Przyszłość ukryta w bateriach

Z 200 gigawatogodzin obecnie do 10 tys. GWh za 20 lat musi wzrosnąć zdolność magazynowania energii elektrycznej, aby świat mógł nadal się rozwijać, minimalizując jednocześnie emisję dwutlenku węgla. Dlatego rozwój technologii zeroemisyjnych i doskonalenie baterii skupia większość środków na badania.

Postęp w rozwoju i zastosowaniach czystej energii dokonuje się w świecie w ostatnich dwóch dekadach w dużej mierze dzięki niebywałemu wzrostowi możliwości magazynowania energii elektrycznej. I to po coraz niższej cenie. Cena baterii zastosowanych w samochodzie elektrycznym Tesla 3 – jak podaje portal Statista.com – zmalała ze 1160 dolarów za zdolność generowania 1 kilowatogodziny energii elektrycznej w 2010 r. do zaledwie 156 dolarów w 2019 r. Do 2024 r. spadnie ona przypuszczalnie poniżej 100 dolarów za 1 kWh.

Śledząca zmiany techniczne i ekonomiczne na rynku energii odnawialnej agencja IRENA (International Renewable Energy Agency) podaje, że koszt energii z ogniw fotowoltaicznych (PV) obniżył się w 2019 r. o 13 proc. i wynosił już niespełna 7 centów za 1 kWh energii. Koszt fotowoltaiki zmalał w latach 2010-2019 aż o 82 proc.

Międzynarodowa Agencja Energetyczna (International Energy Agency, IEA) przyjrzała się innowacjom w magazynowaniu energii elektrycznej (Innovation in batteries and electricity storage). Wielkość finansowych wydatków w tej dziedzinie i aktywność w uzyskiwaniu międzynarodowych patentów – podobnie jak to było w przeszłości – są bowiem wczesną zapowiedzią przyszłych zmian technicznych. Otworzą one drogę do nowych praktycznych zastosowań energii elektrycznej i na nowo określać będą ich ekonomiczną opłacalność.

W 2018 r. zarejestrowanych zostało w świecie 7153 patentów dot. rozwiązań związanych z magazynowaniem energii elektrycznej.

Baterie elektryczne to najszybciej rozwijający się w ostatnich latach segment magazynowania energii. Wskazuje na to wzrost liczby międzynarodowych patentów w tej dziedzinie. Chodzi o patenty, a właściwie ich grupy (International Patent Families, IPF), rejestrowane przez takie międzynarodowe instytucje jak np. Europejski Urząd Patentowy. W 2018 r. zarejestrowanych zostało w świecie 7153 patentów odnoszących się do rozwiązań związanych z magazynowaniem energii elektrycznej. To blisko 7 razy więcej niż w 2000 r. Liczba rejestracji wzrastała w ostatniej dekadzie o 14 proc. rocznie, wobec 3,5-procentowej dynamiki liczby patentów obejmujących ochroną autorską inne sposoby magazynowania energii.

Elektryki odporne na kryzys

Rewolucja techniczna w tej dziedzinie odbywa się przede wszystkim dzięki nowym rozwiązaniom elektrochemicznym (88 proc. patentów), które zdecydowanie obecnie górują pod względem naukowego zainteresowania nad rozwiązaniami czysto elektrycznymi, cieplnymi i mechanicznymi. Kluczowym dla postępu było wynalezienie baterii litowo-jonowych (Li-ion), znajdujących zastosowanie w elektronicznych urządzeniach przenośnych i w rozwoju elektrycznej motoryzacji.

Początki rozwoju baterii litowo-jonowych nie byłyby możliwe bez zaangażowania środowisk akademickich w badania podstawowe finansowane w dużej mierze przez administracje rządowe. Dalszy rozwój, w tym także naukowy w tej dziedzinie, to już domena dużych firm elektronicznych i motoryzacyjnych, przede wszystkim azjatyckich. W pierwszej dziesiątce w świecie przedsiębiorstw zdobywających najwięcej patentów dotyczących baterii litowo-jonowych jest aż 7 firm japońskich (wiodąca rola Panasonica i Toyoty), dwie koreańskie (Samsung i LG Electronics) oraz tylko jedna europejska – niemiecki Bosch.

Elektryki nie pojadą bez Afryki

Wysiłki badawcze w dziedzinie baterii litowo-jonowych koncentrują m.in. na poszukiwaniu nowych materiałów, z których są one wykonywane. Największy postęp dotyczy metalicznych katod, z których wypływa – w akumulatorach – ładunek elektryczny w stronę anod, wykonywanych najczęściej z czystego grafitu. W pierwszych zastosowaniach do wytwarzania katod wykorzystywane były tlenki litu i kobaltu (LCO) oraz tlenki litu i manganu (LMO). W nowszych rozwiązaniach wykorzystuje się inne związki metaliczne, z zawartością m.in. litu i żelaza (LFP), niklu, kobaltu i aluminium (NCA), a także niklu, kobaltu i aluminium (NMC).

Mnogość rodzajów w przypadku katod wynika z poszukiwania rozwiązań pozwalających lepiej spełniać oczekiwane przez konsumentów podstawowe walory użytkowe, takie jak np. stabilność uzyskiwanej energii, długi czas użytkowania, za to krótki czas ładowania baterii. Na podstawie danych o liczbie rejestrowanych patentów w kilku ostatnich latach można ocenić, że największym zainteresowaniem wśród naukowców i ekspertów technicznych cieszą się obecnie katody NMC. W rekordowym pod tym względem roku 2016 zarejestrowanych zostało 180 międzynarodowych patentów związanych z tym katodami (135 w roku 2018). W dalszej kolejności były katody LCO (tlenku litu i kobaltu) oraz LMO (związki litu i manganu).

Przyszłość w tej dziedzinie należy do jeszcze innych materiałów, powstających na bazie związków z wanadem. Tym nowym kierunkiem są baterie redox flow, pozwalające m.in. na magazynowanie dużych ilości energii pochodzącej z odnawialnych jej źródeł (wiatr, promienie słoneczne). Najbardziej zaawansowane w tej dziedzinie są japońska firma Sumitomo oraz dwie amerykańskie firmy technologiczne Lockheed Martin oraz United Technologies. Ich duże zastosowanie (stacjonarne) pozwoli wyeliminować największy dotychczas mankament OZE, jakim jest ich niestabilność w czasie, zależna w dużej mierze od pogody.

Geograficznie rzecz biorąc w rozwoju baterii litowo-jonowych najbardziej zaawansowane są kraje azjatyckie, w tym zwłaszcza Japonia i Korea Południowa. Naukowcy japońscy mają aż 41,6 proc. udział w liczbie patentów dotyczących ogniw Li-ion uzyskanych w świecie w latach 2014-2018. Dominująca jest ich pozycja zwłaszcza w przypadku katod LMO i NMC.

Europa nie ma niestety mocnej pozycji w przypadku któregokolwiek z elementów baterii Li-ion.

Ponad jedna piąta uzyskanych w tym czasie patentów dotyczących tego typu baterii była autorstwa koreańskiego (21,9 proc.). Koreańczycy najsilniejsi są zwłaszcza w przypadku katod LMO. Amerykanie mają najsilniejszy wpływ na rozwój katod NCA (wykorzystuje je m.in. Tesla). Europa nie ma niestety mocnej pozycji w przypadku któregokolwiek z elementów baterii Li-ion. Stary kontynent relatywnie najsilniejszy jest (13,6 proc. patentów z lat 2014-2018 w tej grupie) w przypadku stopów krzemu wykorzystywanych w anodach baterii litowo-jonowych.

Rozwój technologii magazynowania energii elektrycznej to jeden z istotnych elementów strategii odchodzenia od węgla i bezemisyjnego rozwoju. Na same badania w tej dziedzinie rządy krajów zrzeszonych w Międzynarodowej Agencji Energetycznej wydały w 2019 r. ok. 30 mld dolarów. Wydatki badawcze firm w tym obszarze powiększyły się pomiędzy 2010 a 2019 r. o 74 proc. Ich dalsze zwiększanie jest konieczne aby realny był przyjęty w ramach IEA scenariusz (Sustainable Development Scenario) ograniczenia emisji dwutlenku węgla w świecie o 35 proc. do roku 2070 (zero emisji po tym roku).

>>> Postęp w dziedzinie baterii


Tagi


Artykuły powiązane

Elektryki nie pojadą bez Afryki

Kategoria: Ekologia
Bez litu z Australii i Chile, grafitu z Chin i Brazylii, manganu z RPA i Australii, a przede wszystkim kobaltu z Demokratycznej Republiki Kongo nie dałoby się rozwijać w świecie elektrycznej motoryzacji. Walka z wyziewami samochodowymi na Północy nie jest możliwa bez mineralnego wsparcia z Południa globu.
Elektryki nie pojadą bez Afryki

Czas tańszej energii dobiega końca

Kategoria: Ekologia
Cena ropy wydźwignęła się już powyżej 30 dolarów za baryłkę. Znak to, że wybudzana z letargu gospodarka światowa na nowo zużywa więcej energii. Koszty ponownie wzrosną. Wyższe rachunki za energię to raczej reguła w większości krajów Unii Europejskiej. W Polsce łatwiej o obniżki cen energii elektrycznej niż gazu ziemnego.
Czas tańszej energii dobiega końca

Eksport poprawia nam saldo handlowe

Kategoria: Analizy
Mimo spowolnienia w otoczeniu polskiej gospodarki, nasz eksport utrzymał w I kwartale wysokie tempo wzrostu. Jego dynamikę w dużym stopniu kształtowały towary, które dopiero niedawno pojawiły się w polskiej ofercie, będące wynikiem dalszego angażowania się inwestorów zagranicznych w Polsce.
Eksport poprawia nam saldo handlowe