На фона на ежедневно заливащите ни реклами на флагмански телефони и скъпи телевизори, един технологичен продукт сякаш остава малко встрани от вниманието, но всъщност има изключително значение за бъдещето на транспорта и стремежите за постигане на нулев въглероден отпечатък. Да, това са батериите на все по-популярните електрически автомобили. Благодарение на компании като Tesla, светът все по-бързо се опитва да замени енергията, добивана от изкопаеми горива с напълно екологично чисти технологии без емисии. Затова автомобилните (и не само) батерии се превръщат в жизненоважен инструмент за улесняване на енергийния преход.
Ключът към декарбонизирането на света и борбата с изменението на климата може би се крие в добиването на енергия от възобновяеми източници, което означава пълна електрификация на автомобили, жилищни и бизнес сгради и цели градове. Непрекъснато увеличаващото се използване на енергия, добивана от слънцето, вятъра, геотермални източници и въвеждането на супермодерни „нисковъглеродни“ технологии, е най-краткият път за преминаване към тотално зелена икономика. Забраната на двигателите с вътрешно горене и тоталното преминаване към EV (електрически коли) ще спомогне за спиране на глобалното затопляне – чрез елиминиране на парниковите емисии от околната среда.
Досещате ли се обаче, къде тук се крие и проблема? Поради нарастващото търсене на технологиите за чиста енергия – батерии за автомобили и всякакви устройства, вятърни турбини, слънчеви панели и др., отдавна има прогнози, че производството на важните за тях елементи и минерали (литий, кобалт и графит) ще се увеличи значително. Изработените от тях батерии днес се използват в какво ли не – от часовници, мобилни телефони, компютри и таблети, до електрически автомобили и дори… кораби и самолети! Литиево-йонните батерии са много по-леки спрямо традиционните, имат по-малки размери и са способни да задържат по-добре заряда си с течение на времето. И съвсем логично – търсенето им на големите автомобилни пазари в Европа и Съединените щати само за броени месеци нарасна драматично. Производителите на автомобили и батерии за тях се оказаха изправени пред период на несигурност във веригите си за доставки, като доста от тях се насочват към изграждането на свои собствени фабрики за батерии или формирането на съвместни компании, за да се справят с ограничените доставки.
Ето и какви са очакванията на анализаторите: само до 2030-а година търсенето на тези продукти да нарасне с около 30 процента, доближавайки 4500 гигаватчаса (GWh) годишно в световен мащаб, а стойността на произвежданите батерии се очаква да се увеличи до десет пъти между 2020 г. и 2030 г., за да достигне годишен приход от 410 милиарда долара за компаниите производители.
Литият е мек сребристо-бял алкален метал, който поради специфичните си особености е един от ключовите компоненти в EV батериите, заедно с никела и кобалта. При нормални температурни условия и налягане е най-лекият метал и най-лекият твърд елемент. Освен това подобно на всички алкални метали, той е силно реактивоспособен. Заради своето приложение в батериите и главоломно нарастващото търсене на електрически превозни средства, световните доставки на литий започват да се забавят и този елемент може да се превърне в „подводен камък“ застрашаващ новата посока на автомобилната индустрия. Поне засега обаче големите страни производители на литий (като Чили и Австралия) се радват на силно търсене, без да се притесняват от забавяния, каквито реално разтърсиха пазара на други природни суровини през последните месеци. И това е разбираемо: комплект литиево-йонни батерии за една електрическа кола съдържа около 8 килограма литий. Световното производство на елемента възлиза на 100 000 тона за миналата година, докато световните резерви възлизат на около 22 милиона тона, според данни на Геоложката служба на САЩ. Анализът на производството на литий на необходимото количество за батерия показва, че миналата година е бил добито количество от този елемент, достатъчно за да се направят малко под 11,4 милиона EV батерии. А това е ниво, което годишните покупки на електрически превозни средства може да се достигнат съвсем скоро – след като продажбите само за първото тримесечие на тази година нараснаха със 75% на годишна база, достигайки 2 милиона.
Използването на същия вид изчисление показва, че световните резерви са достатъчни за производството на малко под 2,5 милиарда батерии. Пътната карта на Международната агенция по енергетика за постигане на „нетна нула за вредни емисии до 2050 г.“ казва, че светът ще се нуждае от 2 милиарда електрически леки превозни средства с батерии, плъгин хибриди и горивни клетки по пътищата през 2050 година, за да постигне заложените цели.
