Największa bateria świata: start kariery kolejnego pierwiastka

Potrzebujemy magazynów energii

Jeśli chcemy rozwijać odnawialne źródła energii i zastąpić nimi paliwa kopalne, to musimy stworzyć potężne baterie – wielkie magazyny energii, której będzie można użyć w każdej chwili. Dlatego już od kilku lat projektuje się i tworzy ogniwa mogące pomieścić duże ilości energii.

Naturalnym rozwiązaniem jest nieoceniony lit. O znaczeniu tego pierwiastka w energetyce przyszłości powiedziano już chyba wszystko. Lit ma wiele zalet. Baterie litowo-jonowe szybko się ładują i mają dużą pojemność. Przynajmniej na razie są niezastąpione w małych urządzeniach jak smartfony, czy też większych – jak samochody Tesli.

Cenne zasoby się kurczą

Lit wydobywa się w specjalnych kopalniach lub odzyskuje z wyschniętej solanki.

Jednak wraz ze wzrostem potrzeb energetyki lawinowo rosnąć będzie ilość potrzebnego litu, a łatwo dostępne złoża tego pierwiastka są ograniczone. Już w 2012 roku raport Stockholm Environment Institute ostrzegł, że światowa niskowęglowa transformacja gospodarki może być poważnie zagrożona przez niedobory kluczowych metali. Od kilku lat w wielu krajach wydobycie różnych metali spada, bo kurczą się złoża. Dotyczy to praktycznie wszystkich metali – przykładowo szczyt wydobycia złota miał miejsce kilkanaście lat temu. Spada też jakość pozyskiwanych rud złota.

Na początku XX wieku eksploatowaliśmy rudy zawierające około 20 gramów złota na tonę skały. W połowie stulecia jakość eksploatowanych rud spadła do 12 gramów na tonę, a obecnie w USA, Kanadzie i Australii sięgamy po rudy, mające już tylko 2-3 gramy złota na tonę. Chcąc więc budować baterie litowe, musimy stworzyć odpowiedni system recyklingu, na tyle skuteczny, by nie groził nam koniec metali, a wraz z nimi koniec cywilizacji. Taki oczywiście istnieje w rozwiniętych państwach Europy, w USA czy Kanadzie. Ale są inne kraje…

Niebezpieczne baterie

Obecnie istniejące baterie stanowią pewien kłopot. Litowy akumulator z czasem ulega degradacji i po kilku tysiącach cykli bateria litowo-jonowa nadaje się do wymiany, a jej recykling jest skomplikowany i energochłonny. Problem robi się o tyle poważny, że baterie litowe są niebezpieczne dla środowiska, ponieważ w ich skład wchodzą też substancje takie jak ołów, który jest pierwiastkiem trującym i praktycznie niezniszczalnym. Związki ołowiu mają negatywny wpływ na stan zdrowia organizmów żywych, na rozwój roślin i procesy zachodzące w środowisku wodnym. W ogniach mamy też kadm i rtęć będące pierwiastkami niezwykle toksycznymi, a co za tym idzie – szkodliwymi dla zdrowia. W przypadku uszkodzenia powłoki zewnętrznej baterii nastąpić może wyciek chlorku tionylu. Bateria się zapala i może też wybuchnąć. Na niektórych dokumentalnych programach Discovery nie raz można zobaczyć piorunujące eksperymenty z udziałem baterii.

Można powiedzieć, że lit także ładuje wewnętrzne baterie człowieka (w depresji) ale i hamuje nadmiar ekspresji (mania). W psychiatrii, jako wyrównywacz nastroju, używany jest z wielkim powodzeniem i skutecznością od ok 150 lat

Miliony zasobów do recyklingu

I paradoksalnie, to te małe baterie, używane m.in. w smartfonach są najbardziej niebezpieczne, bo po zużyciu łatwo trafiają tam gdzie nie powinny. Stanowią coraz większą część śmieci, jakie powstają w gospodarstwach domowych. Wykazano, że stanowią około 2% masy zmieszanych odpadów komunalnych.

