В серии отчетов Rystad Energy Transition Report анализируется, как может выглядеть будущая декарбонизированная энергетическая система в трех концептуальных вариантах (обществах, societies). Каждое общество служит моделью, в первую очередь, зависящей от одной из технологий, которые в настоящее время конкурируют за то, чтобы стать доминирующими на пути к чистому улавливанию и хранению углерода (CCS), водорода и батарей. А данном докладе Rystad Energy рассказывает о потенциале рынка литий-ионных накопителей энергии.
В докладе особенно интересны расчет оптимальной конфигурации системы «батареи-ВИЭ» с требованиями (на сегодня фантастическими) к емкости парка батарей, и оценка потребности производителей батарей в материалах.
Батареи в гармонии с ВИЭ
В докладе «Общество батарей» мы проиллюстрируем пути производства и использования батарей. Батареи имеют потенциал для полного или частичного снижения 78% глобальных выбросов CO2. Особенно важна замена автомобилей с ДВС на электромобили (EV). В Германии, Франции и Великобритании доля рынка EV выросла более чем на 10% в 2020 году. Мы ожидаем, что электромобили с аккумуляторами (BEVS) будут составлять все большую долю новых автомобилей, и достигнут доли продаж в 38% к 2030 году, или почти 60% в оптимистическом сценарии.
В концепции Общество батарей энергия для электротранспорта обеспечивается ВИЭ. А это потребует резкого увеличения емкости батарей для балансировки сети. К 2023 году будет установлено 63 ГВт емкости батарей, и это число возрастет по мере падения цен на батареи. Когда появится определенность с низкими ценами на батареи, это обеспечит значительные преимущества в стоимости для энергоснабжения жилых домов и промышленных предприятий. Глобальный спрос на энергию батарей достигнет 20 ТВтч к середине 2040-х годов.
Но действительно ли этот рост возможен? В главе «Поставка» подробно рассматривается цепочка создания стоимости батарей для выявления возможных узких мест, сырьевые материалы и производственные мощности, необходимые для такого огромного роста.
Все сказанное об Обществе батарей рисует картину идеального дополнения; батареи балансируют возобновляемую генерацию, обеспечивая стабильность электросети и зарядку электромобилей.
Условия для роста батарей
Ключ к достижению чистого нуля будет двояким: декарбонизация глобального энергоснабжения и декарбонизация углеродоемких видов деятельности, которые не могут быть электрифицированы.
Сегодня на электроэнергию приходится около 19% энергии конечного потребления, и этот процент, несомненно, будет расти по мере того, как промышленность, транспорт, здания и другие секторы конечного использования будут все больше электрифицироваться на пути к нулевому чистому потреблению. Тем не менее, электрификация является жизнеспособным вариантом только в некоторых частях энергетической системы и сократит выбросы только в том случае, если сама электроэнергия будет нулевой.
Это поднимает два ключевых вопроса, определяющих исследование энергетической системы на пути к нулю:
1. Как далеко, как быстро и по какой цене мы можем декарбонизировать электроснабжение?
2. Какую часть экономики можно рентабельно электрифицировать и какие технологии должны использоваться там, где это нецелесообразно?
Мы постараемся ответить на оба вопроса и на многие другие с помощью набора тематических докладов, которые будут продолжать публиковаться в течение 2021 года.
В этом докладе рассматривает потенциал батарей в энергетической системе, особенно в области транспорта и производства электроэнергии.
Общество батарей
В докладе от декабря 2020 года, мы представили три Rystad Energy Общества: CCS, Водорода и Батарей.
Эти общества представляют собой концептуальное будущее, в котором каждая из трех ключевых технологий становится доминирующим дополнением к возобновляемым источникам энергии в направлении декарбонизированной энергетической системы. Каждое общество будет содержать элементы всех трех, но с разной степенью технологического проникновения.
В течение первого квартала 2021 года мы будем продолжать уточнять статус-кво каждой технологии, направление, в котором она движется, и темпы развития.
Независимо от того, где мы окажемся как глобальное общество, каждая технология уже борется за завоевание доли рынка.
Ключевая динамика Общества батарей:
• Продолжающееся снижение затрат на возобновляемые источники энергии и последующее дальнейшее увеличение спроса на возобновляемые источники энергии для удовлетворения потребностей в батареях сетевого масштаба для устранения перебоев в работе сети.
• Внедрение электромобилей продолжает набирать обороты, причем темпы внедрения растут во всех регионах.
• Предполагается, что сырье в изобилии и/или химия аккумуляторных ячеек может быть изменена, что означает, что производство может быстро увеличиваться и быть устойчивым.
