Baterijski shranjevalniki
| Avtor: Dr. Robert Dominko, Kemijski inštitut |
Nastanek in oblikovanje planeta Zemlja je omogočilo izjemne rezerve energije v obliki fosilnih goriv. Ta zaloga je nastala v veliko daljšem obdobju, kot danes poteka njihova intenzivno izkoriščanje za namen sodobne civilizacije. Pospešeno izkoriščanje povzroča vse višje koncentracijo ogljikovega dioksida ter tudi drugih polutantov, ki vplivajo na segrevanje planeta z eksponentno hitrostjo ter tudi na zdravje in obstoj živih bitij na zemeljski obli. Obnovljivi viri energije, primarno sončna energija in veter, ter dodatno tudi geotermalna energija, vodni tokovi in ostalo predstavljajo alternativo, ki je v presežku glede na trenutne potrebe.
Ker pa je večina od naštetega, predvsem pa veter in sonce, funkcija prostora in časa, je za njihovo optimalno izkoriščanje potrebno razmišljati o kratkotrajnih (dnevnih), srednjeročnih (tedenskih) in dolgotrajnih shranjevalnikih (za obdobje, ko je proizvodnja nesorazmerna s potrebo in posledično porabo). Tako bi lahko pokrili potrebe za čas, ko sonce ne sije ali veter poganja generatorje vetrnic. Kratkotrajne, dnevne manjke je mogoče pokriti s pravilno dimenzioniranim baterijskim shranjevalnikom. Srednjeročne potrebe po shranjeni energiji se pojavljajo nekajkrat letno v nekaterih predelih zemeljske oble, medtem ko se nekateri predeli srečujejo z veliko daljšim obdobjem, kjer je potrebno zagotoviti večino potrebne energije. Za to so potrebne tehnologije, ki omogočajo shranjevanje energije v daljšem časovnem okvirju. Danes se uveljavljajo baterijski hranilniki, ki ob optimalni uporabi lahko zagotovijo neodvisnost v določenem letnem času.
Pravilno dimenzionirani baterijski hranilniki omogočajo tudi uravnavanje obremenjenosti omrežja. Baterijski hranilniki temeljijo predvsem na litij ionskih baterijah. Baterijske celice v hranilnikih so veliko manj obremenjene kot v elektronskih napravah ali vozilih na baterijskih pogon. Zato je nekaj časa veljalo, da bodo hranilniki temeljili na tako imenovanjem drugem življenjskem ciklu baterij, ko te ne bodo več primerne za uporabo v električnih vozilih. Kot trenutno kaže, ta poslovna zamisel ne bo uveljavljena, saj je življenjska doba baterij v električnih vozilih veliko daljša, kot je to bilo sprva pričakovano. Obenem to povzroča presežne kapacitete baterij predvsem pri proizvajalcih na Kitajskem in posledično nizke cene novih baterije, ki si jih pred nekaj leti nihče ni niti v sanjah upal napovedati. Cena baterijskih celic tako imenovane LFP kemije proizvedene na Kitajskem so že močno pod 50 USD/kWh, kar je približno še samo 10 % od cene, ki je bila pred kakšnim desetletjem, in dva do trikrat nižja, kot so bile najbolj optimistične napovedi še nekaj let nazaj.
LFP tehnologija temelji na uporabi litij železo fosfata in grafita. Ta kombinacija materialov z optimalnim inženiringom elektrod rezultira baterije, ki so tudi primerne za elektromobilnost. S tem ko ni potrebno uporabiti elementov, kot sta kobalt ali nikelj, se zmanjša tudi pritisk na kritične elemente. Pa vendar v LFP baterijskih celicah ostajajo kritični elementi, kot so litij in fosfor pa tudi grafit, katerega najdemo v naravi ali pa ga proizvedemo po sintetični poti, kar pa zahteva uporabo ogromnih količin energije. LFP baterijske celice so znane po njihovi stabilnosti med delovanjem, možnostjo izkoriščanja velikega dela kapacitete za razliko od takoimenovane NMC tehnologije in večjo varnostjo, ker do toplotnega pobega pride veliko kasneje, kot je to pri NMC tehnologiji. Danes se ta tehnologija uporablja v velikem deležu za hišne shranjevalnike kot tudi za večje shranjevalnike. Kljub temu, da vse skupaj izgleda že zelo uporabno, obstajajo pomisleki, ki so primarno pogojeni z varnostjo, dodatno pa tudi z ekonomičnostjo takšnega pristopa.
Kako je z varnostjo in ceno?
Varnost baterij je intrinzična lastnost, ki jo je mogoče nadzorovati s pravilno kombinacijo materialov. Tako so danes v uporabi že celice, ki ob potencialni okvari ne zagorijo, tudi če so popolnoma napolnjene. V baterijske celice vstopajo senzorji, ki bodo zaznali nepravilnost delovanja že veliko prej, kot bo dosežena kritična stopnja degradacije ali okvare. Razvijajo se baterije, ki delujejo pri zelo nizkih temperaturah, katere je mogoče hitro polniti, pa imajo še vedno visoko energijsko gostoto. Torej vse, kar potrošniki zahtevamo. Cena uporabe baterij za shranjevanje obnovljivih virov energije je tudi pomemben parameter. Ob dejstvu, da danes stane kWh ura baterijskih celic manj kot 50 USD in da je življenjska doba krepko preko 5.000 ciklov, lahko to enostavno prevedemo, da shranjevanje v baterijske celice pomenijo samo približno 1 cent višjo ceno električne energije. Seveda je vpliv shranjevalnikov večji, ker so shranjevalniki kompleksni sistemi, ki pravilno uravnavajo shranjevanje in ponovno uporabo električne energije. Verjetna optimizacija bi morali potekati v smeri večjih lokalnih shranjevalnikov, kjer se lahko optimira vložek v baterijske celice in ostalo potrebno infrastrukturo, ki bo potem določila končno ceno.