Małe baterie i akumulatory są lekkomyślnie wyrzucane do kosza wraz z innymi śmieciami.

Polacy rocznie zużywają około 290 milionów jednorazowych baterii. A przecież zawarte w nich pierwiastki powinny być odzyskiwane. Obecnie istnieje wiele punktów zbiórki, między innymi w szkołach, biurach czy też w sklepach, w których sprzedawane są baterie. Organizacje zajmujące się odzyskiem odbierają bezpłatnie zużyte baterie i poddają je procesowi recyklingu, w którym odzyskiwane są materiały pierwotne. Zajmujące się tym zakłady są w stanie odzyskać aż do 99,5 procenta wszystkich jej składników, także tych niebezpiecznych.

Teraz wanad

Skoro recykling i świadomość ekologiczna dają nam nadzieję na lepszy obrót sprawy, możemy przyjrzeć się kolejnym rozwiązaniom. Rozglądając się za potencjalną alternatywą pozbawioną wad litu, skorzystano także z korzystnych i znanych od dawna właściwości wanadu. Obecnie wanad niemal w całości wykorzystywany jest w metalurgii jako składnik stali szlachetnych i stopów z tytanem, a także jako katalizator, głównie przy produkcji kwasu siarkowego.

Z daleka wygląda jak ostrygi, a to bryłki wanadu

Metal ten ma też doskonałe z punktu widzenia gromadzenia energii właściwości. Wykorzystując prawa, jakie obowiązują w elektryce, można zbudować chemiczny akumulator, oparty o reakcje zachodzące w roztworach wanadowych jonów. Tak samo jak w przypadku litu. Najważniejszą zaletą wanadu jest praktycznie nieograniczona pojemność, zależąca tylko od objętości elektrolitu. Co więcej, baterie tego typu w zasadzie nie ulegają degradacji a ryzyko zapłonu praktycznie nie występuje (70% elektrolitu stanowi woda).

Chińska ambicja

Za rozwój takich magazynów energii wzięły się Chiny, które ze względu na ogromny problem z zanieczyszczeniami chcą zredukować spalanie węgla. Jedna z większych tego typu instalacji ruszyła na początku stycznia 2019 roku w Zaoyang leżącym w chińskiej prowincji Hubei. Bateria zbudowana przez Kanadyjczyków z firmy VRB ma moc 3 megawatów (MW) i 12 megawatogodzin (MWh) pojemności. Docelowo ma mieć 10 MW i 40 MWh. Ale Chińczycy budują już, z amerykańską pomocą, w Dalian wielokrotnie większy magazyn oparty o redox flow na wanadzie.

Redox flow to skrót od reakcji redukcji i utleniania, na których opierają się baterie między innymi te, które mamy w smartfonach. Chińska bateria ma zostać uruchomiona w 2020 roku i będzie miała moc aż 200 MW przy pojemności 800 MWh. To dwukrotnie więcej niż szeroko nagłośniony magazyn Tesli, zainstalowany w ubiegłym roku w Australii.

Chiny już niedługo zdetronizują amerykańskie magazyny energii w Australii. Ciekawe jak na największą baterię zareaguje Elon Musk?

Może wydawać się, że oparta na wanadzie bateria jest dziś droższa od litowej. W powstających instalacjach koszt zdolności magazynowania jednej kilowatogodziny szacowany jest na 300 dolarów. W typowej baterii litowej to 200 dolarów na jedną kilowatogodzinę (kWh), choć Elon Musk od dawna obiecuje, że jego firma zejdzie poniżej 100 dolarów na kWh. Tyle tylko, że wanadowa bateria działa znacznie dłużej niż litowa, dzięki kilkukrotnie większej liczbie cykli ładowania i rozładowywania średni koszt zmagazynowania energii okazuje się niższy w odpowiednio długim horyzoncie czasowym.

