Jak skutecznie zmagazynować dużo energii?

Panele fotowoltaiczne, źródło: Pixabay/NeedPix/andreas160578

To problem stary jak sama energetyka. Odkąd w XIX w. upowszechniła się elektryczność, wielkim wyzwaniem stało się magazynowanie energii potrzebnej do zasilania rosnącej liczby urządzeń. Tego problemu de facto nie udało się rozwiązać w pełni do dziś.

 

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii powędrowała do trójki naukowców – Amerykanina Johna B. Goodenougha, Brytyjczyka M. Stanleya Whittinghama oraz Japończyka Akiry Yoshino. Wszyscy oni niezależnie od siebie pracowali nad stworzeniem litowo-jonowego systemu zasilania, dzięki któremu powstały baterie bez jakich nie mogą się dziś obyć smartfony, tablety, laptopy czy samochody elektryczne oraz akumulatory paneli słonecznych i elektrowni wiatrowych. Stworzenie takich akumulatorów pozwoliło rozwinąć technologie bezprzewodowe, a także zmniejszyć użycie paliw kopalnych.

Baterie litowo-jonowe zmieniły świat

Prace nad bateriami litowo-jonowymi rozpoczęły się w drugiej połowie lat 70. XX w., gdy świat zachodni zmagał się z kryzysem naftowym. Wzrosło wówczas zapotrzebowanie na źródła energii, które nie korzystają bezpośrednio z paliw kopalnych. To wtedy Stanley Whittingham odkrył właściwości dwusiarczku tytanu, który na poziomie molekularnym może gromadzić jony litu. Dzięki temu powstał materiał, który jest wyjątkowo bogaty w energię i nadaje się do stworzenia supernowoczesnych katod.

Natomiast John Goodenough kilka lat później zastąpił dwusiarczek tytanu tlenkiem kobaltu, co pozwoliło podwoić moc litowo-jonowej katody. Akiro Yoshino wpadł zaś w 1985 roku na to, aby zamiast litu reaktywnego, użyć opartego na węglu tzw. koksu naftowego. Tym samym stworzył on pierwszą baterię litowo-jonową, którą przez kolejne lata doskonalono. Tak powstał lekki, ale wydajny akumulator, który można bardzo łatwo ponownie ładować, a nie traci on przy tym swoich właściwości tak szybko jak inne baterie. Pierwsze litowo-jonowe bateria trafiły na rynek w 1991 r.

Wielkie magazyny bateryjne

Dziś technologia litowo-jonowa coraz bardziej się rozwija. I co nie mniej ważne, także robi się coraz tańsza. Powstają już na świecie nawet wielkie magazyny bateryjne (zwykle obok jakiejś dużej inwestycji związanej z energetyka odnawialną, np. farmie wiatrowej czy słonecznej)., które działają na zasadzie podobnej do domowej powerbanku, tylko na dużo większą skalę.

Koncern Tesla (znany powszechnie z produkcji samochodów elektrycznych) zbudował taki magazyn zdolny „pomieścić” nawet 180 MW energii w Jamestown w Południowej Australii niedaleko elektrowni wiatrowej w Hornsdale. I jeszcze zamierza tę instalację rozbudować.

Kolejne, choć mniejsze, tego typu magazyny powstają także w USA i Europie. A niebawem powstaną kolejne, nawet większe od tego w Australii, który zbudował koncern Elona Muska. Ale choć akumulatory litowo-jonowe zrewolucjonizowały elektronikę czy motoryzację, ponieważ pozwoliły zmagazynować dużo energii w stosunkowo małym urządzeniu, to jednak nie rozwiązały wszystkich problemów.

Każda bateria litowo-jonowa ma swoje ograniczenia, może zasilić zegarek, laptopa czy nawet samochód albo zmagazynować energię z paneli fotowoltaicznych lub wiatraka, ale po jakimś czasie i tak trzeba będzie taki akumulator po prostu wymienić. Wyzwaniem jest więc sprawienie, aby jego żywotność była jak najdłuższa.

Tego typu rozwiązań szuka na Wydziale Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej dr inż. Krzysztof Fic, który otrzymał w 2017 r. prawie 1,4 mln euro grantu startowego z Europejskiej Rady ds. Badań (ERC). Ma dzięki temu zapewnione środki na swoje badania aż do końca września 2022 r. Dr inż. Fic prowadzi nowatorskie badania związane z mechanizmami starzenia się systemów magazynowania i konwersji energii.

Nobel za baterie litowo-jonowe. Europa w tyle w ich produkcji

Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano w tym roku za stworzenie i rozwój baterii litowo-jonowych. Potentatem w produkcji baterii litowo-jonowych jest dziś Azja. Europa pozostaje daleko w tyle, choć wyjątkiem jest na jej tle Polska.

 

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii powędrowała …

Nie tylko lit

Chodzi w tym przypadku m.in. o opracowanie nowych układów o zdecydowanie lepszej trwałości i parametrach użytkowych. Wdrożone mają być nowe koncepcje możliwych do wykorzystania elektrolitów czy poprawa techniki funkcjonowania kondensatorów. Autor badania liczy, że uda się więc opracować nie tylko nowe materiały do konstruowania magazynów energii, ale także stworzyć nowe możliwości jej kumulowania. Projekt przewiduje korzystanie z różnych badań i testów, np. przyspieszonego starzenia (aby dobrze przeanalizować ten proces), testów kinetycznych czy elektrochemicznej spektroskopii.

Branża energetyczna oczekuje bowiem nie tylko dalszej poprawy działania baterii litowo-jonowych, ale także rozwinięcia innych technologii, które wykorzystywałyby odmienne pierwiastki. Lit staje się bowiem surowcem strategicznym, ponieważ wykorzystywany jest nie tylko w elektronice, motoryzacji czy energetyce, ale także w przemysłach lotniczym i farmaceutycznym.

Pierwiastek ten nie jest dostępny na całym świecie. Najwięcej produkują go Chiny – w 2018 r. ok. 8 tys. ton. Drugie w tym rankingu USA wytworzyły w tym czasie 10 razy mniej tego surowca. Jego ceny na światowych rynkach gwałtownie więc rosną. Na początku bieżącej dekady cena 1 tony litu oscylowała o okolicy 5 tys. dolarów, dziś sięga nawet 16 tys.

1/3 światowych złóż litu znajduje się w Boliwii. Dlatego gdy w tym kraju wybuchła rewolucja przeciw prezydentowi Evo Moralesowi, branża technologiczna patrzyła na ceny cennego dla siebie surowca na światowych rynkach. Morales nie był chętny do współpracy z zagranicznymi koncernami, a już zwłaszcza z tymi ze świata zachodniego.

Boliwia zatem nie prowadziła intensywnego wydobycia litu. Dopiero w 2018 r. rząd Moralesa podpisał pierwsze kontrakty z firmami z Niemiec i Chin. Niemiecka spółka ACI Systems (ma wydobyć boliwijski lit o wartości 0,5 mld euro) współpracuje głównie z Teslą. Po udanym dla bardziej życzliwej USA i państwom zachodnim opozycji przewrocie w Boliwii, akcje koncernu Muska na Wall Street natychmiast podrożały.

Kandydatem do tytułu przydatnego do magazynowania, ale stosunkowo łatwo dostępnego i przez to niedrogiego pierwiastka jest obecnie krzem. Ale aby dało się go powszechnie stosować, potrzebne jest jeszcze wiele pracy.

Tesla postawi fabrykę w Niemczech. Niemieckie koncerny mają się czego bać?

Nie Wielka Brytania, a Niemcy. Decyzja Elona Muska, aby pierwszą europejską fabrykę Tesli wybudować pod Berlinem, zelektryzowała nie tylko branżę motoryzacyjną. Z jednej strony Niemcy cieszą się z tysięcy nowych miejsc pracy, ale z drugiej zastanawiają się nad tym, jak …

Co jeśli nie baterie?

Dziś pracuje się także nad innymi technologiami magazynowania energii. Głównie poprzez zamianę energii elektrycznej na inną jej formę, np. grawitacyjną lub mechaniczną, tak, aby dało się ją z powrotem przetworzyć na elektryczną, jeśli zajdzie taka potrzeba. Jedną z takich metod (opracowaną przez kanadyjską firmę Hydrostor) jest sprężanie powietrza, które pompuje się potem pod ziemię, aby tam je przechować. Specjalna kolumna wody utrzymuje owo powietrze stale w stanie mocno sprężonym. Zmniejszenie ciśnienia wody powoduje dekompresję powietrza, które napędza wówczas specjalne turbiny, które znajdują się na powierzchni.

Wodę wykorzystuje do magazynowania energii również projekt kalifornijskiej spółki Gravity Power. W tym przypadku chodzi o sprężenie w specjalnej skalno-betonowej konstrukcji dużej masy wody za pomocą ważącego nawet 8,5 mln ton stalowego tłoka. Uwolnienie ciśnienia uwalnia także energię. Ta metoda jednak wciąż jest testowana i nie powstała nawet jeszcze żadna instalacja działająca w ten sposób w dużej skali.

Inne metody polegają natomiast na silnym ochłodzeniu powietrza, tak aby uległo ono upłynnieniu. Gdy powstałą ciecz się ogrzeje, energia się uwalnia i – podobnie jak w poprzedniej metodzie – napędza turbiny. Tę metodę rozwija brytyjska spółka Highview Power. Z kolei metoda grawitacyjna (opracowana przez inną brytyjską spółkę Gravitricity) polega na podniesieniu w szybie kopalnianym ogromnego ciężaru (np. 3 tys. ton). Gdy ładunek zostanie zrzucony, uwolni ogromną energię. Na razie jednak Gravitricity opracowało jedynie instalację demonstracyjną, która oparta jest o ciężar 50 ton. Fundusze na rozwój tej technologii są dopiero zbierane.

Jeszcze bardziej skomplikowaną metodę proponuje szwajcarska spółka Energy Vault. Według jej pomysłu robotyczne ramię układa wysoką na ponad 150 metrów specjalną konstrukcję z kilku tysięcy ważących 38 ton bloków. Tu również energię ma uwolnić grawitacja, gdy odpowiednia liczba bloków zostanie zrzucona w dół. Pierwsza testowa instalacja tego typu ma zostać jeszcze w tym roku uruchomiona we Włoszech.

Wszystkie powyższe metody są jednak jeszcze wciąż w fazie mniej lub bardziej zaawansowanych prób. Wszystkie mają jednak poważne ograniczenie. Będzie je można wykorzystać do zmagazynowania wielkiej ilość energii potrzebne do zasilania tysięcy urządzeń lub oświetlenia dziesiątek tysięcy domów. Żadna z nich nie sprawdzi się w smartwachu, tablecie czy laptopie tak dobrze, jak bateria.

E-mobilność: Jak Grupa Wyszehradzka radzi sobie na tle Europy?

W dziedzinie e-mobilności państwom Europy Środkowej nieco jeszcze brakuje do średniej unijnej. Nie chcą jednak dłużej pozostawać w tyle – stawiają na produkcję baterii do samochodów elektrycznych i marzą o wielkich inwestycjach rodzimego przemysłu.
 

Kiedy rozniosła się wieść, że w 2019 …