Батерије су свуда. Они су у нашим телефонима, у нашим авионима, у нашим аутомобилима на бензин, чак и у случају људи са пејсмејкерима или другим имплантираним медицинским уређајима - у нашим телима.
Но, батерије које ће заиста бити важне у будућности нису оне које ће вам помоћи да се играте љутих птица на телефону 12 правих сати или покренете возило хладним зимским јутром. Батерије са потенцијалом да трансформишу енергетски изглед света покренуће електрична возила и обезбедити складиште за електричну мрежу.
„Ако бисте могли махнути чаробним штапићем и решити светске енергетске проблеме, требало би да промените само једно: батерије“, каже Ралпх Еадс, потпредседник инвестиционе банкарске компаније Јеффриес ЛЛЦ, која улаже у нове енергетске технологије.
Проблем са енергијом није у томе што је немамо довољно; нове технологије попут хоризонталног бушења и хидрауличног ломљења или „фрацкинг“, недавно су откључале количине фосилних горива које су било незамисливо пре само деценију. Проблем је у томе што је наше ослањање на та фосилна горива већину наше енергије озбиљно нездрав, што узрокује милионе преране смрти годишње и мења климу на драстичне и непредвидиве начине.
Али фосилна горива нису популаран извор енергије само зато што их је толико обилно. Популарни су јер могу похранити пуно енергије у мало простора. Батерије такође складиште енергију, али у поређењу са килограмом за килограм, једноставно се не могу такмичити. Најлакше место за демонстрирање ове разлике је у аутомобилу:
Батерија у хибридном Тојоту Приуса има око 225 ват-сати енергије по килограму. То је густина енергије аутомобилске батерије - количина енергије која се може складиштити по јединици запремине или тежини. Бензин у том Приусу садржи 6.000 ват-сати по фунти. Разлика у густоћи енергије између течних нафтних горива, па чак и најнапреднијих батерија, ствара сценариј у којем Цхевролет Субурбан од 7.200 килограма може прећи 650 миља на резервоару за бензин и потпуно електричном Ниссан Леаф-у, који тежи мање од половине., има распон од само око 100 миља.
И иако око 80 процената америчких аутомобилских путовања пређе мање од 40 километара, истраживање потрошача показало је да возачи пате од „опсега стрепње“. Они желе аутомобиле који могу да путују на дугим путним путовањима као и да путују на посао и раде. наруџбине по граду.
Густина енергије је бете ноире батерија 100 година. Кад год се појави нова технологија или дизајн који повећава густину енергије, пати други кључни аспект перформанси батерије - рецимо, стабилност на високој температури или колико пута се може испразнити и поново напунити. А када се један од тих аспеката побољша, губи се густина енергије.
Литијум-гвожђе-фосфатна технологија је добар пример. Ове батерије, кинеског произвођача БИД, широко се користе у електричним и хибридним возилима на југу Кине. Пуне се брже од литијум-јонских батерија које су уобичајене у другим електричним возилима, попут Леафа, али су мање густе.
Други високо цењени аспект у дизајну батерија је колико пута се батерије могу напунити и испразнити, а да не изгубе способност складиштења енергије. Никал-метал хидрид, или НиМХ, батерије, које су радни коњ хибридних возила, укључујући Приус и Фордов Есцапе хибрид више од деценије, добро се сналазе у овој категорији. Тед Ј. Миллер, који ради на напредној технологији батерија за Форд Мотор Цомпани, каже да је Форд извукао батерије из хибрида Есцапе који се користе за такси службу у Сан Франциску, 260 000 миља и открио да још увек имају 85 процената првобитне снаге напајања . Та дуготрајност је предност, али за чисто електрична возила НиМХ батерије су много теже за исту количину енергије коју складишти литијум-јонска батерија; додатна тежина смањује домет возила. НиМХ батерије су такође токсичне - тако да их не смете бацати у канту за смеће када им понеста сок - морају се рециклирати. А будући да никл у будућности може бити оскуднији од литијума, ове батерије могу бити скупље.
Литијум-јонске полимерне батерије имају нешто већу енергетску густину од уобичајених литијум-јонских верзија - прототипско возило Ауди прешло је 372 миље са једним пуњењем - али не могу се пунити и потрошити толико пута, тако да имају мању издржљивост.
Вриједно је запамтити да су упркос овим ограничењима батерије дизајниране за покретање аутомобила далеким путем у релативно кратком временском периоду - пре само 40 година, батерија са мање од половине енергетске густине оних која се налазе у данашњим хибридима и електричним возилима сматран егзотичним сном - и они ће се сигурно побољшати. „Видимо јасан пут ка удвостручењу капацитета батерије“, каже Фордов Милер. "То је без драстичне промене технологије, али побољшања процеса, тако да имамо висококвалитетне аутомобилске батерије са истим садржајем енергије какве налазимо на преносним уређајима данас."
Таква батерија за потпуно електрична возила трансформисала би превоз, чинећи га много повољнијим за климу. Транспорт чини око 27 процената америчких емисија гасова са ефектом стаклене баште и око 14 процената светских емисија. Деведесет и пет процената америчких путничких возила вози на нафту. Ако би се ови аутомобили и камиони могли заменити електричним возилима, ако би значајно смањили загађење чак и ако струја и даље долази углавном из угља, утврдило је Министарство енергетике. То је зато што су мотори са унутрашњим сагоревањем толико неефикасни, губе чак 80 процената енергије у свом гориву за загревање, док електрични мотори улажу готово сву своју енергију у погон.
Батерије могу играти улогу у промени извора наше електричне енергије, складиштењем енергије произведене из обновљивих извора попут ветра и сунца. Како су комуналије повећавале проценат електричне енергије коју производе из ових извора, водећи принцип је био да би електране на природни гас биле неопходне да би се задовољила потражња када ветротурбине и фотонапонске ћелије не производе. Ако се вишак обновљиве енергије произведен када је потражња мала, може се пренети на батерију, складиштити без значајних губитака и брзо се испразнити када пораст потражње - и ако је систем довољно јефтин - умањио би потребу за обема постројењима за гашење угља заменити, а постројења за природни гас сматрају се кључним да прате ветар и солар.
„Батерије великих количина које могу да помере енергију биле би замена за игре“, каже Петер Ротхстеин, председник Нев Енгланд Цоунцил-а за чисту енергију.
Батерије које складиште енергију за мрежу имају другачије захтеве од оних које иду у аутомобиле, јер возилима су потребне релативно компактне батерије које могу пренети своју енергију готово тренутно. Тако да технологије које не раде добро за напајање електричних возила могу бити сјајне за складиштење енергије за мрежу.
Литијум-ваздушне батерије, релативно нова технологија која је створила пуно узбуђења, могу имати већу густину енергије од постојећих литијумских батерија, али пружају много мање енергије која би била потребна за убрзавање возила, каже Фордов Миллер. „Ако вам је потребно 120 киловата снаге, за литијумски ваздух можда ће вам требати од 80 до 100 киловат-сати батерије за испуњење тог захтева“, објашњава Миллер. „То је врло незграпна, веома велика батерија.“ У аутомобилу не би функционисало добро - Форд Фоцус ЕВ, за поређење, користи нешто више од 100 киловата снаге са акумулатором од 23 киловата сата - али можда кад седи поред ветропарка.
Ванадијум проточне батерије, још један обећавајући развој, такође имају високу густину енергије и имају брзо време пражњења, што их чини идеалним за складиштење. То је апликација за коју их поставља Рон МацДоналд, извршни директор Америцан Ванадиум-а. "Постоји пуно добрих опција за складиштење, али свака од њих има проблем", признаје МацДоналд. „Наше издање је увек било у првом плану, јер смо скупљи.“ Батерија са протоком ванадија може да траје 20 година, „тако да смо испод већине других ако погледате трошкове током животног века батерије“, он каже.
Али развој такозване „паметне“ мреже - која ће користити напредне алгоритме и комуникациону технологију за брзо реаговање као што су снабдевање и проток напајања и потражње потрошача - и дистрибуирано складиштење можда учинили да батерије буду мање потребне од енергије стручњаци су размишљали у прошлости. Са десетинама хиљада малих батерија у аутомобилима, семафорима и другде у граду, електрични апарат би теоретски могао да повуче енергију из ових батерија у време велике потражње и енергију врати купцима неколико сати касније.
Комуналије такође могу покушати да промене када и како људи користе енергију наплаћујући претјеране цене за куповину електричне енергије преко одређеног нивоа током периода велике потражње. Купци ће бити обесхрабрени да стављају велика оптерећења у систем, као што су коришћење великих уређаја или пуњење електричног аутомобила у то време. Као и батерије, таква пракса би умањила кривину производње електричне енергије наметнуте комуналном предузећу.
„Одговор на потражњу играће важну улогу као и складиште“, каже Ранди Ховард, директор за планирање и развој електроенергетског система за Лос Ангелес одељење за воду и енергију.
Ипак, Ховард би волео да батерија донесе комуналним услугама онакав напредак какав су видели произвођачи нафте и гаса. „Сви се надамо да ће у неком тренутку доћи до технолошког скока у батеријама, али то се још није догодило“, каже Ховард. „Ми тражимо да имамо фракинг у свету батерија.“
