Baterii pentru stocarea energiei regenerabile: de la Li-Ion la Sodiu-Ion

Sistemele de stocare a energiei electrice generate de parcurile fotovoltaice și eoliene ar putea deveni mai eficiente datorită noilor baterii Sodiu-Ion, care ar putea înlocui treptat acumulatorii Li-Ion. 

În ultimii ani, China, Uniunea Europeană și Statele Unite ale Americii și-au extins capacitățile de producție de energie electrică regenerabilă, în special prin construirea de parcuri fotovoltaice și parcuri eoliene. 

Principala miză este reducerea utilizării carburanților fosili în producția de energie electrică pentru a reduce astfel emisiile de dioxid de carbon și, implicit, pentru a limita procesul de încălzire globală. 

În anul 2022, parcurile fotovoltaice aveau o putere de 1,2 TW și o producție de 1.300 TWh de energie electrică la nivel global, potrivit raportului Global Market Outlook For Solar Power 2023 – 2027. În același timp, parcurile eoliene aveau o putere de 906 GW și o producție de 2.100 TWh de energie electrică la nivel global, potrivit unui raport publicat de Agenția Internațională pentru Energie.

Producția de energie electrică din astfel de surse regenerabile vine însă cu o problemă majoră pentru rețelele naționale de energie electrică și, în special, pentru sistemele de distribuție a energiei electrice către consumatori, fie ei industriali sau casnici. 

Producția de energie electrică din surse regenerabile nu este constantă, ci mai degrabă intermitentă, întrucât depinde în mare măsură de natură. Astfel, cantitatea de energie electrică generată în timp real de panourile fotovoltaice depinde de cantitatea de energie primită de la Soare, cu zile senine cu producție ridicată și zile cu nori cu producție mai mică. 

În același mod, cantitatea de energie eolienă depinde de viteza vântului din regiunile în care sunt instalate turbinele eoliene. 

Pe silențios dar de neoprit, electrificarea a luat pe sus lumea mobilității, cu avantaje evidente: o mașină electrică nu poluează, poate fi încărcată acum cu ușurință, presupune costuri reduse de întreținere și facilități fiscale. Misiunea Enel X Way este de accelera tranziția energetică în transport și construiește infrastructura de mobilitate în toată lumea.

Descoperă aici stațiile de încărcare potrivite pentru tine și mașina ta, acasă, la birou sau în tranzit.

Necesitatea de a stoca energia în baterii

Din aceste motive, există anumite intervale de timp în care parcurile fotovoltaice și turbinele eoliene produc o cantitate de energie mai mare decât necesarul de consum din acel moment. De altfel, astfel de probleme încep să fie semnalate inclusiv în România, pe fondul creșterii puternice a instalărilor de parcuri fotovoltaice și a unei rețele naționale de energie electrică în care cea mai mare parte a echipamentelor datează din anii ‘60

Soluția optimă în acest caz este ca energia electrică produsă în surplus să fie stocată pentru a fi utilizată ulterior, inclusiv în momentele în care producția din surse regenerabile este mai scăzută din cauza condițiilor meteo. Iar cea mai uzuală metodă de stocare a energiei electrice în astfel de situații este reprezentată de baterii. 

La sfârșitul anului 2021, capacitatea de stocare a energiei electrice în baterii era de 27 GW la nivel global. Agenția Internațională pentru Energie anticipează că această capacitate va crește însă într-un ritm accelerat până la 778 GW în 2030 și la 3,86 TW până în anul 2050. 

Există date concrete pe subiect inclusiv pentru România. Astfel, în Raportul de Țară privind Clima și Dezvoltarea, Banca Mondială estimează că țara noastră va avea o capacitate de stocare în baterii de 4 GW în 2030 și de 11 GW în 2050.

De altfel, în ediția din 2024 a programului Casa Verde Fotovoltaice, proprietarii de locuințe vor putea obține finanțare pentru achiziționarea unui sistem de stocare pe baterii. Un program asemănător, complementar cu Casa Verde Fotovoltaice, ar urma să înceapă în perioada următoare cu fonduri alocate de Uniunea Europeană prin PNRR. 

Parcurile fotovoltaice de mari dimensiuni au nevoie de sisteme de stocare pentru energia electrică. Foto: Dreamstime

Tipuri de baterii utilizate pentru stocarea energiei

În industria auto, energia electrică necesară pentru rularea mașinilor electrice este stocată în baterii Li-Ion. Inevitabil, soluții de acest gen sunt utilizate în prezent și pentru sistemele de stocare pentru energia regenerabilă. De altfel, bateriile Li-Ion de tip NMC, bazate în special pe nichel, magneziu și cobalt, sunt de departe cele mai populare baterii pentru stocarea energiei la nivel industrial. 

Cu toate acestea, tehnologia Li-Ion nu este neapărat și cea mai potrivită pentru sistemele de stocare industriale, întrucât necesită o serie de mecanisme de siguranță pentru a limita voltajul și, implicit, supraîncălzirea bateriei. 

În plus, bateriile Li-Ion se degradează mai rapid comparativ cu alte soluții pentru stocarea energiei la nivel industrial, întrucât au în general 2.000 – 4.000 de cicluri de încărcare-descărcare, în funcție de o serie de parametri. Și, spre deosebire de mașinile electrice pe care de cele mai multe ori le încarci o dată de săptămână atunci când rulezi exclusiv în oraș, bateriile dedicate sistemelor de stocare industriale funcționează permanent, astfel că își epuizează ciclurile de încărcare într-un ritm mai alert. 

Din aceste motive, pentru stocare sunt folosite și bateriile Li-Ion de tip LFP (Lithium Iron Phosphate Battery (LiFePO), care oferă mai multe cicluri de încărcare-descărcare și au un management termic mai simplu. Dezavantajul lor este denstitatea mai scăzută de energie, ceea ce înseamnă că sunt mai voluminoase și mai grele decât o baterie Li-Ion de tip NMC de aceeași capacitate, însă acest aspect este mai puțin important pentru sistemele de stocare industrială. 

Pentru a evita dezavantajele bateriilor Li-Ion, companiile din domeniu mai utilizează pentru stocarea energiei electrice și baterii bazate pe sodiu și sulf (NaS), însă acestea sunt mai scumpe și au temperaturi optime de funcționare de circa 300 de grade Celsius, ceea ce implică inclusiv un consum mai mare de energie electrică. 

De asemenea, unele companii mizează pe baterii de tip RFB (Redox Flow Cell Batteries), însă acestea au de asemenea costuri de producție mai mari și funcționează la parametri optimi doar între -5 și 40 de grade Celsius, ceea ce limitează zonele în care pot fi instalate. 

Cercetătorii caută soluții pentru baterii mai eficiente pentru stocarea energiei. Foto: Northvolt

Inovația Northvolt pentru baterii bazate pe sodiu

În acest context, operatorii de parcuri fotovoltaice și eoliene vor putea în curând să folosească o alternativă la toate aceste tipuri de baterii. 

Start-up-ul suedez Northvolt, la care Grupul Volkswagen deține un pachet de 20% dintre acțiuni, a anunțat la sfârșitul lunii noiembrie 2023 că va începe producția de serie a unei baterii Sodiu-Ion pentru sistemele de stocare la scară industrială. 

Bateriile Sodiu-Ion (SIB) nu reprezintă o tehnologie revoluționară în industrie. De fapt, ele există mai degrabă în stadiu de prototipuri încă din anii ‘70, însă până în prezent nu sunt larg răspândite dintr-un motiv foarte simplu: prototipurile dezvoltate până de curând aveau, de regulă, o densitate de energie în preajma pragului de 100 Wh/kg, comparativ cu o densitate de energie de circa 270 Wh/kg pentru cele mai performante baterii Li-Ion. 

Northvolt a dezvoltat însă o baterie Sodiu-Ion cu design și metode de producție îmbunătățite care a permis atingerea unei densități de energie de 160 Wh/kg, foarte apropiată de densitatea bateriilor Li-Ion de tip LFP, care au început să apară și pe unele modele electrice, în special Tesla. Noua baterie a fost dezvoltată la centrul de cercetare și dezvoltare pe care Northvolt îl deține în localitatea suedeză Västerås și utilizează un catod de tip Prussian White (PW), iar din componență lipsesc complet materii prime precum nichel, litiu, cobalt sau grafit, utilizate în cazul bateriilor Li-Ion. 

Materia primă pentru catodul Prussian White al bateriei Sodiu-Ion. Foto: Northvolt

Northvolt susține că noua baterie Sodiu-Ion este mai sigură, are costuri de producție mai mici și este mai prietenoasă cu mediul înconjurător decât bateriile Li-Ion de tip NMC sau LFP, iar explicațiile sunt foarte simple: o baterie Sodiu-Ion utilizează în special minerale precum fier și sodiu care sunt abundente la nivel global. 

În plus, bateriile Sodiu-Ion prezintă și alte avantaje comparativ cu bateriile Li-Ion: funcționează optim într-o plajă de temperaturi mai variantă, de la -20 de grade până la 60 de grade Celsius, au o eficiență energetică de circa 92%, comparativ cu eficiența energetică de 85-95% a bateriilor Li-Ion și, nu în ultimul rând, nu utilizează electroliți inflamabili. 

Noua baterie Sodiu-Ion a fost dezvoltată în parteneriat cu Altris, un producător suedez de baterii care se concentrează strict pe îmbunătățirea tehnologiei Sodiu-Ion. 

De altfel, ideea care a condus la fondarea Altris a provenit de la Ronnie Mogensen, un student la master la Universitatea Uppsala care în cadrul lucrării de disertație a făcut o serie de experimente pentru un catod pentru o baterie Sodiu-Ion pe baza unui studiu inițial realizat de John B. Goodenough, inventatorul bateriei Li-Ion

Pe baza cunoștințelor acumulate la Universitate, Mogensen a fondat Altris în 2017 împreună cu profesorii săi Reza Younesi și William Brant, iar cei trei au decis să continue munca pentru dezvoltarea unei baterii Sodiu-Ion. Pe parcursul timpului au primit investiții atât de la Northvolt, cât și de la EIT InnoEnergy (un organism independent al Uniunii Europene care se ocupă cu inovația în domeniul sustenabilității) și Molindo (un producător indonezian de etanol și dioxid de carbon lichid). 

Materia primă pentru anodul bateriei Sodiu-Ion. Foto: Northvolt

Prima generație de baterii Sodiu-Ion de la Northvolt va fi dedicată sistemelor de stocare industriale, însă Northvolt speră ca generațiile următoare să aibă o densitate de energie și mai mare pentru a putea fi introduse inclusiv pe mașinile electrice în locul bateriilor Li-Ion. 

Lumea și-a pus mari speranțe în bateriile Sodiu-Ion, iar noi am dezvoltat o tehnologie care va permite răspândirea pe scară largă a acestora. O astfel de tehnologie pentru baterii este crucială pentru a ne atinge obiectivele de sustenabilitate, întrucât electrificarea devine mai eficientă la nivel gobal din punct de vedere al costurilor. 

Peter Carlsson, CEO și cofondator Northvolt

Planurile CATL și BYD pentru baterii Sodiu-Ion

Northvolt își propune să devină primul furnizor de baterii Sodiu-Ion pentru sisteme de stocare industrială, însă marii producători chinezi de baterii lucrează deja la tehnologii asemănătoare. 

CATL, cel mai mare furnizor de baterii pentru mașini electrice din industria auto, a anunțat încă din 2021 că va dezvolta o baterii Sodiu-Ion cu o densitate de 160 Wh/kg, care ar urma să crească la 200 Wh/kg începând cu generațiile următoare. 

La fel ca Northvolt, noile baterii vor fi utilizate inițial pentru sisteme de stocare industrială, iar la vremea respectivă CATL susținea că primele baterii Sodiu-Ion vor fi livrate pentru clienți cel târziu la sfârșitul anului 2023. Totuși, CATL nu a mai făcut niciun anunț pe acest subiect de la prezentarea tehnologiei în urmă cu un an. 

Bateria Sodiu-Ion prezentată de CATl în 2021. Foto: CATL

Între timp, BYD, cel mai mare producător de mașini electrice din lume, a anunțat în noiembrie 2023 că a ajuns la un acord pentru construcția unei uzine de baterii Sodiu-Ion în China împreună cu producătorul local Huaihai Holding Group. Totuși, din acest anunț lipsește un amănunt important: perioada construcției uzinei și anul în care va începe producția efectivă de baterii Sodiu-Ion. 

De altfel, BYD anunțase anterior că va introduce o baterie Sodiu-Ion pe noul model Seagull, însă acesta a fost lansat pe piața chineză în această toamnă fără o astfel de versiune. 

În contextul noutăților anunțate de Northvolt și a planurilor formulate de CATL și BYD, pare mai degrabă o chestiune de timp până când bateriile Sodiu-Ion vor deveni alegerea preferată pentru sistemele de stocare a energiei electrice generate de parcurile fotovoltaice și eoliene. 

Implicit, asta înseamnă că se apropie inclusiv momentul în care industria auto va începe tranziția de la bateriile Li-Ion la bateriile Sodiu-Ion pentru mașinile electrice, pe măsură ce experiență acumulată la nivelul stocării industriale va permite îmbunatățirea densității de energie.

Foto principală: Dreamstime.