22.11.2017
литий-ионные аккумуляторы

Тотальная электрификация. Мир переходит на электрическую энергию

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Почти три четверти длины одного из извилистых конвейеров на автозаводе Nissan в Сандерленде рабочий прикручивает баки для горючего на шасси бесчисленных «кашкаев» — городских внедорожников, которые составляют основную массу продукции предприятия. Но иногда по конвейеру проходит электрический автомобиль модели Leaf, пишет The Economist.

Тогда рабочий меняет ритм работы, чтобы установить комплект литий-ионных аккумуляторов на пол машины. Его движения так отточены и скоординированные с суетой роботов вокруг, что он переходит от двигателя внутреннего сгорания к электроавтомобилю на аккумуляторах практически без остановок.

До недавнего времени такой переход многие считали немыслимым. Ведь большую часть прошлого века основным механизмом, который приводил в движение транспортные средства на суше и на воде, был двигатель внутреннего сгорания. Это серьезный рывок. Модель Leaf в настоящее время занимает первое место в мире по продажам среди электромобилей, но предприятие в Сандерленде — крупнейший британский автозавод — в прошлом году выпустил лишь 17,5 тыс. экземпляров, а Qashqai — 310 тыс. И Qashqai, в отличие от Leaf, был прибыльным. Пока что Nissan с каждого выпущенного Leaf имеет только убытки.

Читайте также: Создан аккумулятор на базе твердого стеклянного электролита

В прошлом году в мире было продано 750 тыс. электрических автомобилей — менее 1% всего рынка новых авто. В 2011‑м генеральный директор альянса Renault-Nissan Карлос Гон заявил, что эти две компании до 2016 года продадут вдвое больше — это оказалось одним из тех оптимистических предсказаний, что очень далеко оторвались от действительности. Но если момент для выхода электромобилей на мировую арену оказался неопределенным, то вера в то, что вскоре это будет серьезный бизнес, распространена значительно больше. На рынке недавно появились массовые модели, которые могут проехать почти столько же, что и авто на полном баке. Это, например, Tesla Model 3 и Chevrolet Bolt от General Motors (GM). В сентябре представят обновленный Leaf. Возможность производить эти автомобили на таких же мощностях, что и бензиновые или дизельные авто (как в Сандерленде), означает, что они легче будут распространяться по всей отрасли, когда будет расти производство.

Все, что нам нужно для жизни сегодня

Много авторов прогнозов убеждены, что через несколько лет долгосрочные затраты на владение и пользование электромобилем будут примерно равны затратам на владение и пользование автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. Из-за этого продажи электромобилей в 2020-х годах резко возрастут, а ориентировочно в течение 2030-х подавляющая часть автопарка будет электрической. Китай, на который в прошлом году пришлось около половины всех проданных электромобилей, к 2020 году хочет видеть на своих дорогах 2 млн электромобилей и електробензинових гибридов, а еще через 10 лет — 7 млн. Консалтинговая агентство Bloomberg New Energy Finance (BNEF) замечает, что прогнозы нефтяных компаний дают электромобилям куда больше перспектив сейчас, чем несколько лет назад; ОПЕК сейчас предполагает, что к 2040-му по автодорогам будут ездить 266 млн таких машин. И Британия, и Франция заявили, что до этого момента производство новых автомобилей только с двигателями внутреннего сгорания будет незаконным.

Уже тот факт, что это можно себе представить, — заслуга распространения производства литий-ионных аккумуляторов и убеждение, что оно будет серьезно расти и дальше. Первые такие аккумуляторы появились в продаже только 26 лет назад в видеокамере Sony CCD-TR1. Продукт стал хитом, а аккумуляторы — еще большим хитом. Они начали появляться в компьютерах, телефонах, беспроводных инструментах, электронных сигаретах и тому подобное. Чем на большее количество гаджетов «приседал» мир, тем больше требовалось литий-ионных аккумуляторов. В прошлом году было выпущено потребительских товаров на литий-ионных аккумуляторах с общей емкостью более 45 ГВт/час. Для лучшей наглядности представим, что если бы все эти аккумуляторы зарядить, то они могли бы обеспечить Британию, которая в среднем потребляет ориентировочно 34 ГВт электроэнергии, электричеством примерно на 1 час 20 мин.

Читайте также: Литий-ионные аккумуляторы (LIB) - сердце электромобилей. Битва за рынок нарастает

В тот самый года литий-ионных аккумуляторов для электромобилей было произведено на чуть больше чем половину этой емкости: 25 ГВт/час. Но основатель и директор-распорядитель энергетически-консалтинговой фирмы Cairn ERA Сэм Джефф прогнозирует, что спрос на автомобильные аккумуляторы превысит спрос на аккумуляторы для бытовой электроники еще в начале следующего года, а это станет поворотным моментом для отрасли. Мы на пороге гигантского расширения их производства. Пять крупнейших производителей — японский Panasonic, южнокорейские LG Chem и Samsung SDI и китайские BYD и CATL — наращивают капитальные инвестиции с перспективой увеличить производственные мощности до 2020-го почти втрое. Огромная гигафабрика стоимостью $5 млрд, которую Tesla строит вместе с Panasonic в Неваде, уже якобы производит более 4 ГВт/ч в год. В Tesla заявляют, что предприятие в 2018-м сгенерирует 35 ГВт/час.

Гигафабрика будет работать не только на автомобили. Услышав о перебоях с электроэнергией в Южной Австралии, основатель Tesla Илон Маск направил премьеру этого государства твит-сообщение о том, что до конца года Tesla сможет обеспечить достаточно мощности для аккумулирования энергии, чтобы больше не допустить перебоев в электросети. На гигафабрике сейчас срочно создают объект емкостью 129 МВт/ч, который поможет соблюсти данное Маском слово. После установки по другую сторону Тихого океана он станет крупнейшей в мире такой электросетевой системой, но на подходе много других. Блоки литий-ионных аккумуляторов промышленного масштаба (то есть большое количество автомобильных аккумуляторных батарей, соединенных между собой и настроенных так, чтобы обеспечить быструю зарядку и разрядку) приобретают все большую популярность среди операторов электросетей, которые пытаются выровнять нерегулярный ток от источников вроде солнечной или ветровой энергии. Меньшие батареи аккумуляторов покупают потребители, что хотят или независимости от сети, или сохранять энергию, которую производят для себя, чтобы продавать ее в сеть по самым выгодным дневными или ночными тарифами. Аккумуляторы становятся неотъемлемой частью будущего без вредных выбросов в атмосферу.

Шанс измениться

Основной принцип работы литий-ионного аккумулятора простой и понятный. Когда батарея заряжается, электрический потенциал затягивает ионы лития в «дырки» графитового электрода. Во время работы эти ионы перемещаются в обратном направлении в жидком электролите до значительно более сложного электрода, изготовленного из сплавов, содержащих литий и другие металлы, — катода. В основном принципе работы бизнеса по производству аккумуляторов прозрачности куда меньше: это обусловлено чуть ли не параноидальной страстью поставщиков к тайнам, а также умопомрачительной природой экономики азиатских конгломератов — лидеров рынка.

Все крупные производители наращивают мощность отчасти потому, что это уменьшает затраты на единицу продукции, как видно за последние несколько лет. Литий-ионные ячейки (основные компоненты аккумуляторов) обходились в 2010-м более чем в $1 тыс. за кВт/час. В прошлом году расходы составляли от $130 до $200. В GM говорят, что платят корейской LG Chem $145 за кВт ячейки — компоненты аккумулятора емкостью 60 кВт/ч для модели Bolt (весь комплект через затраты на труд, материалы и электронику стоит больше, чем сумма ячеек для него). В Tesla говорят, что ячейки для Model 3 дешевле. Низкие затраты — не единственный прогресс. Значительные инвестиции в научно-исследовательскую и проектно-конструкторскую деятельность обеспечили лучшую плотность мощности (больше энергии на килограмм веса) и повышенную долговечность (больше циклов зарядка-разрядка). Модель Bolt выпускается с гарантией аккумулятора на восемь лет.

Читайте также: Почему до сих пор нет лучшей альтернативы литий-ионным батареям

Но снижение цен таким способом не просто дало более дешевые и лучшие аккумуляторы. Оно также привело к значительному перепроизводству. По оценкам Cairn ERA, в прошлом году потенциал производства литий-ионных аккумуляторов превысил спрос примерно на треть. И в Cairn ERA, и в BNEF говорят, что производители аккумуляторов или терпят убытки, или получают минимальную прибыль с каждого выпущенного ими аккумулятора для электромобиля. Впрочем, несмотря на кажущееся перенасыщение, они все же планируют расширяться отчасти для того, чтобы снизить цены еще больше. Джефф объясняет это мышление как характерную для «традиционной азиатской конгломератной модель»: жертвовать прибылью ради доли рынка. Это может оказаться разумной стратегией, если учитывать стабильный рост перспектив электротранспорта в ближайшем будущем. Но сейчас она вызывает довольно сильное беспокойство. Джефф считает, что увеличение спроса на электромобили, так и на стационарные накопители оправдывает лихорадочное расширение производства, но и признает, что сейчас «это похоже на золотую лихорадку, только без золота».

Впрочем, в этой картине есть другие драгоценные металлы. Увеличение производства аккумуляторов означает увеличение закупки лития, а также различных других металлов, в частности кобальта, для катодов. Они составляют более 60% стоимости одной ячейки. Уверенность в стабильном снабжении этих металлов — такой же стратегический момент для производителей аккумуляторов, как и овладение тонкостями электрохимии. С 2015 года цены на литий выросли вчетверо, говорит Саймон Мурс, директор-распорядитель консалтинговой агентства Benchmark Mineral Intelligence. Цена на кобальт за тот же период выросла более чем вдвое; цены на химикаты, в состав которых входит никель (его тоже используют в катодах), также растут.

Новые запасы лития найти будет не так уж и тяжело; по словам Мурса, залежи этого элемента оцениваются минимум в 210 млн т. Для сравнения: сейчас ежегодно добывается 180 тыс. т. Начинаются разработки новых месторождений. В июле чилийская компания SQM, крупнейший в мире производитель лития, заявила о намерении инвестировать $110 млн в совместное предприятие по добыче лития в Западной Австралии. С кобальтом сложнее. Не только его залежи меньше — значительная часть поступает из Демократической Республики Конго. Это нарушает как этические проблемы (в производстве может быть задействован детский труд), так и бизнес (никто не хочет, чтобы поставки жизненно важных ресурсов зависело от главарей боевиков). В LG Chem заявляют, что пытаются уменьшить состав кобальта в ячейках, одновременно улучшая их характеристики. В будущем повторная переработка металлов из отработанных аккумуляторов может сделать эту отрасль куда экологичнее.

Одна из причин, почему производители уверенно наращивают мощь, несмотря на подорожание сырья, — это то, что пока мало что может конкурировать с их товаром. Часто рекламируются другие технологии производства аккумуляторов, которые, собственно говоря, являются потенциально привлекательными, но ни одна из них не имеет в своем активе нескольких десятилетий развития, что превратили литий-ионные устройства с интересной идеи в господствующую технологию. Эта работа дала возможность получить огромный объем знаний о тонкостях производства, ассортимент электролитов и все более сложные нанотехнологии металлических катодов.

По словам директора американского поставщика материалов для катодов CAMX Power Кенана Сахина, стоимость и вес литий-ионного аккумулятора, его способность к многократной зарядке и разрядке, его долговечность и безопасность — все это стало результатом бесконечного процесса совершенствования и улучшения, а не внезапных озарений. Он сравнивает химию аккумуляторов с открытием лекарств в фармацевтической отрасли. «Это действительно трудно. Все, что у вас есть, должно работать в больших масштабах, а побочные эффекты должны быть приемлемыми», — говорит он. Посоревноваться с этим будет трудно любой потенциальной альтернативе. В обозримом будущем тон будет задавать постоянное совершенствование литий-ионной технологии (возможно, с новыми твердыми электролитами).

