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 o poziție dominantă pe piața bateriilor în ultimele decenii. Această tehnologie prezintă numeroase avantaje care explică succesul său atât în alimentarea telefoanelor mobile, cât și a mașinilor electrice. Aceste baterii litiu-ion, în special datorită densității energetice care asigură autonomia, permit satisfacerea cerințelor industriei auto.

Bateriile de tracțiune ale unui vehicul electric trebuie să îndeplinească o serie de cerințe foarte stricte: cost, interval 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 astfel eforturi continue pentru a optimiza raportul autonomie/putere și pentru a îmbunătăți ansamblul proprietăților bateriilor litiu-ion. În contextul mobilității durabile, această optimizare merge mână în mână cu căutarea unor procese care reduc 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 se gândesc la baterii așa-numite „complet solide”, care oferă o simplificare a materialelor utilizate, o mai bună gestionare a temperaturii de utilizare 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 servește drept 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 câțiva ani, dacă nu 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 se impune ca o alternativă la bateriile actuale, în special pentru vehiculele electrice!

Alte metode de stocare electrochimică

Bateriile cu flux continuu (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 „putere”. Cu toate acestea, densitățile energetice sunt prea scăzute pentru a fi utilizate în industria auto. În schimb, această tehnologie găsește aplicații în domeniul stocării staționare.

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

Compoziția diferitelor componente ale unei baterii este destinată să evolueze în funcție de direcția de cercetare abordată. 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 face electric, ci mecanic, cum ar fi în cazul aluminiului, care necesită introducerea unor „cartușe” din acest metal. Însă această soluție nu este încă suficient de matură în raport cu cerințele importante ale utilizării în domeniul 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 electrică. Dacă un element chimic ar fi capabil să furnizeze o sarcină dublă față de aceasta, 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 referă la cercetări efectuate în principal în laboratoarele universitare, sunt necesare progrese importante pentru a asigura durabilitatea altor componente ale celulei.

Sisteme mecanice de stocare performante

Stocarea energiei sub formă de energie electrică nu este singura opțiune disponibilă în acest domeniu. Energia mecanică are, de asemenea, un rol de jucat, așa cum o dovedește utilizarea pompării-turbinării. 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 la un 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 zilele noastre, 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 autonome

După câțiva ani și numeroase cicluri de încărcare, capacitatea bateriilor mașinilor electrice scade. Producătorii, precum Renault, le reutilizează pentru a le folosi 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 decarbonizate furnizate de centralele solare și eoliene.

Miza este una importantă, întrucât tranziția ecologică presupune atât adaptarea producției – care poate avea loc direct în orașe grație panourilor fotovoltaice –, cât și optimizarea rețelei, la scară mică sau mare, pentru a face tot mai multe zone autonome 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 gândirea la soluții alternative, producătorii optimizează utilizările actuale pentru a ajunge la o producție și o distribuție de energie electrică cu emisii mai reduse.