• Глобальный спрос на аккумуляторные батареи достигнет 20 ТВтч к середине 2040-х годов, где он останется стабильным в течение следующего десятилетия.
Общество батарей
В Обществе батарей стоимость батарей продолжает падать, что позволяет использовать дешевое сетевое хранилище, которое может справляться с внутридневными перебоями, а также снабжать потребителей электроэнергией в течение нескольких дней.
В этом сценарии нет существенных узких мест со стороны предложения. Дешевые батареи также поддерживают быструю электрификацию транспорта и приведут (в сочетании с дешевой солнечной и ветровой энергосистемами) к исчезновению индустрии ископаемого топлива. CCS и водород станут нишевыми технологиями в промышленности и некоторых сегментах транспорта.
Общество CCS
Общество CCS основано на установлении глобальных налогов на выбросы углерода и повышении затрат/экономии за счет масштаба для технологий CCS.
В этом сценарии CCS развертывается в массовом масштабе везде: от промышленности и производства голубого водорода до энергетического сектора и прямого захвата воздуха. Быстрое принятие налогов на выбросы углерода обеспечивает относительно быстрый уровень внедрения технологий CCS, облегчая углеродные бюджеты и поддерживая бизнес с длинными инвестиционными циклами, например, промышленности ископаемого топлива.
Батареи будут в значительной степени ограничены более легкими сегментами транспортного сектора, и голубой водород будет играть ключевую роль в декарбонизации промышленности и трудноэлектрифицируемого транспорта.
Общество водорода
В водородном обществе избыточные мощности возобновляемой генерации и снижение затрат на электролизеры приведут к созданию конкурентоспособного зеленого водорода.
Крупномасштабное потребление водорода ускорит переход на водородные технологии. Мы, вероятно, увидим достаточные масштабы внедрения CCS, что снизит стоимость технологий CCS и повысит конкурентоспособность голубого водорода в дополнение к зеленому. Создание широко распространенной водородной экономики увеличит спрос на синий водород в дополнение к зеленому, чему способствует внедрение сетей водородных трубопроводов.
Химия батарей
Литий-ионные батареи содержат четыре основных элемента, которые способствуют направленному потоку электронов: анод, катод и разделитель внутри электролитного вещества. Когда батарея разряжается, ионы лития перемещаются от анода через сепаратор к катоду, переносимые веществом электролита. Когда ионы лития перетекают с одной стороны на другую, сепаратор предотвращает прохождение электронов. Это приводит к накоплению электронов в аноде, создавая отрицательный заряд на анодной стороне батареи, и заставляет электроны перемещаться к подключенному в цепь катоду, На катоде электроны присоединяются к ионам лития.
Когда батарея перезаряжается, этот цикл меняется на обратный; электроны перемещаются с катода на анод, создавая отрицательный заряд на аноде, который затем притягивает ионы лития обратно к аноду, где они изолируются для будущего разряда.
Литий-ионные аккумуляторы бывают разных форм–факторов, но распространенной формой, которая все чаще используется в электромобилях, является цилиндрическая. Здесь анод, сепаратор и катод формируются в сложенный лист и сворачиваются в так называемый “желейный рулон”, с отрицательными и положительными выступами с боков.
С помощью батарей можно сократить 78% глобальных выбросов CO2
Общество батарей обещает огромный потенциал обезуглероживания на транспорте и в энергетике. Применительно к этим областям, где это технологически возможно, мы оцениваем, что батареи могут полностью или частично сократить 78% из 40 Gt ежегодно выбрасываемого CO2, что было бы достижимо при огромном увеличении производства батарей.
В настоящее время мировое производство аккумуляторов составляет 1 ТВтч. Чтобы полностью раскрыть потенциал обезуглероживания батарей, его необходимо масштабировать. Экономическая жизнеспособность этого наращивания будет зависеть от сокращения затрат на производство батарей и аналогичное увеличение производства сырья и технологий переработки батарей. Учитывая большую внутреннюю ценность материалов использованных батарей, это кажется реалистичным.
Автомобильные перевозки
Автомобильные перевозки обеспечивают почти половину мирового спроса на нефть – спроса, который, по существу, может быть полностью удовлетворен электрическими батареями. Учитывая их простое применение и технологический прогресс, батареи играют все более конкурентную роль в обезуглероживании основной части сектора автомобильных перевозок.
