Matthias Vetter: vodík si schovejme pro letadla, v osobních autech nebude potřeba

Na tyto a další otázky jsme se zeptali Dr. Matthiase Vettera, ředitele oddělení skladování elektřiny na německém Fraunhoferově Institutu, který byl jedním z klíčových řečníků na podzimní konferenci Smart Energy Forum v Praze.

Nová energetika klade velký důraz na bateriová úložiště. Jak vidíte jejich uplatnění v porovnání s ostatními možnostmi uskladnění energie, zejména vodíkem nebo syntetickými palivy?

Při skladování energie potřebujeme několik typů úložišť. Velmi rychlá úložiště pro uchování energie v řádu minut nebo sekund jako jsou ultrakapacitory nebo setrvačníky, krátkodobá úložiště, která umí uchovat elektřinu z fotovoltaiky v rámci jednoho dne, pak potřebujeme střednědobé úložiště, jež uchová energii řekněme po dobu týdne nebo dvou. Pro střednědobá úložiště máme několik technologií jako vysokoteplotní baterie, průtočné baterie, stlačený vzduch, přečerpávací elektrárny. A samozřejmě potřebujeme dlouhodobé sezónní úložiště, kde lze uskladnit energii na dobu několika měsíců nebo od léta do zimy. Po takovou dobu neskladujeme elektřinu, takže pro tuto aplikaci baterie nejsou vhodné.

A pokud si uvědomíme, že v Německu v létě můžeme využít 6x víc elektřiny z fotovoltaiky než v zimě, a chceme dosáhnout 80% výroby elektřiny z OZE do roku 2050, je jasné, že budeme potřebovat sezónní úložiště a zde je celkem zajímavý vodík. Vede se u něj debata, jestli se elektřina uskladněná do vodíku musí znovu přeměňovat zpět na elektřinu nebo co dalšího se s ním dá dělat. Samozřejmě můžeme vyrábět metan a vytvořit tak obousměrné propojení elektrické a plynárenské soustavy, ovšem účinnost není moc vysoká. Další možností je výroba syntetických paliv pro letadla. Nabízí se i pro auta, ale tam je otázka, jestli se to vyplatí.

Když vidím, jak se vyvíjí elektrická auta, jejich ceny, ceny baterií a dojezdové vzdálenosti, kterých můžeme dosáhnout, pochybuji, že pro koncové zákazníky budou nutná vodíková auta. Možná pro nákladní auta nebo dálkové autobusy, ale vzhledem k tomu, co se všechno dá s vodíkem dělat, bychom ho měli směrovat především tam, kde nelze použít baterie, což je třeba letectví. Můžeme mluvit o elektrických nebo hybridních letadlech, ale pokud jde o 12hodinový let s Airbusem A380 ze střední Evropy do San Francisca jen na baterie, k tomu podle mě nedojde za mého života a možná nikdy. Pro letadla je potřeba použít jiný zdroj a zároveň musíme dekarbonizovat tento velmi rychle rostoucí segment dopravy.

Když se budeme bavit o bateriích samotných, jaká myslíte, že bude dominantní technologie řekněme v nejbližších 10 letech?

Myslím, že Li-Ion baterie jsou dnes velmi slibnou technologií. Rodinu lithiových baterií přitom tvoří široká škála technologií s různými materiály na anodě i na katodě, které nám umožňují vytvářet baterie s rozličnými vlastnostmi. Můžeme se tak zaměřit jak na časovou, tak na cyklickou životnost, na energetickou hustotu a další úpravy vzhledem k tomu, co daná aplikace opravdu vyžaduje.

