Enemmän energiaa, vähemmän hiilidioksidia – Uuden akkuteknologian monipuolinen lähestymistapa kestävyyteen

Akku vai hiilidioksidin talteenotto? Miksei molemmat?

Vihreän energian ja sähköistämisen edistäminen johtuu lähinnä tarpeesta vähentää hiilidioksidipäästöjä ilmastonmuutoksen yhteydessä. Kuitenkin aurinko- ja tuulivoima ovat luontaisesti epäsäännöllisiä.

Siispä mitä enemmän vihreä energia syöttää verkkoon, sitä enemmän hyötyakkuja tarvitaan energian varastoimiseen huipputuotannon aikana ja sen jakeluun verkkoon myöhemmin. Hyötyakut todennäköisesti käyttävät hyvin erilaisia kemioita kuin sähköautot, koska ne eivät toimi samoissa rajoitteissa:

• Ei tarvita korkeaa energiapitoisuutta tai keveyttä, hyötyakut voidaan varastoida maassa voimalaitoksissa tai omistetuilla alueilla.
• Äärimmäinen herkkyys kokonaiskustannuksille (rakentaminen + toiminta).
• Tarve käyttää halpoja ja runsaita materiaaleja massakäyttöön, jättämällä pois metallit kuten koboltti, platina, palladium jne. (tai mieluiten jopa litium).
• Tarve erittäin pitkälle käyttöiälle ilman kapasiteetin heikkenemistä, mieluiten useiden vuosikymmenten ajan.

Tämä on aihe, jonka olemme aiemmin käsitelleet perusteellisesti artikkelissamme “Energiavarastojen tulevaisuus – Hyötyakuteknologia”, jossa listasimme suurimman osan mahdollisista kehitteillä olevista kemioista tähän sovellukseen.

Kaikki nämä akut toimivat, jotta vihreästä energiasta tulisi taloudellisesti kannattavampaa ja laajemmin omaksuttua, mikä vähentäisi hiilidioksidipäästöjä. Kuitenkaan ne eivät suoraan vähennä päästöjä tai talleta hiiltä.

Jopa niin sanotut CO2‑akut vapauttaisivat CO2:n uudelleen, kun sähkö purkautuu.

Tämä voi muuttua mullistavan uuden akkusuunnittelun ansiosta, joka ei ainoastaan varastoi energiaa, vaan myös tuottaa vetyä ja sitoo hiiltä pysyvästi.

Hiilidioksidin talteenottoakut

Hiilidioksidin talteenotto on ajatus, jossa normaalisti vapautuva CO2 muutetaan takaisin hyödyllisiksi tuotteiksi. Lisätietoa erilaisista hiilidioksidin talteenottoteknologioista Energy Trackerin artikkelissa.

Lähde: EnergyTracker

J jusqui nyt tällainen prosessi oli lisättävä teollisuusprosesseihin ja edusti lisäkustannusta ilman käytännöllistä tuotetta, vain hiilen talteenottoa. Prosessi itsessään ei ollut hyödyllinen.

Käsittelimme hiilidioksidin talteenoton nykytilaa tarkemmin artikkelissamme “Top 5 hiilidioksidin talteenottosijoitusta”.

Oak Ridge National Laboratoryin tutkijat saattavat olla löytäneet tavan tehdä hiilidioksidin talteenotosta olennainen osa vihreän energian verkkoa ja siihen liittyviä akkuja. He julkaisevat löydöksensä Journal of Power Sources -lehdessä otsikolla “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage”.

Aikaisempi käsite päivitetty

Hiilidioksidin talteenottoakku on päivitys perinteiseen metalli‑CO2‑akkuun, jossa CO2 kiertää sisään‑ ja ulos samalla, kun metalli (M) hapettuu; metalli voi olla natrium (Na), litium (Li) tai magnesium (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

Metalli‑CO2‑akkujen toistuva ongelma on kiinteiden purkautumistuotteiden, kuten M2CO3(s) (M = Li tai Na), Al2(C2O4)3(s) tai MgCO3(s), kerrostuminen elektrodin pinnalle, mikä usein johtaa huokosrakenteen tukkeutumiseen.

Tämä tukkeutuminen heikentää akkua, vähentäen sen kapasiteettia nopeasti.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat kehittivät kaksi potentiaalista akkua, yhden natriumin ja toisen alumiinin pohjalta, molemmat runsaasti saatavilla ja edullisia materiaaleja.

Na‑CO2‑akku perustuu rauta-nikkeli‑katalysaattoriin, joka on paljon halvempi kuin useimmat teollisuuden katalyytit.

Toisin kuin aikaisemmat mallit, uusi CO2‑akku ei vapauta CO2:ta kaasumaisena, vaan karbonaattijäte liukenee nestemäiseen elektrolyyttiin.

Nämä karbonaatit voidaan joko pitää akussa tai kerätä, kun ne kiteytyvät kiinteäksi muodoksi. Lääketeollisuus tai sementtiteollisuus voi sitten käyttää niitä.

Ainoa vapautuva kaasu on happi ja vety, jotka eivät vaikuta ilmastonmuutokseen ja voidaan jopa tallettaa energian tai polttoaineen tuotantoa varten.

Lähde: Oak Ridge National Laboratory

Teknisten haasteiden voittaminen

Tämä idea vaikuttaa niin vaikuttavalta, että voi olla yllättävää, ettei sitä ole aiemmin toteutettu.

Syy on, että käytännön toteuttaminen vaati useiden teknisten ongelmien voittamista.

Ensinnäkin elektrodin on oltava erotettu kosteaan ja kuivaan kamariin kiinteän ionikonduktorin avulla. Tämä konduktori hidasti elektronien liikettä, mikä vähensi akun tehokkuutta.

Toiseksi tämäntyyppinen Na‑CO2‑akku ei ole immuuni CO2‑akkujen elokuvan kerrostumisongelmaa vastaan. Tutkijat kuitenkin havaitsivat erittäin kehittyneillä mikroskoopeilla ja röntgenlaitteilla, että epätasainen lataus‑ ja purkausimpulssi estää kalvon kertymisen elektrodille.

“Raportoimme ensimmäistä kertaa, että passivoitunut solu voidaan aktivoida uudelleen.

Löysimme passivoinnin ja aktivoinnin alkuperän. Jos lataat‑purat akkua symmetrisesti liian pitkään, se kuolee jossain vaiheessa. Jos käytät solullamme kehittämää protokollaa, epäonnistumisen mahdollisuus on erittäin pieni.”

Ruhul Amin – projektin pääasiallinen tutkija

Ehkä vielä vaikuttavampaa on, että nämä akut voivat tallettaa CO2:n varastoidun energian avulla, eivätkä ainoastaan silloin, kun uusiutuvan energian tuotanto on huippua, mikä antaa niille enemmän joustavuutta. Ne voisivat myös olla täydellinen ratkaisu hiilen talteenottoon huippuvoimalaitoksista, jotka käyttävät fossiilisia polttoaineita, kun tuuli on heikko tai aurinko ei paista.

Siirtyminen kaupalliseen suunnitteluun

Kun CO2‑akun konseptin toimivuus, että passivoitu solu voidaan aktivoida uudelleen, oli todistettu, tiimi pyrki parantamaan suorituskykyä vastaamaan käyttökelpoisen hyötyakun vaatimuksia.

Tämän vuoksi he kehittivät Al‑CO2‑akun samankaltaisen periaatteen pohjalta kuin Na‑CO2‑prototyyppi.

Prototyyppi saavutti merkittäviä tuloksia, erityisesti:

• 600 tuntia (25 päivää) toiminta ilman kapasiteetin heikkenemistä.
• Riittävä varastointi yli 10 tunnin sähköä myöhempää käyttöä varten.

Mitä seuraavaksi?

Merenveden käyttäminen vesiliuoksena voi merkittävästi nopeuttaa akun toimintaa sekä vety‑ ja happituotantoa luomalla valkaisuainetta veden klooriatomeista. Näin akku saattaa tuottaa vieläkin hyödyllisempiä sivutuotteita kuin alun perin odotettiin.

Toinen haaste on viedä alumiini‑CO2‑akunsuunnitelma suurempaan mittakaavaan, joka soveltuu todelliseen hyötyakkujen käyttöönottoon.

Toinen keskeneräinen työ on palata natrium‑CO2‑akkuun ja kehittää erittäin hieno, tiheä, mekaanisesti vakaa keraaminen kalvo, joka erottaa akkun kamarit ja tekee akusta kaupallisesti kilpailukykyisen.

Akkuyritykset

Aikaisempien rajoitteiden vuoksi CO2‑akkuja valmistavia yrityksiä on vähän. Kuitenkin innovaatiokykyiset akkuyritykset, joilla on historia nopeasta uusien teknologioiden omaksumisesta, pystyvät hyödyntämään alalla tehtyä edistystä kehittääkseen uusia kemioita tarpeen vaatiessa.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD on Kiinan johtava sähköautoyritys, jonka myyntiin tuli 1 860 000 ajoneuvoa vuonna 2022, €20 Mrd liikevaihtoa vuonna 2022, ja se on yksi maan suurimmista yksityisyrityksistä.

Yritys aloitti ensimmäisenä litium‑ioni‑akkujen toimittajana Motorola‑lle vuonna 2000 ja siirtyi autoteollisuuteen jo vuonna 2003. Nykyään se on myös aktiivinen busseissa, junissa, puolijohteissa ja akkukapasiteetin varastoinnissa.

Lähde: Byd Company

Suuren kokonsa ansiosta “BYD ohitti LG:n ja nousi maailman toiseksi suurimmaksi sähköautojen akkuvalmistajaksi”

EV‑markkinan ulkopuolella BYD, kuten Tesla (TSLA ), pyrkii hyödyntämään valtavaa akkutarjontaansa muilla markkinoilla. Se lanseerasi erityisesti Battery‑Boxin kotitalouskäyttöön, käyttäen kobolttitonta litium‑rauta‑fosfaatti‑kemiaa. Lisäksi se tarjoaa New Energy -pakettia, joka yhdistää aurinko- ja varastointiratkaisut.

Yhdistämällä Battery‑Boxin ja New Energyn, BYD Energy Storage System (ESS) on toimittanut yli 14 GWh varastokapasiteettia.

BYD hallitsee koko toimitusketjua mineraaliparillisista akkuista akkupaketteihin. Tämä auttoi sitä perustamaan oman patentoiman kierrätysratkaisun, jossa vanhoja autokennoja käytetään kiinteinä varastoina tai kokonaisena akkujen kierrätyksenä uuden alijohdannon avulla vuonna 2022.

BYD laajentaa nyt ulkomaille, erityisesti Eurooppaan, suunnitelmien mukaan nelinkertaistaa edelleen pienen markkina‑osuutensa, sekä paikallisen tuotannon Unkarissa, jonka kapasiteetti on 150 000 ajoneuvoa vuodessa ja jonka voi kaksinkertaistaa 300 000:aan. Tämä voi asettaa paineita paikallisille valmistajille ja Teslalle, hintatasolla, joka on nyt lähellä polttomoottoriautoja.

Laajentuminen Yhdysvalloissa on varovaisempaa, sillä Yhdys‑Kiina‑kilpailu kiristyy, ja Kiinan autoihin kohdistettiin keväällä 2024 100 % tullimaksu.

Lähde: BYD

Vahvojen kasvunäkymien ansiosta Etelä-Amerikassa, Aasiassa ja Euroopassa sekä hallitsevana asemana Kiinassa, joka on sähköautojen johtava markkina, BYD:n osake on vähemmän tunnettu ja alhaisemman arvostuskertoimen vaihtoehto Teslalle.

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

Kiinalainen CATL on selvästi maailman suurin akkuyritys, jos mittarina on akkujen määrä. Se tuotti vuonna 2022 lähes puoli maailman akkuista GWh‑yksikössä.

Se omaa myös joitakin kehittyneimmistä litium‑rauta‑fosfaatti‑akuista, jotka voivat olla ratkaisu halvempien ja “riittävän tiheiden” akkujen valmistamiseen edullisille sähköautoille.

CATL:n asiantuntemus akku‑kemioissa ulottuu myös muihin vaihtoehtoihin. Erityisesti vaikuttava 160 Wh/kg natrium‑ioni‑akku ilmoitettiin vuonna 2021. Litiumin korvaaminen runsaalla ja edullisella natriumilla tarjoaa vaihtoehdon litiumille, jonka hinta on ollut viime vuosina hyvin epävakaa ja korkea. Ja sovelluksissa, jotka edelleen vaativat litiumia, CATL investoi myös 1,4 miljardia dollaria litiumin tuotannon kehittämiseen Boliviassa.

Mutta akkujen suorituskyvyn osalta CATL on aivan eturintamassa. Ensin se ilmoitti 330 Wh/kg ultra‑kestävän “miljoona mailia” -akun, joka latautuu 80 %:iin viidessä minuutissa ja on valmis kaupallistettavaksi. Tämä akku tulisi tulevaisuudessa Teslan käyttöön ja asettaa uuden standardin suorituskykyisille sähköautoille.

Se on myös äskettäin ilmoittanut ennätyksellisen 500 Wh/kg “tiivistetyn” akun, joka olisi tarpeeksi tiheä pitkän matkan sähköautoille ja lentokoneille. Se väittää myös löytäneensä tavan tehdä akkuja toimimaan paremmin kylmissä olosuhteissa, mutta kylmässä ilmastossa toimiminen on edelleen teknologian heikkous ja ongelma sähköautoille kylmissä maissa.

EV‑markkinoiden johtajat kuten Tesla ja BYD, tai kunnianhimoiset uudet tulokkaat kuten Toyota, saattavat kehittää omaa akkuteknologiaa ainutlaatuisena etuna. Mutta muun autoteollisuuden, mukaan lukien saksalaiset, amerikkalaiset ja japanilaiset valmistajat, on etsittävä kumppaneita pysyäkseen mukana akkujen kehityskilpailussa. Tämä sisältää erityisesti Fordin, Nion, BAICin, Volvon & BMW:n, Hondan ja Mercedes‑Benzin kanssa.

CATL:lla on tuotantomäärä, jonka avulla se hyötyy eniten mittakaavaetuista akkuvalmistuksessa. Suuri myyntivolyymi ruokkia suoraan tieteellistä osaamista ja laajaa T&K‑budjettia, mikä mahdollistaa uusia läpimurtoja. Koska se ei ole autonvalmistaja, se on myös parempi kumppani suurimmalle osalle teollisuudesta kuin suorat kilpailijat kuten BYD ja Tesla.

Toistaiseksi yritys on keskittynyt pääasiassa sähköautoihin. Se saattaa kääntyä hyötyakkujen puoleen, kun Kiinan uusiutuvan energian tuotanto kasvaa ja teknologia kypsyy.

Kokonaisuudessaan tämä muodostaa vakuuttavan perustelun CATL:n pysymiselle maailman johtavana akkuvalmistajana. Kuitenkin Yhdys‑Kiina‑jännitteiden kiristyessä tätä ei pidä täysin unohtaa, ja sen osake saattaa juuttua kahden maailman suurimman talouden välisten valtataistelun keskelle.