До сих пор основным элементом аккумулятора была цилиндрическая ячейка под названием 18650, похожая на патрон для винтовки. Длиной она 65 мм, имеет 18 мм в диаметре и плотность энергии более 250 Вт/ч на кг. Для сравнения: плотность энергии бензина примерно в 50 раз больше, но ячейка может хранить такой объем энергии сотни тысяч раз. Tesla и Panasonic разработали уже 2170 — несколько более длинную и более широкую; Маск заявляет, что это будет аккумулятор с наибольшей плотностью энергии на рынке. В компании говорят, что стоимость езды на Model 3, которую выпустили в конце июля под восторженные отзывы, будет наполовину меньше, чем в любых предыдущих автомобилях Tesla. На представлении этой модели Маск, похоже, слишком увлекся перспективой производства 500 тыс. таких автомобилей за следующий год. «Добро пожаловать в производственный ад», — сказал он собравшимся работникам.

7 августа Tesla объявила о планах продать облигации на $1,5 млрд для финансирования своего расширения, что даст давно нужное новое дыхание рыночным ценных бумагам, где компания обычно привлекает деньги (и где ее стоимость за последний год выросла на две трети). В компании сказали, что у них есть 455 тыс. предварительных заказов на Model 3; если она будет выпускаться, то до окончания года производство даст достаточный денежный поток, чтобы укрепить финансы компании. Если все пойдет по плану, Маск надеется, что гигафабрика станет крупнейшим сооружением мира с мощностью 100 ГВт в год, а впоследствии появятся новые гигафабрики в других местах; следующая, очевидно, будет в Китае.

Из всего этого следует, что электрический транспорт и действительно готов сделать огромный скачок. Несомненно, электромобили становятся совершеннее и дешевле. Но есть и другие препятствия для их применения, особенно зарядка. В Великобритании 43% автовладельцев не имеют доступа к крытым парковочным гаражам, а потому не смогут заряжать автомобили дома. Домашние условия также не всегда приспособлены к нагрузке от, скажем, зарядного устройства на 11 кВт; от использования чайника или кипятильника в течение шести часов, нужных для зарядки аккумулятора емкостью 90 кВт/ч, могут перегореть предохранители. Выходом может стать создание станций быстрой зарядки. Они могут быть похожими на бензозаправки. Некоторые автомобильные компании начинают строить их, чтобы уменьшить «страх дальности», на которую хватает заряда (он отбивает у некоторых водителей желание ездить на электромобилях). Могут ли такие объекты расширяться достаточно быстро, чтобы удовлетворить планы роста этой индустрии? Этот вопрос остается открытым.

Аккумуляторы энергииИменно неуверенность относительно положительной динамики использования электромобилей является одним из факторов, которые делают стационарные накопители привлекательным альтернативным рынком для производителей аккумуляторов. Объекты, похожие на тот, что недавно появился на неприметном участке на окраине Сан-Диего в Калифорнии и построенный компанией San Diego Gas & Electric (SDGE), ничем не напоминают блестящие гламурные новинки, которые заполняют автосалоны. Это автомобильный аккумулятор на 384 тыс. ячеек в виде стоянки трейлеров — самый скучный в мире трансформер. Но именно в неприметности заключается его красота, считает Кэролайн Уинн, операционный директор SDGE; коммунальная служба использует его для обеспечения током в часы пикового спроса. Модульная конструкция позволила закончить объект мощностью 120 МВт/ч — чуть меньше того, который Tesla пообещала Южной Австралии — только за восемь месяцев от старта проекта. Он работает так тихо, что его почти не слышно. Поставить газовую турбину для выполнения той самой работы было бы дешевле, но заняло бы годы, и то если бы местные жители вообще дали разрешение на сооружение, что маловероятно. Объект-аккумулятор значительно красивее, чем газовая турбина, говорит Винн.

Окончательный источник энергии

Для Tesla и других крупных производителей аккумуляторов проекты накопителей для электросетей — самая привлекательная часть электроэнергетического рынка, ведь в сети предлагают контракты на выкуп лишней мощности в огромных объемах, что уже положительно. Но есть еще и спрос на аккумуляторы, которые работают «за пределами электросетей». Tesla поставляет на этот рынок свою домашнюю аккумуляторную батарею Powerwall как дополнение к солнечным панелям и солнечных плиток, которые она выпускает. Nissan также присматривается к прикладным решениям, которые позволяют получать энергию из несетевых ресурсов. Вместе с американской энергетической фирмой Eaton Nissan создает с частично применяемых аккумуляторов модели Leaf батареи, которые могут обеспечивать предприятия и заводы электрическим током в случае перебоев, заменив «грязные» дизельные генераторы. Первый крупный клиент — амстердамский стадион Arena, на котором базируется футбольный клуб AFC Ajax.

Такие системы не обязательно имеют конкурентную цену, но государство стимулирует их в самые разнообразные способы. В мае регулятор штата Нью-Йорк предоставил коммунальному предприятию Con Edison право разрешать предприятиям-клиентам устанавливать аккумуляторы в Бруклине и Квинсе, чтобы экспортировать электроэнергию в сеть. Нью-Йорк состоящий из ветхих электросетей, которым уже более 100 лет и которые еще помнят Джорджа Вестингауза и Николу Теслу, изо всех сил пытается расширить свои источники благодаря возобновляемой энергии, а аккумулирование позволяет по-новому решать проблемы в пик спроса. Главный энергетик штата Джейсон Довлинг говорит, что эта программа будет идеальной для многоквартирных высотных домов; лифты, которые работают от аккумулятора утром и вечером, когда тарифы на электроэнергию высокие, станут очень выгодными.

Читайте также: Литий - источник мобильной жизни

Однако пожарный департамент Нью-Йорка и дальше беспокоит то, что литий-ионные аккумуляторы в домах создают угрозу возгорания. Когда их монтируют, пожарные дежурят в режиме готовности. В прошлом году фиаско с возгоранием смартфонов Samsung Galaxy Note 7 напомнило всему миру, что в литий-ионных аккумуляторах может (если они неудачно спроектированы или слишком перегружены) произойти короткое замыкание и возгорание. Однако в целом новые материалы и керамическое покрытие электродов сделали автомобильные аккумуляторы безопасными.

Кроме опасений относительно возгорания компании, которые устанавливают бытовые аккумуляторы для независимого от сети обеспечения электроэнергией, как и для хранения энергии в электросетях, заявляют, что им мешает устаревшее регулирование и проблемы со страховщиками. Это ограничивает доступное для них финансирование, говорит Анил Шривастава, директор швейцарского производителя аккумуляторов Leclanché. Им также нужно найти способ сделать стационарное аккумулирование прибыльным. Иногда, как в Сан-Диего, оно является едва ли не единственным способом, как можно выполнить требования регулятора: Калифорнийская коммунальная комиссия боялась перебоев с электричеством в Лос-Анджелесе после утечки газа на газохранилище в каньоне Алиса в 2015 году. Но когда вопрос скорее в цене, аккумуляторы должны выполнять более чем одну функцию. Например, систему можно спроектировать под поставки энергии в сети так, чтобы она сбалансировала короткие перепады. Или же для того, чтобы помогала справляться с пиковыми нагрузками.

Все это звучит очень запутанно. Но в аккумуляторном бизнесе поиск способов продать тот же предмет для разных целей — это как его второе «я», потому подстраивает товары отрасли под любой рынок и масштаб. Нынешний бурный размах индустрии может несколько пугать. Впрочем, впоследствии он должен обеспечить ей настоящий успех.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки