Κυκλική αποθήκευση ενέργειας: Τι σημαίνει και γιατί είναι σημαντική;

Κυκλική αποθήκευση ενέργειας: Τι σημαίνει και γιατί είναι σημαντική;

Ο Justin Chiu και ο Felipe Gallardo από το Τμήμα Ενέργειας στο KTH Royal Institute of Technology αναλύουν τη σημασία της καθιέρωσης μιας κυκλικής οικονομίας στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας μέσα από το έργο Circular Techno-Economic Analysis of Energy Storage– IEA Annex Co-coordination.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Η αποθήκευση ενέργειας (Energy Storage, ES) είναι βασικός παράγοντας επιτυχημένης μετάβασης από μια οικονομία που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα σε μια κοινωνία με επίκεντρο τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, και αυτό λόγω της ασταθούς παραγωγής των ΑΠΕ οπότε και προκύπτουν ανάγκες αποθήκευσης της πλεονάζουσας ενέργειας όταν οι συνθήκες παραγωγής είναι ιδανικές. Ωστόσο, η ενσωμάτωση των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας στις πόλεις και τις βιομηχανίες με κοινωνικό, περιβαλλοντικό και τεχνοοικονομικά βέλτιστο τρόπο, θέτει προκλήσεις.

Το Τμήμα Ενέργειας του KTH, αντιμετωπίζει αυτά τις προκλήσεις μέσα από το πρίσμα της κυκλικής οικονομίας ως μέρος του έργου Circular Techno-Economic Analysis of Energy Storage– IEA Annex Co-coordination, που χρηματοδοτείται από τηn Swedish Energy Agency. Όπως φαίνεται στην Εικ. 1, στο πλαίσιο του έργου προβλέπεται η ανάπτυξη ολοκληρωμένων μεθοδολογικών προσεγγίσεων για την αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων αποθήκευσης, με καινοτόμους δείκτες για τη βελτιστοποίηση της επιλογής, του μεγέθους και της λειτουργίας των αντίστοιχων τεχνολογιών, καθώς και νέα επιχειρηματικά μοντέλα, με ιδιαίτερη έμφαση στον κύκλο ζωής και στη διαλειτουργικότητα.

Η αποθήκευση ενέργειας μας αφορά όλους

Σε ένα σενάριο σοβαρής ανθρωπογενούς κλιματικής κρίσης και σύνθετων γεωπολιτικών και μακροοικονομικών σχέσεων που επηρεάζουν τη δυναμική του παγκόσμιου ενεργειακού τοπίου, ο ρόλος της αποθήκευσης ενέργειας, ως βασικός παράγοντας για την ενεργειακή μετάβαση – ικανός να επιτρέψει περαιτέρω διείσδυση και λειτουργικότητα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας – έχει αναγνωριστεί σε μεγάλο βαθμό από διεθνείς οργανισμούς όπως ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας (IEA).

Ωστόσο, παρά τον τρέχοντα ενθουσιασμό για την αποθήκευση ενέργειας, ορισμένα ερωτήματα παραμένουν ασαφή και δύσκολα να απαντηθούν από τους ενδιαφερόμενους φορείς και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής όσον αφορά την πραγματική πρακτική ανάπτυξης έργων:

  • Ποια τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας πρέπει να επιλεγεί και πώς πρέπει να διαστασιολογηθεί;
  • Πώς επηρεάζουν οι οριακές συνθήκες τα έργα αποθήκευσης ενέργειας σε τεχνικό και οικονομικό επίπεδο;
  • Πώς μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε τις τεχνικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις ενός έργου αποθήκευσης ενέργειας, μεγιστοποιώντας παράλληλα την προστιθέμενη αξία που αυτό μπορεί να δημιουργήσει;
Εικ.1: Ενότητες εργασίας του έργου Circular Techno-Economic Analysis of Energy Storage

Ο Καθηγητής Δρ. Justin NW Chiu και η ομάδα του στο Τμήμα Ενέργειας του KTH στοχεύουν μέσα από το έργο «Circular Techno-Economic Analysis of Energy Storage» να δώσουν απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα και επιπλέον να δημιουργήσουν ένα σαφές πλαίσιο για όλα τα ενδιαφερόμενα μέρη. Ειδικότερα, η συνεισφορά του KTH θα επικεντρωθεί στην αξιολόγηση παλαιών και νέων «Μεθόδων αξιολόγησης των οικονομικών της αποθήκευσης ενέργειας» από μια ολιστική, κυκλική προοπτική.

Το έργο ήρθε ως αποτέλεσμα της εξαιρετικής συνεργασίας που πέτυχαν ερευνητές από τη Γερμανία, τη Δανία, την Αυστρία και τις Κάτω Χώρες, μεταξύ άλλων χωρών, και η οποία ξεκίνησε με το Task 41 του IEA – Energy Storage Technology Collaboration Program (IEA ES TCP) «Economics of Energy Storage (EcoEneSto)».

Στόχος του έργου είναι να αναπτυχθούν μέθοδοι για την αξιολόγηση της οικονομικής διάστασης της αποθήκευσης ενέργειας και την αντιμετώπιση των προκλήσεων που προκύπτουν κατά την επιλογή, σχεδιασμό και λειτουργία σχετικών συστημάτων, να προταθούν μέθοδοι εισαγωγής καινοτομίας στη βιομηχανία, καθώς και εργαλεία αξιολόγησης των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας από τους υπευθύνους χάραξης πολιτικής, μέσω ολοκληρωμένης προσέγγισης και πάντα στη βάση συγκεκριμένων επιχειρηματικών σεναρίων.

Ωστόσο, είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η λήψη αποφάσεων ή η διαδικασία βελτιστοποίησης δεν θα στηρίζεται αποκλειστικά στην οικονομικότερη λύση, αλλά θα λαμβάνονται υπόψη η υψηλή αξιοπιστία, το χαμηλό αποτύπωμα άνθρακα, η περιορισμένη αβεβαιότητα και η κοινωνική αποδοχή σε παγκόσμιο επίπεδο. Αυτές οι πτυχές είναι επί του παρόντος αδύνατο να βελτιστοποιηθούν με βάση συμβατικούς δείκτες, όπως για παράδειγμα ο ευρέως χρησιμοποιούμενος δείκτης του κόστους της χωρητικότητας αποθήκευσης, επομένως αναπτύσσονται νέοι δείκτες για την οικονομική αξιολόγηση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας που ενσωματώνουν την κυκλικότητα που εισέρχεται στην αξιολόγηση μέσω της ανάλυσης κύκλου ζωής (LCA).

Εικ. 2: Οικονομική αξιολόγηση συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας στο πλαίσιο του Task 41 του διεθνούς έργου της IEA

Η κυκλική οικονομία και η κυκλική αποθήκευση ενέργειας

Στο πλαίσιο της αποθήκευσης ενέργειας, η έννοια της κυκλικής οικονομίας (CE) έχει μεγάλη σημασία. Η έννοια της κυκλικής οικονομίας έχει αποκτήσει δυναμική, τόσο μεταξύ μελετητών όσο και μεταξύ των επαγγελματιών. Ωστόσο, ίσως σημαίνει πάρα πολλά διαφορετικά πράγματα για διαφορετικούς ανθρώπους. Η απαρχή της έννοιας της κυκλικής οικονομίας μπορεί να εντοπιστεί στη δεκαετία του 1950, όμως μια από τις πρώτες επίσημες εννοιολογικές αποδόσεις δόθηκε από τους Peace και Turner το 1989, στην «Οικονομία των Φυσικών Πόρων και του Περιβάλλοντος» και, έκτοτε, η έννοια έχει χρησιμοποιηθεί και επαναπροσδιοριστεί σε μεγάλο βαθμό πολλές φορές. Ίσως ένας απλός και ικανοποιητικός ορισμός είναι ότι «Ο πυρήνας της κυκλικής οικονομίας είναι η κυκλική (κλειστή) ροή υλικών και η χρήση πρώτων υλών και ενέργειας μέσω πολλαπλών φάσεων» που δημοσιεύτηκε από ερευνητές το 2008.

