Τα τελευταία χρόνια η παγκόσµια αγορά µπαταριών έχει παρουσιάσει αξιοσηµείωτη ανάπτυξη και, σύµφωνα µε τις προβλέψεις, φαίνεται ότι θα την διατηρήσει. Παράλληλα, η αυξανόµενη ζήτηση των υβριδικών, των ήπιων υβριδικών και των πλήρως ηλεκτρικών αυτοκινήτων αναµένεται να συµβάλλει στην ανοδική τάση.
Η χρήση των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων στα αυτοκίνητα είναι καθοριστικής σηµασίας για τη βελτίωση τριών παραµέτρων: της απόδοσης του κινητήρα, της βελτίωσης της κατανάλωσης καυσίµου και της µείωσης των εκποµπών ρύπων. Eιδικότερα, σχεδόν το 40% των εξαρτηµάτων σε ένα συµβατικό αυτοκίνητο µε κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι ηλεκτρονικά και αυτό το ποσοστό µπορεί να αυξηθεί έως και 75% σε υβριδικά και ηλεκτρικά οχήµατα. Αυτά αντιπροσωπεύουν περίπου το 25 – 30% του κόστους παραγωγής.
Οι εξελίξεις αυτές ώθησαν τη ζήτηση για προηγµένες µπαταρίες, µε αποτέλεσµα η αγορά της µπαταρίας τα τελευταία χρόνια, να βρίσκεται σε συνεχή ανάπτυξη.
Οι τεχνολογίες
Η παγκόσμια αγορά μπαταριών αυτοκινήτων έχει χωριστεί, βάσει του τύπου – της τεχνολογίας, σε μολύβδου – οξέος, Ni-MH και Li-Ion.
Οι µπαταρίες µολύβδου – οξέος χρησιµοποιούνται σε όλες τις εφαρµογές επιβατικών αυτοκινήτων, για λειτουργίες SLI (starting, lighting, ignition – εκκίνηση, φωτισµός, ανάφλεξη) ή για τροφοδοσία 12V, στο ηλεκτρικό σύστηµα ενός οχήµατος.
Στα επιβατικά αυτοκίνητα φορτίζονται με υγρό ηλεκτρολύτη και αποτελούνται από δευτερεύοντα κελιά, τα οποία είναι ικανά για αρκετές φορτίσεις και αποφορτίσεις. Οι συγκεκριμένες μπαταρίες έχουν σημειώσει σημαντικές εξελίξεις για να καλύψουν τις αυξανόμενες ηλεκτρικές απαιτήσεις των σύγχρονων αυτοκινήτων και την ανάγκη για αποδοτικότητα.
Αναπτύχθηκαν μπαταρίες απορροφητικού γυαλιού (AGM), όπου ο ηλεκτρολύτης συγκρατείται σε γυάλινες στρώσεις, αντί για πλάκες, που περιβάλλονται από ηλεκτρολύτη σε υγρή μορφή. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί λεπτές ίνες γυαλιού σε πλέγμα, ώστε να αυξήσει την επιφάνεια της πλάκας που έρχεται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Οι μπαταρίες αυτές έχουν το πλεονέκτημα της υψηλής ειδικής ισχύος και του ταχύτερου χρόνου φόρτισης. Χρησιμοποιούνται σε ήπια υβριδικά για συστήματα start-stop.
Η μπαταρία Ni-MH είναι μία αποδεδειγμένη και ώριμη τεχνολογία για υβριδικές εφαρμογές και χρησιμοποιείται ήδη στην αυτοκινητοβιομηχανία από εταιρείες, όπως Toyota, Honda και Lexus, μεταξύ άλλων, για τα υβριδικά μοντέλα τους.
Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων προτιμούν αυτές τις μπαταρίες για την ασφάλεια, την απόδοση και τον μεγαλύτερο κύκλο ζωής τους, σε υβριδικές εφαρμογές. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία αντιμετωπίζει έντονο ανταγωνισμό από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, λόγω της χαμηλότερης ενεργειακής πυκνότητας και της μικρότερης διάρκειας ζωής.
Συνολικά, στην αυτοκινητοβιομηχανία, οι μπαταρίες με μόλυβδο είναι οι πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενες, λόγω του χαμηλού κόστους υλικού, της ασφάλειας και της ανακυκλωσιμότητας. Ωστόσο, βασικό τους μειονέκτημα είναι η χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, που αποτελεί σημαντικό στοιχείο για τις υβριδικές εφαρμογές.
Οι µπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιµοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά οχήµατα και σε µερικά υβριδικά. Προσφέρουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για ηλεκτρικά οχήµατα, λόγω της υψηλής ισχύος και του ελάχιστου βάρους.
Η µπαταρία µολύβδου
Η μπαταρία μολύβδου – οξέος είναι η παλαιότερη επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Εφευρέθηκε από τον Γάλλο γιατρό Gaston Plante το 1859. Εκατόν εξήντα χρόνια αργότερα, δεν υπάρχουν ακόμη οικονομικές εναλλακτικές λύσεις για αυτοκίνητα, αναπηρικά αμαξίδια, σκούτερ, κλαρκ και συστήματα UPS.
Οι συγκεκριμένες μπαταρίες δεν προσφέρονται για γρήγορη φόρτιση. Ο τυπικός χρόνος φόρτισής τους είναι 8 έως 16 ώρες, ενώ πρέπει να διατηρούνται σε πλήρη φόρτιση για την αποτροπή της θειίκωσης. Αν η μπαταρία μείνει σε κατάσταση χαμηλής φόρτισης, προκαλείται θειίκωση και ενδέχεται να μην είναι δυνατή η επαναφόρτιση και η επαναχρησιμοποίηση.
Η εύρεση του ιδανικού ορίου τάσης φόρτισης είναι κρίσιμη. Η υψηλή τάση (άνω των 2,40 V / στοιχείο) θα έχει ως αποτέλεσμα καλή απόδοση μπαταρίας, αλλά μειώνει τη διάρκεια ζωής, λόγω διάβρωσης της θετικής πλάκας. Από την άλλη πλευρά, χαμηλή τάση σημαίνει θειίκωση στην αρνητική πλάκα.
Επιπλέον, οι μπαταρίες μολύβδου – οξέος δεν συμπαθούν αυτό που ονομάζουμε «βαθύ κύκλο» (deep cycling). Η πλήρης εκφόρτιση περιορίζει σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους. Ανάλογα με την εκφόρτιση και τη θερμοκρασία λειτουργίας, μία συμβατική μπαταρία μόλυβδου – οξέος παρέχει 200 έως 300 κύκλους εκφόρτισης / φόρτισης.
Η σχετικά μικρή διάρκεια ζωής τους οφείλεται κυρίως στη διάβρωση της θετικής πλάκας, την εξάντληση του ενεργού υλικού και την παραμόρφωση της θετικής πλάκας. Επίσης, η διάρκεια ζωής εξαρτάται εν μέρει από το πάχος των θετικών πλακών. Όσο πιο παχιά είναι η πλάκα, τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η διάρκεια. Κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση, μέρος του ενεργού υλικού καταλήγει ίζημα στον πυθμένα της μπαταρίας. Το βάρος της αποτελεί μία καλή ένδειξη του περιεχόμενου μολύβδου και του προσδόκιμου ζωής. Οι πλάκες των συμβατικών μπαταριών αυτοκινήτου σήμερα έχουν πάχος περίπου 1 mm, ενώ μία τυπική μπαταρία περονοφόρου ανυψωτικού μπορεί να έχει πλάκες που να ξεπερνούν τα 6 mm.
Η προσθήκη αντιμονίου στον μόλυβδο βελτιώνει τη διάρκεια ζωής της πλάκας, αλλά αυξάνει τη δημιουργία αερίων και την απώλεια νερού. Παράλληλα, η υψηλή περιεκτικότητα σε μόλυβδο καθιστά την μπαταρία εχθρική προς το περιβάλλον.
Από άποψη κόστους, οι μπαταρίες μολύβδου – οξέος είναι πιο οικονομικές, αν και το λειτουργικό κόστος μπορεί να είναι υψηλότερο από μία μπαταρία με νικέλιο, εάν απαιτούνται επαναλαμβανόμενοι πλήρεις κύκλοι.
Παρά το ότι έχει πολύ χαμηλή αναλογία ενέργειας προς βάρος και χαμηλή αναλογία ενέργειας προς όγκο, μία μπαταρία μολύβδου – οξέος μπορεί να δώσει μεγάλα ρεύματα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη σχετικά μεγάλη αναλογία ισχύος προς βάρος, γεγονός που την καθιστά κατάλληλη για χρήση σε οχήματα με θερμικό κινητήρα.
Εάν ρωτήσουμε σήμερα: Μπορεί η μπαταρία μολύβδου – οξέος να είναι ανταγωνιστική; Η απάντηση είναι ναι.
Κατά τα μέσα της δεκαετίας του 1970, οι ερευνητές ανέπτυξαν μία μπαταρία μολύβδου – οξέος που λειτουργεί σε οποιαδήποτε θέση. Ο υγρός ηλεκτρολύτης ζελατινοποιείται σε υγραμένους διαχωριστές και το περίβλημα σφραγίζεται. Οι βαλβίδες ασφαλείας επιτρέπουν τον εξαερισμό, κατά τη διάρκεια της αλλαγής φόρτισης, εκφόρτισης και της ατμοσφαιρικής πίεσης. Εξ αρχής υπήρξε μία προσπάθεια να κατασκευαστούν στεγανές – σφραγισμένες μπαταρίες μολύβδου – οξέος, χωρίς συντήρηση. Το μάρκετινγκ χρησιμοποίησε όρους, όπως SLA (sealed lead – acid), αν και καμία επαναφορτιζόμενη μπαταρία δεν μπορεί να σφραγιστεί πλήρως. Αργότερα χρησιμοποιήθηκε ο όρος VRLA – Valve regulated lead acid, που αποδίδει περισσότερο την πραγματικότητα.
Ωστόσο, με τον αυξημένο χρόνο εγγύησης των νέων οχημάτων υψηλής τεχνολογίας, οι μπαταρίες αυτές αντιμετωπίζουν μεγάλο ανταγωνισμό από εναλλακτικές τεχνολογίες αποθήκευσης.
Η τιμή τους, τα
τελευταία χρόνια, παρέμεινε σχετικά στάσιμη, σε σύγκριση με τις μπαταρίες νέας
τεχνολογίας.
Η αγορά μπαταριών μολύβδου – οξέος αυτοκινήτου δείχνει μία τέλεια δομή
ανταγωνισμού, μαζί με έναν μεγάλο αριθμό περιφερειακών και τοπικών παραγόντων
της αγοράς.
Ο τύπος αυτός διατήρησε µερίδιο αγοράς σε εφαρµογές, όπου οι νεότερες τεχνολογίες είναι αρκετά ακριβές.
Ένα επιπλέον πλεονέκτηµά τους είναι πως η αυτοεκφόρτιση είναι περίπου στο 40% ετησίως, όταν, για παράδειγµα, µία µπαταρία µε νικέλιο – κάδµιο εµφανίζει το ίδιο ποσοστό σε τρεις µήνες.
Η µπαταρία µολύβδου – οξέος αναµένεται να παρουσιάσει υψηλή ανάπτυξη, κυρίως λόγω της αύξησης των πωλήσεων των ήπιων υβριδικών.
Οι νέες τεχνολογίες
Οι τάσεις στην αυτοκινητοβιομηχανία δείχνουν ότι το επιβατικό αυτοκίνητο του μέλλοντος θα είναι πλήρως ή εν μέρει ηλεκτρικό. Από την επανέναρξη παραγωγής ηλεκτρικών οχημάτων, ο αριθμός τους έχει αυξηθεί επτά φορές και ο αριθμός των μοντέλων σχεδόν εννέα φορές. Το χρονοδιάγραμμα της μετάβασης, σε μεγάλο βαθμό, εξαρτάται από την εξέλιξη των μπαταριών.
Η παγκόσμια αγορά των μπαταριών αναμένεται να αυξηθεί από 14,08 δισεκατομμύρια δολάρια, που ήταν το 2016, σε 17,25 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2021.
Η αγορά µπαταριών Li-Ion, στην αυτοκινητοβιοµηχανία, έχει αξιοσηµείωτη άνοδο, µε τον όγκο της να αναµένεται να διπλασιαστεί έως το 2021, λόγω της παγκόσµιας αύξησης της παραγωγής ηλεκτρικών και plug-in υβριδικών οχηµάτων.
Έτσι, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φαίνεται να έχουν σημαντική επίδραση στην εξέλιξη των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Αν και πριν από μία δεκαετία ήταν μία ακριβή πρόταση, πλέον, η τιμή τους έχει σημειώσει σημαντική μείωση. Από 1.183 US $ ανά κιλοβατώρα το 2010, η τιμή μειώθηκε σχεδόν 10 φορές, στα 156 $ / kWh το 2019, σύμφωνα με τα στοιχεία του BloombergNEF.
Η μείωση των τιμών αφορά την εξέλιξη της τεχνολογίας στον τομέα της χημείας. Οι κατασκευαστές κατάφεραν να αλλάξουν τον σχεδιασμό των μπαταριών και να περιορίσουν τα ακριβά υλικά, όπως το κοβάλτιο, ενώ παράλληλα εξέλιξαν την τεχνολογία παραγωγής.
Οι τιμές για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου επηρεάζονται από τις τιμές των στοιχείων τους (λίθιο, νικέλιο, κοβάλτιο και αλουμίνιο), αλλά σε μικρό βαθμό. Έτσι, μία αύξηση της τάξης του 50% στις τιμές του λιθίου θα ανεβάσει, για παράδειγμα, την τιμή της μπαταρίας νικελίου – μαγγανίου – κοβαλτίου (NMC) 811 κατά λιγότερο από 4%. Ομοίως, ο διπλασιασμός των τιμών του κοβαλτίου θα είχε ως αποτέλεσμα μία αύξηση κατά 3% στη συνολική τιμή της συσκευασίας.
Κομβικό έτος θεωρείται το 2024. Οι προβλέψεις δείχνουν πως το συμβολικό νούμερο των 100 $ / kWh θα έλθει το 2024, ενώ εκτιμάται ότι οι τιμές θα μειωθούν ακόμα περισσότερο, φτάνοντας περίπου στα 60 $ / kWh έως το 2030.
Ταυτόχρονα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αρχίσει να βελτιστοποιούνται σε τομείς όπως η ενεργειακή πυκνότητα και η ταχύτητα φόρτισης.
Η ανακύκλωση
Η ανακύκλωση των μπαταριών στοχεύει στη μείωση του αριθμού των αστικών στερεών απόβλητων που απορρίπτονται και στην ανάκτηση μετάλλων. Οι μπαταρίες περιέχουν έναν αριθμό βαρέων μετάλλων και τοξικών χημικών ουσιών και η απόρριψή τους έχει προκαλέσει ανησυχίες για τη μόλυνση του εδάφους και τη ρύπανση των υδάτων.
Οι περισσότεροι τύποι μπαταριών μπορούν να ανακυκλωθούν. Ωστόσο, ορισμένες μπαταρίες ανακυκλώνονται πιο εύκολα από άλλες, όπως για παράδειγμα αυτές του μολύβδου – οξέος, που τοποθετούνται στα αυτοκίνητα. Η ανακύκλωση γίνεται με άλεση, εξουδετέρωση του οξέος και διαχωρισμό των πολυμερών από τον μόλυβδο και ήδη ανακυκλώνονται σε ποσοστό που φτάνει το 90%.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, μεταξύ άλλων χρήσιμων μετάλλων υψηλής ποιότητας, περιέχουν χαλκό, αλουμίνιο, κοβάλτιο και νικέλιο, καθώς και σπάνιες γαίες. Για να αποφευχθεί η μελλοντική έλλειψη κοβαλτίου, νικελίου και λιθίου και για να προκύψει ένας βιώσιμος κύκλος ζωής αυτών των τεχνολογιών, απαιτούνται διαδικασίες ανακύκλωσης.
Η ανακύκλωση των μπαταριών θα παίξει σημαντικό ρόλο στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών από τους κατασκευαστές, καθώς οι απαιτήσεις και οι νομοθεσίες που σχετίζονται με την προστασία του περιβάλλοντος, διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στον σχεδιασμό των αυτοκινήτων.
Συµπεράσµατα
Όσο η ηλεκτροκίνηση παίρνει μεγαλύτερο μερίδιο στην αγορά νέων οχημάτων, τόσο θα αυξάνει και η ζήτηση για μπαταρίες. Επομένως, μέσα στην επόμενη δεκαετία, η αγορά τους αναμένεται να παραμείνει ανοδική. Θα εξελιχθούν, υιοθετώντας νέες τεχνολογίες, αλλά εκτιμάται πως και οι μπαταρίες μολύβδου θα διατηρήσουν και θα αυξήσουν το μέγεθος της αγοράς τους.
Οι κατασκευαστές πλησιάζουν στην ιδανική λύση, όπου τα ηλεκτρικά οχήµατα θα έχουν το ίδιο κόστος µε αυτά που χρησιµοποιούν ορυκτά καύσιµα, που σηµαίνει ότι η τιµή θα φτάσει περίπου στα 100 $ / kWh.
Αυτή η τιμή θεωρείται σημείο αιχμής, προμηνύοντας ότι οι καταναλωτές δεν θα θεωρούν πλέον τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ως ακριβότερες επιλογές.
Στην Ελλάδα, η COMBATT A.E. Ολοκληρωµένη Συλλογική Εναλλακτική Διαχείριση Συσσωρευτών Πανελλαδικής Εµβέλειας συµβάλλει σηµαντικά στην ορθή και περιβαλλοντικά βέλτιστη διαχείριση των αποβλήτων συσσωρευτών οχηµάτων και βιοµηχανίας. Ιδρύθηκε µε στόχο την οργάνωση και αποτελεσµατική λειτουργία της ολοκληρωµένης διαχείρισης των µπαταριών (συλλογή, µεταφορά, αποθήκευση, ανακύκλωση), ενώ ενηµερώνει, ευαισθητοποιεί και κινητοποιεί όλους τους εµπλεκόµενους φορείς.
του νικου βασιλακη
