Come una nuova classe di startup sta lavorando per risolvere l'enigma dell'archiviazione della griglia

Illustrazione concettuale di una batteria composta da un puzzle cubo di Rubik Nicola Ortega

Ecco il problema: i pannelli solari e le turbine eoliche sono fonti di elettricità economiche, pulite e affidabili, fino a quando non lo sono. Il tramonto; le bandiere del vento. Non possono alimentare una rete elettrica da soli.

Oggigiorno gli impianti a carbone e a gas naturale possono colmare le lacune. Ma poiché le normative climatiche bloccano più di queste fonti di emissioni di carbonio, alla fine ci saranno giorni o addirittura settimane ogni anno in cui le energie rinnovabili non saranno sufficienti per mantenere le luci accese. Dovrà intervenire qualcos'altro.

Form Energy è convinta che quel qualcosa possa essere una batteria. Ma dovrebbe essere una batteria diversa da qualsiasi altra che il mondo abbia mai visto.

Per essere economico, affidabile e flessibile come il gas naturale, un tale sistema di batterie dovrebbe costare meno di $ 10 per kilowattora. Le migliori batterie a rete di oggi, i grandi sistemi agli ioni di litio, costa centinaia di dollari per kilowattora (stime precise variare ). Potrebbero volerci decenni anche prima che quel prezzo scenda al di sotto di $ 100.

È un grande salto. Ma i fondatori di Form pensano di poter raggiungere questo obiettivo sviluppando grandi batterie che si basano su materiali estremamente economici e ad alta densità energetica. Pensiamo di poterci arrivare, afferma il professore del MIT Yet-Ming Chiang, cofondatore e capo scienziato di Form. Pensiamo di poter abbinare la tecnologia a questi requisiti.

Una forma di accumulo di energia a basso costo e di lunga durata che potrebbe essere costruita ovunque sarebbe la cosa più vicina a un proiettile d'argento per ripulire il settore energetico. Sfrutterebbe al massimo i costi in forte calo del solare e dell'eolico, senza molti dei problemi ambientali, di sicurezza o estetici sollevati da altri modi per bilanciare le fluttuazioni delle energie rinnovabili.

L'enigma dello storage di rete

Form, con sede a Somerville, nel Massachusetts, ha catturato l'attenzione del mondo delle batterie quando è stata creata nel 2017. Chiang è uno dei migliori scienziati delle batterie al mondo. Ha pubblicato centinaia di articoli scientifici, detiene più di 80 brevetti , e ha cofondato sei startup. Diversi hanno guadagnato valutazioni superiori a 1 miliardo di dollari , Compreso Sistemi A123 , che produce batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici.

CEO di Form, Matteo Jaramillo , precedentemente assemblato e guidato una business unit di Tesla che vende sistemi di batterie per le case ed è ora costruendo alcuni dei più grandi progetti di batterie di rete Intorno al mondo. Ad oggi, Form ha raccolto circa 50 milioni di dollari da Breakthrough Energy Ventures di Bill Gates, dal colosso energetico italiano Eni e altri.

Il team fondatore di Form Energy. Cortesia: Form Energy

Un'ondata di precedenti società di storage di rete ha fallito (vedi Perché accadono cose brutte alle startup di energia pulita). Form è solo uno dei tanti che hanno recentemente raccolto fondi per affrontare il problema.

La principale esigenza di archiviazione sulla rete oggi è nota come archiviazione intraday. Fornisce rapide scariche di elettricità per alcune ore per appianare le discrepanze tra generazione e domanda durante il giorno e almeno fino alla prima serata.

Una quantità crescente di tale spazio di archiviazione proviene dalle batterie agli ioni di litio, che alimentano anche telefoni, laptop e auto elettriche e stanno diventando costantemente più economiche e più potenti. La quantità di stoccaggio di energia della rete installata a livello globale è aumentata di quasi il 150% lo scorso anno a sei gigawattora, secondo la società di ricerca Wood Mackenzie . Questo è quasi il doppio del tasso medio durante i cinque anni precedenti e i sistemi agli ioni di litio hanno rappresentato la maggior parte dell'aumento.

Tesla, ad esempio, prevede di farlo costruirne centinaia dei suoi nuovi tre megawattora Megapack sistemi di batterie a Moss Landing, California. Il progetto , che include anche altri sviluppatori di accumulo di energia, sostituirà un trio di impianti a gas vecchi di decenni nel sito gestito da Calpine, una grande compagnia elettrica americana.

