Батериите са навсякъде. Те са в нашите телефони, в нашите самолети, в автомобили с бензин, дори - в случай на хора с пейсмейкъри или други имплантирани медицински изделия - нашите тела.
Батериите, които наистина ще имат значение в бъдеще, обаче, не са тези, които ще ви помогнат да играете Angry Birds на телефона си в продължение на 12 правилни часа или да стартирате автомобила си в хладна зимна сутрин. Батериите с потенциал да трансформират световната енергийна перспектива ще захранват електрическите превозни средства и ще осигурят съхранение на електропреносната мрежа.
„Ако можете да размахате вълшебна пръчка и да разрешите енергийните проблеми в света, ще трябва да промените само едно нещо: батерии“, казва Ралф Идс, заместник-председател на инвестиционното банкиране Jeffries LLC, която инвестира в нови енергийни технологии.
Проблемът с енергията не е, че нямаме достатъчно от нея; новите технологии като хоризонтално сондиране и хидравлично разрушаване или „фракинг“ наскоро отключиха количества изкопаеми горива, невъобразими само преди десетилетие. Проблемът е, че нашето разчитане на тези изкопаеми горива за по-голямата част от нашата енергия е тежко нездравословно, което води до милиони преждевременни смъртни случаи годишно и променя климата по драстични и непредсказуеми.
Но изкопаемите горива не са популярен източник на енергия само защото са толкова изобилни. Те са популярни, защото могат да съхраняват много енергия в малко пространство. Батериите също съхраняват енергия, но в сравнение на килограм за килограм, те просто не могат да се състезават. Най-лесното място за демонстриране на тази разлика е в кола:
Батерията в хибридната Toyota Prius има около 225 вата часа енергия на килограм. Това е енергийната плътност на акумулатора на автомобила - количеството енергия, което може да се съхранява на единица обем или тегло. Бензинът в този Prius съдържа 6000 вата часа на килограм. Разликата в енергийната плътност между течните петролни горива и дори най-модерните батерии създава сценарий, при който 7200-килограмовият Chevrolet Suburban може да измине 650 мили на резервоар с бензин и изцяло електрически Nissan Leaf, който тежи по-малко от половината повече, има обхват от само около 100 мили.
И въпреки че около 80 процента от автомобилните пътувания на американците изминават по-малко от 40 мили, проучванията на потребителите показват, че шофьорите страдат от „безпокойство в обхвата“. Те искат автомобили, които могат да пътуват по дълги пътни пътувания, както и да пътуват до работа и работа. поръчки из града.
Енергийната плътност остава bête noire на батериите в продължение на 100 години. Всеки път, когато се появи нова технология или дизайн, който увеличава енергийната плътност, страда друг важен аспект от работата на батерията - да речем, стабилността при висока температура или броя пъти, когато тя може да бъде източена и презаредена. И когато един от тези аспекти се подобри, енергийната плътност страда.
Технологията с литиево-железен фосфат е добър пример. Тези батерии от китайския производител BYD се използват широко както в електрически, така и в хибридни превозни средства в Южен Китай. Те се зареждат по-бързо от литиево-йонните батерии, които са често срещани в други електрически превозни средства, като Leaf, но те са по-малко енергийни.
Друг високо ценен аспект при дизайна на батерията е колко пъти батериите могат да се зареждат и изтощават, без да губят способността си да съхраняват енергия. Никел-метални хидриди или NiMH батерии, които са работен кон за хибридни превозни средства, включително Prius и Ford Escape хибрид повече от десетилетие, се справят добре в тази категория. Тед Дж. Милър, който работи по усъвършенстваната технология на батериите за Ford Motor Company, казва, че Ford е извадил батериите от хибридите Escape, които се използват за 260 000 мили таксиметрови услуги в Сан Франциско и е установил, че те все още имат 85 процента от първоначалната си мощност, Тази издръжливост е предимство, но за чисто електрическите превозни средства, NiMH батериите са много по-тежки за същото количество енергия, съхранявано от литиево-йонна батерия; допълнителното тегло понижава гамата на автомобила. Батериите на NiMH също са токсични - така че не ги забивайте в кошчето за отпадъци, когато им остане сок - те трябва да бъдат рециклирани. И тъй като никелът може да бъде по-оскъден в бъдеще от литиевите, тези батерии могат да струват по-скъпо.
Литиево-йонните полимерни батерии имат малко по-висока енергийна плътност в сравнение с обикновените литиево-йонни версии - прототип на автомобила Audi измина 372 мили с едно зареждане - но те не могат да се зареждат и изчерпват толкова пъти, така че имат по-малка издръжливост.
Заслужава да се помни, че въпреки тези ограничения, батериите, предназначени за захранване на автомобили, изминаха дълъг път за сравнително кратък период от време - само преди 40 години, акумулатор с по-малко от половината от енергийната плътност на тези, намиращи се в днешните хибриди и електрически превозни средства смятан за екзотична мечта - и те са длъжни да се подобрят допълнително. „Виждаме ясен път към удвояване на капацитета на батерията“, казва Милър на Ford. „Това е без промяна на технологията драстично, но подобряване на процеса, така че имаме висококачествени автомобилни батерии със същото енергийно съдържание, каквото откриваме днес на преносимите устройства.“
Такава батерия за изцяло електрически превозни средства би трансформирала транспорта, правейки го много по-щадящ климата. Транспортът представлява около 27 процента от емисиите на парникови газове в САЩ и около 14 процента от световните емисии. Деветдесет и пет процента от пътническите превозни средства в САЩ се движат с петрол. Ако тези автомобили и камиони могат да бъдат заменени с електрически превозни средства, ако това значително ще намали замърсяването, дори ако електричеството продължава да идва главно от въглища, установи Министерството на енергетиката. Това е така, защото двигателите с вътрешно горене са толкова неефективни, губят до 80 процента от енергията в горивото си за отопление, докато електромоторите влагат почти цялата си енергия за задвижване на автомобила.
Батериите могат да играят роля за промяна на източника на електричество, както и чрез съхраняване на енергия, произведена от възобновяеми източници като вятър и слънчева енергия. Тъй като комуналните услуги увеличават процента на електроенергия, която произвеждат от тези източници, водещият принцип е, че електроцентралите, работещи с природен газ, биха били необходими за задоволяване на търсенето, когато вятърните турбини и фотоволтаичните клетки не произвеждат. Ако излишната енергия от възобновяеми източници, произведена, когато търсенето е ниско, може да бъде прехвърлена към батерия, съхранявана без значителни загуби и изтичане бързо, когато търсенето се повиши - и ако системата е достатъчно евтина - това ще премахне необходимостта и от двете въглищни централи за възобновяеми източници заместват и инсталациите за природен газ, които се считат за съществени за придружаване на вятър и слънчева енергия.
„Батериите с голям обем, които могат да изместят енергията във времето, биха били смяна на играта, “ казва Питър Ротщайн, президент на New England Council Clean Energy.
Батериите, които съхраняват енергия за мрежата, имат различни изисквания от тези, които влизат в автомобилите, тъй като превозните средства изискват сравнително компактни батерии, които могат да прехвърлят енергията си почти мигновено. Така че технологиите, които не работят добре за захранване на електрически превозни средства, могат да бъдат чудесни за съхраняване на енергия за мрежата.
Литиево-въздушните батерии, сравнително нова технология, която предизвика много вълнение, могат да имат по-голяма енергийна плътност от съществуващите литиеви батерии, но те осигуряват много по-малко мощност, която би била необходима за ускоряване на автомобила, казва Милър на Ford. „Ако имате нужда от 120 киловата мощност, с литиеви въздух може да са ви необходими 80 до 100 киловатчасова енергия на батерията, за да отговорите на това изискване“, обяснява Милър. „Това е много тромава, много голяма батерия.“ В автомобила няма да работи добре - Ford Focus EV, за сравнение, използва малко над 100 киловата мощност с 23 киловатчасова батерия - но може и когато седим до вятърна ферма.
Ванадийните поточни батерии, друго обещаващо развитие, също имат висока енергийна плътност и имат бързо време за разреждане, което ги прави идеални за съхранение. Това е приложението, за което Рон Макдоналд, главен изпълнителен директор на американския ванадий, ги хвърля. „Има много добри възможности за съхранение, но всеки има проблем“, признава Макдоналд. „Нашата емисия винаги е била първоначална цена, тъй като сме по-скъпи.” Батерията с ванадий-дебит може да издържи 20 години, „така че ние сме под повечето други, ако разгледате разходите за живота на батерията“, той казва.
Но развитието на така наречената „интелигентна“ мрежа - която ще използва усъвършенствани алгоритми и комуникационни технологии, за да реагира бързо, когато захранването и потреблението на потребителите се вливат и поток - и разпределеното съхранение може би направи по-гъсто енергийните батерии по-малко необходими, отколкото експерти са мислили в миналото. С десетки хиляди малки батерии в автомобили, светофари и на други места в града, електрическата инсталация теоретично би могла да изтощи енергия от тези батерии по време на голямо търсене и да върне енергията на клиентите няколко часа по-късно.
Комуналните услуги могат също да се опитат да променят кога и как хората използват енергия, като таксуват прекомерни цени за покупка на електроенергия над определено ниво по време на периоди на голямо търсене. Клиентите ще бъдат обезкуражени да поставят високи натоварвания в системата, като например да работят с големи уреди или да зареждат електромобила си през това време. Подобно на батериите, подобни практики биха изравнили кривата на нуждите от производство на електроенергия, наложени на комуналната компания.
„Реакцията на търсенето ще играе толкова важна роля, колкото и съхранението“, казва Ранди Хауърд, директор на планирането и развитието на електроенергийните системи за Лос Анджелисския отдел за водни и енергийни ресурси.
Независимо от това, Хауърд би искал да види, че акумулаторът довежда до комунални услуги типа на аванса, който са виждали производителите на нефт и газ. „Всички се надяваме, че в един момент ще има технологичен скок в батериите, но това все още не се е случило“, казва Хауърд. „Търсим нашето разбиране в света на батериите.“
