O nouă clasă de stocare a energiei: Bateriile tip Fier-Aer
Bateriile fier-aer sunt o dezvoltare inovatoare, captivantă în stocarea de înaltă performanță a energiei. Acest articol va analiza ce înseamnă această tehnologie pentru industria bateriilor și societatea modernă și soluțiile tehnologice, informează Form Energy.
Baterii litiu-ion: o tehnologie ecologică dar nu fără limitări
Impactul societății moderne industrializate asupra mediului a devenit o problemă crucială în ultimele decenii.
Exploatarea și utilizarea combustibililor fosili în generarea de energie și industria grea duc la emisii de gaze cu efect de seră, un factor principal al schimbărilor climatice și al temperaturilor globale în creștere.
Tehnologiile de generare a energiei regenerabile, cum ar fi celulele solare fotovoltaice și turbinele eoliene, vehiculele electrice, tehnologiile pe bază de hidrogen și dispozitivele de stocare a energiei, au primit toate un accent intens de cercetare.
Evoluțiile tehnologice au accelerat trecerea către o economie post-carbon în ultimele decenii
Electrificarea rapidă a sistemului electric global, a industriei grele și a transporturilor necesită tehnologii de stocare a energiei verzi de înaltă performanță, fiabile, sigure și durabile. Tehnologia bateriilor cu litiu-ion a apărut ca un precursor în stocarea energiei.
Bateriile litiu-ion sunt reîncărcabile, au o eficiență energetică ridicată, durată de viață lungă, se încarcă mai repede decât bateriile reîncărcabile convenționale, au o densitate mare de energie, au cicluri mari de încărcare-descărcare și sunt mici și ușoare.
Deși bateriile litiu-ion au avantaje distincte, ele au și câteva dezavantaje critice. Sunt scumpe de fabricat, prezintă pericole de siguranță, cum ar fi susceptibilitatea la căldură, care le poate determina să ia foc și sunt susceptibile la efectele de îmbătrânire și la fenomene de încărcare profundă.
Problemele de durabilitate și de mediu sunt, de asemenea, asociate cu fabricarea acestei tehnologii de baterie. Bateriile cu litiu-ion folosesc metale rare, cum ar fi nichelul și cobaltul, iar exploatarea metalelor esențiale precum litiul este o problemă esențială de mediu. Cererea în creștere pentru baterii a crescut costul metalelor rare.
Intrarea în „epoca fierului” a industriei de stocare a energiei
Bateriile litiu-ion sunt folosite în multe bunuri de larg consum, de la vehicule electrice până la smartphone-uri. Cu toate acestea, această tehnologie a bateriei este insuficientă pentru sistemul electric global, unde puterea este măsurată în megawați. Electrificarea rețelelor de energie regenerabilă necesită o nouă tehnologie de stocare a energiei.
Dezvoltarea de noi soluții de stocare a energiei bazate pe diferite metale și materiale este în prezent un accent critic în cercetarea tehnologiei bateriilor.
O tehnologie alternativă, care a primit recent multă atenție, este bateriile fier-aer. Bateriile fier-aer nu sunt noi, dezvoltate pentru prima dată în anii 1960 de NASA.
Această tehnologie are potențialul de a depăși mai multe probleme cheie cu bateriile pe bază de litiu. Fierul este al patrulea element cel mai abundent de pe Pământ, care depășește o problemă semnificativă cu utilizarea litiului: raritatea elementului. Utilizarea fierului limitează utilizarea pe scară largă a apei în mineritul cu litiu și contaminarea apelor subterane.
Bateriile fier-aer pot oferi rețelelor energetice capabilități de stocare a energiei fiabile, sigure, eficiente și pe termen lung decât tehnologiile convenționale. Această tehnologie atractivă are potențialul de a revoluționa stocarea energiei la scară de rețea.
Soluțiile de baterii Iron-Air de la Form Energy
Form Energy este o companie de stocare a energiei și tehnologie a bateriilor cu sediul în Massachusetts, SUA, care dezvoltă și furnizează tehnologii inovatoare pentru baterii fier-aer care pot ajuta la rezolvarea cerințelor sistemului electric global.
Produsul comercial emblematic al companiei este o baterie fier-aer de dimensiunea unei mașini de spălat. Dezvoltarea tehnologiei este susținută de finanțare de 760 de milioane de dolari și de construcția unei noi unități de producție în Virginia de Vest, în SUA. Compania speră ca primele baterii fier-aer să intre în producție în 2024.
Tehnologia
Fiecare unitate deține aproximativ 50 de celule fier-aer, înconjurate de un electrolit. Cheia funcționării lor este principiul „ruginirii inverse”, în care celulele „respiră” aer. În acest proces, fierul este transformat în oxid de fier, producând energie. Reacția poate fi inversată prin aplicarea unui curent și transformarea oxidului de fier înapoi în fier.
În timp ce bateriile cu litiu-ion oferă doar aproximativ patru ore de capacitate de stocare a energiei, bateriile fier-aer ar putea oferi până la o sută de ore de stocare, adică aproximativ patru zile. Prin urmare, bateriile fier-aer pot acționa ca o tehnologie de legătură în timpul lipsurilor de energie, cum ar fi zilele înnorate, care altfel ar limita centralele solare.
Cu toate acestea, bateriile fier-aer au un dezavantaj în comparație cu bateriile litiu-ion. Sunt mari și se reîncarcă încet. Form Energy prevede că tehnologia va fi utilizată în blocuri, oferind capacitatea de a gestiona timpi lungi de încărcare, cu bateriile litiu-ion gestionând vârfurile cererii.
Tehnologia bateriei Form Energy folosește materiale sigure, abundente și durabile: fier, apă și aer. Soluțiile optimizate de stocare a energiei oferite de F orm Energy are potențialul de a fi rentabil și competitiv din punct de vedere al costurilor cu centralele electrice vechi, făcând disponibilă energie regenerabilă ieftină pentru utilizare pe tot parcursul anului.
Form Energy oferă, de asemenea, un set de instrumente pentru rețea, FormwareTM, pentru a oferi planificatorilor rețelei capacitatea de a identifica investițiile care vor menține fiabilitatea energiei rețelei regenerabile pe termen lung.
În parteneriat cu instituții academice de top, compania a dezvoltat un set de instrumente de înaltă capacitate, de ultimă generație și neutru din punct de vedere tehnologic.
Ce înseamnă acest lucru pentru viitorul industriei?
Industria energetică trece în prezent printr-o revoluție, cu moștenirea centralelor electrice pe bază de combustibili fosili fiind eliminate treptat în favoarea energiei ieftine, curate și regenerabile. Cu toate acestea, sursele regenerabile sunt extrem de vulnerabile la fluctuațiile zilnice și sezoniere ale capacităților de generare a energiei.
Pentru ca energia regenerabilă să fie viabilă, trebuie să îndeplinească capacitățile de generare a energiei ale tehnologiilor actuale de combustibili fosili.
De asemenea, trebuie să fie competitiv din punct de vedere al costurilor cu cărbunele, gazele naturale și petrolul. Un obstacol cheie este stocarea de energie pe termen lung și fiabilă, care nu poate fi satisfăcută în mod adecvat de tehnologia actuală a bateriilor.
Tehnologia de ultimă generație a bateriilor fier-aer a Form Energy ar putea ajuta la revoluționarea stocării de energie pentru sistemul electric global. Compania prezice că zeci de gigawați de cerere vor fi deblocați pentru stocarea de mai multe zile în următorul deceniu. Acest lucru va ajuta SUA să-și atingă angajamentele nete zero.
Cu această tehnologie, Form Energy ar putea ajuta economia SUA (și, eventual, economia mondială) să accelereze spre o rețea de energie rezistentă, fiabilă, complet decarbonizată. Odată cu implementarea completă, consumatorii americani de energie ar putea realiza economii de miliarde de dolari.
(Referințe și lecturi suplimentare
Form Energy (website) Available at: https://formenergy.com/
Orf, D (2023) Iron-Air Batteries Are Here. They May Alter the Future of Energy [online] popularmechanics.com. Available at: https://www.popularmechanics.com/science/energy/a42532492/iron-air-battery-energy-storage/
Bonheur, K (2019) Lithium-ion Battery: Advantages and Disadvantages [online] profolus.com. Available at: https://www.profolus.com/topics/lithium-ion-battery-advantages-and-disadvantages
Wagner, O.C (1968) Secondary Iron-air Batteries [online] Nasa.gov. Available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/19690000955)
