Akumulator – nowe serce auta

09 października 2019

Od niego zależą cena, osiągi i funkcjonalność. Ale też układ sił na rynku i losy producentów. Gdyby szybciej uwierzyli w elektryczny napęd, e-auta już pokonałyby spalinowe.

Prąd jest jedynym pożądanym wytworem cywilizacji, którego nie potrafimy magazynować wydajnie, szybko i tanio. Choć wszyscy go potrzebujemy. Przeciętny Polak zużywa 780 kWh energii elektrycznej rocznie, a gdy ogrzewa w ten sposób dom lub korzysta z elektrycznych pojazdów – jeszcze więcej. I choć elektryczność towarzyszy nam od ponad stu lat, cały jej globalny zapas pokryłby średnie zapotrzebowanie przez góra… 10 minut. Z czego 95% pochodziłoby z elektrowni szczytowo-pompowych.

Jeziora pełne prądu
Są to – jak dotąd – największe akumulatory energii. Ich mechaniczna zasada działania nie zmieniła się od XIX wieku: przekształcają energię potencjalną grawitacji wody w energię elektryczną. Nazwa „elektrownia” jest tu na wyrost, bo pobór energii z sieci przekracza jej zwrot. „Pompowa”, bo gdy cena prądu jest niska, pompy tłoczą wodę do górnego zbiornika. A „szczytowa”, bo w szczycie zapotrzebowania na energię woda spuszczana jest do dolnego zbiornika, napędzając po drodze turbozespoły, które z trybu silnik-pompa (tłoczenie) przechodzą w tryb turbina–generator (produkcja prądu). Krótko mówiąc, elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują siłę grawitacji, by zamienić tani prąd (pobierany) w drogi (oddawany).

Wydajność? 70–85% Czyli z każdych 10 kWh zużytych na tłoczenie wody wzwyż odzyskuje się 7–8,5 kWh podczas jej spuszczania. Różnica cen z nawiązką równoważy te straty. Problem w tym, że nie wszędzie można takie elektrownie wybudować: Trzeba mieć blisko siebie rzekę i duże jezioro lub dwa duże jeziora na różnych wysokościach. Największy taki akumulator w Polsce – Elektrownia Wodna Żarnowiec – korzysta z Jeziora Żarnowieckiego i sztucznego zbiornika Czymanowo o powierzchni 135 ha, mieszczącego 13,8 mln m3 wody, co pozwala na zgromadzenie 3600 megawatogodzin
(1 MWh = 1000 kWh). Moc wszystkich elektrowni szczytowo- pompowych to 184 gigawaty (1 GW = milion kW). Ogromne koszty takich inwestycji uzasadnia ich żywotność sięgająca 100 lat. Te olbrzymie wodne akumulatory mogą zaopatrywać w energię całe miasta.
Po przeciwnej stronie skali są małe baterie i akumulatorki zasilające wszystkie przenośne odbiorniki prądu, od rozruszników serca począwszy, przez zegarki, smartfony, latarki, piloty, tablety, laptopy, kamery, słuchawki, wkrętarki,
mierniki, itp. W przeciwieństwie do baterii jednorazowych, akumulatory daje się ładować – zachodzące w trybie pracy procesy chemiczne (utlenianie na anodzie, redukcja na katodzie) można odwrócić za pomocą prądu (wtedy role anody i katody się odwracają).
Upowszechnienie się kolorowych ekranów o większej przekątnej oraz nawyk ciągłego korzystania z transmisji danych zwiększyły obciążenie akumulatorków,
m.in. w mobilnych telefonach, które nierzadko – tak jak 15 lat temu – musimy ładować codziennie. Z punktu widzenia użytkownika nie widać znaczącego postępu.

1 kilogram na 1 kilometr
Znacznie trudniej jest spełnić oczekiwania potencjalnych klientów elektrycznych aut. Jak dalece niedoskonałe są akumulatory w tych pojazdach pokazują liczby: 50-litrowy zbiornik przeciętnego spalinowego auta pozwala
pokonać 500 km bez tankowania. By samochód elektryczny miał podobny zasięg, musi wozić akumulator ważący ponad 600 kg. Czyli przeszło 1 kg na 1 km! Gdyby przenieść te proporcje na resztę aut, sam zbiornik paliwa, np. Volkswagena Polo TDI, ważyłby tonę. Także pusty, bo nawet wyładowane akumulatory nie są przez to ani trochę lżejsze. Widać więc paradoks: by zapewnić sensowny zasięg, samochody elektryczne muszą dźwigać ponad półtonowy balast, który z racji masy (czasem to aż 1/3 całości) istotnie ów zasięg skraca. Zważywszy, że e-auta mają ponad 120-letnią historię (choć w 1920 r. zaczęły znikać z dróg) pojawia się pytanie: dlaczego postęp w tej dziedzinie jest tak żałosny? Nieporównanie mniejszy niż w każdej innej?

