Lehký úvod do světa PBA a jak vypadá budoucnost Li-ion baterií a elektrických vozidel

Nedílnou součástí IT průmyslu existuje jeden důležitý segment, který je alespoň mediálně trochu opomíjen. Děje se tak přesto, že jeho využívání exponenciálně roste a zbytek trhu je na něm dnes přímo či nepřímo závislý v celé své vertikále. Pokud se stále ještě tážete, co by to jen mohlo být, nebudu vás již déle napínat, jedná se o svět akumulátorů a baterií.

Přestože se jedná o jednu z nejdůležitějších částí ICT průmyslu, probíhal zde do nedávna jen velmi pozvolný vývoj, ve srovnání s rozvojem například mikročipů či se mohlo dokonce zdát, že tato část trhu dokonale stagnuje. Ostatně tomu by napovídal i přístup výrobců, výdrž baterií se zpravidla zvyšuje spíše energetičtějšími procesory a přídavnými bateriemi, ne posilováním kapacity akumulátorů.

Kde všude se s bateriemi vlastně setkáváme

Nejrůznější druhy baterií a akumulátorů jsou hnacím motorem všech elektrických a elektronických zařízení, motorů apod. a přenosných elektrických nářadí, včetně spotřební elektroniky. Setkáme se s nimi ale také u všech spalovacích motorů, jsou tudíž také důležitými součástkami automobilového, leteckého a energetického průmyslu.

Jen v roce 2012 činila hodnota výroby průmyslu baterií a elektrických akumulátorů (PBA) celosvětově cca 70-72 mld. UDS, s tím že rostla o cca 8 % ročně.
Hlavní dělení PBA je na:

• a) primární (neboli nenabíjecí baterie – na jedno použití)
• b) sekundární (neboli dobíjející baterie – vícero použití)

V současné době cca 76 % výroby PBA npředstavuje „sekundární“ výroba, zbylých 24 % pak „primární“ výroba. Trend současné doby je, že dochází k rychlejšímu rozvoji „sekundární“ výroby na úkor „primární“. Předpokládá se, že v roce 2020 bude hodnota výroby „sekundárního“ PBA představovat až 83 až 85 % celkové výroby.

Základní rozdělení

Pokud budeme baterie hodnotit v hodnotě výroby podle typů, dopadne srovnání trhu za loňský trk následovně, na prvním místě se umístí Lithium-Ion baterie jejichž hodnotový podíl výroby byl v roce 2012 43 procenta, zbytek viz uvedené pořadí:

1. Lithium-Ion baterie (Li-ion), včetně Lithium-Ion Polymer. Hodnotový podíl výroby byl v roce 2012 43 %. V roce 2008 výroba baterií (Li-ion) předstihla tradiční výrobu Pb-kyselina (Pb) baterií a neustále roste.

2. Pb – kyselina H2SO4 (Pb). Hodnotový podíl byl 31 % s klesající tendencí. Výroba postupně poklesá především z důvodů ekologických a nevýhodném váhovém poměru. Výrobní cena je stále velmi výhodná.

3. Zásadité (Alkalit) baterie si udržují cca 15 % hodnotový podíl, ale téměř ze 100 % se používají v „primární“ výrobě PBA.

4. Uhlík – zinek (C2Zn)baterie si udržují 5 % hodnotový podíl. A taktéž jde jen o „primární“ nedobíjecí baterie.

5. Nikl – kov (NiMN) si udržuje stabilně 3 % hodnotový podíl převážně v „sekundární“ výrobě PBA.

Porovnání baterií používaných v převážně automobilovém průmyslu dle specifické energetické kapacity (Wh/kg) a výrobních nákladů na 1 Wh

Typ baterie	Energetická kapacita (Wh/kg)	Výrobní náklady na 1 Wh v USD
Pb	30-50	0,17
Li-ion	110-130	0,37 (v roce 2014 již 0,25)
NiMN	90-100	0,99

Nejrychlejší rozvoj prodělává výroba Li-ion baterií včetně Li-ion polymer baterií vhodných pro spotřební elektroniku. Je to především tím, že specifická energetická kapacita, tj. Wh/kg je u Li-ion technologie 110-130 a tímto je cca 3 x vyšší než u Pb akumulátorů. Navíc díky velkému rozvoji nanotechnologie má Li-ion technologie velkou možnost dalšího rozvoje! Tím, že výroba Li-ion baterií roste nejrychleji, dochází k postupnému odstraňování původní nevýhody, tj. ceny Li-ion baterií.

Největší koncentrace výroby

pořadí	stát	% podíl	pořadí	Firma	% podíl
1.	Japonsko	52	1.	Panasonic (Japonsko)	27
2.	Čína	20	2.	Samsung (J. Korea)	15
3.	Jižní Korea	14	3.	Sony (Japonsko)	14
4.	ostatní	14	4.	BYD (Čína)	10
			5.	LG (J. Korea)	8
			6.	BAK (Čína)	8

Z výše uvedeného přehledu se dozvídáme, že PBA je průmysl koncentrován především v asijských zemích, jasně zde dominuje především Japonsko, sílí ale také význam Číny a Jiho-korejské republiky. Je zapotřebí si uvědomit, že hodnota výroby PBA je i přes nadprůměrný růst stále poměrně malá, dělá „jen“ nějakých 70 miliard amerických dolarů. Z uvedeného je zřejmé, že firmy PBA nehrály v USA velkou roli. Teprve v současné době dochází k cílenému výzkumu a USA dohání technologickou mezeru.

Největším výrobcem PBA průmyslu byla firma Panasonic, zvl. po kapitálovém převzetí firmy Sanyo. Následuje jihokokorejský Samsung a japonská firma Sony.

Nedávné historické milníky

Velkým přelomem v celém PBA se stalo období ekonomické recese v letech 2008 až 2010 a následná reakce vlád jednotlivých zemí s dvojím cílem; udělat výrobu více efektivní s menší energetickou náročností a menším dopadem na životní prostředí.

Příkladem šly zejména USA, když Kongres USA v roce 2009 přijal zákon „ARRA“ (American Recovery and Reinvestment Act), v jehož rámci byla určena částka 2,4 mld. USA na výrobou Li-ion baterií. V rámci navazujících projektů došlo zejména k vysokým dotacím pro výrobce vozidel v USA a to zcela konkrétně částkou asi 8 miliard dolarů, s cílem aby v roce 2015 jezdilo na silnicích USA 1 mil. EV (elektrických vozidel) a aby se v roce 2015 vyrábělo 40 % baterií převážně v automobilovém průmyslu technologií Li-ion.

Koncept Li-ion baterií byl přijat, protože v současné době jde v technologii komplexně výhodnou z hlediska dosažitelnosti surovin, výroby, recyklovatelnosti, ekologie a dalšího možného rozvoje.
I když firmy USA mají zkušenosti s celou řadou součástek spojenou s Li-ion technologií, v masové výrobě včetně dalších „know-how“ poněkud zaostaly. Velmi rychle ale vznikly „joint-venture“ firmy s převážně s japonskými a jihokorejskými koncerny, které pružně navázaly na projekty velkých automobilek. GM a Ford se spojil s korejskou firmou LG, Nissan USA s japonskou NEC a Toyota USA s japonskou Panasonic. Dnes už legendární Tesla Motors spolupracuje s firmou Panasonic.

V současné době bylo dosaženo již těchto přelomových milníků, které byly iniciovány USA :

1. V USA byly otevřeny 3 výrobní komplexy na výrobu Li-ion baterií s celkovou kapacitou cca 300 000 vozidel.
2. Došlo k zlevnění výroby Li-ion baterií o více než 2 x s tendencí dalšího poklesu
3. Automobily s Li-ion bateriemi se začaly vyrábět masově a postupně, z hlediska výkonu, se přibližují klasickým autům se spalovacím motorem.
4. Uvedený trend má globální působnost. Dokonce Japonsko a J. Korea jsou poněkud před USA. EU pak poněkud zaostává.
5. Li-ion baterie se uplatňují i mimo běžná auta; u aut nákladních, v letadlech a stacionárních energetických instalacích.

Auta a baterie

Jelikož hlavním odběratelem a tudíž „hnacím motorem“ výroby Li-ion baterií je automobilový průmysl přinášíme přehled současné výroby EV (Electric Vehicles) elektrických vozidel. Členění elektrických vozidel dle mezinárodního pojetí je následné:

1. PEV (Plug-in Electric Vehicles). Elektrická auta s nabíjením.
   Jedná se o čistě elektrická auta s nejlepší ekonomií provozu

2. PHEV ((Plug-in Electric Vehicles). Hybridní elektrická auta s nabíjením.
   Spalovací motor nemá převodovku a pohání jen generátor. Auto může jet jen na baterie a může se dobíjet ze zásuvky.

   1. HEV (Hybrid Electric Vehicles). Hybridní elektrická auta. Jedná se o klasické auto se
      spalovacím motorem, baterie jsou jen pomocným pohonem – nedají se dobíjet.

První automobilka, která začala vyrábět úsporná auta s elektrickými pohonnými prvky, byla Toyota se svým dnes už legendárním modelem Prius. Jednalo se sice jen o generačně první vozidlo s pohonem tzv. HEV, ale i to se v provozu osvědčilo a přispělo k velmi slušným úsporám. V roce 2012 se vyrobilo v celém světě plných 5 mil. kusů tohoto typu. Automobilka Honda vyrobila cca 1 mil. aut HEV a Ford 0,2 mil. Výroba těchto aut postupně klesá.

Zástupcem PHEV vozidel je model GM Chevrolet Volt (Opel Ampera), jehož výroba v roce 2012 dosáhla cca 30 tis. vozidel. Z dalších modelů je to Toyota Prius Plug-in Hybrid s výrobou cca 20.000 aut, Ford C-Max Energi 3.000 aut, Honda Accord Plug-in Hybrid. Výroba postupně roste.
Výroba PEV vozidel – čistě elektrických – prožívá velký rozvoj. Největším výrobcem je firma Nissan s modelem Leaf, kterých se v roce 2012 vyrobilo cca 60 000! A firma se chce postupně do 3 let dostat na úroveň 150.000 aut ročně.

Mezi velké výrobce se propracovala firma USA Tesla Motors, která v letošním roce má v plánu vyrobit 22.000 vozidel Modelu S a v roce 2014 již přes 30.000 vozidel. Zde je zapotřebí se pozastavit nad parametry uvedeného modelu S; jedná se o první typ PEV vozidla, které může konkurovat klasickým autům se spalovacími motory. Na jedno nabití má dojezd plných 400 km a rychlo- nabíjení trvá pouhých 30 min s tím, že v blízké budoucnosti se počítá i s tzv. „swapovou“ výměnou baterií, které má trvat pouhé 3 minuty! Nabíjecí stanice se instalují velmi rychle a pracují plně autonomně – nabíjí se prostřednictvím fotovoltaiky. V roce 2015 má síť nabíjecích stanic pokrýt území USA. Model S má však především bezkonkurenční ekonomiku provozu – ekvivalentně vozy spotřebují jen 1,5 l/100km s minimálním dopadem na životní prostředí.

PEV modely připravují firmy Fiat (500e), Mercedes-Benz (Smart electric drive), BMW (ActiveE), Ford (Focus Electric), Honda (Fit EV).

Závěr

Z uvedených informací vyplývá, že dochází k malé revoluci v pohonu malých vozidel. Hlavním hybatelem jsou technologicky nové baterie – Li-ion, které postupně vytlačují ony klasické olověné (Pb-H2SO4) a v provozu prokazují, že jsou po všech stránkách lepší. Výzkum nanotechnologií jako „by-product“ přispěl i k výzkum Li-ion technologie. Laboratorně již byla dosažena specifická energetická kapacita, tj. Wh/kg okolo 300 Wh/kg, tj 2x současné úrovně. Velké investice do výzkumu a výroby Li-ion baterií budou přispívat k snižování ceny baterií a rozšiřováním jejich užíváním.

Je zapotřebí připomenout, že baterie Li-ion pronikají i do leteckého průmyslu. Prvním modelem velkého letadla, který Li-ion baterie využívá je nový model firmy Boeing B-787. Je pravda, že problémy způsobené těmito bateriemi způsobily odstavení modelu B-787 na 3 měsíce, ale jistě je to velký krok vpřed.