REPORTÁŽ: Česká 3D baterie s mocí změnit svět

Civilizace čeká na efektivní ukládání elektrické energie

Abychom vysvětlili důležitost 3D baterií firmy HE3DA, začněme zeširoka.

Jednou z největších brzd technologického rozvoje lidstva je v současnosti neschopnost efektivně skladovat elektrickou energii.

Neschopnost efektivně skladovat elektřinu se dotýká všech oblastí lidského života. Zářným příkladem jsou obnovitelné zdroje energie (především sluneční nebo větrná). Obnovitelné zdroje jsou šetrné k životnímu prostředí a vyrábí elektřinu prakticky zadarmo (nemluvíme o údržbě, opravách) - obnovitelné zdroje pohání matka příroda.

Problém je však časově nerovnoměrná výroba elektrické energie. Lapidárně řečeno, solární a větrné elektrárny vyrábí elektřinu, jen když svítí slunce a fouká vítr. Bohužel poptávka civilizace po elektřině se neřídí rozmary počasí nebo rotací Země.

S nerovnoměrnou výrobou elektrické energie z obnovitelných zdrojů se váže i otázka bezpečnosti. Pokud nezačneme řešit problémy s rozvodnou sítí, z důvodů možného nárazového přebytku elektrické energie z obnovitelných zdrojů, dojde časem ke kolapsu sítě - tzv. “blackout”. 

Ostatně z toho důvodu Česká republika na česko-německém pomezí staví speciální ochranné transformátory za dvě miliardy korun. Transformátory ochrání českou energetickou soustavu před hrozbou blackoutu kvůli náporům elektřiny z Německa. Za ten může hlavně překotné budování větrných elektráren na Baltu.

Avšak problém je i taková drobnost, jako je zatmění Slunce. V takovém případě může dojít k rapidnímu poklesu výroby ze solárních elektráren. Chybějící elektrická energie pak opět ohrožuje stabilitu rozvodné sítě.

V ideálním světě elektřinu z obnovitelných zdrojů uložíme a poté podle potřeby odebereme. Případně pomocí úložišť vyrovnáme nebezpečné rozdíly mezi nabídkou a poptávkou po elektrické energii.

Problém je tedy znám. Evropská unie plánuje vynaložit stovky až tisíce miliard euro (ano, stovky až tisíce miliard) na budování tzv. inteligentní sítě (smart grid). Jedná se o “chytrou” rozvodnou soustavu, která dokáže inteligentně vykrývat rozdíly mezi nabídkou (elektrárny všeho druhu a všech velikostí) a poptávkou (domácnosti, firmy, města, armáda, atd. atd.)

Pro budování chytrých sítí jsou však třeba systémy na ukládání elektrické energie, které fyzicky vyrovnájí rozdíly mezi nabídkou a poptávkou elektrické energie. Podle odhadů 20 % nákladů na budování "smat grid" půjde právě na úložiště elektrické energie.

Vždyť i monstrózní vodní dílo Dlouhé stráně v moravských Jeseníkách není nic jiného, než obří baterie mající za cíl vyrovnávat rozdíly mezi nabídkou a poptávkou po elektrické energii.

Přes určité nadějné technologie jsou velké lithium-iontové baterie (v řádu MWh) extrémně velké, těžké, složité a drahé. Nemluvě o postupném poklesu kapacity po určitém počtu nabití/vybití (po stovkách cyklů), neschopnosti rychlého nabití a vybití, nebo používání exotických a neekologických materiálů.

Dráha je nejen výroba klasických lithium-iontových baterií, ale také následná likvidace.

Baterie pro armádu

Problém se dotýká i vojenského světa. Ozbrojené síly Spojených států masivně investují do obnovitelných zdrojů elektrické energie. Důvodů je několik. V jižních oblastech Spojených států dopadá na metr čtvereční ročně dvakrát až třikrát více slunečního záření (intenzita a počet slunných dnů) než v České republice. Stejně velká (drahá) solární elektrárna tak za rok vyrobí až třikrát více elektrické energie.

