Wszystko elektryczne: Dlaczego czysta przyszłość wymaga samochodów elektrycznych i nie tylko

27 minute read

Zaktualizowano Wed Mar 03 2021

Co mają wspólnego telefony, lodówki i telewizory? Używają energii w formie elektryczności.

Ale niektóre rzeczy używają bezpośrednio paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa i gaz. Jak myślisz, które dwie rzeczy zużywają najwięcej ropy naftowej lub gazu?


Dlaczego chcemy, aby (prawie) wszystko było elektryczne? Ponieważ czyste reaktory jądrowe, panele słoneczne i turbiny wiatrowe wytwarzają energię elektryczną. Aby korzystać z tej czystej energii elektrycznej, musimy być w stanie zasilać transport i ogrzewanie energią elektryczną, a nie ropą czy gazem.

Dodajmy, że przekształcenie emisji dwutlenku węgla z emisji mobilnych, czyli spalin (np. z samochodów) w stałe (z elektrowni), sprawia, że wyłapywanie węgla z powietrza jest dużo prostsze. Ale więcej o tym w innym rozdziale naszego kursu pt. „Innowacje przemysłowe”!

Przekształcanie energii elektrycznej w ciepło ma prawie 100% skuteczności. Jedyną rzeczą, która nas powstrzymuje, jest niewiarygodnie niska cena gazu. Dlatego musimy sprawić, by czysta energia elektryczna była tańsza. Pamiętajmy, że nie ma sensu używać energii elektrycznej zamiast gazu, jeśli energia elektryczna pochodzi z paliw kopalnych.

A więc co z transportem?

Baterie mogłyby zastąpić 71% paliw wykorzystywanych w transporcie!

Bateria vs paliwo lotnicze

Ale co z samochodami osobowymi, ciężarowymi, autobusami itp.? Samochody elektryczne już istnieją, a dzięki pewnej poprawie wydajności i żywotności baterii, elektryczne ciężarówki są również w zasięgu ręki. Na szczęście ten rodzaj transportu lądowego stanowi większość wszystkich emisji związanych z transportem.

Udział emisji pochodzących z transportu

Poprawa wydajności, żywotności i kosztów akumulatorów jest kluczowym elementem przejścia na transport elektryczny. Jeśli brzmi to dla Ciebie interesująco, czytaj dalej! Omówimy dość szczegółowo, jak działają współczesne akumulatory, a następnie przejdziemy do tego, jak mogą być ulepszone.

Czym są akumulatory?

Akumulator litowo-jonowy

Istnieje wiele typów związków chemicznych użytych w akumulatorach, ale składają się one głównie z komponentów pełniących te same podstawowe role:

  • Atomy litu, z których każdy może oddać elektron, aby stać się dodatnim jonem litu (stąd pochodzi słowo „akumulator litowo-jonowy"!).
  • Katoda - materiał, który przyciąga lit (to jest dodatnia strona akumulatora).
  • Anoda - materiał, który może przechowywać jony litu i elektrony, zwykle materiał zwany grafitem (jest to strona ujemna akumulatora).
  • Separator - ściana pomiędzy katodą i anodą. Jony litu mogą przez niego przechodzić, ale elektrony są zatrzymywane.
  • Elektrolit - materiał, w którym umieszczone są katoda i anoda. Nie ma on ładunku elektrycznego, więc nie reaguje z pozostałą częścią akumulatora i może być płynny lub stały.

Przyjrzyjmy się temu dokładniej.

Jak działa ładowanie?

Podsumowując, ładowanie polega na wykorzystaniu energii do przetłoczenia litu z dodatniej katody do ujemnej anody.

W jakiej formie energia jest magazynowana w akumulatorze??


Ładowanie akumulatora litowo-jonowego

Kiedy pusty akumulator zostanie podłączony do innego źródła zasilania, elektron zostanie oderwany od każdego atomu litu i zacznie przepływać przez źródło zasilania od katody do anody.

Dlaczego?


Kiedy elektron jest odrywany od litu, pozostawia za sobą dodatnio naładowane jony litu. Te dodatnio naładowane jony są przyciągane do teraz ujemnie naładowanej anody zawierającej elektrony. W rezultacie jony przepływają przez separator do anody.

Grafit w anodzie działa jak chleb w kanapce, utrzymując jony litu i elektrony oddzielone pomiędzy swoimi warstwami do momentu rozładowania akumulatora. Jest to niestabilny stan - jony litu naprawdę chcą się połączyć ze swoimi elektronami.

Anoda

Dlaczego elektrony i jony litu po prostu wracają przez separator?


Jak działa rozładowywanie?

Rozładowywanie się akumulatora litowo-jonowego

Kiedy anoda i katoda są połączone kablem, jony litu przepływają z powrotem przez separator, podczas gdy elektrony wybierają drogę powrotną przez obwód zewnętrzny. W katodzie następuje ich rekombinacja i powrót do stanu stabilnego[Baterie101].

