Magazynowanie elektryczności

Trudno sobie wyobrazić współczesne życie bez elektryczności. Może gdzieś na campingu w czasie wakacji, ale tam też zabieramy ze sobą elektryczne latarki i kilka urządzeń zasilanych bateriami. I pomyśleć, że odkrycie to ma zaledwie 200 lat.

Celowo użyłem słowa „odkrycie”, gdyż zjawisko elektryczności jest nieodłącznie związane ze wszystkimi zjawiskami otaczającego nas świata, a mimo to ludzie elektryczności nie dostrzegali. Dopiero pod koniec XVIII wieku Galvani zademonstrował jak mięśnie martwej żaby poruszają się, gdy przystawić do nich dwa kawałki różnych metali. Wynalazł w ten sposób pierwsze elektryczne ogniwo, nie wiedząc jednak co to jest. Ogniwa elektryczne później badał i udoskonalał Volta i inni fizycy.

Przez ponad sto następnych lat opisane zostały i wykorzystane różne zjawiska elektryczne, lecz fizycy cały czas nie wiedzieli, co powoduje te dziwne i wielce pożyteczne efekty. Dopiero prace teoretyczne i obserwacje elementarnych cząstek materii wyjaśniły zjawisko przepływu prądu. Dzisiaj wiemy, że jest to ruch elektronów przeciskających się pomiędzy cząsteczkami materii lub swobodnie przelatujących w próżni. W niektórych sytuacjach, prąd elektryczny wywoływany jest przez większe cząsteczki (atomy lub molekuły – jony), w których ilość elektronów i dodatnich protonów jest nierówna.

Pierwszymi wynalazkami w rozwoju elektrotechniki były ogniwa, z których można było czerpać energię elektryczną. Opracowane przez Francuzów prawie sto pięćdziesiąt lat temu ogniwo (Leclanche) i akumulator ołowiowy (Plante), są stosowane do dzisiaj. Sto lat temu w laboratoriach Edisona przebadano ponad 50 tysięcy kombinacji metali i związków chemicznych, zanim opracowano używany do dzisiaj akumulator żelazo–niklowy.

Dzisiaj fizycy i chemicy wiedzą, że wytwarzanie prądu elektrycznego w ogniwach i akumulatorach, to wynik reakcji chemicznych, w których zawsze występuje przemieszczenie elektronów. Niektóre z tych reakcji są jednokierunkowe, po wytworzeniu prądu, nie można w prosty sposób odtworzyć stanu takiego, jaki był przed reakcją. Ogniwa zbudowane z tych substancji nazywamy pierwotnymi (primary cell).

Opracowano również takie ogniwa, w których reakcje mogą przebiegać w dwóch kierunkach. Po przereagowaniu i wytworzeniu prądu, można ogniwo zregenerować do pierwotnej postaci przepuszczając prąd z innego źródła w drugim kierunku. Klasycznym przykładem jest ołowiowy akumulator samochodowy.

Problem polega tylko na znalezieniu takich substancji o możliwe małej wadze, które reagując ze sobą wywołują możliwie duży prąd elektryczny. Metale takie jak ołów, miedź, cynk, kadm, wchodząc w reakcje z kwasami i innymi związkami, wydajnie produkują prąd, lecz ważą zbyt wiele.

Wiemy jak trudno jest wymontować i wynieść z samochodu ciężki, zniszczony lub wyładowany akumulator. Pojemność akumulatorów (i baterii) podaje się w amperogodzinach lub watogodzinach. W Ameryce dane te nie są powszechnie podawane, bo przeciętny użytkownik i tak nie wiedziałby co to oznacza.
W Polsce mogliśmy przeczytać na obudowie, że taki a taki akumulator ma np. 40 amperogodzin. Oznacza to, że dwie samochodowe żarówki (tzw. mijania), pobierające z akumulatora łącznie 8 amperów prądu, wyczerpią go po 5 godzinach. Oczywiście taką pojemność ma akumulator, gdy jest nowy i w pełni naładowany. Po kilku latach eksploatacji i kilkuset cyklach ładowania i rozładowywania, pozostawienie świateł nawet na kilkanaście minut może akumulator wyczerpać.