Grafika: wysokienapiecie.pl

Zasoby i koszty

Koszt wanadu to jakieś 30% kosztów wytworzenia tej baterii i to jedyny element, który nie będzie podlegał ekonomii skali. Znaczenia nabiera więc kwestia dostępności i ceny tego metalu.

Roczne wydobycie wanadu sięga 100 tysięcy ton. Największe kopalnie znajdują się w Chinach, Rosji i w RPA, do pierwszej ligi ma szanse dołączyć też Brazylia. Na razie głównym nabywcą tego metalu jest przemysł metalurgiczny i chemiczny, pozostałe zastosowania są marginalne. Z tego powodu energetyka może w przyszłości konkurować o wanad z tymi sektorami, co może przełożyć się na wzrost cen baterii. Lecz z drugiej strony wanad w dużej mierze można odzyskiwać, chociażby ze złomu czy też z katalizatorów. A w bateriach redox flow niezwykle łatwo poddać go recyklingowi. Znika przy tym problem ekologii i kryzysu zasobów. Stopień recyklingu w USA szacuje się na 40%, według danych Komisji Europejskie z 2017 roku wskaźnik ten w Unii wynosił 44%. I są one do poprawienia.

Wszystkie liczące się na świecie państwa od dawna monitorują zasoby i dostępność tak zwanych materiałów krytycznych, bez których współczesna, wysokorozwinięta cywilizacja stanęłaby w miejscu. Na amerykańskiej liście tych zasobów wanad nie jest zbyt wysoko, kilka lat temu administracja USA obniżyła nawet jego stopień ważności. W państwach UE wanad jest na liście najważniejszych surowców. Stopień uzależnienia od importu to około 85% i niestety to Rosja dostarcza 71% importowanego przez UE wanadu, a Chiny i RPA po 13%. Metal ten jest też trudny do zastąpienia. Recykling może więc wkrótce nabrać ogromnego znaczenia.

Już na początku tej dekady amerykańska administracja przewidywała, że potencjalne szerokie zastosowanie w magazynowaniu energii w połączeniu z ograniczoną podażą może mocno trząść cenami. I tak też się dzieje, bo od 2016 roku ceny wanadu rosną, dynamika wzrostu przyspiesza, w 2018 była wyższa niż w 2017. Wiele analiz wskazuje, że trend ten utrzyma się. Od 2015 roku cena wanadu z około 20 dolarów wzrosła do końca października ubiegłego roku aż do 128 dolarów za kilogram. Owszem, to może się zmienić z powodu wielu różnych czynników, ale gospodarowanie odpadami nie będzie tu bez znaczenia.

Przyszłość leży gdzie indziej

Czy jednak będziemy musieli zawsze polegać na nie do końca bezpiecznej chemii i zasobach, które mogą się wyczerpać? Być może źródłem energii w magazynach i bateriach będzie sama natura. Są już projektowane, a nawet powstają pierwsze ogniwa organiczne. Choć kolejna generacja baterii będzie oparta na wanadzie, potem siarce i cynku, to przyszłością może być…

Tak! – cukier. Bo o ile bioogniwa litowe mają 0,5 megadżula na kilogram to te oparte na glukozie aż 17 megadżuli. Akumulator cukier-powietrze opracowany na uniwersytecie Virginia Tech jest dziesięciokrotnie pojemniejszy od dzisiejszych ogniw litowo-jonowych. Co ważne, znika problem toksycznej i niebezpiecznej chemii. Na razie takie baterie, to pieśń przyszłości i przyjdzie jeszcze poczekać nim wejdą do masowej produkcji i zastosowania. Sony już siedem lat temu je zapowiadało, lecz jak dotąd słowa nie przerodziły się w produkty.

Ale bądźmy dobrej myśli. Technika nie stoi w miejscu, tylko się rozwija. Z pewnością za kilka lat pojawią się jeszcze lepsze modele baterii, które wspomogą rozwój zielonej energetyki.

