Πόση πρώτη ύλη χρειάζεται πραγματικά για τις μπαταρίες ιόντων νατρίου; Ο επιστημονικός υπολογισμός, εξηγημένος με απλά λόγια

Σπόιλερ: Όχι, η θάλασσα δεν θα αφαλατωνόταν αν όλες οι μπαταρίες που χρειάζεται ο κόσμος ήταν μπαταρίες ιόντων νατρίου. Ας δούμε γιατί.

Όταν μιλάμε για μπαταρίες νατρίου, μία από τις πιο συχνές αντιρρήσεις είναι η εξής: “Αν το νάτριο προέρχεται από τη θάλασσα, τότε για να κατασκευαστούν αρκετές μπαταρίες θα έπρεπε να αφαλατωθούν οι ωκεανοί”. Είναι μια εντυπωσιακή εικόνα, αλλά είναι λανθασμένη.

Η πραγματικότητα είναι πολύ διαφορετική: Το νάτριο είναι ένα από τα πιο άφθονα, διαδεδομένα και προσιτά στοιχεία στη Γη. Βρίσκεται στη θάλασσα, βεβαίως, αλλά και σε τεράστια κοιτάσματα αλατιού, σε φυσικές άλμες και σε μια βιομηχανική αλυσίδα που ήδη σήμερα διακινεί τεράστιες ποσότητες χλωριούχου νατρίου. Για τον λόγο αυτό, από την άποψη της διαθεσιμότητας της πρώτης ύλης, το νάτριο ξεκινά από μια βάση πολύ πιο βιώσιμη και επεκτάσιμη από το λίθιο, ειδικά όσον αφορά την στατική αποθήκευση.

Με άλλα λόγια: Η πρόκληση που παρουσιάζουν οι μπαταρίες ιόντων νατρίου δεν είναι η εξεύρεση επαρκούς ποσότητας νατρίου. Η πρόκληση συνίσταται στο να μετατραπεί μια άφθονη και φθηνή πρώτη ύλη σε κυψέλες που θα είναι όλο και πιο αποδοτικές, ανθεκτικές, ασφαλείς και κατάλληλες για βιομηχανική παραγωγή.

Γιατί αυτό το θέμα είναι σημαντικό

Η ενεργειακή μετάβαση θα απαιτήσει έναν τεράστιο αριθμό συστημάτων αποθήκευσης. Με την αύξηση της χρήσης φωτοβολταϊκών και αιολικών συστημάτων, ο κόσμος θα χρειαστεί μπαταρίες ικανές να αποθηκεύουν ενέργεια με ασφαλή, οικονομικό και επεκτάσιμο τρόπο.

Και εδώ ανακύπτει ένα κρίσιμο ερώτημα: Αρκούν πραγματικά οι πρώτες ύλες;

Όσον αφορά το λίθιο, το ζήτημα είναι κεντρικής σημασίας. Όσον αφορά το νάτριο, αντίθετα, η εικόνα αλλάζει ριζικά: Μιλάμε για ένα στοιχείο που υπάρχει σε εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες, το οποίο ήδη χρησιμοποιείται σε τεράστιες βιομηχανικές ροές και διανέμεται σε πολύ ευρύτερη κλίμακα. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους το νάτριο αποτελεί μία από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις για την πραγματική βιωσιμότητα της αποθήκευσης ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα.

Πόσες μπαταρίες θα χρειαζόταν ο κόσμος;

Δεν υπάρχει ένας μοναδικός, οριστικός αριθμός, διότι το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας θα βασίζεται σε διάφορες τεχνολογίες: μπαταρίες, υδροηλεκτρική άντληση, θερμική αποθήκευση, υδρογόνο και άλλες λύσεις. Ωστόσο, για να γίνει μια επιστημονική ανάλυση, χρειάζεται ένα σενάριο αναφοράς.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τρία απλά επίπεδα:

• 1 TWh αποθήκευσης: ένα πολύ μεγάλο, αλλά ακόμα μερικό σενάριο
• 10 TWh: ένα πολύ σημαντικό παγκόσμιο σενάριο
• 30 TWh: ένα πολύ φιλόδοξο παγκόσμιο σενάριο για την ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας

Για να κατανοήσουμε τη τάξη μεγέθους: 30 TWh αντιστοιχούν σε 30 δισεκατομμύρια kWh εγκατεστημένης ισχύος. Πρόκειται για ένα σενάριο που είναι σκόπιμα ακραίο, χρήσιμο ακριβώς για να δοκιμαστεί η πιο ακραία δυνατή υπόθεση: αν ο κόσμος εγκαθιστούσε πράγματι δεκάδες TWh μπαταριών νατρίου, θα χρειαζόταν μια μη ρεαλιστική ποσότητα πρώτων υλών;

Η απάντηση, όπως θα δούμε, είναι όχι.

