На протяжении большей части последнего десятилетия перовскиты называли будущим солнечных панелей, но коммерциализация идет медленно, и лишь немногие производители готовы тестировать пилотные линии. В накоплении энергии развивается другая технология, и она движется в противоположном направлении: как только натрий-ионные конструкции начали предлагать в качестве альтернативы литиевым батареям, производители стали запускать выпуск и получать заказы.

Разработка натрий-ионных батарей Unigrid

«Это было интересно», — сказал Рэнди Селески, директор по коммерции ESS Inc. «Я давно в этом рынке и не видел, чтобы он так быстро подхватывал что-то новое».

Для рынка, который когда-то лучше всего ассоциировался со свинцово-кислотными батареями для автономного энергоснабжения, сегодня мировой сектор накопления энергии в основном определяется литий-ионными решениями, если не учитывать гидроаккумулирующие станции. Внутри литиевого сегмента литий-железо-фосфат (LFP) стал наиболее распространенной химией в сетевых и бытовых системах, обеспечив 80% новых установок накопления энергии по всему миру в 2023 году. Хотя литиевые батареи способствовали бурному росту отрасли, их свойства по-прежнему оставляют желать лучшего.

С одной стороны, хотя батареи LFP гораздо безопаснее и менее подвержены тепловому разгону, чем более ранние литиевые химии, некоторые применения все же не могут принять даже небольшой пожарный риск. Литиевые батареи также лучше всего работают в узком температурном диапазоне, а вспомогательная энергия, необходимая для работы чиллеров и вентиляторов, может сделать некоторые проекты экономически невыгодными в отдельных регионах. Кроме того, цепочка поставок лития в значительной степени контролируется Китаем, что затрудняет создание полностью отечественной цепочки поставок для накопления энергии.

На сцену выходит натрий-ионная технология. Изготовленные из доступного нетоксичного элемента, натриевые батареи можно производить аналогично литиевым, используя элементы, модули и конечные системы того же размера. Натриевые батареи выигрывают за счет широкого рабочего температурного диапазона — от -40°F до 140°F без снижения выходной мощности, — что устраняет необходимость в HVAC-системах. А отсутствие критически важных минералов означает, что производство натриевых батарей теоретически можно развернуть в США, Европе, Австралии — где угодно.

Ранее в этом году Morgan Stanley Research оценил, что натрий-ионные батареи займут 2% рынка по объему внедрений в 2027 году, затем вырастут до 20% к 2030 году и 37% к 2035 году. Две химии на основе натрия — sodium chromium oxide (NCO) и sodium iron-phosphate pyrophosphate (NFPP) — выходят вперед как лидеры следующего десятилетия. NCO обеспечивает более высокую плотность энергии, тогда как NFPP дешевле в производстве, но обе могут стать подходящей альтернативой литиевым решениям, сказал Даррен Тан, сооснователь и CEO разработчика натрий-ионных элементов Unigrid.

«Новые технологии всегда открывают новые рынки или новые применения», — сказал он. «Когда мы встречаем клиентов, которые уже используют LFP в своих приложениях, мы говорим им, что они отлично справляются и должны продолжать в том же духе, если только у них нет определенных проблем — например, недостатка мощности или безопасности, слишком короткого срока службы, необходимости работать на холоде или в экстремальной жаре. Тогда мы и подключаемся, чтобы решить эти проблемы».

Натрий-ионный рынок формируется

Перспективы натрий-ионной технологии привлекли игроков со всех сегментов рынка накопления энергии. Пионер flow-батарей ESS заинтересовался технологией и выпустит свою первую натрий-ионную систему сетевого масштаба в следующем году. Селески сказал, что выход в натрий не означает отказ от flow-батарей длительного цикла; это лишь добавление еще одной альтернативы литиевым решениям в продуктовый портфель компании.

Прототип Bridge натрий-ионной системы накопления энергии от ESS.

«Литий по-прежнему занимает 95% рынка в диапазоне от двух до восьми часов. Это первый продукт, который мы увидели, способный напрямую конкурировать с традиционными сценариями использования литий-ионных батарей», — сказал он. «Мы увидели в этом возможность выйти на 95% рынка, опираясь на наш 14-летний [опыт] установки, интеграции и последующего сервисного сопровождения».

Селески добавил, что ESS перенаправит свои НИОКР на создание flow-батареи с временем разряда от 16 до 48 часов, поскольку по-прежнему существует множество сценариев, где требуется длительное хранение энергии.

«Мы рассматриваем это как идеальную возможность перезапустить iron-flow», — сказал он. «В сегменте длительного хранения вы создаете рынок, а этот рынок все еще формируется. [Работа с натрием] дает нам возможность попасть на этот маховик и действительно начать выпускать продукты».

ESS будет использовать элементы NFPP от стартапа Alsym в своей AC-системе накопления энергии мощностью 1.2-MWh. Alsym, разработчик натрий-ионных элементов из Бостона, выпускает небольшие объемы продукции на Восточном побережье, а ESS будет собирать элементы в систему накопления энергии «Bridge» на своем производственном предприятии в Орегоне.

«[NFPP] соответствует тем же характеристикам, которых ESS придерживается с момента основания — отсутствует риск возгорания, и это безопасно», — сказал Селески. «Наш первый запуск состоится в 2027 году, а затем будет второй запуск, который повысит плотность, в конце 2028 года. Вот с какой скоростью движется эта технология. Я уже вижу, что из НИОКР выйдет через три года».

Темпы развития настолько высоки, что компания, основанная всего три года назад, уже развертывает производство на уровне нескольких гигаватт-часов. Peak Energy была основана в 2023 году и планирует начать поставки своей системы хранения GS1, произведенной в Сакраменто, к середине 2027 года.

Крупномасштабная натриевая батарея Peak Energy.

Брэндон Келли, главный научный сотрудник Peak Energy, сказал, что стремительный рост компании был частью первоначального плана.

«Подход Peak — как можно быстрее вывести продукт на рынок, а не 10 лет разрабатывать его в лаборатории, а потом запускать и пытаться найти рынок», — сказал он. «Существует сильный рыночный спрос, и базовая химия позволяет создать значительно лучший продукт для удовлетворения этого спроса — как с точки зрения самого продукта, так и цепочки поставок и энергетической безопасности в США».

GS1 — это система NFPP мощностью 3.1-MWh, которую Келли назвал «идеально подходящей для сетевого хранения». Главное преимущество Peak Energy — пассивное охлаждение натриевых батарей, исключающее из конструкции чиллеры и вентиляторы.

«[С чиллерами] есть движущиеся части, хладагент, охлаждающая жидкость, фильтры, вентиляторы, очень много шума. Это здорово, что мы можем так делать, и я рад, что это дает возможность реализовать многое. Но это инженерные обходные решения, которые нам приходится применять для лития, чтобы он соответствовал задаче», — сказал он. «Поскольку эта версия натрий-иона более устойчива к температурам, мы можем просто позволить ей нагреваться сильнее и при этом сохранять срок службы. Даже в нашей пассивной системе у нас остается 85% состояния здоровья через 20 лет. У литий-ионных систем, даже с жидкостным охлаждением, около 65%. А у натрия нет движущихся частей, поэтому обслуживание становится намного проще. Это красивая простота, которая обеспечивается на уровне самой химии».

Пространство для развития в бытовом сегменте

Хотя основное внимание на рынке накопления энергии уделяется сетевым системам, бытовой сегмент тоже может выиграть от натрий-ионных решений.

Unigrid, компания по НИОКР в области натрий-ионных элементов, созданная при University of California San Diego, разрабатывает технологию с начала десятилетия. Недавно компания объявила о партнерстве с производителем Syntropic Power для выпуска батарей NCO в США.

«Это соответствует всем требованиям. У нее отличный ресурс циклов, отличная безопасность, высокая мощность, хорошая стоимость», — сказал Тан о химии NCO. «Единственный минус — она недоступна в Китае, поэтому ее нельзя просто купить на рынке. Мы работаем с литейными предприятиями, чтобы разработать этот новый производственный процесс. То, что она недоступна, означает и то, что поставлять ее будем только мы, и это одно из наших ключевых преимуществ».

Испытания батареи NCO от Unigrid. Credit: Unigrid

Производство натрий-ионных батарей настолько похоже на выпуск литиевых, что многие крупные игроки литиевого рынка — BYD, CATL, Hithium — быстро адаптируют существующие литиевые линии под натрий-ионные решения. Но это также означает, что они в большей степени сосредоточены на масштабировании сетевых натрий-ионных батарей, где обычно преобладает химия NFPP. Учитывая фокус Unigrid на химии NCO, Тан сказал, что компания ориентируется на менее насыщенный рынок бытового хранения.

«В Китае не существует такого понятия, как бытовой рынок, поэтому крупные китайские игроки не доминируют в этом сегменте. Это также одна из причин, почему бытовые батареи исторически были слишком дорогими», — сказал он. «У вас есть сетевые батареи, которые конкурируют за доли цента, а затем есть [бытовые батареи], которые все еще стоят $10,000 и выше. Мы поняли, что это возможность выйти и изменить статус-кво. Натрий-ион — это перезагрузка».

Unigrid разработала прототип бытовой батареи Na+Casa емкостью 9.25-kWh, который может работать при экстремальных температурах без внешних устройств охлаждения и имеет ресурс более 10,000 циклов при 100% глубине разряда. Уникально то, что показатель 9.25-kWh был определен действующими нормами пожарной безопасности Национальной ассоциации противопожарной защиты, которые пока не успели за развитием натрий-ионной технологии. Натриевые батареи по-прежнему относятся к категории «all others» (а не lead, lithium или flow) и ограничены 10 kWh.

Емкость одного блока в 9.25-kWh может быть меньше, чем у литиевых моделей на 15-kWh, доступных сегодня на бытовом рынке, но Тан сказал, что у натриевых батарей есть и другие преимущества, и их все равно следует рассматривать.

«В отличие от литий-ионных систем, где большая часть стоимости приходится на литий и критически важные материалы, у натрий-ионных все наоборот», — сказал Тан. «Сырье для натрий-иона очень дешевое, а основная [часть стоимости] приходится на производство. Это означает, что потенциал снижения стоимости натрий-иона гораздо выше. Сегодня он все еще дороже литий-ионных решений, но я ожидаю, что в ближайшие пять-десять лет цена очень резко снизится».

Компании, работающие с натрий-ионными батареями, уже не просто говорят о своих намерениях, но вскоре они вполне могут начать уверенно отвоевывать рынок накопления энергии.