Могут ли литиевые батареи изменить статус-кво энергии?

Литий-ионные аккумуляторы могут не только вызвать революцию в электромобилях, но и проникнуть в нашу повседневную жизнь и революционизировать сегодняшнюю энергетическую ситуацию, говорится в печатном выпуске последнего выпуска журнала Economist.

Ниже приводится исходный текст:

Пройдя примерно три четверти по серпантину на заводе Nissan в Сандерленде, рабочий постоянно устанавливает топливные баки на многочисленные незакрепленные пассажирские шасси - большинство автомобилей, выпускаемых заводом, являются внедорожниками. Но время от времени очередь проезжает другой автомобиль: электромобиль под названием Leaf.

На этом этапе задача рабочего сменится с установки топливного бака на установку аккумулятора. Его движения идеально сочетаются с роботизированной рукой рядом с ним, плавно переключаясь между бензиновыми автомобилями и электромобилями.

До недавнего времени многие люди считали этот переход невероятным. На протяжении последнего столетия двигатель внутреннего сгорания был основным двигателем автомобилей и кораблей. Это дает ему большое преимущество. Хотя Leaf претендует на звание самого продаваемого электромобиля в мире, завод в Сандерленде, крупнейший автомобильный завод Великобритании, в прошлом году произвел всего 17 500 автомобилей Leaf по сравнению с 310 000 бесплатных автомобилей в том году. Напротив, Xiaoke находится в прибыльном состоянии, а Leaf - в убытке.

В прошлом году мировые продажи электромобилей составили 750 000 единиц, что составляет менее 1% рынка новых автомобилей. Карлос Гон, владелец альянса Renault-Nissan, заявил в 2011 году, что только две компании удвоят производство электромобилей к 2016 году. Оглядываясь назад, этот прогноз, очевидно, слишком оптимистичен, но подобные прогнозы не редкость.

Однако, хотя сроки запуска электромобилей неизвестны, все согласны с тем, что эта технология скоро станет крупным бизнесом.

Гражданские электромобили с пробегом, близким к полному баку бензина (такие как Tesla Model 3 и Chevrolet Bolt от General Motors), недавно стали публичными, а обновленный Leaf будет выпущен в сентябре. Завод в Сандерленде показывает, что бензовозы и электромобили уже могут использовать одну производственную линию, что упростило популярность таких транспортных средств за счет увеличения производственных мощностей.

Литиевая батарея: шаг вперед

Многие прогнозы предполагают, что стоимость владения и вождения электромобиля за весь срок службы можно сравнить со стоимостью автомобиля на топливе в течение нескольких лет, что приведет к резкому росту продаж в 2020-х годах и станет массовым в 2030-х годах. В прошлом году на нее приходилось около половины мировых продаж электромобилей, и к 2020 году на дорогах будет около 2 миллионов электрических и подключаемых гибридов, а через 10 лет - до 7 миллионов.

Консалтинговая компания Bloomberg New Energy Finance отметила, что ожидания нефтяных компаний в отношении электромобилей намного выше, чем они были несколько лет назад. Организация стран-экспортеров нефти (ОПЕК) теперь планирует использовать 266 миллионов электромобилей в 2040 году. И Великобритания, и Франция также заявили, что к тому времени будут запрещены транспортные средства, работающие на чистом топливе.

Это связано с заметным расширением бизнеса литиевых батарей и общим консенсусом в отношении того, что отрасль будет продолжать быстро расти в будущем. Первые литиевые батареи начали продаваться 26 лет назад и первоначально использовались в камере Sony CCD-TR1. Этот продукт был популярен, а батареи, которые он использовал, были еще более популярны, и его постепенно начали применять в компьютерах, мобильных телефонах, беспроводных устройствах, электронных сигаретах и других продуктах.

Чем больше электроники вы используете в батареях, тем выше спрос на литиевые батареи. В прошлом году в потребительские товары было вложено около 45 ГВтч литиевых батарей. С точки зрения непрофессионала, если все батареи используются для питания Соединенного Королевства (среднее энергопотребление в стране составляет 34 ГВт), это может продолжаться около 1 часа 20 минут.

В том же году производство литиевых батарей для электромобилей достигло половины производства электроники: 25 ГВтч. Но SamJaffe, консультант по аккумуляторным батареям в CairnERA, ожидает, что спрос на автомобильные аккумуляторы превысит спрос на бытовую электронику уже в следующем году, что сделает его поворотным моментом для всей отрасли. Массовое расширение началось.

Японские компании Panasonic, южнокорейские LG Chemical и Samsung SDI, а также китайские компании BYD и Ningde, входящие в пятерку крупнейших мировых производителей литиевых батарей, наращивают капитальные затраты и, как ожидается, утроят объем производства к 2020 году. заводы, построенные в Неваде совместно с Panasonic, уже могут производить около 4 ГВтч в год. Tesla заявила, что к 2018 году у нее будет мощность 35 ГВтч. Всего четыре года назад этой мощности хватило для всех литиевых продуктов в мире.

Суперзаводы строятся не только для электромобилей. Услышав о регулировании энергоснабжения в Южной Австралии, основатель Tesla Илон Маск сказал премьер-министру страны в марте, что Tesla может предоставить достаточно емкости батареи к концу года, чтобы сеть никогда не прощалась.

На суперзаводе сейчас они пытаются втиснуть 129 МВт-ч мощности, чтобы сдержать обещание своего босса. Когда он будет установлен на другой стороне Тихого океана, он станет крупнейшим в мире на базе электрических сетей. Однако в будущем будет развернуто много подобных систем.

По мере того как сетевые операторы ищут способы сгладить прерывистые поставки солнечной и ветровой энергии, промышленные литиевые батареи становятся все более популярными - в частности, они соединяют вместе многие батареи, используемые в автомобилях, и регулируют их химические и электронные компоненты. Для поддержки более быстрой зарядки и разрядки.

Потребители, которые хотят быть независимыми от сети, могут покупать батареи меньшего размера или хранить собственное электричество для продажи в сеть днем или ночью, когда цена на электроэнергию самая высокая. Аккумуляторы стали неотъемлемой частью концепции будущего с низким уровнем выбросов.

Мировые производственные мощности стремительно растут

Основные принципы работы литиевых батарей легко понять. Когда аккумулятор заряжается до потенциала, ионы лития втягиваются глубоко в графитовый электрод. Во время использования эти ионы лития возвращаются к более сложному электроду, катоду, состоящему из соединения лития и других металлов через жидкий электролит.

С другой стороны, основная операционная модель аккумуляторного бизнеса очень непрозрачна, главным образом потому, что поставщики уделяют слишком много внимания секретности и непредсказуемой экономической ситуации азиатских гигантов, которые являются лидерами рынка.

Ситуация последних нескольких лет показывает, что все крупные производители увеличивают производственные мощности, отчасти потому, что это может снизить удельные затраты. В качестве основного компонента батареи литиевые батареи стоили более 1000 долларов за киловатт-час в 2010 году, а в прошлом году упали до 130-200 долларов. GM сообщила, что, когда компания приобрела аккумуляторную батарею на 60 кВтч для Bolt, цена, уплаченная LG Chem, составляла 145 долларов за кВтч (стоимость аккумуляторной батареи была выше, чем стоимость батареи из-за трудозатрат, материалов и электронных компонентов).

Tesla заявила, что цена на батарею Model 3 дешевле. Низкая стоимость - не единственное улучшение. Большой объем инвестиций в исследования и разработки позволил достичь более высокой плотности энергии (увеличенная емкость на килограмм) и большей долговечности (увеличенные циклы зарядки и разрядки). Гарантия на аккумуляторные батареи Bolt составляет 8 лет.

Но таким образом снижение цен может не только производить более дешевые и качественные батареи, но и привести к значительному избытку мощности. По оценкам CairnERA в прошлом году, емкость литиевых батарей на треть превышает спрос. И агентство, и BNEF заявили, что на каждую произведенную автомобильную батарею производители аккумуляторов либо теряют деньги, либо могут получить лишь небольшую прибыль.

Несмотря на избыток предложения, все они планируют продолжить расширение, отчасти для дальнейшего снижения затрат. Джефф объяснил, что такое мышление относится к «традиционной модели азиатских гигантов»: в обмен на размер прибыли в обмен на долю рынка.

Это кажется хорошей стратегией, поскольку будущее электромобилей светлое. Но сейчас это кажется немного нервным. Хотя Джефф считает, что рост спроса на электромобили и складские помещения может поддержать это быстрое расширение, теперь он также считает, что «это похоже на золотую лихорадку без золота».

Но в нем есть и другие ценные металлы. Чтобы производить больше батарей, вам нужно больше лития, а также множества других металлов, включая кобальт, используемый для изготовления катодов. На эти металлы приходится около 60% стоимости аккумуляторов. Для производителей аккумуляторов обеспечение бесперебойной поставки этих материалов так же важно, как и владение электрохимической технологией.

