Rynek akumulatorów - inwestycje, wyzwania, nowe technologie

| Gospodarka Zasilanie

Postęp w technologii akumulatorów to warunek konieczny rozwoju wielu innych dziedzin. Przykładami są: przenośna elektronika użytkowa, samochody elektryczne oraz energetyka odnawialna. Ich potencjał pozostanie w dalszym ciągu niewykorzystany, o ile stosunek ceny akumulatorów do ilości magazynowanej w nich energii znacząco nie zmaleje.

Rynek akumulatorów - inwestycje, wyzwania, nowe technologie

Przewiduje się na przykład, że auta elektryczne, bez konieczności dofinansowania ich zakupu, staną się cenowo konkurencyjne w porównaniu do pojazdów z silnikami spalinowymi dopiero wówczas, gdy koszt akumulatorów spadnie do 100 dolarów/kWh. Obecnie w przypadku najtańszych z nich mieści się on w zakresie 190-250 dolarów/kWh.

Elektronika użytkowa

Firma doradcza Arthur D. Little przewiduje, że wartość rynku akumulatorów zwiększy się z 60 mld dolarów w 2015 roku do ponad 90 mld dolarów w 2025 roku. W związku z tym prognozowanym wzrostem i wpływem zasobników energii na kształtowanie się trendów w zakresie motoryzacji, energetyki oraz cyfryzacji podejmowane są liczne wielomiliardowe inwestycje w rozwój ich technologii. Angażują się w nie przedsiębiorstwa o różnych profilach działalności, nie tylko producenci akumulatorów, lecz także firmy chemiczne, producenci aut, urządzeń elektronicznych, urządzeń elektrycznych zasilanych akumulatorowo, na przykład sprzętów gospodarstwa domowego oraz firmy energetyczne.

Nowe zakłady

Inwestycje te mają różny charakter. Na przykład Tesla, wspólnie z firmą Panasonic, zbudowała i cały czas rozwija fabrykę akumulatorów Gigafactory w Newadzie. W zakład taki planuje także zainwestować chińska firma Contemporary Amperex Technology Limited (CATL). Zostanie on zbudowany w Niemczech i będzie pierwszą fabryką CATL w Europie. Do 2022 roku pojemność akumulatorów w nim produkowanych ma sięgnąć 14 GWh. Dzięki tej inwestycji oraz, o ile ta się powiedzie, kolejnym fabrykom, które powstaną, CATL zamierza zdominować europejski rynek. Z pierwszym odbiorcą, którym będzie BMW, Contemporary Amperex Technology Ltd podpisała już ponadmiliardowy kontrakt na dostawy akumulatorów, które będą produkowane w Niemczech.

Poza inwestycjami w budowę fabryk na rynku akumulatorów dochodzi do licznych fuzji oraz przejęć. Przykładem jest decyzja Asahi Kasei, japońskiej firmy z branży chemicznej, która za ponad 2 mld dolarów postanowiła przejąć amerykańskie przedsiębiorstwo Polypore, które produkuje separatory do akumulatorów.

 
Rys. 1. Rynek akumulatorów z wyszczególnionym udziałem ich różnych zastosowań (źródło: Arthur D. Little)

Fuzje i przejęcia. Patenty

Dyson, producent sprzętów AGD, poinformował natomiast o zamiarze przeznaczenia na rozwój technologii zasobników energii ponad miliarda dolarów. Częścią planu jest zakup firmy Sakti3, która prowadzi badania nad akumulatorami ze stałym elektrolitem. W najbliższej przyszłości podobną sumę jak Dyson na rynku akumulatorów zamierza zainwestować koncern Daimler. Do dużej transakcji doszło także niedawno we Francji, gdzie firma paliwowa Total za ponad miliard dolarów kupiła producenta akumulatorów, firmę Saft.

Dzięki tym i podobnym inwestycjom występują bardzo dobre warunki dla rozwoju technologii magazynowania energii elektrycznej. Wymiernym tego wyznacznikiem jest trzykrotny wzrost liczby zgłoszonych patentów w tej dziedzinie, jaki nastąpił od 2010 roku.

Różne zastosowania to różne wymagania

W przyszłości, jak się przewiduje, żaden typ akumulatorów nie uzyska dominującej przewagi. Wynika to stąd, że każde z zastosowań stawia nieco inne wymagania pod względem ich głównych parametrów: pojemności, gęstości energii, gęstości mocy, żywotności liczonej w liczbie cykli ładowanie-rozładowanie, szybkości ładowania, niezawodności i bezpieczeństwa użytkowania. Najlepiej wyjaśnić to na przykładach.

Jeżeli chodzi o akumulatory rozruchowe w samochodach z silnikami spalinowymi, w związku z tym, że w czasie uruchamiania pojazdu pobierany jest prąd o bardzo dużym natężeniu (do kilkuset amperów) przez bardzo krótki czas (kilka sekund), jednym z ważniejszych parametrów jest gęstość mocy. Od akumulatorów w tym zastosowaniu wymaga się też pracy w dużym zakresie temperatur i różnych warunkach otoczenia oraz długiej żywotności.

 
Rys. 2. Różne zastosowania mają różne wymagania (źródło: Arthur D. Little)

Akumulatory do aut i elektroniki

W przypadku poszczególnych typów pojazdów elektrycznych wymagania się różnią. Na przykład od akumulatorów w samochodach hybrydowych, które są ładowane podczas hamowania, oczekuje się: dużej gęstości mocy, krótkiego czasu ładowania i długiej żywotności. Z kolei w autach PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) z akumulatorami o większej pojemności, które można również ładować z sieci, wymaga się dużej gęstości energii w atrakcyjnej cenie. Te cechy jeszcze bardziej zyskują na znaczeniu w przypadku samochodów w pełni elektrycznych, w których dodatkowo ważne są: niezawodność i długa żywotność akumulatorów.

Jeżeli chodzi o elektronikę użytkową (laptopy, tablety, smartfony, czytniki e-booków), to najważniejsza jest wolumetryczna gęstość energii, dzięki której w akumulatorze gromadzi się możliwie największą ilość energii w jak najmniejszej objętości.

Spełnienie tych oczekiwań i innych, których będzie przybywać wraz z nowymi zastosowaniami (drony, elektryczne rowery, elektryczne skutery, zasilany akumulatorowo elektryczny sprzęt ogrodniczy), nie będzie łatwe. Wynika to stąd, że w przypadku akumulatorów często poprawa jednego parametru (na przykład zwiększenie gęstości energii) uzyskiwana jest niestety kosztem innego (pogorszenie bezpieczeństwa użytkowania, wzrost ceny). Dlatego konieczne będzie zarówno wynalezienie nowych, jak i ulepszanie istniejących rozwiązań.

Nowe materiały

Jeżeli chodzi o to ostatnie, to wiele prac prowadzi się w dziedzinie akumulatorów litowo-jonowych. Można w nich wyróżnić trzy kierunki - innowacje wprowadza się przede wszystkim w dziedzinie materiałów anody, katody oraz elektrolitu.

W zakresie tych pierwszych największe nadzieje pokłada się w krzemie, który miałby zastąpić grafit. Docelowo, dzięki wykonaniu anody w całości z tego materiału, gęstość energii akumulatora miałaby ulec zwiększeniu aż o 40%. Niestety w czasie ładowania zasobnika, w trakcie absorpcji jonów litu, powłoki krzemowe rozszerzają się. Podczas rozładowywania natomiast, w wyniku uwalniania jonów litu, kurczą się ponownie. Wielokrotnie powtarzane cykle ładowania oraz rozładowywania prowadzą w rezultacie do zniszczenia anody. Dlatego jak na razie krzem stosowany jest jako dodatek w niewielkich ilościach zapewniających zwiększenie gęstości maksymalnie o 10-20%.

W dziedzinie konstrukcji drugiego z wymienionych elementów akumulatora pracuje się m.in. nad zastosowaniem materiału LMNO (Lithium Manganese Nickel Oxide) o wysokim potencjale (4,8 V). Niestety, katody tego typu nie sprawdzają się w połączeniu z ciekłym elektrolitem. Dlatego duże nadzieje budzą próby jego zastępowania elektrolitem stałym.

Dzięki niemu będzie można pokonać wiele ograniczeń dotychczasowych konstrukcji akumulatorów litowo-jonowych. Na przykład ma to pozwolić na wykonywanie anod z litu i katod z materiałów o wyższym potencjale. Przede wszystkim jednak zmniejszy się prawdopodobieństwo zapłonu i nie będzie możliwości wycieku elektrolitu.

 
Rys. 3. Akumulatory litowo-jonowe są rozwijane głównie w trzech kierunkach (źródło: Arthur D. Little)

Podsumowanie

Mimo przewidywanego ogromnego zapotrzebowania na akumulatory, głównym czynnikiem, który ukształtuje ich rynek w przyszłości, pozostaje cena. Na niej od dawna koncentrują się producenci, dążąc do jej obniżenia różnymi sposobami. Przede wszystkim trend ten dotyczy akumulatorów litowo-jonowych. Niestety, takie podejście ma nie tylko zalety, ale i wady.

Z jednej strony bowiem pozwala to na zaspokojenie bieżącego zapotrzebowania, z drugiej jednak dostępność akumulatorów litowo-jonowych w konkurencyjnych cenach znacząco wydłuża czas komercjalizacji innych typów zasobników energii elektrycznej. Wynika to stąd, że mimo licznych zalet akumulatorów nowej generacji, dopóki nie osiągną ceny porównywalnej z ceną tych, które są aktualnie najatrakcyjniejsze cenowo, zazwyczaj nie opłaca się inwestować w ich produkcję na większą skalę, ponosić kosztów promocji, dystrybucji oraz innych związanych z wprowadzeniem takiej nowości do sprzedaży.

W rezultacie hamuje to innowacje na rynku akumulatorów. To w dłuższej perspektywie niestety nie będzie korzystne, ani dla użytkowników, ani innych dziedzin, których rozwój zależy od postępu w zakresie zasobników energii elektrycznej.

Monika Jaworowska

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie