Lithium-iontové baterie se zatím ani zdaleka nechystají opustit svou pozici jedničky mezi bateriemi. Ale díky zájmu o ukládání elektřiny „lionkám“ roste konkurence. Například v oboru velkých, stacionárních baterií řada odborníků vidí potenciál v tzv. redoxních průtočných bateriích.
Na úspěch těchto „sudových“ baterií sází mimo jiné i začínající český start-up Pinflow, kterou po několika letech existence v květnu začíná nabírat první zaměstnance. Firmu založili chemičtí inženýři Jaromír Pocedič, Jiří Vrána, Petr Mazúr, Jan Dundálek a Juraj Kosek, kteří se domnívají, že s vylepšeními – částečně i z jejich dílny a na základě licence z výzkumného centra NTC při ZČU – průtočné baterie mohou časem „lionky“ překonat výkonem i cenou. Jak a proč by se to mohlo stát, vysvětluje Jiří Vrána.
Jak průtočné baterie fungují a proč vám přišly tak slibné?
Průtočné baterie, a ty vanadové nejsou výjimkou, umožňují od sebe oddělit kapacitu baterie a její výkon. Výkon se vytváří v elektrochemickém reaktoru, tedy bateriovém svazku. A kapacita je dána jednoduše objemem dvojicí elektrolytů, které jsou v nádržích. To znamená, že baterii je možné zvětšovat podle potřeby přímo na místě, kde stojí. Elektrolyt je na vodné bázi a celé řešení je nehořlavé, nevýbušné, elektrolyt je prakticky nesmrtelný. Ve výsledku je tak baterie velmi trvanlivá. Délka životnosti by měla přesáhnout čtvrtstoletí.
A nejsou omezeny počtem cyklů, tedy tím, kolikrát se mohou nabít nebo vybít?
Tady zabrousím trochu do podrobností. Redoxní baterie se od konvenčních liší v tom, že reakce v nich probíhají pouze na povrchu elektrody. U lithium-iontových i dalších konvenčních baterií dochází k chemickým změnám uvnitř, v těle elektrody. Kvůli tomu se její vlastnosti zhoršují, doslova se trhá a kapacita klesá. To se v našem případě neděje, takže elektrody mají vysokou životnost. Mohou se několikrát denně nabíjet a vybíjet po dlouhé roky.
A co až nakonec doslouží?
Jednoduchá by měla být i recyklace celé baterie – konstrukční části jsou z recyklovatelných plastů, oceli a hliníku. Elektrolyt se dá znovu použít v jiné baterii nebo z něj může získat oxid vanadičný, který se používá jako legovací přísada ve výrobě oceli.
Jak jste se k práci na vanadových bateriích dostali a proč jste si je vybrali?
S nápadem přišel zhruba před osmi lety, ještě v době, kdy jsme byli studenty, profesor Juraj Kosek z pražské VŠCHT. Hledal tehdy aktuální problém, který by chemičtí inženýři mohli řešit. V té době se začal rozvíjet trh s obnovitelnými zdroji, ale bylo jasné, že jejich nasazení by bylo mnohem účinnější společně s nějakým systémem na ukládání energie. A že by se mělo jednat pokud možno o nějaké jiné řešení než lithiové baterie.
Jako nejvýhodnější se nám podle naší analýzy ukázaly průtočné baterie – a mezi nimi zase vanadové, které mají řadu výhod. Hlavní je to, že jde o systém s dlouhou životností, i proto, že na obou stranách baterie jsou stejné elektrolyty, a tak nedochází ke kontaminaci a zhoršování vlastností baterie. Tehdy také bylo jasné, že vanadové baterie mají stále ještě velký potenciál. Lithiové baterie proti nim byly výrazně pokročilejší a vyvinutější technologie.
Tušili jste od začátku, které části systému se budete věnovat, v čem chcete systém vylepšit?
Když jsme s vývojem začínali, baterie ještě nebyly tak masivně zapojovány jako v dnešních dnech. Bylo ale zřejmé, že bez stacionárních úložišť nebude možné navyšovat neustále podíl obnovitelných zdrojů v energetickém mixu. Zdálo se nám, že jako chemičtí inženýři bychom měli k řešení problému přispět.