Před třemi lety by každý řekl, že jediná budoucnost akumulace je Li-Ion, ale jelikož hrozí nedostatek lithiových článků, dostávají ostatní technologie druhou šanci v sektoru stacionárních baterií. Velké automobilky skupují lithiové články ve velkém a to jim umožňuje dosáhnout nižších cen. Na druhé straně malé a střední podniky, které vyrábějí stacionární úložiště a závisí na dodávce lithiových článků, se obávají, že v blízké budoucnosti nebudou k dostání články od kvalitních výrobců. Tato situace nás vede k uvažování o alternativách s nižší hustotou energie, která není u stacionárních baterií hlavním parametrem. Druhou šanci tak dostávají například průtočné baterie nebo baterie se sodným nebo zinkovým elektrolytem. Jejich vývoj stále pokračuje.

Li-Ion baterie se zároveň dále vyvíjejí, co se energetické hustoty týče, je to 45 % ročně. Takže Tesla v současnosti používá články, které mají energetickou hustotu více než 300 Wh na kilogram. Tato vlastnost je vykoupena nižší cyklickou životností, ale jak často u auta jako Tesla potřebujete během 10 let nabít auto z nuly na 100 procent? 700 – 800 ekvivalentů plných cyklů je zcela dostačující pro běžný provoz, což představuje nájezd 12 – 13 tisíc kilometrů ročně.

Mezi další evoluční vylepšení lithiových baterií patří články s křemíkem na anodách, nebo články s pevným elektrolytem (solid state), které umožňují zvyšovat energetickou hustotu baterií. Křemíkové anody mohou být na trhu kolem roku 2025 a baterie s pevným elektrolytem, které umožňují využití čistého lithia na anodě, nevidím dříve, než v roce 2030. To znamená, že do roku 2030 budeme muset vystačit s vylepšenými současnými Li-Ion články jak z hlediska kvality výroby, tak z hlediska vlastností a ceny.

Ale sektor dopravy si vyžádá tolik výrobních kapacit, že sektor stacionárních baterií se bude muset rozhlédnout po ostatních technologiích. Nebavíme se teď o malých domácích systémech, nebo o bateriích pro podpůrné služby, které musí mít vysoký výkon, ale stačí jim relativně malá kapacita. Ty budou dál běžet na Li-Ion. Mám na mysli velká úložiště v řádu megawatthodin pro napájení celé ulice, nárazové úložiště (buffer) pro rychlonabíjecí stanice, a nebo baterie pro izolované mikrosítě, kde je potřeba uložit elektřinu na několik dní a další aplikace, kde je nutná vysoká kapacita baterie.

Dr. Matthias Vetter na konferenci Smart Energy Forum v Praze

Hovoříte o bateriích s pevným elektrolytem („solid state“). Jako materiál anody se tam využívá čisté lithium?

Ano. Bez pevného elektrolytu by použití čistého lithia vedlo k vážným bezpečnostním problémům. Pevný elektrolyt je cestou k využití čistého lithia jako materiálu s nejvyšší specifickou kapacitou jako anodového materiálu.

Jaké jsou další výhody této technologie kromě vyšší energetické hustoty?

Od toho se ostatní výhody odvíjí. Vyšší energetická hustota znamená, že budeme potřebovat méně materiálu pro vyrobení baterie s určitou kapacitou. To znamená, že můžeme snížit váhu baterie a s ní i náklady na výrobu. Samozřejmě se bavíme o podmínkách, že se tato technologie bude masově vyrábět, ale nevidím žádný důvod, proč by tomu tak nemělo být.

Jak na tom budou nové lithiové technologie s materiály pro masovou výrobu? Zejména s lithiem, ale i třeba s kobaltem?

Dokud nebudeme mít křemíkové anody nebo baterie s pevným elektrolytem, bude kobalt v určité míře potřeba pro zachování energetické hustoty. Ale opět, pro stacionární úložiště lze použít takové chemie, kde energetická hustota není zásadní. Sem patří lithium-železo fosfát (LiFePo) nebo lithium-mangan oxid (LMO), mají nižší energetickou hustotu a jejich katody neobsahují kobalt.

Kobalt se týká hlavně baterií pro elektrická auta. Ta potřebují materiály s vysokou energetickou hustotou jako NMC (nikl, mangan, kobalt) a NCA (nikl, kobalt, hliník). Používání kobaltu je slabá stránka elektromobilů, ať už jde o jeho vzácnost nebo o způsob, jakým se získává.

