Οι μπαταρίες είναι παντού. Βρίσκονται στα τηλέφωνα μας, στα αεροπλάνα μας, στα βενζινοκίνητα αυτοκίνητά μας, ακόμη και στην περίπτωση ανθρώπων με βηματοδότη ή άλλων εμφυτευμένων ιατρικών συσκευών, το σώμα μας.
Ωστόσο, οι μπαταρίες που πρόκειται πραγματικά να έχουν σημασία στο μέλλον, δεν είναι αυτές που θα σας βοηθήσουν να παίξετε Angry Birds στο τηλέφωνό σας για 12 ώρες κατ 'ευθείαν ή να ξεκινήσετε το όχημά σας σε ένα δροσερό χειμώνα το πρωί. Οι μπαταρίες που έχουν τη δυνατότητα να μετασχηματίζουν τις ενεργειακές προοπτικές του κόσμου θα τροφοδοτούν ηλεκτρικά οχήματα και θα παρέχουν αποθήκευση για το ηλεκτρικό δίκτυο.
"Αν μπορούσατε να ρεύσετε ένα μαγικό ραβδί και να λύσετε τα ενεργειακά προβλήματα του κόσμου, θα έπρεπε μόνο να αλλάξετε ένα πράγμα: μπαταρίες", λέει ο Ralph Eads, αντιπρόεδρος της εταιρείας επενδύσεων τράπεζα Jeffries LLC, η οποία επενδύει σε νέες ενεργειακές τεχνολογίες.
Το πρόβλημα με την ενέργεια δεν είναι ότι δεν το έχουμε αρκετό. νέες τεχνολογίες, όπως η οριζόντια διάτρηση και η υδραυλική ρωγμάτωση, ή "fracking", έχουν ξεκλειδώσει πρόσφατα τις ποσότητες ορυκτών καυσίμων που είναι αδιανόητες μόλις πριν από μια δεκαετία. Το πρόβλημα είναι ότι η εξάρτησή μας από τα ορυκτά καύσιμα για την πλειοψηφία της ενέργειας μας είναι σοβαρά ανθυγιεινή, προκαλώντας εκατομμύρια πρόωρους θανάτους ετησίως και μεταβάλλοντας το κλίμα τόσο δραστικά όσο και απρόβλεπτα.
Αλλά τα ορυκτά καύσιμα δεν είναι μια δημοφιλής πηγή ενέργειας μόνο και μόνο επειδή είναι τόσο άφθονα. Είναι δημοφιλείς επειδή μπορούν να αποθηκεύουν πολλή ενέργεια σε ένα μικρό χώρο. Οι μπαταρίες αποθηκεύουν επίσης ενέργεια, αλλά σε σύγκριση με λίρες για λίβρα, απλά δεν μπορούν να ανταγωνιστούν. Το πιο εύκολο μέρος για να επιδείξετε αυτή τη διαφορά είναι σε ένα αυτοκίνητο:
Η μπαταρία στο υβριδικό Toyota Prius έχει περίπου 225 watt-ώρες ενέργειας ανά λίβρα. Αυτή είναι η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας αυτοκινήτου - η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα όγκου ή βάρους. Η βενζίνη σε αυτό το Prius περιέχει 6.000 watt-ώρες ανά λίβρα. Η διαφορά ενεργειακής πυκνότητας μεταξύ των υγρών καυσίμων πετρελαίου και ακόμη και των πιο προηγμένων μπαταριών δημιουργεί ένα σενάριο στο οποίο ένα Chevrolet Suburban των 7.200 λιρών μπορεί να περάσει 650 μίλια σε δεξαμενή αερίου και ένα ηλεκτρικό Nissan Leaf, το οποίο ζυγίζει λιγότερο από το μισό, έχει εύρος μόνο των 100 μιλίων.
Και παρόλο που περίπου 80 τοις εκατό των ταξιδιών αυτοκινήτων των Αμερικανών ξεπερνούν τα 40 μίλια, η έρευνα των καταναλωτών έδειξε ότι οι οδηγοί πάσχουν από «άγχος της σειράς». Επιθυμούν τα αυτοκίνητα που μπορούν να πάνε σε μακριές οδικές μετακινήσεις, επαγγέλματα γύρω από την πόλη.