Zvolili jsme si pro další rozvoj redoxní průtočné baterie, které byly v té době na přelomu laboratorního výzkumu a prvních aplikací. Líbil se nám jejich potenciál v oblasti ukládání energie ve větším měřítku. Oproti jiným bateriovým technologiím nám také přišly průtočné baterie jako pro nás poměrně dobře srozumitelný systém. Bateriový svazek, tedy ta část, kde se vytváří výkon baterie, je v podstatě průtočný chemický reaktor.
Začínali jsme v malém, vylepšováním vnitřních částí právě bateriového svazku. Začali jsme prototypovat první malé články, na kterých jsme experimentovali. Věnovali jsme se přípravě elektrolytu, vylepšení vlastností elektrod a rozvodu elektrolytu. Po několika letech jsme pak zkonstruovali první větší bateriové svazky.
A co jste za tu dobu jste vy jako Pinflow dokázali vylepšit?
Největší pokrok je v bateriovém svazku, který má vyšší proudové hustoty – zcela laicky řečeno, naše baterie při stejných rozměrech vyvine větší výkon při zachování účinnosti. Je to možné díky tomu, že jsme vyvinuli systém s velmi malým vnitřním odporem, kde jsme využili nové membránové materiály a podařilo se nám i vhodně upravit povrch elektrod a design rozvodu elektrolytů.
Jak vypadají elektrody takové baterie?
Vyrábí se z grafitizované plsti široké několik milimetrů. Elektrolyt protéká skrz tuto plstěnou strukturu a reakce v podstatě probíhá na každém vlákně této uhlíkové plsti. Plocha elektrody tedy není dána pouze obdélníkovým rozměrem elektrody, ale v úvahu musí být brána i vnitřní struktura v plsti. Pouhý gram uhlíkové plsti má plochu typicky kolem 0,5 m².
Přejděme ke konkurenci. Jak chcete „lionky“ porazit, kdy mají na své straně tu hlavní a rozhodující výhodu – nižší cenu?
Ne vždy, v některých případech už dnes mohou vanadové baterie být levnější.
V kterých případech?
Jedná se o opravdu velké systémy s výkonem desítek megawattů. Cena je vždy závislá na velikosti baterie. I velké instalace bateriových úložišť na bázi lithia jsou vždy složeny z jednotlivých malých článků, které mají svou elektroniku, cena systému v závislosti na kapacitě roste prakticky lineárně. V případě průtočných baterií nárůst ceny zvolňuje s velikostí systému, protože systém je technologicky jednodušší. Od určité velikosti můžou být průtočné baterie levnější.
Ve velkém měřítku, řekněme od desítek megawattů výše může být navíc plocha bateriemi zastavěná menší než u systémů na bázi lithia. Z požárního hlediska jsou totiž vanadové baterie bezpečnější, a tak zjednodušeně řečeno mezi nimi nemusí být rozestupy. Redoxní baterie přitom ještě mohou výrazně zlevňovat. Neprojevují se u nich úspory z rozsahu, tedy z výroby ve velkých objemech, které v posledních letech zlevňují lithiové baterie.
Z toho všeho plyne, že tento typ baterií v elektromobilech těžko bude…
Vanadové baterie jsou opravdu vhodné spíše pro stacionární užití: na objem se v nich nedá skladovat tolik energie. Ovšem velkou výhodou vanadových baterií je škálovatelnost. A tak i my míříme na širokou škálu aplikací od malých, cca pětikilowattových systémů jako zálohy třeba telekomunikačních zařízení, jako jsou věže pro mobilní vysílání, nebo i jako záložní systém k bytovému domu až po velké energetické systémy s kapacitou v řádu megawatthodin.
Ale ať má systém jakýkoliv výkon, obecně platí, že u průtokových baterií je výhodnější stavět baterie, které mají vysoký poměr mezi výkonem a celkovou v nich uskladněnou energií. Jinak řečeno, je lepší stavět baterie, které vydrží v provozu několik hodin na maximální výkon. Zhruba od pěti hodin výše, tedy výkon: kapacita 1:5 nebo i víc.
To jsou plány do budoucna. Co můžete reálně nabídnout teď?
Pinflow má z našeho pohledu tři pilíře. Za prvé prodáváme zařízení do laboratoří na experimenty s materiály do průtočných baterií. To pro nás jako výzkumníky byl takový přirozený přechod k byznysu. Řadu těchto systémů sami používáme, navíc jsou průtokové baterie docela velké výzkumné téma, systémy si chce „osahat“ a experimentovat s nim řada laboratoří, takže je poměrně velká poptávka. To je to, co teď tedy reálně prodáváme. Už jsme po celém světě instalovali asi 70 takových systémů.
A ty další „pilíře“?
Pak jsme aktivní i ve výzkumu – jsme tedy stále výzkumná laboratoř, byť pod svou značkou, ne značkou univerzity. Účastníme se třeba evropských vývojových projektů HIGREEW a HYFLOW, konkrétně právě tématům kolem vylepšení průtočných baterií. Třetí pilíř je start-upová linie výroby vanadových redoxních průtočných baterií. Zatím jsme postavili několik systémů s výkonem jednotlivých modulů 5 kilowattů.
Jak vypadají?
Jsou to takové velké „skříně“, zhruba s necelými dvěma metry na výšku, metr hluboké a dva metry široké. Kapacita je 30 kilowatthodin, uvnitř jsou až dva stejnosměrné svazky s napětím 48 V. Vyvíjíme i větší systémy, o výkonu řádově desítek kilowatt, které vlastně budou skládačka z těch vyzkoušených pětikilowattových modulů. Pro nás se zkušenostmi hlavně z laboratoře to byla nová záležitost, design nám zabral dost času, ať už šlo o potrubí, nádrže nebo konstrukční prvky nebo vývoj v průmyslových standardech.
Takže už je chystáte, nebo přímo stavíte?
Teď finalizujeme baterii napájenou z obnovitelného zdroje o výkonu 15 kW a kapacitě 70 kWh, která by mohla provádět dva až tři cykly denně. A máme několik další želízek v ohni, znovu jde o systémy s výkonem v řádu nižších desítek kW a vybíjecím časem kolem pěti hodin. Zatím to ovšem šlo pomalu, i proto, že nestíháme plnit zakázky na laboratorní moduly. Od května ale nabíráme první tři zaměstnance z přidružených technických oborů, tak se to snad více rozjede.
Jaká je cena a energetická hustota takových baterií?
Cena závisí na celkové velikosti systému. U malých systémů (5kW/30kWh) v aktuální fázi výroby vychází přibližně na 1100 EUR/kWh včetně výkonové elektroniky. U velkých systémů (měřítko MWh) cena klesá asi na 500 EUR/kWh. V 50 litrech elektrolytu uložíme 1kWh.
A dál?
U baterií s výkony řádově desítek kilowattů nemůžeme skončit, to je nám jasné. Musíme se s našimi úložišti dostat na úroveň desítek megawattů výkonu. Zatím se ale budeme držet všech tří pilířů: budeme dál rozšiřovat produktovou linii našich produktů pro výzkumníky. Také doufáme také, že se nám v rámci výzkumných projektů podaří další průlom v oblastech chemie elektrolytů pro průtočné baterie a zlepšení výkonové složky svazků. Obojí by totiž dost zásadně mohlo snížit cenu technologie.
My jsme to zatím moc nezmínili, ale vanadové baterie zatím nejsou nijak velký trh. Kdy odhadujete, že by se mohl trh s vanadovými redox bateriemi skutečně rozběhnout?
Situace už je na to podle nás z technického hlediska de facto zralá, ale samozřejmě bude chvíli trvat, než si zákazníci získají důvěru a budou ochotní ocenit výhody vanadových průtočných baterií. Podle nás bude zlomová chvíle, kdy se začne ukazovat problém s životností lithiových systémů. Ty mají sice spoustu jiných výhod, ale dlouhá životnost mezi nimi není. Navíc ani otázka recyklovatelnosti není z ekonomického pohledu zcela vyřešena. My jsme jako chemičtí inženýři přesvědčení, že dokážeme nabídnout systém cenově srovnatelný, ale s výrazně vyšší životností. A jsme přesvědčení, že zákazníci se nakonec nechají přesvědčit.
