Przyszłość ukryta w bateriach

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.

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.

Rewolucja techniczna w tej dziedzinie odbywa się przede wszystkim dzięki nowym rozwiązaniom elektrochemicznym (88 proc. patentów), które zdecydowanie 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.

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.

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).

Biznes INTERIA.PL na Twitterze. Dołącz do nas i czytaj informacje gospodarcze