Stocarea energiei electrice: diferitele metode

Stocarea energiei electrice: bateria litiu-ion și alternativele sale

Comercializate încă de la începutul anilor 1990, acumulatorii litiu-ion au dobândit un rol preponderent pe piața bateriilor în ultimele decenii. Această tehnologie prezintă numeroase avantaje care explică ascensiunea sa atât în alimentarea telefoanelor mobile, cât și a mașinilor electrice. Aceste baterii litiu-ion, în special densitatea lor energetică în raport cu autonomia, permit satisfacerea cerințelor industriei auto.

Bateriile de tracțiune ale unui vehicul electric trebuie să îndeplinească o serie de specificații foarte stricte: cost, intervalul de temperatură de funcționare, durabilitate, capacitatea de reîncărcare rapidă etc. Unele dintre aceste criterii sunt greu de conciliat, în special densitatea energetică și puterea. Echipele de cercetare și dezvoltare depun, așadar, eforturi continue pentru a optimiza raportul autonomie/putere și pentru a îmbunătăți ansamblul proprietăților bateriilor litiu-ion. În spiritul mobilității durabile, această optimizare merge mână în mână cu căutarea unor procese care să reducă impactul bateriilor asupra mediului, în special pentru a facilita reciclarea acestora.

Baterii „solide” pentru o eficiență sporită?

Domeniul bateriilor evoluează către noi tehnologii care vizează, în special, înlocuirea procesului clasic cu electrolit lichid utilizat în bateriile convenționale. Astfel, producătorii iau în considerare bateriile așa-numite „complet solide”, care oferă o simplificare a materialelor utilizate, o mai bună gestionare a temperaturii de funcționare și posibilitatea de a crește densitatea energetică a celulelor. Aceasta este, în special, direcția explorată de specialiștii în „litiu-metal”, în care o suprafață solidă de litiu îndeplinește rolul de pol negativ în interiorul bateriei.

Se vorbește, de asemenea, despre baterii hibride, cu diferite materiale solide, sau despre baterii semisolide, ca viitoare alternativă la modelele clasice. Însă toate aceste ipoteze sunt încă departe de a se concretiza: comercializarea lor în domeniul vehiculelor electrice nu ar trebui să aibă loc decât peste ani, ba chiar decenii.

Alianța Renault-Nissan-Mitsubishi a investit astfel în start-up-ul american Ionic Materials, specializat în așa-numitele „baterii solide”. Electrolitul lichid utilizat în prezent în baterii este înlocuit aici cu un material solid, cum ar fi, de exemplu, un polimer. Această tehnologie promițătoare mai are încă nevoie de numeroase progrese pentru a deveni o alternativă la bateriile actuale, în special pentru vehiculele electrice!

Alte metode de stocare electrochimică

Bateriile cu flux circulant (sau „baterii redox cu flux”) utilizează două rezervoare care conțin reactanții și o membrană conductoare de ioni. Avantajul lor constă în separarea componentei „energie” de cea de „putere”. Cu toate acestea, densitățile energetice sunt prea scăzute pentru o aplicație în domeniul auto. În schimb, această tehnologie își găsește aplicații în domeniul stocării staționare.

O altă opțiune: sodiul. Acest element, care face parte din aceeași familie cu litiul – cea a metalelor alcaline –, poate fi „substituit” cu acesta din urmă pentru a obține bateriile așa-numite „sodiu-ion”. Sodiul este un element mai abundent decât litiul, iar caracteristicile sale permit obținerea unor performanțe mai ridicate în ceea ce privește puterea. Această tehnologie se află încă în fază de dezvoltare: deși sodiul este utilizat în domeniul stocării staționare (la temperaturi ridicate), aplicarea sa pe scară largă în bateriile vehiculelor noastre este, deocamdată, explorată de câteva start-up-uri care încearcă să industrializeze procesul.

Compoziția diferitelor elemente ale unei baterii este destinată să evolueze în funcție de direcția de cercetare analizată. Astfel, tehnologia metal-aer constă în utilizarea unui electrod metalic care se va dizolva și se va reforma în timpul ciclurilor de descărcare/încărcare, având în față un electrod care va capta oxigenul din aer pentru a-l implica în reacție, la fel ca în cazul unei pile de combustibil. Litiul și zincul pot fi, de exemplu, utilizate ca electrozi. În anumite cazuri, reîncărcarea nu se realizează electric, ci mecanic, cum ar fi în cazul aluminiului, care necesită introducerea unor „cartușe” din acest metal. Însă această soluție nu a atins încă un nivel suficient de maturitate în raport cu cerințele ridicate ale sectorului auto.

În cele din urmă, proprietățile chimice ale metalelor pot constitui o direcție de cercetare în vederea dezvoltării unei noi tehnologii. De exemplu, într-o baterie litiu-ion, producerea de curent este determinată, printre altele, de transportul ionilor de litiu. Fiecare ion de litiu transportă o sarcină. Dacă un element chimic ar fi capabil să furnizeze dublul acestei sarcini, capacitatea bateriei ar crește. Teoretic, acesta este cazul metalelor precum calciul sau magneziul, care au această proprietate (din acest motiv, ele sunt denumite „divalente”). Deoarece acest concept se află încă în stadiul de cercetare, desfășurată în principal în laboratoarele universitare, sunt necesare progrese semnificative pentru a asigura durabilitatea celorlalte componente ale celulei.

Sisteme mecanice de stocare performante

Stocarea energiei sub formă de energie electrică nu este singura posibilitate oferită în acest domeniu. Energia mecanică are, de asemenea, un rol important, așa cum o demonstrează utilizarea sistemului de pompare-turbinare. În acest proces, acțiunea unei turbine acționate de urcarea și coborârea apei într-un bazin va servi la stocarea și apoi la eliberarea energiei, pe același principiu ca în cazul unui baraj hidroelectric. Electricitatea astfel produsă este capabilă să comprime aerul în cavități imense, iar energia este stocată sub această formă până când este „eliberată” prin decompresie și acțiunea unei turbine.

În prezent, se vorbește chiar despre baterii din „beton”: blocuri de beton suspendate eliberează energie atunci când sunt „coborâte” brusc. Toate acestea sunt exemple ale numeroaselor posibilități oferite de stocarea mecanică, care rămâne, în primul rând, o infrastructură de stocare staționară.

Baterii pentru orașe autosuficiente

După câțiva ani și numeroase cicluri de încărcare, capacitatea bateriilor mașinilor electrice scade. Producătorii, precum Renault, le reutilizează apoi pentru ca aceste baterii să fie folosite în sistemele staționare de stocare a energiei electrice. Această tehnologie permite alimentarea cu energie a unei clădiri sau a unui cartier în perioadele de întrerupere a alimentării cu energie electrică și utilizarea optimă a energiei fără emisii de carbon furnizate de centralele solare și de parcurile eoliene.

Miza este una importantă, întrucât tranziția ecologică presupune atât o adaptare a producției – care poate avea loc direct în oraș, grație panourilor fotovoltaice –, cât și optimizarea rețelei, la scară mică sau mare, pentru a face ca tot mai multe zone să devină autosuficiente din punct de vedere energetic. Un avantaj pentru siguranța și continuitatea alimentării cu energie electrică!

O altă pistă luată în considerare: tehnologia „vehicle-to-grid” (V2G), testată de Mobilize în Țările de Jos, care constă în reinjectarea energiei electrice cu emisii reduse de carbon provenite de la o mașină electrică direct în rețea. Bateria unui Renault ZOÉ, atunci când este conectată la o stație de încărcare, servește astfel la stocarea energiei. Această tehnologie inovatoare merge mână în mână cu implementarea încărcării inteligente chiar în interiorul vehiculelor. Dovadă că, pe lângă găsirea de soluții alternative, producătorii optimizează utilizările actuale pentru a ajunge la o producție și o distribuție a energiei electrice cu emisii reduse.