Kopanie w paliwa kopalne
Najprostsza odpowiedź: ropa naftowa, jej bogate złoża (starczą jeszcze na 30- 50 lat), umiarkowane ceny oraz lobby koncernów paliwowych. Przy wciąż rosnącym popycie na spalinowe auta, także sami ich producenci nie kwapili się, by inwestować miliardy w napęd burzący intratne motoryzacyjne status quo. Uznali, że zamiast w kosztowne i kłopotliwe akumulatory, o wiele prościej i taniej będzie inwestować w silniki, które na bieżąco uwalniają w procesie spalania energię zawartą w pochodnych ropy naftowej. Zmianę podejścia zawdzięczamy regulatorom, czyli rządom i instytucjom zaalarmowanym zdrowotnymi i klimatycznymi skutkami takiej polityki. Groźbami wielomilionowych kar zmusili producentów aut, by podjęli temat na nowo. Ci, chcąc sprostać coraz ostrzejszym normom emisji spalin, muszą produkować elektryczne samochody.
By te mogły liczyć na popyt – powinny oferować zasięg, do jakiego przywykli kierowcy. Czego warunkiem są wydajne, lekkie, tanie i bezpieczne akumulatory, których… wciąż na dobrą sprawę nie ma. A co jest?

Co trzeci – jednej firmy
W niemal wszystkich autach są rozruchowe (bo do tego głównie służą)
akumulatory ołowiowo-kwasowe. Ich napięcie to 12-24 V, a pojemność – 36- 80 amperogodzin (Ah). Każdy taki akumulator ma dwie elektrody – jedną z ołowiu, drugą z ditlenku ołowiu. Obie zanurzone w elektrolicie – 37% roztworze kwasu siarkowego (wszystkie inne rodzaje akumulatorów mają elektrolit zasadowy). W miarę rozładowywania akumulatora rośnie stężenie siarczanu ołowiu (PbSO4), a maleje stężenie kwasu, w skrajnych przypadkach aż do zera (elektrolitem jest wtedy woda destylowana).
Ze względu na ryzyko zniszczenia nie można go przechowywać w takim. Podczas ładowania energia elektryczna sukcesywnie „rozrywa” cząsteczki siarczanu ołowiu, czego skutkiem jest wzrost stężenia kwasu siarkowego.
We pełni naładowanym akumulatorze (12 lub 24 V) nie ma już PbSO4. Jego dalsze ładowanie prowadzi do „rozrywania” cząsteczek wody na tlen i wodór. To tzw. gazowanie akumulatora grozi jego wybuchem (gazowy wodór + iskra lub ogień). Kolejna wada to ciężar. W elektrycznych wózkach widłowych masa samych akumulatorów sięga nawet 900 kg. Powodem jest bardzo niska gęstość energii – zaledwie 0,05 kWh/kg., czyli 50 Wh energii na kilogram ogniwa. Jednak ogromny popyt i umiarkowana cena sprawiają, że produkowane od 170 lat akumulatory ołowiowe wciąż mają się dobrze. Prócz samochodów i widlaków, zadomowiły się w wózkach golfowych i łodziach wędkarskich. Są też kluczowym elementem awaryjnego zasilania budynków, fabryk, szpitali, serwerowni i central telefonicznych. Czyli wszędzie tam, gdzie ciężar nie jest problemem. Ich żywotność sięgająca 6-12 lat, to zasługa m.in. alternatora, który chroni je przed całkowitym rozładowaniem. Aż 30% światowej produkcji akumulatorów kwasowo-ołowiowych pochodzi z jednej, amerykańskiej firmy: Clarios (wcześniej Johnson Controls Power Solutions) z siedzibą w Glendale (stan Wisconsin), zatrudnia 16 tys. osób i ma 8 mld przychodów rocznie. Jej szef – Joe Walicki – nie obawia rewolucji napędowej. Raz, że aut przybywa i w 2030 r. ma być ich 2 mld, czyli o 600 mln więcej niż dziś, a dwa – auta elektryczne, prócz dużych trakcyjnych akumulatorów – mają też mniejsze, ołowiowo- kwasowe, służące do zasilania świateł, multimediów, silniczków foteli, lusterek, wycieraczek, itp.

W paluszkach i hybrydach
Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) królują wśród paluszków
AA i AAA oraz aut hybrydowych. Miał je też GM EV1 – pierwszy nowoczesny seryjny i w pełni elektryczny samochód, produkowany w latach 1996-1999. Jego historia szokuje. Mimo entuzjastycznych opinii użytkowników, General Motors odebrał i zniszczył niemal wszystkie egzemplarze. W dodatku sprzedał patenty niezbędne do produkcji akumulatorów NiMH… koncernowi Texaco. Ten zaś, blokując dostęp do technologii godzącej w naftowy biznes, zafundował samochodom spalinowym prawie 20 lat oddechu. W świecie elektronicznych gadżetów, akumulatory NiMH wypierają do niedawna wszechobecne niklowo-kadmowe (NiCd), które oprócz wielu zalet – jak niska cena, żywotność przekraczająca 1000 cykli ładowania, spora tolerancja na niskie temperatury oraz na szybkie ładowanie i głębokie rozładowanie – mają też poważne wady, m.in. niską gęstość energii, efekt pamięci, ale przede wszystkim wysoką zawartość kadmu, wyjątkowo toksycznego metalu, który odkłada się w organizmie i indukuje nowotwory oraz śmierć komórkową.

Akumulatory

NiMH mają maksymalnie 4% kadmu, za to o 30–40% większą gęstość energii. W świecie aut rozpowszechniła je Toyota, która wyprodukowała ponad 13 mln hybryd. Już choćby za sprawą blisko 4 milionów Priusów, NiMH są – po ołowiowo-kwasowych – najbardziej powszechnymi akumulatorami w motoryzacji. Przeszło dwie dekady, jakie upłynęły od debiutu tego modelu, potwierdziły wysoką niezawodność akumulatorów NiMH. Jeśli ulegają awarii, to głównie na skutek długiego postoju w stanie bliskim całkowitego rozładowania. Są przyjazne dla środowiska (niska toksyczność składowych), opłacalne w recyklingu (wysoka zawartość niklu) oraz bezpieczne w przechowywaniu i transporcie, także lotniczym. A do tego odporne na niskie temperatury. Skoro od lat sprawdzają się w hybrydach, to dlaczego nie ma ich w autach czysto elektrycznych?
Przyczyn jest kilka. Źle znoszą duże obciążenia i szybkie ładowania (jedno i drugie mocno obniża ich żywotność). Mają skłonność do szybkiego samorozładowywania (1,5 raza wyższą niż NiCd). Długo się ładują i przy tym nagrzewają. Zawierają dużo trudno dostępnego lantanu. Do tego mają wciąż zbyt niską gęstość energii – 0,06-0,08 kWh/kg. To ostatnie nie jest problemem w hybrydach, którym wystarcza tylko parę kilowatogodzin na pokładzie. Gdyby jednak musiało być ich kilkadziesiąt, akumulatory NiMH wypełniłyby przeszło połowę pojazdu. Trzeba było czegoś, co radykalnie zwiększa gęstość mocy. Uwagę konstruktorów musiał przyciągnąć lit.

Niebezpieczny pierwiastek przyszłości
To, że leży w prawym górnym rogu tablicy Mendelejewa, wiele o nim mówi. Jest metalem, ale bardzo lekkim, lżejszym od wody i najlżejszym pierwiastkiem w stanie stałym. To zaleta. Ma bardzo niestabilne jądro atomowe (z najniższymi energiami wiązań), co sprawia, że chętnie oddaje elektrony. To też zaleta. Ale tak jak wszystkie pierwiastki grupy pierwszej (skrajnie lewy rządek tablicy Mendelejewa) jest wysoce reaktywny. Czyli – w praktyce – wyjątkowo łatwopalny. A to wada. Ta reaktywność sprawia, że lit nie występuje w stanie
wolnym i trudno go „uwolnić”. A gdy się to uda, musi być przechowywany w olejach mineralnych lub atmosferze gazów obojętnych. Nie przez przypadek wodorek litu służy jako paliwo jądrowe w kontrolowanych syntezach termojądrowych. Krótko mówiąc – lit jest niebezpieczny i wymaga szczególnego traktowania. Jednak jego niski ciężar właściwy i właściwości elektrochemiczne są tak cenne, że konstruktorzy faszerują nim akumulatory. W efekcie kierowcy aut elektrycznych mają pod podłogą od 4 kg (Nissan Leaf, 24 kWh) do prawie 20 kg (Tesla, 100 kWh) czystego litu. Ryzykowna strategia zważywszy, że w 2010 r. samozapłon małych baterii litowo-jonowych (Li-ion) doprowadził do katastrofy wielkiego Boeinga 747- 44AF (UPS Airlines 6) w niecałą godzinę po starcie – gwałtowny pożar nie dał szans pilotom.
By utrzymać lit w ryzach, akumulatory Li-ion mają hermetyczną, pancerną obudowę oraz skomplikowany system chłodzenia i ogrzewania. Ten tzw.
Thermal Management System (TMS) zapewnia komfort termiczny (15-45 st. C) komórkom akumulatora Li-ion, które poniżej 0 stopnia Celsjusza nie ładują się, powyżej 50 stopni – starzeją w ekspresowym tempie, a powyżej 80 stopni – wpadają w kaskadę reakcji prowadzących do praktycznie niedającego się ugasić pożaru (thermal runaway). TMS wykorzystuje do tego skomplikowane (i często opatentowane) rozwiązania, złożony algorytm, mnóstwo czujników i nawet 20 litrów glikolu propylenowego (Tesla Model S i X). Wszystkie większe akumulatory Li-ion są chłodzone cieczą, zaś powietrzem jedynie te w Nissanie Leafie i Volkswagenie e-Golfie.

A jeśli „elektryk” i tak się zapali?

Tesla ostrzega, że płonące akumulatory litowo- jonowe uwalniają toksyczne opary kwasu siarkowego, tlenku węgla, niklu, litu, miedzi i kobaltu. Strażacy muszą mieć aparaty tlenowe i aplikować duże ilości wody. A i tak resztki litu mogą odnowić pożar nawet po 2-3 dniach. By temu zapobiec, brytyjskie służby zalecają topienie nadpalonych e-aut w specjalnych kontenerach z wodą. Na samochody elektryczne muszą uważać nawet specjalnie przeszkoleni serwisanci. A to z powodu napięcia sięgającego
kilkuset (zwykle 400) volt w ich instalacji, pozwalającego ograniczyć straty energetyczne, masę, i nagrzewanie się okablowania.

Elektryczny napęd – połowa ceny auta
Karierę akumulatorów Li-ion zapoczątkował w 1991 r. koncern Sony, wówczas
jeden z dwóch – obok Philipsa – lokomotyw rynku elektroniki użytkowej.
Do świata motoryzacji wprowadził je Elon Musk, który dostrzegł w ogniwach 18650 firmy Panasonic nie tylko elektryczny potencjał. 10 lat temu pomysł, by użyć kilka tysięcy (Tesla Model S ma ich 7104) ogniw stosowanych w laptopach do napędu aut wydawał się niedorzeczny. A jednak się przyjął. Głównie z powodu wysokiej gęstości energii, dziś sięgającej 0,25 kWh/ kg (a w rozwiązaniach dla wojska, zbyt drogich i niebezpiecznych dla cywili –
nawet 0,45 kWh). To pozwala zmieścić między osiami przeciętnej osobówki magazyn energii na 80-120 kWh – dość, by pokonać naraz 400-600 km. W dogodnych warunkach akumulatory Li-ion dobrze znoszą duże obciążenie i szybkie ładowanie (kluczowy parametr w długiej
trasie), a sprawny TMS wydłuża ich żywotność przynajmniej do ośmiu lat (na tyle opiewa gwarancja). Najlepsze wytrzymują ponad 1500 pełnych cykli
ładowania, co mnożąc przez 350-450 km zasięgu daje 500-750 tys. km. przebiegu. Ich sprawność i pojemność decydują o użyteczności auta. Te zaś coraz częściej budowane są wokół akumulatora, swego najważniejszego i najdroższego komponentu. Napęd „elektryka” (akumulator, silniki, inwerter) stanowi aż połowę ceny całości. Podczas gdy tradycyjny napęd spalinowy (silnik, skrzynia biegów, osprzęt) – niecałe 20% wartości auta. Wysoką cenę akumulatorów Li-ion tłumaczą jego składowe: lit, kobalt oraz cała plejada metali ziem rzadkich, których najbogatsze złoża leżą w krajach nieprzewidywalnych (np. Rosja czy Chiny preferujące własnych producentów)
lub niestabilnych politycznie (np. Republika Demokratyczna Konga, gdzie kobalt wydobywa 40 tys. dzieci). Popyt będzie rósł wraz z globalnym zapotrzebowaniem na pojemność baterii, dziś na poziomie 120 gigawatogodzin rocznie, a w 2030 roku – 800-900 GWh.

Kolejka po akumulatory

Lit, kobalt i metale ziem rzadkich stały się przedmiotem pożądania, ale też spekulacji. W efekcie nie sposób przewidzieć ich ceny za 5, czy 10 lat. Zwłaszcza, że globalny popyt nakręcają także producenci telefonów, laptopów, twardych dysków, itp. I o ile np. niektórzy członkowie zarządu BMW wieszczą nieuchronny wzrost cen metali ziem rzadkich, tak Volkswagen mający ambicję
światowego lidera elektromobilności (planuje produkcję 2-3 mln e-aut rocznie) liczy na ograniczenie lub wręcz wyeliminowanie części z nich z procesu produkcji oraz recykling sięgający 97%. By zabezpieczyć sobie źródło akumulatorów, na wszelki wypadek niemiecki gigant przeznaczył jednak na ten cel ponad 40 mld dolarów – sumę porównywalną z PKB Ukrainy. To cena za grzech zaniechania, który popełnili niemal wszyscy europejscy producenci. Bo gdy w USA zaczęły ustawiać się kolejki za Teslami, długo łudzili się, że to chwilowa moda, która nie przerodzi się w trend. Nawet po dieselgate liczyli, że Tesla upadnie i zainteresowanie „elektrykami” minie. Parlament Europejski wyprowadził ich z błędu. Zaostrzając normy emisji spalin de facto wymusił produkcję aut na prąd. To samo zrobiły Chiny. W efekcie wszyscy chcą mieć dziś fabrykę „elektryków”, a prawie nikt (poza Teslą, Daimlerem i kilkoma chińskimi producentami) nie zadbał o fabrykę akumulatorów. Cała produkcja baterii jest domeną Azjatów. Karty rozdają: japoński Panasonic (33% rynku), chiński BYD (18%), koreański LG Chem (11%), koreański Samsung SDI (9%), chiński Wanhjung (5%), chiński Lishen i japońska GS Yuasa (po 3%). Tak jak niegdyś klienci po Tesle, tak teraz producenci aut ustawiają się po akumulatory, licząc na to, że dla wszystkich starczy, że nie zdrożeją, a wręcz stanieją. Tak jak taniały dotąd: z 350 dol. za 1 kWh w 2015 r. do 175 dol. dziś i poniżej 100 dol. przed 2025 r. Tylko wtedy auta elektryczne będą przynosiły podobne zyski co, dziś spalinowe. Ale aby zdominować rynek, muszą być o niebo lepsze od obecnych „elektryków”: dużo szybciej się ładować i zapewniać zasięg przekraczający 600 km. Także na autostradzie.

Jak dwusuwy przy hybrydach
Wniosek? Na rynku ograniczonym dostępnością surowców i kontrolowanym przez producentów, akumulatory muszą stać się znacznie tańsze i lepsze. Jedno i drugie nie będzie możliwe bez technologicznego przełomu. Najbardziej prawdopodobny? Akumulatory półprzewodnikowe, czyli ze stałym elektrolitem
(solid state battery). Nie dość, że dwa razy pojemniejsze (>0,4 kWh/kg), to jeszcze lżejsze, bardziej bezpieczne i mniej wrażliwe na wysokie temperatury. Problem? Koszty. Wciąż są zbyt drogie jak na potrzeby masowego rynku. Nad zmianą tego stanu rzeczy pracują m.in. Toyota, Tesla, Fisker i oczywiście Azjaci. Japoński koncern twierdzi, że wdroży do produkcji akumulatory półprzewodnikowe w ciągu 3-4 lat. Spore nadzieje budzą też akumulatory wanadowe, dużo bardziej żywotne od Li-ion. Problem? Ten sam – koszty produkcji. Apetyt rynku na baterie lepsze od obecnych jest jednak tak ogromny, że ich wdrożenie to kwestia czasu. Wszystko wskazuje na to, że już za 10-15 lat obecnie produkowane akumulatory Li-ion będą wydawały się tak prymitywne, jak dziś silniki dwusuwowe przy napędach hybrydowych.

Artur Włodarski