Mga Non-Chemical na Alternatibo sa mga Baterya para sa Transisyon ng Enerhiya

Ang mga Baterya ba ang Tamang Ideya?

Ang pinapaborang paraan upang alisin ang mga fossil fuel mula sa mga industriyalisadong ekonomiya ay ang elektripikasyon. Ang layunin ay palitan ang mga sasakyang ICE (Internal Combustion Engine) ng mga EV (Electric Vehicles) at lumikha ng init gamit ang heat pumps sa halip na pagsunog. Ito ay isang bagay na aming sinuri nang detalyado sa aming artikulo “Ang Hinaharap ng Mobilidad – Teknolohiya ng Baterya”.

Ang problema ay para ang pagbabagong ito ay tunay na ‘berde’, ang kuryente ay kailangang magmula sa mga renewable o sustainable na pinagmumulan – na, depende sa tanong, maaaring isama ang nuclear.

Sa parehong kaso, ang mga pagbabago sa pangangailangan ng kuryente sa araw at sa panahon ay nangangahulugang kailangan mong magtayo ng maraming spare capacity na mananatiling hindi nagagamit sa karamihan ng oras. Ito ay lalong totoo para sa mga renewable, dahil ang solar ay bumababa ang performance sa malamig at maulap na taglamig, at ang hangin ay maaaring huminto sa pag-ihip ng ilang linggo.

Kaya’t may matinding pangangailangan para sa pangmatagalang imbakan ng enerhiya. Isang solusyon ay ang utility‑scale na mga baterya, na gumagamit ng mga bagong kimika na nag-aalok ng mas mababang gastos o iba pang mga benepisyo. Ito ay isang bagay na aming sinuri nang detalyado sa aming artikulo “Ang Hinaharap ng Imbakan ng Enerhiya – Teknolohiya ng Utility‑Scale na Baterya“. Isa pang opsyon ay ang paggawa ng ilang anyo ng likidong fuel na maaaring itago hanggang sa kailanganin ito, tulad ng likidong hydrogen o likidong ammonia, na detalyado namin sa mga artikulong “Ang Ibang Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” & “Algal Biofuel: Ang Susunod na Rebolusyon sa Enerhiya?”.

Ngunit paano kung ang tamang paraan upang mag-imbak ng enerhiya para sa mga araw, linggo, buwan, o kahit taon ay hindi mga baterya? Sa artikulong ito, titingnan natin ang lahat ng non‑chemical na opsyon para sa imbakan ng enerhiya.

Hangin na Piniga

Mga Bentahe ng Hangin na Piniga

Ang pag‑compress ng hangin ay nangangailangan ng maraming enerhiya. Ang parehong enerhiyang ito ay maaaring bahagyang makolekta muli kapag dine‑compress ang nakaimbak na hangin.

Isang pangunahing bentahe ng teknikang ito ay gumagamit lamang ito ng mga mekanikal na bahagi tulad ng mga tubo, bomba, at tangke, na nangangailangan lamang ng simpleng materyales tulad ng bakal, sa halip na mga bihirang materyales tulad ng rare earth, cobalt, lithium, atbp. Maaari pa itong umasa sa isang napagod na natural gas reservoir, na nagbibigay ng napakalaking “tangke” sa napakababang gastos. At siyempre, ang hangin ay ganap na libre at madaling makuha kahit saan.

Pinagmulan: Electricity Forum

Isa pang bentahe ay ang pag‑compress ng hangin ay isang lubos na nauunawaan na teknolohiya, na may napakakilala at matatag na supply chain, na maaaring handa para sa mabilis na pag‑scale kung kinakailangan. Ito rin ay isang sistema na maaaring mag-imbak ng enerhiya nang napakatagal na may kaunting o walang pagkawala.

