Akumulatory w samochodach elektrycznych: stan obecny i perspektywy
To ciężkie serce samochodu elektrycznego: akumulator napędowy. Eksperci od akumulatorów obiecują większą pojemność przy mniejszej wadze, spadających cenach i bardziej ekonomicznych procesach produkcyjnych. Czy ten przyszły scenariusz jest realistyczny? Przegląd.
Akumulatory litowo-jonowe są obecnie używane prawie wyłącznie w samochodach elektrycznych. Akumulatory tego typu charakteryzują się dużą gęstością energii, wytrzymują dużą liczbę cykli ładowania i nie mają zauważalnego efektu pamięci. Tyle o zaletach. Niestety obecna generacja akumulatorów ma również szereg wad. Najbardziej oczywiste to ich ogromna waga, wysoka cena i niezadowalająca ładowność. Wysokie zanieczyszczenie środowiska związane z wydobyciem i produkcją surowców nie jest aż tak oczywiste. Istnieją procesy recyklingu przyjazne dla środowiska, ale nadal brakuje wystarczających zdolności. W tej chwili odpowiednia branża nadal głównie zajmuje się recyklingiem starych baterii do telefonów komórkowych i laptopów.
Podsumujmy krótko cele optymalizacji, które należy osiągnąć dla technologii akumulatorów przyszłości:
Co mówi na ten temat branża? Spojrzenie na działy badawczo-rozwojowe wiodących producentów akumulatorów powinno pokazać, jakie pomysły są wykorzystywane do opracowania akumulatora jutra.
Baterie w samochodach elektrycznych: koszt
Przede wszystkim dobra wiadomość: ceny baterii spadają znacznie szybciej niż oczekiwano. Decydującym czynnikiem jest koszt za kilowatogodzinę. Prognozy międzynarodowej agencji energetycznej z 2008 roku przewidywały koszty 900 euro za kilowatogodzinę na rok 2010. Wiodący na rynku producenci samochodów elektrycznych byli w stanie obniżyć tę prognozowaną wartość o połowę. Ceny akumulatorów w 2014 roku również zaskoczyły ekspertów: średni koszt 300 euro za kilowatogodzinę nie został przewidziany przez specjalistyczne czasopisma do 2020 roku.
Liczby te zostały opublikowane w badaniu przeprowadzonym przez magazyn Nature Climate Change. Za badanie odpowiadają Mans Nilsson i Björn Nykvist ze Sztokholmskiego Instytutu Środowiska. Podstawą ich analizy jest ocena 80 publikacji, które ukazały się po 2007 roku na temat rozwoju cen akumulatorów litowo-jonowych. Według tego ceny baterii spadają o 14 proc. rocznie. Ten trend cenowy można wytłumaczyć rosnącą sprzedażą e-samochodów i coraz bardziej optymalizowanymi procesami produkcyjnymi.
Według autorów, liderzy rynku, tacy jak w szczególności Nissan czy Tesla, szybko zbliżają się do tzw. bariery dźwięku pod względem kosztów. To około 130 euro za kilowatogodzinę. Od tej wartości samochody elektryczne i samochody z napędem konwencjonalnym są na równi pod względem ceny.
Tyle ważą akumulatory do e-samochodów
Czynnikiem decydującym o wadze urządzenia do magazynowania energii jest tak zwana gęstość energii. Określa go stosunek watogodzin do masy. Akumulatory w e-samochodach mają obecnie średnią gęstość energii wynoszącą 150 watogodzin na kilogram masy (Wh / kg). W porównaniu z gęstością energetyczną benzyny (12800 Wh/kg) wartość ta jest znikoma. W związku z tym nie jest możliwe osiągnięcie w obecnie produkowanych e-samochodach zasięgów równoważnych z pojazdami napędzanymi benzyną. Weźmy na przykład e-golfa: pomimo imponującej masy akumulatora wynoszącej 318 kilogramów, maksymalny zasięg (w najkorzystniejszych warunkach) wynosi tylko 190 kilometrów. Z drugiej strony, benzynowy Golf 1.2 TSI, który jest porównywalny pod względem wielkości, pokonuje imponujące 820 kilometrów ze swoim 50-litrowym zbiornikiem.
Nowe koncepcje firmy Bosch, dostawcy części z branży motoryzacyjnej, mają to zmienić w przyszłości. We wrześniu 2015 roku Bosch zaprezentował nową technologię akumulatorów na Międzynarodowych Targach Motoryzacyjnych (IAA) we Frankfurcie. Dzięki niemu akumulatory powinny skurczyć się o 75 procent pod względem masy i rozmiaru, a jednocześnie podwoić swoją pojemność ładowania. Bosch zaangażował kompetentnego partnera do tego projektu: start-up Seeo z Hayward w Kalifornii. 35 pracowników Seeo opracowało nowy typ litego ogniwa do akumulatorów litowo-jonowych. Oprócz mniejszej masy i mniejszej objętości nowa technologia powinna również zapewnić większe bezpieczeństwo: w przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych, opatentowane ogniwa stałe nie są już łatwopalne. Volkmar Denner, Prezes Zarządu Robert Bosch GmbH: „Ogniwo półprzewodnikowe może być decydującą, przełomową technologią.” Okaże się, kiedy te zoptymalizowane akumulatory wejdą do produkcji seryjnej.
Pojemność ładowania akumulatorów samochodów elektrycznych
Zasięg samochodu elektrycznego zależy od pojemności akumulatora. Pod tym względem modele samochodów amerykańskiego producenta Tesli są absolutnymi faworytami: elektryczny sedan Tesla S pokonuje 560 kilometrów z ładowaniem 90 kilowatogodzin - około trzy razy więcej niż przeciętny samochód elektryczny innych producentów. Jednak Tesla pozwala swoim klientom sięgnąć głęboko do kieszeni dla tej wygody: Model S kosztuje od 75 000 euro w górę, w zależności od wyposażenia i wielkości baterii.
Ale nawet dla mniej zamożnych nabywców nowe koncepcje akumulatorów (patrz Bosch) obiecują podwoić dzisiejszą pojemność ładowania do 2020 roku. To zbliżyłoby na przykład e-golfa do granicy 400 kilometrów. Jeśli rozbudowa infrastruktury stacji ładowania nadąża za rozwojem, nic nie stoi na przeszkodzie w długich trasach biegowych.
Intensywne badania prowadzone są również w Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR) niedaleko Chicago. Rząd USA przekazał firmie 120 mln dolarów. W zamian, do 2017 roku w JCESR musi zostać opracowany nowy superakumulator. Powinien mieć pięciokrotnie większą pojemność ładowania niż konwencjonalne akumulatory, ale kosztować tylko jedną piątą. Dlatego JCESR gorączkowo pracuje nad opracowaniem akumulatora litowo-tlenowego nadającego się do produkcji seryjnej. Pomysł nie jest nowy, ale wdrożenie niesie ze sobą szereg trudności. Czas pokaże, czy JCESR uda się osiągnąć ambitny cel do 2017 roku.
Zanieczyszczenie środowiska spowodowane produkcją baterii
Nie można zaprzeczyć, że wydobycie surowców i produkcja baterii mają znaczący wpływ na środowisko. Szczegółowe informacje na ten temat zebraliśmy już w innym miejscu (ekobilans: Jak szkodliwa jest produkcja i utylizacja baterii?). Ale czy obecnie wciąż popularna bateria litowo-jonowa jest ostatnim słowem w mądrości? Nie: nauka i przemysł na całym świecie prowadzą badania nad nową generacją systemów magazynowania energii elektrycznej. Niestety ich praca skupia się bardziej na optymalizacji wydajności niż na aspekcie środowiskowym. Wszystkie przyszłe koncepcje oparte są na związku litu. Jeśli jednak wzrośnie konsumpcja, już w 2050 r. ten surowiec może stać się deficytowy. Wniosek: Pomimo przyjaznego dla środowiska stylu jazdy, e-samochód w dłuższej perspektywie nie zapewnia całkowitego odciążenia środowiska, ponieważ każda znana forma mobilności nieuchronnie powoduje zanieczyszczenie środowiska. Zmieniać można tylko zakres obciążenia.
Recykling baterii
W tym momencie wykonalność techniczna nie jest na pierwszym planie. Funkcjonujące firmy zajmujące się recyklingiem akumulatorów litowo-jonowych w telefonach komórkowych i laptopach udowadniają, że technologia jest już dobrze rozwinięta. Pożądany jest tu przede wszystkim przemysł i polityka: moce firm recyklingowych muszą być zwiększane równolegle z rosnącą sprzedażą e-samochodów. Miejmy nadzieję, że rząd będzie wspierał swoje ambitne plany dotyczące e-mobilności odpowiednimi środkami.