Od pierwszych lat motoryzacji próbowano napędzać samochody elektrycznością zmagazynowaną w akumulatorach. Sto lat temu rekord szybkości przez jakiś czas należał do samochodu elektrycznego. Jednak usprawnienia silnika spalinowego były szybsze i przez długi czas, elektryczność mogła konkurować tylko tam, gdzie spaliny były dokuczliwe – w halach fabrycznych, magazynach czy na polach golfowych.

Kilkanaście lat temu niektóre firmy samochodowe, „podpuszczane” przez obrońców środowiska, wyprodukowały próbne serie samochodów napędzanych energią z akumulatorów ołowiowych. Ograniczony zasięg, długotrwałe ładowanie i zużycie ważących prawie tonę akumulatorów po kilkuset cyklach ładowania (rok –dwa) były przyczyną wielkiej klapy. Próbne samochody, jeszcze w okresie gwarancji, były odkupywane i złomowane przez producentów.

Akumulatory ołowiowe magazynują niewiele energii w stosunku do wagi. Gdyby w samochodzie wykorzystywać przy średniej szybkości moc 10 koni mechanicznych w ciągu 5 godzin jazdy, potrzebne byłoby 1000 kg (1 tona) akumulatorów ołowiowych. Podobny efekt uzyskamy z 12-15 galonów benzyny, ważącej ok. 40 kg.

Obecne samochody o napędzie elektrycznym mają tak zwany napęd hybrydowy, spalinowo-elektryczny. Akumulatory są niewielkie i to czy są w garażu naładowane czy nie, nie ma znaczenia. Energia jest dostarczana przez niewielki silnik spalinowy, wystarczający do utrzymywania stałej szybkości na szosie. Gdy samochód się zatrzymuje lub jedzie wolniej, silnik spalinowy doładowuje akumulator, a gdy samochód przyspiesza, potrzebując więcej mocy, energia jest pobierana z akumulatora.

Cały czas konstruktorzy akumulatorów dążą do zmniejszenia ich wagi przy niezmniejszaniu gromadzonej przez nie energii. Opracowano akumulatory z elektrodami srebrnymi, rtęciowymi, z roztopionym sodem i siarką, ale zawsze były jakieś niedogodności.

Nadzieją jest opanowanie technologii akumulatorów z litem, najlżejszym metalem, który jednak jest bardzo kapryśny i zapala się w powietrzu oraz w zetknięciu z wodą. Najnowsze generacje akumulatorów litowych są ok. 7 razy lżejsze od ołowiowych przy tej samej gromadzonej energii. Można je kształtować w elastyczne, cienkie warstwy o grubości kilku milimetrów. Są jednak ciągle niebezpieczne w wypadku uszkodzenia i wewnętrznego zwarcia.
Akumulatory litowe zrewolucjonizowały jednak przemysł niewielkich przenośnych urządzeń, komputerów, telefonów komórkowych, aparatów muzycznych. Jeszcze dziesięć lat temu wybuchła panika, gdy kilka takich niedopracowanych jeszcze baterii litowych wybuchło w czasie ich używania.

Producenci tłumaczyli, że tysiąc razy częściej zdarza się katastrofa samochodowa wynikająca z rozmawiania przez telefon w czasie jazdy, lecz obawy trwały przez pewien czas. Obecne baterie litowe są odpowiednio przekonstruowane i doniesień o wybuchach już się nie spotyka, a laptopy, telefony komórkowe i aparaty fotograficzne mają coraz dłuższy czas pracy.
Opracowano wiele konkurencyjnych akumulatorów. Jedna z popularnych konstrukcji to akumulator kadmowo-niklowy stosowany w bateryjnych narzędziach oraz rewelacja ostatnich lat – baterie i akumulatory niklowo-wodorowe. Wodór ma dużo lepsze właściwości wytwarzania prądu niż jakikolwiek metal, lecz zawsze były trudności z jego magazynowaniem. Opracowano więc gąbczaste stopy metali, w które wodór jakby wsiąka i powoli jest uwalniany do produkcji prądu.

Ciekawą konstrukcją jest akumulator wanadowy, w którym materiał wytwarzający prąd (roztwór tlenku wanadu w kwasie siarkowym) jest pompowany do ogniwa. Po przereagowaniu, roztwór ten jest w osobnych urządzeniach regenerowany prądem z innego źródła. Akumulatory wanadowe dużej mocy gromadzą, na przykład w dzień, energię wytwarzaną przez baterie słoneczne albo wytwarzaną przez wiatraki i zwracaną, gdy wiatr nie wieje. Energia ta nie jest wprawdzie gromadzona wewnątrz akumulatora, lecz jako energetyczna ciecz magazynowana w osobnych zbiornikach. Ilość tej energii zależna jest więc nie od akumulatora, lecz od pojemności zbiorników.

Podobna idea jest wykorzystywana od ponad pięćdziesięciu lat w ogniwach paliwowych. Reagujące ze sobą ciecze lub gazy wpompowuje się pomiędzy układy elektrod odbierających energię elektryczną z reagujących (spalanych bezpłomieniowo) materiałów. Najbardziej wydajne są ogniwa paliwowe spalające wodór. Problem tylko w tym, że wodór nie występuje na Ziemi w warunkach naturalnych. Aby go wytworzyć, trzeba użyć więcej energii niż potem się odzyska.

Wodór nie jest materiałem energetycznym takim jak benzyna czy spirytus, lecz jedynie nośnikiem energii. Nośnikiem w dodatku bardzo kapryśnym i trudnym do transportu. Ucieka przez najmniejsze szczeliny, nawet przez cienkie powłoki metali. Jest bardzo lekki (jako ciecz 10 razy lżejszy od benzyny) i musi być przechowywany albo w bardzo niskich temperaturach (-250 stopni Celsjusza), albo pod ciśnieniem kilkuset atmosfer.

Ogniwa paliwowe zasilane cieczami, na przykład spirytusem lub benzyną są ciągle w stadium badań i opracowań. Ciągle nie wiadomo czy będą one miały praktyczne zastosowanie w transporcie.

Ostatnio ukazały się doniesienia o rewelacyjnym sposobie magazynowania elektryczności. Idea jest stara – kondensatory. Są to elementy, które gromadzą nośniki prądu – elektrony, nie w postaci „naładowanych” związków chemicznych, lecz bezpośrednio na powierzchniach przewodników.
Dotychczas konstruowane kondensatory nie miały zbyt rewelacyjnych właściwości. Jeden z większych, wielkości litrowej butelki, przeznaczony do współpracy ze wzmacniaczami akustycznymi dużych mocy, gromadził tylko tyle energii, że mógł zasilać reflektory samochodu przez sekundę. W porównaniu z tradycyjnym akumulatorem, to nic.

Jednak fizycy pracują i niedawno doniesiono, że opracowano super-kondensator dorównujący a nawet przewyższający akumulatory chemiczne. Demonstrowany super-kondensator ważący ok. 150 kg gromadził tyle energii co 1.5-tonowy zestaw akumulatorów ołowiowych. Problem tylko w tym, że napięcie na tym kondensatorze jest takie jak na słupach wysokiego napięcia – ponad 3 tysiące volt.

Szczegóły konstrukcyjne są jednak trzymane w tajemnicy, gdyż badania finansuje wojsko. Może jednak tajemnica nie będzie obowiązywała zbyt długo, gdyż Rosjanie ogłosili, że mają już podobny super-kondensator. Jeżeli trudności konstrukcyjne i eksploatacyjne zostaną rozwiązane, będzie to bardzo trwały, niezniszczalny magazyn elektryczności. (ami)