycznych warstw SEI oraz elektrolitów zdolnych do samoorganizacji jako kluczowych elementów umożliwiających osiągnięcie tzw. zerowej degradacji w systemach BESS. Biomimetyka odnosi się zazwyczaj do struktur, procesów lub metod produkcji inspirowanych naturą. Jak wyjaśniono w raporcie IDTechEx, twierdzenie o „zerowej degradacji” to prawdopodobnie efekt działania wielu czynników, nie tylko projektowania warstwy SEI i elektrolitów. Może to obejmować również stosowanie dodatków pre-litowania podczas produkcji ogniw. Poza tym, zmiany w działaniu systemu zarządzania baterią (BMS) mogą sprawiać wrażenie, że degradacja nie zachodzi. W rzeczywistości jednak pewien stopień zużycia ogniw nadal będzie występował.

Perspektywy technologii magazynowania energii w akumulatorach litowo-jonowych

Technologie oparte na bateriach litowo-jonowych pozostaną dominującym rozwiązaniem na rynku magazynowania energii stacjonarnej w nadchodzących latach. Są one dobrze znana i sprawdzona, szczególnie w projektach na dużą skalę, które już teraz osiągają gigawatogodziny pojemności. Wdrożenia systemów BESS opartych na bateriach litowo-jonowych rosną w szybkim tempie. W 2023 roku ich łączna pojemność na świecie przekroczyła 90 GWh. Ciągły rozwój technologii ogniw i systemów BESS pozwoli utrzymać dominację Li-ion na rynku, a innowacje będą kluczowe, aby firmy mogły konkurować w coraz bardziej wymagającym środowisku.

Źródło: IDTechEx