Pe măsură ce lumea se orientează către tehnologii inovatoare pentru a contribui la reducerea amprentei de carbon, penuria de resurse a devenit o provocare semnificativă.
Având în vedere că nicio tehnologie nu este suficientă pentru a face față tranziției ecologice, asistăm la investiții masive atât în tehnologiile legate de pilele de combustie, cât și în cele legate de baterii. Unele investiții la scară largă includ noi tehnologii de baterii pentru vehicule electrice (VE), turbine eoliene, trenuri, avioane, vehicule de transport comercial și infrastructură publică.
În prezent, bateriile litiu-ion reprezintă aproximativ 70% din bateriile pentru vehicule electrice și 90% din bateriile de stocare în rețea. Piața crește cu o rată anuală compusă de creștere de 13,1%, urmând să crească și să ajungă la 135 de miliarde de dolari până în 2031. Piața pilelor de combustie este și ea în creștere rapidă, estimându-se că va crește cu 36% anual și va ajunge la 29 de miliarde de dolari până în 2028.
Diferențele dintre pilele de combustie și baterii nu sunt întotdeauna bine înțelese. În acest articol, vom examina diferențele și rolul pe care acestea îl vor juca în viitoarele inovații.
Un mod diferit de a genera și stoca energie electrică
Bateriile litiu-ion și pilele de combustie produc electricitate prin reacții chimice foarte asemănătoare. Cu toate acestea, sursa de energie utilizată pentru reacția chimică este diferită. În termeni simpli, bateriile produc electricitate folosind energia stocată, în timp ce pilele de combustie generează energie cu ajutorul unui combustibil bogat în hidrogen.
Bateriile litiu-ion conțin anozi și catozi și un separator de electrolit care umple spațiile rămase. Atât anozii, cât și catozii pot stoca ioni de litiu. Energia este produsă și stocată pe măsură ce ionii de litiu se deplasează între electrozi prin electrolit.
Spre deosebire de baterii, pilele de combustie nu stochează energie chimică în componentele lor. În schimb, acestea generează energie prin conversia energiei potențiale stocate în hidrogen sau în alți combustibili bogați în hidrogen, cum ar fi metanolul, amoniacul și etanolul.
La fel ca în cazul bateriilor, atunci când celulele de combustibil sunt conectate la un circuit electric, ionii de hidrogen se deplasează de la catod la anod, transformând energia chimică în energie electrică.
Materialele pentru baterii sunt rare; materialele pentru pilele de combustie nu sunt
Bateriile litiu-ion sunt construite cu ajutorul unor materiale care se găsesc în cantități limitate, cum ar fi litiul, nichelul și cobaltul. Deși producția acestor materiale crește cu peste 25% pe an, pur și simplu nu există suficiente minerale disponibile pe planetă pentru a satisface cererea.
Un proiect de litiu în valoare de 2,4 miliarde de dolari, prevăzut pentru Serbia, a fost închis în 2022 din cauza unor probleme de mediu legate de minerit, ceea ce, potrivit unor experți, va prelungi probabil penuria în anii următori.
Ca urmare, mai multe țări (și companii) încearcă să obțină controlul asupra resurselor necesare pentru a construi baterii. Inevitabil, alții rămân fără posibilitatea de a le construi.
În același timp, penuria are ca rezultat creșterea prețurilor. Țările care trebuie să importe aceste metale rare nu pot controla producția sau prețurile. Acesta este un motiv important pentru care India încearcă să renunțe la tehnologia bateriilor litiu-ion și să se orienteze către pilele de combustie.
Alții încearcă să dezvolte baterii care să se bazeze mai puțin pe resurse limitate. De exemplu, bateriile LiFePO4 (litiu-fosfat de fier) utilizează litiu, dar nu necesită nichel sau cobalt. Cercetătorii încearcă, de asemenea, să construiască și alte tipuri de baterii cu materiale și mai comune, dar acestea nu au reușit încă să obțină niveluri de performanță acceptabile.
Pilele de combustie sunt mai puțin complicate din punct de vedere al resurselor. În construcția lor se folosesc materiale obișnuite, cum ar fi aluminiul și oțelul inoxidabil. Combustibilul lor, hidrogenul, este, de asemenea, cel mai abundent element chimic din univers.
Bateriile sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât pilele de combustie
Nicio sursă de energie nu este 100% eficientă. O parte din energie se pierde atunci când este transformată în alte forme de energie. Energia poate fi pierdută în mai multe forme, cum ar fi căldura, lumina, sunetul sau pierderea magnetică. Scopul este de a reduce cantitatea de energie pierdută pentru a îmbunătăți eficiența.
Sistemele de propulsie ale vehiculelor electrice care utilizează baterii sau pile de combustie sunt mult mai eficiente din punct de vedere energetic decât motoarele pe benzină, care pot pierde până la 80% din energie prin căldura motorului, evaporare, extracția, rafinarea și transportul petrolului. Cu toate acestea, bateriile și pilele de combustie nu sunt imune. Pierderile de energie pot apărea în timpul depozitării, încărcării și descărcării.
Bateriile suferă pierderi de energie semnificativ mai mici decât celulele de combustibil. Bateriile pot reutiliza între 80-90% din energia chimică stocată. O parte din energia pierdută din cauza căldurii poate fi reutilizată în alte scopuri, cum ar fi încălzirea cabinei unui vehicul electric sau chiar încălzirea meselor pasagerilor în avioane.
Reutilizarea energiei pierdute sub formă de căldură se numește cogenerare. Producătorii de vehicule electrice utilizează eficient această metodă pentru a reduce consumul bateriei. Prin încălzirea cabinei cu energia pierdută din căldură, se poate evita epuizarea energiei din baterie.
În comparație, pilele de combustie transformă, în general, între 40% și 60% din energia lor pentru a produce energie electrică. Utilizarea cogenerării din căldura reziduală poate îmbunătăți, teoretic, eficiența energetică a pilelor de combustie până la 85%.
Pe vreme rece, pilele de combustie pot fi aproape la fel de eficiente ca și bateriile. Acest lucru se datorează faptului că bateriile vehiculelor electrice utilizează până la 40% din energia electrică pentru încălzire.
Timpi de încărcare mai scurți pentru pilele de combustie
Una dintre frustrările proprietarilor de vehicule electrice este timpul necesar pentru a-și încărca vehiculele. Încărcarea unei baterii electrice necesită timp. În cazul bateriilor obișnuite ale vehiculelor electrice, o încărcare completă poate dura între 45 de minute și 2 ore. În cel mai bun caz, încărcarea rapidă durează între 20-25 de minute.
Pentru a obține timpi de încărcare rapidă, bateriile trebuie menținute în limite de temperatură foarte specifice. Este posibil să fie nevoie să fie răcite, deoarece curentul care intră în baterie produce căldură în exces. De asemenea, este posibil să fie nevoie să fie încălzite în locații mai reci, deoarece bateriile nu pot fi încărcate la temperaturi sub 0C.
În timp ce bateriile mai mari pot fi încărcate la o putere mai mare (adică mai mulți kW) decât bateriile mai mici, timpul de încărcare a acestora este, de obicei, mult mai lung. Pentru vehiculele comerciale, cum ar fi camioanele de livrare, autobuzele, trenurile și avioanele, timpii de încărcare au devenit mult mai lungi, deoarece stațiile de încărcare nu au fost încă adaptate pentru baterii mai mari.
De exemplu, multe autobuze EV au nevoie de patru până la cinci ore pentru a se încărca, un timp care nu este practic în multe situații. Timpul necesar pentru încărcarea vehiculelor comerciale ar putea fi redus drastic, dar trebuie să dezvoltăm stații specializate capabile să încarce la o putere mult mai mare (adică în termeni de megawați). Tesla, de exemplu, a anunțat recent o stație de încărcare capabilă să încarce la peste 1 MW.
Umplerea unui vehicul cu pile de combustie este mult mai rapidă decât încărcarea unui vehicul electric. Rezervoarele pilelor de combustie sunt umplute cu carburanți bogați în hidrogen, la fel cum sunt umplute cu benzină mașinile cu motor pe gaz. Se poate face în doar câteva minute. Acest lucru face ca pilele de combustie să fie foarte atractive pentru aplicațiile vehiculelor comerciale, deoarece reduce timpii de încărcare la niveluri practice.
Impact diferit asupra mediului
Pilele de combustie și bateriile fac parte din soluția pentru un viitor mai ecologic, dar acest lucru nu înseamnă că nu au niciun impact asupra mediului. Acestea înlocuiesc pur și simplu tehnologii mult mai poluante.
Pilele de combustie au nevoie de combustibil bogat în hidrogen, iar modul în care este produs acest combustibil este important. A fost dezvoltat un sistem de clasificare a culorilor pentru a înțelege originea și impactul asupra mediului al hidrogenului. De exemplu:
- Hidrogenul verde este produs din surse de energie regenerabilă, cum ar fi energia eoliană.
- Hidrogenul albastru este produs din gaz natural și apă încălzită.
- Hidrogenul negru este produs cu ajutorul cărbunelui.
Dacă hidrogenul pe care îl producem provine din surse de energie poluante, eforturile noastre sunt contraproductive.
În mod similar, energia electrică utilizată pentru încărcarea bateriilor poate proveni din diferite surse, cum ar fi energia eoliană, energia hidroelectrică și cărbunele și poate avea, de asemenea, un impact asupra mediului.
Extracția metalelor rare utilizate în baterii are, de asemenea, un impact. Minele de litiu au nevoie de cantități impresionante de apă și ocupă suprafețe mari. De exemplu, minele de litiu din Chile care utilizează iazuri de evaporare necesită 21 de milioane de litri de apă pe zi. Aceste instalații au nevoie de aproximativ 2,2 milioane de litri de apă pentru a produce o tonă de litiu.
De asemenea, praful de nichel poate contamina aerul pe care îl respirăm dacă industriile nu sunt supuse unor reglementări stricte de mediu. În Canada, guvernul a relaxat reglementările privind calitatea aerului pentru producția de nichel, în speranța de a o face mai atractivă pentru producătorii de baterii, dar acest lucru a stârnit dezbateri privind industria producătoare de baterii și impactul acesteia asupra sănătății publice.
Bateriile LiFePO4, mai bine cunoscute sub denumirea de LFP (litiu-fosfat de fier), sunt un tip de baterie litiu-ion care utilizează fier în loc de cobalt și nichel. Prin urmare, acestea au un impact mai redus asupra mediului decât alte tipuri de baterii litiu-ion.
În cele din urmă, toate tehnologiile pot avea un impact negativ asupra mediului. Doar electrificarea industriilor noastre nu este suficientă. Întregul lanț de aprovizionare cu baterii și pile de combustie trebuie să fie monitorizat și reglementat dacă obiectivul nostru este de a reduce impactul asupra mediului.
Probleme de siguranță mai grave legate de pilele de combustie
Pe măsură ce lumea continuă să creeze și să adopte tehnologii inovatoare, trebuie, de asemenea, să înțelegem noile probleme care pot apărea și să continuăm să actualizăm modul în care gestionăm siguranța.
Bateriile litiu-ion și pilele de combustie nu sunt lipsite de pericol. Pilele de combustie utilizează hidrogen și combustibili bogați în hidrogen, care sunt foarte inflamabili și explozibili. Hidrogenul este stocat sub formă de gaz sau de lichid criogenic în rezervoare presurizate. În cazul unui accident cu o mașină alimentată cu hidrogen, se poate produce o explozie masivă.
Toyota Mirai stochează hidrogenul gazos în două rezervoare separate, comprimat la o presiune de 10.000 de lire pe inch pătrat (psi). Deși rezervoarele sunt întărite cu fibră de carbon pentru a rezista la impacturi extrem de violente, potențialul de explozie există în continuare, motiv pentru care unii spun că a conduce cu rezervoare pline cu hidrogen nu este cea mai sigură idee.
În cazul bateriilor litiu-ion, incendiile pot fi foarte greu de stins din cauza a ceea ce se numește „fugă termică”. Cu toate acestea, nu se produce nicio explozie, ceea ce le dă timp pasagerilor să iasă din vehicul. Acest lucru se datorează faptului că bateriile sunt proiectate să încetinească defecțiunile, făcându-le să apară progresiv. Adesea, acestea încep pur și simplu cu un miros sau cu vapori. După câteva secunde, minute sau chiar ore, eșecurile se transformă într-o reacție în lanț care trece de la o celulă la alta.
Concluzie
Atât pilele de combustie, cât și bateriile au un potențial semnificativ pentru viitor. Inovarea poate îmbunătăți siguranța și reduce și mai mult impactul asupra mediului.
Bateriile sunt o soluție mai matură, existând de mai bine de două sute de ani. Cu toate acestea, este posibil să fi atins deja ceea ce se apropie de densitatea energetică maximă a bateriilor. Pilele de combustie sunt o tehnologie mai puțin matură, dar pot oferi o soluție de stocare pentru aplicațiile care necesită o autonomie mai mare.
În prezent, diferite sectoare ale industriei auto iau direcții diferite în ceea ce privește electrificarea lor. Bateriile litiu-ion au devenit soluția preferată pentru majoritatea aplicațiilor auto, în timp ce pilele de combustie sunt preferate pentru vehiculele comerciale, cum ar fi autobuzele, trenurile, camioanele și avioanele. Țările care au un control redus asupra producției de baterii par să se orienteze, de asemenea, către pilele de combustie.
