František Herzáň, Tomáš Krajčí
Pravdepodobne všetky batérie, s ktorými ste sa v živote stretli, boli lítium-iónové. Tie nájdeme v smartfónoch, diaľkových ovládačoch, ale aj v elektro mobiloch. Spoločnosť Form Energy zo Západnej Virgínie stavia novú halu na výrobu batérií železo-vzduch. Od zavedenia do elektro mobilov však majú ďaleko. Akumulátor využíva na uvoľňovanie energie proces hrdzavenia (oxidácie), ktorý možno pomocou elektrického prúdu zvrátiť.
- Mechanizmus takejto batérie poznáme už od roku 1878.
- Americká firma využíva iba železo, vzduch a vodu.
- Výhodou sú nízke náklady, ale tiež vysoká bezpečnosť.
- Masová výroba sa má začať v roku 2024 v štáte Západná Virgínia.
Dnešnému svetu ukladania energie vládnu lítiové akumulátory. Okrem viacerých výborných vlastností majú mnohé nevýhody, preto sa k nim stále hľadajú alternatívy. Patria aj medzi batérie typu železo-vzduch. Aktuálne smerujú do výroby, ktorú chystá americká firma Form Energy.
V dnešnej dobe je lítium jedným z najvyhľadávanejších prvkov. Je dokonca tak žiadané a dôležité pre budúcnosť zelenej energie, že sa ľudia snažia prísť na spôsob, akým ho získať čo najviac. Lítium-iónové batérie však nie sú ideálne pre všetky typy ukladania energie. Perfektne slúžia pri krátkodobej spotrebe energie, no pri dlhodobej zaostávajú.
Akonáhle sa začneme baviť o spotrebe množstva energie v rádoch megawattov, napríklad pri rozvodových sieťach, tieto batérie jednoducho „nestíhajú“. Ďalšou nevýhodou je aj ich možná explózia pri požiaroch, ako aj skutočnosť, že likvidácia požiarov tohto typu batérií vyžaduje značne úsilie.
Spoločnosť Form Energy prichádza s riešením. Je ochotná investovať až 760 miliónov dolárov, na vývoj a výrobu batérie železo-vzduch. Takáto batéria je veľká asi ako práčka, a pojme 50 železo-vzduchových článkov, ktoré sa následne obalia elektrolytom. Fungujú najmä na princípe reverzného hrdzavenia, čo znamená že bunky „dýchajú“ vzduch, ktorý premieňajú na oxid železa (hrdzu) a to produkuje energiu.
Naopak pri nabíjaní batérii sa obracia oxidácia a bunky sa premieňajú späť na železo. Prvýkrát s týmto nápadom prišla NASA, a to už koncom 60-tych rokov. takéto batérie riešia hneď niekoľko problémov. Ako prvé batérie železo-vzduch riešia niektoré nedostatky lítia, a to využívanie dostupného železa (4. najrozšírenejší prvok na zemi) a vzduchu. Zníženie výroby lítium-iónových batérií výrazne obmedzí množstvo vody, ktoré sa používalo pri ich ťažbe a výrobe. To spôsobovalo kontamináciu podzemných ale aj povrchových vôd.
Hlavné výhody a nevýhody takéhoto akumulátora
Akumulátory sú 10-krát lacnejšie, mali by lepší výkon a vydržali by až 17-krát dlhšie. Výrazne by pomohli preklenúť priepasť, kedy energetické spoločnosti potrebujú uchovávať väčšie množstvo energie počas špičky. Zelená energia je momentálne na vzostupe, a preto by takéto batérie mohli byť využité aj pri skladovaní energie zo slnka. Lítium-iónové batérie umožňujú skladovanie energie na 4 hodiny, zatiaľ čo železo-vzduch batérie až 100 hodín.
Medzi hlavné nevýhody patrí ich veľkosť, čo znamená ich ťažšiu prepravu a skladovateľnosť. Rovnako sa pomaly nabíjajú, a to je hlavný dôvod prečo si nemyslíme, že takáto batéria bude v blízkej budúcnosti súčasťou elektromobilov. Niektoré spoločnosti (ako QuantumScape) už dnes pracujú na nových technológiách, akými zefektívnia výkon batérií elektromobilov.
Základný mechanizmus akumulátora kov-vzduch nie je žiadna novinka, práve naopak. Prvotnú verziu si patentoval francúzsky vedec Louis Maiche už v roku 1878. Využil pritom zinok, kým Američania stavili na dostupnejšie železo. S takouto formou experimentovala v 60. rokoch aj tamojšia vláda pod gesciou NASA.
Hrdzavením batéria elektrickú energiu uvoľňuje, opačný proces ju nabíja. Rozšíreniu batérii železo-vzduch bránilo najmä samovoľné vybíjanie a oxidácia anódy, na ktorej sa pri uvoľňovaní energie tvorí vrstva hrdze. Následkom toho dochádza k rýchlej degradácii. Výskumníci z MIT (Massachusettský technologický inštitút) však našli spôsob, ako tento proces pomocou elektrického prúdu zvrátiť a obnoviť fungovanie akumulátora. Následne založili Form Energy.
Americká firma nevyužíva vo svojej technológií žiadne exotické materiály, iba železo, vzduch a vodu. Teda suroviny patriace na Zemi k tým najrozšírenejším. Oproti lítiovým článkom sú vďaka tomu jej batérie omnoho lacnejšie, v priemere až 10-krát. Úložisko s kapacitou 1 kWh by malo stáť zhruba 20 dolárov (18,45 eur).
Výhodou akumulátorov typu železo-vzduch nie sú len nízke náklady, ale tiež vysoká bezpečnosť. Elektrolyt na báze vody nie je horľavý. Nehrozí tu tiež tepelný únik, teda pokračujúce prehrievanie sa spravidla „preskakujúce“ medzi jednotlivými článkami. Jeho výsledkom býva neraz požiar či výbuch.
Mínusom technológie je relatívne vysoká hmotnosť, ako aj neschopnosť rýchleho nabíjania či vybíjania. Z týchto dôvodov nie sú takéto batérie vhodné pre elektromobily. Naopak, predstavujú dobrú voľbu ako statické úložiská napríklad pri obnoviteľných zdrojoch energie. Na toto použitie postačuje aj schopnosť udržať stav nabitia po vyše 100 hodín.
Akumulátor typu železo-vzduch je ideálny ako statické úložisko energie. Form Energy ráta s použitím modulov, ktorých veľkosť prirovnáva k dvojici práčka/sušička postavenej vedľa seba. Každý obsahuje približne 50 článkov s výškou jeden meter. Moduly možno skladať a vytvárať veľké úložiská, firma hovorí o možnej kapacite vyše 3 MWh na jeden aker (7,41 MWh/hektár).
Na reálne aplikácie takýchto proporcií si ešte počkáme. Masová výroba akumulátorov železo-vzduch sa má začať v roku 2024, kedy plánuje spustiť prevádzku továreň Form Energy v americkom štáte Západná Virgínia. Závod s plochou vyše 22 hektárov má stáť 760 miliónov dolárov (701 miliónov eur). Výstavbu bude firma čiastočne financovať zo štátnej podpory vo výške 290 miliónov dolárov (267,5 milióna eur). Okrem toho do nej vložili peniaze aj viacerí investori, medzi ktorými je oceliarsky gigant ArcelorMittal či startup Breakthrough Energy Ventures z portfólia Billa Gatesa.
A Form Energy dúfa, že nová továreň v Západnej Virgínii začne vyrábať prvé akumulátory v roku 2024.
Zdroje: Spevar, F.: mojelektromobil.sk; Pokrývka, M.: zive.aktualit.sk; grafika: FormEnergy.