Действительно, спрос на BEVS резко возрос в последние годы, вызванный шквалом новых целевых показателей чистого нуля и сопутствующей политикой, направленной на смягчение процесса электрификации для потребителей. Это особенно верно в Китае, где, по оценкам Rystad Energy, доля электромобилей составляла 6% продаж новых легковых автомобилей в 2020 году. А в нескольких европейских странах доля рынка BEV выросла, примерно, на 10 процентных пунктов. Этот устойчивый рост проникновения BEV на рынок продолжался, несмотря на рыночные потрясения вследствие Covid-19 и тот факт, что многие регионы – в том числе и Китай – отказались от некоторых потребительских субсидий.
Источник: Rystad Energy research and analysis, Rystad Energy OilMarketsCube
*Оценка конкурентоспособности аккумуляторной технологии по сравнению с другими технологиями обезуглероживания
Электромобили набирают обороты
Всплеск потребления не вызывает удивления: батареи являются легко переносимым и гибким энергоносителем, а затраты продолжают падать благодаря эффекту тиражирования, зарядка становится проще с каждым днем по мере расширения инфраструктуры и появления частных решений для домашней зарядки. Препятствия, сужающие расширение доли EV, уменьшаются с каждым постепенным улучшением технологии батарей. Новая модель Tesla S имеет дальность пробега более 640 км.
Доля EV в общем объеме продаж
Судоходство
Сектор судоходства является одним из самых сложных для обезуглероживания из-за его уникальной потребности в высокой мощности, стабильности и дальности действия. Батареи предлагают хорошие решения для многих случаев использования судов, но имеется несколько ключевых препятствий. Во-первых, батареи, необходимые для питания судов, могут быть в сотни раз тяжелее, чем для наземных транспортных средств, и должны производить огромное количество энергии. Кроме того, судовые батареи создают уникальные проблемы для безопасности, в частности, для предотвращения самонагрева, что может привести к плавлению или возгоранию элемента батареи. Вопрос о самонагреве решен в коммерческих электромобилях, поскольку промышленность смогла разработать форм-факторы и системы транспортных средств, идеально подходящие для уникальных требований литий-ионных батарей.
Напротив, судовая промышленность гораздо менее стандартизирована, поэтому интеграция батарей требует высокой степени специализации и новых способов их интеграции в энергосистемы.
Электрический паром курсирует по гавани Осло, Норвегия. Паром является продуктом сотрудничества между организацией общественного транспорта Ruter и Boreal Sjø. Фото: Бореал
Ближнемагистральные и пассажирские перевозки хорошо подходят для использования аккумуляторных электрических систем, поскольку более короткие расстояния позволяют избежать необходимости в очень больших, сложных, интегрированных аккумуляторных системах. Кроме того, небольшие суда, такие как паромы, как правило, более стандартизированы, что делает более целесообразным объектом для флотов коммерческих судов.
Здесь могут применяться как батареи NMC, так и батареи LFP, причем предпочтительный тип батареи зависит от конкретного сосуда и системы. В отличие от наземных транспортных средств, батареи NCA обычно считаются слишком капризными для использования на судах и не предлагают хорошего компромисса между стоимостью и плотностью энергии. Многие паромы с батарейным питанием и региональные суда уже эксплуатируются по всему миру, больше всего в странах Западной Европы.
Авиация
Как и в судоходстве, литий-ионные аккумуляторы применяются в ближнемагистральной авиации, но, скорее всего, будут играть лишь вспомогательную роль в дальнемагистральной авиации. На более коротких расстояниях региональные рейсы могут быть полностью электрифицированы с использованием литий-ионных или более новых технологий батарей. Другие варианты декарбонизации включают водородные топливные элементы или интеграцию литий-ионных батарей в гибридные системы, которые также используют либо традиционное ископаемое топливо, либо устойчивое авиационное топливо (SAFS). Тем не менее, литий-ионные батареи обладают возможностями, чтобы рассматривать их как технологию декарбонизации. Они является предпочтительными источниками энергии для региональных самолетов, обеспечивая быструю перезарядку и высокую плотность энергии при относительно низком весе.
Кроме того, экономика полностью электрифицированного полета становится все более привлекательной по мере падения цен на батареи. Многие крупные и малые компании активно тестируют региональные операции с батарейным питанием, хотя ни одна из них еще не была запущена в коммерческом масштабе.
Airbus тестирует технологию литий-ионных аккумуляторов на нескольких типах небольших самолетов, также работают с аккумуляторами Alice Eviation, Pipistrel Velis Electro, Equator Pure Electric, Wisk, Magnix, eFlyer and Avinor.