Πόσο νάτριο χρειάζεται για 1 kWh; Ο βασικός φυσικός υπολογισμός

Για να απαντήσουμε, πρέπει να ξεκινήσουμε από τη φυσική, όχι από τις εντυπώσεις.

Σε μια μπαταρία ιόντων νατρίου, κάθε ιόν Na⁺ μεταφέρει ένα στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο. Ένα mole νατρίου αντιστοιχεί σε περίπου 26,8 Ah με μεταβιβάσιμο ηλεκτρικό φορτίο.

Αν υποθέσουμε ότι η μέση τάση του στοιχείου είναι περίπου 3,0 V, ένα μόριο νατρίου μπορεί να μεταφέρει περίπου:

26,8 Ah × 3,0 V = 80,4 Wh

Δεδομένου ότι ένα μόριο νατρίου ζυγίζει περίπου 23 γραμμάρια, η θεωρητική ελάχιστη ποσότητα νατρίου που απαιτείται για τη συσσώρευση 1 kWh είναι:

1000 Wh / 80,4 Wh × 23 g ≈ 286 g νατρίου

Για λόγους απλότητας και για να μην υποτιμήσουμε το αποτέλεσμα, στρογγυλοποιούμε σε:

0,30 kg νατρίου ανά kWh μπαταρίας

Αυτή η αξία δεν είναι ένα διαφημιστικό σλόγκαν, αλλά ένα φυσική τάξη μεγέθους. Στην πράξη, αυτό μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τη συγκεκριμένη χημική σύνθεση, τα ενεργά υλικά, τον σχεδιασμό του στοιχείου και τα αποθέματα νατρίου που υπάρχουν στο σύστημα, αλλά το βασικό σημείο παραμένει το ίδιο: η απαιτούμενη ποσότητα νατρίου παραμένει εκπληκτικά μικρή σε σύγκριση με την τεράστια φυσική διαθεσιμότητα του υλικού.

Μετάφραση σε πραγματικούς αριθμούς: από 1 TWh έως 30 TWh

*Το στοιχείο αυτό υποδεικνύει πόσο θαλάσσιο νερό θα περιείχε, θεωρητικά, η συγκεκριμένη ποσότητα νατρίου. Αυτό δεν σημαίνει ότι θα ήταν απαραίτητο να υποβληθεί το νερό αυτό σε επεξεργασία με εγκαταστάσεις αφαλάτωσης.

Σαφής διάψευση: όχι, δεν θα γινόταν αφαλάτωση της θάλασσας

Εδώ είναι απαραίτητο να είμαστε απολύτως σαφείς.

Οι μπαταρίες νατρίου δεν απαιτούν αφαλάτωση της θάλασσας.

Η αφαλάτωση είναι μια διαδικασία που έχει σχεδιαστεί για την παραγωγή γλυκό νερό από θαλασσινό νερό. Η αλυσίδα παραγωγής μπαταριών, από την άλλη πλευρά, χρειάζεται άλατα νατρίου ως χημική πρώτη ύλη. Πρόκειται για δύο εντελώς διαφορετικά πράγματα.

Το να πούμε ότι το νάτριο “μπορεί να προέρχεται από τη θάλασσα” δεν σημαίνει ότι ο κόσμος θα πρέπει να κατασκευάσει τεράστιες εγκαταστάσεις για την εξαγωγή αλατιού από τους ωκεανούς με μοναδικό σκοπό την κατασκευή μπαταριών. Το βιομηχανικό νάτριο μπορεί να προέρχεται από:

• αλάτι ορυχείου ή αλάτι από βράχο
• φυσικές άλμες
• ηλιακή εξάτμιση
• υφιστάμενες χημικές και βιομηχανικές ροές

Η σωστή περιγραφή δεν είναι, λοιπόν, “ένας κόσμος που στεγνώνει τη θάλασσα”, αλλά μια αλυσίδα που αντλεί από τεράστιους αλατούχους πόρους, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ήδη σήμερα από τη βιομηχανία σε παγκόσμια κλίμακα.

