Ile surowców potrzeba naprawdę do baterii litowo-jonowych? Naukowe obliczenia, wyjaśnione prosto

Spoiler: nie, morze by się nie odsoliło, gdyby wszystkie baterie potrzebne na świecie były litowo-jonowe. Zobaczmy, dlaczego.

Mówiąc o bateriach sodowych, jedna z najczęstszych obiekcji brzmi: “Jeśli sód pochodzi z morza, to do wyprodukowania wystarczającej liczby baterii trzeba by odsolić oceany”. To sugestywny obraz, ale jest błędny.

Rzeczywistość jest zupełnie inna: sód jest jednym z najbardziej obfitych, rozpowszechnionych i dostępnych pierwiastków na Ziemi. Znajduje się w morzu, oczywiście, ale także w ogromnych złożach soli, w naturalnych solankach i w procesach przemysłowych, które już dziś przetwarzają gigantyczne ilości chlorku sodu. Z tego powodu, z punktu widzenia dostępności surowca, Sód wychodzi z baz znacznie bardziej zrównoważonych i skalowalnych niż lit., zwłaszcza do magazynowania stacjonarnego.

Innymi słowy: Wyzwanie w przypadku baterii jonowo-sodowych nie polega na znalezieniu wystarczającej ilości sodu. Wyzwanie polega na przekształceniu surowca, który jest obfity i tani, w ogniwa coraz bardziej wydajne, trwałe, bezpieczne i możliwe do zindustrializowania.

Dlaczego ten temat jest ważny

Transformacja energetyczna będzie wymagała ogromnej ilości systemów magazynowania energii. Wraz ze wzrostem wykorzystania fotowoltaiki i energii wiatrowej, świat będzie potrzebował baterii zdolnych do bezpiecznego, opłacalnego i skalowalnego magazynowania energii.

I tu właśnie pojawia się kluczowe pytanie: Czy surowców naprawdę wystarcza?

Dla litu sprawa jest kluczowa. Dla sodu natomiast sytuacja radykalnie się zmienia: porozmawiajmy o bardzo obfitym elemencie, który już znajduje się w ogromnych strumieniach przemysłowych i jest dystrybuowany znacznie szerzej. To jeden z powodów, dla których sód stanowi jedną z najbardziej obiecujących dróg do rzeczywistej zrównoważoności w magazynowaniu energii na dużą skalę.

Ile baterii potrzebowałby świat?

Nie istnieje jedna ostateczna liczba, ponieważ przyszłość magazynowania energii będzie składać się z wielu technologii: baterii, elektrowni szczytowo-pompowych, magazynów ciepła, wodoru i innych rozwiązań. Ale aby przeprowadzić naukowe rozumowanie, potrzebny jest scenariusz odniesienia.

Możemy użyć trzech prostych poziomów:

• 1 TWh magazynowanie: bardzo duży, ale wciąż częściowy scenariusz
• 10 TWh: globalnie bardzo istotny scenariusz
• 30 TWh: bardzo ambitny scenariusz światowy dla magazynowania elektrochemicznego

Aby zrozumieć rząd wielkości: 30 TWh oznacza 30 miliardów kWh zainstalowanej mocy.. To celowo ekstremalny scenariusz, przydatny do przetestowania najmocniejszej możliwej tezy: czy jeśli świat zainstalowałby dziesiątki TWh baterii sodowych, potrzebowałby nierealistycznej ilości surowca?

Odpowiedź, jak zobaczymy, jest nie.

Ile sodu potrzeba na 1 kWh? Podstawowe obliczenia fizyczne

Aby odpowiedzieć, trzeba zacząć od fizyki, a nie od wrażeń.

W baterii jonowo-sodowej każdy jon Na⁺ przenosi ładunek elementarny. Mol sodu odpowiada około 26,8 Ah przenośny ładunek elektryczny.

Przyjmując średnie napięcie ogniwa wynoszące około 3,0 V, jedna mol sodu może przenieść około:

26,8 Ah × 3,0 V = 80,4 Wh

Ponieważ jedna mol sodu waży około 23 gramy, minimalna teoretyczna ilość sodu do zgromadzenia 1 kWh jest

1000 Wh / 80,4 Wh × 23 g ≈ 286 g sodu

Dla prostoty przekazu i aby nie zaniżać, zaokrąglamy do:

0,30 kg sodu na każdą kWh baterii

Ten wartość nie jest sloganem reklamowym, ale rząd wielkości fizyczny. W praktyce może się różnić w zależności od specyficznej chemii, materiałów aktywnych, konstrukcji ogniwa i zapasów sodu w systemie, ale kluczowy punkt pozostaje niezmieniony: ilość potrzebnego sodu pozostaje zaskakująco niewielka w porównaniu z ogromną dostępnością tego surowca w naturze.

Tłumaczenie na liczby rzeczywiste: od 1 TWh do 30 TWh

*Ten wskaźnik pokazuje, ile wody morskiej teoretycznie zawierałaby ta ilość sodu. Nie oznacza to, że tę wodę należałoby uzdatniać instalacjami odsalającymi.

Jasne zaprzeczenie: nie, morza nie odsalano

Tutaj kluczowe jest bycie bardzo jasnym.

Baterie sodowe nie wymagają odsalania wody morskiej.

Odsalanie to proces przeznaczony do uzyskiwania słodka woda da acqua salata. La filiera delle batterie, invece, ha bisogno di litio. sole sodowe jako surowiec chemiczny. To dwie zupełnie różne rzeczy.

Stwierdzenie, że sód “może pochodzić z morza”, nie oznacza, że świat powinien budować ogromne zakłady odsalania oceanów wyłącznie w celu produkcji baterii. Sód przemysłowy może pochodzić z:

• salgemma sale kamienne
• salamoie naturali
• parowanie słoneczne
• istniejące przepływy chemiczne i przemysłowe

Poprawną reprezentacją nie jest więc “świat, który wysusza morze”, ale łańcuch dostaw, który czerpie z ogromnych zasobów soli, już dziś wykorzystywanych przez przemysł na skalę światową.

Jaka część łańcucha dostaw soli byłaby naprawdę potrzebna?

Chlorek sodu, czyli zwykła sól, zawiera około 39,3% dwusodowy w masie. Oznacza to, że aby uzyskać 1 tonę sodu, potrzeba około 2,54 tony NaCl.

Stosując ten raport do sytuacji 30 TWh, potrzeba około 22,9 miliona ton soli.

Czy to dużo? Absolutnie tak. Ale w globalnej skali przemysłowej jest to liczba w pełni zgodna z istniejącym, dużym łańcuchem dostaw.

Sedno sprawy tkwi właśnie w tym: nawet w bardzo ekstremalnym scenariuszu światowym, sód potrzebny do produkcji baterii stanowi ilość, którą można opanować w porównaniu z globalnymi przepływami soli.

To jest jeden z powodów, dla których z materialnego punktu widzenia, Sód jest strukturalnie bardziej stabilny niż lit: nie dlatego, że wymaga “mniej chemii”, ale dlatego, że opiera się na zasobie niezwykle powszechniejszym, bardziej dostępnym i mniej krytycznym.

E dal mare quanto sodio si “prenderebbe” in teoria?

Woda morska zawiera około 35 gramów soli na kilogram a sód jest jednym z jego głównych składników. Średnio można szacować stężenie około 10,8 gramów sodu na kilogram wody morskiej.

To oznacza, że 1 metr sześcienny wody morskiej zawiera około 11 kg sodu.

Więc, dla scenariusza 30 TWh, potrzebowalibyśmy równoważnej treści mniej więcej 0,8 km³ wody morskiej.

Ten numer również należy zinterpretować poprawnie:

• è malutki w porównaniu do skali oceanów;
• nie zakłada żadnego “odsolenia planety”;
• służy jedynie do pokazania, że ilość sodu jest niewielka w porównaniu do dostępnych zasobów.

Prawdziwe porównanie, jakie należy przeprowadzić, to porównanie z litu

Oceniając zrównoważony rozwój chemii baterii, nie liczy się tylko wydajność elektrochemiczna. Liczy się również skład materiałowy: gdzie znajdują się pierwiastki, jak są rozpowszechnione, jak krytyczny jest łańcuch dostaw, ile waży wydobycie, jak wrażliwy jest łańcuch dostaw.