Стартап Zunum, поддерживаемый Boeing и JetBlue, выделялся среди других, имея самую большую дальность полета из всех самолетов с питанием от батарей. Используя “гибридно-электрическую” силовую установку, которая может работать на газе, но в конечном итоге будет полностью электрической, Zunum заявила, что ее небольшой самолет будет иметь дальность полета до 1000 миль, или 1600 километров. Компания планировала запустить свой первый самолет в 2022 году, но продолжающиеся юридические проблемы между Boeing и Zunum, похоже, застопорили прогресс.
Спрос на батареи для транспорта будет расти на 15% ежегодно до 2050 года
Совокупный прогноз спроса на батареи в транспортном секторе, как ожидается, будет расти в среднем на 15% в год в период между 2020 и 2050 годы. Сегмент легковых автомобилей будет, безусловно, сегментом с наибольшим ростом, на долю которого придется 70% прироста к 2050 году, а тяжелые коммерческие автомобили будут вторыми по величине.
Авиация и судоходство также демонстрируют многообещающие перспективы, но рост не будет очевиден до какого-то момента. В секторе судоходства основные области применения батарей будут касаться небольших судов и вспомогательных систем для более крупных судов. Это может измениться с технологическими прорывами, например, в литиевых воздушных батареях. Однако такой скачок технологий, по-видимому, не является неизбежным.
Авиация все еще находится по крайней мере в 10-15 годах от значительного роста коммерческих электрических рейсов. Хотя влияние электрической авиации может быть очень позитивным с точки зрения климата, оно все равно будет небольшим с точки зрения спроса на гигаватт-часы по сравнению с другими сегментами из-за относительно ограниченного числа воздушных судов (по сравнению, например, с мировыми пассажирскими транспортными средствами). Это, очевидно, может также измениться, если электрическая авиация приведет к смещению парка в сторону меньших, но более многочисленных самолетов.
Спрос на батареи со стороны транспорта
Сетевые батареи становятся мейнстримом –
больше и дешевле
С каждым постепенным снижением стоимости происходит постепенное увеличение общего рынка батарей. Батареи первоначально вошли в энергетический сектор в качестве вспомогательной услуги, стабилизируя сеть, обеспечивая короткий всплеск электроэнергии, но они оказались чем-то большим, чем просто резерв. В последние годы сетевые батареи начали завоевывать рынки частотного регулирования, поглощая рынок пиковых установок, а совсем недавно – базовую нагрузку в сочетании с солнечной и ветровой энергией.
Если затраты на батареи будут продолжать снижаться нынешними темпами, они позволят увеличить долю рынка электроэнергии и, может, вместе с дешевыми возобновляемыми источниками энергии, потенциально вытеснить значительную часть нынешней генерации на основе ископаемого топлива.
Это развитие также обеспечит дешевые батареи для других частей энергетической системы, включая распределенные и скрытые батареи в зданиях, а также поддержит быструю электрификацию транспортного сектора.
Важное преимущество Общества батарей – это тот факт, что производители батарей должны полагаться только на себя, чтобы увеличить поставки батарей и привести Общество батарей к успеху. Общество CCS и Общество водорода зависят от изменений в политике и изменений затрат в других звеньях цепочки создания стоимости. Чтобы добиться успеха, им, по сути, нужен провал Общества батарей.
Капитальные затраты для некоторых аккумуляторных проектов
[Странно, что аккумуляторные батареи для электромобилей стоят меньше, чем батареи для стационарных источников. Согласно практике всех отраслей промышленности и энергетики стационарные установки дешевле мобильных – ред.]
Возможны ли установки, на 100% состоящие из ВИЭ и батарей?
Возможно ли построить электрическую систему, полностью состоящую из солнечных, ветровых и аккумуляторных батарей (СВА, solar, wind and batteries, SWB)? На следующих страницах мы рассмотрим, во что это обойдется, используя в качестве примера данные по Германии.
Германия является хорошим примером в этом отношении, поскольку страна имеет ограниченные солнечные ресурсы, в основном, не имеет выхода к морю, имеет средние ветровые ресурсы и показывает большие сезонные колебания как в потреблении, так и в возобновляемой генерации.
Для двух недель января 2020 года мы рассчитываем потребность в емкости хранения около 4 ТВтч, что составляет сегодня объем производства литий-ионных аккумуляторов, который примерно в четыре раза превышает мировые производственные мощности. Это, возможно, слишком много, но 4 ТВтч будут установлены в течение многих лет, и ожидается, что рост мирового производства батарей превысит этот показатель к 2030 году.
Тем не менее, возможно, имеет смысл еще больше расширить производство возобновляемых источников энергии и – в зависимости от роста цен на солнечную энергию, ветер и батареи – найти оптимальный коэффициент масштабирования, при котором цена комбинированной системы будет самой низкой.
Это показано на диаграмме ниже, где ось x представляет количество раз, в которое необходимо масштабировать текущую возобновляемую систему, а черная линия представляюет общую стоимость системы, включая стоимость системы хранения батарей. Расчет может быть дополнительно оптимизировано путем изменения пропорций солнечной и ветровой энергии в системе.
Рынок сетевых хранилищ к 2050 году превысит 10 ТВтч
Стоимость установки 100% SWB в Германии, Испании и Великобритании (индексируется по оптимуму), млрд долл. США
Аналогичные расчеты могут быть проведены и для других стран, чтобы достичь оптимального мультипликатора и связанных с ним требований к хранению.
Масштабируя это в глобальном масштабе, мы достигаем глобальной потребности в хранении в 83 ТВтч при сегодняшнем потреблении энергии с увеличение до 170 ТВтч к 2050 году на основе ожидаемого потребления электроэнергии в 2050 году.
Емкость будет установлена в течение длительного периода, увеличившись с 4,6 ГВтч в 2020 году до более чем 10,5 ТВтч в 2050 году.
Ежегодная установка стационарных накопителей энергии, ТВтч
Глобальный спрос на батареи достигнет 20 ТВтч в середине 2040-х годов
Срок службы батареи часто указывается как время, в течение которого батарея разряжается до 80% от своей первоначальной емкости. Аккумуляторы EV обычно рассчитаны на срок службы, равный общей ожидаемой продолжительности жизни автомобиля (около 15 лет), после чего они могут быть перепрофилированы в сетевое хранилище. Таким образом, до того, как эти батареи EV окажутся в хранилище, пройдет 15 лет, но естественно предположить, что большая доля будущего спроса на сетевое хранилище может быть удовлетворена с помощью перепрофилированных батарей EV. В таком предположении мы прогнозируем будущее плато в 20 ТВтч новых батарей, необходимых в обоих секторах.
Необходимо отслеживать рынки никеля, графита, кремния и лития
Комбинированная потребность батарей в катодной химии, ТВтч
Технология батарей быстро развивается, особенно в области химии, и будущие прорывы, вероятно, будут иметь иную химию, чем лучшие батареи сегодня. Приведенный выше прогноз – это то, что Rystad Energy рассматривает как наиболее вероятное развитие в области катодной химии, учитывая современные знания.
Результирующий спрос на металлы показан ниже, при этом графит и никель являются наиболее важными материалами большого объема, в то время как литий, хотя и небольшой по объему, имеет решающее значение, учитывая текущую ограниченность рынка.
Ожидается, что кремний покажет самый сильным рост, обусловленный введением кремния в аноды.
Снижение стоимости в цепочке создания батарей.
Все еще много возможностей для улучшения
Учитывая траекторию цен на батареи за последнее десятилетие, было бы легко предположить, что это снижение стоимости в конечном итоге сгладится. Это дополнительно подтверждается тем фактом, что стоимость сырья составляет все большую долю от общей стоимости производителей аккумуляторных батарей и в настоящее время составляет от 50% до 60% от стоимости проданных товаров (в зависимости от химии и форм-фактора).
Можно подумать, что это оставляет ограниченные возможности для дальнейшего улучшения экономики. Но если мы расширим анализ, чтобы посмотреть на различные компоненты затрат всей цепочки создания стоимости, то мы могли бы прийти к другому выводу.
Например, если мы рассмотрим всю цепочку создания стоимости, то увидим, что 34% затрат на производство батарей связано с потреблением энергии. И большая часть этого потребления включает в себя электричество, используемое для операций сушки на этапах химической обработки и производства ячеек. С помощью новых, усовершенствованных технологий и более дешевой электроэнергии это может быть уменьшено – потенциал, который, вероятно, вскоре будет реализован в производстве ячеек.
Кроме того, мы видим сдвиг в сторону более вертикальной интеграции в аккумуляторной промышленности с производителями батарей, перемещающимися вверх по течению создания стоимости, чтобы лучше оптимизировать добывающую и перерабатывающую часть цепочки создания стоимости.
По мере того как конструкции аккумуляторных элементов и аккумуляторных блоков становятся более специализированными и оптимизированными для их предполагаемого применения, существует также потенциал для снижения затрат, связанных с неактивными материалами, сокращения затрат на рабочую силу за счет автоматизированных производственных процессов и сокращения первоначальных инвестиций за счет улучшения проектирования производственных объектов.