В същото време глобалните покупки на електромобили скочиха до 6,6 милиона броя през 2021 г. (от едва 3 милиона година по-рано), което означава, че електромобилите вече съставляват 9% от глобалния пазар – според Международната агенция по енергетика. Прогнозите са продажбите на бензинови и дизелови автомобили да спаднат още по-бързо през следващото десетилетие, тъй като все повече страни обещават постепенно да ги премахнат. На миналогодишните преговори за климата – COP26, цели 30 правителства заявиха, че ще спрат продажбите на нови бензинови и дизелови модели до 2040 г.
Въпреки това, не целият литий в света може да влезе в EV батерии. Металът се използва и в батерии за множество други предмети, като лаптопи и мобилни телефони, както и за направата на самолети, влакове и велосипеди.
Преди повече от век електрическите двигатели замениха конските карети. Електрическата мобилност не е изобретена в 21 век; тя се възражда сега. Още през 1881 г., пет години преди Карл Бенц да патентова първия автомобил с двигател с вътрешно горене, френският изобретател и инженер Гюстав Труве демонстрира първото електрическо превозно средство. То развива дванадесет километра в час, но по-бързи модели го последват малко след това. През 1889 г. състезателна кола, задвижвана от батерии, е първото превозно средство в света, което надвишава 100 километра в час.
В началото на 20 век само в Съединените щати е имало над 60 000 автомобила, захранвани с батерии. Докато конете все още остават най-популярният вид транспорт, електрическите автомобили бързо нарастват по популярност. Тогава те имат пробег от осемдесет километра с пълна батерия, тихи са, движат се гладко и двигателят не трябва да се навива, за да стартира. Няколко модела имат електрическо вътрешно осветление, фарове и дори подово отопление. Бензиновите автомобили от друга страна изискват много усилия за шофиране, трябва да бъдат стартирани с ръчна манивела и произвеждат неприятен шум и изпарения.
През октомври 2022 г. стана ясно, че BMW ще инвестира 1 милиард долара в своята нова обширна фабрика близо до Спартанбърг, Южна Каролина, за да започне да произвежда електрически превозни средства, плюс допълнителни 700 милиона долара за изграждане на завод за електрически батерии наблизо. Съобщението на германския автомобилен гигант отразява неговия ангажимент за преминаване към производство на електрически превозни средства в Северна Америка, в съответствие с подобни амбициозни планове на други големи автомобилни производители.
В допълнение, BMW заяви, че е подписала сделка с Envision AESC от Япония за доставка на батерийни клетки нов клас за най-малко шест електрически SUV модела, които ще бъдат произведени в завода до 2030 г. Клетките от фабриката на Envision ще бъдат сглобени в батерийни пакети за електрическите коли. Сглобяването на клетки в пакети отнема много по-малко труд от производството на клетките. BMW твърди, че новите клетки ще съдържат химически формули, увеличаващи количеството енергия, което могат да съхраняват.
Съобщението на BMW следва няколко подобни анонса за нови заводи за сглобяване на батерии и електрически превозни средства в Северна Америка, докато автомобилните производители се опитват да създадат вътрешна верига доставки за следващото поколение е-превозни средства. Honda, Ford, General Motors, Toyota, Hyundai-Kia, Stellantis и VinFast обявиха планове за 11 американски завода за батерии, много от които със съвместни предприятия. В допълнение, Ford, GM, Hyundai-Kia и VinFast планират да изградят нови заводи за сглобяване на електрически превозни средства в САЩ или за преоборудване на по-стари заводи за работа с електромобили.
Днес електрическите коли изглеждат драстично по-различно спрямо своите някогашни горди предшественици. Но един ключов компонент се е запазил през десетилетията: тяхното сърце все още тупти с ритъма на батерията, захранваща автомобила. Батерията е устройство, което съхранява електрическа енергия, за да осигури захранване на електрическа система (електрическо превозно средство или система за съхранение на енергия). Самата енергия се съхранява в клетки, които са свързани една с друга в батерията.
За да осигурят достатъчна мощност, батериите изискват минимално ниво на напрежение, което една клетка не може да постигне. Следователно множество клетки са свързани последователно, за да увеличат напрежението. Някои дизайни използват клетки с малък капацитет. За да се постигне желаната енергия на батерията, клетките са свързани паралелно, за да се увеличи капацитетът им. Свързаните паралелно клетки осигуряват захранване, сякаш са една по-голяма и мощна клетка.
1. Ниските температури пречат на батериите да доставят пълната си мощност. Батериите работят най-добре в определен температурен диапазон, който е между 20°C и 25°C. Поддържането на правилната работна температура е от съществено значение.
2. Батериите губят част от наличната си мощност с течение на времето поради естествено износване. Производителите на електромобили трябва да се уверят, че тази загуба на мощност не оказва влияние върху изживяването при шофиране.
3. Батерийните клетки трябва да бъдат балансирани, за да предложат оптимална производителност, което означава, че всички те трябва да имат еднакво напрежение. Батерийните клетки се балансират отново по време на зареждане, но губят способността си да поддържат този баланс с напредване на живота си. В допълнение, бързите зареждания, които набират все по-голяма популярност, са предизвикателство за производителността на балансиране.
Батерийните пакети са направени от множество по-малки секции, наречени батерийни модули (или подпакети). Тези модули включват по-малък брой клетки, свързани последователно и паралелно. Те обикновено са с по-ниско напрежение, което е безопасно за работа. Модулите улесняват обслужването, когато само няколко клетки са дефектни и ако те могат да бъдат сменени без смяна на цялата батерия. EV батериите обикновено са направени от 4 до 40 модула, свързани последователно един към друг.
Ако бързото зареждане на батериите за автомобили се оказва проблем заради липсата на инфраструктура и локални мощности, то непрекъснато се предлагат и нови идеи за тази област. Например технологията за смяна на батерията на е-колата (вместо да зареждате и да чакате, сменяте изхабения си пакет с новозареден и продължавате) е иновация, която вече се използва в Китай, макар в Европа да разполагаме все още само с една такава станция южно от столицата на Норвегия. Целият процес отнема не повече от 5 минути, след което батерията е заменена с нова и напълно заредена. Идеята е, че това ще убеди да си купят е-автомобил всички онези, които се притесняват за пробега на този тип коли или просто не обичат да чакат. Така се елиминира и проблемът за деградацията на батерията с времето и броя заряди, защото винаги получавате добре заредена батерия с която автомобилът може да работи по-дълго. Станцията до столицата Осло извършва около 240 подобни замени на ден, като плановете предвиждат в страната да заработят още поне 20 такива.
Друг потенциален отговор на проблема с батериите е бизнес модел, при който клиентът купува колата, а взима… батерията под наем! Според китайската компания Nio, така не плащате най-скъпия елемент от самата кола – нейната батерия. Това намалява цената с до 10 000 долара за всеки нов електромобил. Вместо това, месечният абонамент за батерията ви може да бъде около 200 долара, но така винаги ще имате най-новата технология на разположение. Това ще позволи използването на по-малки и леки батерии, което на свой ред ще допринесе за по-висока ефективност на колата
Батериите все още са заобиколени от редица митове, като например това, че не могат да се рециклират. Всъщност те могат, но за момента няма голям пазар за рециклирането им. За разлика от двигателя, който няма втори живот, батерията може да се рециклира. Стандартното жилище със соларни панели на покрива се захранва от 10kW батерия, докато в една Tesla има 100kW батерия, така че тя може да захранва целия дом. Други се притесняват, че все още няма достатъчно зарядни станции, но истината е, че с популяризирането на е-колите, все повече големи автопроизводители разширяват и мрежите си от такива станции. Днес само в Съединените щати функционират над 45 000 станции.
Друга част от анализаторите поглеждат към технологията за бързо зареждане, като решение на сегашните недостатъци на батериите. На типичната е-кола отнема около 30 минути или дори повече за да се зареди от мощно DC бързо зарядно устройство. Наскоро обаче изследователи от Penn State University разкриха, че са разработили батерия, която може да се зарежда до около 70% капацитет само за около 10 минути. Технологията може да работи за всякакъв размер батерия, но може би най-голямата полза от нея е, че ще позволи на производителите на автомобили да продават електромобили с по-малки батерии, без това да предизвиква безпокойство у потребителите относно пробега. Колкото по-бързо може да се зарежда една батерия, толкова по-малка е нуждата от големи батерии с голям обхват, тъй като спирането за зареждане ще бъде не по-малко неудобство от сегашното наливане на бензин в бензиностанция. А по-малките батерии означават и по-евтини електромобили.
С новият подход могат да се използват много по-малко суровини и да се намалят огромно количество въглеродни емисии от производството на тези батерии. Компанията за технологии за батерии EC Power, която си сътрудничи с изследователите в проучването. изгражда фабрика в Пенсилвания, за да започне масово производство на батериите си. Тя споделя, че технологията ще бъде налична в търговската мрежа само след около две години. А всичко това може само да ни радва и показва, че напред се задават още по-вълнуващи времена за електромобилите и технологиите, призвани да ги превърнат в крайъгълен камък на устойчивото ни бъдеще. Нямаме търпение да ги видим!
Иво Цеков е журналист с дългогодишен опит в областта на технологиите с интереси, насочени към киберсигурността, устойчивото развитие и изкуствения интелект.
Завършил е специалност Международни отношения в СУ „Св. Кл. Охридски“, специализирал е в академични и изследователски центрове в Германия, Австрия, Словения и др.