Η United Nations Industrial Development Organization (UNIDO) υπογραμμίζει τέσσερις βασικούς μοχλούς της κυκλικής οικονομίας: (α)τη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος, (β) τη δημιουργία αυξημένου εισοδήματος, (γ) τη μείωση της εξάρτησης από τους πόρους και (δ) την ελαχιστοποίηση της σπατάλης.

Στο πλαίσιο αυτού του έργου, υιοθετείται η προσέγγιση του Kircherr που περιγράφει την κυκλική οικονομία ως «ένα οικονομικό σύστημα που αντικαθιστά την έννοια του «τέλους ζωής» με τη μείωση, εναλλακτικά την επαναχρησιμοποίηση, την ανακύκλωση και την ανάκτηση υλικών στις διαδικασίες παραγωγής/διανομής και κατανάλωσης». Η κυκλική οικονομία «Λειτουργεί σε μικροεπίπεδο (προϊόντα, εταιρείες, καταναλωτές), μέσο επίπεδο (οικολογικά βιομηχανικά πάρκα) και μακροεπίπεδο (πόλη, περιοχή, έθνος και όχι μόνο), με στόχο την επίτευξη βιώσιμης ανάπτυξης, δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο ταυτόχρονα περιβαλλοντική ποιότητα, οικονομική ευημερία και κοινωνική ισότητα, προς όφελος των σημερινών και των μελλοντικών γενεών. Και φυσικά, υπό αυτή την έννοια, η κυκλική οικονομία μπορεί να υλοποιηθεί μόνο μέσα από νέα επιχειρηματικά μοντέλα και υπεύθυνους καταναλωτές.

Στο έργο Circular Techno-Economic Analysis of Energy Storage, οι ερευνητές αξιολογούν ένα μεθοδολογικό πλαίσιο που στοχεύει στην παροχή ενός συνόλου τεχνικών και δεικτών για τη βελτίωση της τεχνοοικονομικής αξιολόγησης (TEA). τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας για τον εντοπισμό ευκαιριών κυκλικότητας και πιθανών δράσεων που πρέπει να εφαρμοστούν. Αυτό το μεθοδολογικό πλαίσιο δεν είναι μόνο ενδιαφέρον, αλλά απαιτείται επίσης για τη βελτίωση της αποδοτικότητας του σχεδιασμού και της χρήσης πόρων και για τη μείωση του κινδύνου για έργα αποθήκευσης ενέργειας υπό σενάρια με υψηλή αβεβαιότητα. Επιπλέον, προτείνεται κατάλληλη στρατηγική εφαρμογής για την Κυκλικότητα στην Αποθήκευση Ενέργειας σε τρεις άξονες (Πίνακας 1).

Πιν.1: Άξονες κυκλικότητας στην αποθήκευση ενέργειας

Τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας

Στην πράξη, διεξάγονται αρκετές μελέτες από τους συγγραφείς για διαφορετικές τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτροχημικής αποθήκευσης. Επιπλέον, μια συγκριτική μελέτη Ανάλυσης Κύκλου Ζωής δείχνει τη διαφορά μεταξύ της κατασκευής μπαταριών με ανακυκλωμένα υλικά σε σύγκριση με την κατασκευή από πρωτογενείς πρώτες ύλες. Είναι διαισθητικό, και στις περισσότερες περιπτώσεις σωστό, να υποθέσουμε ότι η ανακύκλωση είναι πάντα καλύτερη από περιβαλλοντική σκοπιά, ωστόσο τα περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη και επιπτώσεις της ανακύκλωσης πρέπει να ποσοτικοποιηθούν σωστά, ώστε να μπορούν να ληφθούν σωστά υπόψη σε νέα επιχειρηματικά μοντέλα.

Επιπλέον, στις διαδικασίες ανακύκλωσης, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και άλλες επιπτώσεις, πέρα ​​από το αποτύπωμα άνθρακα. Για παράδειγμα, ο αντίκτυπος στην ανθρώπινη υγεία, τα οικοσυστήματα, το υδάτινο αποτύπωμα ή η έλλειψη φυσικών πόρων. Αυτές είναι κατηγορίες επιπτώσεων που επηρεάζονται επίσης από τη διαδικασία παραγωγής τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας.

Αξίζει να αναφερθεί ότι από την άποψη του κύκλου ζωής, υπάρχουν ορισμένες κατηγορίες επιπτώσεων όπου η χρήση ανακυκλωμένων υλικών για την κατασκευή μπαταριών ιόντων λιθίου είναι πιο ρυπογόνα από τη χρήση πρωτογενών πρώτων υλών. Τέλος, υπάρχει και μια κατηγορία επιπτώσεων υψηλής κοινωνικής σημασίας που περιλαμβάνουν τη μη εξαντλητική «χρήση γης», «κατανάλωση νερού» και «κατανάλωση ορυκτών καυσίμων».

Εικ.3: Κυκλική οικονομία (πηγή: UNIDO)

Λαμβάνοντας υπόψη τους άξονες του Πίνακα 1, ένα σημαντικό μέρος της εργασίας της ερευνητικής ομάδας επικεντρώνεται στον καθορισμό νέων δεικτών για στρατηγικές βέλτιστου μεγέθους και λειτουργικού ελέγχου των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας. Εδώ, εκτός από τους συμβατικούς οικονομικούς δείκτες, όπως το κόστος αποθήκευσης, εξετάζονται δείκτες σχετικοί με το συνολικό κύκλο ζωής, κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις και παραγωγή εσόδων.

Προτείνονται δείκτες που περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τις πραγματικές οικονομικές «αξίες» σε χρονικό ορίζοντα μεγαλύτερο του ορίζοντα χρηματοδότησης του έργου. Αυτός ο προσδιορισμός δεικτών βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε προηγμένες τεχνικές προσομοίωσης, βελτιστοποίησης και τεχνοοικονομικά μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη το αποτύπωμα του CO2 κατά το συνολικό κύκλο ζωής ή τα έσοδα κύκλου ζωής ανά εγκατεστημένη χωρητικότητα και όχι αποκλειστικά την ενεργειακή της παραγωγή. Το τελευταίο είναι πολύτιμο σε έργα όπου το ενεργειακό αρμπιτράζ δεν είναι η μόνη ή η κύρια υπηρεσία που παρέχεται από μία συγκεκριμένη εφαρμογή αποθήκευσης ενέργειας.

Η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας που κερδίζει αυξανόμενη προσοχή είναι η αποθήκευση θερμικής ενέργειας (TES), με διαλειτουργικότητα μεταξύ δικτύων θέρμανσης και ψύξης και αμμωνίας/υδρογόνου στις εφαρμογές μεταφορών και παραγωγής ενέργειας. Η ερευνητική ομάδα του έργου δημοσίευσε πρόσφατα μια νέα μεθοδολογία και ένα νέο σύνολο δεικτών για το βέλτιστο μέγεθος ηλιακών συστημάτων υδρογόνου (Εικ. 4) όπου φαίνεται πως οι βέλτιστες αναλογίες μεγέθους των στοιχείων του συστήματος με σκοπό την συνολική βελτιστοποίηση του, είναι στην πραγματικότητα διαφορετικές σε σύγκριση με το βέλτιστο σημείο οποιουδήποτε υποσυστήματος λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των υποσυστημάτων που είναι εξαιρετικά σημαντικές.

Στην εποχή μας υπάρχει έντονη ανάγκη για νέα επιχειρηματικά μοντέλα και μηχανισμούς βελτιστοποίησης για τη μετατροπή σε απτά οφέλη της αξίας που προσφέρεται μέσω των εφαρμογών αποθήκευσης ενέργειας στο ενεργειακό μίγμα, λαμβάνοντας υπόψη την κοινωνική βιωσιμότητα στο σύνολό της. Για παράδειγμα, οι επενδυτές που αναπτύσσουν συστήματα που έχουν ως κύριο στόχο την παραγωγή εσόδων, πρέπει να παρέχουν πολλαπλές υπηρεσίες με τα ίδια στοιχεία ενεργητικού, αυξάνοντας έτσι την οικονομική βιωσιμότητα με τον βέλτιστο σχεδιασμό και τη λειτουργία τέτοιων μοντέλων. Το έργο στοχεύει να προτείνει τέτοιους σχεδιασμούς και σχήματα λειτουργίας μέσω μιας ολιστικής προσέγγισης των συστημάτων αποθήκευσης για να γεφυρωθεί το χάσμα ανάμεσα στον δείκτη κόστους-οφέλους και στην οικονομική βιωσιμότητα.

Εικ.4: Πλαίσιο βελτιστοποίησης για συστήματα PV-PEM συνδεδεμένα σε δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος

Ένα από τα επιχειρηματικά μοντέλα που προτείνει η ερευνητική ομάδα είναι η παροχή αποθήκευσης ενέργειας ως υπηρεσία (ESaaS), σε περιπτώσεις που έχουν εντοπιστεί ευκαιρίες για ελαχιστοποίηση του κινδύνου και μεγιστοποίηση της κατανομής τεχνογνωσίας, εξετάζοντας την επιχειρηματική αλυσίδα στους τομείς των υπηρεσιών, της ανάπτυξης και των υποδομών. Σε αυτό το επιχειρηματικό μοντέλο, οι επενδυτές που αναπτύσσουν τα στοιχεία ενεργητικού για αποθήκευση ενέργειας, αμείβονται βάσει χωρητικότητας σε ένα μοντέλο take-or-pay, όπου οι τελικοί χρήστες ή οι τρίτοι έμποροι λιανικής, βελτιστοποιούν τη λειτουργία των στοιχείων σύμφωνα με τις ανάγκες τους. Έτσι, οι κίνδυνοι ανάπτυξης και λειτουργίας του έργου αποθήκευσης ενέργειας ελαχιστοποιούνται.

Ο απώτερος στόχος των εργασιών της ερευνητικής ομάδας είναι η συμβολή στην άμβλυνση της κλιματικής κρίσης με την ενσωμάτωση της αποθήκευσης ενέργειας στα ενεργειακά συστήματα, μέσω της συμμετοχής στο Task 41 ES-TCP και μέσω ερευνητικών έργων αιχμής.

Γενικά, η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας είναι ώριμη, ενώ ο περιοριστικός παράγοντας για την ευρεία εξάπλωσή της είναι η έλλειψη τεχνοοικονομικών μεθοδολογιών και επιχειρηματικών πλαισίων. Μέσω της συνεργασίας με βιομηχανικούς εμπειρογνώμονες για τη διασφάλιση της εφαρμογής, τα αναπτυγμένα πρωτότυπα μοντέλα έχουν λάβει θετικά σχόλια στην καθοδήγηση για την ανάπτυξη σχετικών έργων.

Η ερευνητική ομάδα από το KTH βρίσκεται τώρα στη διαδικασία δημιουργίας νέων δεικτών για τη βελτιστοποίηση σχεδιασμού εφαρμογών αποθήκευσης ενέργειας και τη χαρτογράφηση βέλτιστων εφαρμογών κυκλικής οικονομίας για τεχνολογίες και φορείς αποθήκευσης ενέργειας, όπως μπαταρίες ιόντων λιθίου, υδρογόνο και αμμωνία, μεταξύ άλλων.

Πηγή: InnovationNewsNetwork.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER