Mobilalkalmazások, elektromos autó, laptop, energiatárolás. Egy dolog mindenképpen összeköti őket: az akkumulátorok. Áder János legutóbbi Kék bolygó című podcastjében beszélgetett Kun Róberttel, a Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet Szilárdtest Energiatárolók Kutatócsoportjának vezetőjével az energiatárolás jelenéről és jövőjéről.
Az interjú során Kun Róbert elmondta, hogy a lítium-ion akkumulátorokat 1991-ben vezették be a kereskedelmi forgalomba és azóta is folyamatos fejlesztés alatt állnak. Ezeknek a kezdeti energiasűrűsége 100-110 Wh/kg volt, ma ez az érték már 270. A Kun vezette kutatócsoport további, jövőbeli generációk akkumulátorainak kémiáját kutatja, hiszen újszerű anyagokat, akkumulátorokat, akkumulátor kémiákat kell bevetni ahhoz, hogy tovább tudják növelni a Wh/kg értéket. A lítium-ionos technológia csúcstechnológiának számít, hiszen már minden részegységet optimalizáltak a cellákban (a csomagolást, és még az elektrolit oldószerét is), ezekből még modulokat, pakkokat építenek és így jelentős mértékű tömeg, anyag, térfogat hozzájárul ahhoz, hogy tovább csökkenjen az energiasűrűség. Kun az érthetőség kedvéért párhuzamot is vont, szerinte egy lítium-ion akkumulátor összevetve egy hagyományos fémhibrid akkumulátorral olyan, mintha összehasonlítanának egy F1-es versenyautót egy hagyományos autóval.
Újgenerációs akkumulátorok
Mint az a beszélgetésből kiderült, jelenleg második generációs akkumulátorokat használunk az eszközeinkben. A kutatócsoport vezetője elmondta, hogy a vegyészek szerte a világban a poszt-lítium akkumulátorok fejlesztésén dolgoznak – jelenleg a nátrium-ion, a kálium-ion és a cink-aluminium-ion akkumulátorok a legígéretesebbek – ezek az úgynevezett újgenerációs akkumulátorok. Ezeknek az újgenerációs akkumulátoroknak Kun elmondása szerint ugyanaz a működési elve: a pozitív és negatív elektródok között (anód és a katód) a lítium-ion vándorol. A fejlesztések kapcsán ismertette, hogy azoknak van technológiai érettségi szintje, ez 9 szintből áll. A 9-es szint a piacosítás szintje. Itt a lítium-ion akkumulátornak jelenleg nincs versenytársa. Habár vannak már előremutató kutatások, azok nem tartanak még ott, be lehessen építeni egy autóba
Áder János emlékeztetett, hogy a globális tendenciák tükrében kijelenthető, hogy az akkumulátorok iránti igény valamint az akkumulátor cella és komponens gyártás rendkívüli expanzió előtt áll. Részben az elektromobilitás miatt: 2035-től Európában csak elektromos autók jöhetnek le a futószalagról. Másrészt, ha bővítjük a naperőmű és szélerőmű kapacitást, akkor az adott napszakban fel nem használt energiát átmenetileg valahol tárolni kell. Ehhez is szükség van akkumulátorokra.
Az akkumulátor a szakember szerint is kulcskomponense a jövő energetikai rendszereinek. Elég csak a mobilalkalmazásokra, elektromos járművekre, laptopokra, illetve a telepített, a helyhez kötött megújuló energiaforrások hatékonyabb felhasználását célzó akkumulátorokra gondolni. Kun hangsúlyozta, hogy az akkumulátoros tárolás, szezonális tárolásra jelenlegi felfogás szerint nem alkalmas. Ennek oka, hogy óriási nyersanyagigénye van és óriási kapacitást igényel. Maga az akkumulátor műszaki felépítésénél fogva nem alkalmas arra, hogy hosszú hónapokon keresztül az anódon és katódon a kémiai anyagokban tárolja az energiát. Legfeljebb 6-12 óra időtartamról beszélhetünk, tehát a napközben megtermelt áramot, azt este és esetleg még másnap reggel le lehet kezelni.
Korlátok az akkumulátorgyártásban
A beszélgetés során szó esett az akkumulátor gyártásának korlátairól is: a primer nyersanyagok elérhetősége és korlátozottsága – kevés van belőlük és földrajzilag koncentráltan. Illetve a finomítási kapacitások korlátozottságáról.
Az érceket Afrikában és Ausztráliában bányásszák, ezekből készítenek olyan anyagokat, amit az akkumulátor cella gyártók beépítenek. Európában nagyon komolyan összpontosítanak arra, hogy az akkumulátor értéklánc mentén hol épülnek gyártói kapacitások. Az akkumulátor értékláncot a kutató elmondása alapján a következő fázisok alkotják: nyersanyagok kitermelése, finomítás, alapanyaggyártás, cellagyártás, integráció, újrahasznosítás. Elmondható, hogy a távol-keleti, ázsiai cégek leuralták ezt a piacot, a finomító kapacitások is sokkal nagyobbak ott, mint Európában. Tehát beszélni kell a nyersanyagfüggőségről (kobalt, mangán, nikkel) is – akárcsak a fosszilis energiahordozók (olaj, gáz szén) esetében.
A gyártás élénkítésére több ország is állami támogatásokat alkalmaz. Az USA-ban is óriási állami támogatást adnak az akkumulátor fejlesztésnek (35 dolláros állami támogatás minden legyártott cella után, ami a 100 $/kWh célérték egyharmada) azzal a céllal, hogy versenyben maradjon a gazdaság és az igényt amerikai piacon és piacról ki lehessen elégíteni.
Újrahasznosítás: cél a körkörös gazdaság
A beszélgető partnerek kitértek az újrahasznosítás problémakörére is. Ehhez a technológia adott, vagyis az akkumulátor ipar működhetne körkörös gazdaságként. Az újrahasznosítás mértéke jelenleg 70% körül mozog, miközben kémiai értelemben a komponensek 90%-át újra lehetne hasznosítani. Kun Róbert azonban felhívta rá a figyelmet egy fontos különbségre: az akkumulátor cella komponensek illetve a keletkezett hulladék újrahasznosítására. Az újrahasznosítási műveletbe bekerült cellák 80- 90%-át kémiai vagy hidrometológiai újton lehet újrahasznosítani. Utóbbi során először egy fizikai feldolgozás történik, ennek során keletkezik a black mass (fekete anyag).
Környezeti hatás
A témakörben megkerülhetetlen a környezeti károsítás kérdésköre, aminek kapcsán a szakember elmondta, hogy veszélyes anyagokkal foglalkozó vegyipari eljárásról van szó, de van műszaki megoldás arra, hogy a cellákat úgy bontsák fel, hogy az ne okozzon kárt. A technológiákban az egyik legfontosabb dolog, hogy amikor a cella felnyitása bekövetkezik, milyen cellát (elektromos töltöttség tekintetében) kezdünk el felbontani. Ha egy teljes mértékben lemerített cellát kell felbontani, a nagyon veszélyes komponenst, az elektrolitot, nagyon óvatosan kell kihajtani, eltávolítani a szilárd anyagok mellől, mert ennek nem szabad kijutnia a környezetbe. A volt államfő kérdésére megerősítette, hogy ha a technológiát úgy hatják végre, hogy figyelnek a karbantartásokra, úgy erősen minimalizálni lehet a kibocsátást. Viszont az, hogy egy ipari technológiának nulla kibocsátása van azt nem lehet elmondani, hiszen akár a papírgyártásnál vagy műtrágyagyártásnál is van környezeti hatás, de a határértékeket be kell tartani, folyamatosan monitorozni kell és be kell avatkozni, ha valami probléma merül fel. Az akkumulátor gyártásnál felhasznált anyagok jó esetben zárt rendszerben haladnak.
Gyártás
Kun Róbert elmondta, hogy a korszerű akkumulátorgyártási metódus mindenhol ugyanaz, 3 nagyobb blokkra osztható 13 lépésből álló folyamat. Ugyanaz történik tehát egy svédországi Volvo gyárban, mint a kecskeméti Mercedes melletti akkugyárban.
Az új fejlesztési irányok kapcsán is inkább az mondható el, hogy azok egymás komplementerei és nem versenytársai lesznek, hisze fontos a diverzifikáció. Az, hogy egy akkumulátor mindre alkalmazható, az téves felfogás. A lítium-ion akkumulátor most elsődlegesen elektromos autókban van jelen, de amikor elkezdték propagálni, akkor telepített tárolás kapcsán jött szóba, de ott nagyok a méretek és a költségek is. Ezt redukálná a nátrium-ion akkumulátor, ami mellett a lítium vagy a cink ugyanúgy létezhet. Mind a saját maga alkalmazásához tudunk találni akkumulátorkémiát. Így máris más megvilágításba kerül a nyersanyagprobléma, nagyobb a mozgástér.