L'impianto di batterie a rete di Telsa a Kaua'i, Hawaii. Cortesia: Tesla

Nel frattempo, un numero crescente di sviluppatori di energie rinnovabili, come Recurrent Energy e First Solar, lo sono proponendo giganteschi parchi solari abbinati a enormi sistemi di accumulo di batterie , consentendo agli impianti di continuare a fornire energia elettrica per ore dopo il tramonto.

Ma il sole e il vento non svaniscono per ore; a volte si immergono per giorni o settimane. Se vogliamo passare principalmente alle energie rinnovabili, avremo bisogno di molto più spazio di archiviazione che può durare molto più a lungo.

Con l'odierna tecnologia delle batterie, i costi salirebbero alle stelle, afferma Jesse Jenkins, un assistente professore a Princeton che ricerca i sistemi energetici. Richiederebbe banche su banche di batterie agli ioni di litio, molte delle quali potrebbero essere utilizzate solo poche volte l'anno. Avremmo anche bisogno di costruire più parchi solari ed eolici per generare abbastanza elettricità in eccesso per caricarli. (Vedi Il motivo per cui $ 2,5 trilioni non possiamo fare affidamento sulle batterie per ripulire la rete.)

L'economia crolla in questo scenario. Se queste risorse dovrebbero rimanere inattive per tre quarti dell'anno, hai appena aumentato il costo effettivo di 4 volte, afferma Don Sadoway, un chimico del MIT che ha cofondato Ambri, che ha sviluppato una batteria a griglia di metallo liquido che dura circa un'ora in più rispetto a quelli agli ioni di litio.

Ma in realtà è anche peggio. Avremmo bisogno di sovradimensionare le energie rinnovabili e lo stoccaggio per soddisfare la domanda durante gli eventi più rari: i prolungati riflussi di sole o vento che si verificano ogni pochi anni, forse anche una volta ogni decennio.

Le regioni non devono risolvere questo problema interamente tramite l'archiviazione. Incontro solo a piccola quota della domanda totale attraverso altri mezzi faciliterebbe gli obiettivi di costo che le aziende di stoccaggio dovrebbero raggiungere, altri spettacoli di ricerca . Ciò potrebbe includere reattori nucleari, energia idroelettrica, impianti di gas naturale con sistemi che catturano le emissioni di carbonio o linee di trasmissione a lunga distanza in grado di bilanciare le energie rinnovabili attraverso i fusi orari. Ma queste opzioni sono politicamente impopolari, costose, geograficamente limitate o tutte e tre. Le batterie hanno il vantaggio di non infastidire particolarmente le persone.

Dobbiamo pensare a questi problemi futuri oggi perché le tecnologie necessarie potrebbero richiedere anni se non decenni per svilupparsi. Le aree con grandi quote di energie rinnovabili, come la California e la Germania, producono già più energia solare o eolica di quella che la rete può utilizzare in determinati periodi, minando gli incentivi economici per costruirne di più. Molte altre regioni stanno iniziando a rendersi conto che esiste un divario enorme che alcune tecnologie dovranno colmare se sperano di eliminare i combustibili fossili.

L'approccio della forma

Lo sviluppo di batterie economiche e di lunga durata ha sconcertato i ricercatori per decenni, principalmente perché i metalli e le sostanze chimiche che hanno funzionato meglio finora sono costosi. Usarli per soddisfare esigenze di archiviazione più lunghe significa accumularne sempre di più. La forma è cauta sul modo in cui sta cercando di eludere queste sfide, ma parte dell'approccio dell'azienda è chiaro da un articolo che Chiang e colleghi hanno pubblicato sulla rivista Joule alla fine del 2017 (vedi La nuova avventura dell'imprenditore di batterie seriali affronta il problema più grande dell'energia pulita).

Forma Energia

Form Energy è stata creata nel 2017, quando lo spinout del MIT Baseload Renewables si è fuso con Verse Energy, avviata da Mateo Jaramillo, che in precedenza aveva guidato l'attività di stoccaggio dell'energia di Teslau2019. L'azienda ha raccolto fino ad oggi circa 50 milioni di dollari.