I właśnie tutaj sód okazuje jedną ze swoich najmocniejszych zalet.

Dla litu, często stosowana estymacja to około 160 gramów litu metalicznego na kWh. Stosując tę wartość do 30 TWh w magazynie, doszlibyśmy do około:

4,8 miliona ton litu

Chodzi nie o to, że lit przestanie być potrzebny. Chodzi o zrozumienie różnicy między dwoma bardzo różnymi światami:

• w sód opiera się na ogromnej, rozproszonej, ekonomicznej i chemicznie obecnej w ogromnych łańcuchach dostaw materii podstawowej;
• w lit pozostaje związany z łańcuchem dostaw bardziej wrażliwym, bardziej skoncentrowanym geograficznie, bardziej narażonym na napięcia przemysłowe i geopolityczne.

W skrócie: lit jest lżejszy i bardziej energetyczny w przeliczeniu na masę, ale sód jest znacznie bardziej powszechny i znacznie bardziej naturalny w skalowaniu pod względem surowców.

Dlaczego to naprawdę ma znaczenie dla zrównoważonego rozwoju

Kiedy mówimy o zrównoważonym rozwoju, nie możemy ograniczać się tylko do słowa “zielony”. Musimy zadać sobie pytanie: czy tę technologię można produkować na dużą skalę bez tworzenia nowych krytycznych zależności?

W przypadku sodu odpowiedź jest znacznie bardziej zachęcająca niż w przypadku litu, szczególnie w zastosowaniach takich jak:

• akumulacja mieszkaniowa
• magazynowanie komercyjne i przemysłowe
• systemy fotowoltaiczne
• sieci elektryczne i instalacje wielkoskalowe

W przypadku tych zastosowań, priorytetem nie jest tylko posiadanie najwyższej możliwej gęstości energii. Jest również posiadanie:

• dostępne surowce
• większa stabilność kosztów
• silniejsze łańcuchy dostaw
• większe bezpieczeństwo
• rzeczywiście skalowalna w długim okresie technologia

I tutaj sód może odgrywać bardziej konkretna forma zrównoważonego rozwojunie teoretyczna, nie tylko środowiskowa w sensie narracyjnym, ale przemysłowe, materiały i systemy.

Wnioskowanie naukowe

Gdyby świat zainstalował dziesiątki TWh baterii sodowo-jonowych, Nie powinniśmy odsalania morza i nie stanęlibyśmy w obliczu problemu wewnętrznego niedoboru surowca.

Zamiast tego powinniśmy zrobić to, czego wymaga każda wielka technologia:

• uprzemysłowić produkcję
• rafinacja materiałów
• optymalizować chemię ogniw
• ulepszanie procesów, elektronika, BMS i integracja systemów

To sedno sprawy: Wyzwanie związane z sodem nie leży w obfitości zasobów, ale w dojrzałości technologii..

W skrócie: Sód nie jest interesujący, ponieważ “pochodzi z morza”, ale dlatego, że opiera się na niezwykle obfitym, szeroko rozpowszechnionym surowcu dostępnym już w skali przemysłowej. Z tego powodu w dłuższej perspektywie stanowi on jedną z najsolidniejszych podstaw dla prawdziwie zrównoważonego magazynowania energii.

Pytanie końcowe: czy prawdziwa zrównoważoność magazynowania energii będzie powiązana z sodem?

Dla niektórych zastosowań o bardzo wysokiej gęstości energii lit będzie nadal kluczowy. Ale kiedy temat dotyczy magazynować tak dużo energii w bezpieczny, dostępny, powtarzalny i skalowalny na całym świecie sposób, sód ma bardzo mocny argument po swojej stronie: surowiec nie jest problemem.

I właśnie dlatego coraz większa uwaga kierowana jest na baterie sodowo-jonowe: nie jako ciekawostkę technologiczną, ale jako poważnego kandydata do uczynienia magazynowania energii bardziej odpornym, bardziej demokratycznym i bardziej zrównoważonym dla planety.