Le batterie sono ovunque. Sono nei nostri telefoni, nei nostri aeroplani, nelle nostre auto a benzina, persino - nel caso di persone con pacemaker o altri dispositivi medici impiantati - i nostri corpi.
Le batterie che saranno davvero importanti in futuro, tuttavia, non sono quelle che ti aiuteranno a giocare a Angry Birds sul telefono per 12 ore di fila o ad avviare il tuo veicolo in una gelida mattinata invernale. Le batterie con il potenziale di trasformare le prospettive energetiche mondiali alimenteranno i veicoli elettrici e forniranno spazio per la rete elettrica.
"Se potessi sventolare una bacchetta magica e risolvere i problemi energetici del mondo, dovrai solo cambiare una cosa: le batterie", afferma Ralph Eads, vicepresidente della società di investimenti bancari Jeffries LLC, che investe in nuove tecnologie energetiche.
Il problema con l'energia non è che non ne abbiamo abbastanza; nuove tecnologie come la perforazione orizzontale e la fratturazione idraulica o il "fracking" hanno recentemente sbloccato quantità di combustibili fossili inimmaginabili solo un decennio fa. Il problema è che la nostra dipendenza da quei combustibili fossili per la maggior parte della nostra energia è gravemente malsana, causando milioni di morti premature ogni anno e alterando il clima in modi sia drastici che imprevedibili.
Ma i combustibili fossili non sono una fonte di energia popolare solo perché sono così abbondanti. Sono popolari perché possono immagazzinare molta energia in una piccola quantità di spazio. Le batterie immagazzinano anche energia, ma in un confronto da una sterlina all'altra, non possono competere. Il posto più semplice per dimostrare questa differenza è in un'auto:
La batteria dell'ibrido Toyota Prius ha circa 225 wattora di energia per libbra. Questa è la densità di energia della batteria dell'auto: la quantità di energia che può essere immagazzinata per unità di volume o peso. La benzina in quella Prius contiene 6.000 wattora per libbra. La differenza di densità di energia tra i combustibili liquidi a base di petrolio e persino le batterie più avanzate crea uno scenario in cui una Chevrolet Suburban da 7.200 libbre può andare a 650 miglia su un serbatoio di gas e una Nissan Leaf completamente elettrica, che pesa meno della metà, ha un raggio di solo circa 100 miglia.
E anche se circa l'80 percento dei viaggi automobilistici americani va a meno di 40 miglia, la ricerca dei consumatori ha dimostrato che i conducenti soffrono di "ansia da autonomia". Vogliono automobili in grado di fare lunghi viaggi su strada e di viaggiare e lavorare. commissioni in città.
La densità di energia è rimasta il bête noire delle batterie per 100 anni. Ogni volta che arriva una nuova tecnologia o design che aumenta la densità di energia, un altro aspetto cruciale delle prestazioni della batteria - diciamo, stabilità alle alte temperature o il numero di volte che può essere scaricata e ricaricata - soffre. E quando uno di questi aspetti viene migliorato, la densità energetica ne risente.
La tecnologia al litio ferro fosfato è un buon esempio. Queste batterie, prodotte dal produttore cinese BYD, sono ampiamente utilizzate in veicoli elettrici e ibridi nella Cina meridionale. Si caricano più rapidamente rispetto alle batterie agli ioni di litio che sono comuni in altri veicoli elettrici, come il Leaf, ma sono meno densi di energia.
Un altro aspetto molto apprezzato nel design della batteria è quante volte le batterie possono essere caricate e scaricate senza perdere la capacità di accumulare energia. Le batterie al nichel-metallo idruro, o NiMH, che sono state il cavallo di battaglia per i veicoli ibridi tra cui la Prius e la Ford Escape Hybrid da oltre un decennio, fanno bene in questa categoria. Ted J. Miller, che lavora sull'avanzata tecnologia delle batterie per Ford Motor Company, afferma che Ford ha estratto le batterie dagli ibridi Escape in uso per 260.000 miglia di servizio taxi a San Francisco e ha scoperto che hanno ancora l'85% della loro capacità di alimentazione originale . Tale durata è un vantaggio, ma per i veicoli puramente elettrici, le batterie NiMH sono molto più pesanti per la stessa quantità di energia immagazzinata da una batteria agli ioni di litio; il peso extra riduce l'autonomia del veicolo. Anche le batterie al NiMH sono tossiche, quindi non gettarle nel cestino quando sono a corto di succo, devono essere riciclate. E poiché il nichel potrebbe essere più scarso in futuro rispetto al litio, queste batterie potrebbero diventare più costose.
Le batterie ai polimeri di ioni di litio hanno una densità energetica leggermente superiore rispetto alle normali versioni agli ioni di litio - un prototipo di veicolo Audi ha percorso 372 miglia con una singola carica - ma non possono essere caricate e esaurite tante volte, quindi hanno una durata inferiore.
Vale la pena ricordare che, nonostante questi limiti, le batterie progettate per alimentare le automobili hanno fatto molta strada in un periodo di tempo relativamente breve - solo 40 anni fa, una batteria con meno della metà della densità energetica di quelle presenti negli ibridi e veicoli elettrici di oggi era considerato un sogno esotico e sono destinati a migliorare ulteriormente. "Vediamo un chiaro percorso per raddoppiare la capacità della batteria", afferma Ford Miller. "Questo senza cambiare drasticamente la tecnologia, ma migliorare il processo in modo da disporre di batterie per autoveicoli di alta qualità con lo stesso contenuto di energia che troviamo sui dispositivi portatili oggi."
Una batteria del genere per veicoli completamente elettrici trasformerebbe il trasporto, rendendolo molto più ecologico. I trasporti rappresentano circa il 27 percento delle emissioni statunitensi di gas serra e circa il 14 percento delle emissioni mondiali. Il 95% dei veicoli passeggeri statunitensi è alimentato a petrolio. Se quelle auto e camion potessero essere sostituiti con veicoli elettrici, se ridurrebbe in modo significativo l'inquinamento anche se l'elettricità continua a provenire principalmente dal carbone, il Dipartimento dell'Energia ha scoperto. Questo perché i motori a combustione interna sono così inefficienti, perdendo fino all'80% dell'energia nel loro combustibile per riscaldare, mentre i motori elettrici mettono quasi tutta la loro energia nella propulsione del veicolo.
Le batterie possono svolgere un ruolo anche nel cambiare la fonte della nostra elettricità, immagazzinando energia prodotta da fonti rinnovabili come l'eolico e il solare. Poiché le utility hanno aumentato la percentuale di elettricità prodotta da queste fonti, il principio guida è stato che le centrali elettriche a gas naturale sarebbero state necessarie per soddisfare la domanda quando le turbine eoliche e le celle fotovoltaiche non producono. Se l'energia rinnovabile in eccesso prodotta quando la domanda è bassa potesse essere trasferita a una batteria, immagazzinata senza perdite significative e scaricata rapidamente quando la domanda aumenta - e se il sistema fosse abbastanza economico - si eviterebbe la necessità di entrambe le fonti rinnovabili di carbone sostituire, e gli impianti di gas naturale considerati essenziali per accompagnare il vento e il solare.
"Batterie di grandi volumi in grado di spostare l'energia nel tempo potrebbero cambiare il gioco", afferma Peter Rothstein, presidente del New England Clean Energy Council.
Le batterie che immagazzinano energia per la rete hanno requisiti diversi da quelle che entrano nelle automobili, perché i veicoli richiedono batterie relativamente compatte che possono trasferire la loro energia quasi istantaneamente. Quindi le tecnologie che non funzionano bene per alimentare i veicoli elettrici possono essere ottime per immagazzinare energia per la rete.
Le batterie al litio-aria, una tecnologia relativamente nuova che ha generato molta eccitazione, possono avere una maggiore densità di energia rispetto alle batterie al litio esistenti, ma forniscono molto meno energia che sarebbe necessaria per accelerare un veicolo, afferma Ford Miller. "Se hai bisogno di 120 kilowatt di potenza, con litio-aria potresti aver bisogno di 80-100 kilowattora di energia della batteria per soddisfare tale requisito", spiega Miller. "È una batteria molto ingombrante, molto grande." Non funzionerebbe bene in un'auto - la Ford Focus EV, al confronto, utilizza un po 'più di 100 kilowatt di potenza con una batteria da 23 kilowattora - ma potrebbe quando si è seduti accanto a un parco eolico.
Le batterie a flusso di vanadio, un altro sviluppo promettente, hanno anche un'alta densità di energia e hanno un tempo di scarica rapido, che le rende ideali per la conservazione. Questa è l'applicazione per cui Ron MacDonald, CEO di American Vanadium, li sta lanciando. "Ci sono molte buone opzioni di archiviazione, ma ognuna ha un problema", riconosce MacDonald. "Il nostro problema è sempre stato il costo iniziale, perché siamo più costosi." Una batteria a flusso di vanadio può durare 20 anni, tuttavia, "quindi siamo al di sotto della maggior parte degli altri se si guarda al costo per tutta la durata della batteria", lui dice.
Ma lo sviluppo della cosiddetta griglia "intelligente" - che utilizzerà algoritmi avanzati e tecnologia di comunicazione per rispondere rapidamente in quanto flusso e riflusso dell'alimentazione e della domanda dei consumatori - e lo stoccaggio distribuito hanno forse reso meno necessarie batterie ad alta intensità energetica rispetto a gli esperti hanno pensato in passato. Con decine di migliaia di piccole batterie in auto, semafori e altrove in una città, un'utilità elettrica potrebbe teoricamente assorbire energia da queste batterie durante i periodi di forte domanda e restituire l'energia ai clienti diverse ore dopo.
I servizi di pubblica utilità possono anche tentare di cambiare quando e in che modo le persone utilizzano l'energia caricando tariffe esorbitanti per gli acquisti di elettricità su un certo livello durante i periodi di forte domanda. I clienti saranno scoraggiati dal porre carichi elevati sul sistema, ad esempio azionando apparecchi di grandi dimensioni o caricando la propria auto elettrica, in quei periodi. Come le batterie, tali pratiche appiattirebbero la curva delle esigenze di produzione di elettricità imposte all'utilità.
"La risposta alla domanda svolgerà un ruolo importante quanto lo sarà lo stoccaggio", afferma Randy Howard, direttore della pianificazione e dello sviluppo dei sistemi di alimentazione per il Dipartimento di Water & Power di Los Angeles.
Tuttavia, Howard vorrebbe vedere una batteria portare alle utility il tipo di progresso che i produttori di petrolio e gas hanno visto. "Siamo tutti fiduciosi che ad un certo punto ci sarà un salto tecnologico nelle batterie, ma ciò non è ancora avvenuto", afferma Howard. "Stiamo cercando il nostro fracking nel mondo delle batterie."
