Nova generacija baterij iz Tesle in zakaj bi to želeli

Izdelovalec električnih avtomobilov in baterij tudi za druge znamke Tesla Motors, ki bo sodeč po ostalih podvigih svojega lastnika Elona Muska kmalu počel še vse kaj drugega, razvija novo generacijo baterij, ki bi lahko namesto električnega vozila napajala kar celotne hiše. Razlogov je več, možnosti uporabe pa tudi. Fizika se v načelu strinja, detajli pa bodo še zelo zanimivi.

Muska poznamo po tem, da mu stvari uspejo. Ker to v modernem svetu ni dovolj, zna ustvariti tudi napeto pričakovanje in novosti napovedati s pompom, zna se skratka prodati. Samo spomnimo se lanske napovedi Hyperloopa, ki naj bi po veliki pnevmatski cevi omogočal transport ljudi v kapsulah iz Los Angelesa v San Francisco v pol ure. Nekateri so se smejali, a smejali so se tudi, ko je Muskov SpaceX napovedal polete v vesolje, sedaj pa rutinsko letijo na Mednarodno vesoljsko postajo namesto NASE.

In tako lahko napoved izdelave res velikih in prostornih baterij vzamemo zelo resno. Ciniki bodo porekli, da je skrajni čas, saj so baterije ozko grlo razvoja pametnih prenosnih naprav. Legendarna Nokia 3310 izpred petnajstih let je imela kapaciteto 1000 mAh, iPhone 6 pa jo ima 1810 mAh (6,9 Wh energije). Precej piškav napredek, medtem ko so današnji pametni telefoni tisočkrat zmogljivejši. Kako neki?

Pri elektroniki imamo še ogromno rezerv, ker je inherentno potrebna energija za računanje - kar je vse, kar elektronika počne – sila majhna. Večino potrošimo za segrevanje. Landauerjeva meja znaša pri sobni temperaturi manj kot trilijoninko joula za manipulacijo enega bita podatkov, kar je teoretična spodnja meja. Današnji računalniki porabijo bistveno več zaradi "primitivne" zgradbe; miniaturizacija procesa je že prinesla precejšnje prihranke. V glavnem so ti odgovorni za večje zmogljivosti današnjih pametnih telefonov, ne pa baterije. Ali drugače: zahvaliti se morate inženirjem elektrotehnike, medtem ko so bili kemiki precej manj pridni. Ali pa ker imajo kemiki težje delo.

Ko pridemo k avtomobilom, nam to nič več ne pomaga. Poraba energije za prevoz z enega mesta na drugo mesto je bolj ali manj nespremenljiva, bistvenih prihrankov pa ne moremo dobiti. Res motorji z notranjim izgorevanjem približno dve tretjini energiji potratijo kot toploto, a to je njihov problem. Elektromotorji, ki so učinkovitejši, še vedno ne morejo porabiti manj kot tiste nujno potrebne tretjine. In zato je učinkovito skladiščenje energije pomembno.

Glavni problem električnih avtomobilov je vir elektrike. Tesla Model S ima baterijo, ki shrani 85 kWh energije, kar je približno 14.000-krat več kot v iPhonu. Če pa pogledamo masno razmerje, tehta baterija v iPhonu okrog 30 gramov, baterijski paket v Tesli S pa 544 kilogramov oziroma 18.000-krat več. Vidite problem? Pri baterijah ni čudežev in za dvakrat več energije boste potrebovali dvakrat težjo baterijo, ki jo boste polnili dvakrat dlje. Fizika ne daje popustov na količino.

Kratek obvoz: če nad elektriko obupate in se odločite, da boste energijo raje shranjevali kemično, pride prvi na misel vodik. Njegov problem je vnetljivost, hlapnost, pronicljivost (tesnjenje!). Vodik lahko adsorbirate na kovinske ali polimerne nosilce, pa tudi to ni idealna rešitev, ker prinese veliko mase. Kaj pa če bi ga kemično vezali na ogljik? Odlično, dobili ste ne preveč vnetljivo tekočo snov, ki jo je mogoče enostavno in hitro pretakati, shrani veliko energije na maso in je ni težko izrabljati. Dobili ste – nafto (C₈H₁₈), ki da približno 45 MJ energije na kilogram. Litij-ionske baterije v Tesli? Približno 0,5 MJ/kg.

Nazaj k baterijam, ki proizvodnje energije ne bodo rešile, lahko pa veliko naredijo na področju učinkovite rabe, saj je elektriko najceneje in tudi najčisteje pridelovati v jedrskih elektrarnah.

Zakaj bi torej sploh Tesla razvijala nove baterije? Musk ima za vse svoje podvige vedno dva razloga – ker se izplačajo in ker so neizmerno "kul". Res bi že bil čas, da dobimo spodobne shrambe električnega naboja. Izplača pa se zato, ker Musk razmišlja dolgoročno. Če uspejo izdelati zmogljiv, poceni in lahek baterijski komplet, ki bo prenosljiv med avtomobilom in hišo, bodo postali vodilni na trgu, ki se šele odpira. Uporaba teh kompletov pa bi imela prednosti tudi za končne uporabnike, saj bi lahko znižali račun za elektriko. Trenutno je namreč marsikod mogoče električna vozila napolniti brezplačno. Hkrati pa bi bile tovrstne shrambe elektrike zelo uporabne v izrednih razmerah, recimo v lanskem žledu, ko se trenutno zanašamo na agregate in bencin. To ni tako neverjetno - povprečno gospodinjstvo mesečno porabi dobrih 300 kWh električne energije, že trenutne baterija v Tesli S pa shrani 85 kWh.

Prihodnost je električna, vprašanje je le, kdo bo prvi prispel tja.