Baterie budou hrát velkou roli s dalším rozvojem obnovitelných zdrojů elektrické energie, říká Tomáš Kazda

22. února 2018

Tomáš Kazda působí na Ústavu elektrotechnologie Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií na VUT v Brně. Zabývá se vývojem baterií pro různé využití včetně elektromobilového průmyslu. Ve druhém díle rozhovoru se zaměřujeme na trendy v oblasti projektů ukládání energie.

Aktuálně na trhu nejrychleji rostou lithiové baterie. Která technologie je podle vás nejlepší?

Reálně dominují stále akumulátory olověné, když se podíváme na celkovou vyrobenou kapacitu akumulátorů, ale jejich podíl na celkové výrobě rychle klesá. V roce 2000 nebyl podíl lithno-iontových akumulátorů na celkové výrobě akumulátorů ani jedno procento, v současnosti je to necelých dvacet procent.

Typů Li-Ion akumulátorů je několik. Běžnému uživateli možná přijde akumulátor jako akumulátor, ale není tomu tak. Existuje asi pět hlavních materiálů, které se používají na kladné elektrodě, a asi dva na záporné, plus jejich modifikace. Určit nejlepší se tak nedá úplně snadno, každý materiál má své specifické charakteristiky. Podle nich a podle kvality výroby se odvíjí finální vlastnosti Li-Ion akumulátoru.

Spíše je vhodnější vybírat Li-Ion akumulátor dle požadované aplikace a podle požadovaných parametrů následně zvolit typ. Kdybych ale přeci jen musel nějaký určit, tak akumulátory využívající na kladné elektrodě materiál NMC (lithium-nikl-mangan-kobalt oxid), které se zdají do budoucna nejperspektivnější.

Českým prostředím rezonuje projekt baterií HE3DA. Jak si stojí oproti zahraniční konkurenci?

Tento projekt je nejsilnější především ve svém marketingu. Samotné řešení je nestandardní, ale nejsem si jistý, jestli přináší něco, co by přineslo kýžený pokrok. Zatím jsem tedy poměrně skeptický, ale možná budu překvapen. I když všechny dostupné skutečně technické informace svědčí o opaku.

U současných baterií se často zmiňuje závislost na lithiu a dalších vzácných kovech. Bude to bariéra pro další rozvoj tohoto oboru?

Lithia máme relativně dost. Když se podíváme na celosvětové zásoby, tak by nám i s rostoucí spotřebou mělo vydržet zhruba na 200 let. Problémem je, že baterie táhnou jeho spotřebu nahoru a nedají se vyrobit jen tak. Musí se zvýšit objem jeho těžby a následně se musí vybudovat výrobní kapacity na syntézu elektrodových materiálů. Pak je nutné také navýšit kapacity na výrobu baterií. To všechno nejde ze dne na den.

Dalšími materiály, které se v bateriích používají, jsou hliník, měď, nikl, železo nebo mangan. U těchto materiálů je však využití v Li-Ion akumulátorech malé v porovnání s jinými aplikacemi. Jedná se přibližně o jednotky procent světové produkce. Naopak problémový je kobalt, u kterého do oblasti výroby baterií míří přibližně stejné procento jako v případě lithia.

Do roku 2014 byl nejvíce využívaný elektrodový materiál s vysokým obsahem kobaltu. V současnosti se od tohoto materiálu postupně upouští a přechází se na materiály, ve kterých je kobalt zastoupen méně. Do budoucna je pak velmi významná otázka recyklace. Jedná se tedy o překážky, které se z mého pohledu dají řešit.

Agentura Bloomberg předpokládá, že ceny baterií poklesnou do roku 2030 pod 100 dolarů za kWh. Je to reálné očekávání právě s ohledem na závislost na lithiu?

Cena lithia vyskočila především kvůli tomu, že si trh uvědomil, že elektromobilita je reálná a může to být do budoucna značně velký obchod. Současně je to i kvůli tomu, že roste poptávka po bateriích a produkce lithia nestačí pokrýt poptávku. Je však jen otázkou času, než se navýší kapacity a nabídka s poptávkou se srovnají, pak jeho cena poklesne, i když asi ne na původní hodnoty.

Když se pak podíváme kupříkladu na vývoj ceny fotovoltaických panelů, tak vidíme, že cena s rostoucí produkcí stejně jako u všeho klesá. Stejně je to u Li-Ion akumulátorů. V roce 1991 byla cena za kWh asi 3 200 dolarů, dnes je to u velkých odběratelů asi 200 dolarů. Osobně si tedy myslím, že reálné to je, a nepřekvapilo by mě, kdyby se cena dostala pod 100 dolarů za kWh ještě před rokem 2030.

V Česku byly instalovány loni dvě baterie s kapacitou okolo 1 MWh, které lze využít pro stabilizaci elektrárenské sítě. Jakou lze očekávat roli od této „průmyslové“ akumulace v budoucnu a jaké technologie baterií jsou pro to vhodné?

Do budoucna předpokládám velký rozvoj v této oblasti. Později možná i vyšší než v případě elektromobility. Stacionární úložiště budou hrát velkou roli s dalším rozvojem obnovitelných zdrojů elektrické energie. Jsou schopny vyrovnávat výkyvy v síti a fungovat jako náhradní zdroj elektrické energie v případě výpadku dodávek. Můžou také elektrickou energii ukládat v době přebytku a využít ji v okamžicích, kdy je elektrické energie nedostatek. To je právě potřeba u obnovitelných zdrojů energie, jelikož slunce nesvítí na povel v době, kdy je největší odběr. Pro toto použití je spíše než kapacita důležitá životnost.

Z tohoto pohledu se pro tyto aplikace kromě některých typů Li-Ion akumulátorů hodí třeba i vanadové redoxní průtočné akumulátory, jejichž výzkumu se věnují na VŠCHT v Praze, nebo sodíkové vysokoteplotní akumulátory. V budoucnu po odstranění všech problémů se z mého pohledu jeví jako perspektivní také akumulátory Na-Ion.

Další technologie pro akumulaci využívají například výrobu syntetického zemního plynu nebo vodíku (P2G) pomocí elektřiny z obnovitelných zdrojů. První pilotní projekty jsou v Německu, může to být cesta i pro Česko?

Je to také jedna z možností, na které se dá pracovat. Už jsem slyšel, že by to v rámci Česka chtěl někdo testovat, ale z mého pohledu mi přijde rozumnější použít akumulátory. Cesta výroby je v tomto případě zbytečně komplikovaná a celková účinnost je menší.

Pokud nebudu řešit účinnost fotovoltaického panelu, tak začneme elektrolýzou s účinností okolo 60 %, pak následuje metanizace s účinností maximálně 80 % a následně se syntetický zemní plyn (SNG) použije k výrobě elektřiny s účinností asi 60 %. Tím se dostáváme na celkovou účinnost necelých 30 %.

Je to tedy možnost, jak uložit energii v době přebytku a část z ní dostat zpět, případně ji potrubím přepravit na jiné místo ve formě SNG a tam využít. Je to možný doplněk k obnovitelným zdrojům energie a jeho vhodnost musí posoudit provozovatel sítě. Druhá možnost je přímé využití vodíku v elektromobilu s palivovým článkem. Tam je to ale co do celkové účinnosti podobné.

Vedle velkých baterií vznikají i domácí úložiště energie, které lze spojit s fotovoltaikou na střeše. U nás jde zatím o maximálně stovky systémů, ale dá se čekat, že budou baterie v budoucnu běžné zařízení pro domácnosti?

V krátkodobém horizontu si nemyslím, že by malá bateriová úložiště byla součástí běžné domácnosti, ale v delším horizontu si myslím, že by tomu tak být mohlo a bylo by to vhodné. Domácnosti by se tak staly více nezávislými a úložiště by bylo vhodné i při využití elektromobilu.

Najednou by se tak dala pojmout energetika zcela jiným způsobem právě s ohledem na tlak na využití obnovitelných zdrojů energie. Každá domácnost by se z pohledu sítě současně jevila jako malé stacionární úložiště a síť by se tak dala balancovat pomocí managementu těchto malých úložišť.

Může být akumulace také zajímavá pro domácí producenty podobných technologií? Jak je složité podobné domácí úložiště vyvinout?

Myslím, že akumulace pro domácí producenty zajímavá být může. Pokud vím, tak se tímto odvětvím už několik českých firem zabývá. Chce to potřebné know-how spojené s propojováním jednotlivých akumulátorů do větších celků a vytvoření kvalitního battery management systému.

Působíte na VUT v Brně. Jakými výzkumnými projekty se aktuálně zabýváte?

Na našem ústavu se věnujeme výzkumu akumulátorů od olověných až po nové lithno-iontové. Zabýváme se výzkumem elektrodových materiálů pro lithno-iontové akumulátory a také elektrolytů. V posledních letech jsme se začali věnovat lithno-iontovým akumulátorům s vyšším provozním napětím, akumulátorům lithium-síra a také Na-Ion akumulátorům. Nedávno také skončil projekt zaměřený na akumulátory pro smart textilie. Dalším odvětvím, na které je náš ústav zaměřen, je fotovoltaika a také se věnujeme počítačovému modelování.

Na zahraničních soutěžích startup akcelerátorů lze potkat řadu zajímavých projektů, které řeší problém ukládání energie. Máme podobné inovátory také v Česku nebo přímo na VUT?

Jak již jsem zmiňoval, pěkný projekt zaměřený na vanadové-redoxní akumulátory mají kolegové na VŠCHT v Praze. Co se VUT týká, byly zde snahy vybudovat startup zaměřený na vývoj nové generace akumulátorů lithium-síra, avšak tento projekt zatím nedošel z různých důvodů finální realizace.

Co se startupu týká, mám pocit, že hlavní problém je v tom, že nejvíce populární jsou startupy zaměřené na IT, které jsou progresivní a návratnost investice je pak poměrně rychlá. Čistě technické startupy, u kterých je finanční náročnost vyšší a návratnost násobně delší, už tak moc v kurzu nejsou.

Co by nejvíce pomohlo vývoji moderních řešení v energetice v rámci univerzitního prostředí? Jsou nějaké bariéry, se kterými se musíte potýkat?

Jak říkal na jedné konferenci prof. Aurbach z Izraele, hlavním problémem lithno-iontových akumulátorů je to, že uživatelé je vnímají jako něco jednoduchého, přičemž je to vysoce komplexní a složitý systém a náročnost vývoje se dá porovnat s náročností vývoje léků. Tomu pak odpovídá i nákladnost vývoje.

Kupříkladu v Německu není tento výzkum podporován jen ze strany evropských projektů, ale i ze strany státu a jednotlivých spolkových zemí a také ze strany firem. V podmínkách ČR není v oboru baterií vlastně žádná větší výrobní firma, což je ale problém celé EU, snad jen s výjimkou Německa díky automobilkám. Tak dochází k tomu, že EU má poměrně slušné vědecké výstupy, ale jejich praktická realizace probíhá v Asii nebo v USA.

To jsem nedávno slyšel i od COO firmy Northvolt, který si stěžoval na to, že sice ve firmě pracují lidé z celého světa, ale inženýrský tým zabývající se přípravou linky je celý z Asie, protože v EU nejsou lidé, kteří by měli praktickou zkušenost s větší výrobou.