Baterije so povsod. So v naših telefonih, letalih, avtomobilih na bencin, tudi pri ljudeh s srčnimi spodbujevalniki ali drugimi implantiranimi medicinskimi pripomočki.
Vendar baterije, ki bodo resnično pomembne v prihodnosti, niso tiste, ki vam bodo pomagale igrati Angry Birds v telefonu 12 zaporednih ur ali zagnati svoje vozilo ob hladnem zimskem jutru. Akumulatorji, ki lahko preoblikujejo energetski izgled sveta, bodo napajali električna vozila in zagotovili shranjevanje električnega omrežja.
"Če bi lahko mahnili z magično palico in rešili svetovne energetske težave, bi morali spremeniti le eno stvar: baterije, " pravi Ralph Eads, podpredsednik investicijskega bančnega podjetja Jeffries LLC, ki vlaga v nove energetske tehnologije.
Problem z energijo ni v tem, da je nimamo dovolj; nove tehnologije, kot so horizontalno vrtanje in hidravlično lomljenje, ali "fracking", so pred kratkim pred desetletjem odklenile količine fosilnih goriv, ki jih ni bilo mogoče predstavljati. Težava je v tem, da je naša odvisnost od teh fosilnih goriv za večino naše energije močno nezdrava, kar povzroči milijone prezgodnjih smrti letno in spremeni podnebje na drastičen in nepredvidljiv način.
Vendar fosilna goriva niso priljubljen vir energije samo zato, ker jih je tako veliko. Priljubljeni so, ker lahko v majhni količini prostora shranijo veliko energije. Baterije shranjujejo tudi energijo, vendar v primerjavi s kilogramom za kilogram preprosto ne morejo tekmovati. Najlažje je to razliko pokazati v avtomobilu:
Akumulator v hibridni Toyoti Prius ima približno 225 vatnih ur energije na kilogram. To je gostota energije avtomobilske baterije - količina energije, ki jo lahko shranimo na enoto prostornine ali teže. Bencin v tem Priusu vsebuje 6000 vatnih ur na funt. Razlika v gostoti energije med tekočimi naftnimi gorivi in celo najnaprednejšimi baterijami ustvarja scenarij, v katerem lahko 7.200 kilogramov Chevrolet Suburban v rezervoarju s plinom in v celoti električnim Nissan Leafom prevozi 650 milj, ki tehtajo manj kot polovico, ima doseg le približno 100 milj.
In čeprav približno 80 odstotkov avtomobilov Američanov vozi manj kot 40 milj, raziskovanje potrošnikov kaže, da vozniki trpijo zaradi "tesnobe v območju dosega". Želijo si, da bi avtomobili lahko vozili na dolga potovanja in vozili v službo. naloge po mestu.
Energetska gostota je več kot 100 let baterijska baterija. Kadarkoli pride do nove tehnologije ali zasnove, ki poveča gostoto energije, trpi še en pomemben vidik delovanja baterije - recimo stabilnost pri visoki temperaturi ali kolikokrat jo lahko izpraznite in napolnite. In ko se eden od teh vidikov izboljša, izgubi energijo.
Tehnologija litij-železovega fosfata je dober primer. Te baterije iz kitajskega proizvajalca BYD se pogosto uporabljajo tako v električnih kot v hibridnih vozilih na jugu Kitajske. Napolnijo se hitreje kot litij-ionske baterije, ki so običajne pri drugih električnih vozilih, kot je Leaf, vendar so manj energijske.
Drug zelo cenjen vidik pri oblikovanju baterij je, kolikokrat lahko baterije napolnite in izpraznite, ne da bi pri tem izgubili sposobnost shranjevanja energije. Nikelj-kovin hidrid ali NiMH baterije, ki so že več kot desetletje delovna konja hibridnih vozil, vključno s Priusom in Fordovim hibridom Escape, so v tej kategoriji dobro. Ted J. Miller, ki deluje pri napredni tehnologiji baterij za Ford Motor Company, pravi, da je Ford potegnil baterije iz hibridov Escape, ki so jih uporabljali za 260.000 milj taksi službe v San Franciscu, in ugotovil, da imajo še vedno 85 odstotkov svoje prvotne zmogljivosti . Ta vzdržljivost je prednost, pri čisto električnih vozilih pa so NiMH baterije veliko težje za enako količino energije, ki jo shrani litij-ionska baterija; dodatna teža zmanjša domet vozila. Tudi baterije NiMH so strupene - zato jih ne smete vreči v koš za smeti, ko jim zmanjka soka - jih je treba reciklirati. In ker je nikelj v prihodnosti morda bolj majhen kot litij, bi te baterije lahko postale dražje.
Litij-ionske polimerne baterije imajo nekoliko večjo energijsko gostoto kot običajne litij-ionske različice - prototipno vozilo Audi je z enim polnjenjem prehodilo 372 milj - vendar jih ni mogoče večkrat napolniti in izčrpati, zato imajo manjšo vzdržljivost.
Velja spomniti, da so kljub tem omejitvam baterije, namenjene za pogon avtomobilov, v razmeroma kratkem času daleč daleč - pred samo 40 leti je bila baterija z manj kot polovico energijske gostote tistih, ki jih najdemo v današnjih hibridih in električnih vozilih velja za eksotično sanje - in še naprej se bodo morale izboljšati. "Vidimo jasno pot do podvojitve zmogljivosti baterije, " pravi Fordov Miller. "To je brez dramatične spremembe tehnologije, ampak izboljšanje procesa, zato imamo visokokakovostne avtomobilske baterije z enako vsebnostjo energije, kot jih danes najdemo na prenosnih napravah."
Takšna baterija za povsem električna vozila bi preoblikovala prevoz, zaradi česar bi bila veliko bolj prijazna do podnebja. Prevoz predstavlja približno 27 odstotkov emisij toplogrednih plinov v ZDA in okoli 14 odstotkov svetovnih emisij. Petindvajset odstotkov ameriških osebnih vozil vozi na nafto. Če bi te avtomobile in tovornjake lahko zamenjali z električnimi vozili, če bi znatno zmanjšali onesnaževanje, tudi če bi električna energija še naprej prihajala predvsem iz premoga, je ugotovilo ministrstvo za energijo. To je zato, ker so motorji z notranjim zgorevanjem tako neučinkoviti, da izgubijo kar 80 odstotkov energije v svojem gorivu za ogrevanje, medtem ko električni motorji vložijo skoraj vso svojo energijo za pogon vozila.
Baterije lahko igrajo vlogo pri spreminjanju vira naše električne energije, pa tudi tako, da shranjujemo energijo, proizvedeno iz obnovljivih virov, kot sta veter in sonce. Ko so komunalne storitve povečale odstotek električne energije, ki jo proizvedejo iz teh virov, je vodilno načelo, da bodo elektrarne na zemeljski plin potrebne za zadovoljitev povpraševanja, kadar vetrne turbine in fotovoltaične celice ne proizvajajo. Če bi presežek obnovljive energije, proizvedene, ko je povpraševanje majhno, mogoče prenesti na baterijo, jo shraniti brez večjih izgub in jo hitro izprazniti, ko povpraševanje narašča - in če bi bil sistem dovolj poceni - bi odpravili potrebo po obema obnovljivih virov energije nadomestiti, in elektrarne na zemeljski plin, ki se štejejo za nujno, da spremljajo veter in sonce.
"Akumulatorji z veliko prostornino, ki lahko preusmerijo energijo, bi spreminjali igre, " pravi Peter Rothstein, predsednik New England Clean Energy Council.
Baterije, ki hranijo energijo za omrežje, imajo drugačne zahteve kot tiste, ki gredo v avtomobile, saj vozila potrebujejo relativno kompaktne baterije, ki lahko svojo energijo prenesejo skoraj v trenutku. Zato so tehnologije, ki ne delujejo dobro za napajanje električnih vozil, odlične za shranjevanje energije za omrežje.
Litijeve zračne baterije, sorazmerno nova tehnologija, ki je vzbudila veliko navdušenja, imajo lahko večjo energijsko gostoto kot obstoječe litijeve baterije, vendar zagotavljajo veliko manj energije, ki bi bila potrebna za pospešitev vozila, pravi Fordov Miller. "Če potrebujete 120 kilovatov moči, lahko z litij-zrakom potrebujete 80 do 100 kilovatnih ur energije za izpolnitev te zahteve, " razlaga Millerjeva. "To je zelo okorna, zelo velika baterija." V avtomobilu ne bi delovalo dobro - Ford Focus EV za primerjavo z energijo porabi nekaj več kot 100 kilovatov z 23-kilovatno baterijo na uro - a morda ko sedi zraven vetrnice.
Vanadijeve akumulatorje, še en obetaven razvoj, imajo tudi visoko energijsko gostoto in imajo hiter čas praznjenja, zaradi česar so idealne za shranjevanje. To je aplikacija, za katero jih postavlja Ron MacDonald, izvršni direktor ameriškega Vanadija. "Obstaja veliko dobrih možnosti za shranjevanje, vendar ima vsaka težavo, " priznava MacDonald. "Naša težava je bila vedno vnaprejšnja cena, ker smo dražji." Baterija s pretokom vanadija lahko traja 20 let, "torej smo pod večino drugih, če pogledate na ceno življenjske dobe baterije." on reče.
Toda razvoj tako imenovanega "pametnega" omrežja - ki bo z naprednimi algoritmi in komunikacijsko tehnologijo hitro odzival, ko se bo poraba električne energije in povpraševanja potrošnikov zmanjšal in pretočil - in porazdeljeno shranjevanje morda naredilo bolj energetsko goste baterije, kot manj potrebne strokovnjaki so razmišljali v preteklosti. Z več deset tisoč majhnimi baterijami v avtomobilih, semaforjih in drugod po mestu bi lahko električni uporabnik teoretično v času velikega povpraševanja izvlekel električno energijo iz teh baterij in kupcem vrnil energijo nekaj ur kasneje.
Javne gospodarske službe lahko tudi poskušajo spremeniti, kdaj in kako ljudje porabljajo energijo tako, da v obdobjih velikega povpraševanja zaračunajo previsoke cene za nakup električne energije na določeni ravni. Kupci bodo v tem času odvrnjeni od postavljanja velikih obremenitev v sistem, na primer z upravljanjem velikih naprav ali polnjenjem električnega avtomobila. Tako kot baterije bi tudi takšne prakse zmanjšale krivuljo proizvodnje električne energije, naložene komunalnemu podjetju.
"Odziv na povpraševanje bo imel enako pomembno vlogo kot skladišče, " pravi Randy Howard, direktor za načrtovanje in razvoj elektroenergetskih sistemov za losangeleški oddelek za vodo in energijo.
Kljub temu pa bi Howard rad videl, da bi akumulatorji pripomogli k komunalnim storitvam, kot jih imajo proizvajalci nafte in plina. "Vsi upamo, da bo v nekem trenutku prišlo do tehnološkega skoka v baterijah, vendar se to še ni zgodilo, " pravi Howard. "V svetu baterij iščemo svojo povezavo."
