Mere energi, mindre kuldioxid – Ny batteriteknologis flertrins tilgang til bæredygtighed

Batteri eller CO2‑opsamling? Hvorfor ikke begge?

Drivkraften bag grøn energi og elektrificering er primært behovet for at reducere CO2‑udledninger i klimaforandringernes kontekst. Sol‑ og vindenergi er dog naturligt uregelmæssig.

Således, jo mere grøn energi der leveres til nettet, desto flere storskala batterier er nødvendige for at lagre energi under spidsproduktionen og redistribuere den til nettet på et senere tidspunkt. Storskala batterier vil sandsynligvis anvende meget forskellige kemier end elbiler, da de ikke arbejder under de samme begrænsninger:

• Ingen krav om høj densitet eller letvægt; storskala batterier kan opbevares på jorden ved kraftværker eller dedikerede steder.
• Ekstrem følsomhed over for de samlede omkostninger (byggeri + drift).
• Behov for at bruge billige og rigelige materialer for at kunne implementeres i stor skala, uden metaller som kobolt, platin, palladium osv. (eller ideelt endda uden lithium).
• Behov for en meget lang levetid uden kapacitetsnedbrydning, ideelt set i størrelsesordenen flere årtier.

Det er noget, vi tidligere har udforsket i dybden i vores artikel “Fremtiden for energilagring – Storskala batteriteknologi”, hvor vi oplistede de fleste mulige kemier under udvikling til denne anvendelse.

Alle disse batterier fungerer for at gøre grøn energi mere økonomisk levedygtig og udbredt, hvilket ville reducere CO2‑udledninger. Ingen af dem bidrager dog direkte til at reducere udledninger eller opsamle kulstof.

Selv såkaldte CO2‑batterier ville genudlede CO2, så snart elektriciteten aflades.

Dette kan ændre sig takket være et banebrydende nyt batteridesign, som ikke kun kan lagre energi, men også producere brint og holdbart opsamle kulstof.

CO2‑opsamlingsbatterier

CO2‑opsamling er idéen om at tage den normalt udledte CO2 og omdanne den til nyttige produkter. Du kan læse mere om de forskellige CO2‑opsamlingsteknologier i denne artikel fra Energy Tracker.

Kilde: EnergyTracker

Indtil nu var en sådan proces noget, der blev tilføjet oven på industrielle processer og udgjorde en ekstra omkostning uden et praktisk produkt bortset fra CO2‑opsamlingen. Selve processen var ikke nyttig.

Vi diskuterede den aktuelle tilstand af CO2‑opsamling mere detaljeret i vores artikel “Top 5 CO2‑opsamlingsaktier at investere i”.

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory kan have fundet en måde at gøre CO2‑opsamling til en integreret del af det grønne energinet og tilhørende batterier. De offentliggjorde deres resultater i Journal of Power Sources under titlen “Oprindelse af deaktivering af vandig Na–CO2-batteri og afbødning for langtids energilagring”.

Tidligere koncept opgraderet

CO2‑opsamlingsbatteriet er en opgradering af den konventionelle metal‑CO2, som cykler CO2 ind og ud, mens den oxiderer et metal (M), som kan være natrium (Na), lithium (Li) eller magnesium (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

Et tilbagevendende problem med metal‑CO2‑batterier er aflejring af faste afladningsprodukter såsom M2CO3(s) (M = Li eller Na), Al2(C2O4)3(s) eller MgCO3(s) på elektrodens overflade, hvilket ofte fører til tilstopning af den porøse elektrode struktur.

Denne tilstopning påvirker batteriet negativt og reducerer hurtigt dets kapacitet.

For at overvinde dette problem udviklede forskerne to mulige batterier, det ene baseret på natrium og det andet på aluminium, begge rigelige og billige materialer.

Na‑CO2‑batteriet benytter en jern‑nickel katalysator, som er meget billigere end de fleste katalysatorer i branchen.

I modsætning til tidligere design frigiver det nye CO2‑batteri ikke CO2 i gasform, men i stedet opløses karbonat‑biproduktet i den flydende elektrolyt.

Disse carbonater kan derefter enten beholdes i batteriet eller indsamles, når de ophobes og udfældes i fast form. Farmaceutisk- eller cementindustrien kan derefter bruge dem.

De eneste gasser, der frigives, er ilt og brint, som ikke bidrager til klimaændringer og endda kan opsamles til at producere energi eller brændstof.

Kilde: Oak Ridge National Laboratory

Overvindelse af ingeniørmæssige udfordringer

Denne idé virker så imponerende, at det kan overraske, at den ikke er blevet realiseret før.

Årsagen er, at det i praksis krævede at overvinde flere tekniske udfordringer.

For det første skal elektroderne adskilles i våde og tørre kamre med en fast ionleder mellem dem. Lederen sænkede elektronbevægelsen, hvilket reducerede batteriets effektivitet.

For det andet er denne type Na‑CO2‑batteri ikke immun over for CO2‑batteriets problem med filmaflejring på elektroden. Forskerne fandt dog, ved brug af meget avancerede mikroskoper og røntgenmaskiner, at ujævn opladnings‑ og afladningspulser forhindrede filmopbygning på elektroden.

“Vi rapporterer for første gang, at den deaktiverede celle kan reaktiveres.

Og vi fandt oprindelsen til deaktiveringen og aktiveringen. Hvis du symmetrisk oplader‑aflader batteriet for længe, bliver det dødt på et tidspunkt. Hvis du bruger den protokol, vi har etableret for vores celle, er risikoen for fejl meget lille.

Ruhul Amin – den ledende forsker på projektet

Måske endnu mere imponerende er, at disse batterier kan opsamle CO2 ved hjælp af den lagrede energi, så ikke kun når produktionen af vedvarende energi topper, hvilket giver større fleksibilitet. Det kunne også gøre dem til et perfekt match for at opsamle kulstof fra top‑kraftværker, der er afhængige af fossile brændstoffer for at producere strøm, når vinden er svag eller solen ikke skinner.

Overgang til kommercielt design

Med et bevis på konceptet for et CO2‑batteri, der kunne reaktiveres, gik holdet videre med at forbedre ydeevnen for at matche kravene til et levedygtigt storskala batteri.

Til dette udviklede de et Al‑CO2‑batteri baseret på samme princip som Na‑CO2‑prototypen.

Prototypen opnåede bemærkelsesværdige resultater, især:

• 600 timer (25 dage) drift uden kapacitetstab.
• Tilstrækkelig lagring til mere end 10 timers elektricitet, som kan bruges senere.

Hvad er næste skridt?

Brug af havvand som det vandige medium kan stærkt forbedre batteriets hastighed samt produktionen af hydrogen+ilt ved at danne blegemiddel fra kloratomerne i vandet. Således kan dette batteri fungere med endnu flere nyttige biprodukter end først forventet.

En anden udfordring vil være at bringe aluminium‑CO2‑batteridesignet op på en større skala, der passer til en reel storskala implementering.

Et andet igangværende arbejde er at vende tilbage til natrium‑CO2‑batteriet og udvikle en meget fin, tæt, mekanisk stabil keramisk membran til at adskille batterikamrene, så batteriet bliver kommercielt konkurrencedygtigt.

Batterivirksomheder

På grund af deres tidligere begrænsninger er der få CO2‑batterivirksomheder. Innovative batterivirksomheder med en historie for hurtigt at adoptere ny teknologi vil dog kunne udnytte fremskridtene på området til at udvikle nye kemier, hvis det er nødvendigt.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD er den førende elbilvirksomhed i Kina med 1.860.000 solgte køretøjer i 2022, €20 mio. i omsætning i 2022, og en af de største private virksomheder i landet.

Virksomheden startede som den første leverandør af lithium‑ion‑batterier til Motorola i 2000 og gik ind i bilbranchen allerede i 2003. I dag er den også aktiv inden for busser, tog, halvledere og batteri‑energilagring.

Kilde: Byd Company

Takket være dens enorme størrelse, “BYD Overgik LG og Blev Verdens Anden Største Leverandør af Elbilbatterier”

Udover elbilmarkedet ser BYD, ligesom Tesla (TSLA ), på at udnytte sin enorme batteriforsyning til andre markeder. De lancerede især Battery-Box til boligbrug, med koboltfri Lithium‑jern‑fosfat‑kemistri. De tilbyder også deres New Energy‑pakke, der kombinerer solenergi og lagringsløsninger.