Fondatori

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

finanziatori

Avventure energetiche rivoluzionarie
Gruppo nEni
nPreludio Ventures
nMacquarie Capital
nMITu2019s Il motore
nSaudi Aramco
nProgramma ARPA-E del Dipartimento di Energiau2019

Tutte le batterie contengono due componenti di base: un elettrolita, solitamente una sostanza chimica liquida, e una coppia di elettrodi, l'anodo e il catodo, che sono fatti di materiali diversi (spesso, ma non sempre, metalli). Gli atomi carichi, noti come ioni, trasportano corrente attraverso l'elettrolita tra i due elettrodi mentre la batteria si carica o si scarica. Nelle batterie agli ioni di litio, l'elettrolito è un composto di litio mescolato con altre sostanze chimiche.

Nel documento del 2017, Chiang e i suoi colleghi hanno evidenziato il potenziale di una batteria a flusso di zolfo acquoso che respira aria. Una batteria a flusso inizia ad aggirare il problema dei costi separando i componenti che forniscono elettricità della batteria, inclusi gli elettrodi, dalla parte di accumulo di energia, l'elettrolita.

Una batteria a flusso standard ha due diversi elettroliti, noti come catolita e anolita, ciascuno dei quali può essere conservato in grandi serbatoi facilmente sostituibili. Quindi, se desideri più spazio di archiviazione, puoi semplicemente aggiungere serbatoi più grandi mentre le altre parti costose, inclusi gli elettrodi, rimangono le stesse.

Per renderlo davvero economico, però, anche gli elettroliti che riempiono quei giganteschi serbatoi devono essere economici. La chiave per la batteria di flusso nel Carta Joule consiste nell'usare una soluzione a base di zolfo come anolita. Lo zolfo è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre, nonché un sottoprodotto della raffinazione del carburante, quindi è estremamente economico e può immagazzinare molta energia.

Sulla base dell'addebito immagazzinato per dollaro, lo zolfo era più di un fattore 10 migliore della prossima cosa migliore, mi ha detto Chiang nel 2017.

Complessivamente, secondo lo studio, i costi delle sostanze chimiche in una batteria a flusso di questo tipo potrebbero arrivare a 1 dollaro per kilowattora.

Quando ho parlato con Chiang lo scorso agosto, ha confermato che lo zolfo fa sicuramente ancora parte della nostra road map. Ha detto che è l'approccio che stanno usando in un progetto finanziato dal programma Moonshot ARPA-E del Dipartimento dell'Energia . Ma Form dice che ora sta sviluppando più sostanze chimiche, anche se non dice quali sono le altre.

Yet-Ming Chiang, professore del MIT e cofondatore di Form Energy. Simone Simard

Mentre la maggior parte delle aziende di storage su rete si concentra solo sulla parte dello storage, ha anche affermato Jaramillo stanno esplorando la possibilità di centrali elettriche bidirezionali , che genererebbe energia rinnovabile in loco utilizzando l'energia solare o eolica, la immagazzinerebbe in grandi batterie e la consegnerebbe alla rete secondo necessità.

Altri percorsi per l'archiviazione di lunga durata

Ma una batteria elettrochimica, basata sulla chimica dello zolfo o degli ioni di litio o altro, è solo un modo per immagazzinare grandi quantità di energia.

All'inizio di settembre, un gruppo di ingegneri si è accalcato attorno a un tozzo cilindro d'argento delle dimensioni di una vasca da barbecue nel retro di un'officina disordinata al Lawrence Berkeley National Lab, annidato sulle colline che si affacciano sulla baia di San Francisco. A parte il loro sguardo intenso sullo schermo del computer adiacente, l'unico indizio che qualcosa stava funzionando era un bagliore arancione visibile in una minuscola finestra vicino alla parte inferiore del dispositivo.

I ricercatori di Antora Energy stanno sviluppando un nuovo tipo di accumulo termico. È un approccio usato raramente che trattiene l'energia sotto forma di caldo o freddo estremo in una varietà di sostanze, come rocce sotterranee o blocchi di ghiaccio. Nel caso di Antora, la sostanza all'interno del serbatoio era un blocco di carbonio che, in quel momento, scorreva ben al di sopra dei 2.000 ˚C.

La speranza è che possano utilizzare l'elettricità in eccesso dai parchi solari o eolici per riscaldare quel materiale e quindi riconvertire il calore in elettricità quando è necessario. Tipicamente nell'accumulo termico, questo è ancora fatto nello stile altamente inefficiente del XIX secolo: creando vapore che aziona un generatore a turbina. Ma la maggior parte dell'energia viene sprecata a causa di attrito meccanico, perdite di vapore e altri problemi.

