Baterije na bazi gvožđa kao budućnost dugoročnog skladištenja energije

Američka startap kompanija Form Energy pre nekoliko meseci objavila je da radi na baterijama zasnovanim na reverzibilnom rđanju, takozvanim gvožđe-vazduh baterijama. Takve baterije, nasuprot danas široko korišćenih litijum-jonskih, trebalo bi da budu značajno jeftinije. Samo gvožđe je rasprostranjenije i industrijski jednostavnije za ekstrakciju od litijuma, što znači i drastično niže troškove. Dobro je poznata i ekološka negativna strana današnjih procesa rudarenja litijuma.

Cilj ovog ambicioznog, svega četiri godine starog američkog startapa je korišćenje njihovih baterija za dugoročno skladištenje električne energije, konkretno za potrebe funkcionisanja električne mreže.

Jedna od najvećih prepreka u procesu prelaska sa fosilnih goriva na obnovljive izvore energije je periodičnost upotrebljivosti energije koju obnovljivi izvori pružaju. Ilustrativan je primer solarne energije koja, za razliku od sagorevanja fosilnih goriva, usled smenjivanja dana i noći, nije u stanju da obezbedi konstantno opskrbljivanje električne mreže.

Potreban je način da se višak električne energije koja se proizvede tokom dana uskladišti i da bude dostupan tokom noći. Zbog toga je pronalazak pouzdane tehnologije dugoročnog skladištenja energije od presudnog značaja za široku upotrebu obnovljivih izvora, odnosno ukidanje termoelektrana i smanjenje emisija ugljen-dioksida.

Kako funkcionišu gvožđe-vazduh baterije?

Mnoge kompanije i naučne ustanove imaju mnoštvo predloga tehnologija, ali u kompaniji Form Energy uvereni su da je rešenje koje oni koriste ono pravo. Upotreba danas naširoko korišćenih litijum – jonskih baterija u svrhu dugoročnog skladištenja energije u budućnosti nema smisla, zbog neverovatno velike količine potrebnih baterija, kao i zbog ekološke nepodobnosti litijuma. Zato ljudi iz Form Energy – ja vole naglasiti kako njihovo rešenje koristi naširoko dostupne resurse : gvožđe, vodu i vazduh.

Tehnologija gvožđe-vazduh baterija, kao podvrsta metal-vazduh baterija, poznata je kao koncept još od sedamdesetih, ali nije komercijalizovana. Predložena tehnologija zasniva se na reakciji gvožđa sa kiseonikom iz vazduha pri pražnjenju baterije, pri čemu se gradi gvožđe(III)oksid, odnosno rđa. Tada gvožđe menjajući svoje oksidaciono stanje otpušta elektrone.

Sa druge strane, pri punjenju baterije, električna energija se pretvara u hemijsku tako što se pod dejstvom električne struje dešava suprotna reakcija pri kojoj u procesu redukcije od rđe nastaje elementarno gvožđe, a oslobađa se kiseonik, piše Ivan Kremer za portal Klima101.

Dizajn baterije je takav da njenu ćeliju čine elektroda od gvožđa, zatim takozvana vazdušna elektroda, kao i elektrolit postavljen između njih. Pri procesu pražnjenja, sistem uvlači vazduh iz koga potiče potreban kiseonik, a pri procesu punjenja baterije sistem izbacuje vazduh, obogaćen oslobođenim kiseonikom. Dodatna dobra strana primene ove tehnologije je što oslobođeni vazduh bude u određenoj meri čistiji nego onaj uvučeni od strane sistema.

Baterije se sastoje od deset do dvadeset opisanih ćelija i veličine su mašine za pranje veša. Sistem se sastoji od više hiljada ovakvih baterija spakovanih u kućište koje ih štiti od spoljne sredine. Veličina sistema, odnosno količina upotrebljenih baterija može da varira u zavisnosti od potreba. Kapacitet skladištenja sistema koji zauzima malo manje od pola hektara zemiljišta, otprilike je takav da je, u svojoj gušćoj konfiguraciji pakovanja baterija,  u stanju da skladišti oko više od 3 megavata električne energije.

Znatno niži troškovi

Izvršni direktor kompanije, Mateo Haramiljo, bivši je zaposlenik Tesle, gde je radio na razvoju njihovih sistema za skladištenje energije koji u paru sa solarnim krovovima čine osnovu za dom budućnosti. U ulozi glavnog naučnog referenta, u kompaniji prisutan je i Jet-Ming Čiang, stručnjak sa MIT-a. Izbor tehnologije reverzibilnog rđanja kao osnove za njihov dizajn sistema za dugoročno skladištenje, rezultat je timskog sistematičnog pregleda svih do sada poznatih potencijalnih rešenja ove problematike.

Činjenica da nisu izmišljali novu tehnologiju već samo izabrali onu postojeću koja najviše obećava i optimizovali je, omogućila im je da u samo četiri godine predstave funkcionalno rešenje. Tome je doprinela i kupovina intelektualne svojine i postrojenja ugašene kompanije Fluidic Energy koja se bavila cink-vazduh baterijama.

U intervjuu za portal CleanTechnica Jaramillo tvrdi da su njihovi sistemi u stanju da kontinualno opskrbljuju mrežu tokom 100 sati i duže, što ih stavlja u rang sa postrojenjima zasnovanim na fosilnim gorivima, a ne drugim baterijskim rešenjima. Jaramillo napominje da bi cena baterija na kojima rade mogla biti desetostruko manja od cene od litijum-jonskih baterija. To pojeftinjenje pre svega proizilazi iz stostruko manje nabavne cene sirovine gvožđa, naspram sirovine litijuma.

Primera radi, cena tone sirovine litijuma (u obliku litijum-karbonata), iznosi više od 10.000 dolara, a cena tone sirovine gvožđa oko 100 dolara. Takođe, gvožđe je, za razliku od litijuma, rasprostranjeno na svim delovima Zemljine kugle, što ne samo da se odražava na nabavnu cenu sirovine, nego i pojednostavljuje ceo proces proizvodnje baterija.

Kao dodatni podsticaj za promovisanje prihvatanja njihovog rešenja za skladištenje energije, kompanija je razvila i potpuno nov softverski alat za modelovanje električnih mreža.

Velike investicije i planovi za budućnost

S obzirom na to da je za njihove sisteme gvožđe ključni sastojak, kompanije iz čelične industrije veoma su zainteresovane za implementaciju ovakvog rešenja. Nije čudno da je kompanija ArcelorMittal, gigant u svetu rudarenja gvožđa i proizvodnje čelika investirala 25 miliona dolara u Form Energy u julu ove godine i time bila najveći investitor u okviru runde grupnog investiranja koja je kompletirana u avgustu prilikom koje je prikupljeno 240 miliona dolara. Među investitorima u Form Energy našao se i čuveni Breakthrough Energy, osnovan od strane Bila Gejtsa, baš u svrhu podsticanja inovativnih rešenja u borbi protiv klimatskih promena.

Prva prilika za pravdanje investicija i početak implementacije ove tehnologije je gradnja sistema za skladištenje energije za elektrodistribucionog operatera Great River Energy u Minesoti, sa rokom do 2023. godine. Taj projekat treba da ima ulogu dokaza funkcionalnosti i postavljanja primera mogućnosti dugoročnijeg skladištenja energije, nasuprot danas korišćenog kratkotrajnog. Poželimo im sreću u otvaranju vrata budućnosti bez fosilnih goriva ključem zvanim pouzdano skladištenje energije.