A co ultrakapacitory? S boomem lithiových baterií se o nich příliš nemluví. Počítá se ještě s nimi?

Určitě ano. Používají se v hybridních řešení s baterií tam, kde je potřeba rychle vydat nebo naopak rychle akumulovat vysoký výkon. Hezký příklad je koncepce elektrických autobusů od Siemensu, která počítá s nabíjením jen v zastávkách. V nich autobus zastaví jen na pár vteřin, než lidé vystoupí a nastoupí. Nabíjení i pohon obstarávají ultrakapacitory a baterie jsou jen záloha. V Číně pak jezdí autobusy čistě na ultrakapacitory. S nimi mají dojezd třeba 5 kilometrů, ale protože vědí, že zastávky jsou od sebe nejdál 4 kilometry, mohou jezdit jen s ultrakapacitory, které lze často dobíjet.

Takže existují případy, kde jsou ultrakapacitory naprosto soběstačné. Je to tam, kde je potřeba poskytovat výkon v řádu sekund až minut. Pak se nemusí instalovat ultrakapacitory s vysokou kapacitou, stačí pár kilowatthodin. Dobře se to dá využít ve městě, ultrakapacitory mohou být uloženy na zastávkách, skladovat energii od brzdících tramvají a odtud ji poskytovat tramvajím, které se rozjíždějí.

Není fér porovnávat baterie a ultrakapacitory na základě kilowatthodin, měly by se porovnávat na základě výkonu, tedy kilowattů nebo megawattů. Pak nám může vyjít instalace ultrakapacitorů výhodněji, než instalace baterií.

Vypadá to, že v budoucnu budeme mít obrovské množství baterií z mnoha odvětví. Jak bude řešena jejich recyklace?

Dosud se recyklace zaměřovala hlavně na drahá aditiva jako nikl nebo kobalt. Baterie z notebooků nebo z mobilů obsahují příliš málo lithia, aby stálo za to stavět recyklační linku i pro tento materiál. Pro velké baterie z automobilů nebo u stacionárních úložišť je však recyklace lithia klíčová. V této oblasti se chystá řada projektů. Je po tom velká poptávka a není to raketová věda, předpokládám tedy, že se to podaří brzy dotáhnout do ekonomicky životaschopné podoby.

Jak probíhá recyklace fotovoltaických panelů na konci životnosti?

Jsou v současnosti v provozu nějaká zařízení na recyklaci lithiových baterií?

Ne ve velkém, jak jsem říkal, zatím jen pro aditiva. Ale aktivně se připravují, sám vím o několika pilotních projektech, které zkoumají postupy recyklace, aby mohly být použity ve větším měřítku. Vzhledem k současnému množství použitých baterií je to logické, žádná soukromá společnost nepostaví velkou továrnu a pak bude čekat pět let, aby měli dost materiálu. Takže se recyklace bude na trhu uplatňovat postupně s tím, jak bude přibývat opotřebovaných baterií.

O jak velkém trhu se bavíme? Německém, evropském nebo světovém?

Je jasné, že první instalace se objeví tam, kde bude velké množství vyřazených baterií. Takže to bude v první řadě v Evropě a v USA, následovat bude jihovýchodní Asie a samozřejmě Čína. V Číně se za poslední rok prodalo milion nových elektromobilů. Toto číslo před pár lety představovalo německý cíl pro celkový počet elektromobilů v Německu. V Číně toho dosáhli za jediný rok, takže je zřejmé, že tam brzy půjde velké množství použitých autobaterií na druhotné stacionární využití a poté na recyklaci. Jsem si tedy jistý, že i v Číně připravují recyklační kapacity.

Ale v Evropě taky. Zrovna probíhá hodnocení životního cyklu (LCA) nejen z ekonomického, ale taky z hlediska ekologické stopy. Recyklace baterií má vysokou prioritu.