С 2015 года Саймон Мур из консалтинговой фирмы BenchmarkMineralIntelligence заявил, что цены на литий выросли втрое, цены на кобальт - вдвое, а цены на никельсодержащие химические вещества, используемые в катодах, также выросли.

Морс сказал, что найти новый источник лития несложно. Мировые запасы лития составляют не менее 210 миллионов тонн, а текущая годовая добыча составляет всего 180 000 тонн. Новый литиевый рудник постепенно добывается. Чилийская SQM, крупнейший в мире производитель лития, объявила в июле, что инвестирует 110 миллионов долларов в Западную Австралию для создания совместного предприятия по производству лития.

С кобальтом дело обстоит еще сложнее. Не только поставки скудные, но многие из Демократической Республики Конго. В этом регионе есть как этические проблемы (необходимость полагаться на детский труд), так и проблемы бизнеса (никто не хочет полагаться на полевых командиров в поисках важных ресурсов). LG Chem заявила, что компания пытается уменьшить количество кобальта, используемого в батарее, продолжая повышать производительность. В будущем переработка этого металла из использованных аккумуляторов повысит устойчивость всей отрасли.

Одна из причин, по которой производители по-прежнему уверенно наращивают свои производственные мощности перед лицом роста цен на сырье, заключается в том, что у литиевых батарей в настоящее время мало конкурентов. Часто существуют и другие аккумуляторные технологии, которые претендуют на большее преимущество в принципе, но никакая технология не может превратиться из простой идеи в доминирующую технологию, такую как литиевая батарея, за десятилетия развития. Весь процесс породил ряд дополнительных технологий, включая тонкое производство, выбор электролита и даже более сложные нанотехнологии с металлическими катодами.

Кайнан · саксин, глава CaMX Power, поставщика катодных материалов в США, сказал, что стоимость и вес литиевых батарей, количество повторных циклов, долговечность и безопасность достигаются за счет бесчисленных корректировок, а не в одночасье.

Он сравнивает химию батарей с процессом открытия лекарств в фармацевтической промышленности. «Это действительно сложно. Что бы вы ни хотели делать в масштабе, вы должны смириться с побочными эффектами», - сказал он. Потенциальному узурпатору трудно подражать этому. В обозримом будущем прогрессивная технология литиевых батарей - возможно, с использованием новых твердотельных электродов - будет по-прежнему лидировать и извлекать выгоду из непрерывного увеличения числа поддерживаемых ею приложений.

До сих пор наиболее распространенной является цилиндрическая батарея 18650. Его длина составляет около 65 мм, диаметр - 18 мм, а плотность энергии составляет около 250 Втч на килограмм. (Для сравнения, удельная энергия бензина примерно в 50 раз выше, но аккумулятор может хранить в сотни раз больше энергии.)

Tesla и Panasonic в настоящее время разрабатывают 2170 ядер, которые немного длиннее и шире, чем 1,8650. По словам Маска, это будет самая плотная батарея на рынке. Компания заявила, что стоимость вождения Model 3, поставленной в конце июля, была вдвое меньше, чем у любой предыдущей модели. При запуске автомобиля заявление Маска о том, что он сможет произвести 500 000 автомобилей в следующем году, внушило благоговение. «Добро пожаловать в производственный ад», - сказал он сборщику.

7 августа Tesla объявила, что выпустит облигаций на сумму 1,5 млрд долларов для поддержки плана расширения компании, что даст фондовому рынку столь необходимую передышку - часто финансируемую фондовой биржей - и цена ее акций выросла на две трети. За прошедший год.

Компания заявила, что получила 455 000 предпродажных заказов на Model3, что принесет достаточно денег, чтобы поддержать ее финансы до конца года. Если все пойдет по плану, Маск надеется, что суперзавод станет самым большим зданием в мире с мощностью 100 ГВтч в год. Компания также могла бы построить суперсилы в другом месте, а следующая могла бы быть в Китае.

Все это говорит о процветании электромобилей. Нет сомнений в том, что эти продукты становятся все лучше и дешевле. Но есть и другие факторы, ограничивающие его практичность, в первую очередь зарядка. В Великобритании у 43% автовладельцев нет придорожной парковки, поэтому они не могут подзарядить свои автомобили дома. Используя зарядное устройство на 11 кВт для зарядки аккумулятора 90 кВт в течение 6 часов, можно сжечь предохранитель.