Ved at samle Battery-Box og New Energy, BYD Energy Storage System (ESS) har leveret mere end 14 GWh lagringskapacitet.

BYD ejer den komplette forsyningskæde fra mineralbattericeller til batteripakker. Dette har gjort det muligt for dem at etablere deres egen proprietære genanvendelsesløsning, ved at bruge gamle bilbatterier som fast lagring eller fuld batterigenanvendelse gennem en ny afdeling i 2022.

BYD udvider nu overseas, især i Europa, med planer om at firedoble sin stadig lille markedsandel, samt lokal produktion i Ungarn, med en kapacitet på 150.000 køretøjer om året, som kan fordobles til 300.000. Dette kan lægge pres på lokale producenter og Tesla, med en pris, der nu ligger i samme område som benzinbiler.

Udvidelsen i USA er mere forsigtig, da rivaliseringen mellem USA og Kina fortsætter med at eskalere, med en 100 % told på kinesiske biler i foråret 2024.

Kilde: BYD

Med stærke vækstmuligheder i Sydamerika, Asien og Europa samt en dominerende position i Kina, det førende marked for elbiler, er BYD’s aktie det mindre kendte og lavere værdiansatte alternativ til Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

Den kinesiske CATL er med langt den største batterivirksomhed i verden, målt på batterivolumen. Den producerede i 2022 næsten halvdelen af verdens batterier i GWh.

Den har også nogle af de mest avancerede lithium‑jern‑fosfat‑batterier, som kan være en løsning til at skabe billigere og “tilstrækkeligt tætte” batterier til lavpris‑elbiler.

CATL’s ekspertise inden for batterikemi strækker sig også til andre muligheder. Bemærkelsesværdigt, det imponerende 160 Wh/kg natrium‑ion‑batteri blev annonceret i 2021. Udskiftning af lithium med rigelig og billig natrium giver et alternativ til lithium, hvis pris har været meget volatil og høj i de senere år. Og for applikationer, der stadig kræver lithium, investerer CATL også $1,4 mia i at udvikle lithiumproduktion i Bolivia.

Men når det gælder batteriydeevne, er CATL i spidsen for udviklingen. Først annoncerede de et 330 Wh/kg ultra‑holdbart “million miles” batteri, som lader til 80 % på 5 minutter og er klar til kommercialisering. Dette batteri bør i fremtiden anvendes af Tesla og vil blive den nye standard for højtydende elbiler.

Det annoncerede også for nylig et rekordbrydende 500 Wh/kg “komprimeret” batteri, som ville være tæt nok til at drive langdistancerebiler og fly. Det hævder også at have fundet en måde at få batterier til at håndtere koldt vejr bedre, men dette er stadig en svaghed ved teknologien og et problem for elbiler i kolde lande.

Ledere inden for elbiler som Tesla og BYD, eller ambitiøse nye aktører som Toyota, kan overveje at udvikle deres egen batteriteknologi som en unik fordel. Men resten af bilindustrien, herunder tyske, amerikanske og japanske bilproducenter, søger partnere for at følge med i kapløbet om avancerede batterier. Dette inkluderer især Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, og Mercedes Benz.

CATL har produktionsvolumen til at drage mest fordel af stordriftsfordele i batteriproduktion. Dens store salgsvolumen bidrager også direkte til videnskabelig ekspertise og et stort FoU‑budget, hvilket muliggør flere gennembrud. Da den ikke er en bilproducent, er den også en bedre partner for størstedelen af industrien end deres direkte konkurrenter som BYD og Tesla.

Indtil videre har virksomheden primært fokuseret på elbiler. Den kan skifte mod storskala batterier, efterhånden som Kinas produktion af vedvarende energi vokser, og teknologien modnes.

Alt i alt udgør dette et overbevisende argument for, at CATL forbliver verdens førende inden for batteriproduktion. De stigende spændinger mellem USA og Kina bør dog ikke glemmes helt, og deres aktie kan blive fanget i midten af magtkampen mellem de to største økonomier i verden.