Patareisid on igal pool. Nad asuvad meie telefonides, lennukites, bensiinimootoriga autodes, isegi südamestimulaatori või muude siirdatud meditsiiniseadmete korral - meie kehas.
Patareid, millel on tulevikus tõesti oluline tähtsus, ei aita siiski teil 12 vihetunnist telefoni Angry Birdsis telefoni mängida või jäisel talvehommikul sõidukit käivitada. Maailma energiaväljavaate muutmise potentsiaaliga akud toidavad elektrisõidukeid ja pakuvad elektrivõrgule salvestusruumi.
"Kui saaksite võlukeppi lainetada ja lahendada maailma energiaprobleeme, peate muutma ainult ühte: patareisid, " ütleb uutesse energiatehnoloogiatesse investeeriva investeerimispanganduse Jeffries LLC aseesimees Ralph Eads.
Energia probleem pole mitte see, et meil pole sellest piisavalt; uued tehnoloogiad, näiteks horisontaalne puurimine ja hüdrauliline purustamine või “pragunemine”, on hiljuti fossiilkütuste kogused lahti mõelnud, mis pole mõeldav vaid kümmekond aastat tagasi. Probleem on selles, et suurema osa energia tarbimine nendest fossiilkütustest on tõsiselt ebatervislik, põhjustades igal aastal miljoneid enneaegseid surmajuhtumeid ja muutes kliimat nii drastiliselt kui ka ettearvamatult.
Kuid fossiilkütused pole populaarne energiaallikas just seetõttu, et neid on nii palju. Need on populaarsed, kuna suudavad väikeses ruumis palju energiat salvestada. Ka akud salvestavad energiat, kuid naela-naela võrdluses ei saa nad lihtsalt konkureerida. Lihtsaim koht selle erinevuse demonstreerimiseks on autos:
Hübriidse Toyota Priuse akul on naela kohta umbes 225 vatt tundi energiat. See on auto aku energiatihedus - energiakogus, mida saab salvestada mahuühiku või kaaluühiku kohta. Selles Priuses sisalduv bensiin sisaldab naela kohta 6000 vatt tundi. Energiatiheduse erinevus vedelkütuste ja isegi kõige arenenumate akude vahel loob stsenaariumi, kus 7200-naeline Chevrolet Suburban suudab läbida 650 miili bensiinipaagil ja täiesti elektrilisel Nissan Leafil, mis kaalub vähem kui poole vähem., mille ulatus on vaid umbes 100 miili.
Ja kuigi umbes 80 protsenti ameeriklaste autoreisidest läbib vähem kui 40 miili, on tarbijauuringud näidanud, et autojuhid kannatavad "vahemiku ärevuse" all. Nad tahavad, et autod, mis on võimelised sõitma pikkadel maanteedel, sõitma edasi ja sõitma, töötaksid ja linna peal korraldused.
Energiatihedus on patareide bête noire olnud 100 aastat. Iga kord, kui turule tuleb mõni uus tehnoloogia või kujundus, mis suurendab energiatihedust, kannatab aku teine jõudluse oluline element - näiteks stabiilsus kõrgel temperatuuril või mitu korda seda saab tühjendada ja laadida. Ja kui ühte neist aspektidest parandatakse, kannatab energiatihedus.
Hea näide on liitium-raudfosfaattehnoloogia. Neid Hiina tootja BYD akusid kasutatakse Lõuna-Hiinas laialdaselt nii elektri- kui ka hübriidsõidukites. Need laadivad kiiremini kui liitium-ioon akud, mis on tavalised teistes elektrisõidukites, näiteks Leaf, kuid need on vähem energiatihedad.
Veel üks akude kujundamisel väga hinnatud aspekt on see, mitu korda saab akusid laadida ja tühjendada, kaotamata samas võimalust oma energiat salvestada. Nikkelmetallhüdriid ehk NiMH-akud, mis on olnud hübriidsõidukite, sealhulgas Priuse ja Fordi Escape hübriidide tööhobuseks juba üle kümne aasta, on selles kategoorias hästi. Ted J. Miller, kes töötab Ford Motor Company täiustatud akutehnoloogia kallal, ütles, et Ford on San Francisco taksoteenuse 260 000 miili taksoteenuse osutamisel kasutanud Escape hübriididest patareid välja tõmmanud ja leidnud, et neil on endiselt 85 protsenti nende algsest võimsusest . See vastupidavus on eelis, kuid puhtalt elektriliste sõidukite puhul on NiMH akud sama energiakoguse korral liitiumioonakuga palju raskemad; lisaraskus vähendab sõiduki vahemikku. NiMH-akud on samuti mürgised - nii et mahla otsa saades neid prügikasti ei lohista - tuleb need ringlusse võtta. Kuna niklit võib tulevikus olla vähem kui liitiumi, võivad need patareid kallineda.
Liitium-ioonpolümeerpatareide energiatihedus on pisut kõrgem kui tavalistel liitium-ioon-versioonidel - prototüüp Audi sõiduk läbis ühe laadimisega 372 miili, kuid neid ei saa nii mitu korda laadida ja tühjendada, nii et neil on vähem vastupidavust.
Tasub meeles pidada, et hoolimata nendest piirangutest on autode toiteks mõeldud akud suhteliselt lühikese aja jooksul jõudnud kaugele - vaid 40 aastat tagasi oli aku, mille tänapäeva hübriidides ja elektrisõidukites kasutatav energiatihedus oli alla poole, mida peetakse eksootiliseks unistuseks - ja neid on vaja veelgi paremaks muuta. "Näeme selget teed akude kahekordistamiseks, " ütleb Fordi Miller. "Seda ilma tehnoloogiat dramaatiliselt muutmata, kuid protsessi täiustades, nii et meil on kvaliteetsed autoakud sama energiasisaldusega kui tänapäeval kaasaskantavatel seadmetel."
Selline elektrisõidukite aku muudaks transpordi, muutes selle palju kliimasõbralikumaks. Transpordi arvele langeb umbes 27 protsenti USA kasvuhoonegaaside heitkogustest ja umbes 14 protsenti kogu maailma heitkogustest. Üheksakümmend viis protsenti USA sõiduautodest sõidavad bensiiniga. Kui neid autosid ja veoautosid saaks asendada elektrisõidukitega, vähendaks see saastet märkimisväärselt, isegi kui elekter tuleb jätkuvalt peamiselt kivisöest, leidis energiaministeerium. Selle põhjuseks on asjaolu, et sisepõlemismootorid on niivõrd ebaefektiivsed, et kaotavad kütuseks kuni 80 protsenti kütuse energiast, samas kui elektrimootorid panevad peaaegu kogu oma energia sõiduki liikumapanemiseks.
Patareid võivad mängida rolli ka meie elektrienergia allika muutmisel, talletades taastuvatest energiaallikatest (tuulest ja päikesest) toodetud energiat. Kuna kommunaalteenused on suurendanud nendest allikatest toodetava elektrienergia protsenti, on juhtpõhimõtteks olnud, et maagaasil töötavad elektrijaamad oleksid nõudluse rahuldamiseks vajalikud, kui tuuleturbiinid ja fotogalvaanilised elemendid ei toodeta. Kui vähese nõudluse korral toodetud liigne taastuvenergia saaks üle kanda akule, ladustada ilma oluliste kadudeta ja tühjendada kiiresti nõudluse kasvades - ja kui süsteem oleks piisavalt odav -, kaoks vajadus söeküttega tehaste taastuvenergia järele. asendada ning maagaasi jaamad, mida peetakse oluliseks tuule ja päikese käes.
"Suuremahulised akud, mis suudavad energiat ajaliselt nihutada, oleksid mänguvahetajad, " ütleb New Englandi puhta energia nõukogu president Peter Rothstein.
Võrgu jaoks energiat salvestavatel akudel on erinevad nõuded kui autodel kasutatavatel akudel, sest sõidukid vajavad suhteliselt kompaktseid akusid, mis saavad energia peaaegu hetkega üle kanda. Nii et tehnoloogiad, mis elektrisõidukite toiteks hästi ei tööta, võivad võrgu energiatarbega suurepäraselt kokku hoida.
Liitium-õhu akud, suhteliselt uus tehnoloogia, mis on palju elevust tekitanud, võivad omada suuremat energiatihedust kui olemasolevad liitiumakud, kuid need annavad palju vähem energiat, mis oleks vajalik sõiduki kiirendamiseks, kirjutab Fordi Miller. "Kui vajate 120 kilovatti võimsust, võib liitium-õhk selle nõude täitmiseks vajada 80-100 kilovatt-tundi akutoidet, " selgitab Miller. “See on väga tülikas, väga suur aku.” Autos see hästi ei töötaks - Ford Focus EV kasutab võrdluseks 23-kilovatt-tunnise akuga pisut üle 100 kilovatti võimsust, kuid võib-olla tuulepargi kõrval istudes.
Veel üks paljutõotav areng vanaadiumvoo akudel on kõrge energiatihedusega ning neil on kiire tühjenemisaeg, mis muudab need ideaalseks hoiustamiseks. See on rakendus, mille jaoks neid koondab Ameerika vanaadiumi tegevjuht Ron MacDonald. "Häid salvestusvõimalusi on palju, kuid kõigil neist on probleem, " tunnistab MacDonald. "Meie probleem on alati olnud algkulud, sest me oleme kallimad." Vanaadiumvoolu aku võib siiski kesta 20 aastat, "nii et me jääme enamikust teistest madalamaks, kui vaatate kulusid kogu aku eluea jooksul". ta ütleb.
Kuid nn nutika võrgu arendamine - mis kasutab täiustatud algoritme ja kommunikatsioonitehnoloogiat kiireks reageerimiseks energiavarustuse ja tarbijate nõudluse vähenemise ja vooluhulgana - ning hajutatud salvestusruum on võib-olla muutnud energiatihedamad akud vähem vajalikuks kui eksperdid on varem mõelnud. Kümnete tuhandete väikeste akude abil autodes, valgusfoorides ja mujal linnas võiks elektritarbimine teoreetiliselt nende nõudmiste korral energiatarbimise suure nõudluse korral tarbida ja klientidele energiat tagasi anda mitu tundi hiljem.
Kommunaalkulud võivad proovida muuta ka seda, millal ja kuidas inimesed energiat tarbivad, nõudes suure nõudluse ajal teatud tasemel elektrienergia ostmise eest ülikalleid tariife. Kliente ei soovitata sel ajal süsteemile suuri koormusi panna, näiteks juhtida suuri seadmeid või laadida oma elektriautot. Nagu patareid, ahendaks selline tegevus kommunaalteenusele seatud elektritootmise vajaduste kõverat.
"Nõudlusele reageerimine mängib sama olulist rolli kui ladustamine, " ütleb Randy Howard, Los Angelese vee- ja energiaosakonna energiasüsteemi kavandamise ja arendamise direktor.
Sellegipoolest sooviks Howard, et aku tooks kommunaalteenustele ette sellist tüüpi edusamme, mida nafta- ja gaasitootjad on näinud. "Me kõik loodame, et mingil hetkel toimub akudes tehnoloogiline hüpe, kuid seda pole veel juhtunud, " ütleb Howard. "Otsime oma patareide maailmas toimimist."
