Batterier er overalt. De er i vores telefoner, vores fly, vores bensindrevne biler, selv - i tilfælde af mennesker med pacemakere eller andet implanteret medicinsk udstyr - vores kroppe.
Batterierne, der virkelig betyder noget i fremtiden, er dog ikke dem, der vil hjælpe dig med at spille Angry Birds på din telefon i 12 lige timer eller starte dit køretøj på en frigid vintermorgen. Batterierne med potentialet til at transformere verdens energisyn vil drive elektriske køretøjer og give plads til elnettet.
”Hvis du kunne vinke en tryllestav og løse verdens energiproblemer, skulle du kun skifte en ting: batterier, ” siger Ralph Eads, næstformand for investeringsbankfirmaet Jeffries LLC, der investerer i nye energiteknologier.
Problemet med energi er ikke, at vi ikke har nok af det; nye teknologier som vandret boring og hydraulisk brud eller ”fracking” har for nylig låst mængder fossile brændstoffer ufattelige ud for kun et årti siden. Problemet er, at vores afhængighed af disse fossile brændstoffer for størstedelen af vores energi er alvorligt usund, hvilket årligt forårsager millioner af for tidlige dødsfald og ændrer klimaet på måder, der både er drastiske og uforudsigelige.
Men fossile brændstoffer er ikke en populær energikilde bare fordi de er så rigelige. De er populære, fordi de kan opbevare en masse energi i en lille mængde plads. Batterier opbevarer også energi, men i en sammenligning mellem pund og for pund kan de bare ikke konkurrere. Det nemmeste sted at demonstrere denne forskel er i en bil:
Batteriet i hybrid Toyota Prius har omkring 225 watt timer energi pr. Pund. Det er bilbatteriets energitæthed - den mængde energi, der kan opbevares pr. Enhed volumen eller vægt. Benzin i det Prius indeholder 6.000 watt timer pr. Pund. Forskellen mellem energitæthed og flydende petroleumsbrændstof og endda de mest avancerede batterier skaber et scenarie, hvor en 7200 kilo Chevrolet Suburban kan gå 650 mil på en tank med gas og en altelektrisk Nissan Leaf, der vejer mindre end halvdelen så meget, har en rækkevidde på kun ca. 100 miles.
Og selvom omkring 80 procent af amerikanernes bilture går under 40 miles, har forbrugerundersøgelser vist, at bilisterne lider af "rækkeviddeangst." De vil have biler, der er i stand til at gå på lange vejture såvel som at pendle til at arbejde og gøre ærinder rundt i byen.
Energitæthed har forblevet bête noire for batterier i 100 år. Hver gang en ny teknologi eller design følger med, der øger energitætheden, lider et andet afgørende aspekt af batteriets ydelse - f.eks. Stabilitet ved høj temperatur eller antallet af gange, det kan tømmes og genoplades -. Og når et af disse aspekter forbedres, lider energitætheden.
Lithium-iron phosphat-teknologi er et godt eksempel. Disse batterier, fra den kinesiske producent BYD, er vidt brugt i både elektriske og hybridkøretøjer i det sydlige Kina. De oplades hurtigere end lithium-ion-batterierne, der er almindelige i andre elektriske køretøjer, såsom Leaf, men de er mindre energitætte.
Et andet højt værdsat aspekt ved batteridesign er, hvor mange gange batterier kan oplades og tømmes uden at miste deres evne til at opbevare energi. Nikkel-metalhydrid eller NiMH-batterier, som har været arbejdshesten for hybridbiler inklusive Prius og Fords Escape-hybrid i mere end et årti, klarer sig godt i denne kategori. Ted J. Miller, der arbejder med avanceret batteriteknologi for Ford Motor Company, siger, at Ford har trukket batterierne ud af Escape-hybrider, der er brugt til 260.000 miles af taxaservice i San Francisco og fandt, at de stadig har 85 procent af deres oprindelige strømkapacitet . Denne holdbarhed er en fordel, men for rent elektriske køretøjer er NiMH-batterier meget tungere for den samme mængde energi, der er opbevaret af et lithium-ion-batteri; den ekstra vægt sænker køretøjets rækkevidde. NiMH-batterier er også giftige - så ingen huller dem i papirkurven, når de er tør for juice - de skal genanvendes. Og fordi nikkel muligvis er mere knap i fremtiden end lithium, kan disse batterier blive dyrere.
Lithium-ion-polymerbatterier har lidt højere energitæthed end almindelige lithium-ion-versioner - et prototype Audi-køretøj gik 372 miles på en enkelt opladning - men de kan ikke oplades og tømmes så mange gange, så de har mindre udholdenhed.
Det er værd at huske, at på trods af disse begrænsninger er batterier designet til at drive biler kommet langt i en relativt kort periode - for kun 40 år siden var et batteri med mindre end halvdelen af energitætheden for dem, der findes i nutidens hybrider og elektriske køretøjer, betragtes som en eksotisk drøm - og de vil helt sikkert forbedre sig yderligere. ”Vi ser en klar vej til fordobling af batteriets kapacitet, ” siger Fords Miller. "Det er uden at ændre teknologien dramatisk, men forbedre processen, så vi har bilkvalitetsbatterier af høj kvalitet med det samme energiindhold, som vi finder på bærbare enheder i dag."
Et sådant batteri til altelektriske køretøjer ville omdanne transport, hvilket gør det meget mere klimavenligt. Transport tegner sig for omkring 27 procent af de amerikanske drivhusgasemissioner og ca. 14 procent af verdensomspændende emissioner. Femoghalvfem procent af de amerikanske personbiler kører på olie. Hvis disse biler og lastbiler kunne erstattes med elektriske køretøjer, hvis det ville reducere forurening markant, selvom elektriciteten fortsat hovedsagelig kommer fra kul, har Energiministeriet fundet. Det skyldes, at forbrændingsmotorer er så ineffektive og mister så meget som 80 procent af energien i deres brændstof til varme, mens elektriske motorer lægger næsten al deres energi i at drive køretøjet.
Batterier kan også spille en rolle i at ændre kilden til vores elektricitet ved at opbevare energi produceret fra vedvarende kilder som vind og sol. Da forsyningsselskaber har øget procentdelen af elektricitet, de producerer fra disse kilder, har det ledende princip været, at naturgasfyrede kraftværker ville være nødvendige for at imødekomme efterspørgslen, når vindmøller og fotovoltaiske celler ikke producerer. Hvis overskydende vedvarende energi produceret, når efterspørgslen er lav, kunne overføres til et batteri, opbevares uden betydeligt tab og tømmes hurtigt, når efterspørgslen stiger - og hvis systemet var billigt nok - ville det undgå behovet for begge kulfyrede anlægs vedvarende energi udskiftes, og naturgasanlæggene anses for at være nødvendige for at ledsage vind og sol.
”Batterier med stort volumen, der kan skifte energi, ville være spiludskifteren, ” siger Peter Rothstein, præsident for New England Clean Energy Council.
Batterier, der opbevarer energi til nettet, har andre krav end dem, der går i biler, fordi køretøjer har brug for relativt kompakte batterier, der kan overføre deres energi næsten øjeblikkeligt. Så teknologier, der ikke fungerer godt til at drive elektriske køretøjer, kan være gode til at opbevare strøm til nettet.
Lithium-air-batterier, en relativt ny teknologi, der har skabt megen spænding, kan have større energitæthed end eksisterende lithium-batterier, men de leverer langt mindre af den magt, der skal til for at accelerere et køretøj, siger Fords Miller. ”Hvis du har brug for 120 kilowatt strømstyrke, med lithium-luft har du muligvis brug for 80 til 100 kilowatt-timer batterienergi for at imødekomme dette krav, ” forklarer Miller. ”Det er et meget besværligt, meget stort batteri.” Det ville ikke fungere godt i en bil - Ford Focus EV bruger til sammenligning lidt over 100 kilowatt strøm med et 23 kilowatt-timers batteri - men det kan måske når du sidder ved siden af en vindmøllepark.
Vanadium flowbatterier, en anden lovende udvikling, har også høj energitetthed, og de har en hurtig afladningstid, hvilket gør dem ideelle til opbevaring. Det er den applikation, som Ron MacDonald, administrerende direktør for American Vanadium, lægger på dem. ”Der er masser af gode opbevaringsmuligheder, men alle har et problem, ” anerkender MacDonald. "Vores problem har altid været forudgående omkostninger, fordi vi er dyrere." Et vanadium-flow-batteri kan dog vare i 20 år, "så vi er under de fleste andre, hvis du ser på omkostningerne i batteriets levetid, " han siger.
Men udviklingen af det såkaldte “smarte” gitter - som vil bruge avancerede algoritmer og kommunikationsteknologi til at reagere hurtigt som strømforsyning og forbrugernes efterspørgsel eb og flow - og distribueret opbevaring har måske gjort mere energitætte batterier mindre nødvendige end eksperter har tænkt i fortiden. Med titusinder af små batterier i biler, trafiklys og andre steder i en by kunne et elektrisk værktøj teoretisk trække strøm fra disse batterier i tider med stor efterspørgsel og returnere energien til kunderne flere timer senere.
Hjælpeprogrammer kan også forsøge at ændre, hvornår og hvordan folk bruger energi ved at opkræve ublu priser for elkøb over et vist niveau i perioder med stor efterspørgsel. Kunder bliver afskrækket fra at placere store belastninger på systemet, f.eks. Ved at betjene store apparater eller oplade deres elbil i disse tider. Ligesom batterier, ville en sådan praksis udjævne kurven for elproduktionsbehov, der pålægges værktøjet.
"Efterspørgselsrespons vil spille en så vigtig rolle som oplagringsvilje, " siger Randy Howard, direktør for energisystemplanlægning og -udvikling for Los Angeles Department of Water & Power.
Ikke desto mindre vil Howard gerne se, at et batteri bringer værktøjer den type forskud, som olie- og gasproducenter har set. ”Vi er alle håbige på, at der på et tidspunkt vil være et teknologisk spring i batterier, men det er ikke sket endnu, ” siger Howard. ”Vi leder efter vores fracking i batteriets verden.”