Solární elektrárny navíc dávají vojenským základnám nezávislost na vnější rozvodné sítí. Při výstavbě stovek nebo tisíců obnovitelných zdrojů bude pro případného protivníka velmi obtížné odříznout Ozbrojené síly Spojených států od dodávek elektrické energie. Samozřejmě takový rozvoj je možný, jen pokud se technologicky vyřeší efektivní skladování elektrické energie.

Představte si situaci na předsunuté základně v Afghánistánu, kde o sluneční svit není nouze. Dvě nákladní auta přepraví dvojici ISO kontejnerů, které dříve z České republiky přepravilo dopravní letadlo KC-390. V jednom kontejneru je ukrytá obrovská baterie (nabitá již v ČR), v druhém pak solární panely a obslužná technika a elektronika.

Vojáci solární panely rozloží a napojí na kontejnerovou baterii. Přes den solární panely poskytnou elektrickou energii vojákům a zároveň dobíjí kontejnerovou baterii. V noci naopak zajistí dodávku elektrické energie baterie.

Výhoda? Například zásadní zjednodušeni logistiky - není třeba dodávat palivo pro generátory elektrické energie. Ozbrojené síly Spojených států vynakládaly v Afghánistánu za 1 litr pohonných hmot 2000 dolarů. V této ceně je započítána nejen výroba a doprava paliva, ale i obrovské náklady na bezpečný transport.

Výkonné a levné baterie však neovlivní jen obnovitelné zdroje elektrické energie, i když zde bude benefit zřejmě největší. Rovněž současná pozemní vojenská technika je čím dál více závislejší na velmi výkonných bateriích.

Primárním zdrojem elektrické energie ve vojenské technice je spalovací motor a generátor. Aby fungovaly všechny systémy vozidla (senzory, komunikace, zbraně) musí běžet motor, případně u moderních vozidel pomocná pohonná jednotka APU ( Auxiliary Power Unit ). Kradmé pozorování nebo vyčkávání je vzhledem k hlučnému a teplému (infračervené vyzařování) spalovacímu motoru rizikové.

Představte si situaci, kdy tank nebo bojové vozidlo pěchoty dokáže všechny své systémy (natáčení věže, senzory, ale i klimatizaci) pohánět z velké palubní baterie po několik hodin nebo desítek hodin. Žádný hluk, žádná tepelná stopa vozidla. Není třeba žádná jednotka APU, pouze dostatečně velká HE3DA baterie.

Dostáváme se k dalšímu obrovskému benefitu efektivního skladování elektrické energie. Výkonné baterie umožní vytvářet hybridní bojová vozidla (kombinující spalovací a elektrický motor) nebo čistě elektrická vozidla.

Nemusí jít ani o těžké konstrukční zásahy. Například menší elektrický motor, umístěný mezi spalovací motor a převodovku, dokáže pomáhat při rozjezdu nebo zrychlení vozidla. Výsledkem bude větší agilita vozidla a nižší spotřeba.

V případě nutnosti hybridní vozidlo ujede několik kilometrů pouze na elektrickou energii, například při kradmé jízdě do bojové zóny - tiše a s výrazně nižším tepelným vyzařováním.

Nemluvě o využití unikátních parametrů baterií HE3DA pro konstrukci laserových zbraní…

Tato lithium-iontová 1kWh baterie nastartovala obří americký automobil Lincoln. Finální produkt bude o 30 % menší. / Autor

Reálná baterie pro reálný svět

Výše uvedený výčet byl nástin jen zlomku možností využití efektivního skladování elektrické energie, a to samozřejmě se zaměřením na vojenský svět. Čtenáře jistě napadnou desítky dalších oblastí využití.

Při naší návštěvě jsme měli možnost se přesvědčit o kvalitách HE3DA baterie. Druhá generace vzorové průmyslové baterie o kapacitě 1 kWh (12 V) byla otestována k nastartováni automobilu. Navíc ne ledajakého, ale skutečného amerického korábu silnic ze 70. let minulého století.

