Dlaczego baterie stają się ważne?

W świecie, który jest coraz bardziej niespokojny przez zachodzące zmiany klimatyczne, gwałtowny wzrost generowania energii odnawialnej w ciągu ostatnich 20 lat daje poczucie nadziei. Jednak zmienna natura energii wiatrowej i słonecznej oznacza, że magazynowanie energii do momentu, kiedy jej potrzebujemy, stało się kolejnym dużym wyzwaniem. Dlatego też instalacje akumulatorów na dużą skalę pojawiają się w sieciach elektroenergetycznych na całym świecie, aby zwiększyć ich elastyczność. W 2017 r. na całym świecie dodano ponad 1 GW zdolności magazynowania energii - rekord, tak, ale wciąż jest to kropla w oceanie globalnego zapotrzebowania na energię.

Jak działają takie baterie?

Oczywiście nie mówimy tu o kilku bateriach AAA. A jednak wszystkie baterie działają w podobny sposób.

Energia elektryczna jest przekształcana w energię chemiczną podczas ładowania baterii, a następnie proces jest odwracany, gdy czerpiesz z niej energię.

Istnieją trzy główne składniki większości baterii: dwie elektrody i pewna forma ośrodka chemicznego zwana elektrolitem, która może być cieczą, żelem lub ciałem stałym. Aby wytworzyć energię elektryczną, zachodzi reakcja chemiczna, która powoduje, że elektrony przemieszczają się z elektrody ujemnej, zwanej anodą, do elektrody dodatniej, zwanej katodą.

Po naładowaniu akumulatora proces jest odwracany, wysyłając elektrony z powrotem do anody.

Ile jest tych dużych baterii?

W Wielkiej Brytanii zainstalowano około 500 MW mocy baterii na dużą skalę, przy czym liczba ta powinna podwoić się w ciągu trzech lat, według analityków Aurora Energy Research.

Przewiduje się, że globalna moc zainstalowana wzrośnie do 50 GW do 2020 r., A według Bloomberg NEF wzrośnie do prawie 1000 GW do 2040 r. Oznaczałoby to około 7% światowej zdolności energetycznej.

Jak baterie pasują do rewolucji odnawialnych źródeł energii?

W Wielkiej Brytanii instalacje baterii są głównie wdrażane w celu świadczenia usług dla National Grid. Takie pomocnicze usługi są coraz ważniejsze, aby pomóc w dopasowaniu podaży i popytu, ponieważ okresowo dostępna jest coraz większa ilość energii wiatrowej i słonecznej.

Istnieją również początki "hybrydowych" elektrowni wykorzystujących energię odnawialną, w których baterie są instalowane wraz z farmami słonecznymi i farmami wiatrowymi. Jest to szczególnie ważne w ekonomii farm słonecznych, które mogą obniżyć ceny energii około południa, osiągając jednocześnie szczyt. Zamiast natychmiastowo eksportować, gospodarstwa hybrydowe mogą przechowywać energię, by sprzedawać później po wyższych cenach.

W innych częściach świata, takich jak Południowa Australia, baterie są wykorzystywane do zwiększenia odporności sieci i uniknięcia blackoutów. Co najważniejsze, baterie nie są jeszcze odpowiednie i nie mają sensu ekonomicznego w przypadku przechowywania międzysezonowego - czyli przechowywania energii słonecznej latem, aby wypuścić ją w zimie.

Czy w przyszłości wszyscy będziemy mieli duże baterie domowe?

Elon Musk mógł spopularyzować koncepcję baterii domowej, gdy odsłonił wersję Tesli trzy lata temu, ale firma nie była pierwszą i nie jest największą w tej dziedzinie. Takie baterie, które są mniej więcej wielkości kotła gazowego, mogą przechowywać i zwalniać energię elektryczną generowaną przez gospodarstwo domowe lub importowaną z sieci.

Niemiecka firma Sonnen, która ma około 25% udziału w globalnym rynku akumulatorów domowych, twierdzi, że obecnie większość klientów to ludzie, którzy mają panele słoneczne lub mieszkają w regionach dotkniętych huraganami i chcą czystego, niezawodnego źródła zasilania zapasowego. "Rynek wciąż znajduje się w bardzo, bardzo wczesnej fazie", mówi dyrektor generalny Christoph Ostermann. Największe rynki to obecnie Niemcy, Włochy, Australia, oraz w USA: Kalifornia oraz Hawaje.

W przypadku gospodarstw domowych wykorzystujących energię słoneczną bardziej opłaca się przechowywać i zużywać energię, niż płacić za eksportowanie jej do sieci. W przyszłości, gdy pojawi się więcej taryf energetycznych , może być to wystarczająca zachęta do wykorzystania takiej energii, aby uniknąć cen skrajnych.

Jednak dla Ostermanna najbardziej ekscytującą perspektywą jest wykorzystanie tysięcy baterii jako "wirtualnej elektrowni". Opisuje to jako "uberyzację" akumulatorów, których firma nie posiada, ale za zgodą może wzywać. "Nie zagłębiamy się w formę użyteczności, ale wirtualne elektrownie mogą zapewnić znaczną moc", mówi.

Co dalej z samochodami elektrycznymi?

„Po prostu zaczynamy widzieć drugą generację pojazdów zasilanych bateriami” według przedsiębiorcy Henrika Fiskera, producenta samochodów elektrycznych Fisker Automotive. Dostrzega on przystępność cenową i przyzwoity zasięg jako cechy definiujące samochody elektryczne.

Podczas gdy pierwsze modele, z wyjątkiem Tesli, mogą obsługiwać około 100 mil, większość nowych oferuje teraz od 200 do 300 mil. "Widzę, że rynek zacznie rozkwitać około roku 2020 lub 2021, ponieważ będzie większy wybór modeli" - mówi Fisker.

Fisker uważa także, że niezwykle szybkie ładowanie jest niezbędne do wspierania samochodów elektrycznych w głównym nurcie. Podczas gdy w typowym domu zajmie około 8-10 godzin, aby w pełni doładować samochód (z gniazdem 3KW), niektóre nowe publiczne ładowarki mogą to zrobić w około 10 minut (przy użyciu ładowarki 350KW).

A co z innymi środkami transportu?

Elektryczne piętrowe autobusy, budowane przez chińskiego producenta BYD, już kursują na ulicach Londynu. Elon Musk ogłosił plany budowy elektrycznej ciężarówki.

Ale gęstość energii wymagana do ciężkiego transportu sprawia, że baterie z trudem będą mogły pokonać paliwa kopalne. "To zdecydowanie trudniejsze zadanie" - mówi prof. Paul Shearing, dyrektor Royal Academy of Engineering w zakresie nowych technologii akumulatorowych. "Ale myślę, że przyszłość będzie elektryczna, bez względu na to, w jaki sposób to osiągniemy."

Czy wkrótce wszyscy będziemy latać w elektrycznych dżetach? "Jeszcze nie", mówi Shearing, który dodaje, że gęstość energii i waga akumulatorów oznacza, że „prawdopodobnie będą one używane tylko w bezzałogowych statkach powietrznych w krótkim czasie. Myślę, że upłynie dużo czasu, zanim zobaczymy elektryczny pasażerski samolot", mówi.

Jaki jest środowiskowy i społeczny wpływ wytwarzania baterii?

Kluczowym elementem w akumulatorach litowo-jonowych jest kobalt, mimo że producenci próbują zmniejszyć wymaganą ilość. Ponad 60% światowego kobaltu powstaje w Demokratycznej Republice Konga, gdzie wyrażono obawy dotyczące społecznego i środowiskowego wpływu wydobycia metalu.

Lit w bateriach pochodzi głównie z trzech dużych krajów producenckich, Australii, Argentyny i Chile, a także od nowych producentów, takich jak Boliwia, Brazylia, Kanada i Zimbabwe. Zużycie wody i niedobór wody w niektórych krajach producenckich to duży problem. "Istnieją określone problemy etyczne. Duże firmy będą limitowane kosztami" mówi Shearing, „produkcji kobaltu i litu”.

To, co dzieje się z bateriami pod koniec ich życia, jest również dużym wyzwaniem. Dr Jonathan Radcliffe, że szkoły inżynierii chemicznej na Uniwersytecie w Birmingham, martwi się losem akumulatorów, gdyż ich wydajność w dzisiejszych  pojazdach elektrycznych nie jest wystarczająca dla samochodów. Niektóre z nich mają teraz drugie życie jako bateria w domu, ale doktor obawia się, że rynek może być przesycony w ciągu kilku lat, co osłabi finansowe argumenty dotyczące ponownego użycia akumulatorów.

"Istnieje ryzyko, że w Zjednoczonym Królestwie nie ma realnego drugiego użycia i mamy dużą ilość odpadów baterii, bez procesów, które pozwalają sobie z tym poradzić" - mówi.

Co ogranicza pojemność i żywotność baterii?

Im większa i gęstsza bateria, tym więcej energii chemicznej może ona magazynować, a tym samym więcej energii elektrycznej, jaką może wygenerować. Ale większa, gęstsza bateria jest droższa, cięższa, ładuje się dłużej i ma więcej możliwości zniszczenia, jeśli coś pójdzie nie tak.

Chemia i wewnętrzna konstrukcja baterii również odgrywają rolę w ilości energii, którą może przechowywać. Akumulatory na bazie litu są popularne, ponieważ mają stosunkowo wysoki stosunek energii do masy i dobrze utrzymują ładunek, gdy nie są używane.

W większości urządzeń żywotność baterii jest kompromisem między rozmiarem fizycznym, projektem, gęstością energii i bezpieczeństwem, a także efektywnością energetyczną urządzenia, które zasila.

A co z bateriami do telefonów - dlaczego pogarszają się z wiekiem?

Większość akumulatorów może utrzymać pełną pojemność tylko przez skończony czas i liczbę cykli ładowania i rozładowania. Dokładny proces starzenia się akumulatorów jest wciąż gorącym tematem badawczym, ale przy korzystaniu lub przechowywaniu baterii występuje kilka mechanizmów.

Najbardziej powszechnym jest gromadzenie się utlenionego materiału na anodzie, który powoli gromadzi się, gdy bateria jest używana lub przechowywana. Podobne utlenianie może również zachodzić na katodzie, podczas gdy aktywne składniki baterii mogą reagować i z czasem ulegać degradacji. Połączenie tych efektów zmniejsza ilość jonów litu i aktywnego materiału dostępnego do magazynowania energii elektrycznej, zmniejszając w ten sposób maksymalną wydajność.

Wewnętrzna rezystancja akumulatora może się również zwiększać wraz z wiekiem, co oznacza, że szczytowa moc wyjściowa jest niższa, co powoduje problemy w iPhone‘ach.

Co przyspiesza starzenie się baterii?

To, w jaki sposób bateria jest używana i przechowywana, może znacząco wpłynąć na jej starzenie się. Na przykład baterie mogą zostać uszkodzone przez wystawienie ich na ekstremalne temperatury, co jest bardziej problematyczne dla samochodu lub urządzenia podobnego do smartfonu.

Szybki cykl pracy akumulatora również zwiększa zużycie, szczególnie gdy zapotrzebowanie mocy na akumulator jest bardzo wysokie, tak jak ma to miejsce w przypadku samochodów elektrycznych. Ładowanie i używanie baterii w ekstremalnych warunkach przyspiesza jej starzenie, na przykład ładowanie akumulatorów do maksimum i rozładowywanie ich do zera.

Co się stanie, gdy coś pójdzie nie tak?

Bezpieczeństwo zostało rzucone w centrum uwagi, gdy niektóre z baterii wewnątrz Samsung Galaxy Note 7 miały usterkę, która spowodowała ich zwarcie i zapalenie.

Kiedy coś zakłóca reakcję chemiczną wewnątrz akumulatora, może to powodować "termiczną ucieczkę", w której niekontrolowane reakcje łączą się ze sobą, wytwarzając zbyt dużo ciepła, zwykle powodując pęknięcie baterii lub pożar.

Różne mechanizmy bezpieczeństwa, zarówno elektryczne obwody sterujące, jak i środki fizyczne, w tym ekranowanie i konstrukcja baterii, oznaczają, że takie zdarzenia są rzadkie. Są one jednak szczególnie niepokojące w przypadku urządzeń przenośnych, które często trzymane są na osobie, oraz pojazdów elektrycznych, które mogą brać udział w kolizji, kiedy mogłaby zostać naruszona integralność baterii.

Co następne?

Firmy ciężko pracują, aby zwiększyć ilość energii, którą można włożyć do baterii i obniżyć koszty ich wytwarzania.

Przyszłe ceny raczej nie spadną tak szybko, jak w przeszłości, mówi Ostermann, ponieważ redukcje były już i tak bardzo szybkie. Firma Sonnen odnotowała spadek cen z ponad 1000 EUR (905 £) za kilowatogodzinę, kiedy powstała w 2010 r., do około 150-200 EUR za kWh dzisiaj. Ale firma spodziewa się obniżyć też koszty w elektronice, takiej jak falowniki.

Nowe cudowne materiały zajmą trochę czasu, mówi Shearing. "Następne 10 lat nadal będzie zdominowane przez akumulatory litowo-jonowe. Dużo czasu zajęło osiągnięcie tego poziomu produktywności i dojrzałości technologicznej. Bo wszystko, co robimy, zajmuje trochę czasu. "

Według niego, większość innowacji dotyczyć będzie jonów litowych, takich jak poprawa gęstości energii i obniżenie kosztów poprzez zmniejszenie ilości kobaltu w baterii. Szybkość ładowania akumulatorów również ulegnie poprawie, dodaje Shearing.

Radcliffe zgadza się, że akumulator litowo-jonowy będzie nadal dominował. Koszty i wydajność ulegną poprawie, co wynika z powiększania skali produkcji i ciągłych badań.

Baterie będą również wykorzystywane w nowych zastosowaniach. Fisker mówi, że wraz z rozwojem technologii, spodziewa się, że ostatecznie pojawią się na placach budowy, w kopalniach i urządzeniach przemysłowych, zastępując generatory diesla. Będą wdrażane w coraz mniejszych urządzeniach, takich jak implanty medyczne, mówi Shearing.