Przez większą część ostatniej dekady ogniwa perowskitowe były przedstawiane jako przyszłość paneli słonecznych, jednak komercjalizacja postępuje powoli i tylko nieliczni producenci są gotowi testować linie pilotażowe. W magazynowaniu energii sytuacja wygląda odwrotnie: gdy tylko zaproponowano konstrukcje sodowo-jonowe jako alternatywę dla baterii litowych, producenci zaczęli uruchamiać produkcję i zabezpieczać zamówienia.

„To była frajda” — powiedział Randy Selesky, dyrektor handlowy w ESS Inc. „Jestem w tym rynku od dawna i nie widziałem, żeby rynek tak szybko naprawdę chwycił coś za swoje.”

Na rynku, który kiedyś najlepiej obrazowały akumulatory kwasowo-ołowiowe do życia poza siecią, dzisiejsza globalna branża magazynowania energii jest zdominowana przez lit, z wyłączeniem elektrowni szczytowo-pompowych, i szybko się rozwija, gdy operatorzy sieci instalują baterie, aby przesuwać dzienną produkcję energii słonecznej i wiatrowej na wieczorne godziny szczytu. W obrębie segmentu litowego litowo-żelazowo-fosforan (LFP) stał się najczęściej instalowaną chemią w zastosowaniach wielkoskalowych i domowych, odpowiadając za 80% nowych instalacji magazynów energii na świecie w 2023 roku — to chemia po raz pierwszy rozwijana na University of Texas at Austin w latach 90., zanim jej produkcja zaczęła się skalować w Chinach. Choć baterie litowe przyczyniły się do rozwoju całej branży, część ich właściwości pozostaje ograniczeniem.

Mimo że baterie LFP są znacznie bezpieczniejsze i mniej podatne na runaway termiczny niż wcześniejsze chemie litowe, niektóre zastosowania nadal nie mogą zaakceptować nawet niewielkiego ryzyka pożaru. Baterie litowe najlepiej działają także w wąskim zakresie temperatur, a energia pomocnicza potrzebna do zasilania agregatów chłodniczych i wentylatorów może sprawić, że niektóre projekty staną się nieopłacalne w określonych regionach. Ponadto łańcuch dostaw litu jest zdominowany przez Chiny, co utrudnia zbudowanie w pełni krajowego łańcucha dostaw magazynów energii.

Sód-jon nie jest nowym wynalazkiem. Ta chemia była badana w laboratoriach już w latach 80., zanim komercyjny sukces litu-jonu zepchnął ją na margines, i pozostawała w dużej mierze uśpiona aż do 2021 roku, kiedy CATL, największy producent baterii na świecie, zaprezentował swoją pierwszą generację ogniwa sodowo-jonowego. Pakiety sodowo-jonowe trafiły następnie do seryjnej produkcji w małych miejskich samochodach elektrycznych sprzedawanych w Chinach, w tym w modelach producenta JAC.

Sodowo-jon oferuje alternatywę. Wykonane z sodu — nietoksycznego pierwiastka należącego do najobficiej występujących w skorupie ziemskiej i będącego podstawowym składnikiem zwykłej soli kuchennej — baterie sodowe mogą być wytwarzane podobnie jak litowe, przy użyciu ogniw, modułów i kompletnych systemów o tych samych rozmiarach. Działają również w szerokim zakresie temperatur, od -40°F do 140°F bez pogorszenia parametrów wyjściowych, co eliminuje potrzebę stosowania systemów HVAC. A ponieważ nie wymagają minerałów krytycznych, ich produkcja mogłaby teoretycznie odbywać się w Stanach Zjednoczonych, Europie, Australii lub gdziekolwiek indziej.

Na początku tego roku Morgan Stanley Research oszacował, że baterie sodowo-jonowe będą miały 2% udziału w rynku pod względem wdrożeń w 2027 roku, a następnie wzrosną do 20% w 2030 roku i 37% w 2035 roku. Dwie chemie — sodium chromium oxide (NCO) oraz sodium iron-phosphate pyrophosphate (NFPP) — wydają się prowadzić rynek w kolejną dekadę. NCO oferuje wyższą gęstość energii, podczas gdy NFPP jest tańsze w produkcji, ale każda z tych chemii może stanowić odpowiednią alternatywę dla litu — powiedział Darren Tan, współzałożyciel i prezes producenta ogniw sodowych Unigrid. Ogniwa sodowo-jonowe zazwyczaj magazynują mniej energii w przeliczeniu na masę niż chemie litowe, co ma największe znaczenie w pojazdach elektrycznych, a najmniejsze w magazynach stacjonarnych, gdzie objętość i masa mają mniejsze znaczenie — to jeden z powodów, dla których systemy wielkoskalowe są pierwszym dużym celem tej technologii.

