Περισσότερη Ενέργεια, Λιγότερο Διοξείδιο του Άνθρακα – Η Πολυδιάστατη Προσέγγιση της Νέας Τεχνολογίας Μπαταριών για τη Βιωσιμότητα

Μπαταρία ή Συλλαμβάνση Άνθρακα; Γιατί όχι και τα δύο;

Η ώθηση για πράσινη ενέργεια και ηλεκτροποίηση προέρχεται κυρίως από την ανάγκη μείωσης των εκπομπών άνθρακα στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής. Ωστόσο, η ηλιακή και η αιολική ενέργεια είναι εγγενώς διαλείπουσες.

Έτσι, όσο περισσότερη πράσινη ενέργεια τροφοδοτεί το δίκτυο, τόσο περισσότερες μπαταρίες κλίμακας κοινής ωφέλειας χρειάζονται για την αποθήκευση ενέργειας κατά τις περιόδους μέγιστης παραγωγής και την επαναδιανομή της στο δίκτυο αργότερα. Οι μπαταρίες κλίμακας κοινής ωφέλειας πιθανότατα θα χρησιμοποιούν πολύ διαφορετικές χημικές ενώσεις από τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, καθώς δεν λειτουργούν υπό τις ίδιες περιοριστικές συνθήκες:

• Δεν υπάρχει ανάγκη για υψηλή πυκνότητα ή ελαφριά βαρύτητα· οι μπαταρίες κοινής ωφέλειας μπορούν να αποθηκευτούν στο έδαφος σε ενεργειακούς σταθμούς ή αφιερωμένους χώρους.
• Ακραία ευαισθησία στο συνολικό κόστος (κατασκευή + λειτουργία).
• Απαιτείται η χρήση φθηνών και άφθονων υλικών για μαζική ανάπτυξη, αποφεύγοντας μέταλλα όπως κοβάλτιο, πλατίνα, παλλάδιο κ.λπ., (ή ιδανικά ακόμη και το λίθιο).
• Απαιτείται πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής χωρίς μείωση χωρητικότητας, ιδανικά σε δεκαετίες.

Αυτό είναι κάτι που εξετάσαμε εκτενώς στο άρθρο μας “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, όπου παραθέσαμε τις περισσότερες πιθανές χημικές ενώσεις σε ανάπτυξη για αυτήν την εφαρμογή.

Όλες αυτές οι μπαταρίες λειτουργούν για να κάνουν την πράσινη ενέργεια πιο οικονομικά βιώσιμη και ευρέως υιοθετημένη, κάτι που θα μειώσει τις εκπομπές άνθρακα. Ωστόσο, καμία δεν συμβάλλει άμεσα στη μείωση των εκπομπών ή στη σύλληψη του άνθρακα.

Ακόμη και οι λεγόμενες μπαταρίες CO₂ θα επαναεκπέμπουν το CO₂ μόλις αποφορτιστεί η ηλεκτρική ενέργεια.

Αυτό μπορεί να αλλάξει, χάρη σε μια επαναστατική νέα σχεδίαση μπαταρίας, η οποία θα μπορεί όχι μόνο να αποθηκεύει ενέργεια αλλά και να παράγει υδρογόνο και να συλλαμβάνει τον άνθρακα μόνιμα.

Μπαταρίες Συλλαμβάνσης Άνθρακα

Η σύλληψη άνθρακα είναι η ιδέα του να λαμβάνεται το κανονικά εκπεμπόμενο CO₂ και να μετατρέπεται ξανά σε χρήσιμα προϊόντα. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τις διάφορες τεχνολογίες σύλληψης άνθρακα σε αυτό το άρθρο του Energy Tracker.

Πηγή: EnergyTracker

Μέχρι τώρα, μια τέτοια διαδικασία ήταν κάτι που προστίθεται πάνω από τις βιομηχανικές διαδικασίες και αντιπροσώπευε επιπλέον κόστος χωρίς πρακτικό προϊόν εκτός από τη σύλληψη του άνθρακα. Η ίδια η διαδικασία δεν ήταν χρήσιμη.

Συζητήσαμε την τρέχουσα κατάσταση της σύλληψης άνθρακα με περισσότερη λεπτομέρεια στο άρθρο μας “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In”.

Οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge μπορεί να έχουν βρει έναν τρόπο να κάνουν τη σύλληψη άνθρακα αναπόσπαστο μέρος του πράσινου ενεργειακού δικτύου και των σχετικών μπαταριών. Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Journal of Power Sources, υπό τον τίτλο “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage”.

Προηγούμενη Έννοια Αναβαθμισμένη

Η μπαταρία σύλληψης άνθρακα είναι μια αναβάθμιση από τις συμβατικές μπαταρίες μέταλλο‑CO₂ που κυκλοφορούν CO₂ ενώ οξειδώνουν ένα μέταλλο (M), το οποίο μπορεί να είναι νάτριο (Na), λίθιο (Li) ή μαγνήσιο (Mg): CO₂ ↔ MxCO₃.

Ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα των μπαταριών μέταλλο‑CO₂ είναι η εναπόθεση στερεών προϊόντων εκφόρτισης όπως M₂CO₃(s) (M = Li ή Na), Al₂(C₂O₄)₃(s), ή MgCO₃(s) στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, κάτι που συχνά οδηγεί σε φραγή της πορώδους δομής του ηλεκτροδίου.

Αυτή η φραγή επηρεάζει αρνητικά τη μπαταρία, μειώνοντας γρήγορα τη χωρητικότητά της.

Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα, οι ερευνητές ανέπτυξαν δύο πιθανές μπαταρίες, μία βασισμένη στο νάτριο και η άλλη στο αλουμίνιο, και τα δύο άφθονα και χαμηλού κόστους υλικά.

Η μπαταρία Na‑CO₂ βασίζεται σε καταλύτη σιδήρου‑νικελίου, ο οποίος είναι πολύ φθηνότερος από τους περισσότερους καταλύτες στη βιομηχανία.

Σε αντίθεση με προηγούμενα σχέδια, η νέα μπαταρία CO₂ δεν απελευθερώνει CO₂ σε αέρια μορφή, αλλά το παραπροϊόν ανθρακικού διαλύεται στο υγρό ηλεκτρολύτη.

Αυτοί οι ανθρακικοί μπορούν στη συνέχεια είτε να διατηρηθούν στη μπαταρία είτε να συλλεχθούν όταν συσσωρευτούν και κατακρηματίσουν σε στερεή μορφή. Η φαρμακευτική ή η κτιριακή βιομηχανία μπορούν τότε να τα χρησιμοποιήσουν.

Τα μόνα αέρια που απελευθερώνονται είναι οξυγόνο και υδρογόνο, τα οποία δεν συμβάλλουν στην κλιματική αλλαγή και μπορούν ακόμη και να συλληφθούν για παραγωγή ενέργειας ή καυσίμου.

Πηγή: Oak Ridge National Laboratory

Ξεπερνώντας τις Μηχανικές Προκλήσεις

Αυτή η ιδέα φαίνεται τόσο εντυπωσιακή που μπορεί να είναι έκπληξη το γεγονός ότι δεν έχει υλοποιηθεί μέχρι τώρα.

Ο λόγος είναι ότι η πρακτική υλοποίηση έπρεπε να ξεπεράσει ορισμένα τεχνικά ζητήματα.

Πρώτον, τα ηλεκτρόδια πρέπει να διαχωρίζονται σε υγρές και ξηρές θάλασσες με έναν στερεό αγωγό ιόντων μεταξύ τους. Ο αγωγός επιβραδύνει την κίνηση των ηλεκτρονίων, μειώνοντας την απόδοση της μπαταρίας.

Δεύτερον, αυτό το είδος μπαταρίας Na‑CO₂ δεν είναι αimmune στο πρόβλημα της εναπόθεσης φιλμ στο ηλεκτρόδιο. Ωστόσο, οι ερευνητές διαπίστωσαν, χρησιμοποιώντας πολύ προχωρημένα μικροσκόπια και ακτίνες Χ, ότι άνισες φάσεις φόρτισης και εκφόρτισης εμποδίζουν τη συσσώρευση φιλμ στο ηλεκτρόδιο.

