Bateriile sunt peste tot. Sunt în telefoanele noastre, avioanele, mașinile noastre pe benzină, chiar - în cazul persoanelor cu stimulatoare cardiace sau a altor dispozitive medicale implantate - corpurile noastre.
Bateriile care vor conta cu adevărat în viitor, nu sunt cele care vă vor ajuta să jucați Angry Birds pe telefon timp de 12 ore consecutive sau să vă porniți vehiculul într-o dimineață friguroasă de iarnă. Bateriile cu potențialul de a transforma perspectivele energetice ale lumii vor alimenta vehiculele electrice și vor asigura stocarea rețelei electrice.
„Dacă ați putea da o baghetă magică și a rezolva problemele energetice ale lumii, nu va trebui decât să schimbați un singur lucru: bateriile”, spune Ralph Eads, vicepreședinte al firmei bancare de investiții Jeffries LLC, care investește în noile tehnologii energetice.
Problema cu energia nu este că nu avem suficient de mult; noile tehnologii precum forajul orizontal și fracturarea hidraulică sau „fracking-ul” au deblocat recent cantități de combustibili fosili de neimaginat cu doar un deceniu în urmă. Problema este că dependența noastră de acei combustibili fosili pentru majoritatea energiei noastre este grav nesănătoasă, provocând milioane de morți premature anual și modificând climatul atât în moduri drastice cât și imprevizibile.
Dar combustibilii fosili nu sunt o sursă populară de energie doar pentru că sunt atât de abundenți. Sunt populare pentru că pot stoca multă energie într-o cantitate mică de spațiu. De asemenea, bateriile stochează energie, dar într-o comparație de lire sterline, nu pot concura. Cel mai ușor loc pentru a demonstra această diferență este într-o mașină:
Bateria din Toyota Prius hibridă are în jur de 225 wați-ore de energie pe kilogram. Aceasta este densitatea energetică a bateriei auto - cantitatea de energie care poate fi stocată pe unitatea de volum sau greutate. Benzina din acel Prius conține 6.000 watt-oră pe liră. Diferența de densitate energetică dintre combustibilii petrolieri lichizi și chiar și cele mai avansate baterii creează un scenariu în care un Chevrolet Suburban de 7.200 de kilograme poate parcurge 650 de mile pe un rezervor de gaz și un Nissan Leaf electric, care cântărește mai puțin de jumătate, are o rază de acțiune de numai aproximativ 100 de mile.
Și chiar dacă aproximativ 80 la sută din călătoriile auto americane parcurg mai puțin de 40 de mile, cercetările consumatorilor au arătat că șoferii suferă de „anxietate de rază de acțiune”. Ei doresc ca mașinile care să poată merge în drumuri lungi, precum și să se deplaseze la muncă și să le facă. erori în jurul orașului.
Densitatea energetică a rămas bête noire a bateriilor timp de 100 de ani. Ori de câte ori vine o nouă tehnologie sau design care crește densitatea de energie, un alt aspect crucial al performanței bateriei - să zicem, stabilitatea la temperaturi ridicate sau numărul de ori poate fi drenat și reîncărcat - suferă. Și atunci când unul dintre aceste aspecte este îmbunătățit, densitatea energetică suferă.
Tehnologia fosfatului de litiu-fier este un bun exemplu. Aceste baterii, de la producătorul chinez BYD, sunt utilizate pe scară largă atât în vehiculele electrice cât și în cele hibride din sudul Chinei. Se încarcă mai repede decât bateriile cu litiu-ion, care sunt obișnuite în alte vehicule electrice, cum ar fi Leaf, dar sunt mai puțin energice.
Un alt aspect foarte apreciat în proiectarea bateriei este de câte ori bateriile pot fi încărcate și evacuate fără a-și pierde capacitatea de a stoca energie. Bateriile hidrură de nichel-metal, sau NiMH, care au fost calea de lucru pentru vehicule hibride, inclusiv hibridul Prius și Ford’s Escape de mai bine de un deceniu, fac bine în această categorie. Ted J. Miller, care lucrează la tehnologii avansate de baterii pentru Ford Motor Company, spune că Ford a scos bateriile din hibrizii Escape pentru utilizarea a 260.000 de mile de serviciu de taxi din San Francisco și a descoperit că mai au 85% din capacitatea lor inițială de putere. . Această durabilitate este un avantaj, dar pentru vehiculele pur electrice, bateriile NiMH sunt mult mai grele pentru aceeași cantitate de energie stocată de o baterie cu litiu-ion; greutatea suplimentară scade gama vehiculului. Bateriile NiMH sunt, de asemenea, toxice, deci nu le scoateți în coșul de gunoi atunci când rămân fără suc - trebuie reciclate. Și pentru că nichelul poate fi mai rar în viitor decât litiu, aceste baterii ar putea fi mai scumpe.
Bateriile polimerice cu ioni de litiu au o densitate energetică ușor mai mare decât versiunile obișnuite de litiu-ion - un vehicul prototip Audi a parcurs 372 de mile cu o singură încărcare - dar nu pot fi încărcate și epuizate de mai multe ori, deci au o rezistență mai mică.
Merită să ne amintim că, în ciuda acestor limitări, bateriile proiectate pentru alimentarea automobilelor au parcurs un drum lung într-o perioadă relativ scurtă de timp - cu doar 40 de ani în urmă, o baterie cu mai puțin de jumătate din densitatea energetică a celor găsiți în hibrizii și vehiculele electrice de astăzi era considerat un vis exotic - și sunt obligați să se îmbunătățească în continuare. „Vedem o cale clară către dublarea capacității bateriei”, spune Miller Ford. „Asta fără a schimba în mod dramatic tehnologia, ci îmbunătățind procesul, astfel încât avem baterii auto de înaltă calitate, cu același conținut de energie pe care îl găsim astăzi pe dispozitivele portabile.”
O astfel de baterie pentru toate vehiculele electrice ar transforma transportul, făcându-l mult mai ecologic. Transportul reprezintă aproximativ 27 la sută din emisiile de gaze cu efect de seră din SUA și aproximativ 14 la sută din emisiile la nivel mondial. Nouăzeci și cinci la sută din vehiculele de pasageri din SUA circulă cu petrol. Dacă aceste autoturisme și camioane ar putea fi înlocuite cu vehicule electrice, dacă ar reduce semnificativ poluarea, chiar dacă energia electrică continuă să provină în principal din cărbune, a informat Departamentul de Energie. Asta pentru că motoarele cu ardere internă sunt atât de ineficiente, pierzând până la 80% din energia din combustibilul lor pentru a se încălzi, în timp ce motoarele electrice pun aproape toată energia în propulsarea vehiculului.
Bateriile pot juca un rol în schimbarea sursei de energie electrică, prin stocarea energiei produse din surse regenerabile, precum eoliană și solară. Întrucât utilitățile au crescut procentul de energie electrică pe care îl produc din aceste surse, principiul de orientare a fost acela că centralele electrice cu gaz natural ar fi necesare pentru a satisface cererea atunci când turbinele eoliene și celulele fotovoltaice nu produc. Dacă excesul de energie regenerabilă produsă atunci când cererea este scăzută, ar putea fi transferat la o baterie, stocată fără pierderi semnificative și drenată rapid la creșterea cererii - și dacă sistemul ar fi suficient de ieftin - ar evita necesitatea ambelor instalații regenerabile de cărbune. înlocuiți, iar instalațiile cu gaz natural considerate esențiale pentru a însoți vânt și solar.
„Bateriile cu volum mare care pot schimba timpul de energie ar fi schimbătorul de jocuri”, spune Peter Rothstein, președintele Consiliului pentru Energie Curată din Anglia.
Bateriile care stochează energie pentru rețea au cerințe diferite de cele care merg în mașini, deoarece vehiculele necesită baterii relativ compacte care își pot transfera energia aproape instantaneu. Deci tehnologiile care nu funcționează bine pentru alimentarea vehiculelor electrice pot fi foarte bune la stocarea energiei pentru rețea.
Bateriile litiu-aer, o tehnologie relativ nouă, care a generat multă emoție, poate avea o densitate de energie mai mare decât bateriile cu litiu existente, dar acestea furnizează mult mai puțin din puterea necesară pentru a accelera un vehicul, spune Ford's Miller. „Dacă aveți nevoie de 120 de kilowati de capacitate, cu litiu-aer, este posibil să aveți nevoie de 80 până la 100 de kilowati-ore de energie a bateriei pentru a satisface această cerință”, explică Miller. „Este o baterie foarte greoaie, foarte mare.” Nu ar funcționa bine într-o mașină - Ford Focus EV, prin comparație, folosește puțin peste 100 de kilowati de putere cu o baterie de 23 de kilowati-oră - dar s-ar putea când stai lângă un parc eolian.
Bateriile cu flux de vanadiu, o altă dezvoltare promițătoare, au și o densitate ridicată de energie și au un timp de descărcare rapidă, ceea ce le face ideale pentru depozitare. Aceasta este aplicația pentru care Ron MacDonald, CEO al American Vanadium, îi aruncă. „Există o mulțime de opțiuni de stocare bune, dar fiecare are o problemă”, recunoaște MacDonald. „Problema noastră a fost întotdeauna costuri avansate, pentru că suntem mai scumpi.” Cu toate acestea, o baterie cu flux de vanadiu poate dura 20 de ani, „așa că suntem sub majoritatea celorlalți dacă ne uităm la costul pe durata de viață a bateriei”, el spune.
Însă dezvoltarea așa-numitei rețele „inteligente” - care va folosi algoritmi avansați și tehnologie de comunicații pentru a răspunde rapid ca sursă de energie și cerere a consumatorilor, debit și debit - și stocarea distribuită a făcut, probabil, baterii mai mari de energie mai puțin necesare decât experții s-au gândit în trecut. Cu zeci de mii de baterii mici în mașini, semafoare și în alte părți ale unui oraș, o utilitate electrică ar putea teoretic să scadă energia din aceste baterii în perioadele cu o cerere ridicată și să returneze energia câteva ore mai târziu.
De asemenea, utilitățile pot încerca să schimbe când și modul în care oamenii utilizează energia prin perceperea unor rate exorbitante pentru achizițiile de energie electrică pe un anumit nivel în perioadele cu o cerere ridicată. Clienții vor fi descurajați să plaseze încărcături mari pe sistem, cum ar fi, prin exploatarea aparatelor mari sau încărcarea mașinii electrice, în acele perioade. Ca și bateriile, astfel de practici ar aplana curba necesităților de producție de energie electrică impuse utilității.
„Răspunsul la cerere va juca un rol la fel de important ca și stocarea”, spune Randy Howard, directorul planificării și dezvoltării sistemului de energie electrică pentru Departamentul de Apă și Putere din Los Angeles.
Cu toate acestea, Howard ar dori să vadă o baterie aducând utilităților tipul avansului pe care producătorii de petrol și gaz l-au văzut. „Sperăm cu toții că la un moment dat va exista un salt tehnologic în baterii, dar asta nu s-a întâmplat încă”, spune Howard. „Căutăm fracking-ul nostru în lumea bateriilor.”