Hubert Bułgajewski, REO

Komentarze

23.04.2019 13:26 ŚWIATŁOLUB

Artykuł przypomniał mi jaki przypadek zrządził, że wszystkie formy ziemskiego życia czerpią energię z wewnątrzkomórkowych przemian energetycznych cukrów. A mogło być lepiej (około 5x bardziej efektywnie) gdyby ewolucja "wybrała" zamiast cukrów - tłuszcze. Ile razy bardziej byłby sprawny człowiek oparty o takie przemiany ... Niestety ewolucja dawno temu wybrała cukier i weź człowieku cierp i pędź (ewentualnie), super-menschem i tak nie będziesz. Jako, że materiał źródłowy znacznie potaniał, mogę go z czystym sumieniem polecić każdemu użytkownikowi ludzkiego organizmu. Niestety jak większość rzetelnie napisanych książek z pogranicza świata medycyny (napisała ją pani doktor), tylko po angielsku ale na prawdę warto: https://www.amazon.com/Biological-Well-Being-Medicine-Research-Developments/dp/1612091342
A wracając do artykułu, mnie uszczęśliwiłyby baterie powszechnego użytku już o dwukrotnie większym upakowaniu energii (stan 2019.) nawet mogą być mało słodzone :)

25.04.2019 2:28 gupol(szukam w OZE)

@światłolub
to chyba raczej nie przypadek.
synteza tłuszczów jest bardziej skomplikowana i energochłonna.
to tak jakby zachwycać się gęstością energetyczną ciekłego wodoru bez zwracania uwagii na to ile energii potrzeba by ten wodór pozyskać/wyprodukować.
swoją droga ciekawe o jakich cukrach mowa bo to spora grupa związków organicznych...
no i jeśli w tych bateriach nie będzie trujących substancji i pierwiastków to nie ma co płakać ani nad bateriami litowymi ani tym bardziej kwasowo-ołowiowych.

25.04.2019 20:56 ŚWIATŁOLUB

@ Gupol
podtytuł książki to "Medicine and Biology Research Developments" w ostatnim rodziale o ile mnie pamięć nie myli jest kilkanaście stron odnośników do różnych badań.
Akurat to jest zdaniem naukowców pewne i nawet wiadomo, że około 3,5 mln. lat temu to przypadek zadecydował o wyborze cukrów a nie tłuszczy.

26.04.2019 10:13 pole torsyjne

już od ponad 10 lat używam baterii cukrowych w postaci ściśniętych w specjalnym urządzeniu suchych łodyg traw uprawnych w formę kostki 40/50/80-100cm
czy więc wyprzedziłem epokę? no raczej chyba tak.
dlatego przyznaję sobie odznakę słomianej gwiazdy i odtańczam chocholi taniec.

27.04.2019 3:13 gupol(szukam w OZE)

@światłolub
gdyby organizmy oparte na metabolizmie tłuszczów miały aż taką przewagę ewolucyjną nad "cukrowcami" to nie byłoby mowy o żadnym wyborze. widać jest inaczej skoro jest jak jest.
aha i nie 3.5 mln lat temu. pewnie chodziło ci o 3,5 mld.

@pole torsyjne
a ten patent możesz ujawnić czy boisz się że załatwią cię służby specjalne?;P

27.04.2019 12:23 pole torsyjne

@ gupol
sam przeinaczasz sens moich słów albo tak je odczytujesz - ironizujesz.
nie mam żadnego patentu i nie obawiam i nie obawiałem się żadnych służb nie wiem też nic o rzeczywistej obiektywnej wartości "mojego pomysłu" wystarczy mi subiektywna i stąd ten order i triumfalny chocholi taniec ;P

28.04.2019 22:53 ŚWIATŁOLUB

@ Gupol
3500 000 000 lat temu ale nie powinno Ci robic az takiej roznicy :)
Kolega zglebi bolesny podzial miedzy Tluszczowcami a Cukrowcami juz z ksiazki, ok?