«Αναφέρουμε για πρώτη φορά ότι το απενεργοποιημένο κύτταρο μπορεί να επανενεργοποιηθεί.

Και βρήκαμε την προέλευση της απενεργοποίησης και ενεργοποίησης. Αν φορτίζετε‑αποφορτίζετε τη μπαταρία συμμετρικά για πολύ ώρα, «πεθαίνει» σε ένα στάδιο. Αν χρησιμοποιήσετε το πρωτόκολλο που καθιερώσαμε για το κύτταρό μας, η πιθανότητα αποτυχίας είναι πολύ μικρή.»

Ruhul Amin – ο κύριος ερευνητής του έργου

Ίσως ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι αυτές οι μπαταρίες μπορούν να συλλάβουν το CO₂ χρησιμοποιώντας την αποθηκευμένη ενέργεια, έτσι όχι μόνο όταν η παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας κορυφώνεται, προσφέροντας μεγαλύτερη ευελιξία. Θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει τέλεια λύση για τη σύλληψη άνθρακα από φυγόκεντρα εργοστάσια που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα για παραγωγή ενέργειας όταν ο άνεμος είναι αδύναμος ή ο ήλιος δεν λάμπει.

Μετάβαση σε Εμπορικό Σχέδιο

Με την απόδειξη της έννοιας μιας μπαταρίας CO₂ που μπορεί να επανενεργοποιηθεί, η ομάδα προχώρησε στη βελτίωση της απόδοσης ώστε να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις μιας βιώσιμης μπαταρίας κλίμακας κοινής ωφέλειας.

Για το σκοπό αυτό, ανέπτυξαν μια μπαταρία Al‑CO₂ με την ίδια αρχή όπως το πρωτότυπο Na‑CO₂.

Το πρωτότυπο πέτυχε αξιοσημείωτα αποτελέσματα, ιδιαίτερα:

• 600 ώρες (25 ημέρες) λειτουργίας χωρίς απώλεια χωρητικότητας.
• Αρκετή αποθήκευση για πάνω από 10 ώρες ηλεκτρικής ενέργειας που θα χρησιμοποιηθεί αργότερα.

Τι Ακολουθεί;

Η χρήση θαλασσινού νερού ως υδατικού μέσου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ταχύτητα της μπαταρίας και την παραγωγή υδρογόνου+οξυγόνου δημιουργώντας λεύκανση από τα χλώρια άτομα στο νερό. Έτσι, αυτή η μπαταρία ίσως λειτουργεί με ακόμη πιο χρήσιμα παραπροϊόντα από ό,τι αρχικά αναμενόταν.

Μια άλλη πρόκληση θα είναι η κλιμάκωση του σχεδίου μπαταρίας αλουμινίου‑CO₂ ώστε να ταιριάζει σε πραγματική εγκατάσταση κλίμακας κοινής ωφέλειας.

Άλλη εργασία σε εξέλιξη είναι η επιστροφή στη μπαταρία Νάτριο‑CO₂ και η ανάπτυξη μιας πολύ λεπτής, πυκνής, μηχανικά σταθερής κεραμικής μεμβράνης για το διαχωρισμό των θαλάμων της μπαταρίας, ώστε η μπαταρία να γίνει εμπορικά ανταγωνιστική.

Εταιρείες Μπαταριών

Λόγω των προηγούμενων περιορισμών, υπάρχουν λίγες εταιρείες μπαταριών CO₂. Ωστόσο, καινοτόμες εταιρείες μπαταριών με ιστορικό γρήγορης υιοθέτησης νέας τεχνολογίας θα μπορούν να αξιοποιήσουν την πρόοδο στον τομέα για την ανάπτυξη νέων χημικών ενώσεων εάν χρειαστεί.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

Η BYD είναι η κορυφαία εταιρεία ηλεκτρικών οχημάτων στην Κίνα, με 1.860.000 οχήματα που πωλήθηκαν το 2022, €20 δισεκατομμύρια έσοδα το 2022, και μία από τις μεγαλύτερες ιδιωτικές εταιρείες της χώρας.

Η εταιρεία ξεκίνησε ως ο πρώτος προμηθευτής μπαταριών λιθίου‑ιόντων στη Motorola το 2000 και εισήλθε στον αυτοκινητοβιομηχανικό χώρο ήδη το 2003. Σήμερα δραστηριοποιείται επίσης σε λεωφορεία, τρένα, ημιαγωγούς και αποθήκευση ενέργειας με μπαταρίες.

Πηγή: Byd Company

Χάρη στο τεράστιο μέγεθός της, “Το BYD Υπέρβασε τη LG και Έγινε ο Δεύτερος Μεγαλύτερος Πάροχος Μπαταριών EV στον Κόσμο”

Πέρα από την αγορά EV, η BYD, όπως και η Tesla (TSLA ), επιδιώκει να αξιοποιήσει την τεράστια εφοδιαστική της αλυσίδα μπαταριών για άλλες αγορές. Κυκλοφόρησε ιδιαίτερα το Battery‑Box για οικιακή χρήση, χρησιμοποιώντας χημεία Λιθίου Σιδηροφωσφορικού χωρίς κοβάλτιο. Προσφέρει επίσης το πακέτο New Energy, συνδυάζοντας ηλιακή ενέργεια και λύσεις αποθήκευσης.

Συνδυάζοντας το Battery‑Box και το New Energy, το BYD Energy Storage System (ESS) έχει αποστείλει πάνω από 14 GWh αποθηκευτικής χωρητικότητας.

Η BYD κατέχει ολόκληρη τη διάταξη της εφοδιαστικής αλυσίδας από ορυκτά κύτταρα μπαταριών μέχρι πακέτα μπαταριών. Αυτό της επέτρεψε να δημιουργήσει τη δική της ιδιόκτητη λύση ανακύκλωσης, χρησιμοποιώντας παλιές μπαταρίες αυτοκινήτων ως σταθερή αποθήκευση ή πλήρη ανακύκλωση μπαταριών μέσω μιας νέας υποδιαίρεσης το 2022.

Η BYD επεκτείνεται τώρα στο εξωτερικό, ιδιαίτερα στην Ευρώπη, με σχέδια να τετραπλασιάσει το ακόμη μικρό του μερίδιο αγοράς, καθώς και τοπική παραγωγή στην Ουγγαρία, με χωρητικότητα 150 000 οχημάτων ετησίως που θα μπορούσε να διπλασιαστεί σε 300 000. Αυτό θα μπορούσε να ασκήσει πίεση στους τοπικούς κατασκευαστές και τη Tesla, με τιμή τώρα συγκρίσιμη με τα αυτοκίνητα βενζίνης.

Η επέκταση στις ΗΠΑ είναι πιο προσεκτική καθώς η αντιπαράθεση ΗΠΑ‑Κίνα συνεχίζει να εντείνεται, με δασμούς 100 % στα κινεζικά αυτοκίνητα την άνοιξη του 2024.

Πηγή: BYD

Με ισχυρές προοπτικές ανάπτυξης στη Νότια Αμερική, Ασία και Ευρώπη, καθώς και κυρίαρχη θέση στην Κίνα, την κυριότερη αγορά EV, η μετοχή της BYD αποτελεί την λιγότερο γνωστή και χαμηλότερης αποτίμησης εναλλακτική λύση σε σχέση με την Tesla.

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

Η κινεζική CATL είναι μακράν η μεγαλύτερη εταιρεία μπαταριών στον κόσμο αν κριθεί από τον όγκο παραγωγής. Το 2022 παρήγαγε σχεδόν το ήμισυ των παγκόσμιων μπαταριών κατά GWh.

Διαθέτει επίσης μερικές από τις πιο προηγμένες μπαταρίες Λιθίου Σιδηροφωσφορικού, που θα μπορούσαν να αποτελέσουν λύση για τη δημιουργία φθηνότερων και «αρκετά πυκνών» μπαταριών για χαμηλού κόστους EV.

