Baterije su posvuda. Oni su u našim telefonima, u našim avionima, u automobilima na benzin, čak i u slučaju ljudi s pejsmejkerima ili drugim implantiranim medicinskim uređajima - u našim tijelima.
No, baterije koje će zaista biti važne u budućnosti nisu one koje će vam pomoći da se igrate ljutih ptica na telefon 12 sati ravno ili pokrenete svoje vozilo hladnim zimskim jutrom. Baterije s potencijalom za transformaciju energetskih izgleda svijeta napajat će električna vozila i osigurati skladištenje za električnu mrežu.
"Ako biste mogli mahnuti čarobnim štapićem i riješiti svjetske energetske probleme, samo biste trebali promijeniti jedno: baterije", kaže Ralph Eads, potpredsjednik investicione banke Jeffries LLC, koja ulaže u nove energetske tehnologije.
Problem s energijom nije u tome što je nemamo dovoljno; nove tehnologije poput horizontalnog bušenja i hidrauličnog lomljenja ili "fracking" nedavno su otključale količine fosilnih goriva koje su bilo nezamislivo prije samo deset godina. Problem je u tome što je naše oslanjanje na ta fosilna goriva većinu naše energije ozbiljno nezdrav, što uzrokuje milijune prijevremenih smrti godišnje i mijenja klimu na drastične i nepredvidive načine.
Ali fosilna goriva nisu popularan izvor energije samo zato što ih je toliko obilno. Popularni su jer mogu pohraniti puno energije u malo prostora. Baterije također pohranjuju energiju, ali u usporedbi kilograma za kilogram, jednostavno se ne mogu natjecati. Najlakše mjesto za demonstriranje ove razlike je u automobilu:
Akumulator u hibridnom Toyotu Prius ima oko 225 vat-sati energije po kilogramu. To je gustoća energije akumulatora u automobilu - količina energije koja se može pohraniti po jedinici zapremine ili težini. Benzin u tom Priusu sadrži 6000 vat-sati po funti. Razlika u gustoći energije između tekućih naftnih goriva, pa čak i najnaprednijih baterija, stvara scenarij u kojem Chevrolet Suburban od 7.200 kilograma može prijeći 650 milja na spremnik benzina i potpuno električni Nissan Leaf, koji teži manje od pola manje, ima raspon od samo oko 100 milja.
I premda oko 80 posto američkih automobilskih putovanja pređe manje od 40 kilometara, istraživanje potrošača pokazalo je da vozači pate od „opsega anksioznosti“. Oni žele automobile koji mogu ići na dug put, kao i putovati na posao i raditi. narudžbe po gradu.
Gustoća energije ostala je bête noire baterija 100 godina. Kad god se pojavi nova tehnologija ili dizajn koji povećava gustoću energije, pati drugi ključni aspekt performansi akumulatora - recimo, stabilnost pri visokoj temperaturi ili koliko puta se može isprazniti i napuniti. A kad se poboljša jedan od tih aspekata, gubi se gustoća energije.
Primjer dobre tehnologije je litij-željezni fosfat. Ove se baterije, kineskog proizvođača BYD, široko koriste u električnim i hibridnim vozilima na jugu Kine. Pune se brže od litijum-ionskih baterija koje su uobičajene u drugim električnim vozilima, poput Leafa, ali manje su guste.
Drugi visoko cijenjeni aspekt u dizajnu baterija je koliko puta se baterije mogu napuniti i isprazniti, a da ne izgube sposobnost skladištenja energije. Nikal-metal-hidrid, ili NiMH, baterije, koje su radna konja hibridnih vozila, uključujući Prius i Fordov Escape hibrid više od desetljeća, dobro se snalaze u ovoj kategoriji. Ted J. Miller, koji radi na naprednoj tehnologiji baterija za Ford Motor Company, kaže da je Ford izvukao baterije iz hibrida Escape koji se koriste za taksi službu u San Franciscu, 260 000 milja i otkrio da još uvijek imaju 85 posto svoje izvorne snage, Ova trajnost je prednost, ali za čisto električna vozila NiMH baterije su mnogo teže za istu količinu energije koju pohranjuje litij-ionska baterija; dodatna težina smanjuje raspon vozila. NiMH baterije su također otrovne - tako da ih ne biste bacili u kantu za smeće kad im ponestane soka - potrebno ih je reciklirati. A budući da bi nikal u budućnosti mogao biti oskudniji od litija, ove bi se baterije mogle skuplje skupiti.
Litij-ionske polimerne baterije imaju nešto veću gustoću energije od uobičajenih litij-ionskih verzija - prototipsko vozilo Audi prešlo je 372 milje sa jednim punjenjem - ali ne mogu se puniti i potrošiti toliko puta, tako da imaju manju izdržljivost.
Vrijedno je zapamtiti da su unatoč tim ograničenjima baterije dizajnirane za pogon automobila u dalekom vremenu u relativno kratkom vremenu - prije samo 40 godina, akumulator s manje od polovine gustoće energije od današnjih hibrida i električnih vozila smatrali egzotičnim snom - i oni će se dodatno poboljšati. "Vidimo jasan put ka udvostručenju kapaciteta baterije", kaže Fordov Miller. "To je bez drastične promjene tehnologije, ali poboljšanja procesa, tako da imamo visokokvalitetne automobilske baterije s istim sadržajem energije kakve nalazimo na prijenosnim uređajima danas."
Takva baterija za sva električna vozila transformirala bi prijevoz, čineći ga mnogo povoljnijim za klimu. Promet čini oko 27 posto američkih emisija stakleničkih plinova i oko 14 posto svjetskih emisija. Devedeset i pet posto američkih putničkih vozila vozi na naftu. Ako bi se ti automobili i kamioni mogli zamijeniti električnim vozilima, ako bi značajno smanjili zagađenje, čak i ako struja i dalje dolazi uglavnom iz ugljena, utvrdilo je Ministarstvo energetike. To je zato što su motori s unutarnjim izgaranjem toliko neučinkoviti, gube čak 80 posto energije svoje gorivo za zagrijavanje, dok električni motori ulažu gotovo svu svoju energiju u pogon.
Baterije mogu igrati ulogu u promjeni izvora naše električne energije, pohranjujući energiju proizvedenu iz obnovljivih izvora poput vjetra i sunca. Kako su komunalije povećavale postotak električne energije koju proizvode iz ovih izvora, vodeće načelo bilo je da bi elektrane na prirodni plin bile neophodne za podmirivanje potražnje kada vjetroturbine i fotonaponske stanice ne proizvode. Ako se višak obnovljive energije proizveden kada je potražnja mala, može se prenijeti na bateriju, pohraniti bez značajnih gubitaka i brzo se isprazniti kada porast potražnje - a ako je sustav dovoljno jeftin - umanjio bi potrebu za obimnim postrojenjima za pogon na ugljen zamijeniti, a postrojenja za prirodni plin smatraju se ključnim za pratnju vjetra i sunca.
"Baterije velikih količina koje mogu vremenski pomicati energiju bile bi mijenjač igre", kaže Peter Rothstein, predsjednik New England Council-a za čistu energiju.
Baterije koje pohranjuju energiju za mrežu imaju drugačije zahtjeve od onih koje idu u automobile, jer vozilima su potrebne relativno kompaktne baterije koje mogu energiju prenijeti gotovo trenutno. Stoga tehnologije koje ne funkcioniraju dobro za napajanje električnih vozila mogu biti sjajne za spremanje energije za mrežu.
Litij-baterijske baterije, relativno nova tehnologija koja je stvorila puno uzbuđenja, mogu imati veću gustoću energije od postojećih litijumskih baterija, ali one pružaju mnogo manje energije koja bi bila potrebna za ubrzavanje vozila, kaže Fordov Miller. "Ako vam treba 120 kilovata snage za napajanje, za litij-zrak možda će vam trebati 80 do 100 kilovat-sati baterije za ispunjenje tog zahtjeva", objašnjava Miller. "To je vrlo glomazna, vrlo velika baterija." U automobilu to ne bi dobro funkcioniralo - Ford Focus EV, za usporedbu, koristi malo više od 100 kilovata snage s baterijom od 23 kilovata sata - ali možda bi kad sjedi pored vjetroelektrane.
Vanadij protočne baterije, još jedan obećavajući razvoj, također imaju visoku gustoću energije i brzo vrijeme pražnjenja, što ih čini idealnim za skladištenje. To je aplikacija za koju ih postavlja Ron MacDonald, predsjednik Uprave American Vanadium. "Postoji puno dobrih opcija za pohranu, ali svaka od njih ima problem", priznaje MacDonald. „Naš problem je uvijek bio glavni trošak, jer smo skuplji.“ Baterija koja protok vanadijuma može trajati 20 godina, „pa smo ispod većine ostalih ako pogledate troškove tijekom životnog vijeka baterije“, on kaže.
No, razvoj takozvane „pametne“ mreže - koja će koristiti napredne algoritme i komunikacijsku tehnologiju za brzo reagiranje kao što su opskrba i opskrba napajanja i potražnje potrošača - i distribuirana pohrana možda učinila da baterije manje guste manje potrebne nego što su stručnjaci su razmišljali u prošlosti. S desecima tisuća malih baterija u automobilima, semaforima i drugdje u gradu, električni aparat teoretski bi mogao iscrpiti struju iz tih baterija u vrijeme velike potražnje i vratiti energiju kupcima nekoliko sati kasnije.
Komunalna poduzeća mogu također pokušati promijeniti kada i kako ljudi koriste energiju naplaćujući pretjerane cijene za kupnju električne energije preko određene razine tijekom razdoblja velike potražnje. Kupci će se obeshrabriti u postavljanju velikih opterećenja na sustav, poput rada s velikim uređajima ili punjenja električnog automobila za to vrijeme. Kao i baterije, takva bi praksa umanjila krivulju proizvodnje električne energije nametnute komunalnom poduzeću.
"Odziv na potražnju igrat će važnu ulogu kao i skladištenje", kaže Randy Howard, direktor planiranja i razvoja elektroenergetskog sustava za Los Angeles odjel za vodu i energiju.
Unatoč tome, Howard bi želio vidjeti bateriju koja pruža komunalnim uslugama onakav napredak kakav su vidjeli proizvođači nafte i plina. "Svi se nadamo da će u nekom trenutku doći do tehnološkog skoka u baterijama, ali to se još nije dogodilo", kaže Howard. "Tražimo svoju fracking u svijetu baterija."
