O tehnologie din 1970 de stocare a electricităţii în spaţiu, folosită de NASA şi modificată acum, ar putea servi pentru stocarea energiei regenerabile la scară mare

De multe ori, explorările spaţiale ale omenirii par nişte activităţi făcute doar de dragul unor scopuri puţin palpabile. Dar adevărul e că cea mai mare parte a celor mai importante tehnologii care au contribuit la progresul din ultimii 60-70 ani s-au datorat tot explorărilor spaţiale şi a soluţiilor inginereşti dezvoltate pentru acestea. Acum, o tehnologie ce datează încă din anul 1970 şi a fost folosită de NASA pentru stocarea electricităţii în spaţiu, a fost uşor modificată şi e pregătită pentru a putea fi folosită în rol de baterii gigantice, pentru stocarea energiei regenerabile la scară mare, la nivelul reţelelor electrice de ţară sau cel puţin de regiuni mari, cu scopul de a deveni mai ieftine în producţie şi mai sigure în exploatarea de reţea, decât cele folosite în prezent, cum ar fi Tesla Megapack, de exemplu.

E vorba de bateriile pe bază de nichel şi hidrogen, care exclud folosirea litiului, care pot opera de la -40 grade până la +60 grade Celsius şi care pot rezista mult mai multe cicluri de încărcare şi descărcare, până la o durată de viaţă de peste 30 de ani! Iar operarea în acest interval de uriaş de temperaturi are loc fără necesitatea unui sistem de management termic, care să mai consume energie pentru menţinerea temperaturilor dorite. Ce sunt aceste baterii şi cum funcţionează, deci?

Bateria pe bază de nichel şi hidrogen are forma unui cilindru de tipul rezervoarelor de gaz. În interior, catodul bateriei e făcut din hidroxid de nichel — Ni(OH)2 — în timp ce anodul e compus din hidrogen pur — H2. Când bateria e încărcată cu electricitate, reacţia produce hidrogen, care e stocat în interior. La descărcarea bateriei, hidrogenul e oxidat şi formează apa ca produs auxiliar, generând electricitatea. Lucrurile amintesc parţial de pilele de combustibil, doar că acolo e o singură parte a procesului, producţia hidrogenului având loc în altă parte, în timp ce aici hidrogenul e produs direct în interiorul bateriei la încărcare şi stocat acolo, lucru care ar trebui să sporească randamentul, să excludă transportul din ecuaţie şi per total să dea avantaje şi faţă de bateriile litiu ion.

Foto: Aşa arată o baterie pe bază de nichel şi hidrogen

NASA a folosit această tehnologie, după cum spuneam, încă din anii 70, inclusiv pe tot soiul de module de pe staţia spaţială internaţională. Avantajul e că hidrogenul e presurizat în interior şi energia conţinută nu se pierde în timp, bateria fiind stabilă la variaţii de temperatură, inclusiv la temperaturi din spaţiu. O baterie litiu ion ar livra o putere mult mai mică la -40 grade Celsius, iar la +60 poate intra în reacţie termică necontrolată. De asta, NASA trebuia să găsească alte soluţii de stocare, mai viabile pentru condiţii spaţiale.

Foto: Aşa arătau bateriile pe bază de nichel şi hidrogen, folosite de NASA încă din 1970 încoace

Această tehnologie era destul de scumpă şi avea limitarea de presiune la care hidrogenul putea fi stocat, or, dacă se depăşeşte limita de presiune, hidrogenul poate începe să se oxideze spontan şi să se transforme în apă. Pentru stabilizări şi pentru procesul de încărcare şi descărcare, cu reacţii chimice, se foloseau şi catalizatoare cu platină, ceea ce făceau utilajul foarte scump. În 2020, însă, un profesor de la universitatea Stanford, pe nume Yi Cui, a descoperit cum poate înlocui platina cu un aliaj de cobalt, nichel şi molibden şi a redus esenţial costul tehnologiei.

Foto: Yi Cui, doctor în inginerie şi profesor universitar, omul care a modificat tehnologia NASA pentru a o face mai accesibilă şi aplicabilă pe larg

În baza descoperirii lui Yi Cui a fost fondat start-up-ul EnerVenue în California, SUA, unde Yi Cui a fost angajat ca inginer-şef. Cei de acolo au muncit în ultimii doi ani la perfecţionarea tehnologiei, acum anunţând că noua lor generaţie de baterii, pe care le numesc ESV-uri, de la Energy Storage Vessels, a făcut un salt în densitate energetică şi putere. Acestea pot stoca cu 100% mai multă energie decât în prima iteraţie, în acelaşi volum, şi au o putere cu 150% mai mare.

Foto: Echipa EnerVenue

Bateriile pot să se descarce de 2-3 ori pe zi, cu un timp de descărcare cuprins între 2 şi 12 ore, în dependenţă de puterea dorită. Fiecare baterie cu rol de rezervor poate stoca acum 3 kWh de electricitate, livrând o putere de 1 kW. Iar aici vine o uşoară dezamăgire, pentru că la dimensiunea de 1,8 metri lungime şi diametrul de 16,8 cm a unui tub, o baterie litiu ion ar stoca mult mai mulţi kWh, deci densitatea energetică e incomparabilă. O baterie EnerVenue ce stochează 3 kWh cântăreşte 62 kg, ceea ce înseamnă o densitate energetică de 48,3 Wh/kg. În lumea maşinilor, bateriile litiu-ion au cel puţin 170 Wh/kg, cele mai performante ajung la 240-290 Wh/kg, iar CATL anunţase deja şi baterii de 500 Wh/kg pentru avioane.

De aici şi explicaţia de ce creatorii bateriei, care spun că pregătesc punerea în producţie la fabrica pe care o construiesc, mizează iniţial doar pe baterii gigantice, care să fie construite lângă parcuri solare sau eoliene, sau pur şi simplu lângă centrele de distribuţie a electricităţii din cadrul reţelelor naţionale. Astfel, ei mizează că e mai probabil să se aloce spaţii şi volume mult mai mare într-o construcţie terestră, pentru că pe o maşină electrică, spre exemplu, asemenea baterii n-ar avea nicio şansă, la solicitările energetice şi de volum necesare maşinilor.

Şi apoi, în lumea bateriilor gigantice pentru reţea, densitatea energetică e mai mică, bineînţeles. O Tesla Megapack2 are 30.500 kg şi are 3.850 kWh capacitate de stocare, deci vorbim de o densitate energetică de 126 Wh/kg, pe bază de tehnologie LFP. Faţă de 48,3 Wh/kg, înseamnă de 2,6 ori mai multă energie stocată în aceeaşi greutate a bateriei Tesla faţă de noua EnerVenue.

Foto: Baterie Tesla Megapack

Cei de la EnerVenue spun că deocamdată preţul bateriilor lor cu nichel şi hidrogen e mai mare decât cele cu litiu ion, sau litiu-fier-fosfat, de genul Tesla Megapack, dar tot ei spun că durata de viaţă ar fi mai mare, de 30.000 cicluri, sau până la 30 de ani, cea ce ar recupera investiţia în timp. Ei mai indică şi avantajul că riscul de energie termică necontrolată e exclus, prin urmare aceste baterii sunt mai inofensive şi mai rezistente la condiţii reale ale unei reţele electrice, generând costuri mai mic în exploatare. Iar după 30 de ani, ele ar avea încă 86% din capacitate păstrată şi ar putea fi folosite în altă parte. Inginerii mai spun că la producţia acestor baterii nu se folosesc materiale rare, prin urmare, odată cu scalarea, ele vor deveni mai competitive. Acum, fabrica pe care o construiesc cei de la EnerVenue, va avea un ritm de producţie anuală de baterii ce însumează 5 GWh, urmând ca această capacitate să crească ulterior la 20 GWh.

Foto. Aşa ar arăta un „megapack” cu baterii pe bază de nichel şi hidrogen

Aşadar, vorbim deja de o tehnologie ce intră în producţie, şi de o fabrică ce are deja investiţiile asigurate. Rămâne doar ca mai multe reţele electrice din lume să fie convinse să o încorporeze cel puţin în regim de testare, stocând în aceste baterii energia regenerabilă produsă atunci când cererea e mică şi livrând-o în reţea atunci când cererea e mare.