KTU mokslininkė: alternatyvios energijos progresą lėtina saugojimo problema

Bendruomenė | 2022-04-14

Kauno technologijos universiteto Cheminės technologijos fakulteto mokslininkė Ieva Barauskienė

Energija, ypač iškastinis kuras, dažnai tampa ginklu tokių agresorių kaip Rusija rankose. Ne vienerius metus stebėdama manipuliacijas dujų rinkoje ir dėl to kylančias energetinių išteklių kainas, Europos Sąjunga imasi veiksmų priklausomybei nuo naftos ir dujų mažinti. Įgyvendinant žaliojo kurso politiką, planuojama intensyvinti elektros gamybą iš atsinaujinančių energijos šaltinių. Tačiau kas trukdo visiškai atsisakyti iškastinio kuro ir naudoti tik saulės, vėjo elektrinėse pagamintą elektrą?

Visose išsivysčiusiose šalyse pastaraisiais metais nemažai investuojama į elektros gamybą naudojant atsinaujinančių šaltinių, tokių kaip saulė, vėjas, vanduo, energiją. Remiantis tarptautinės atsinaujinančios energijos agentūros (angl. International Renewable Energy Agency, IRENA) duomenimis, nuo 2010 iki 2020 metų elektros, generuojamos saulės elektrinėse, kaštai sumažėjo net 85 %.

Kur saugoti energiją?

Tai lemia vis tobulėjančios technologijos, leidžiančios didinti tokių elektrinių efektyvumą ir mažinti jų statybos ir eksploatacijos kaštus. Atsinaujinančios energetikos vystymas yra ir vienas pagrindinių problemų, susijusių su klimato kaita, sprendimų. Tai kas gi lėtina šio sektoriaus progresą?

Saulės elektrinėse elektra gaminama ir žiemą, ir vasarą, ir saulėtą dieną, ir apsiniaukusią. Bet tik dieną. Tik šviesiuoju paros metu. Vėjo elektrinėse elektra gaminama ir naktį, tačiau pagaminamos elektros kiekis svyruoja nuo vėjo intensyvumo. Ką daryti tokiu atveju, kai energijos poreikis yra didesnis arba mažesnis nei pagaminamas kiekis?

Siekiant užtikrinti tolygų energijos tiekimą iš šių šaltinių, perteklinė pagaminta energija turėtų būti kaupiama kaupikliuose ir panaudojama tada, kai atsiranda poreikis. Būtent kaupikliai yra visą sektoriaus plėtrą stabdanti dalis.

Yra keli patikimi metodai pagamintai energijai saugoti. Vienas iš jų – naudoti baterijas. Su jomis susiduriame kiekvieną dieną buityje: nuo mažų šarminių baterijų smulkiems elektros prietaisams iki ličio jonų baterijų kompiuteriuose, telefonuose ar elektromobiliuose.

Išsikrovus telefono baterijai, ją tiesiog įkrauname prijungę prie elektros lizdo. Taip pat ir atvirkščiai – perteklinę energiją, pagamintą saulės ar vėjo jėgainių, galima būtų laikinai „sudėti“ į baterijas jas įkraunant, o vėliau iškrauti tiekiant energiją į tinklus.

Pasaulyje baigiasi kobaltas

Tik kuo didesnis energijos kiekis, tuo didesnė turi būti ir baterija. Vien JAV planuoja iki 2050 metų sumontuoti didelės talpos baterijų, kurių bendra galia siektų 100 GW.

Atrodytų, kad tuo problema ir išspręsta. Tačiau didžiausia kliūtis tokių baterijų gamybai pasauliniu mastu – riboti ličio ir kobalto, kurie naudojami ličio jonų baterijų gamybai, ištekliai.