Η τεχνογνωσία της CATL στη χημεία μπαταριών επεκτείνεται και σε άλλες επιλογές. Ιδιαίτερα, η εντυπωσιακή μπαταρία νάτριο‑ιόντων 160 Wh/kg ανακοινώθηκε το 2021. Η αντικατάσταση του λιθίου με άφθονο και φθηνό νάτριο προσφέρει εναλλακτική λύση στο λίθιο, του οποίου η τιμή ήταν πολύ ασταθής και υψηλή τα τελευταία χρόνια. Και για εφαρμογές που εξακολουθούν να απαιτούν λίθιο, η CATL επενδύει 1,4 δισεκατομμύρια δολάρια για την ανάπτυξη παραγωγής λιθίου στη Βολιβία.

Όσον αφορά την απόδοση των μπαταριών, η CATL βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της προόδου. Πρώτα, ανακοίνωσε μια μπαταρία 330 Wh/kg ultra‑ανθεκτική «μυαλίων μιλίων» που φορτίζει στο 80 % σε 5 λεπτά και είναι έτοιμη για εμπορευματοποίηση. Αυτή η μπαταρία θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί από τη Tesla στο μέλλον και θα γίνει το νέο πρότυπο για υψηλών επιδόσεων EV.

Πρόσφατα ανακοίνωσε επίσης μια ρεκόρ‑σπαστική μπαταρία 500 Wh/kg «συμπυκνωμένη», η οποία θα ήταν αρκετά πυκνή για να τροφοδοτήσει μακρινά EV και αεροπλάνα. Διεκδικεί επίσης ότι βρήκε τρόπο να κάνει τις μπαταρίες να λειτουργούν καλύτερα σε κρύο κλίμα, αλλά αυτό παραμένει αδυναμία της τεχνολογίας και πρόβλημα για τα EV σε ψυχρές χώρες.

Ηγέτες στα EV όπως η Tesla και η BYD, ή φιλόδοξες νέες εισόδους όπως η Toyota, μπορεί να επιδιώξουν την ανάπτυξη δικής τους τεχνολογίας μπαταριών ως μοναδικό πλεονέκτημα. Αλλά το υπόλοιπο της αυτοκινητοβιομηχανίας, συμπεριλαμβανομένων των γερμανικών, αμερικανικών και ιαπωνικών κατασκευαστών, αναζητούν συνεργάτες για να συμβαδίσουν στον αγώνα για προχωρημένες μπαταρίες. Αυτό περιλαμβάνει ιδιαίτερα τη Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda και Mercedes Benz.

Η CATL διαθέτει τον όγκο παραγωγής που της επιτρέπει να επωφεληθεί περισσότερο από τις οικονομίες κλίμακας στην κατασκευή μπαταριών. Ο μεγάλος όγκος πωλήσεων τροφοδοτεί άμεσα την επιστημονική τεχνογνωσία και έναν μεγάλο προϋπολογισμό Ε&Α, επιτρέποντας περισσότερες καινοτομίες. Μη αποτελώντας αυτοκινητοβιομηχανία, αποτελεί επίσης καλύτερο συνεργάτη για το μεγαλύτερο μέρος της βιομηχανίας σε σύγκριση με άμεσους ανταγωνιστές όπως η BYD και η Tesla.

Προς το παρόν, η εταιρεία εστιάζει κυρίως στα EV. Θα μπορούσε να στραφεί προς μπαταρίες κλίμακας κοινής ωφέλειας καθώς η παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας στην Κίνα αυξάνεται και η τεχνολογία ωριμάζει.

Συνολικά, αυτό δημιουργεί ένα ισχυρό επιχείρημα για τη CATL να παραμείνει η παγκόσμια ηγέτιδα στην παραγωγή μπαταριών. Ωστόσο, οι αυξανόμενες εντάσεις μεταξύ ΗΠΑ και Κίνας δεν πρέπει να ξεχαστούν εντελώς, και η μετοχή της μπορεί να παγιδευτεί στη μέση του αγώνα εξουσίας μεταξύ των δύο μεγαλύτερων οικονομικών δυνάμεων του κόσμου.