30.04.2019 15:59 pole torsyjne

a służby specjalne?
https://www.youtube.com/watch?v=KqM96ye9PuA
jakie służby? to tylko dynamiczne zarządzanie
państwem.
https://www.youtube.com/watch?v=-0DcupC65K0
https://www.youtube.com/watch?v=7zds6mletrU

01.05.2019 3:24 gupol(szukam w OZE)

@pole torsyjne
sory ale nie mogę zapomnieć tej akcji z twoim podajnikiem słomy;)
@światłolub.
a co tu zgłebiać? nie bez kozery pierwotnym produktem fotosyntezy jest cukier a nie kwasy tłuszczowe.
tłuszcz słabo rozpuszcza sie w wodzie wiec to pewne utrudnienie w jego powszechnym użyciu.
w każdym razie i cukry i tłuszcze są metabolizowane w komórce więc nie wiem czy mozna mówić o jakims "bolesnym podziale" między "cukrowcami a tłuszczowcami"

01.05.2019 7:31 pole torsyjne

@gupol
zupełnie nie masz za co przepraszać ja się nie obrażam
tylko o jakiej akcji mówisz co nazywasz "AKCJĄ"?
kto podjął akcję?
akceptuje i biorę pod uwagę również i taką jak twoja ocenę czyli drwinę być może podszytą zazdrością być może tylko samą szczerą drwinę,
a fakty; po 4 latach całkowity zwrot zakupu nowego pieca i przeniesienie go poza budynek mieszkalny co kosztowało ok.4 tyś zł (bo szacuje 1,5tyś oszczędności na sezon)
dla porównania zakup paneli słonecznych które kosztowały ok 4tyś zł będzie zwracał mi się ok. 20 lat
kilka postronnych osób widziało ten mój podajnik (w realu) który cię tak rozśmieszył i oceniły to pozytywnie co również akceptuję ale nie biorę do siebie bo wiem że jest to średnio udana rzecz nie zdatna do komercyjnego użytku. chociaż jak dla mnie super :^)

no ale dajmy się też pośmiać innym
https://www.youtube.com/watch?v=eCjfeQ9lHNI

co ciekawe, a to już psychologia, wiele osób reagowało zawstydzeniem zażenowaniem na samą tylko wieść że zrobiłem jakiś podajnik. a więc chodzi o atawistyczny lęk wyłamania się ze stada lęk przed bycia innym, przed wykluczeniem który przyjmuję formę palącego wstydu. z drugiej strony lęk przed byciem zdominowanym prześcigniętym, gdy przybiera formę zawiści.

02.05.2019 3:23 gupol(szukam w OZE)

@pole
you got me all wrong dude...

ja wcale nie drwię z twojego projektu. myslę że jest bardzo dobry i pomysłowy. ja drwiłem z twojego strachu przed jego zaprezentowaniem i wciaganie w to prawa patentowego. nic więcej.

03.05.2019 11:35 pole torsyjne

@gupol
nie chcą się tu wymądrzać ale wydaje mi się że istnieje (to może być złudzenie) coś takiego jak wspólna przestrzeń czyli granica gdzie kończy się to co osobiste a zaczyna publiczne, to właśnie ta przestrzeń jest sankcjonowana prawem, w tej przestrzeni ścierają się indywidualne i zbiorowe egoizmy zwane interesami, byznesamy,
jeżeli coś upubliczniam podlegam obowiązującemu prawu nie dlatego że się mi ono podoba tylko że mniejsze jest słabsze od większego
prawo patentowe istnieje jeżeli ktoś podzieli się swoim pomysłem a nie zadba o dokument może się zdarzyć (chociaż nie musi) że ktoś sobie ten jego pomysł przywłaszczy. a nawet mógłby zakazać mu go propagować. tak moim zdaniem to wygląda
oczywiście osobiście jestem za swobodnym dzieleniem się pomysłami bez przerabiania ich na biznesy (fortunę i władzę)
https://www.youtube.com/watch?v=_EX0fdbiFgM&list=RDHb-HZBxcjQ0&index=7

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto