23/10/2015

E cazul să depășim faza bateriilor litiu-ion. Și să mizăm pe alte tipuri de baterii

Știți cum ajung un produs inovator sau o tehnologie revoluționară pe piață? Trec printr-un proces complex, în care trebuie depășită ”valea morții”. Graficul următor încearcă să explice acest lucru.

valley of death tehnologii inovatie - oraan 2
Etapele (pe orizontală): 1 – descoperirea ideii; 2 – cercetarea teoretică a principiilor de funcționare; 3 – testele de laborator; 4 – faza de prototipuri și încercări în realitate; 5 – producția de serie

Conceptul de ”Valley of Death” se rezumă ca diferența fundamentală între idealismul și cunoștințele mediului academic, pe de o parte, respectiv pragmatismul economic și raportul risc/profit al mediului financiar, de cealaltă parte. Mediul de business are rolul de ”sită” pentru ideile care au șansele cel mai mari (în opinia subiectivă a investitorilor) să aducă profituri cât mai mari. Restul ideilor ”cad” în ”valea morții” și nu mai ajung să demonstreze dacă au un potențial mai mare decât soluția pe care mizează mediul industrial.

De ce această introducere? Pentru a încerca să explic de ce tehnologia actuală a bateriilor litiu-ion este considerată de vârf. Și de ce acest lucru ar putea să nu fie benefic pentru evoluția societății. De fapt, vorbim de un principiu valabil și pentru alte domenii – cum ar fi cel al panourilor fotovoltaice, în care tehnologia pe bază de perovskit promite multe, dar ”valea morții” e un impediment încă mare.

Bateriile litiu-ion: cum au ajuns să domine

Primele propuneri viabile de baterie pe bază de litiu au venit, culmea, din partea cercetătorilor companiei petroliere Exxon, în anii ’70. În paranteză fie spus, Exxon este compania care a mușamalizat descoperirile ținând de pericolul încălzirii globale și schimbărilor climatice provocate de poluarea industrială – dar despre asta citiți mai multe aici.

Cercetări au mai făcut și alții, dar numai în 1991 japonezii de la Sony au pus pe piață primele baterii litiu-ion comerciale. Totuși, meritele în acest domeniu merg în direcția echipei conduse de americanul John Goodenough (hilar, în traducere ar fi ”Ion Suficient de Bun”…), responsabil de bateriile de tip LiFePO4 – litiu-fier-fosfat, care au devenit cam cele mai populare din 1996 încoace. În următorii ani, au apărut tot felul de variații ale bateriilor litiu-ion, combinarea cu diverse alte materiale ducând la unele îmbunătățiri.

baterii litiu ion lifepo4 - oraan
Probabil cea mai populară formă a tehnologiei litiu-ion

De ce oare au evoluat bateriile litiu-ion? Deoarece spre finalul anilor ’80 industria și investitorii căutau febril alternative la popularele baterii cu plumb. Care erau cele mai populare, dar începeau să-și arate dezavantajele pentru noile aplicații, în paralel plumbul descoperindu-se că e prea toxic și poluant. Și mai este un motiv, strâns legat de ”valley of death”: cercetările bazate pe litiu erau cele mai promițătoare din punct de vedere al performanțelor și costurilor – raportate, atenție, la cele specifice bateriilor cu plumb, tehnologia de bază până atunci.

Pe fondul globalizării, lumea investitorilor a căpătat și ea o altă dinamică. Dacă o mare companie (cum era Sony) considera că merită riscul, s-a creat un efect de ”bulgăre de zăpadă”, care a făcut și alte companii să o ia în direcția respectivă. Brusc, banii s-au concentrat în anii ’90 pe tehnologia litiu-ion, iar celelalte tehnologii, mai mult sau mai puțin promițătoare, au rămas ”de căruță”. Sau cu acces la bugete foarte restrictive, care le-au încetinit mult evoluția. Tot legat de globalizare, când investitorii bagă banii într-o tehnologie sau un produs, în paralel investesc și în dezvoltarea unei piețe de desfacere. Durata de funcționare mai bună, durabilitatea mai mare sau efectul poluant mai redus decât al tehnologiei bazate pe plumb au dus la evoluția rapidă a device-urilor mobile, de exemplu.

Dar aici mai intervine un factor: dacă, din întâmplare, o altă tehnologie s-ar fi demonstrat superioară celei pe bază de litiu, toate planurile investitorilor, de a scoate profit pe termen mediu și lung, s-ar fi dat peste cap. Deci, până la urmă, mecanismele pieței financiare mondiale au avut un interes foarte clar să propulseze bateriile litiu-ion pe piedestal și, în paralel, să oprească dezvoltarea oricărei alte tehnologii care se putea dovedi prea competitivă.

baterii litiu ion tehnologie - oraan
O imagine elocventă a situației din ultimii 20 de ani: tehnologia litiu-ion a fost prioritizată din rațiuni de business, alternativele fiind canibalizate

Așa încât, mai mult sau mai puțin voit, a mai fost omis un factor important: cât de abundent este litiul? E suficient pentru a satisface nevoia, care crește exponențial, pentru bateriile litiu-ion? Răspunsurile le găsiți într-o analiză dedicată. După care s-a minimizat importanța altor probleme legate de bateriile litiu-ion: pe lângă costurile încă ridicate, reciclarea lor este scumpă, iar sensibilitatea la temperatură și degradarea uneori rapidă în timp devin obstacole care nu mai pot fi neglijate.

Rezumând, tehnologia litiu-ion a fost ajutată masiv deoarece era mai bună decât cea bazată pe plumb. Însă bateriile litiu-ion au multe dezavantaje, care, într-un final, se traduc în costuri. Așa încât acum lumea financiară a reînceput procesul de acum 20 de ani: căutarea febrilă a unor soluții mai bune decât bateriile litiu-ion. Adică mai ieftine și cu performanțe superioare. Mai ales că investitorii din domeniul bateriilor sunt speriați și de un alt bau-bau.

Presiunea din partea tehnologiei pe hidrogen

Soarele este un imens generator alimentat cu hidrogen. Unora le-a dat ideea să folosească această energie prin captarea razelor solare și transformarea lor în curent electric – așa s-au născut panourile fotovoltaice. Alții, însă, s-au gândit să folosească hidrogenul pe post de combustibil nepoluant. Și astfel a apărut ideea tehnologiei fuel-cell. De care este foarte interesată lumea petroliștilor, care se simte amenințată de tehnologiile bateriilor electrice și de sursele de energie regenerabilă.

fuel cell hidrogen - oraan
Principiul de producere a curentului într-o celulă de tip fuel cell pare simplu și eficient. Cum rămâne, însă, cu producerea hidrogenului și dependența de acesta?

Sunt multe de discutat pe acest subiect (și multe idei ne duc în zona obscură a conspirațiilor…), dar principiul de bază al unei industrii nepoluante bazate pe hidrogen este similar cu modul de funcționare de acum al companiilor petroliere: cineva trebuie să producă hidrogenul, cineva trebuie să aibă o infrastructură de distribuție și cineva trebuie să controleze dependența societății de noul carburant. În mod interesant, când sunt foarte mulți bani la mijloc, ”valea morții” nu prea mai este un impediment. În situația de față, corporațiile din domeniul petrolului își simt amenințată însăși existența, deci ”toarnă bani cu toptanul” în cercetările și dezvoltarea soluțiilor care să utilizeze hidrogenul. Și care să le asigure nu doar viața, ci și monopolul, după modelul descris mai sus.

De aceea asistăm deja la o puternică luptă între mașinile electrice și cele pe hidrogen, de exemplu. Dar confruntarea merge mai departe, până la obținerea energiei pentru industrie și sectorul rezidențial. Unde bateriile promit evoluții considerabile, dar nici potențialul tehnologiei fuel cell pe bază de hidrogen nu este de neglijat. Este, însă, o luptă inegală, chiar dacă hidrogenul presupune investiții mult mai mari.

Explicația: companiile din sectorul petrolier investesc trilioane de dolari, față de miliardele din domeniul bateriilor. Trilioane de dolari care, practic, formează o ”punte” peste ”valea morții” și îi asigură tehnologiei bazate pe hidrogen un suport superior decât primesc tehnologiile bateriilor electrice. Iar aici ajungem la limitările tehnologiei litiu-ion, care pur și simplu riscă să devină necompetitivă față de tehnologia pe hidrogen.

fuel cell hidrogen car - oraan
Mașina pe hidrogen este, la bază, o mașină electrică. Dar cu un sistem mai complicat de producere a energiei electrice, utilizând hidrogenul

Pentru moment, hidrogenul provine din gazele naturale, dar sunt deja pași mari pentru obținerea lui din energiile regenerabile. Odată rezolvată această problemă, hidrogenul va deveni infinit mai abundent decât litiul sau alte metale. Iar, cum lumea deja este obișnuită cu dependența de petrol, trecerea la hidrogen va părea un pas pur și simlu firesc. În timp ce domeniul bateriilor se izbește încă de multe reticențe, în principal ținând de prețurile mari la achiziție (pentru vehiculele electrice sau sistemele de stocare a energiei).

Ce promisiuni există din direcția bateriilor?

Recapitulare: bateriile litiu-ion sunt superioare celor cu plumb, dar prezintă încă multe dezavantaje. Iar în viitorul apropiat nu se întrevede găsirea unor soluții viabile pentru scăderea drastică a costurilor și îmbunătățirea considerabilă a performanțelor. În paralel, concurența neloială a tehnologiei fuel-cell pe hidrogen pune presiuni și mai mari asupra investitorilor din domeniul bateriilor.

Așa încât nu trebuie să ne mire că, în ultimii ani, din ce în ce mai multe universități și companii își îndreaptă atenția spre idei blocate în ”valea morții”. Probabil cea mai interesantă, deoarece e surprinzător de accesibilă, este ideea de a folosi sodiul sau potasiul, care se găsesc din abundență pe Pământ, în principal în… sare. Practic, bateriile Na-ion sau K-ion arată, deocamdată în faza de laborator, un potențial uriaș de a egala sau chiar depăși performanțele actualelor baterii Li-ion, rezolvând și multe dintre dezavantajele tehnologiei litiu-ion. Aflați mai multe din următoarea analiză.

baterii sodiu na ion - oraan
Na este traducerea din limba chimiștilor pentru sodiu. Da, sodiul care, în combinație cu clorul, reprezintă aproape jumătate din cantitatea de sare regăsită într-o linguriță. Exact, sarea care se găsește din belșug atât în oceane, cât și în scoarța terestră. Închipuiți-vă o baterie de zeci de ori mai ieftină decât actualele baterii litiu-ion. Cum sună?

 

Există și alte idei care par foarte promițătoare, de la bateria aluminiu-aer până la controversata ”baterie nucleară”, bazată, de fapt, pe tehnologia Betavoltaic (mult mai puțin periculoasă decât pare…). Nu este de neglijat nici conceptul bateriei lichide, care este utilizat acum în aplicații statice de stocare a energiei, tehnologia mizând cel mai mult pe caracteristicile vanadiului. Există promisiuni și pentru aplicații la scară mai redusă (cum este bateria lichidă de pe prototipurile auto ale NanoFlowCell), dar încă nu avem rezultate concrete.

Este adevărat, și în domeniul bateriilor litiu-ion se continuă cercetările, următorul pas al industriei mizând pe baterii semi-solide sau chiar solide ori pe combinații foarte promițătoare, din punct de vedere al caracteristicilor, cu diverse materiale (cum este titaniul, de exemplu). Principial, tehnologia litiu-ion evoluează, dar nu așa de mult cum ar fi de dorit pentru a deveni, cu adevărat, alternativa infailibilă la combustibilii fosili (petrol, cărbuni și gaze naturale).

Când doi se bat, al treilea…?

Discuția pe marginea tehnologiilor nepoluante se reduce la un principiu simplu: rolul lor este de a înlocui sursele poluante. Pentru ca această ”predare de ștafetă” să se producă într-un timp cât mai scurt (presiunea schimbărilor climatice devine stringentă deja), cel mai important impediment care trebuie depășit este costul. Din păcate, societatea de consum în care trăim este guvernată de bani, nu de instinctul natural de conservare, așa încât regula de bază rămâne profitabilitatea investițiilor.

Poate că aici e cazul să scuturăm puțin lumea financiară: orice secundă de întârziere a apariției unor soluții viabile, care să înlocuiască sursele poluante, ne aduce mai rapid în pragul unor schimbări climatice de proporții, care periclitează în mod direct societatea, deci și mecanismele financiare. În traducere: degeaba se fac profituri incomensurabile din poluare, dacă riscăm dispariția societății, iar banii vor deveni inutili. Până la urmă, oricât de bogat devii, nu ai cum să-ți cumperi dreptul la viață într-un sistem care moare.

litiu tehnologie investitii - oraan
Deoarece promite profituri mari, tehnologia bateriilor cu litiu este prioritizată de investitori. Chiar dacă are multe dezavantaje

Momentan, trebuie să recunoaștem că limitările tehnologiei bateriilor litiu-ion sunt destul de mari, suficient cât să nu fie încă o amenințare la adresa combustibililor fosili. De fapt, în lipsa unui cost realist al poluării, industria petrolului, cărbunilor și gazelor naturale nici măcar nu se lovește de impedimentul ”valley of death”, deoarece nu există interesul și presiunea de a găsi soluții nepoluante. Pur și simplu, combustibilii fosili nu pot fi nepoluanți…

Oricât ar părea de neverosimil, susținerea în continuare a bateriilor litiu-ion (în detrimentul altor tehnologii pentru baterii) nu face altceva decât să ajute industria combustibililor fosili să-și continue existența și să pericliteze și mai mult viitorul lumii, prin poluarea de care se face responsabilă. Poate că ar fi de preferat ca tehnologia fuel-cell pe hidrogen sa devină mai repede populară – dar am văzut mai devreme că principalii interesați de această tehnologie sunt Big Oil, care nu au niciun interes să se grăbească să renunțe la combustibilii fosili care încă sunt atatâ de profitabili.

Așadar, cum rămâne?

Unii se vor grăbi probabil să mă acuze că transmit un mesaj anti-litiu-ion, ba poate chiar că-i sprijin pe petroliști prin tot ce am spus până acum. Ar fi o acuzație falsă, deoarece nu cred că avem viitor dacă mai continuăm să ardem petrolul, cărbunii și gazele naturale (ceea ce, din păcate, se va mai întâmpla cam mult timp, din inerție și din cauza intereselor politice și economice).

Nu sunt împotriva bateriilor litiu-ion. Atâta doar că sunt sigur că există tehnologii superioare celei bazate pe litiu, dar care, din rațiuni de business și profituri, nu sunt prioritizate încă. Ceea ce e păcat, deoarece eu cred în evoluția asigurată de combinația dintre baterii și sursele ieftine (poate chiar gratis) de obținere a curentului din energii regenerabile. Combinație care poate reduce sau chiar elimina monopolul pe care l-ar induce tehnologia fuel-cell pe hidrogen – nu agreez deloc dependența impusă.

valley of death tehnologii inovatie - oraan 1
Nu știu dacă e potrivită parafrazarea unei vorbe din bătrâni: ”cine sapă groapa altuia cade singur în ”Death Valley”… Din păcate, sistemul economic actual ajută puțin evoluția, dar pune mari piedici inovației adevărate

Cu alte cuvinte, mesajul meu pentru lumea financiară este s-o lase mai moale cu profiturile și toate mecanismele astea care mai mult pun piedici dezvoltării bateriilor (prin teribilul fenomen ”Death Valley”) decât să ajute la o evoluție reală. Bateriile litiu-ion sunt ok, dar încă departe de o soluție cu adevărat foarte bună pentru o societate realmente sustenabilă. Pe principiul ”Give peace a chance!” propun ca și celorlalte tehnologii pentru baterii să lise acorde șanse egale să-și demonstreze potențialul.

Nu pentru un câștig imediat, ci pentru unul mult mai important: supraviețuirea speciei umane în viitor. Sună apocaliptic și de necrezut? Poate ar fi cazul să nu ne mai mințim singuri și să acceptăm că modul de viață actual (în care ”creșterea nivelului de trai și a calității vieții” echivalează, de fapt, cu creșterea poluării) este eronat. Există viață și după litiu-ion, garantat.

1 Comment

  • Grafen. Rezulta supercondensatori care au avnajul ca nu folosesc reactii chimice ca restul bateriilor ci stocheza sarcina static. Inca un avantaj e ca dimensiunile unei baterii vor fi mult mai mici.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *