Next generation battery technologies for stationary energy storage

Abstract

As the share of renewable energy generation increases, the need for stationary energy storage systems to stabilize supply and demand is increased as well. Lithium-ion batteries have dominated the storage market, but increasing demand highlights the need for alternative technologies with less scarce materials, lower costs and increased performance.

The aim of this thesis is to forecast and compare the development potential of alternative battery energy storage systems addressing their basic operating principles, performance, raw material requirements, cost, technology readiness level, and commercial developments based on a literature review targeting the year 2030. The technologies covered include ion-conducting batteries, sulfur-based batteries, high temperature batteries, redox flow batteries, and metal-air batteries.

The large scale adoption of already commercialized redox flow batteries are dependent on the increased demand for longer duration storage, while the soon to be commercialized sodium-ion batteries are recognized as a promising technology to challenge lithium-ion technology in energy storage applications. Various technologies are currently being developed with possible deployments before 2030, though large scale market penetration will doubtfully emerge by then.

Uusiutuvan energiatuotannon osuuden kasvaessa energiavarastojärjestelmien tarve sähkön kysynnän ja tarjonnan tasapainottamiseksi kasvaa myös. Litiumioniakut ovat johtaneet energiavarastomarkkinoita, mutta kasvava kysyntä korostaa tarvetta halvemmille, ominaisuuksiltaan sopivammille vaihtoehtoisille teknologioille.

Tämän diplomityön tavoitteena on ennustaa ja vertailla vaihtoehtoisten akkuenergiavarastojärjestelmien kehityspotentiaalia vuoteen 2030 mennessä kirjallisuuskatsauksen keinoin. Tutkimus käsittelee perustoimintaperiaatteita, suorituskykyä, raaka-ainetarpeita, hintoja, teknologian valmiustasoja ja kaupallista kehitystä. Tutkitut teknologiat sisältävät ioniakkuja, rikkiakkuja, korkealämpötila-akkuja, virtausakkuja ja metalli-ilma-akkuja.

Jo kaupallisten virtausakkujen laajamittainen käyttöönotto on riippuvainen pidemmän purkuajan varastojärjestelmien kysynnän kasvusta. Kaupallistamisen kynnyksellä olevat natriumioniakut tunnistetaan litiumioniakkujen kilpailijaksi energiavarastokäytössä. Useita kehitteillä olevia teknologioita voidaan ottaa testikäyttöön vuoteen 2030 mennessä, mutta laajamittainen markkinapenetraatio on epätodennäköistä tähdätyllä aikavälillä.