Energy storage : technologies and trends

Abstract

The environmental threat of man-made global warming has prompted the global community to push for the energy transition from fossil fuel sources to low-carbon emitting alternatives. Environmentally sustainable wind and solar power systems have made a significant progress to become more cost-efficient during the last decade and have reached the price parity with fossil fuel incumbents on some energy applications. But neither of the technologies can provide flexible, on demand power that is require by modern electricity-intensive societies and their existing grid infrastructure. Energy storage systems can assist in integrating additional renewable energy capacity into the power system.

The purpose of this study was to provide an overview of the energy storage systems, major energy storage technologies and energy storage market trends. The overview will be part of a more comprehensive market entry strategy of a global asset management company. A special focus was given to lithium-ion battery energy storage systems, where the study discussed the raw materials, environmental impact, and hazard and safety of lithium-ion systems. The study was an applied research project.

The research showed that pumped hydro energy storage is the most used sys-tem to store electricity, but in the long-term, the geographical constraints and the potential emergence of other long-term storage technologies will diminish the new installations of pumped hydro energy storage. Lithium-ion battery energy storage systems have benefited from the rise of lithium-ion electric vehicle market and are becoming more commonplace in stationary energy storage systems. Both of these technologies have their weaknesses, enabling market opportunities for other energy storage technologies.

Sähköntuotanto on muutoksessa kun fossiilisista polttoaineista pyritään nopeasti eroon ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Fossiilinen sähkötuotanto voitaisiin ainakin osittain korvata tuuli- ja aurinkoenergialla, jotka ovat päästöttömiä ja uusiutuvia tuotantomuotoja. Kuitenkin ne ovat sähköjärjestelmän kannalta haastavia, koska ne eivät pysty tuottamaan sähköä tasaisella teholla. Energian varastointi on yksi keinoista mahdollistaa tuuli- ja aurinkoenergian lisääntyvän kapasiteetin käyttö sähköverkossa.

Tämä opinnäytetyö tehtiin eurooppalaiselle finanssiryhmälle. Työn tavoite oli muodostaa yleiskatsaus sähkövarastojärjestelmiin ja sähkövarastomarkkinoiden tulevaisuuteen. Työ keskittyi erityisesti litiumioniakkujen tuotannon, ympäristohaittojen ja käyttöturvallisuuden tutkimiseen. Tietoa kerättiin soveltavan tutkimuksen metodilla, aineistoina käytettiin tiedejulkaisuja ja laadukkaita alan lehtiä ja nettijulkaisuja.

Aineistotutkimus osoitti että vesipumppuvoimalaitokset ovat yleisimmin käytetty energian varastoinnin muoto. Uusia laitoksia tullaan myös rakentamaan tulevaisuudessa, mutta sopivien maa-alueiden vähyys rajoittaa uusien projektien käyttöönottoa. Myös litiumioniakkujärjestelmät ovat viimeisien vuosien aikana yleistyneet pienemmissä energiavarastojärjestelmissä ja sähköautoissa. Nopeasti kasvava sähköautoteollisuus alentaa litiumioniakkujen hintoja ja parantaa toimitusketjuja. Energian varastointiin voidaan käyttää myös muita järjestelmiä, mutta monet niistä ovat vasta kehitysasteella.

Jotta fossiiliset polttoaineet voidaan korvata tuuli- ja aurinkoenergialla sähköntuotannossa, tarvitaan halpa, turvallinen, modulaarinen ja ympäristöystävällinen tapa varastoida sähköä. Vesipumppuvoimalaitoksilla ja litiumioniakuilla on omat heikkoutensa, esimerkiksi mikään nykyisistä sähkövarastojärjestelmistä ei pysty varastoimaan sähköä yli viikkoa. Koska energiavarastoinnin tarve on verrattain uusi, uudet innovaatiot voivat muuttaa sähkönvarastointimarkkinoita nopeasti.