Mikroogniwa paliwowe w elektronice konsumenckiej

Sukces komercyjny mikroogniw paliwowych zmieniłby nasze postrzeganie zasilania oraz przechowywania energii dla urządzeń mobilnych. Użytkownik mógłby uzupełnić zapas energii poprzez szybką wymianę pojemnika z paliwem, co jest znacznie dogodniejsze niż kilkugodzinne ładowanie tradycyjnego akumulatora. Szacuje się, że ok. 30% użytkowników, aby przedłużyć czas pracy notebooka, zakupiła dodatkową baterię. Jest to kosztowne, oraz zwiększa ciężar noszonego bagażu. To samo rozwiązanie, w przypadku zaopatrzenia się w zapasowe pojemniki na paliwo, pozwala zaoszczędzić do 50% wagi i o 50% zmniejszyć wymiary ogniwa. Opłaca się to także pod względem ekonomicznym, jako że cena tych pojemników powinna kształtować się na poziomie od ok. 1 do 3 dol. - czyli znacznie mniej niż koszt baterii litowo-jonowych.

Optymistyczne prognozy

Według analityków, zapotrzebowanie na energię w urządzeniach przenośnych rośnie o 26% w skali roku. Dotychczas używane w elektronice przenośnej baterie litowo-jonowe, przy wzroście pojemności w skali 5% rocznie, nie są w stanie nadążyć za zwiększającym się zapotrzebowania. Nic dziwnego więc, że prognozy dotyczące rynku mikroogniw paliwowych są obiecujące. Wielu analityków przewiduje wejście tych elementów do masowego użycia w roku 2010. Według analizy Innovative Research and Products, rynek ten będzie miał wartość 12mln dol. w 2006 roku i około 112mln dol. w 2011r. Oznacza to wzrost roczny o 55,7%. Rynek amerykański stanowić będzie 57% światowego rynku mikroogniw. Istotny udział będzie miał też rynek japoński, poziomie który prawdopodobnie będzie stanowił aż 25% całego rynku światowego. Najprężniej rozwijającym się segmentem rynku będą mikroogniwa wykorzystywane do zasilania PDA, osiągając wzrost na poziomie 89,8% w latach od 2006 do 2011. Duży wzrost, na poziomie 83,7%, odnotują także zastosowania w aparatach i kamerach cyfrowych, ładowarkach oraz innych urządzeniach elektroniki osobistej, a także w telefonii komórkowej. Dalsze prognozy wskazują, że największy segment rynku stanowić będą ogniwa metanolowe, wodorowe oraz oparte na paliwach firmowych. Obecnie rynek mikroogniw tworzy ponad 40 firm. Najważniejsze wśród nich to Angstrem, Aqufairy, Teckion, Millenium Cell, MTI oraz Toshiba.

Nie tylko mikroogniwami firma żyje

Mimo pozytywnych prognoz, branża mikroogniw zmaga się z wieloma problemami, z których największym jest dotychczasowy znikomy zwrot z inwestycji oraz brak rozwiązań stosowanych na szerszą skalę. W marcu Millenium Cell ogłosiło straty netto na poziomie 2,7 mln dol. w pierwszym kwartale tego roku. Dochody firmy oraz zwrot kosztów wynosiły w tym czasie ok. 618 tys. dol., w stosunku do 438 tys. dol. w analogicznym kwartale poprzedniego roku. Wzrost obrotów firma zawdzięcza przede wszystkim wkroczeniu na rynek zastosowań wojskowych.

Firma MTI ogłosiła straty netto na poziomie 3,3 mln dol. w czwartym kwartale 2006 r. W tym okresie przychody firmy wyniosły 2,9 mln dol. W porównaniu z rokiem poprzednim, oznacza to spadek strat o 1 mln dol. oraz wzrost przychodów o 0,7 mln dol. W pierwszym kwartale b.r. straty firmy także przewyższyły zyski.

MTI Micro Fuel Wells, oddział MTI, zajmuje się opracowaniem bezprzewodowego, nadającego się do ponownego naładowania pakietu zasilającego dla elektroniki przenośnej. System, który nazwany został Mobion działa dzięki zastosowaniu paliwa metanolowego. Został on już wykorzystany w czytnikach RFID firmy Intermec. Główny zysk z zastosowania tej technologii to wydłużony czas pracy urządzenia. Podczas gdy tradycyjnie zasilane urządzenia mogą pracować bez doładowania do 8 godzin, dla produktu Intermec czas ten wynosi 30 godzin. MTI planuje wejść na rynek urządzeń mobilnych, kładąc nacisk na zastosowanie Mobion w odtwarzaczach mp3, telefonach komórkowych czy PDA. W maju 2006 r. firma podpisała strategiczne porozumienie z Samsung Electronics. Częścią umowy jest opracowanie prototypów telefonów komórkowych oraz akcesoriów wykorzystujących Mobion.

Inna firma zajmująca się głównie mikroogniwami paliwowymi, Medis otnotowała straty netto w czwartym kwartale tego roku na poziomie 6,7 mln dol., w porównaniu z 5,2 mln dol. w roku poprzednim. W skali roku, firma odnotowały straty na sumę 33 mln dol., podczas gdy dla roku 2005 suma ta wynosiła 18,6 mln dol. Najważniejszym produktem firmy jest 24/7 Power Pack - niewielkich rozmiarów źródło energii przeznaczone dla urządzeń przenośnych. Według zapewnień firmy, jest pozwala on na zasilanie telefonu komórkowego przez 30 godzin ciągłej pracy, natomiast w przypadku niektórych modeli iPod czas pracy dochodzi do 80 godzin. Firma wiąże także nadzieje z wykorzystaniem tej technologii w telefonach komórkowych 3G i 4G. Według przedstawicieli firmy, trwają wspólne prace z największymi operatorami telefonii komórkowej w USA nad wprowadzeniem na rynek telefonów wykorzystujących te mikroogniwa.

Zalety mikroogniw

To, co czyni mikroogniwa szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem dla urządzeń przenośnych, to większa gęstość upakowania energii, niż w przypadku obecnie stosowanych źródeł zasilania. Sprawia to, że są one lżejsze i mniejsze. Mikroogniwo jest urządzeniem elektrochemicznym, którego działanie polega na zamianie energii chemicznej paliwa na energię elektryczną. Jako paliwa stosuje się m.in. wodór oraz metanol. Zaletą tego rozwiązania jest brak konieczności ładowania źródła, tak jak to ma miejsce w tradycyjnych akumulatorach. Mikroogniwo będzie produkować energie elektryczną tak długo jak będzie miało zapas paliwa.

Rynek mikroogniw można podzielić na trzy główne kategorie: elektronika konsumencka, urządzenia przemysłowe oraz zastosowania wojskowe. We wszystkich przypadkach szczególny nacisk kładziony jest na urządzenia przenośne. W tego typu aplikacjach zastosowanie mogą znaleźć wszystkie podstawowe typu mikroogniw. Przewiduje się, że mikroogniwa metanolowe stanowić będą największy segment rynku. Zastosowania medyczne natomiast wykorzystywać będą mikroogniwa oparte na biopaliwach.

Wyzwania dla branży

Wprowadzenie nowej technologii na rynek jest zawsze skomplikowaną operacją. Producenci muszą zmagać się nie tylko z ograniczeniami technologicznymi, ale także stawić czoła wielu wyzwaniom marketingowym. Te same przeszkody napotykają producenci mikroogniw paliwowych. Mimo znacznego postępu, jaki dokonał się w tej technologii na przełomie ostatnich lat, istnieje wiele wyzwań stojących na drodze do pełnej komercjalizacji. Wśród nich należy wymienić małą sprawność przemian energetycznych, wciąż niewystarczającą gęstość mocy oraz konieczność miniaturyzacji. Mikroogniwa muszą być na tyle małe oraz efektywne, aby umożliwić pełną integrację z platformą sprzętową. Duże upakowanie energii zmusza do miniaturyzacji całego systemu poprzez użycie elementów MEMS.

Główne wyzwania biznesowe to opracowanie wspólnych standardów, szczególnie w zakresie kształtu oraz wymiarów, zmniejszenie cen oraz dystrybucja. Jeśli mikroogniwa paliwowe mają wyprzeć tradycyjne baterie, należy stworzyć rozległą sieć sprzedaży. Zwiększy to dostępność wymiennych pojemników z paliwem. Wiele jest także do zrobienia w kwestii obniżenia kosztów. Użyte materiały, komponenty oraz paliwo stanowią w dużym stopniu o architekturze oraz cenie mikroogniwa. Tak więc zredukowanie kosztów materiałów jest najważniejszym warunkiem dla zmniejszenia całkowitej ceny mikroogniwa. Można tego dokonać poprzez lepsze wykorzystanie dotychczas używanych materiałów, jak i poprzez opracowanie nowych.

Nie bez znaczenia jest kwestia bezpieczeństwa tego typu urządzeń, szczególnie w zakresie przechowywania i transportu paliwa. Dobrym sygnałem dla komercjalizacji było rozporządzenie The International Electrotechnical Commission (IEC) na temat bezpieczeństwa mikroogniw służących do zasilania urządzeń elektronicznych. Otworzyło to możliwość użytkowania tego typu elementów na pokładach samolotów z początkiem 2007r. Wśród wymienionych paliw znajdując się m.in. metanol, kwas mrówkowy, butan oraz wodór. Zgodność z tą specyfikacją jest wymagana dla każdej substancji transportowanej na pokładzie samolotów pasażerskich.

Podsumowanie

Elektronika przenośna stanowi potencjalnie ogromny rynek dla mikroogniw paliwowych, jednak by wejść do szerszego użycia muszą one odznaczać się odpowiednimi parametrami pracy, dobrym stosunkiem wagi do uzyskiwanej mocy oraz konkurencyjnymi cenami wobec tradycyjnych baterii. Ponadto, powinny być bezpieczne w transporcie oraz przyjazne dla środowiska. Zanim nastąpi pełna komercjalizacja tych źródeł energii, producenci muszą rozwiązać wiele problemów natury technicznej oraz ekonomicznej.

Jacek Dębowski