Аккумуляторы есть везде. Они есть в наших телефонах, наших самолетах, наших автомобилях с бензиновым двигателем, даже - в случае людей с кардиостимуляторами или другими имплантированными медицинскими устройствами - в наших телах.
Тем не менее, батарейки, которые действительно будут иметь значение в будущем, не помогут вам играть в Angry Birds на вашем телефоне в течение 12 часов подряд или завести автомобиль в холодное зимнее утро. Аккумуляторы, способные изменить мировую энергетическую перспективу, будут питать электромобили и обеспечивать хранение для энергосистемы.
«Если бы вы могли взмахнуть волшебной палочкой и решить мировые энергетические проблемы, вам нужно всего лишь изменить одну вещь: батареи», - говорит Ральф Идс, вице-президент инвестиционно-банковской компании Jeffries LLC, которая инвестирует в новые энергетические технологии.
Проблема с энергией не в том, что нам ее не хватает; Новые технологии, такие как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта, или «фрекинг», недавно открыли такое количество ископаемого топлива, которое невозможно было представить еще десять лет назад. Проблема заключается в том, что наша зависимость от этих видов ископаемого топлива для большей части нашей энергии серьезно вредна для здоровья, ежегодно вызывая миллионы преждевременных смертей и изменяя климат как радикальными, так и непредсказуемыми способами.
Но ископаемое топливо не является популярным источником энергии только потому, что оно так много. Они популярны, потому что они могут хранить много энергии в небольшом количестве места. Аккумуляторы также накапливают энергию, но в сравнении фунт к фунту они просто не могут конкурировать. Проще всего продемонстрировать эту разницу на автомобиле:
Аккумулятор в гибридной Toyota Prius имеет около 225 ватт-часов энергии на фунт. Это плотность энергии автомобильного аккумулятора - количество энергии, которое можно сохранить на единицу объема или веса. Бензин в этом Приусе содержит 6000 ватт-часов на фунт. Разница в плотности энергии между жидким нефтяным топливом и даже самыми современными батареями создает сценарий, в котором Chevrolet Suburban за 7200 фунтов может проехать 650 миль на бензобаке и полностью электрическом Nissan Leaf, который весит менее чем вдвое меньше. Имеет дальность всего около 100 миль.
И хотя около 80 процентов автомобильных поездок американцев преодолевают расстояние менее 40 миль, исследования потребителей показали, что водители страдают от «беспокойства по дальности». Они хотят автомобили, способные ездить в дальние поездки, а также ездить на работу и работать. погулять по городу.
Плотность энергии оставалась лучшим выбором для аккумуляторов в течение 100 лет. Всякий раз, когда появляется новая технология или конструкция, которая увеличивает плотность энергии, страдает еще один важный аспект работы батареи, например, стабильность при высокой температуре или количество раз, когда она может быть разряжена и заряжена. И когда один из этих аспектов улучшается, страдает плотность энергии.
Литий-железо-фосфатная технология является хорошим примером. Эти батареи от китайского производителя BYD широко используются в электромобилях и гибридных транспортных средствах на юге Китая. Они заряжаются быстрее, чем литий-ионные аккумуляторы, которые распространены в других электромобилях, таких как Leaf, но они менее энергоемки.
Другим важным аспектом в дизайне аккумуляторов является то, сколько раз аккумуляторы можно заряжать и разряжать, не теряя своей способности накапливать энергию. Никель-металлогидридные или никель-металлогидридные аккумуляторы, которые уже более десяти лет являются рабочей лошадкой для гибридных автомобилей, в том числе гибридных автомобилей Prius и Ford Escape, преуспевают в этой категории. Тед Дж. Миллер (Ted J. Miller), работающий над передовой технологией аккумуляторных батарей для Ford Motor Company, говорит, что Ford вытащил аккумуляторы из гибридов Escape, используемых для 260 000 миль службы такси в Сан-Франциско, и обнаружил, что у них все еще есть 85 процентов их первоначальной мощности., Эта долговечность является преимуществом, но для чисто электрических транспортных средств никель-металлогидридные аккумуляторы намного тяжелее для того же количества энергии, которое накапливает литий-ионный аккумулятор; дополнительный вес снижает дальность полета автомобиля. Никель-металлогидридные батареи также токсичны - поэтому не бросайте их в мусорное ведро, когда у них кончится сок, - их нужно утилизировать. И поскольку никель может стать более дефицитным в будущем, чем литий, эти батареи могут стать более дорогими.
Литий-ионные полимерные батареи имеют немного более высокую плотность энергии, чем обычные литий-ионные версии - прототип автомобиля Audi проехал 372 мили за одну зарядку - но их нельзя заряжать и разряжать столько раз, поэтому у них меньшая выносливость.
Стоит помнить, что, несмотря на эти ограничения, аккумуляторы, предназначенные для питания автомобилей, проделали большой путь за сравнительно короткий период времени - всего 40 лет назад, батарея с удельной плотностью энергии, которая меньше, чем у современных гибридов и электромобилей, была считается экзотической мечтой - и они обязаны улучшаться дальше. «Мы видим четкий путь к удвоению емкости аккумулятора», - говорит Миллер из Ford. «Это без существенного изменения технологии, но с улучшением процесса, поэтому у нас есть высококачественные автомобильные аккумуляторы с таким же энергопотреблением, как у современных портативных устройств».
Такая батарея для полностью электрических транспортных средств изменила бы транспорт, сделав ее более благоприятной для климата. На транспорт приходится около 27 процентов выбросов парниковых газов в США и около 14 процентов выбросов в мире. Девяносто пять процентов американских пассажирских транспортных средств работают на бензине. Если бы эти автомобили и грузовики могли быть заменены электромобилями, если это значительно уменьшило бы загрязнение, даже если электричество по-прежнему поступает в основном из угля, обнаружило министерство энергетики. Это связано с тем, что двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны, что теряют до 80 процентов энергии в своем топливе на нагрев, в то время как электродвигатели вкладывают почти всю свою энергию в движение автомобиля.
Аккумуляторы могут также играть роль в изменении источника нашего электричества, сохраняя энергию, произведенную из возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия. Поскольку коммунальные услуги увеличили процент электроэнергии, которую они производят из этих источников, основным принципом было то, что электростанции, работающие на природном газе, были бы необходимы для удовлетворения спроса, когда ветряные турбины и фотоэлектрические элементы не производят. Если бы избыточная возобновляемая энергия, произведенная при низком спросе, могла быть передана в батарею, сохранена без значительных потерь и быстро истощена при росте спроса - и если бы система была достаточно дешевой - это избавило бы от необходимости использования обоих возобновляемых источников энергии на угольных электростанциях. заменить, и заводы природного газа считаются необходимыми для сопровождения ветра и солнца.
«Батареи большого объема, которые могут сдвигать энергию во времени, могут изменить ситуацию», - говорит Питер Ротштейн, президент Совета по чистой энергии Новой Англии.
Аккумуляторы, которые накапливают энергию для энергосистемы, предъявляют другие требования, чем аккумуляторы для автомобилей, поскольку для транспортных средств требуются относительно компактные аккумуляторы, которые могут передавать свою энергию практически мгновенно. Таким образом, технологии, которые плохо работают для питания электромобилей, могут быть полезны для хранения энергии в сети.
Литий-воздушные батареи, относительно новая технология, которая вызвала много волнения, может иметь большую плотность энергии, чем существующие литиевые батареи, но они обеспечивают гораздо меньше энергии, которая потребуется для ускорения транспортного средства, говорит Миллер Форда. «Если вам требуется мощность в 120 киловатт, то для литиево-воздушного питания вам может потребоваться от 80 до 100 киловатт-часов энергии батареи, чтобы удовлетворить это требование», - объясняет Миллер. «Это очень громоздкая, очень большая батарея». Она не будет хорошо работать в автомобиле - Ford Focus EV, для сравнения, потребляет чуть более 100 киловатт энергии с батареей 23 киловатта-часа - но это может когда сидишь рядом с ветропарком.
Ванадиевые проточные батареи, еще одно перспективное решение, также имеют высокую плотность энергии, и они имеют быстрое время разряда, что делает их идеальными для хранения. Это приложение, для которого Рон Макдональд, генеральный директор американского Vanadium, представляет их. «Есть много хороших вариантов хранения, но у каждого есть проблема», - признает Макдональд. «Наша проблема всегда заключалась в первоначальной стоимости, потому что мы дороже». Однако ванадиевая батарея может работать 20 лет, «поэтому мы ниже большинства других, если вы посмотрите на стоимость в течение срока службы батареи». он говорит.
Но развитие так называемой «умной» сети, в которой будут использоваться передовые алгоритмы и коммуникационные технологии для быстрого реагирования в условиях резкого снижения спроса и предложения на электроэнергию и потребителя, и распределенное хранение, возможно, сделало более энергоемкие батареи менее необходимыми, чем эксперты думали в прошлом. Имея десятки тысяч маленьких батарей в автомобилях, на светофорах и в других местах по всему городу, электроснабжение теоретически может потреблять энергию от этих батарей в периоды высокого спроса и возвращать энергию потребителям через несколько часов.
Коммунальные службы могут также пытаться изменить, когда и как люди используют энергию, взимая непомерные тарифы на покупку электроэнергии выше определенного уровня в периоды высокого спроса. В это время клиентам не рекомендуется помещать высокие нагрузки на систему, например, эксплуатировать большие бытовые приборы или заряжать свой электромобиль. Подобно батареям, такая практика выровняет кривую потребностей в производстве электроэнергии, налагаемых на коммунальные услуги.
«Реакция на спрос будет играть такую же важную роль, как и хранение», - говорит Рэнди Ховард, директор по планированию и развитию энергосистем Департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса.
Тем не менее, Говард хотел бы, чтобы аккумулятор приносил коммунальным предприятиям тот прогресс, который видели производители нефти и газа. «Мы все надеемся, что в какой-то момент произойдет технологический скачок в батареях, но этого еще не произошло», - говорит Ховард. «Мы ищем наш фрекинг в мире батарей».
