Baterie są wszędzie. Są w naszych telefonach, samolotach, samochodach napędzanych benzyną, a nawet - w przypadku osób z rozrusznikami serca lub innymi wszczepionymi urządzeniami medycznymi - w naszych ciałach.
Akumulatory, które naprawdę będą miały znaczenie w przyszłości, nie są tymi, które pomogą Ci grać w Angry Birds na telefonie przez 12 godzin z rzędu lub uruchomić samochód w mroźny zimowy poranek. Akumulatory, które mogą zmienić światową perspektywę energetyczną, zasilą pojazdy elektryczne i zapewnią przechowywanie sieci energetycznej.
„Jeśli mógłbyś machnąć magiczną różdżką i rozwiązać światowe problemy energetyczne, wystarczy zmienić tylko jedną rzecz: baterie” - mówi Ralph Eads, wiceprezes firmy bankowości inwestycyjnej Jeffries LLC, która inwestuje w nowe technologie energetyczne.
Problem z energią nie polega na tym, że nie mamy jej dość; nowe technologie, takie jak wiercenie poziome i szczelinowanie hydrauliczne lub „szczelinowanie”, odblokowały ostatnio ilości paliw kopalnych, których nie można sobie wyobrazić jeszcze dziesięć lat temu. Problem polega na tym, że poleganie na paliwach kopalnych przez większość naszej energii jest poważnie niezdrowe, powodując miliony przedwczesnych zgonów rocznie i zmieniając klimat w drastyczny i nieprzewidywalny sposób.
Ale paliwa kopalne nie są popularnym źródłem energii tylko dlatego, że są tak obfite. Są popularne, ponieważ mogą przechowywać dużo energii na niewielkiej przestrzeni. Baterie również magazynują energię, ale w porównaniu funt za funt, po prostu nie mogą konkurować. Najłatwiejszym miejscem do wykazania tej różnicy jest samochód:
Akumulator hybrydowej Toyoty Prius ma około 225 watogodzin energii na funt. Jest to gęstość energii akumulatora samochodowego - ilość energii, którą można zmagazynować na jednostkę objętości lub masy. Benzyna w tym Priusie zawiera 6000 watogodzin na funt. Różnica gęstości energii między ciekłymi paliwami ropopochodnymi a nawet najbardziej zaawansowanymi akumulatorami tworzy scenariusz, w którym 7200 funtowy Chevrolet Suburban może pokonać 650 mil na zbiorniku gazu i całkowicie elektrycznym Nissanie Leaf, który waży mniej niż połowę tyle, ma zasięg tylko około 100 mil.
I chociaż około 80 procent amerykańskich podróży samochodowych pokonuje mniej niż 40 mil, badania konsumenckie wykazały, że kierowcy odczuwają „lęk przed zasięgiem”. Chcą samochodów, które będą w stanie jeździć na długich trasach, a także dojeżdżać do pracy i do pracy załatwia sprawy w mieście.
Gęstość energii pozostaje najpopularniejszym akumulatorem od 100 lat. Ilekroć pojawia się nowa technologia lub konstrukcja, która zwiększa gęstość energii, cierpi inny istotny aspekt wydajności akumulatora - powiedzmy, stabilność w wysokiej temperaturze lub liczba razy, kiedy można go opróżnić i naładować. A gdy poprawiony zostanie jeden z tych aspektów, gęstość energii ucierpi.
Dobrym przykładem jest technologia fosforanu litowo-żelazowego. Baterie te, pochodzące od chińskiego producenta BYD, są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych i hybrydowych w południowych Chinach. Ładują się szybciej niż akumulatory litowo-jonowe, które są powszechne w innych pojazdach elektrycznych, takich jak Liść, ale są mniej energochłonne.
Innym bardzo cenionym aspektem w projektowaniu akumulatorów jest to, ile razy akumulatory mogą być ładowane i rozładowywane bez utraty zdolności do magazynowania energii. Akumulatory niklowo-wodorkowe lub NiMH, które były koniem roboczym w pojazdach hybrydowych, w tym Prius i hybrydowy Ford's Escape od ponad dekady, dobrze sobie radzą w tej kategorii. Ted J. Miller, który pracuje nad zaawansowaną technologią akumulatorów dla Ford Motor Company, mówi, że Ford wyciągnął akumulatory z hybryd Escape, które są używane przez 260 000 mil taksówek w San Francisco, i stwierdził, że nadal mają 85 procent swojej pierwotnej mocy . Ta trwałość jest zaletą, ale w przypadku pojazdów wyłącznie elektrycznych akumulatory NiMH są znacznie cięższe przy tej samej ilości energii zgromadzonej przez akumulator litowo-jonowy; dodatkowa waga obniża zasięg pojazdu. Akumulatory NiMH są również toksyczne - więc nie wyrzucaj ich do kosza na śmieci, gdy zabraknie soku - muszą zostać poddane recyklingowi. A ponieważ w przyszłości niklu może być więcej niż litu, baterie te mogą stać się droższe.
Akumulatory litowo-jonowe mają nieco wyższą gęstość energii niż zwykłe wersje litowo-jonowe - prototypowy pojazd Audi przejechał 372 mil na jednym ładowaniu - ale nie można ich ładować i wyczerpywać tyle razy, więc mają mniejszą wytrzymałość.
Warto pamiętać, że pomimo tych ograniczeń akumulatory przeznaczone do zasilania samochodów przeszły długą drogę w stosunkowo krótkim czasie - zaledwie 40 lat temu akumulator o mniej niż połowie gęstości energii w porównaniu z dzisiejszymi pojazdami hybrydowymi i elektrycznymi uważane za egzotyczny sen - i na pewno będą się dalej poprawiać. „Widzimy wyraźną ścieżkę do podwojenia pojemności baterii”, mówi Miller Forda. „Nie zmienia to radykalnie technologii, ale usprawnia ten proces, dzięki czemu mamy wysokiej jakości akumulatory samochodowe o takiej samej zawartości energii, jak w dzisiejszych urządzeniach przenośnych.”
Taki akumulator do pojazdów całkowicie elektrycznych zmieniłby transport, czyniąc go znacznie bardziej przyjaznym dla klimatu. Transport stanowi około 27 procent emisji gazów cieplarnianych w USA i około 14 procent emisji na całym świecie. Dziewięćdziesiąt pięć procent amerykańskich pojazdów osobowych napędzanych jest ropą naftową. Jeśli te samochody i ciężarówki mogłyby zostać zastąpione pojazdami elektrycznymi, znacznie zmniejszyłyby zanieczyszczenie, nawet gdyby energia elektryczna nadal pochodziła głównie z węgla, stwierdził Departament Energii. Wynika to z faktu, że silniki spalinowe są tak mało wydajne, tracąc aż 80 procent energii z paliwa na ciepło, podczas gdy silniki elektryczne wkładają prawie całą energię w napędzanie pojazdu.
Baterie mogą również odgrywać rolę w zmianie źródła naszej energii elektrycznej, poprzez magazynowanie energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, takich jak wiatr i słońce. Ponieważ przedsiębiorstwa użyteczności publicznej zwiększyły procent wytwarzanej energii elektrycznej z tych źródeł, nadrzędną zasadą było to, że elektrownie opalane gazem ziemnym byłyby konieczne do zaspokojenia popytu, gdy turbiny wiatrowe i ogniwa fotowoltaiczne nie produkują. Gdyby nadwyżka energii odnawialnej wytworzonej przy niskim zapotrzebowaniu mogła zostać przeniesiona do akumulatora, zmagazynowana bez znacznych strat i szybko odprowadzona, gdy popyt wzrośnie - i jeśli system byłby wystarczająco tani - wyeliminowałby to zapotrzebowanie na odnawialne źródła energii w elektrowniach węglowych zastąpić, a elektrownie gazowe uznano za niezbędne, aby towarzyszyć wiatrowi i słońcu.
„Akumulatory o dużej pojemności, które mogą przesuwać energię w czasie, zmieniłyby grę”, mówi Peter Rothstein, prezes New England Council ds. Czystej energii.
Baterie, które magazynują energię dla sieci, mają inne wymagania niż te, które trafiają do samochodów, ponieważ pojazdy wymagają stosunkowo kompaktowych baterii, które mogą niemal natychmiast przenieść energię. Technologie, które nie działają dobrze do zasilania pojazdów elektrycznych, mogą być świetne w magazynowaniu energii w sieci.
Baterie litowo-powietrzne, stosunkowo nowa technologia, która wywołała wiele emocji, mogą mieć większą gęstość energii niż istniejące baterie litowe, ale zapewniają znacznie mniej energii, która byłaby potrzebna do przyspieszenia pojazdu, mówi Ford Miller. „Jeśli potrzebujesz 120 kilowatów mocy, w przypadku litowo-powietrznego powietrza możesz potrzebować od 80 do 100 kilowatogodzin energii akumulatora, aby spełnić to wymaganie”, wyjaśnia Miller. „To bardzo kłopotliwa, bardzo duża bateria”. Nie działałby dobrze w samochodzie - dla porównania, Ford Focus EV zużywa nieco ponad 100 kilowatów mocy z akumulatorem 23 kilowatogodzin - ale może siedząc przy farmie wiatrowej.
Baterie przepływowe wanadowe, kolejny obiecujący rozwój, mają również wysoką gęstość energii i mają krótki czas rozładowania, co czyni je idealnymi do przechowywania. Jest to aplikacja, dla której Ron MacDonald, CEO American Vanadium, przygotowuje je. „Istnieje wiele dobrych opcji przechowywania, ale każdy ma problem”, przyznaje MacDonald. „Naszym problemem zawsze były koszty początkowe, ponieważ jesteśmy drożsi”. Bateria o przepływie wanadu może trwać 20 lat, jednak „jesteśmy poniżej większości innych, jeśli spojrzeć na koszty w całym okresie eksploatacji baterii”, on mówi.
Jednak rozwój tak zwanej „inteligentnej” sieci - która będzie wykorzystywał zaawansowane algorytmy i technologię komunikacyjną, aby szybko reagować, gdy podaż energii i zapotrzebowanie konsumentów odpływają i odpływają - i magazynowanie rozproszone sprawiły, że akumulatory o większej energii są mniej potrzebne niż eksperci myśleli w przeszłości. Przy dziesiątkach tysięcy małych akumulatorów w samochodach, światłach i innych miejscach w mieście, przedsiębiorstwo elektryczne może teoretycznie pobierać energię z tych akumulatorów w czasach dużego zapotrzebowania i zwracać energię klientom kilka godzin później.
Usługi użyteczności publicznej mogą również próbować zmieniać, kiedy i jak ludzie zużywają energię, pobierając wygórowane stawki za zakupy energii elektrycznej na określonym poziomie w okresach wysokiego zapotrzebowania. W tym czasie klienci będą zniechęcani do nakładania dużych obciążeń na system, takich jak obsługa dużych urządzeń lub ładowanie samochodu elektrycznego. Podobnie jak baterie, takie praktyki spłaszczyłyby krzywą zapotrzebowania na energię elektryczną nałożoną na zakład energetyczny.
„Odpowiedź na zapotrzebowanie będzie odgrywać tak samo ważną rolę, jak magazyn” - mówi Randy Howard, dyrektor ds. Planowania i rozwoju systemu elektroenergetycznego w Departamencie Wody i Energii w Los Angeles.
Niemniej jednak Howard chciałby, aby bateria przyniosła zakładom energetycznym postęp, jakiego doświadczyli producenci ropy i gazu. „Wszyscy mamy nadzieję, że w pewnym momencie nastąpi skok technologiczny w akumulatorach, ale jeszcze się to nie wydarzyło” - mówi Howard. „Szukamy naszego szczelinowania w świecie akumulatorów”.