Станции быстрой зарядки - это своего рода заправка. Некоторые автомобильные компании начали строить такие объекты, чтобы облегчить «беспокойство о пробеге», характерное для владельцев электромобилей. Но еще неизвестно, поддержит ли скорость расширения таких предприятий амбиции отрасли.

Неуверенность в темпах роста использования электромобилей делает хранение аккумуляторов привлекательным вариантом для производителей аккумуляторов. Компания San Diego Gas and Electricity Company (SDGE) недавно построила такой объект на парковке на окраине Сан-Диего не так блестяще, как запуск новой машины. На самом деле это автомобильный аккумулятор, замаскированный под трейлерный парк, с 384 000 ядер. Это, наверное, самые унылые Трансформеры на свете.

Но SDGECOO Кэролайн Винн сказала, что обыденность - это ее очарование. Целью этого объекта является обеспечение электроэнергией при пиковом потреблении электроэнергии. Благодаря модульному зданию этот объект мощностью 120 МВтч - объект немного меньше, чем компания Tesla обязуется построить в Южной Австралии - занял всего восемь месяцев от строительства до ввода в эксплуатацию. Его шум очень мал и почти не слышен.

Если та же работа будет вестись с помощью газовых турбин, стоимость может быть снижена, но это займет несколько лет и получить согласие местных жителей невозможно. По словам Винна, аккумулятор «намного красивее, чем газовая турбина».

Абсолютный источник энергии.

Для Tesla и других производителей аккумуляторов сетевое хранилище является наиболее привлекательной частью рынка электроэнергии, поскольку в противном случае используется избыточная мощность. Кроме того, самостоятельные системы хранения также могут увеличить потребность в батареях. Tesla вышла на рынок через домашние аккумуляторы Powerwall, надеясь дополнить солнечные панели компании.

Nissan также изучает собственный рынок систем хранения. Компания работала с Eaton, американской компанией по управлению электроэнергией, чтобы поставлять использованные батареи Leaf компаниям и фабрикам в качестве резервных источников питания для замены дизельных генераторов. Их первым крупным заказчиком был стадион «Амстердам», домашний стадион футбольного клуба «Аякс».

Такие системы могут быть не очень конкурентоспособными с точки зрения цены, но правительство будет предоставлять им различные субсидии. В мае регулирующие органы штата Нью-Йорк предоставили коммунальной компании ConEdison право устанавливать батареи в Бруклине и Квинсе для электроснабжения сети.

Энергосистема Нью-Йорка пришла в упадок, начиная с эпохи Джорджа Вестингауза и Николы Теслы более века назад. В настоящее время предпринимаются усилия по освоению большего количества возобновляемых источников энергии в качестве источника электроэнергии, а хранилища энергии предлагают новые способы удовлетворения пикового спроса на электроэнергию. Официальный представитель министерства энергетики штата Джейсон Долинг сказал, что проект идеально подходит для установки в высотных зданиях, которые могут питать лифт в утренние и вечерние часы.

Но пожарные службы Нью-Йорка по-прежнему обеспокоены тем, что литиевые батареи в зданиях могут вызвать возгорание. Прошлогодний Samsung Galaxy Note 7 "Bomb Door" заставил мир понять, что, если литиевая батарея не спроектирована должным образом, она сгорит из-за короткого замыкания. Но в целом новые материалы и керамические покрытия электродов сделали автомобильные аккумуляторы очень безопасными.

Помимо соображений безопасности, компании, устанавливающие собственные системы хранения энергии, заявляют, что им мешают устаревшие нормативные требования и проблемы со страхованием. Анил Сривастава, глава швейцарского производителя аккумуляторов Leclanché, сказал, что это ограничивает их возможности для получения средств. Им также необходимо найти способы сделать накопление энергии целесообразным.

Иногда это почти единственное нормативное решение (как в Сан-Диего): коммунальный совет Калифорнии беспокоился о отключении электроэнергии в Лос-Анджелесе после утечки бака Aliso Canon в 2015 году. Когда цена является основной целью, батарея ищет более одной услуги для предоставления пользователю. Эта программа называется «наложение доходов». Например, система может не только обеспечивать электропитание сети для краткосрочного регулирования частоты, но также служить ответом на пиковое потребление.

Это может показаться сложным, но поиск нескольких способов продать одну и ту же вещь - неизбежная тенденция в индустрии аккумуляторов, так же как она настраивает разные продукты для разных рынков и разных сфер использования. Хотя сегодняшний бум может показаться пугающим, в долгосрочной перспективе отрасль, похоже, движется к лучшему.

Страница содержит содержимое машинного перевода.