Paristot ovat kaikkialla. He ovat puhelimissamme, lentokoneissamme, bensiinikäyttöisissä autoissamme, jopa ruumiissa, joissa on sydämentahdistin tai muita istutettuja lääkinnällisiä laitteita.
Paristot, joilla on todella merkitystä tulevaisuudessa, eivät kuitenkaan ole niitä, jotka auttavat sinua toistamaan Angry Birds -puhelimen puhelimessa 12 suoraa tuntia tai käynnistämään ajoneuvosi kylmällä talviaamulla. Paristot, joilla on potentiaalia muuttaa maailman energianäkymiä, antavat voimaa sähköajoneuvoille ja varastoivat sähköverkkoa.
”Jos pystyisit aaltoilemaan taikas sauvaa ja ratkaisemaan maailman energiaongelmat, sinun on vaihdettava vain yksi asia: akut”, sanoo Ralph Eads, uuteen energiateknologiaan sijoittavan investointipankkitoimisto Jeffries LLC: n varapuheenjohtaja.
Energiaongelma ei ole se, että meillä ei ole tarpeeksi sitä; Uudet tekniikat, kuten vaakaporaus ja hydraulinen murtuminen tai ”murtuminen”, ovat viime aikoina avanneet fossiilisten polttoaineiden määrät, joita ei voida kuvitella vain kymmenen vuotta sitten. Ongelmana on, että luottamus näihin fossiilisiin polttoaineisiin suurimman osan energiamme suhteen on vakavasti epäterveellistä, aiheuttaen miljoonia ennenaikaisia kuolemia vuosittain ja muuttamalla ilmastoa tavalla, joka on dramaattinen ja arvaamaton.
Mutta fossiiliset polttoaineet eivät ole suosittuja energialähteitä vain siksi, että niitä on niin runsaasti. Ne ovat suosittuja, koska ne voivat tallentaa paljon energiaa pienessä tilassa. Paristot myös varastoivat energiaa, mutta punta-puntaa vertailussa ne eivät vain pysty kilpailemaan. Helpoin paikka osoittaa tämä ero on autossa:
Hybridi Toyota Prius -akun akussa on noin 225 wattituntia energiaa puntaa kohti. Se on auton akun energiatiheys - energian määrä, joka voidaan varastoida tilavuus- tai painoyksikköä kohti. Tuon Priuksen bensiini sisältää 6000 wattituntia puntaa kohti. Nestemäisten öljypolttoaineiden ja jopa edistyneimpien akkujen energiatiheysero luo tilanteen, jossa 7200 punnan Chevroletin esikaupunki voi mennä 650 mailia kaasusäiliöllä ja täysin sähköisen Nissan Leafin, joka painaa alle puolet., on vain noin 100 mailin etäisyydellä.
Ja vaikka noin 80 prosenttia amerikkalaisten automatkoista kulkee alle 40 mailia, kuluttajien tutkimukset ovat osoittaneet, että kuljettajat kärsivät ”etäisyyden ahdistuksesta”. He haluavat autoja, jotka voivat mennä pitkille tieretkille sekä työmatkalle työhön ja tehdä asioita ympäri kaupunkia.
Energiatiheys on pysynyt paristojen bête noire -tuotteena 100 vuoden ajan. Aina kun tulee uusi tekniikka tai malli, joka lisää energian tiheyttä, toinen akun suorituskyvyn kannalta tärkeä näkökohta - esimerkiksi vakaus korkeassa lämpötilassa tai kuinka monta kertaa se voidaan tyhjentää ja ladata - kärsii. Ja kun yhtä näistä näkökohdista parannetaan, energian tiheys kärsii.
Litium-rautafosfaattitekniikka on hyvä esimerkki. Näitä kiinalaisen BYD: n valmistajan akkuja käytetään laajasti sekä sähkö- että hybridi-ajoneuvoissa Etelä-Kiinassa. Ne latautuvat nopeammin kuin litium-ioni-akut, jotka ovat yleisiä muissa sähköajoneuvoissa, kuten Leaf, mutta ne ovat vähemmän energiatiheitä.
Toinen arvostettu näkökulma akkujen suunnittelussa on kuinka monta kertaa akkuja voidaan ladata ja tyhjentää menettämättä energiakykyään. Nikkelimetallihydridi tai NiMH-akut, jotka ovat olleet hybridi-ajoneuvojen, mukaan lukien Prius ja Fordin Escape -hybridi, työhevosena yli vuosikymmenen, toimivat hyvin tässä kategoriassa. Ted J. Miller, joka työskentelee edistyneessä akkutekniikassa Ford Motor Companyn kanssa, kertoo, että Ford on vetänyt akut pois käytössä olevista Escape-hybrideistä 260 000 mailin taksipalvelulle San Franciscossa ja huomannut, että heillä on edelleen 85 prosenttia alkuperäisestä tehokyvystään. . Tämä kestävyys on etu, mutta puhtaasti sähköajoneuvoissa NiMH-akut ovat paljon raskaampia saman määrän energiaa varten, jonka litium-ioni-akku varastoi; lisäpaino alentaa ajoneuvon kantamaa. NiMH-akut ovat myös myrkyllisiä - joten niitä ei pidä rikkoa roskakoriin, kun heistä loppuu mehu - ne on kierrätettävä. Ja koska nikkeliä saattaa tulevaisuudessa olla niukasti kuin litiumia, nämä paristot voivat kallistua.
Litium-ionipolymeeriparistojen energiatiheys on hiukan korkeampi kuin tavallisten litium-ioni-versioiden - prototyyppinen Audi-ajoneuvo meni 372 mailia yhdellä latauksella - mutta niitä ei voida ladata ja tyhjentää niin monta kertaa, joten niillä on vähemmän kestävyyttä.
On syytä muistaa, että näistä rajoituksista huolimatta autojen moottorikäyttöön suunnitellut akut ovat edenneet pitkälle suhteellisen lyhyessä ajassa - vain 40 vuotta sitten akku, jonka energiatiheys oli alle puolet nykypäivän hybrideistä ja sähköajoneuvoista, oli pidetään eksoottisena unena - ja heidän on parannettava entisestään. "Näemme selvän reitin akkukapasiteetin kaksinkertaistamiseen", Fordin Miller sanoo. "Eli muuttamatta tekniikkaa dramaattisesti, mutta parantamalla prosessia, joten meillä on korkealaatuisia autoakkuja, joilla on sama energiasisältö kuin nykyisissä kannettavissa laitteissa."
Tällainen akku kaikille sähköajoneuvoille muuttaisi kuljetusta, mikä tekee siitä paljon ympäristöystävällisemmän. Kuljetusten osuus on noin 27 prosenttia Yhdysvaltojen kasvihuonekaasupäästöistä ja noin 14 prosenttia maailman päästöistä. Yhdeksänkymmentäviisi prosenttia Yhdysvaltain matkustaja-autoista käy polttoaineella. Jos nämä autot ja kuorma-autot voitaisiin korvata sähköajoneuvoilla, vähentäisivät merkittävästi pilaantumista, vaikka sähköä jatkossakin pääosin saataisiin hiilestä, energiaministeriö on todennut. Tämä johtuu siitä, että polttomoottorit ovat niin tehottomia, että ne menettävät jopa 80 prosenttia polttoaineiden energiasta lämmitykseen, kun taas sähkömoottorit sijoittavat melkein kaiken energiansa ajoneuvon työntämiseen.
Paristoilla voi olla merkitys myös sähkön lähteen vaihdossa varastoimalla uusiutuvista lähteistä, kuten tuulesta ja aurinko, tuotettua energiaa. Kun yleishyödylliset laitokset ovat lisänneet näistä lähteistä tuottamansa sähkön osuutta, ohjaavana periaatteena on ollut, että maakaasukäyttöisiä voimalaitoksia tarvitaan kysynnän tyydyttämiseksi, kun tuuliturbiinit ja aurinkokennot eivät tuota. Jos kysynnän ollessa alhainen tuotettu ylimääräinen uusiutuva energia voitaisiin siirtää akkuun, varastoida ilman merkittäviä häviöitä ja tyhjentää nopeasti kysynnän kasvaessa - ja jos järjestelmä olisi tarpeeksi halpa -, se poistaisi tarpeen molemmilta kivihiilivoimalaitoksilta. korvata, ja maakaasulaitokset, joita pidetään välttämättöminä tuulen ja auringon mukana.
"Suuret akut, jotka voivat siirtää energiaa ajan myötä, olisivat pelinvaihtaja", sanoo New England Clean Energy Councilin puheenjohtaja Peter Rothstein.
Verkon energiaa varastoiville paristoille on erilaiset vaatimukset kuin autoihin käyville paristoille, koska ajoneuvot vaativat suhteellisen pienikokoisia akkuja, jotka voivat siirtää energiansa lähes välittömästi. Joten tekniikat, jotka eivät toimi hyvin sähköajoneuvojen virransyöttössä, voivat olla hyviä sähkön varastoinnissa verkkoon.
Litium-ilmaakkuilla, suhteellisen uudella tekniikalla, joka on herättänyt paljon jännitystä, voi olla suurempi energiatiheys kuin olemassa olevilla litiumakkuilla, mutta ne tarjoavat paljon vähemmän voimaa, jota tarvittaisiin ajoneuvon kiihdyttämiseen, Fordin Miller sanoo. "Jos tarvitset 120 kilowattia tehokapasiteettia, litium-ilma-tarvikkeilla saatat tarvita 80-100 kilowattituntia akun energiaa tämän vaatimuksen täyttämiseksi", Miller selittää. "Se on erittäin hankala, erittäin suuri akku." Se ei toimisi hyvin autossa - Ford Focus EV käyttää vertailussa hieman yli 100 kilowattia tehoa 23 kilowattitunnin akulla - mutta se saattaa olla kun istuu tuulipuiston vieressä.
Vanadiumvirta-akkuilla, joka on toinen lupaava kehitys, on myös korkea energiatiheys, ja niillä on nopea purkautumisaika, mikä tekee niistä ihanteellisia varastointiin. Se on sovellus, jolle American Mac vanoniumin toimitusjohtaja Ron MacDonald asettaa heidät. "Hyviä tallennusvaihtoehtoja on paljon, mutta jokaisella on ongelma", MacDonald myöntää. "Aiheemme on aina ollut etukäteiskustannus, koska olemme kalliimpia." Vanadiumvirta-akku voi kuitenkin kestää 20 vuotta ", joten olemme useimpien muiden alapuolella, jos tarkastelemme kustannuksia akun käyttöiän aikana". hän sanoo.
Mutta niin kutsutun ”älykkään” verkon - joka käyttää edistyneitä algoritmeja ja viestintäteknologiaa reagoimaan nopeasti energiantuotannon ja kuluttajien kysynnän heikkenemisen ja virtauksen muodossa - ja hajautetun varastoinnin avulla on ehkä tehty enemmän energiatiheitä akkuja vähemmän tarpeellisiksi kuin asiantuntijat ovat ajatelleet aiemmin. Kun autoissa, liikennevaloissa ja muualla kaupunkissa on kymmeniä tuhansia pieniä akkuja, sähköyhtiö voisi teoriassa vähentää näiden paristojen virtaa korkean kysynnän aikana ja palauttaa energian asiakkaille useita tunteja myöhemmin.
Apuohjelmat voivat myös yrittää muuttaa milloin ja miten ihmiset käyttävät energiaa lataamalla kohtuuttomat hinnat sähkön ostoille tietyllä tasolla korkean kysynnän aikana. Asiakkaat eivät halua asettaa suuria kuormituksia järjestelmään, esimerkiksi käyttämällä suuria laitteita tai lataamalla sähköautoaan kyseisinä aikoina. Kuten paristot, tällaiset käytännöt tasoittaisivat hyötykäytölle asetetun sähköntuotantotarpeen.
"Kysynnän vastauksella on yhtä tärkeä rooli kuin varastoinnilla", sanoo Randy Howard, Los Angelesin vesi- ja voimalaitoksen sähköjärjestelmän suunnittelun ja kehittämisen johtaja.
Siitä huolimatta Howard haluaa, että paristo tuo apulaitteisiin öljyn ja kaasun tuottajien näkemyksen. "Toivomme kaikki, että jossain vaiheessa akkuissa tapahtuu tekninen harppaus, mutta sitä ei ole vielä tapahtunut", Howard sanoo. "Etsimme säröilyämme akkumaailmassa."