Při startování ukázal počítač maximální hodnotu vybíjecího proudu baterie 225 A. Teplota baterie se prakticky nezvýšila. Podle vedení firmy přitom představená baterie zvládá vybíjecí proudy až 1200 A, bez jakékoliv známky poškození nebo výraznějšího nárůstu teploty. Pro současné lithium-iontové baterie nemyslitelné hodnoty.

Jednou z klíčových předností HE3DA baterie je odstranění problémů s přehříváním lithium-iontových baterií.

Například při zkratování baterie dojde k nárůstu teploty baterie pouze o 10 %. Baterii také prakticky nelze přebít. Provozní teplota akumulátoru je minimálně 80 °C - bezkonkurenční hodnota.

Nutno zdůraznit, že představená HE3DA baterie je počáteční technologická platforma. Firma HE3DA má reálnou funkční baterii, která již dnes překonává nejlepší výrobky na trhu. Na rozdíl od klasických lithium-iontových baterií je navíc prostor pro zlepšování u české HE3DA baterie obrovský.  Podle vedení firmy lze očekávat zmenšení představené 1 kWh baterie o 30 %.

Další výhody? Klasická olověná baterie vydrží okolo 600 nabíjecích/vybíjecích cyklů. HE3DA li-ion baterie 5000 cyklů. Po repase (výměně elektrolytu) pak dalších 5000 cyklů.

"Testovali jsme baterie Panasoniku, které se používají v proslulém elektromobilu Tesla a dali si za úkol je předčit ve všech parametrech", říká technický ředitel firmy, ing. Starý a pokračuje, " Celková váha po dokončení odlehčovacích prací může dosáhnout až na 180 W/kg hotové baterie i s battery management systémem, což je dvojnásobek dnešních nejlepších modulů na světě."

Převedeno do lidské řeči. Pokud elektromobil Tesla S využije HE3DA baterii, zvýší se dvojnásobně dojezd a dvojnásobně sníží cena vozidla.

Baterie spolehlivě pracuje minimálně do teploty 80°C. / HE3DA

Z laboratoře do průmyslové výroby

Podobných oslavných zpráv o “super” bateriích jsme slyšeli spoustu. V čem je to tentokrát jiné?

Problém všech podobě převratných technologických objevů je skutečnost, že jde o laboratorní technologie. Vyrobit výkonnou baterii “na koleně” v laboratoři bez časového diktátu je zcela něco jiného, než stejnou baterii vyrábět masově, rychle a cenově dostupně.

Průmyslová výroba vyžaduje masivní investice do nemovitostí, strojů a lidí. Je třeba zvládnout kompletní technologii výroby - od zajištění dodávek vstupních materiálů, po jejich skladování, opracování na strojích, kontrolu výroby, montáž, testy.

Je třeba zajistit marketingovou stránku věci - jednoduše dát lidem, firmám a světu vědět, že nějaká baterie existuje. Jde o milionové investice do reklamních a osvětových kampaní, cestování po světě, veletrhy, atd.

Další věcí jsou patenty a certifikace. Patentová ochrana zajistí, aby váš nápad nezkopíroval někdo jiný. Musíte získat certifikace o bezpečnosti vašeho produktu, zdravotní a ekologické nezávadnosti, deklarovaných technických parametrech, atd. Je třeba oslovit nezávislé zkušebny, které potvrdí parametry vašeho výrobku, aby vám potenciální zákazník věřil.

Vyrobit super baterii v laboratoři nebo ji průmyslově vyrábět je naprosto jiná dimenze.

HE3DA má prototypy výkonných baterií již několik let k dispozici. Firma se pyšní také rozsáhlou sbírkou certifikací a patentů v hodnotě miliony dolarů. Teprve nyní se však firmě daří přesvědčit investory k masivním investicím do průmyslové výroby baterií. 

Pro příklad si vezměme konkurenta české HE3DA - americkou firmu Tesla technického vizionáře Elona Muska. Tesla v Nevadě staví “Giga továrnu” na výrobu baterií v ceně 4 až 5 miliard dolarů. Ročně továrna vychrlí do světa baterie s úhrnnou kapacitou 500 MWh.

HE3DA s jednoduší výrobní technologií deklaruje produkci 1GWh ročně při vstupních nákladech pouze 50 milionů dolarů. První plány jsou ale poněkud skromnější, v první fázi chce HE3DA postavit výrobní linku s kapacitou 50 MWh ročně.

“Z hlediska technologické úrovně i obchodních cílů soutěžíme s absolutní světovou špičkou v oblasti technologicky nejvyspělejších akumulátorů. Otázkou je kdo bude dříve vyrábět? Tesla s velkým náskokem, nebo HE3DA s jednodušší technologií? Výsledek závisí do značné míry na tom, jak dopadne výběr investora,” dočteme se v tiskové zprávě HE3DA.

První sériově vyráběné HE3DA baterie snad uvidíme již v příštím roce. Ambice HE3DA přitom nejsou nikterak malé - stát se největším světovým výrobcem baterií a technologickým lídrem v oboru.

Laboratorní prototyp HE3DA baterie. / HE3DA

Unikum HE3DA baterie

Výhod je celá řada. Uveďme si ty nejzásadnější - univerzálnost použití, snadná konstrukce velkých baterií, bezpečnost, špičkové technické parametry, levná výroba i nízké počáteční náklady pro výrobu, nízké provozní náklady, potenciál dalšího rozvoje nebo recyklovatelnost.

“Zásadní je skutečná robustnost této technologie a neporovnatelně vyšší bezpečnost provozu baterie. Dále snižujeme množství balastu v bateriích, zjednodušujeme výrobu, baterie je 100% recyklovatelná a mnoho dalších. Vytvořili jsme vnitřní chladící okruh a používáme elektrolyt jako chladící médium, zatímco všichni ostatní mají externí chladící systém a většinou vzduch jako chladící médium. To má zásadní dopad na velikost baterií, množství použitých článků a samozřejmě na ovládací systém (Battery Management System),” vysvětluje největší výhody Jan Procházka, tvůrce technologie a majitel společností AMJTJ a HE3DA.

“Zatímco konkurence je limitována výrobou malých článků do velikosti, kterou jsou schopni uchladit, v našem případě můžeme postavit článek jakékoli velikosti. V praxi to potom má dramatické dopady. Jako příklad bych uvedl konkurenci, která pořebuje 45 000 článků k postavení baterie s kapacitou 1MWh. Pokud budou chtít postavit třeba 10MWh modul, již to činí téměř půl milionu malých článků propojenými BMS. HE3DA má pro stejnou kapacitu pouze 120 článků a pokud ji bude chtít 10x zvednout, zvětší velikost článku, nikoli jejich počet. Takto designované  HE3DA moduly mají až desetkrát menší velikost a obří úspory na Battery Management Systému,” dodává Procházka.

Důchovní otec projektu Jan Procházka. / HE3DA

Kdo má zájem o přelomový produkt?

Potenciál je obrovský. Podle majitelů je reálný pokles ceny 3D baterie pod magickou hranici 100 dolarů za kWh. Pokud se podaří sehnat investora, z firmy HE3DA se bez nadsázky může stát česká Nokie nebo české Apple.

Otázkou je, zda se začne vyrábět v České republice. Bohužel v České republice na podobné projekty není jednoduché získat peníze. Zájemci se proto ozývají ze zahraničí. Produkt firmy HE3DA zaujal i jednoho investora v Německu.

“Němci nám potvrdili, že celou sumu již mají připravenou s tím, že už mají dokonce stanovené datum zahájení výroby na listopad 2016, ale u nich doma, v Německu,“ uvedl Procházka. HE3DA však preferuje postavit továrnu v České republice.

„Je to všechno ještě otevřené, záleží, jak se s investory domluvíme, jde ale hlavně o to tu továrnu někde rozjet,“ uvedl k investičním výzvám Václav Binar ze společnosti Vabico, která vypracovala investiční memorandum.

Zdroj: HE3DA