Batterijen zijn overal. Ze zitten in onze telefoons, onze vliegtuigen, onze benzine-aangedreven auto's, zelfs - in het geval van mensen met pacemakers of andere geïmplanteerde medische apparaten - ons lichaam.
De batterijen die er in de toekomst echt toe doen, zijn echter niet degenen die je zullen helpen om Angry Birds 12 uur achter elkaar op je telefoon te spelen of je voertuig op een koude winterochtend te starten. De batterijen met het potentieel om de energievooruitzichten van de wereld te transformeren, zullen elektrische voertuigen van stroom voorzien en opslag bieden voor het elektriciteitsnet.
"Als je met een toverstaf kunt zwaaien en de energieproblemen van de wereld kunt oplossen, hoef je maar één ding te veranderen: batterijen", zegt Ralph Eads, vice-voorzitter van de investeringsbank Jeffries LLC, die investeert in nieuwe energietechnologieën.
Het probleem met energie is niet dat we er niet genoeg van hebben; nieuwe technologieën zoals horizontaal boren en hydraulisch breken, of "fracking", hebben onlangs hoeveelheden van fossiele brandstoffen ontsloten die nog maar tien jaar geleden ondenkbaar waren. Het probleem is dat onze afhankelijkheid van die fossiele brandstoffen voor het grootste deel van onze energie ernstig ongezond is, jaarlijks miljoenen voortijdige sterfgevallen veroorzaakt en het klimaat op zowel drastische als onvoorspelbare manieren verandert.
Maar fossiele brandstoffen zijn geen populaire energiebron alleen omdat ze zo overvloedig zijn. Ze zijn populair omdat ze veel energie kunnen opslaan in een kleine hoeveelheid ruimte. Batterijen slaan ook energie op, maar in een pond-voor-pond vergelijking kunnen ze gewoon niet concurreren. De eenvoudigste plaats om dit verschil aan te tonen is in een auto:
De batterij in de hybride Toyota Prius heeft ongeveer 225 wattuur energie per pond. Dat is de energiedichtheid van de auto-accu - de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen per volume-eenheid of gewicht. De benzine in die Prius bevat 6000 wattuur per pond. Het verschil in energiedichtheid tussen vloeibare petroleumbrandstoffen en zelfs de meest geavanceerde batterijen creëert een scenario waarin een 7200 pond grote Chevrolet Suburban 650 mijl kan rijden op een tank met gas en een volledig elektrische Nissan Leaf, die minder dan de helft weegt, heeft een bereik van slechts ongeveer 100 mijl.
En hoewel ongeveer 80 procent van de autoritten van Amerikanen minder dan 40 kilometer aflegt, heeft consumentenonderzoek aangetoond dat chauffeurs last hebben van "bereikangst". Ze willen auto's die in staat zijn om lange roadtrips te maken, maar ook om naar hun werk te reizen boodschappen in de stad.
Energiedichtheid is al 100 jaar het beste van batterijen. Wanneer er een nieuwe technologie of ontwerp op de markt komt die de energiedichtheid verhoogt, lijdt een ander cruciaal aspect van de prestaties van de batterij, bijvoorbeeld stabiliteit bij hoge temperaturen, of het aantal keren dat deze kan worden leeggemaakt en opgeladen, eronder. En wanneer een van die aspecten wordt verbeterd, lijdt energiedichtheid.
Lithium-ijzerfosfaattechnologie is een goed voorbeeld. Deze batterijen, van de Chinese fabrikant BYD, worden veel gebruikt in zowel elektrische als hybride voertuigen in Zuid-China. Ze laden sneller op dan de lithium-ionbatterijen die gebruikelijk zijn in andere elektrische voertuigen, zoals de Leaf, maar ze zijn minder energiedicht.