Ποιο τμήμα της αλυσίδας παραγωγής αλατιού θα ήταν πραγματικά απαραίτητο;

Το χλωριούχο νάτριο, δηλαδή το κοινό αλάτι, περιέχει περίπου το 39,3% νάτριο σε μάζα. Αυτό σημαίνει ότι για να παραχθεί 1 τόνος νατρίου χρειάζονται περίπου 2,54 τόνοι NaCl.

Εφαρμόζοντας αυτή την αναλογία στο σενάριο από 30 TWh, θα χρειαζόμασταν περίπου 22,9 εκατομμύρια τόνοι αλατιού.

Φαίνεται πολύ; Σε απόλυτους αριθμούς, ναι. Όμως, σε παγκόσμια βιομηχανική κλίμακα, είναι ένας αριθμός που ταιριάζει απόλυτα με μια μεγάλη, ήδη υπάρχουσα αλυσίδα εφοδιασμού.

Το κρίσιμο σημείο είναι ακριβώς αυτό: Ακόμη και σε ένα πολύ ακραίο παγκόσμιο σενάριο, το νάτριο που απαιτείται για τις μπαταρίες αποτελεί μια διαχειρίσιμη ποσότητα σε σύγκριση με τις παγκόσμιες ροές αλατιού.

Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους, από υλική άποψη, το νάτριο είναι δομικά πιο βιώσιμο από το λίθιο: όχι επειδή απαιτεί “λιγότερα χημικά”, αλλά επειδή βασίζεται σε έναν πόρο που είναι απείρως πιο διαδεδομένος, πιο προσιτός και λιγότερο ευαίσθητος.

Και από τη θάλασσα, πόσο νάτριο θα “απορροφούσε” κανείς θεωρητικά;

Το θαλασσινό νερό περιέχει περίπου 35 γραμμάρια αλάτων ανά κιλό και το νάτριο είναι ένα από τα κύρια συστατικά του. Κατά μέσο όρο, μπορεί να υπολογιστεί μια συγκέντρωση περίπου 10,8 γραμμάρια νατρίου ανά κιλό θαλασσινού νερού.

Αυτό σημαίνει ότι 1 κυβικό μέτρο θαλασσινού νερού περιέχει περίπου 11 κιλά νατρίου.

Επομένως, για το σενάριο από 30 TWh, θα χρειαζόταν ένα ισοδύναμο περιεχόμενο σε περίπου 0,8 km³ θαλασσινού νερού.

Και αυτός ο αριθμός πρέπει να ερμηνευτεί σωστά:

• è μικρό σε σχέση με την κλίμακα των ωκεανών·;
• δεν συνεπάγεται καμία “αφαλάτωση του πλανήτη”·;
• αυτό αποδεικνύει απλώς ότι η ποσότητα νατρίου που εμπλέκεται είναι μικρή σε σχέση με τους διαθέσιμους πόρους.

Η πραγματική σύγκριση που πρέπει να γίνει είναι με το λίθιο

Όταν αξιολογείται η βιωσιμότητα μιας χημικής σύνθεσης για μπαταρίες, δεν μετράει μόνο η ηλεκτροχημική απόδοση. Μετράει επίσης η υλική βάση: πού βρίσκονται τα στοιχεία, πόσο διαδεδομένα είναι, πόσο κρίσιμη είναι η αλυσίδα εφοδιασμού, πόσο επιβαρυντική είναι η εξόρυξη, πόσο ευάλωτη είναι η αλυσίδα εφοδιασμού.

Και εδώ ακριβώς το νάτριο αναδεικνύει ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματά του.

Όσον αφορά το λίθιο, μια εκτίμηση που χρησιμοποιείται συχνά είναι περίπου 160 γραμμάρια μεταλλικού λιθίου ανά kWh. Εφαρμόζοντας αυτή την τιμή στο 30 TWh σε ό,τι αφορά τον αποθηκευτικό χώρο, θα φτάναμε περίπου στα:

4,8 εκατομμύρια τόνοι λιθίου

Δεν πρόκειται να πούμε ότι το λίθιο δεν θα χρειαστεί πια. Το θέμα είναι να κατανοήσουμε τη διαφορά μεταξύ δύο πολύ διαφορετικών κόσμων:

• το νάτριο βασίζεται σε μια τεράστια, κατανεμημένη, οικονομική και χημικά ήδη υπάρχουσα υλική βάση, η οποία διατίθεται σε τεράστιες αλυσίδες εφοδιασμού·;
• το λίθιο παραμένει συνδεδεμένος με μια αλυσίδα εφοδιασμού που είναι πιο ευαίσθητη, πιο συγκεντρωμένη γεωγραφικά και πιο εκτεθειμένη σε βιομηχανικές και γεωπολιτικές εντάσεις.

