Baterie jsou všude. Jsou v našich telefonech, našich letadlech, našich benzínových autech, dokonce - v případě lidí s kardiostimulátorem nebo jiným implantovaným lékařským zařízením - v našich tělech.
Baterie, na nichž v budoucnu opravdu záleží, však nejsou ty, které vám pomohou hrát Angry Birds na telefonu po dobu 12 hodin nebo nastartovat vozidlo v chladné zimní ráno. Baterie s potenciálem změnit světový energetický výhled budou pohánět elektrická vozidla a poskytují úložiště pro elektrickou síť.
"Pokud byste mohli zamávat kouzelnou hůlkou a vyřešit světové energetické problémy, musíte změnit pouze jednu věc: baterie, " říká Ralph Eads, viceprezident investiční bankovní společnosti Jeffries LLC, která investuje do nových energetických technologií.
Problém s energií není v tom, že toho nemáme dost; nové technologie, jako je horizontální vrtání a hydraulické štěpení nebo „štěpení“, nedávno odemkly množství fosilních paliv nepředstavitelné teprve před deseti lety. Problém je v tom, že naše závislost na těchto fosilních palivech pro většinu naší energie je vážně nezdravá, způsobuje každoročně miliony předčasných úmrtí a mění klima tak drasticky, jako nepředvídatelně.
Ale fosilní paliva nejsou populárním zdrojem energie jen proto, že jsou tak hojná. Jsou populární, protože mohou ukládat hodně energie v malém množství prostoru. Baterie také ukládají energii, ale ve srovnání libra za libru prostě nemohou konkurovat. Nejjednodušší místo k prokázání tohoto rozdílu je v autě:
Baterie v hybridním vozidle Toyota Prius má kolem 225 watt-hodin energie na libru. To je hustota energie automobilové baterie - množství energie, které lze uložit na jednotku objemu nebo hmotnosti. Benzín v tomto Priusu obsahuje 6 000 watt-hodin za libru. Rozdíl v hustotě energie mezi kapalnými ropnými palivy a dokonce i nejpokrokovějšími bateriemi vytváří scénář, ve kterém 7 200 liber Chevrolet Suburban může ujet 650 kilometrů za nádrž na plyn a celoelektrický list Nissan, který váží méně než polovinu tolik, má dosah jen asi 100 mil.
A přestože kolem 80 procent amerických automobilů jezdí méně než 40 mil, průzkumy spotřebitelů prokázaly, že řidiči trpí „úzkostí v dojezdu“. Chtějí, aby auta, která jsou schopna vyrazit na dlouhé cesty, dojížděla za prací a do práce pochůzky po městě.
Hustota energie zůstala bête noire baterií po dobu 100 let. Kdykoli přijde nová technologie nebo design, který zvyšuje hustotu energie, trpí další klíčový aspekt výkonu baterie - řekněme stabilita při vysoké teplotě nebo počet dobití a dobití -. A když se jeden z těchto aspektů zlepší, hustota energie trpí.
Dobrým příkladem je technologie lithium-železo-fosfát. Tyto baterie od čínského výrobce BYD jsou široce používány v elektrických i hybridních vozidlech v jižní Číně. Nabíjejí se rychleji než lithium-iontové baterie, které jsou běžné u jiných elektrických vozidel, jako je Leaf, ale jsou méně energeticky náročné.
Dalším vysoce cenným aspektem při konstrukci baterií je kolikrát lze baterie nabít a vybít, aniž by došlo ke ztrátě jejich schopnosti ukládat energii. Nikl-metal hydridové, nebo NiMH, baterie, které byly pracovním koňem pro hybridní vozidla včetně hybridů Prius a Ford Escape již více než deset let, se v této kategorii daří. Ted J. Miller, který pracuje na pokročilé technologii baterií pro společnost Ford Motor Company, říká, že Ford vytáhl baterie z hybridů Escape v provozu za 260 000 mil taxislužby v San Franciscu a zjistil, že stále mají 85 procent své původní energetické schopnosti. . Tato trvanlivost je výhodou, ale u čistě elektrických vozidel jsou NiMH baterie mnohem těžší pro stejné množství energie uložené lithium-iontovou baterií; zvýšená hmotnost snižuje dosah vozidla. Baterie NiMH jsou také toxické - takže je nelze vyhazovat do koše, když jim dojde šťáva - musí být recyklovány. A protože nikl může být v budoucnu vzácnější než lithium, mohly by být tyto baterie dražší.
Lithium-iontové polymerové baterie mají o něco vyšší hustotu energie než běžné lithium-iontové verze - prototyp vozu Audi uběhl 372 mil na jedno nabití - ale nemohou být nabíjeny a vybíjeny tolikrát, takže mají menší výdrž.
Je třeba si uvědomit, že navzdory těmto omezením, baterie určené k pohonu automobilů prošly dlouhou cestu v relativně krátkém časovém období - právě před 40 lety byla baterie s méně než poloviční hustotou energie než u dnešních hybridů a elektrických vozidel. považován za exotický sen - a musí se dále zlepšovat. "Vidíme jasnou cestu ke zdvojnásobení kapacity baterie, " říká Ford's Miller. "To je bez změny technologie dramaticky, ale zlepšení procesu, takže máme vysoce kvalitní automobilové baterie se stejným energetickým obsahem, jaký dnes najdeme na přenosných zařízeních."
Taková baterie pro všechna elektrická vozidla by přepravu změnila, což by bylo mnohem šetrnější k klimatu. Doprava představuje asi 27 procent emisí skleníkových plynů v USA a asi 14 procent celosvětových emisí. Devadesát pět procent amerických osobních vozidel jezdí na ropu. Pokud by tyto automobily a nákladní automobily mohly být nahrazeny elektrickými vozidly, pokud by se výrazně snížilo znečištění, i kdyby elektřina nadále pocházela hlavně z uhlí, zjistilo Ministerstvo energetiky. Je to proto, že motory s vnitřním spalováním jsou tak neúčinné, ztrácí až 80 procent energie ve svém palivu na teplo, zatímco elektromotory vkládají téměř veškerou energii do pohonu vozidla.
Baterie mohou také hrát roli při změně zdroje naší elektřiny tím, že ukládají energii vyrobenou z obnovitelných zdrojů, jako je vítr a sluneční energie. Protože veřejné služby zvýšily procento elektřiny, kterou vyrábějí z těchto zdrojů, hlavní zásadou bylo, že elektrárny na zemní plyn by byly nezbytné k uspokojení poptávky, když se větrné turbíny a fotovoltaické články nevyrábějí. Pokud by přebytek obnovitelné energie vyrobené při nízké poptávce mohl být převeden na baterii, uložen bez výrazných ztrát a rychle vypuštěn, když by poptávka vzrostla - a pokud by byl systém dostatečně levný - vyloučilo by to potřebu obou obnovitelných zdrojů energie spalujících uhlí nahradit a zařízení na výrobu zemního plynu považována za nezbytná pro doprovod větru a sluneční energie.
„Velkokapacitní baterie, které dokážou časově posunout energii, by byly změnou hry, “ říká Peter Rothstein, prezident Rady pro novou energii v Anglii.
Baterie, které ukládají energii do sítě, mají odlišné požadavky než baterie, které jezdí do automobilů, protože vozidla vyžadují relativně kompaktní baterie, které mohou téměř okamžitě přenášet svou energii. Takže technologie, které nefungují dobře pro napájení elektrických vozidel, mohou být skvělé při ukládání energie do sítě.
Lithium-vzduchové baterie, relativně nová technologie, která vyvolala velké vzrušení, mohou mít větší energetickou hustotu než stávající lithiové baterie, ale poskytují mnohem méně energie, která by byla potřebná pro zrychlení vozidla, říká Ford Miller. "Pokud potřebujete výkon 120 kilowattů, s lithium-vzduchem budete možná potřebovat 80 až 100 kilowatthodin energie baterie, abyste splnili tento požadavek, " vysvětluje Miller. "To je velmi těžkopádná, velmi velká baterie." V autě by to nefungovalo dobře - Ford Focus EV ve srovnání s tím používá trochu více než 100 kilowattů energie s 23 kilowatthodinovou baterií - ale mohlo by to když sedí vedle větrné farmy.
Průtokové baterie Vanadium, další slibný vývoj, mají také vysokou hustotu energie a mají rychlý výboj, díky nimž jsou ideální pro skladování. To je aplikace, pro kterou je hodí Ron MacDonald, generální ředitel American Vanadium. "Existuje spousta dobrých možností úložiště, ale každý má problém, " připouští MacDonald. "Náš problém byl vždy počáteční náklady, protože jsme dražší." Baterie s průtokem vanadia však může vydržet 20 let, "takže pokud se podíváte na náklady po celou dobu životnosti baterie, jsme pod úrovní většiny ostatních, " on říká.
Ale vývoj takzvané „inteligentní“ sítě - která bude využívat pokročilé algoritmy a komunikační technologie, aby rychle reagovala, protože napájení a poptávka spotřebitelů odliv a tok - a distribuované úložiště možná učinilo více energeticky náročných baterií méně potřebnými než experti mysleli v minulosti. S desítkami tisíc malých baterií v autech, semaforech a kdekoli jinde ve městě mohla elektrická společnost teoreticky odebrat energii z těchto baterií v době vysoké poptávky a energii vrátit zákazníkům o několik hodin později.
Veřejné služby se mohou také pokusit změnit, kdy a jak lidé využívají energii nabíjením nadměrných sazeb za nákup elektřiny na určité úrovni během období vysoké poptávky. Během této doby budou zákazníci odrazováni od toho, aby na systém kladli vysoké zatížení, například provozováním velkých spotřebičů nebo nabíjením jejich elektrického automobilu. Stejně jako u baterií by tyto praktiky vyrovnaly křivku potřeb výroby elektřiny, které jsou na elektřinu kladeny.
"Reakce na poptávku bude hrát stejně důležitou roli jako skladování, " říká Randy Howard, ředitel plánování a vývoje energetických systémů pro Los Angeles Department of Water & Power.
Howard by nicméně rád viděl, jak baterie přinesou energetickým společnostem takový pokrok, jaký zaznamenali výrobci ropy a plynu. "Všichni doufáme, že v určitém okamžiku dojde k technologickému skoku v bateriích, ale to se ještě nestalo, " říká Howard. "Hledáme svlékání ve světě baterií."