Kiedy elektrony przepływają z powrotem przez kabel, wytwarzają prąd elektryczny. Prąd ten może być wykorzystany do zasilania żarówki, twojego telefonu lub innych urządzeń!

Dlaczego lit?

Spośród wszystkich znanych nam pierwiastków, lit jest jednym z najbardziej skłonnych do oddawania elektronów. Inne materiały z kolei są stosunkowo bardziej skłonne do przyjmowania elektronów. Jest to w dużej mierze spowodowane ich konfiguracjami elektronowymi.

Dlaczego? Atomy zbudowane są z rdzenia (zwanego jądrem) i elektronów. Elektrony otaczają rdzeń w powłokach elektronowych. Atomy chcą, aby ich powłoki były „pełne". Są nawet gotowe dzielić się swoimi elektronami z innymi atomami, aby to osiągnąć. Ta zasada leży u podstaw działania baterii.

Powłoki elektronowe litu i fluoru

Spójrz na te dwa atomy: lit i fluor. Jak myślisz, który z nich będzie bardziej skłonny oddać elektron?


Dla fluoru łatwiej jest przyłączyć jeden elektron, niż oddać siedem elektronów. Dla litu łatwiej jest oddać jeden.

Czy możemy ulepszyć akumulatory?

Jak już mówiliśmy, samochody elektryczne są już szeroko dostępne na rynku i użyteczne. Są one jednak wciąż stosunkowo drogie, a ich wydajność zawsze warto ulepszać. Możliwe są już wkrótce ciężarówki elektryczne, ale samoloty i statki nie są prawdopodobne przy obecnym zapleczu technologicznym akumulatorów. Czy pewnego dnia będzie to możliwe?

Niektóre z najbardziej istotnych cech akumulatorów, które musielibyśmy ulepszyć to:

Ulepszanie akumulatorów

Większość technologii ma swoje fizyczne ograniczenia. Na przykład komercyjne panele słoneczne pochłaniają obecnie 20% światła słonecznego, które do nich dociera. Teoretycznie moglibyśmy zbudować panele słoneczne, które zbierają 100% światła słonecznego, które do nich dociera, ale oczywiście nigdy więcej niż 100%. To jest ograniczenie teoretyczne.

Ograniczenia teoretyczne

Zwiększenie liczby cykli ładowania, które wytrzymuje akumulator, nie ma oczywistego ograniczenia teoretycznego. A w rzeczywistości? Akumulatory wytrzymują obecnie tysiące cykli, ale najnowsze badania mogą to zwiększyć 2-3 krotnie. Przed nami ekscytujące czasy!

Ale co z ich wagą i rozmiarem?

Lżejsze i mniejsze akumulatory?

Nowoczesne akumulatory mogą zmieścić około 250 Wh energii w 1 kg akumulatora. Dla porównania, paliwa takie jak olej napędowy lub nafta mogą utrzymać 13 000 Wh/kg!

Akumulator vs Paliwo ciekłe

Jak możemy to ulepszyć? Zacznijmy od ograniczeń teoretycznych, aby sprawdzić, czy warto podejmować realne działania. Nie możemy celować wyżej niż w absolutnie najlepszy wynik, więc zawsze jest to dobry pierwszy krok!

Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest ciężar każdego elementu akumulatora:

Masa akumulatora według komponentów

Krok 1: Pozbądźmy się wszystkich „niepotrzebnych" rzeczy. Wszystko poza katodą i anodą jest tam tylko po to, aby pomóc - w prawdziwym świecie tego potrzebujemy, ale w teorii nie. Zauważ, że masa litu jest wliczona w masę katody i anody.

Ile z dzisiejszej masy pozostałoby, gdybyśmy zachowali tylko anodę i katodę? (Wskazówka: spójrz na liczby powyżej)


Czy teoretycznie moglibyśmy również pozbyć się anody?


Musimy zebrać gdzieś lit, ale jest to jedyny powód, w jakim celu używamy anody. Istnieją na to inne sposoby, które nie wymagają użycia anody.

Ponieważ szukamy ograniczenia w teorii, możemy być skrajnie optymistyczni i powiedzieć, że będą one działać bez żadnego wpływu na inne komponenty, więc moglibyśmy zredukować masę anody do zera. A więc, jak dużo pozostało z pierwotnej masy?


Jeśli moglibyśmy zbudować akumulator bez części podtrzymujących i anody, moglibyśmy zmniejszyć masę o 41% obecnej masy akumulatora. Dałoby to nam energię właściwą w wysokości 250/0,41 = 609 Wh/kg.

Teraz zostaliśmy tylko z katodą i nieważką anodą. Co jeszcze możemy zrobić?


Jaka jest najlepsza możliwa katoda?

Chcemy wybrać materiały, które mają minimalną masę i silną siłę przyciągania litu.

Oto kilka materiałów, które są badane jako opcje dla lżejszych katod wraz z ich teoretyczną maksymalną energią właściwą:

Energia właściwa różnych typów akumulatorów i benzyny

Wygląda na to, że tlenek litu może sprawić, że baterie są równie lekkie jak benzyna!

Czy siarczek litu i tlenek litu są faktycznie możliwe?

Które z tych właściwości powinna posiadać katoda?


Najczęstszym rodzajem stosowanej obecnie katody jest tlenek kobaltu litu (LiCoO2). Jest dość ciężka, ale działa. Natomiast lepsze alternatywy, o których tutaj mówimy, są nadal na etapie badań.

Akumulatory litowo-siarkowe są już dostępne, ale jeszcze nie na dużą skalę.

Akumulatory z tlenkiem litu (Li-O₂) sprawiają więcej kłopotów niż akumulatory z siarczkiem litu (Li-S), ale są możliwe. Nie wiemy jednak jeszcze, czy możemy sprawić, by niezawodnie działały i były użyteczne w praktyce.

Największy problem w tym, że mówimy o tymw teorii. Jak pamiętacie, wyciągnęliśmy z akumulatora wszystkie elementy, zostawiając samą katodę. Katoda stanowi jedynie 41% całkowitej masy, więc nawet jeśli osiągniemy teoretyczne minimum masy katody, pozostałe 59% obecnej masy baterii nadal byłoby tam dzisiaj obecne. Oznacza to, że otrzymalibyśmy zaledwie poprawę o niecałe dwa razy, nawet jeśli katoda nie ważyłaby nic!

Ojej! Badania naukowe są trudne, ale z dużą ilością pomysłów (i inwestycji) technologie te stają się coraz lepsze! Anody i materiały, w których połączone są baterie, również stają się lżejsze, a naukowcy z każdym dniem robią postępy w badaniach.

Główny wniosek w tej kwestii brzmi: może nigdy nie będziemy mieć akumulatorów o tej samej energii co benzyna, ale możemy sprawić, że będą magazynowały ponad dwukrotnie więcej energii, a może nawet i 3 lub 5 razy więcej energii na kg niż obecne akumulatory.

Jak sprawić, by elektryczne samochody i ciężarówki były tanie

Cena akumulatorów litowo-jonowych w ostatnich latach gwałtownie spadała i przewiduje się, że spadnie jeszcze bardziej.

Cena akumulatorów

Wynika to częściowo z innowacji, ale także ze skali. Obecnie budujemy znacznie więcej akumulatorów niż jeszcze kilka lat temu, a to pozwala branży na stosowanie masowych metod produkcji, dzięki którym cały proces jest tańszy. Firma Tesla, jeden z największych producentów akumulatorów na świecie, buduje ogromne fabryki, aby zwiększyć automatyzację i wydajność oraz obniżyć koszty.

Czy możemy użyć akumulatorów, aby rozwiązać problem magazynowania energii słonecznej i wiatrowej?

Dla transportu elektrycznego gęstość energii i energia właściwa mają duże znaczenie. Jednak w przypadku magazynowania na skalę sieciową znacznie ważniejsze są skalowalność i koszt. Dlaczego? Ponieważ musimy przechowywać bardzo dużo energii. Spójrzmy na liczby.

Przy obecnej cenie produkcji akumulatorów wynoszącej około 150 USD/kWh, ile kosztowałoby zbudowanie akumulatorów do przechowywania takiej ilości energii, jaką świat zużywa w ciągu jednego dnia?


Chętnie zobaczylibyśmy niższą liczbę, ale niestety w tym miejscu się znajdujemy. 70 bilionów dolarów to ponad 80% całkowitego światowego PKB z 2018 roku. Oznacza to, że zbudowanie akumulatorów wystarczających do utrzymania energii elektrycznej o wartości jednego dnia dla całej kuli ziemskiej kosztowałoby 80% tego, ile wszystkie towary wyprodukowane w 2018 roku - wszystkie!

Dzisiejsze akumulatory są zbyt drogie

Akumulatory są niezwykle ważne dla elektryfikacji transportu, więc to, czego się tutaj nauczyliście, jest nadal bardzo przydatne.

Ale nie zrezygnowaliśmy jeszcze z magazynowania na dużą skalę! Za dwa rozdziały przyjrzymy się kilku alternatywnym sposobom magazynowania energii. Najpierw jednak przyjrzyjmy się paliwu wodorowemu i sprawdźmy, w jaki sposób mogłoby ono zelektryfikować samoloty i statki, a być może także stanie się alternatywą dla akumulatorów w samochodach.

Następny rozdział