Когато кажем батерия, повечето хора си представят малките кръгли батерийки, които използваме от десетилетия в различните електрически и електронни уреди. Всъщност, батерия е много по-всеобхватно понятие.
Терминът батерия идва от френския език, “batterie” обозначава съвместно работеща група от еднакви устройства и първоначално се използва за група от съвместно действащи оръдия – батарея. През 1780 година италианският учен Луиджи Галвани преоткрива факта, че ако поставим в солен разтвор два материали с различен електрически потенциал, между тях протича поток от електрически заредени йони, а при металите това е поток от електрони, намиращи се в зоната на проводимостта, т.е. намиращи се над валентната им зона.

Използването на система от ротор и статор позволява трансформирането на този прав ток (DC) в променлив (АС), който е по-разпространен в нашето ежедневие. Технологичното развитието на този процес позволява постепенната разработка на устройства, които са способни да съхраняват получената електроенергия за по-нататъшно използване и те се обозначават най-общо с термина батерия.
ВЕИ (Възобновяеми Енергийни Източници) са чисти и евтини, но имат един естествен основен недостатък, непостоянност – слънцето грее само през деня и вятърът не духа постоянно. Затова съхраняването на тяхната енергия за използване при необходимост, е също толкова важно, колкото и нейното производство.

В най-широкия си смисъл, батерия е всяко устройство, което:
– може да съхранява енергия с цел по-късното ѝ използване;
– позволява обратимост на процеса, т.е. връщането на част от съхранената енергия в порвоначалната й форма;
– дава възможност за многократна повтаряемост на двустранния преход..

В повечето случаи от едната страна на този преход стои получаването на електроенергия, тъй като това е най-ефективният и лесен начин за по-нататъшно използване на натрупаната енергия. Според тази дефиниция батериите се делят на три основни типа – електрохимически, гравитационни и топлинни.

Електрохимически батерии
Това е класическият пример за съхраняване на енергия чрез електролиза с помощта на йони, които временно се придвижват от единия елемент на батерията към другия, което също така води и до отделянето на вещество върху електродите. Натрупаната разлика в електрическия потенциал между електродите, може да се използва за обръщане на процеса с цел използване на освобождаващата се енергия като постоянен ток (DC), която след това може да се преобразува и в променлив ток (АС) за по-ефективно транспортиране на големи разстояния.
Последните десетилетия бележат бурен растеж в батерийните технологии както на микро ниво (батерии за различните електронни устройства), така и на макро ниво – стационарни батерии за съхраняване на големи количества електронергия (мега- и гига-ватчасове), които целят да балансират електрическата мрежа чрез складиране на евтина енергия от ВЕИ (Възобновяеми Енергийни Източници) и използването и в периодите на пикова консумация и спад на производството на ток от ВЕИ.

Ефективността на електрохимическите батерии зависи от няколко фактора:
– капацитет за съхранение, т.е. колко ток могат да съхранят за един килограм тегло
– брой цикли на заряд и разряд
– цена на производство и експлоатация

Най-използваният тип електрохимични батерии в момента са литиево-йонните батерии. Само преди 15 години техният капацитет беше около 50 Вч/кг, днес тези батерии в електромобилите са с капаците 220-250 Вч/кг и вече са налични и влязоха в производство батерии с капацитет 500 кВч/кг. Нещо повече, най-големият производител на батерии в света – китайският CATL съобщи, че е практически готов за скорошно производство на батерии с капацитет 800 Вч/кг. На финален етап са и разработки на батерии със силициеви електроди, които предоставят над 1100 Вч/кг, което позволява стартирането на разработки за тяхното използване дори и в авиацията, въпреки по-високата им цена.

Пак по онова време отпреди 15 години 1000-2000 цикъла се считаха за много добро постижение. Днес принципно същите батерии се произвеждат обичайно с гаранция за 3-4,000 цикъла при спад до 10-15% в общия им капацитет. Цената им за същия падна от 600 USD/кВч на 100 USD, като прогнозите са в следващите 5 години да падне до 50 USD/кВч.

Ако обобщим развитието на литиево-йонните батерии за последните 15 години ще видим, че цената има е паднала 6 пъти, броят цикли се е увеличил 4-8 пъти и капацитетът е нарастнал над 5 пъти, т.е. общото подобрение на тази технология за периода е близо 200 пъти! Това съвсем естествено предизвика огромен екологичен и икономически интерес и доведе до бум в тяхното производство в 3 основни сектора: електроника, автомобило строене и съхраняване на ток от ВЕИ. През 2022 тази индустрия възлиза на около 100 милиарда долара, а темпът на нарастване е между 15 и 20%, т.е. ще се удвои в рамките на следващите 4-5 години, дори и само при запазване на сегашните темпове, а те даже се ускоряват.
Нещо повече, до тук обсъждахме само традиционните литиево-йонни батерии, но междувременно рязко нарастналият пазарен интерес доведе до невероятни инвестиции в развитието на нави и по-ефективни технологии за усъвършенстване на електрохимическите батерии с различен химически състав.

Пример 1
Допреди 2-3 години все още само се говореше за възможностите на LiFePo4 батериите, които използват значително по-малко литий (най-скъпата част от химическите компоненти) като предоставят 10-ина % по-нисък капацитет, но 20-30% по-евтино производство. Още преди края на 2022, тези батерии станаха стандартни при производството на базовите модели на повечето електромобили, предоставяйки по-висок диапазон на използваемост (100% от номиналния капацитет) и по-широк температурен диапазон. По този начин до 1-2 години старите литиево-йонни батерии вероятно ще останат за използване само при приложения с изисквания за по-висок капацитет, примерно коли с по-висок обхват (500-1000 км и капацитет над 70 кВч) и при авиацията (батерии с капацитет 800+ кВч/кг. Паралелно вървят и се внедряват и хибридни батерии, съчетаващи положителните характеристики на тези два вида батерии, които също бързо намират своите оптимални приложения в индустрията и бита.

Пример 2
Допреди година само се споменаваше за изследвания относно възможностите за съвсем нова химия на батериите, основаваща се замяната на литий с натрий. По принцип, натрият се намира точно под лития в химическата таблица на елементите и имат доста сходства, но имат и различия. Литият е по-ефективен в батериите, но е по-податлив на постепенна кристализация, има по-ограничена наличност и съответно е по-скъп. Натрият е по-малко ефективен (около 20-ина%) откъм капацитет за кг батерия, но пък е в безкрайни количества навсякъде около нас и съответно и многократно по-евтин. Днес и CATL, и BYD произвеждат натриеви батерии, засега предимно за базови автомобили малък и среден размер с капацитет до 40-50 кВч, за да не се увеличава теглото излишно. Това води до някакво намаляване на стандартния пробег от 350-450 км на 250-350 км, компенсирано от значително поевтиняване и невероятно повишаване броя цикли – до 8-10,000.

LiFePO4 и още повече натриевите батерии се очертават като много сериозен конкурент на литиево-йонните батерии (LiNMC) особено в стационарните батерийни пакети за съхраняване на ток от ВЕИ, тъй като са значително по-евтини и с по-голям брой цикли, а теглото няма почти никакво значение за това приложение. В битовото приложение за домашни батерии, досега лидер бяха литиевите батерии, но LiFePO4 започнаха бързо да ги изместват поради по-ниската цена. Предполагам, че съвсем скоро и натриевите батерии също ще започнат да навлизат масово в домовете ни и бързо ще се превърнат в пазарен хит.

От казаното до тук, става ясно, че електрохимическите батерии се развиват с огромни стъпки и темповете на нарастване на производството им продължават да се увеличават. Тоза революция е предизвикана не само от повишаващите се екологически изисквания за повсеместно използване на ВЕИ, но и от самия пазар, който стимулира по-ефективните и евтини технологии за съхранение на енергия. Тук, обаче, трябва да споменем, има и още един тип батерии, които макар и с доста по-малък дял, засега, предлагат интересни възможности и носят в себе си сериозен потенциал за бъдещо технологично развитие и бърза индустриализация. Това са т.нар. твърдотелни батерии, които се считат за светия Граал на батериите, тъй като в сравнение с традиционните батерии предоставят значително по-висок капацитет от мощност на кг, по-бързо зареждане и по-голям брой цикли. Съвсем наскоро Тойта съобщи, че възнамерява да започне производството на такива батерии още в началото на 2024, което означава, че те биха могли осигурят следващата голяма стъпка. За съжаление Тойота вече няколко пъти прави подобно съобщение през последните няколко години, да се надяваме, че този път ще ни изненадат приятно.

Гравитационни батерии
Всеки предмет в пределите на земната гравитация притежава определен потенциал, който намалява с приближаването му към центъра на планетата и обратно. Тази енергия е практически безплатна, така че намирането на ефективни технологии за нейното превръщане в електроенергия отваря практически безгранични възможности за складиране на променлив ток с много ниска себестойност.
На пръв поглед изглежда доста сложно и футуристично, но всъщност ние отдавна използваме гравитационни водни батерии, които се наричат ПАВЕЦ (Помпено Акумулаторна Водна Електрическа Централа). Два язовира, разположени близко един до друг, но със сериозна разлика в надморската височина се свързват с водопроводи и пред долното ниво се разполага турбина за производство на ток. Когато има нужда, горният язовир изпуска вода, която произвежда електричество, а при излишък на енергия в мрежата и при ниска цена, водата се използва обратно от долния язовир за повторно ползване. България има на разположение най-голямата ПАВЕЦ в ЮИ Европа, „Чаира“, която е с мощност колкото един от атомните ни блокове, 864 МВ, но е практически безрискова и със значително по-ниска себестойност. За съжаление от доста време централата не работи, основно по субективни причини, но когато бъде отремонтирана и възстанови своята работа, ще се превърне в най-големият инструмент за балансиране на мрежовото ни натоварване и съответно, за понижаване цената на тока.

Същият принцип може да се използва и за гравитационни батерии с големи каменни блокове, които се издигат и спускат в дълбоки минни шахти по същия начин както при ПАВЕЦ. Технологията е на етап производствени изпитания, в Европа вече съществуват няколко такива инсталации, които служат за набиране на практически опит с цел по-нататъшно широкомащабно използване на технологията.

Топлинни батерии
Те позволяват позволяват да се съхранява енергия във вид на топлина, за по-късно утилизиране, както за производство на топлина, така и за генерация на електричество. Те изискват наличието на среда за икономически изгодно съхранение на топлината и нейния ефективен многократен обратен трансфер. Има 3 основни вида такива батерии:

1. С постепенна промяна на температурата без изменения в структурата и химическия състав на акумулиращата среда.
Бойлерът е типичен представител на този вид батерии, т.е. подгрявайки водата в бойлера със соларни или фотоволтаични панели, ние използваме оползотворяваме ВЕИ за създаването на топлина, която можем да използваме по-късно. Абсолютно същия процес се може да се използва и при заместването на водата с пясък, през който минават тръби, които подгряват, когато има излишна енергия в мрежата и съответно отвеждат топлината, когато е необходима. Основното преимущество на пясъка е, че той може да бъде многократно загряван до температура от 600С, докато при водата пределът е 100С, след което настъпва фазова промяна в пара и съответно рязко увеличение на налягането. Топлинните пясъчни батерии са прости, евтини, надеждни и дълготрайни и предоставят висок КПД, но използването на тяхната топлина изисква изграждане на комунална мрежа към потребителите, така че са най-ефективни в градски условия, където вече има налична топлинна инфраструктура. Те могат да бъдат използвани и за производство на електричество чрез система от турбини, но това ги оскъпява поради допълнителните инсталации плюс загубата на част от енергията при производството на електричество.

2. С температурни промени, водещи до обратима промяна в структурата/фазата на акумулиращия материал.
Засега най-добрият материал за изработката на такива батерии е силицият (Si), тъй като е широкодостъпен и евтин, може да бъде загряван до 1400С, променяйки се в течност и поглъщайки много топлина и не деградира с времето, за разлика от химическите батерии. Процесът е обратим, но неговото широко практическо приложение все още зависи от повишаване КПД-то му (топлинни и трансформационни загуби) и в крайна сметка от икономическата му жизнеспособност. Тази технология изглежда много перспективна и най-вероятно ще бъде обект на интензивни бъдещи доработки.

3. С химически обратими промени на акумулиращия материал.
Инсталациите за производство и съхраняване на водород са типичен представител на този тип батерии. ВЕИ от фотоволтаични панели или ветрогенератори се използва за производство на водород чрез електролиза, който се съхранява в резервоари и може чрез горивни клетки да бъде използван в транспорта или за отопление, или за генерация на електричество. Основното предимство на тези батерии е, че суровините за тяхното производство на практика са безплатни или почти безплатни – вода и въздух и затова те се считат за много перспективно направление за съхраняването на енергия.

Вече има налични десетки различни технологии и процеси, които позволяват ефективно съхраняване на енергията от ВЕИ. Бурното развитие на производството на зелена електроенергия даде мощен тласък и на тяхното развитие, а икономическата им ефективност много бързо ги вкарва в реална промишлена експлоатация. Така че енергетика с всяка следваща година става все по-чиста и евтина, освобождавайки ни от фосилните зависимости.

Ако ти е харесала тази статия, сподели я и с други и се абонирай за сайта, за да получаваш известия за нови материали.