Baterie naszej eko-przyszłości już się ładują

Baterie zasilają komputer, na którym piszę ten tekst. Znajdują się również w smartfonie, który leży nieopodal. Ba, wprawiają w życie ostrza maszynki, którą się golę i montują je w samochodach Tesli, które chciałbym mieć. Baterie są coraz lepsze, ale wciąż niewystarczająco dobre. Ale jest nadzieja.

Dlaczego piszemy o bateriach? Bo zasilają auta, które mniej trują środowisko niż diesle. Bo są na pokładzie ekologicznego samolotu w mniejszym zakresie (choć to olbrzymi samolot) i większym zakresie (choć to malutki samolot). Bo można je wieszać na ścianie, by magazynowały energię wytworzoną przez dach. Bo, jak widać w reklamie Nissana Leafa, gdyby to, co działa dzięki elektryczności, działało na silniki spalinowe, to życie byłoby absolutnym, niewybaczalnym, horrendalnym i zmuszającym do samobójstwa koszmarem. Bo baterie, tak podejrzewamy, niosą w sobie energię, by zasilić nasze życia w przyszłości w sposób cichy, czysty i efektywny.

Zacznijmy od podstaw. Spokojnie, będą to podstawy zaserwowane w sposób humanistyczny. Ilość magicznych pojęć będzie ograniczona do mniej niż minimum. Poza tym nie będzie żadnych wzorów (no, prawie – będzie jeden), a dane liczbowe zostaną dobrane tak, by tylko pokazać kontekst, a nie nadwyrężać neurony. A zatem – jak działa bateria?

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia 1

Bateria – budowa / Źródło: Visual Capitalist

Bateria to pojemnik, w którym energia chemiczna zamieniana jest na elektryczną. Bateria składa się z trzech elementów – anody, katody i elektrolitu. Anoda o ładunku ujemnym utlenia się, emitując elektrony. Na naładowanej pozytywnie katodzie zachodzi redukcja przez przyłączenie się do niej elektronów z anody. Między anodą i katodą jest elektrolit, który umożliwia wymianę jonów między nimi. Ta wymiana, czyli uporządkowany ruch elektronów, sprawia, że bateria daje prąd.

Pierwsza bateria powstała w 1799 roku. Osobą odpowiedzialną za to jest Alessandro Volta. 60 lat później Francuz Gaston Planté stworzył pierwszą baterię, którą dało się naładować (akumulator kwasowo-ołowiowy). Alkaliczna bateria to wynalazek lat 50. Baterie niklowo-metalowe (NiMH – to jedyny wzór chemiczny w tekście!) z 1989 roku na dobre rozbujały nowoczesną technologię. Zastosowano je w narzędziach do majsterkowania, pierwszych cyfrowych kamerach i pierwszej hybrydzie – Toyocie Prius, choć 20 lat pracowały nad nimi Mercedes i Volkswagen (pracowały nad bateriami, nie nad Toyotą). Litowo-jonowe akumulatory, obecnie najpopularniejsze, wciąż udoskonalane i będące najlepszymi bateriami, jakie mamy, zadebiutowały w 1991 roku. Stworzyła je firma Sony.

Dobra bateria to taka, która ma dużo energii i dużo mocy

Energia w baterii to jak woda w pojemniku. Im więcej jest wody w pojemniku, czyli energii w baterii, tym, no cóż, więcej jest wody w pojemniku, a mój komputer dłużej daje radę bez ładowania. Moc baterii jest natomiast jak otwór w pojemniku od wody – im większy, tym woda szybciej wypłynie. W przypadku baterii – im większa moc, tym szybciej bateria daje z siebie swoją energię. Najlepsze pod tym względem są baterie litowo-jonowe.

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia

Energia i moc baterii – porównanie / Źródło: Visual Capitalist

Chociaż biorąc pod uwagę gęstość energii (tzn. energię baterii wynikającą z masy), bezkonkurencyjny jest wodór pod ciśnieniem 350 barów (czyli co, Toyota Mirai i armia amerykańska stawiają na dobrego konia?). Natomiast w kwestii energii z pojemności, bezkonkurencyjne jest paliwo do silników diesla, co nie legitymizuje szwindli Niemców (i dobrze, że Kalifornia ich surowo każe). W każdym przypadku akumulatory litowo-jonowe są absolutnie żałosne, ale na razie nic lepszego nie mamy, choć prace trwają. Poprawa gęstości energii jest już dla niektórych widoczna, szczególnie dla tych, którzy noszą soczewki kontaktowe. Materiał, z którego są zbudowane są soczewki kontaktowe, mogą zdecydowanie poprawić gęstość energii w kondensatorach, tym samym poprawiając możliwości i skuteczność baterii (badania trwają).

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia

Energia i moc z różnych źródeł – porównanie / Źródło: Visual Capitalist

Problem z bateriami jest też związany z ich możliwościami przechowywania energii. Farma słoneczna Topaz (największa na świecie) wytworzyła w 2015 roku 1301 GWh energii (w Polsce powstało w tym samym czasie prawie 164 707 GWh energii). Żeby zgromadzić na przyszłość choćby 10% tej energii, potrzeba 55708 Powerwalli Tesli – to dużo. Efekt? Baterie nie zasilą nigdy samolotu (za mało energetyczne i za ciężkie są), ale do komputerów, telefonów, sprzętów AGD czy samochodów nadają się całkiem nieźle. No właśnie, baterie w samochodach.

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia 1

Po czym poznać dobrą baterię? / Źródło: Visual Capitalist

Jest się z czego cieszyć

Przede wszystkim dlatego, że spadają koszty. W 2008 roku 1 kWh z baterii kosztowała 1200 dolarów, natomiast w Tesli Model 3, czyli w 2016 roku, cenę zbito do 190 dolarów za kWh. Taka cena sprawia, że Model 3 jest ekonomiczniejszy i tańszy w zasilaniu energią (biorąc pod uwagę zasięg) niż porównywalne modele z silnikiem spalinowym, przy cenie płynnego paliwa na poziomie około 2,5 dolara za galon (tyle teraz kosztuje benzyna w USA, cena będzie rosła).A zatem w 2017 roku auto elektryczne zaparkowało na tym samym miejscu w kategorii cena zakupu/możliwości co porównywalne auto z silnikiem spalinowym – WOW!

Po drugie, spadają ceny, bo rośnie popyt. W 2014 roku rynek baterii miał wartość 49 miliardów dolarów, a na 2025 roku szacowany jest na 112 miliardów. Z tego prawie 80 miliardów to rynek baterii litowo-jonowych. A będzie pewnie jeszcze lepiej.

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia 0

Popyt na baterie najprawdopodobniej będzie rósł / Źródło: Visual Capitalist

W 2015 roku wartość baterii montowanych w samochodach elektrycznych przebiła wartość rynku baterii w komputerach, telefonach i AGD, choć tylko 0,4% nowych aut w USA jest w pełni elektryczna (2,3% to hybrydy, 0,3% to hybrydy plug-in, wegetariański Hyundai wyjaśni różnice). Szacunki mówią, że w 2040 roku 35% nowych aut będzie elektryczna – Tesla, Faraday Future, Nikola i Lucid Air dorzucą swoje pięć groszy (swój milion dorzuci też minister Morawiecki). Bo Renault Zoe już dokłada, za co dziękujemy naszej elektrycznej ulubienicy. Taka ciekawostka – taka ilość samochodów elektrycznych wyciągnie z gniazdek 1900 TWh energii w ciągu roku, a to tyle prądu, by zasilić całe USA przez 160 dni.

Baterie czekają na przełom

No właśnie, przełom. Bateria ma być lekka, energetyczna i mieć dużą moc. Powinna też być tania, szybko się ładować i mieć świetną gęstość, by właśnie z każdego kilogram dawała jak najwięcej kWh. Samsung obiecuje baterie, które po 20 minutach ładowania zapewnią autu zasięg ponad 500 km. W podobnym kierunku działa Swatch, który wraz z rządem szwajcarskim pracuje nad bateriami, których budowa oparta będzie na wanadzie (takim pierwiastku). Wanad występuje naturalnie w przyrodzie (poniżej wyjaśniamy, dlaczego to ważne), więc jest tańszy i powszechniejszy, a jego właściwości obiecują niższą masę baterii, większą energię i moc oraz krótszy czas ładowania. Płynna, organiczna bateria też brzmi obiecująco. Inne nadzieje?

NanoFlowcell pozwala ładować baterie jak zbiornik paliwa. Inni pracują nad tym, by elektrolit w litowo-jonowych bateriach nie był płynem, tylko ciałem stałym (dwa razy więcej energii, której nie traci z czasem, no i nie wymaga chłodzenia). Jest jeszcze pomysł, by do technologii budowy baterii wykorzystać rozwiązania z ogniw paliwowych (przyjrzeliśmy się temu i nas to oszołomiło), co oznacza, że tlen z powietrza byłby wpompowywany do elektrolitu i tak by się wytwarzał prąd. 10-krotnie większa gęstość energii brzmi w tym przypadku przekonywająco.

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia 4

Nowe technologie w budowie akumulatorów / Źródło: Car and Driver, luty 2017

Baterie mają ciemną stronę

Aby powstała bateria, trzeba zużyć mnóstwo rzadkich metali ciężkich. W litowo-jonowej baterii mamy lit, kobalt, aluminium, mangan i nikiel. Aluminium i mangan są stosunkowo powszechne i tanie (odpowiednio, 1600 i 1700 dolarów za tonę), ale nikiel i grafit są drogie (10 tys. dolarów za tonę), cena litu dochodzi do 20 tys. dolarów za tonę, a kobalt kosztuje 27 tys. dolarów za tonę. Dobrze by zatem było, by bateria z auta elektrycznego została poddana recyklingowi, bo ponowne użycie jej nie jest dobrym pomysłem.

W jednym modelu Tesli mamy 22,5 kg kobaltu. W zeszłym roku Tesla sprzedała prawie 80 tys. samochodów – czyli Elon Musk potrzebuje dużo kobaltu. Kobalt nie występuje naturalnie. Wydobywając miedź i nikiel, przypadkiem wydobywa się okruchy kobaltu. Uśredniając, na 100 kg wydobytych materiałów 38 kg to miedź, 60 kg to nikiel, a kobalt to 2 kg. Głównym dostawcą kobaltu jest Demokratyczna Republika Kongo. Z nazwy demokratyczna, ale nie jest to miejsce, gdzie się jeździ na wakacje, mówiąc delikatnie.

DRK to jeden z najbiedniejszych, najbardziej zacofanych, najmniej demokratycznych i najbardziej demokratycznych państw świata (w każdym zestawieniu jest na szarym końcu). Jak widać, nie jest dobrze, tym bardziej że spora część wydobycia to zasługa dzieci pracujących w warunkach, w których nikt nie powinien pracować.

Baterie akumulatory litowo jonowe jak działają technologia

Kobalt – wydobycie / Źródło: Visual Capitalist

Zresztą, co za ironia. Ropa kontrolowana jest przez kraje, którym daleko do stabilności (Rosja, Iran, Arabia Saudyjska). Metale ciężkie też są kontrolowane przez inne kraje, którym również daleko do stabilności i takiej jakieś ogólnej fajności. Kanada jest fajna, ale ma mało kobaltu, choć ma trochę niklu. Lit z kolei to specjalność Argentyny, Chile i Boliwii (75% wydobycia), a na przykład 65% grafitu pochodzi z Chin.

 

Źródła: Carscoops, Visual Capitalist

(Visited 532 times, 1 visits today)