Συνοπτικά: το λίθιο είναι ελαφρύτερο και έχει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα μάζας, αλλά το νάτριο είναι πολύ πιο άφθονο και πολύ πιο εύκολο να αξιοποιηθεί ως πρώτη ύλη.

Γιατί αυτό έχει πραγματικά σημασία για τη βιωσιμότητα

Όταν μιλάμε για βιωσιμότητα, δεν πρέπει να περιοριζόμαστε στη λέξη “πράσινο”. Πρέπει να αναρωτηθούμε: Μπορεί αυτή η τεχνολογία να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες χωρίς να δημιουργήσει νέες κρίσιμες εξαρτήσεις;

Στην περίπτωση του νατρίου, η απάντηση είναι πολύ πιο ενθαρρυντική σε σύγκριση με το λίθιο, ειδικά για εφαρμογές όπως:

• οικιακή αποθήκευση
• εμπορική και βιομηχανική αποθήκευση
• συστήματα φωτοβολταϊκών
• ηλεκτρικά δίκτυα και μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας

Για αυτές τις εφαρμογές, προτεραιότητα δεν είναι μόνο η επίτευξη της μέγιστης δυνατής ενεργειακής πυκνότητας. Είναι επίσης:

• διαθέσιμες πρώτες ύλες
• μεγαλύτερη σταθερότητα των δαπανών
• πιο ανθεκτικές αλυσίδες εφοδιασμού
• μεγαλύτερη ασφάλεια
• μια τεχνολογία που είναι πραγματικά επεκτάσιμη μακροπρόθεσμα

Και εδώ ακριβώς το νάτριο μπορεί να αποτελέσει μια πιο συγκεκριμένη μορφή βιωσιμότητας: όχι θεωρητική, όχι μόνο περιβαλλοντική από αφηγηματική άποψη, αλλά βιομηχανική, υλική και συστημική.

Το επιστημονικό συμπέρασμα

Αν ο κόσμος εγκαθιστούσε δεκάδες TWh μπαταριών ιόντων νατρίου, δεν θα έπρεπε να αφαλατώνουμε τη θάλασσα και δεν θα βρισκόμασταν αντιμέτωποι με ένα πρόβλημα εγγενούς έλλειψης πρώτων υλών.

Θα έπρεπε, αντίθετα, να κάνουμε αυτό που απαιτεί κάθε μεγάλη τεχνολογία:

• να βιομηχανοποιήσει την παραγωγή
• επεξεργασία των υλικών
• βελτιστοποίηση της χημείας των κυψελών
• βελτίωση διαδικασιών, ηλεκτρονικά, BMS και ενσωμάτωση συστημάτων

Αυτό είναι το βασικό σημείο: Η πρόκληση όσον αφορά το νάτριο δεν είναι η αφθονία του πόρου, αλλά η ωρίμανση της τεχνολογίας.

Συνοπτικά: Το νάτριο δεν παρουσιάζει ενδιαφέρον επειδή “προέρχεται από τη θάλασσα”, αλλά επειδή βασίζεται σε μια πρώτη ύλη εξαιρετικά άφθονη, ευρέως διαδεδομένη και ήδη διαθέσιμη σε βιομηχανική κλίμακα. Για τον λόγο αυτό, μακροπρόθεσμα, αποτελεί μία από τις πιο σταθερές βάσεις για μια πραγματικά βιώσιμη αποθήκευση ενέργειας.

Τελική ερώτηση: Η πραγματική βιωσιμότητα των συστημάτων αποθήκευσης θα βασιστεί στο νάτριο;

Για ορισμένες εφαρμογές με εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, το λίθιο θα συνεχίσει να διαδραματίζει κεντρικό ρόλο. Όμως, όταν το θέμα είναι να αποθηκεύει μεγάλη ποσότητα ενέργειας με τρόπο ασφαλή, προσιτό, επαναλήψιμο και επεκτάσιμο σε παγκόσμιο επίπεδο, το νάτριο έχει ένα πολύ ισχυρό επιχείρημα υπέρ του: το πρόβλημα δεν είναι η πρώτη ύλη.

Και ακριβώς γι’ αυτό το λόγο, η προσοχή στρέφεται όλο και περισσότερο προς τις μπαταρίες ιόντων νατρίου: όχι ως τεχνολογική περιέργεια, αλλά ως σοβαρή υποψήφια λύση για να καταστεί η αποθήκευση ενέργειας πιο ανθεκτική, πιο προσιτή και πιο βιώσιμη για τον πλανήτη.