Baterie jutra

Przydomowe zbiorniki energii

Spółka Renewable Energy Dynamics Technology otrzymała niedawno 3,6 miliona funtów na opracowanie baterii wykorzystujących wanad. Plany zakładają, że takie ogniwa znajdą się w elektrowni wiatrowej na wyspie Gigha. Ten sam pierwiastek będzie wykorzystany przez producenta zegarków Swatch. Ma to doprowadzić do zwiększenia pojemności akumulatorów o około 30 proc. Najważniejsze jest jednak to, że wanad jest łatwy do pozyskania z natury i bez większych problemów podlega recyklingowi – czego o współczesnych bateriach nie można powiedzieć.

Na całkiem odmienny pomysł wpadli naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, którzy rozpoczęli projekt Fluidic Energy i stworzyli nowy rodzaj baterii służących jako bufor w sieciach elektrycznych. Zamiast przechowywać ciężki utleniacz we wnętrzu baterii postanowiono przepchnąć przez nią… powietrze atmosferyczne. Osiągi takich baterii są imponujące: gęstość energii jest do 10 razy większa w stosunku do klasycznej baterii litowo-jonowej. Niestety, tego rodzaju magazyny szybko ulegają degradacji i liczba cykli ładowania jest mocno ograniczona. Trzeba pamiętać, że to nowy wynalazek – naukowcy wiążą z nim spore nadzieje.

Aby żyło się lepiej?

Mówiąc o bateriach, warto wspomnieć o produkcji i recyklingu. Niestety odejście od nieodnawialnych źródeł energii niekoniecznie wiąże się z rezygnacją z wydobycia drogocennych surowców czy wyzysku pracowników w krajach dysponujących dobrami naturalnymi. Trzeba pamiętać, że do budowy samych baterii potrzebne są bardzo wartościowe materiały: na przykład kobalt osiąga cenę 27 tysięcy dolarów za tonę, a grafit – około 10 tysięcy za tonę. Większość grafitu na światowym rynku pochodzi z Chin, a głównymi wydobywcami litu są Argentyna, Chile i Boliwia. Tymczasem znaczną część kobaltu wydobywa się w Demokratycznej Republice Konga. Jak widać, już dziś są to miejsca, w których nie trudno o wyzysk pracowników lub konflikty. Miejmy tylko nadzieję, że te materiały nie staną się następcami ropy naftowej, kiedy zapotrzebowanie na nie gwałtownie wzrośnie. I oby ludzie pokroju Elona Muska zawczasu opracowali metody recyklingu zużytych baterii, bo w przeciwnym razie utoniemy w zużytych cudach technologii, tak jak obecnie duszą nas spaliny.

Bateria na dachu

Elon Musk znany z genialnych pomysłów jest między innymi odpowiedzialny za stworzenie dachu solarnego, który może zaspokoić zapotrzebowanie na energię domowników. Na nadwyżki produkcji prądu też ma sposób: montowany na ścianie domu Powerwall 2. Ważący około 110 kg magazyn energii gwarantuje ciągły dopływ mocy rzędu 5 kW i jest w stanie przechować około 14 kWh. To właśnie do niego przekierujemy nadmiar energii w słoneczne dni, by skorzystać z nich, kiedy na niebie pojawią się chmury.

Jak działa ogniwo

Proces powstawania prądu można wytłumaczyć w prosty sposób na przykładzie akumulatora siarkowo-ołowiowego. Katoda jest w nim wykonana z tlenku ołowiu, a anoda z ołowiu. Między nimi znajduje się roztwór kwasu siarkowego oraz izolacja, która nie dopuszcza do bezpośredniego kontaktu między elektrodami. Kiedy zaczynamy pobierać prąd z akumulatora, anoda ulega utlenieniu – powstaje nadwyżka w postaci dwóch „wolnych” elektronów, które przedostają się przez elektrolit i biorą udział w reakcji redukcji katody. Dzięki tej reakcji powstaje różnica potencjałów (czyli nierównowaga w liczbie elektronów między katodą i anodą), która stanowi napięcie baterii. Po zamknięciu obwodu powstaje prąd – czyli uporządkowany ruch elektronów, dążących do wyrównania napięcia między katodą i anodą. W różnych rodzajach baterii katody, anody i elektrolity są zbudowane z rozmaitych materiałów. Na przykład w baterii litowo-jonowej jest to porowaty węgiel (katoda), tlenek litu (anoda) oraz roztwór soli litu (elektrolit).

Słowniczek bateriowo-elektryczny

Dżul – miara energii. Jeden dżul (J) to siła jednego kilograma przyłożona na metr kwadratowy. Na pojęciu dżula opiera się większość miar energii, jak na przykład wat (W).
Kulomb – ładunek będący wielokrotnością ładunku pojedynczego elektronu. Kulomb to podstawowa jednostka określająca ładunek, ale nie używa się jej w kontekście baterii.
Amper – miara prądu elektrycznego, oznaczająca ładunek elektryczny przepływający w czasie. Jest to kulomb na sekundę (A=C/s)
Wolt – miara napięcia elektrycznego, czyli różnicy potencjałów elektrycznych między dwoma wybranymi punktami. W przypadku baterii chodzi oczywiście o bieguny: dodatni i ujemny. Jeden wolt (V) to napięcie, przy którym między biegunami przepływa prąd o natężeniu jednego ampera, a moc wynosi jeden wat (W).
Moc baterii – mówi, jak szybko można wydostać prąd zawarty w baterii. Wyrażona jest w watach (W), czyli dżulach na sekundę.
Energia baterii – inaczej pojemność baterii, czyli ilość prądu, która może się w niej zmieścić. Wyrażona najczęściej w miliamperogodzinach (mAh). Jedna mAh oznacza, że przez godzinę bateria może dostarczać jedną tysięczną ampera prądu.
Gęstość energii – oznacza ilość energii zawartej w określonej masie lub objętości. To ważny współczynnik, jeśli chodzi o baterie przeznaczone do niewielkich urządzeń! Wyraża się w dżulach na kilogram (J/kg).
Trwałość baterii – inaczej nazywana żywotnością baterii. Najczęściej wyraża się w liczbie cykli ładowania, po których zauważalny jest spadek pojemności. W przypadku wielu baterii trwałość zależy od „higieny” użytkowania.
Temperatura pracy baterii – optymalna temperatura, w której bateria osiąga największą żywotność. Użytkowanie w temperaturze o 8 stopni wyższej od optymalnej powoduje zmniejszenie przewidywanej żywotności o 50 proc. Korzystanie z baterii w niskich temperaturach powoduje mniejszy spadek żywotności.