Ob takšnem poslovnem modelu pa se postavlja vprašanje, kako vzdržna je litij ionska baterijska tehnologija. Vse večje nasprotovanje izkoriščanju litija v rudnikih ter intenzivnih posegih v okolje zaradi rudarjenja se mnogi vse bolj ozirajo na sorodno tehnologijo, ki temelji na natriju. Natrij ionske baterije izkoriščajo podoben princip delovanja kot li-ionska tehnologija. Njihova slabost je za 20–30 % nižja energijska gostota (masna in volumenska). Njihove prednosti pa so enostavno pridobivanje natrijevih spojin (natrij se nahaja v obliki kuhinjske soli v morju in tudi rudnikih soli), zmanjšana uporaba ostalih kritičnih elementov, med drugimi tudi bakra in grafita.
Razvoj natrij ionskih baterij se je začel vzporedno z razvojem litij-ionskih baterij, vendar so zaradi omenjene nižje energijske gostote postale manj zanimive za uporabo v prenosni elektroniki. V zadnjem desetletju se je razvoj zopet pospešil in danes imamo tudi že manjša vozila, ki jih poganjajo natrij-ionske baterije. Obenem razvoj te tehnologije tudi močno vpliva na ceno litij-ionskih baterij in morebitnih špekulacij povezanih s ceno določenih komponent in surovin. Trenutne projekcije kažejo, da bi lahko imele natrij-ionske baterije v prihodnosti vsaj dvakrat nižjo ceno glede na današnjo ceno LFP baterij. S tem bi lahko pospešeno penetrirale v vse segmente elektrifikacije, kjer ne potrebujemo baterij z visoko energijsko gostoto. To bo zagotovo imelo veliko razsežnost na shranjevanje obnovljivih virov električne energije.
Seveda se ob tem postavlja vprašanje, ali je ta tehnologija tudi uporabna za tako imenovano srednjeročno shranjevanje električne energije (na primer, ko ni niti vetra ni sonca). Nekajkratni letni pojav primanjkljaja energije na večdnevni ali tedenski bazi potrebuje shranjevalnik, katerega nabavna cena je zelo nizka, obenem pa mora sistem omogočati nizko stopnjo samopraznjenja in dolgo življenjsko dobo. Eden izmed možnih konceptov so tako imenovanje pretočne baterije, kjer je naboj shranjen v spojini, ki je v ločenem rezervoarju. Druga možnost so polnilne cinkove baterije ali pa redoks reakcije, ki izkoriščajo korozijo kovin in nastanek elektronov, ki jih lahko uporabimo v omrežju. Te reakcije v veliki večini spremlja nastanek vodika, ki je tudi eden izmed možnih reagentov, ki bi lahko pokril tedenske potrebe. Vendar trenutna cena vodika proizvedenega iz obnovljivih virov kot tudi celoten sistem, ki bi zagotavljal energijsko neodvisnost, močno presega ceno shranjevanja v velike baterijske shranjevalnike. Najtrši oreh pa je obdobje, ko sonce ne pošlje dovolj energije na severne in južne dele zemeljske oble, obenem pa tudi vsi deli niso vetrovni. Uporaba plinskih elektrarn je sicer priročna rešitev, ker je tehnologija razvita in znana. Alternativa plinu je lahko amonijak proizveden po elektrokemijskem postopku na račun presežkov v letnem času, ko so obnovljivi viri v presežku. Amonijak je veliko lažje skladiščiti in shraniti za obdobje, ko je to potrebno. Tehnologija še ni popolnoma razvita in se obravnava kot potencialna možnost. Potrebne so dodatne raziskave na pilotnem nivoju, ki bi lahko postregle s podatki učinkovitosti, celotne cene in obstojnosti.
Kemijski inštitut ima aktivnosti na vseh omenjenih področjih shranjevanja energije in za hitrejši napredek na omenjenih področjih je konec 2023 pridobil sredstva iz sklada za pravičen prehod premogovniških regij kot tudi dodatna kohezijska sredstva za izgradnjo infrastrukturnega centra, v katerem bo nameščena oprema, ki bo omogočala pilotne teste različnih tehnologij, ki so potrebne za zeleni prehod. Infrastrukturni center za razvoj, demonstracije in usposabljanje za brezogljične tehnologije bo postavljen v občini Zagorje ob Savi, naselje Kisovec. Omogočal bo razvoj in validacijo različnih baterijskih tehnologij, vključno z omenjeno Na ionsko tehnologijo. Dodatno bomo preučevali na pilotnem nivoju uporabo vodika in konverziji vodika v druge energente, med drugim tudi v tako imenovana e-goriva, ki jih je mogoče pridobiti z zajemom CO₂ iz zraka in katalitsko reakcijo z vodikom, ki ga pridobimo z elektrolizo.
Prehod iz skupnosti, ki je temeljila na uporabi fosilnih goriv, v skupnost, ki bo bolj odgovorna do narave, je dolgotrajen proces. Nekatere tehnologije, predvsem baterijske, so danes že na visoki stopnji razvitosti, vendar pa razvoj še zdaleč ni končan. Druge tehnologije se še razvijajo in na koncu bosta potrošnik in delno tudi usmeritev zakonodajalcev narekovala, katera tehnologija bo tista, ki se bo najbolj prijela.
