NAJWIĘKSZA BATERIA ŚWIATA. Start kariery kolejnego pierwiastka

Teraz wanad!

 

Potrzebujemy magazynów energii

Jeśli chcemy rozwijać odnawialne źródła energii i zastąpić nimi paliwa kopalne, to musimy stworzyć potężne baterie – wielkie magazyny energii, której będzie można użyć w każdej chwili. Dlatego już od kilku lat projektuje się i tworzy ogniwa mogące pomieścić duże ilości energii.

Naturalnym rozwiązaniem jest nieoceniony lit. O znaczeniu tego pierwiastka w energetyce przyszłości powiedziano już chyba wszystko. Lit ma wiele zalet. Baterie litowo-jonowe szybko się ładują i mają dużą pojemność. Przynajmniej na razie są niezastąpione w małych urządzeniach jak smartfony, czy też większych – jak samochody Tesli.

Cenne zasoby się kurczą
Lit wydobywa się w specjalnych kopalniach lub odzyskuje z wyschniętej solanki.

Jednak wraz ze wzrostem potrzeb energetyki lawinowo rosnąć będzie ilość potrzebnego litu, a łatwo dostępne złoża tego pierwiastka są ograniczone. Już w 2012 roku raport Stockholm Environment Institute ostrzegł, że światowa niskowęglowa transformacja gospodarki może być poważnie zagrożona przez niedobory kluczowych metali. Od kilku lat w wielu krajach wydobycie różnych metali spada, bo kurczą się złoża. Dotyczy to praktycznie wszystkich metali – przykładowo szczyt wydobycia złota miał miejsce kilkanaście lat temu. Spada też jakość pozyskiwanych rud złota.

Na początku XX wieku eksploatowaliśmy rudy zawierające około 20 gramów złota na tonę skały. W połowie stulecia jakość eksploatowanych rud spadła do 12 gramów na tonę, a obecnie w USA, Kanadzie i Australii sięgamy po rudy, mające już tylko 2-3 gramy złota na tonę. Chcąc więc budować baterie litowe, musimy stworzyć odpowiedni system recyklingu, na tyle skuteczny, by nie groził nam koniec metali, a wraz z nimi koniec cywilizacji. Taki oczywiście istnieje w rozwiniętych państwach Europy, w USA czy Kanadzie. Ale są inne kraje…

Niebezpieczne baterie

Obecnie istniejące baterie stanowią pewien kłopot. Litowy akumulator z czasem ulega degradacji i po kilku tysiącach cykli bateria litowo-jonowa nadaje się do wymiany, a jej recykling jest skomplikowany i energochłonny. Problem robi się o tyle poważny, że baterie litowe są niebezpieczne dla środowiska, ponieważ w ich skład wchodzą też substancje takie jak ołów, który jest pierwiastkiem trującym i praktycznie niezniszczalnym. Związki ołowiu mają negatywny wpływ na stan zdrowia organizmów żywych, na rozwój roślin i procesy zachodzące w środowisku wodnym. W ogniach mamy też kadm i rtęć będące pierwiastkami niezwykle toksycznymi, a co za tym idzie – szkodliwymi dla zdrowia. W przypadku uszkodzenia powłoki zewnętrznej baterii nastąpić może wyciek chlorku tionylu. Bateria się zapala i może też wybuchnąć. Na niektórych dokumentalnych programach Discovery nie raz można zobaczyć piorunujące eksperymenty z udziałem baterii.

Można powiedzieć, że lit także ładuje wewnętrzne baterie człowieka (w depresji) ale i hamuje nadmiar ekspresji (mania). W psychiatrii, jako wyrównywacz nastroju, używany jest z wielkim powodzeniem i skutecznością od ok 150 lat
Miliony zasobów do recyklingu

I paradoksalnie, to te małe baterie, używane m.in. w smartfonach są najbardziej niebezpieczne, bo po zużyciu łatwo trafiają tam gdzie nie powinny. Stanowią coraz większą część śmieci, jakie powstają w gospodarstwach domowych. Wykazano, że stanowią około 2% masy zmieszanych odpadów komunalnych.

Małe baterie i akumulatory są lekkomyślnie wyrzucane do kosza wraz z innymi śmieciami.

Polacy rocznie zużywają około 290 milionów jednorazowych baterii. A przecież zawarte w nich pierwiastki powinny być odzyskiwane. Obecnie istnieje wiele punktów zbiórki, między innymi w szkołach, biurach czy też w sklepach, w których sprzedawane są baterie. Organizacje zajmujące się odzyskiem odbierają bezpłatnie zużyte baterie i poddają je procesowi recyklingu, w którym odzyskiwane są materiały pierwotne. Zajmujące się tym zakłady są w stanie odzyskać aż do 99,5 procenta wszystkich jej składników, także tych niebezpiecznych.

Teraz wanad

Skoro recykling i świadomość ekologiczna dają nam nadzieję na lepszy obrót sprawy, możemy przyjrzeć się kolejnym rozwiązaniom. Rozglądając się za potencjalną alternatywą pozbawioną wad litu, skorzystano także z korzystnych i znanych od dawna właściwości wanadu. Obecnie wanad niemal w całości wykorzystywany jest w metalurgii jako składnik stali szlachetnych i stopów z tytanem, a także jako katalizator, głównie przy produkcji kwasu siarkowego.

Z daleka wygląda jak ostrygi, a to bryłki wanadu

Metal ten ma też doskonałe z punktu widzenia gromadzenia energii właściwości. Wykorzystując prawa, jakie obowiązują w elektryce, można zbudować chemiczny akumulator, oparty o reakcje zachodzące w roztworach wanadowych jonów. Tak samo jak w przypadku litu. Najważniejszą zaletą wanadu jest praktycznie nieograniczona pojemność, zależąca tylko od objętości elektrolitu. Co więcej, baterie tego typu w zasadzie nie ulegają degradacji a ryzyko zapłonu praktycznie nie występuje (70% elektrolitu stanowi woda).

Chińska ambicja

Za rozwój takich magazynów energii wzięły się Chiny, które ze względu na ogromny problem z zanieczyszczeniami chcą zredukować spalanie węgla. Jedna z większych tego typu instalacji ruszyła na początku stycznia 2019 roku w Zaoyang leżącym w chińskiej prowincji Hubei. Bateria zbudowana przez Kanadyjczyków z firmy VRB ma moc 3 megawatów (MW) i 12 megawatogodzin (MWh) pojemności. Docelowo ma mieć 10 MW i 40 MWh. Ale Chińczycy budują już, z amerykańską pomocą, w Dalian wielokrotnie większy magazyn oparty o redox flow na wanadzie.

Redox flow to skrót od reakcji redukcji i utleniania, na których opierają się baterie między innymi te, które mamy w smartfonach. Chińska bateria ma zostać uruchomiona w 2020 roku i będzie miała moc aż 200 MW przy pojemności 800 MWh. To dwukrotnie więcej niż szeroko nagłośniony magazyn Tesli, zainstalowany w ubiegłym roku w Australii.

Chiny już niedługo zdetronizują amerykańskie magazyny energii w Australii. Ciekawe jak na największą baterię zareaguje Elon Musk?

Może wydawać się, że oparta na wanadzie bateria jest dziś droższa od litowej. W powstających instalacjach koszt zdolności magazynowania jednej kilowatogodziny szacowany jest na 300 dolarów. W typowej baterii litowej to 200 dolarów na jedną kilowatogodzinę (kWh), choć Elon Musk od dawna obiecuje, że jego firma zejdzie poniżej 100 dolarów na kWh. Tyle tylko, że wanadowa bateria działa znacznie dłużej niż litowa, dzięki kilkukrotnie większej liczbie cykli ładowania i rozładowywania średni koszt zmagazynowania energii okazuje się niższy w odpowiednio długim horyzoncie czasowym.

Grafika: wysokienapiecie.pl
Zasoby i koszty

Koszt wanadu to jakieś 30% kosztów wytworzenia tej baterii i to jedyny element, który nie będzie podlegał ekonomii skali. Znaczenia nabiera więc kwestia dostępności i ceny tego metalu.

1
2
Hubert Bułgajewski
Publicysta REO. Wcześniej portali: naukaoklimacie.pl oraz ziemianarozdrozu.pl Ekspert ds. zmian klimatu. Autor bloga Arktyczny Lód.