Antora sta testando un nuovo sistema termofotovoltaico. È qualcosa come un pannello solare, ma converte la radiazione infrarossa proveniente da un oggetto caldo, invece della luce solare, in elettricità. Alla fine di settembre, i ricercatori hanno annunciato di aver stabilito un nuovo record convertendo più del 30% per cento del calore che fluisce alla cellula in elettricità in un esperimento di laboratorio. Mirano a raggiungere un'efficienza superiore al 50%.

I metodi meccanici offrono un altro approccio all'accumulo di rete. Ciò include il pompaggio di aria nelle caverne sotterranee, l'esecuzione di treni pieni di roccia su per le colline o il trasferimento di acqua tra bacini idrici a diverse altezze. Tutti questi funzionano più o meno allo stesso modo, utilizzando l'energia di riserva quando è disponibile per spostare qualcosa a un'altezza più elevata o metterlo sotto pressione. Quindi, quando viene rilasciato, possiamo sfruttare l'energia cinetica dall'aria che fuoriesce o dai treni o dall'acqua in discesa per generare elettricità.

In effetti, l'energia idroelettrica pompata è di gran lunga la nostra fonte di stoccaggio dell'energia della rete più economica e più abbondante oggi. Il problema è che non hai sempre abbastanza acqua o colline vicino a ogni centrale elettrica.

Nell'ambito del suo programma DAYS, ARPA-E ha ha investito più di 30 milioni di dollari in 12 startup o gruppi di ricerca che cercano di risolvere il problema del grid storage. Questi includono le batterie a flusso di Form e il sistema termico di Antora, così come la svolta di Quidnet Energy sull'idropompa: il sistema della startup di San Francisco pompa l'acqua negli spazi vuoti tra le rocce confinate nel sottosuolo , creando una pressione che costringe l'acqua a risalire e attraverso un generatore quando è necessaria l'elettricità.

Avventure energetiche rivoluzionarie , il fondo sostenuto da Bill Gates, ha fatto dello stoccaggio di lunga durata una delle sue massime priorità. Oltre a Form, ha sostenuto Quidnet e Malta, un'altra startup termica che fa affidamento sul sale fuso come mezzo di stoccaggio (vedi Alphabet è in trattative per sviluppare il suo gioco di stoccaggio del sale fuso).

Nel frattempo, il conglomerato giapponese SoftBank ha recentemente investito $ 110 milioni nella startup svizzera di stoccaggio meccanico Energy Vault, che utilizza gru e cavi per impilare blocchi di cemento quando le energie rinnovabili generano elettricità in eccesso. Quindi lascia cadere quei blocchi a terra su quegli stessi fili, usando il loro slancio per far girare i motori delle gru in retromarcia e pompare elettricità. ( Questo video rende il concetto più chiaro.)

La natura non convenzionale di alcune di queste idee mostra quanto sia difficile per le tecnologie fare il salto dall'immagazzinare energia da poche ore a poche settimane.

Se stiamo parlando di catturare, diciamo, un mese o due mesi di energia durante l'estate e averla a disposizione per un mese o due mesi in inverno, si tratta di enormi somme di energia, dice Sadoway. Quanti treni carichi di sassi hai?

Se molto grandi

La maggior parte dei metodi meccanici come treni o gru richiedono grandi quantità di spazio. I metodi termici sono intrinsecamente inefficienti, poiché è difficile impedire che il caldo o il freddo disperdano. E produrre o bruciare la maggior parte dei combustibili liquidi crea proprio le emissioni climatiche che stiamo cercando di evitare.

Le batterie hanno il vantaggio di essere pulite, compatte, mobili ed efficienti. Quindi, se qualcuno può renderli economici e durevoli, potrebbe collegarsi a qualsiasi griglia. Ciò consentirebbe all'energia eolica e solare di fornire molta più elettricità e, a sua volta, all'elettricità pulita di soddisfare molto di più il nostro fabbisogno energetico totale.

Ma quelli rimangono se molto grandi. Alcuni osservatori dell'energia dubitano che la Forma possa raggiungere i suoi obiettivi, o mettono in dubbio la quantità di gas naturale che tali batterie soppiantarebbero anche se lo facessero. Dal canto loro, i fondatori dell'azienda dire è almeno un progetto decennale, con seri rischi tecnici, finanziari e di mercato.

I principali progressi della batteria si verificano in media solo una volta ogni tre decenni e la storia del campo è ingombra di approcci molto più promettenti che non hanno avuto successo rispetto a quelli che lo hanno fatto.

Poi ancora, l'ultima, la tecnologia agli ioni di litio, è arrivata sul mercato 28 anni fa. Stiamo per fare un'altra svolta.

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