Een ander zeer gewaardeerd aspect in batterijontwerp is hoe vaak batterijen kunnen worden opgeladen en leeggemaakt zonder hun vermogen om energie op te slaan te verliezen. Nikkel-metaalhydride of NiMH-batterijen, die al meer dan tien jaar het werkpaard zijn voor hybride voertuigen, waaronder de Prius en Ford's Escape-hybride, doen het goed in deze categorie. Ted J. Miller, die werkt aan geavanceerde batterijtechnologie voor Ford Motor Company, zegt dat Ford de batterijen uit de Escape-hybriden in gebruik heeft genomen voor 260.000 kilometer taxiservice in San Francisco en ontdekte dat ze nog 85 procent van hun oorspronkelijke vermogen hebben . Die duurzaamheid is een voordeel, maar voor puur elektrische voertuigen zijn NiMH-batterijen veel zwaarder voor dezelfde hoeveelheid energie die wordt opgeslagen door een lithium-ionbatterij; het extra gewicht verlaagt het bereik van het voertuig. NiMH-batterijen zijn ook giftig - u hoeft ze dus niet in de prullenbak te gooien als ze geen sap meer hebben - ze moeten worden gerecycled. En omdat nikkel in de toekomst mogelijk zeldzamer is dan lithium, kunnen deze batterijen duurder worden.
Lithium-ion-polymeerbatterijen hebben een iets hogere energiedichtheid dan gewone lithium-ion-versies - een prototype van een Audi-voertuig ging 372 mijl op een enkele lading - maar ze kunnen niet zo vaak worden opgeladen en uitgeput, dus ze hebben minder uithoudingsvermogen.
Het is de moeite waard eraan te denken dat ondanks deze beperkingen, batterijen die zijn ontworpen om auto's van stroom te voorzien in een relatief korte periode een lange weg hebben afgelegd - slechts 40 jaar geleden, een batterij met minder dan de helft van de energiedichtheid dan die gevonden in hybriden en elektrische voertuigen van vandaag was beschouwd als een exotische droom - en ze zullen zeker nog verder verbeteren. "We zien een duidelijk pad naar verdubbeling van de batterijcapaciteit", zegt Miller van Ford. "Dat is zonder de technologie drastisch te veranderen, maar het proces te verbeteren, zodat we hoogwaardige autobatterijen hebben met dezelfde energie-inhoud die we tegenwoordig op draagbare apparaten vinden."
Een dergelijke batterij voor volledig elektrische voertuigen zou het transport transformeren, waardoor het veel klimaatvriendelijker wordt. Transport is goed voor ongeveer 27 procent van de Amerikaanse uitstoot van broeikasgassen en ongeveer 14 procent van de wereldwijde uitstoot. Vijfennegentig procent van de Amerikaanse personenauto's rijdt op aardolie. Als die auto's en vrachtwagens zouden kunnen worden vervangen door elektrische voertuigen, zou de vervuiling aanzienlijk verminderen, zelfs als de elektriciteit voornamelijk uit kolen blijft komen, heeft het ministerie van Energie ontdekt. Dat komt omdat verbrandingsmotoren zo inefficiënt zijn en zo veel als 80 procent van de energie in hun brandstof verliezen om te verwarmen, terwijl elektrische motoren bijna al hun energie steken in het voortstuwen van het voertuig.
Batterijen kunnen ook een rol spelen bij het veranderen van de bron van onze elektriciteit door energie uit hernieuwbare bronnen zoals wind en zonne-energie op te slaan. Omdat nutsbedrijven het percentage elektriciteit hebben verhoogd dat ze uit deze bronnen produceren, is het leidende principe dat aardgasgestookte elektriciteitscentrales nodig zijn om aan de vraag te voldoen wanneer windturbines en fotovoltaïsche cellen niet produceren. Als overtollige hernieuwbare energie die wordt geproduceerd wanneer de vraag laag is, kan worden overgebracht naar een batterij, zonder aanzienlijk verlies kan worden opgeslagen en snel kan worden afgevoerd wanneer de vraag stijgt - en als het systeem goedkoop genoeg is - zou dit de behoefte aan beide hernieuwbare energiebronnen voor kolencentrales overbodig maken. vervangen, en de aardgasinstallaties die essentieel worden geacht voor wind en zon.
"Grootvolume batterijen die energie kunnen verleggen zouden de game-wisselaar zijn", zegt Peter Rothstein, voorzitter van de New England Clean Energy Council.
Batterijen die energie opslaan voor het net hebben andere eisen dan die in auto's gaan, omdat voertuigen relatief compacte batterijen nodig hebben die hun energie vrijwel onmiddellijk kunnen overbrengen. Dus technologieën die niet goed werken voor het voeden van elektrische voertuigen, kunnen geweldig zijn in het opslaan van stroom voor het net.
Lithium-luchtbatterijen, een relatief nieuwe technologie die veel opwinding heeft gegenereerd, kan een grotere energiedichtheid hebben dan bestaande lithiumbatterijen, maar ze leveren veel minder vermogen die nodig is om een voertuig te versnellen, zegt Miller van Ford. "Als je 120 kilowatt vermogen nodig hebt, heb je met lithium-lucht 80 tot 100 kilowattuur batterij-energie nodig om aan die eis te voldoen", legt Miller uit. "Dat is een zeer omslachtige, zeer grote batterij." Het zou niet goed werken in een auto - de Ford Focus EV verbruikt in vergelijking iets meer dan 100 kilowatt vermogen met een 23 kilowattuur batterij - maar het kan wanneer je naast een windpark zit.
Vanadium-stroombatterijen, een andere veelbelovende ontwikkeling, hebben ook een hoge energiedichtheid en hebben een snelle ontlaadtijd, waardoor ze ideaal zijn voor opslag. Dat is de applicatie waarvoor Ron MacDonald, CEO van het Amerikaanse Vanadium, ze pitchen. "Er zijn veel goede opslagopties, maar elke heeft een probleem, " erkent MacDonald. "Ons probleem is altijd vooraf geweest, omdat we duurder zijn." Een vanadiumstroombatterij kan echter 20 jaar meegaan, "dus we zitten onder de meeste anderen als je kijkt naar de kosten gedurende de levensduur van de batterij, " hij zegt.
Maar de ontwikkeling van het zogenaamde "slimme" raster - dat geavanceerde algoritmen en communicatietechnologie gebruikt om snel te reageren omdat stroomvoorziening en de vraag van de consument eb en vloeien - en gedistribueerde opslag heeft misschien meer energiedichte batterijen minder noodzakelijk gemaakt dan experts hebben in het verleden gedacht. Met tienduizenden kleine batterijen in auto's, verkeerslichten en elders in een stad, zou een elektriciteitsbedrijf theoretisch energie kunnen onttrekken uit deze batterijen in tijden van grote vraag, en de energie enkele uren later teruggeven aan klanten.
Nutsbedrijven kunnen ook proberen te veranderen wanneer en hoe mensen energie gebruiken door exorbitante tarieven te hanteren voor elektriciteitsaankopen boven een bepaald niveau tijdens perioden van grote vraag. Klanten zullen worden ontmoedigd om gedurende die tijd hoge belastingen op het systeem te plaatsen, bijvoorbeeld door grote apparaten te bedienen of hun elektrische auto op te laden. Zoals batterijen, zouden dergelijke praktijken de curve van de elektriciteitsproductiebehoeften die aan het nut worden opgelegd, afvlakken.
"Vraagrespons zal een even belangrijke rol spelen als opslag, " zegt Randy Howard, directeur van planning en ontwikkeling van energiesystemen voor het Los Angeles Department of Water & Power.
Desalniettemin zou Howard graag zien dat een batterij nutsbedrijven het soort vooruitgang oplevert dat olie- en gasproducenten hebben gezien. "We zijn allemaal hoopvol dat er op een gegeven moment een technologische sprong in batterijen zal zijn, maar dat is nog niet gebeurd", zegt Howard. "We zijn op zoek naar onze fracking in de batterij wereld."
