Druhý život baterie (5/5)
Druhý život baterií, pro který se často používá anglický pojem „second life“, je dnes velmi diskutované téma. Je také posledním tématem naší školy baterií. S rostoucím množstvím bateriových aplikací ve světě roste požadavek na vyřešení otázky, co s trakčními bateriemi bude poté, co doslouží ve své původní aplikaci. Již se objevují první projekty na další využití vysloužilých baterií z vozidel. Pojďme se ale nejprve podívat na technologie baterií a jejich předpoklady k životu po životě.
OLOVĚNÉ A NIKLOVÉ BATERIE
Olověné baterie patří k nejstarším chemickým akumulačním zdrojům. Olověné baterie jsou známé již v 19. století a za jejich vynálezce se považuje Gaston Planté. Podle něj je dokonce označována kladná elektroda olověné baterie typu GroE. Konstrukce olověných baterií spočívá ve využití olova v elektrodách a jako elektrolyt slouží roztok kyseliny sírové (k tomu viz blíže v nápovědě k článkům zde).
Škála aplikací olověných baterií je velmi široká. Využívají se jako záložní baterie v UPS systémech, v elektrárnách, rozvodnách, jako startovací baterie v autech, palubní baterie v kolejových vozidlech, jako akumulační zdroje pro fotovoltaiku a také jako trakční baterie.
Pro druhotné použití nejsou olověné baterie vhodné. Degradace kapacity na konci životnosti je velmi prudká a další využití je tak nemožné. Dají se ale velmi dobře recyklovat a veškerý materiál ve starých olověných bateriích se využívá k výrobě nových. Olovo, i když toxický prvek, je velmi hodnotné a jeho cena se relativně stabilně drží na úrovni 1500 USD/t. Graf na obrázku č. 1 ukazuje vývoj cen olova na Londýnské burze.
Pokud tedy máte nějaké staré olověné baterie, neváhejte vyhledat nejbližší sběrnu druhotných surovin, protože za olověnou baterii jako odpad dostanete slušně zaplaceno.
Nikl kadmiové a nikl metal hydridové baterie jsou podobně jako olověné baterie plné kovů, které nejsou zrovna přívětivé pro lidské zdraví. Nikl ve větším množství je toxický prvek a v případě nikl kadmiových baterií jsou škodlivé účinky kadmia ještě horší – proto také bylo jejich použití v EU výrazně omezeno.
NiCd i MiMH ale mají tu výhodu, že přes 95 % materiálu se dá znovu získat recyklací pro výrobu nových baterií. A kde je najdeme? NiCd baterie se dnes používají v kolejových aplikacích jako palubní baterie zejména v oblastech s nižšími teplotami, které zvládají lépe než baterie olověné. NiMH baterie můžeme najít zejména jako tužkové dobíjecí baterie a v některé elektronice. Používají se ale také v elektromobilitě, zejména ve starších hybridních typech.
LITHIOVÉ BATERIE
Lithiových baterií je, na rozdíl od předchozích dvou typů, mnohem více samostatných druhů, které se liší svým chemickým složením. Přesto ale většina obsahuje vzácné chemické prvky, kterých není na světě dostatek. Proto je nalezení efektivní recyklace důležitým milníkem v cestě za elektrifikací nejen dopravy, ale i dalších oblastí lidského života. Již dnes si lze těžko představit život bez lithiových baterií. Naše mobilní telefony, naše počítače, svítilny a aku-nářadí a další zařízení, ty všechny používají lithiové baterie. Když do toho zahrneme elektrifikovanou dopravu, průmyslové aplikace typu manipulační prostředky, ale i bateriové úložiště, je tu velké množství baterií, které jednou čeká nutnost jejich ekologické likvidace. Do nedávné doby byla efektivní recyklace lithiových baterií hudba budoucnosti.
Až dosud totiž byly procesem recyklace získány spíše druhotné komponenty, např. měď z propojek článků nebo hliník z těl článků, ne však drahé a vzácné kovy, které jsou součástí samotné baterie.
Nyní přicházejí ke slovu zavedené komerční procesy, které dokáží z lithiových baterií dostat více než 80 % materiálu pro opětovné použití. Z recyklovaných baterií umějí získat i ty substance, které dříve získat nešlo. Jedná se o kobalt, magnesium, nikl i lithium. Příkladem je kanadská společnost Li-Cycle, která díky unikátní technologii zpracování článků a následného hydrometalurgického procesu dokáže získat k dalšímu použití 95 % materiálů z bateriových článků. Stejnou cestou jde i finská energetická společnost Fortum, která nejen že provozuje elektrárny včetně jaderné, ale nově se zaměřuje také na proces recyklace baterií, které již opravdu dosáhly konce své životnosti.
CO ALE DĚLAT S BATERIEMI, KTERÉ JEŠTĚ MOHOU SLOUŽIT?
Toto téma začíná být velice zajímavé. I když jsme prozatím v době, kdy se elektromobilita teprve rozvíjí, už dnes však začínáme řešit, co budeme dělat s bateriemi, které jsme v našich vozidlech vyměnili za nové.
Pro příklad využití vyřazených baterií nemusíme chodit daleko. Firma nano power používá ve svém provozu second life LTO bateriové úložiště o kapacitě 80 kWh (viz fotografie na obrázku č. 2), které bylo sestaveno z vyřazených baterií, které původně fungovaly v AGV robotech v továrnách Porsche. Toto bateriové úložiště je využíváno pro měření kapacit trakčních i jiných baterií. Energie je přelévána ze second life bateriového úložiště do další baterie a zpět. Při měření kapacity tak nemusí být baterie vybíjena zátěží, která je v podstatě výkonným topením, a energie tak přijde vniveč v teple vyprodukovaném při vybíjení. Po vybíjení pak nemusí firma nano power nakupovat energii ze sítě pro zpětné nabití baterie. Tento koncept nejenže šetří náklady, ale také chytře využívá baterie vyřazené z původní aplikace.
Dalším zajímavým konceptem nano power pro využití vyřazených baterií je nabíjení elektromobilů, elektrobusů a dalších elektrických vozidel.
Jak již bylo vícekrát řečeno, trakční baterie přestávají být efektivní pro použití na vozidlech po poklesu jejich kapacity na 80 % původní hodnoty. Zejména LTO baterie, které byly nasazeny v na výkon náročných aplikacích, však ještě předtím dosáhnou jiné obecně známé podmínky konce životnosti. Tou je dosažení 150 % původního vnitřního odporu, který pak výrazně omezuje vysoké výkony v řádech 8C ukazatele C-Rate, které LTO zvládne. (Připomeňme si: C-Rate, tedy koeficient proudové zatížitelnosti, udává rychlost nabíjení a vybíjení baterie. Pro praktické použití představuje poměr nabíjecího a vybíjecího výkonu baterie v kW a její kapacity v kWh.) Po mnoha letech provozu tak LTO baterie již není schopna dosahovat C-Rate o hodnotě 8C, stále však má dostatečnou kapacitu a hlavně cyklickou životnost pro aplikace, kde bude pravidelně nabíjena a vybíjena. Pro podporu nabíjení jako zdroj energie, např. pro zmírnění výkyvů ve spotřebě (tzv. peak shaving), kde baterie dodává chybějící příkon pro spotřebič – např. právě nabíjecí stanici pro elektrické vozy – je tak second life LTO ideálním řešením.
BUDOUCNOST SECOND LIFE APLIKACÍ
Jak již ukazují první vlaštovky projektů, které využívají již vyřazené baterie, nápadům v tomto oboru se meze nekladou. Blízká budoucnost slibuje možnosti výrazně vyššího využití trakčních baterií, které jsou již nepoužitelné pro pohon vozidel, v dalších neméně zajímavých projektech. Ať už to budou záložní zdroje, domácí bateriová úložiště, bateriové systémy pro podporu energetiky, či bateriové zdroje připomínající svou funkcí přečerpávací elektrárny, druhotné využití baterií je rozhodně oblastí, která slibuje další rozvoj akumulace elektrické energie v bateriích.
Studie společnosti Beryllls z roku 2018 na téma Trh produkce baterií zmiňuje potenciál růstu využití právě tzv. second life bateriových zdrojů. Z grafu na obrázku č. 3 si každý může udělat představu o očekávaných možnostech akumulované energie v podobě druhotných lithiových baterií.
Závěr
Tímto článkem končí naše krátká série článků Školy baterií. Doufám, že jsme Vám pomohli lépe porozumět základům volby správné baterie pro vaši aplikaci.
Zejména u elektrických silničních vozidel tvoří baterie velice významnou část pořizovacích nákladů. Proto je důležité již v okamžiku definování požadavků na zadávací dokumentace veřejných zakázek a výběrových řízení správně definovat klíčové vlastnosti, které konkrétní aplikace od baterie vyžaduje.
U kolejových vozidel je zase klíčovým prvkem životnost a platí čím déle, tím lépe, protože s častými výměnami bateriových zdrojů pro trakční pohon významně rostou servisní náklady.
Děkuji za čas, který jste věnovali čtení této rubriky!
František Šťastný