Skaičiuojama, kad iki 2050 m. pasaulyje bus panaudota apie 10 % visų ličio ir beveik 100 % visų kobalto atsargų. Kokia tuomet išeitis? Viena iš jų – baterijų perdirbimas. Jei iš švino-rūgšties baterijų galima perdirbti beveik 100 % švino, ličio jonų baterijų perdirbimas yra sudėtingesnis procesas.

Skaičiuojama, kad šiuo metu tik apie 5 % ličio jonų baterijų yra perdirbama. Vis dėlto, mokslininkai pateikia vis naujų metodų paprastesniam ir ekonomiškai efektyvesniam perdirbimui. Kita išeitis – gaminti baterijas pasitelkiant alternatyvias medžiagas.

Pavyzdžiui, „Panasonic“ korporacija, gaminanti baterijas „Tesla“ automobiliams, planuoja jau 2-3 metų laikotarpiu pradėti gaminti ličio jonų baterijas visiškai be kobalto. Taip pat nedaug trūksta, kad būtų galima pradėti masinę natrio jonų baterijų gamybą.

Natrio jonų baterijos yra stabilesnės ir saugesnės nei ličio jonų, jos gali veikti platesniame temperatūrų intervale, taip pat jų užsiliepsnojimo tikimybė yra žymiai mažesnė. Vis dėlto, natrio jonų baterijų teikiamas energijos kiekis tarp įkrovimų yra mažesnis nei ličio jonų, todėl tokios pačios galios baterija turėtų būti didesnė, o tai sumažina jų patrauklumą galimam panaudojimui nešiojamiems įrenginiams.

Lydo druską

Kitas būdas kaupti atsinaujinančią energiją – paversti ją šilumine energija. Pavyzdžiui, Nevadoje (JAV) montuojama 110 MW saulės elektrinė, kurioje saulės šviesa koncentruojama veidrodžiais ir panaudojama kaitinant druską tol, kol ši išsilydo. Vėliau išsilydžiusi druska kaitina vandenį iki garų, kurie kaip ir įprastinėse šiluminėse elektrinėse suka turbinas ir gamina elektros energiją. Skaičiuojama, kad išsilydžiusios druskos energijos užtenka 10h gaminti elektros energiją.

Dar vienas būdas kaupti energiją iš atsinaujinančių šaltinių – jos panaudojimas gaminant didelės savitosios energijos medžiagas, pavyzdžiui, vandenilį. Degant vandeniliui išsiskiria didžiulis energijos kiekis, o vienintelis degimo produktas – vanduo.

Tokiu būdu vandeniliu, kaip kuru, būtų galima aprūpinti ir krovininius laivus, kuriems baterijų generuojamos energijos neužtenka norint ilgu atstumu plukdyti sunkiu krovinius.

Nors vandenilis yra laikomas švariu kuru, tačiau didžioji jo dalis vis dar gaunama iš gamtinių dujų, išskiriant didelius kiekius CO2 dujų. Vandenilio gavimas skaidant vandenį ir kaip energiją panaudojant atsinaujinančių šaltinių pagamintą elektrą leistų gauti švarų kurą aplinkai nekenksmingu būdu.

Ieškoma inovatyvių kelių

Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai, kaip tarptautinės mokslininkų bendruomenės dalis, taip pat intensyviai dirba ieškodami šių energetinių problemų sprendimo būdų. Universiteto laboratorijose kuriamos inovatyvios organinės ir neorganinės medžiagos saulės elementams, vykdomi katalizatorių, skirtų vandens elektrolizei ir vandenilio gamybai, tyrimai.

KTU mokslininkai taip pat kuria įvairias talpinių savybių turinčias neorganines sistemas, kurios panaudojamos superkondensatoriams – energijos kaupikliams, galintiems greitai suteikti didelį energijos kiekį ir taip papildyti baterijų veikimą.

Atsinaujinantys energijos šaltiniai – tai ne tik ateitis. Tai – ir dabartis. O stebint dabartinę situaciją, tai ir energetinė nepriklausomybė bei išeitis stabdyti klimato kaitą.