„Nowe technologie zawsze służą otwieraniu nowych rynków lub nowych zastosowań” — powiedział Tan. „Kiedy spotykamy klientów, którzy już używają LFP w swoich zastosowaniach, mówimy im, że wykonują świetną pracę i powinni to dalej robić, chyba że mają określone wyzwania, takie jak niewystarczająca moc albo bezpieczeństwo, zbyt krótka żywotność, potrzeba pracy w zimnie lub w ekstremalnym upale. Wtedy wkraczamy, aby rozwiązać te problemy.”

Rynek sodowo-jonowy nabiera kształtu

Obietnica technologii sodowo-jonowej przyciągnęła spółki z różnych segmentów rynku magazynowania energii. Pionier baterii przepływowych ESS zainteresował się tą technologią i w przyszłym roku wprowadzi swój pierwszy projekt sodowy dla skali sieciowej. Selesky powiedział, że wejście w sód nie oznacza odejścia od długotrwałych baterii przepływowych, lecz dodanie kolejnej alternatywy dla litu do oferty firmy.

„Lit nadal stanowi 95% rynku w przedziale od dwóch do ośmiu godzin. To pierwszy produkt, jaki widzieliśmy, który może stanąć do bezpośredniej rywalizacji z tradycyjnymi zastosowaniami litu-jonu” — powiedział. „Uznaliśmy to za okazję do zdobycia 95% rynku, wykorzystując nasze 14 lat [doświadczenia] w instalacji, integracji i bieżącym wsparciu serwisowym.”

Selesky powiedział, że ESS przesunie swoje działania badawczo-rozwojowe w stronę baterii przepływowej o czasie rozładowania od 16 do 48 godzin, ponieważ wciąż istnieje wiele zastosowań, w których długotrwałe magazynowanie energii jest konieczne.

„Widzimy w tym idealną okazję do ponownego ustawienia iron-flow” — powiedział. „W długim czasie trwania tworzysz rynek, a ten rynek nadal się tworzy. [Praca z sodem] daje nam możliwość wejścia na koło zamachowe i naprawdę rozpoczęcia wypuszczania produktów.”

ESS wykorzysta ogniwa NFPP od startupu Alsym w swoim 1,2-MWh systemie magazynowania energii AC. Alsym, firma z Bostonu rozwijająca ogniwa sodowo-jonowe, produkuje niewielką ilość wyrobów na Wschodnim Wybrzeżu, a ESS zmontuje ogniwa w system magazynowania energii „Bridge” w swojej fabryce w Oregonie.

„[NFPP] ma te same cechy, które ESS wyznaje od początku — brak ryzyka pożaru i bezpieczeństwo” — powiedział Selesky. „Nasze pierwsze wdrożenie nastąpi w 2027 roku, a następnie zrobimy drugie wdrożenie, które zwiększy gęstość, pod koniec 2028 roku. Tak szybko ta technologia się rozwija. Już teraz widzę, co jest w R&D i wyjdzie za trzy lata.”

Tempo rozwoju jest tak szybkie, że Peak Energy, firma założona w 2023 roku, już uruchamia produkcję na poziomie wielu gigawatogodzin. Spółka jest na dobrej drodze, by rozpocząć dostawy swojego systemu GS1 produkowanego w Sacramento do połowy 2027 roku.

Brandon Kelly, główny naukowiec Peak Energy, powiedział, że tak szybki rozwój firmy był częścią pierwotnego planu.

„Podejście Peak polega na szybkim dojściu do produktu, a nie na rozwijaniu go w laboratorium przez 10 lat, a potem wprowadzaniu produktu i szukaniu rynku” — powiedział. „Jest silny popyt rynkowy, a baza chemiczna umożliwia technologię, która pozwala stworzyć znacznie lepszy produkt, by ten popyt zaspokoić — od samego produktu, przez łańcuch dostaw, po bezpieczeństwo energetyczne tutaj, w Stanach.”

GS1 to system NFPP o pojemności 3,1 MWh, który Kelly określił jako „idealnie dopasowany do magazynowania wielkoskalowego”. Głównym atutem Peak Energy jest pasywne chłodzenie baterii sodowych, które eliminuje z projektu agregaty chłodnicze i wentylatory.

„[Przy agregatach chłodniczych] są części ruchome, czynnik chłodniczy, chłodziwo, filtry, wentylatory, mnóstwo hałasu. To świetne, że możemy to robić i cieszę się, że umożliwia to wiele rzeczy. Ale to są obejścia inżynieryjne, które musimy stosować dla litu, aby dopasować go do zastosowania” — powiedział. „Ponieważ ta wersja sodowo-jonowa jest bardziej odporna na temperaturę, możemy pozwolić jej się bardziej nagrzać i nadal zachować wymagany czas życia. Nawet w naszym systemie pasywnym nadal utrzymujemy 85% stanu zdrowia po 20 latach. Lit-jon, nawet z chłodzeniem cieczą, wynosi około 65%. A przy sodzie nie ma części ruchomych, więc zakres konserwacji znacząco się zmniejsza. To piękna prostota, możliwa już na poziomie chemii.”

Pole do działania w segmencie domowym

Choć większość uwagi na rynku magazynowania energii skupia się na systemach wielkoskalowych, segment domowy również może skorzystać z konstrukcji sodowych.

Unigrid, firma badawczo-rozwojowa ogniw sodowo-jonowych wywodząca się z University of California San Diego, rozwija tę technologię od początku dekady. Spółka właśnie ogłosiła partnerstwo z producentem Syntropic Power w celu wytwarzania baterii NCO w Stanach Zjednoczonych.

„To spełnia wszystkie wymagania. Ma świetną żywotność cykliczną, świetne bezpieczeństwo, świetną moc, świetny koszt” — powiedział Tan o chemii NCO. „Jedyną wadą jest to, że nie jest dostępna w Chinach, więc nie można jej po prostu kupić z rynku. Współpracujemy z odlewniami, aby opracować ten nowy proces produkcji. To, że nie jest dostępna, oznacza też, że będziemy jedynym dostawcą, więc to jedna z naszych kluczowych przewag.”

Produkcja sodowo-jonowa jest tak podobna do produkcji baterii litowych, że wielu głównych graczy litowych — BYD, CATL i Hithium — szybko dostosowuje istniejące linie produkcyjne litu do konstrukcji sodowych. Oznacza to jednak także, że większy nacisk kładą oni na skalowanie wielkoskalowych baterii sodowych, które zwykle preferują chemię NFPP. Ponieważ Unigrid koncentruje się na chemii NCO, Tan powiedział, że firma celuje w mniej zatłoczony rynek magazynów domowych.

„W Chinach nie ma czegoś takiego jak rynek domowy, więc duzi chińscy gracze nie dominują w tej przestrzeni. To także powód, dla którego baterie domowe były historycznie zbyt drogie” — powiedział. „Masz baterie dla sektora użyteczności publicznej, które walczą o ułamki centa, a potem masz [baterie domowe], które nadal kosztują 10,000 USD i więcej. Zrozumieliśmy, że to dla nas okazja, aby wejść i zmienić status quo. Sodowo-jon to reset.”

Unigrid opracował prototyp baterii domowej, 9.25-kWh Na+Casa, który może pracować w ekstremalnych temperaturach bez zewnętrznych urządzeń chłodzących i ma żywotność ponad 10,000 cykli przy 100% głębokości rozładowania. Nietypowo, wartość 9.25 kWh została określona przez obowiązujące przepisy przeciwpożarowe National Fire Protection Association, które nie nadążają jeszcze za rozwojem technologii sodowo-jonowej. Baterie sodowe nadal są traktowane jako kategoria „all others” (zamiast ołowiu, litu lub przepływowych) i są ograniczone do 10 kWh.

Pojemność 9.25 kWh pojedynczej jednostki może być niższa niż dostępne dziś na rynku domowym modele litowe 15-kWh, ale Tan powiedział, że baterie sodowe mają inne zalety i nadal powinny być brane pod uwagę.

„W przeciwieństwie do lit-jonu, gdzie duża część kosztu to lit i materiały krytyczne, w sodowo-jonowych sytuacja jest odwrócona” — powiedział Tan. „Surowce do baterii sodowo-jonowych są niezwykle tanie, a większość [kosztu] przypada na produkcję. To oznacza, że potencjał spadku kosztów sodowo-jonu jest znacznie większy. Dziś nadal jest to droższe niż lit-jon, ale oczekuję, że w ciągu najbliższych pięciu do 10 lat ceny spadną bardzo wyraźnie.”

Firmy zajmujące się bateriami sodowymi mogą już działać zgodnie z zapowiedziami, ale wkrótce mogą po prostu przejąć rynek magazynowania energii.