Mga Kakulangan ng Hangin na Piniga

Isang pangunahing problema sa paggawa ng compressed air na epektibo ay ang pisikal na phenomenon na nangyayari kapag nag‑compress ka ng anumang gas. Ang init ay nabubuo sa panahon ng compression. Kadalasang kailangang ilabas ang init na ito upang maiwasan ang pinsala sa compression system, at nagreresulta ito sa nasasayang na enerhiya. Ang hangin ay lumalamig din kapag dine‑compress, na madalas nangangailangan ng mga sistema ng pag‑painit.

30‑40% ng enerhiya ay maaaring mawala dahil dito. Maaari pang mas malala ito para sa mga hindi gaanong epektibong disenyo. Sa ngayon, ang pinakamahusay na kahusayan sa sukat ay naabot sa China na may 30% na pagkawala, sa 400 MWh Zhangjiakou plant na dinisenyo ng Chinese Academy of Sciences.

Kaya habang ang compressed air ay maaaring maging katanggap‑tanggap na opsyon para sa mababang gastos na pang‑matagalang imbakan sa pagitan ng mga panahon, ang hindi maiiwasang 30%+ na pagkawala ng enerhiya ay nagpapabigat sa ekonomiks ng sistema. Tanging kung ang init na nabuo sa panahon ng compression ay maaaring i‑recycle sa ibang proseso lamang maaaring maging tunay na epektibo ang mga sistemang ito.

Bateryang Gravity

Sa pisika, anumang bagay na umaakyat ay itinuturing na kumukuha ng mas mataas na antas ng “potential energy”. Ang enerhiyang ito ay nagiging paggalaw pababa sa sandaling pinahintulutang bumaba ang bagay. Mula sa katotohanang ito nagmula ang ideya ng paggamit ng gravity upang mag‑imbak ng enerhiya.

Pumped Hydro

Ito ang pinaka‑karaniwang ginagamit na anyo ng utility‑scale na imbakan ng enerhiya ngayon, na bumubuo ng 90% ng global grid energy storage capacity noong 2020, ayon sa Department of Energy Global Energy Storage Database.

Ang pag‑generate ng hydropower ay gumagamit ng potensyal na enerhiya sa tubig mula sa pag‑ulan, iniimbak ito sa likod ng mga dam, at pinakakawalan upang lumikha ng kuryente. Ang pumped hydro ay gumagamit ng kuryente upang ibalik ang tubig pataas sa hydropower station.

Ang storage dam ay maaari ring itayo lamang para sa layunin ng pump storage, at nangangailangan lamang ng mabundok na tanawin kumpara sa malaking hydropower dam na madalas nangangailangan ng kabundukan. Bilang alternatibo, maaaring gamitin ang isang underground reservoir.

Pinagmulan: Energy.gov

Ang mga pagkawala ng enerhiya ay karaniwang nasa saklaw ng 20‑30%. Ang imbakan ay maaaring tumagal ng ilang buwan na may limitadong pagkawala, kahit sa mga rehiyon na hindi masyadong mainit. Ang pangangailangan sa kapital ay maaaring maging malaki, ngunit ang mga pumped hydro installation ay napakatagal din.

Isang kawili‑wikiling ideya na tinalakay lamang ngunit hindi pa nasusubukan sa sukat, ay ang paggamit ng electrolysis upang gawing hydrogen ang tubig sa mas mababang altitud. Ang hydrogen, na mas magaan kaysa hangin, ay pagkatapos ay itinutulak pataas “walang enerhiya” na pataas. Ito ay muling binabago sa tubig (na nagbabalik ng bahagi ng enerhiyang ginamit sa electrolysis). Ang tubig na iyon ay pagkatapos ay muling gumagawa ng kuryente habang bumababa sa pamamagitan ng isang hydropower turbine.

Habang maaaring magkaroon ng mas mahusay na kabuuang kahusayan kaysa pumped hydro, ang laki ng mga electrolyzer na kinakailangan ay maaaring magpataas pa rin ng gastos ng sistema.

Concrete/Rock Energy Storage

Ang tubig ay hindi lamang ang maaaring iimbak upang mag‑akumulado ng enerhiya gamit ang gravity. Ang mga bato, concrete block, at iba pang napakabigat na bagay ay maaari ring magamit.

Sa kasong ito, ang teknolohiyang kinakailangan ay mas simple pa kaysa sa pumped hydro, dahil ito ay pangunahing nakasalalay sa mga kran at alternator para sa pag‑imbak ng enerhiya at muling pag‑labas nito. Ang mga kran at bato ay hindi rin talaga bihirang materyales.

Ang malaking bentahe ng mga sistemang ito ay ang kanilang kahusayan. Karamihan sa nasasayang na enerhiya sa pump hydro ay nagmumula sa turbulence sa tubig, na nagpapababa ng kahusayan ng pump. Sa kabaligtaran, ang mga kran at kable ay maaaring magbigay ng pagkawala na kasing baba ng 15% (isang ika‑apat na mas kaunting pagkawala kaysa sa pumped hydro).

Sa kasalukuyan, ang mga kumpanyang Gravitricity at Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) ay nagtutulak para sa mga konseptong ito.

Ang Gravitricity ay nire-recycle ang mga abandonadong minahan upang ma‑access ang mga handa at madaling hawakan na balon na ilang daang metro ang lalim upang mag‑imbak ng enerhiya gamit ang kanilang GraviStore system.

Ang Energy Vault naman ay naglalayong magtayo ng dedikadong mga konstruksyon, na may mga bloke na umaakyat at bumababa depende sa pangangailangan ng enerhiya.

Sa daan‑daang libong mga minahan sa buong mundo, maaaring magkaroon ito ng mas malaking potensyal kaysa sa inaasahan ng marami at makinabang mula sa katotohanang umiiral na ang imprastruktura. Ang kumpanya ay tumitingin sa pakikipagtulungan sa Swedish industrial giant na ABB upang tapusin ang pag‑develop ng teknolohiya, pati na rin ma‑access ang napakalaking pool ng mga mining customer ng ABB.

Pinagmulan: ABB

Ang limitasyon ng “solid energy storage” gamit ang gravity ay ang enerhiyang nakaimbak sa ilang sampu o daang metro lamang ay hindi ganoon kalaki. Isang opsyon ay ang simpleng magkaroon ng sapat nito, tulad ng daan‑daang libong minahan tulad ng Gravitricity, o isang napakalaking dedikadong “warehouses” tulad ng Energy Vault.

Isa pang opsyon ay magkaroon ng mas mahabang lalim. Para dito, ang mga deep‑sea bed malapit sa baybayin ay isang opsyon. Maaaring magtayo ng floating platform sa itaas ng nasabing lugar, at magbaba o magtaas ng bigat sa loob ng ilang libong metro. Ang konseptong ito ay tinatawag na Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Isang kumpanya na nagtatrabaho sa konseptong ito ay ang French startup Sink Float Solutions.

Pinagmulan: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions ay nag-aangkin ng potensyal na umabot hanggang 80% na kahusayan at napakababang gastos.

“Sa kasalukuyan, ang mga offshore crane na may pinakamalaking load capacity ay maaaring magbuhat ng bigat na 4000 tonelada, na para sa isang vertical speed na 20 km/h, ay katumbas ng kapangyarihan na 200 MW. Maraming winches sa parehong site ang maaaring magamit nang sabay‑sabayan.”

Ang aktwal na ekonomiks ng mga sistemang ito ay lubos na nakadepende sa kanilang tibay, kung saan ang corrosion mula sa tubig-dagat sa mga mekanikal na bahagi ay ang pangunahing alalahanin.

Sand/Heat Batteries

Maraming kuryente ang ginagamit upang lumikha ng init, alinman para sa industriyal na paggamit o upang panatilihing mainit ang mga bahay at apartment sa taglamig. Sa halip na mag‑imbak ng kuryente tulad ng isang chemical na baterya, ang sand battery ay naglalayong mag‑imbak ng init nang direkta.

Ang ideya ay magtayo ng isang malaking silo (tulad ng mga ginagamit para sa butil), punuin ito ng buhangin, at magdagdag ng isolation. Ang buhangin ay pagkatapos ay pinainit hanggang 400°C. Dahil ang buhangin ay may mababang thermal conductivity AT mataas na thermal mass, maaari itong mag‑imbak ng NAPAKADAKING enerhiya. Ito rin ay napakatibay, hindi nasisira kahit sa ganitong mataas na temperatura.

Pinagmulan: Polar Night Energy

Ang konseptong ito ay nakabatay sa napakasimpleng teknolohiya, gamit ang karaniwang mga tubo, air pump, electric resistance, bakal, at mababang kalidad na buhangin na hindi magagamit para sa mga aplikasyon tulad ng concrete.

Ang nangunguna sa teknolohiyang ito ay ang Finnish na kumpanya Polar Night Energy. Ito ay isang konsepto na lalong epektibo sa mga bansang Nordic na may umiiral nang “district heating”, kung saan ang mainit na tubig para sa mga radiator ay ginagawa sa isang sentralisadong lokasyon para sa daan‑daang o libu‑libong yunit. Ito ay kapansin‑pinakamahalaga sa Scandinavia, Germany, at karamihan ng Eastern Europe at mga dating bansa ng USSR.

Dahil minimal ang mga pagkawala ng enerhiya, maaaring i‑accumulate ang enerhiya sa mahabang maaraw na buwan ng tag‑summer (na maaaring tumagal ng 20‑24 oras/araw sa Finland). Ang sobrang photovoltaic production ay maaaring i‑store sa ganitong paraan upang panatilihing mainit ang bansa sa taglamig at bawasan ang seasonal spike sa demand ng kuryente dulot ng pangangailangan ng init.

Maari naming isipin na ang mga karagdagang iterasyon ng konsepto ay maaaring gamitin upang painitin ang mga greenhouse, o umasa sa mga thermal solar system.

Isang katulad na konsepto ng “heat battery” ay binubuo rin ng Rondo Energy. Ang mga brick na ito ay maaaring painitin hanggang 1500°C. Dahil sa mas mataas na temperatura, ang aplikasyon na ito ay maaaring magamit hindi lamang para sa district heating, kundi pati na rin sa mga industriyal na aplikasyon tulad ng paggawa ng semento, metallurgy, chemicals, o pagmimina.

Pinagmulan: Rondo Energy

Samantala, ang kumpanya na Stiesdal ay nagtatrabaho rin sa isang heat battery gamit ang durog na bato. Ang kapasidad ng grid storage ay inaasahang mag‑range mula kahit saan sa pagitan ng 10 oras hanggang 10 araw.

Sa huli, ang higanteng tagagawa ng semento na Holcim ay nagde‑develop din ng solusyon na nakabatay sa semento, na nag-iimbak ng init kapag tuyo at naglalabas nito kapag nababasa. Dahil ang cycle ay maaaring ulitin nang walang hanggan, dapat itong maging mababa ang gastos sa mahabang panahon.

Idinisenyo ito upang mag‑imbak ng anumang sobrang init sa isang industriyal na setup. Maaaring magamit ito bilang karagdagan sa isang compressed station, na nagbabawas ng pagkawala mula sa pag‑init ng hangin kapag na‑compress.

Sa 300kW ng enerhiya bawat cubic meter ng densidad, maaaring mag‑imbak ito ng maraming kapangyarihan gamit ang ilang libong tonelada ng medyo murang at saganang semento. Unang inilantad noong 2022, ang konsepto ay kasalukuyang nasa development stage.

Flywheels

Isa pang paraan upang mag‑imbak ng enerhiya ay panatilihin ito sa anyo ng mekanikal na galaw. Ang mga flywheel ay mga aparato na nag-iimbak ng enerhiya sa pamamagitan ng pag‑ikot ng mekanikal na gulong sa vacuum sa magnetic bearing, na umaabot sa bilis na 20,000 hanggang 50,000 rpm. Ang sistema ay maaaring mag‑imbak o mag‑balik ng enerhiya sa pamamagitan ng pagpapabilis o pagpapabagal ng flywheel.

Ang pangunahing bentahe ng mga sistemang ito ay napakabilis nilang tumugon sa loob ng ilang milisegundo. Kaya hindi lamang sila maaaring mag‑imbak ng enerhiya, kundi makakatulong din sa pag‑stabilize ng frequency ng electric grid, isang bagay na mas mahirap gawin nang walang malalaking centralized power plant tulad ng coal, gas, o nuclear.

Mga kumpanya tulad ng Siemens Energy ay nagsagawa ng pilot projects gamit ang flywheels, tulad sa South Australia (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Ang ibang startup ay nagtatrabaho rin sa konseptong ito tulad ng Stornetic, na may sistemang inaasahang tatagal ng hindi bababa sa 20 taon at 100,000 charge/discharge cycle.

Pinagmulan: Stornetic

Isa pang kumpanya ay S4 Energy, na may 60 MWh operational o under construction, at pipeline ng 1,050 MWh. Ang reaktibidad ng flywheel ay maaari ring makatulong na gawing mas epektibo ang ilang operasyon kapag may biglaang pagtaas ng demand ng kuryente, tulad ng mga crane sa port ng Rotterdam, kung saan ang flywheel ay ginagamit upang muling kunin ang enerhiya kapag ibinaba ang load. Ang flywheel ng kumpanya, KINEXT, ay partikular na mabigat (5 tonelada) at gumagalaw nang medyo mabagal (“only” 1,800 rpm), na ginagawa itong napakatagal, may mababang operating cost, at madaling i‑maintain. Ang flywheel ay may 8% lamang na pagkawala ng naka‑imbak na enerhiya, na bahagyang mas maganda kaysa sa lithium‑ion baterya.

Bagaman napaka‑epektibo at reaktibo, ang kabuuang enerhiya na naka‑imbak ng flywheel ay mas mababa kaysa sa ibang solusyon para sa kanilang gastos, kaya malamang na manatili itong nakatuon sa mga niche application at para sa grid frequency stability.

Thermal Solar

Ang mga photovoltaic panel ay direktang nagko‑convert ng solar rays sa kuryente. Sa paghahambing, ang solar thermal power plant ay kinokolekta ang init ng araw at kinokoncentrate ito upang lumikha ng kuryente.  Dahil mas madaling i‑store ang init na may kaunting inertia, ang mga solar station na ito ay maaaring mag‑produce ng kuryente nang maraming oras pagkatapos ng paglubog ng araw, eksaktong kapag tumataas ang konsumo ng enerhiya.

Ang ideyang ito, na nawalan ng kasikatan dahil sa pagtaas ng yield ng photovoltaic panel, ay maaaring bumalik ngayon na ang intermittency ng renewables ay nagiging mas malaking isyu habang sila ay nagiging mas malaking bahagi ng power generation mix.

Pinagmulan: Energy.gov

Bagaman promising, ang konseptong ito ay historically na pinahirapan ng mataas na gastos. Ang pagdadala ng init mula sa collector papunta sa generator ay napatunayang mahirap, na nagreresulta sa mapanganib na init at waste hydrogen. Ang isa pang disenyo na gumagamit ng molten salts ay nagkaroon ng mga leaks at reliability issues.

Problemado rin ito para sa wildlife, dahil ang mga ibon ay maaaring regular na masunog ng hindi nakikitang at napakakoncentradong sinag ng araw.

Sa hinaharap, ang mga disenyo na mas maliit at samakatuwid ay hindi gaanong nakaka‑disrupt sa ekolohiya ay maaaring magdala muli ng concentrated solar power sa spotlight.