Η ενεργειακή πυκνότητα παρέμεινε το bête noire των μπαταριών για 100 χρόνια. Κάθε φορά που μια νέα τεχνολογία ή σχεδίαση έρχεται μαζί που αυξάνει την ενεργειακή πυκνότητα, μια άλλη κρίσιμη πτυχή της απόδοσης της μπαταρίας - ας πούμε, η σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία, ή ο αριθμός των φορών που μπορεί να αποστραγγιστεί και να επαναφορτιστεί - υποφέρει. Και όταν μία από αυτές τις πτυχές βελτιωθεί, η πυκνότητα της ενέργειας υποφέρει.
Η τεχνολογία φωσφορικού λιθίου-σιδήρου είναι ένα καλό παράδειγμα. Αυτές οι μπαταρίες, από την κινεζική κατασκευαστή BYD, χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο σε ηλεκτρικά όσο και σε υβριδικά οχήματα στη νότια Κίνα. Φορτίζουν πιο γρήγορα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου που είναι συνηθισμένες σε άλλα ηλεκτρικά οχήματα, όπως το Leaf, αλλά είναι λιγότερο πυκνά σε ενέργεια.
Μια άλλη πολύτιμη πτυχή στο σχεδιασμό της μπαταρίας είναι πόσες φορές οι μπαταρίες μπορούν να φορτιστούν και να αποστραγγιστούν χωρίς να χάσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν ενέργεια. Οι μπαταρίες νικελίου-μετάλλου ή NiMH, οι οποίες υπήρξαν ο κινητήριος μοχλός για υβριδικά οχήματα, συμπεριλαμβανομένων των υβριδίων Prius και Ford Escape για περισσότερο από μια δεκαετία, είναι καλά σε αυτή την κατηγορία. Ο Ted J. Miller, ο οποίος εργάζεται στην προηγμένη τεχνολογία μπαταριών για τη Ford Motor Company, λέει ότι η Ford έχει βγάλει τις μπαταρίες από τα υβρίδια Escape που χρησιμοποιούνται για 260.000 μίλια υπηρεσία ταξί στο Σαν Φρανσίσκο και διαπίστωσε ότι εξακολουθούν να έχουν το 85 τοις εκατό της αρχικής ισχύος τους . Αυτή η ανθεκτικότητα είναι ένα πλεονέκτημα, αλλά για καθαρά ηλεκτρικά οχήματα, οι μπαταρίες NiMH είναι πολύ πιο βαρύ για την ίδια ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται από μια μπαταρία ιόντων λιθίου. το επιπλέον βάρος μειώνει την εμβέλεια του οχήματος. Οι μπαταρίες NiMH είναι επίσης τοξικές - οπότε δεν τους τσαλακώνουν στο κάδο απορριμμάτων όταν χάνουν χυμό - πρέπει να ανακυκλωθούν. Και επειδή το νικέλιο μπορεί να είναι πιο σπάνιο στο μέλλον από το λίθιο, αυτές οι μπαταρίες θα μπορούσαν να πάρουν πιο ακριβά.
Οι μπαταρίες πολυμερών ιόντων λιθίου έχουν ελαφρώς υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τις κανονικές εκδόσεις ιόντων λιθίου - ένα πρωτότυπο όχημα Audi πήγε 372 μίλια με μία μόνο φόρτιση - αλλά δεν μπορούν να φορτιστούν και να εξαντληθούν πολλές φορές, έτσι ώστε να έχουν λιγότερη αντοχή.
Αξίζει να θυμηθούμε ότι, παρά τους περιορισμούς αυτούς, οι μπαταρίες που σχεδιάστηκαν για την αυτοκινητοβιομηχανία έχουν προχωρήσει πολύ σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα - μόλις πριν από 40 χρόνια, μια μπαταρία με λιγότερη από τη μισή ενεργειακή πυκνότητα εκείνων που βρέθηκαν στα σημερινά υβρίδια και τα ηλεκτρικά οχήματα θεωρούνται ένα εξωτικό όνειρο - και είναι βέβαιο ότι θα βελτιώσουν περαιτέρω. "Βλέπουμε ένα σαφές μονοπάτι για τον διπλασιασμό των δυνατοτήτων των μπαταριών", λέει ο Μίλερ της Ford. "Αυτό δεν αλλάζει δραματικά η τεχνολογία, αλλά βελτιώνει τη διαδικασία, ώστε να έχουμε υψηλής ποιότητας μπαταρίες αυτοκινήτου με το ίδιο ενεργειακό περιεχόμενο που βρίσκουμε σήμερα στις φορητές συσκευές".
Μια τέτοια μπαταρία για όλα τα ηλεκτρικά οχήματα θα μετατρέψει τις μεταφορές, καθιστώντας την πολύ πιο φιλική προς το κλίμα. Οι μεταφορές αντιπροσωπεύουν περίπου το 27% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στις ΗΠΑ και περίπου το 14% των παγκόσμιων εκπομπών. Το ενενήντα πέντε τοις εκατό των αμερικανικών επιβατικών οχημάτων τρέχει με πετρέλαιο. Αν αυτά τα αυτοκίνητα και τα φορτηγά θα μπορούσαν να αντικατασταθούν με ηλεκτρικά οχήματα, αν θα μειωνόταν σημαντικά η ρύπανση, ακόμη και αν η ηλεκτρική ενέργεια συνεχίζει να προέρχεται κυρίως από άνθρακα, το Τμήμα Ενέργειας έχει βρει. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μηχανές εσωτερικής καύσης είναι τόσο αναποτελεσματικές, χάνουν όσο το 80% της ενέργειας στο καύσιμο τους για θέρμανση, ενώ οι ηλεκτρικοί κινητήρες βάζουν σχεδόν όλη την ενέργεια τους για να προωθούν το όχημα.
Οι μπαταρίες μπορούν να διαδραματίσουν ρόλο στην αλλαγή της πηγής ηλεκτρικής ενέργειας μας, επίσης, με την αποθήκευση ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια. Καθώς οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας έχουν αυξήσει το ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας που παράγουν από αυτές τις πηγές, η βασική αρχή είναι ότι οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με φυσικό αέριο θα είναι απαραίτητοι για την κάλυψη της ζήτησης όταν οι ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά κύτταρα δεν παράγουν. Εάν η υπερβολική ανανεώσιμη ενέργεια που παράγεται όταν η ζήτηση είναι χαμηλή, θα μπορούσε να μεταφερθεί σε μια μπαταρία, να αποθηκευτεί χωρίς σημαντικές απώλειες και να εξαντληθεί γρήγορα όταν η ζήτηση αυξηθεί - και εάν το σύστημα ήταν αρκετά φθηνό - θα αποφύγει την ανάγκη τόσο για τις μονάδες που λειτουργούν με άνθρακα, αντικατασταθούν και τα φυτά φυσικού αερίου που θεωρούνται απαραίτητα για να συνοδεύσουν την αιολική και την ηλιακή ενέργεια.
"Οι μπαταρίες μεγάλου όγκου που μπορούν να μετατοπίσουν την ενέργεια θα είναι το παιχνίδι αλλαγής", λέει ο Peter Rothstein, πρόεδρος του New England Clean Energy Council.
Οι μπαταρίες που αποθηκεύουν ενέργεια για το δίκτυο έχουν διαφορετικές απαιτήσεις από αυτές που εισέρχονται στα αυτοκίνητα, επειδή τα οχήματα απαιτούν σχετικά μικρές μπαταρίες που μπορούν να μεταφέρουν την ενέργεια τους σχεδόν στιγμιαία. Έτσι, οι τεχνολογίες που δεν λειτουργούν καλά για την τροφοδοσία ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να είναι εξαιρετική για την αποθήκευση ενέργειας για το δίκτυο.
Οι μπαταρίες λιθίου-αέρα, μια σχετικά νέα τεχνολογία που έχει προκαλέσει πολύ ενθουσιασμό, μπορούν να έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας από τις υπάρχουσες μπαταρίες λιθίου, αλλά παρέχουν πολύ λιγότερη ενέργεια που θα χρειαζόταν για να επιταχύνει ένα όχημα, λέει ο Μίλερ της Ford. "Εάν χρειάζεστε 120 κιλοβάτ της ισχύος, με τον αέρα λιθίου μπορεί να χρειαστεί ενέργεια από 80 έως 100 κιλοβατώρες ενέργειας για να καλύψει αυτή την απαίτηση", εξηγεί ο Μίλλερ. "Αυτό είναι μια πολύ δυσκίνητη, πολύ μεγάλη μπαταρία." Δεν θα λειτουργούσε καλά σε ένα αυτοκίνητο - το Ford Focus EV, για λόγους σύγκρισης, χρησιμοποιεί λίγο περισσότερο από 100 κιλοβάτ ισχύος με μπαταρία 23 κιλοβατώρες - αλλά θα μπορούσε όταν κάθεστε δίπλα σε ένα αιολικό πάρκο.
Οι μπαταρίες ροής βαναδίου, μια άλλη πολλά υποσχόμενη ανάπτυξη, έχουν επίσης υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και έχουν γρήγορο χρόνο εκφόρτισης, γεγονός που τις καθιστά ιδανικές για αποθήκευση. Αυτή είναι η αίτηση για την οποία ο Ron MacDonald, Διευθύνων Σύμβουλος του Αμερικανικού Βανναδίου, τα βάζει σε βολή. "Υπάρχουν πολλές καλές επιλογές αποθήκευσης, αλλά ο καθένας έχει ένα πρόβλημα", αναγνωρίζει ο MacDonald. "Το θέμα μας ήταν πάντοτε κόστος εκ των προτέρων, επειδή είμαστε πιο ακριβά." Μια μπαταρία ροής βαναδίου μπορεί να διαρκέσει 20 χρόνια, αν και "έτσι είμαστε κάτω από τα περισσότερα άλλα, αν κοιτάξετε το κόστος για τη ζωή της μπαταρίας" αυτος λεει.
Ωστόσο, η ανάπτυξη του λεγόμενου "έξυπνου" δικτύου - το οποίο θα χρησιμοποιεί προηγμένους αλγόριθμους και τεχνολογίες επικοινωνιών για να ανταποκρίνεται γρήγορα, καθώς η τροφοδοσία και η ζήτηση των καταναλωτών και η ροή - και η κατανεμημένη αποθήκευση εμπειρογνώμονες έχουν σκεφτεί στο παρελθόν. Με δεκάδες χιλιάδες μικρές μπαταρίες σε αυτοκίνητα, φανάρια και άλλα μέρη σε όλη την πόλη, ένα ηλεκτρικό δίκτυο θα μπορούσε θεωρητικά να αντλεί ενέργεια από αυτές τις μπαταρίες σε περιόδους υψηλής ζήτησης και να επιστρέψει την ενέργεια στους πελάτες αρκετές ώρες αργότερα.
Οι εταιρείες κοινής ωφέλειας ενδέχεται επίσης να επιχειρήσουν να αλλάξουν πότε και πώς οι άνθρωποι χρησιμοποιούν ενέργεια χρεώνοντας υπερβολικά ποσοστά για αγορές ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλής ζήτησης. Οι πελάτες θα αποθαρρυνθούν από τη διάθεση μεγάλων φορτίων στο σύστημα, όπως με τη λειτουργία μεγάλων συσκευών ή τη φόρτιση του ηλεκτρικού αυτοκινήτου τους κατά τη διάρκεια αυτών των περιόδων. Όπως και οι μπαταρίες, τέτοιες πρακτικές θα ισοπεδώσουν την καμπύλη των αναγκών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που επιβάλλονται στο βοηθητικό πρόγραμμα.
"Η απάντηση στη ζήτηση θα διαδραματίσει τόσο σημαντικό ρόλο όσο και η αποθήκευση", λέει ο Randy Howard, διευθυντής του σχεδιασμού και της ανάπτυξης του συστήματος ενέργειας για το Υπουργείο Νερού & Ισχύος του Λος Άντζελες.
Παρ 'όλα αυτά, ο Howard θα ήθελε να δει μια μπαταρία να φέρει στις επιχειρήσεις κοινής ωφελείας το είδος της προώθησης που οι παραγωγοί πετρελαίου και φυσικού αερίου έχουν δει. "Είμαστε όλοι ελπίζοντας ότι σε κάποιο σημείο θα υπάρξει ένα τεχνολογικό άλμα στις μπαταρίες, αλλά αυτό δεν έχει συμβεί ακόμα", λέει ο Howard. "Ψάχνουμε για το fracking μας στον κόσμο της μπαταρίας."
