Przemys³ motoryzacyjny __

zapotrzebowanie na ogniwa

Elektrochemiczne magazynowanie energii

staje siê problemem coraz bardziej wa¿-

kim. Wynika to ze zwiêkszaj¹cej siê ko-

niecznoœci kompleksowego gospodarowa-

nia zasobami energii. Czynnikami przyœpie-

szaj¹cymi poszukiwania nowych Ÿróde³

energii s¹: coraz wiêksze zanieczyszczenie

œrodowiska, efekt cieplarniany oraz dra-

stycznie zmniejszaj¹ce siê zasoby paliw

naturalnych. Laboratoria badawcze zwróci-

³y uwagê na nowe typy ogniw. Obserwuje

siê intensywny rozwój akumulatorów niklo-

wo-wodorkowych oraz litowo-jonowych. In-

tensyfikacji ulegaj¹ badania nad ogniwami

paliwowymi, których koncepcja istnieje ju¿

od ponad 150 lat. Jednym z wa¿niejszych

zastosowañ tych nowych ogniw ma byæ ich

u¿ycie w pojazdach elektrycznych (electric

vehicle, EV). Pojazdy te, jako ”czyste eko-

logicznie”, maj¹ w miastach zastêpowaæ

samochody benzynowe. W 1997 roku po

ulicach wiêkszych miast USA jeŸdzi³o tylko

4000 pojazdów elektrycznych, w 1998 roku

w Japonii by³ ju¿ sprzedawany seryjnie pro-

dukowany samochód marki Nissan, który

zamiast silnika spalinowego ma silnik elek-

tryczny zasilany z ogniw litowo-jonowych

produkcji Sony. Cena takiego pojazdu wa-

ha siê w granicach 16 000

÷

18 000 dolarów

i mo¿na go kupiæ tylko w sieci japoñskich de-

alerów. Trzeba jednak zaznaczyæ, ¿e pro-

dukcja tego typu samochodu jest w znacz-

nym stopniu dofinansowywana przez rz¹d

japoñski (ok. 30%). Wiêkszoœæ koncernów

samochodowych, obok produkcji samocho-

dów napêdzanych benzyn¹, ma obowi¹-

zek wytwarzania samochodów o napêdzie

elektrycznym. Produkcja ta powinna sta-

nowiæ kilka procent wszystkich pojazdów

schodz¹cych z taœmy. Obecnie producen-

ci samochodów elektrycznych najczêœciej

wykorzystuj¹ piêæ rodzajów ogniw:

q

akumulatory o³owiowo-kwasowe (Ford,

Chrysler i GM); œredni zasiêg tych samocho-

dów, bez ³adowania baterii, wynosi ok.

90

÷

150 km przed ponownym ³adowaniem

q

akumulatory Ni-Cd, w których koszt uzy-

skanej energii jest kilkakrotnie wy¿szy ni¿ w

akumulatorach o³owiowych

q

akumulatory Ni-MH, które powoli wypie-

raj¹ akumulatory Ni-Cd (Honda, Toyota);

zasiêg pojazdów zasilanych z tych ogniw

wynosi ok. 120

÷

200 km

q

akumulatory litowo-jonowe, najdro¿sze

13

CHEMICZNE RÓD£A PR¥DU

(4)

spoœród wymienianych; samochód zasilany

tego typu Ÿród³em energii (Nissan) ma za-

siêg przesz³o 200 km

q

ogniwa paliwowe, wykorzystuj¹ce elek-

trodowe reakcje redoks miêdzy wodorem i

tlenem z powietrza (wodór mo¿na uzyskaæ

z reformingu wêglowodorów).

Nale¿y dodaæ, ¿e pojazdy te niekoniecznie

musz¹ byæ zasilane tylko z akumulatorów.

Firmy japoñskie, np. Honda i Toyota, produ-

kuj¹ od kilku lat pojazdy (Insight oraz Prius)

o tzw. napêdzie hybrydowym _ pojazd jest

napêdzany przemiennie silnikiem elektrycz-

nym zasilanym z akumulatora oraz bar-

dzo ekonomicznym silnikiem spalinowym.

Najczêœciej w napêdach hybrydowych wy-

korzystywane s¹ ogniwa wodorkowe i lito-

wo-jonowe.

Zapotrzebowanie na samochody elektrycz-

ne (EV) wzrasta z roku na rok. Kombinacja

baterie plus silnik elektryczny oraz zwyk³y

silnik spalinowy jest bardzo obiecuj¹cym roz-

wi¹zaniem, lecz niestety zwiêksza stopieñ

skomplikowania konstrukcji, a tym samym

koszt wytwarzania pojazdu. Testowane by³y

tak¿e kombinacje ciê¿kiego o³owianego aku-

mulatora wykorzystywanego do rozruchu,

przyœpieszeñ i wjazdu na wzniesienia oraz

lekkich cynkowo-powietrznych ogniw zasi-

laj¹cych silnik przy sta³ej prêdkoœci.

W ci¹gu ostatnich 20 lat opracowano dzie-

si¹tki nowych typów ogniw galwanicznych

o bardzo ró¿norodnym i czêsto bardzo ogra-

niczonym zastosowaniu. W tym opracowa-

niu skoncentrowano siê na ogniwach odwra-

calnych (II rodzaju), które maj¹ obecnie naj-

wiêksze szanse zastosowania jako Ÿród³a

energii elektrycznej w samochodach o na-

pêdzie elektrycznym. Nie omówiono dok³a-

dnie ogniw paliwowych, które stanowi¹

odrêbn¹ grupê i wymagaj¹ oddzielnego

opracowania.

W tablicy 2 przedstawiono parametry nie-

których ogniw, charakteryzuj¹ce mo¿liwoœci

ich zastosowania na du¿¹ skalê w EV.

Obecnie pojazdy EV spe³niaj¹ pomocnicze

role, np. jako pojazdy dostawcze-popularne

w Wielkiej Brytanii, tzw. ”milk floadts” dostar-

czaj¹ce mleko (w latach 80. jeŸdzi³o ich po

szosach kilkadziesi¹t tysiêcy), wózki podno-

œnikowe, wózki golfowe, traktorki, transpor-

tery baga¿u. W nocy w czasie postoju, aku-

mulatory s¹ do³adowywane z sieci tañszym

pr¹dem (nocna taryfa). Coraz wiêcej ogniw

ró¿nych typów jest stosowanych w poja-

zdach. Nale¿y zaznaczyæ, ¿e samochód

napêdzany za pomoc¹ ogniwa nie jest po-

mys³em nowym. Powsta³ on 12 lat wczeœniej

ni¿ samochód z silnikiem spalinowym. Re-

kord œwiata szybkoœci pojazdu napêdza-

nego elektrycznie w 1899 roku wynosi³ ju¿

106 km/godz, a dwa lata póŸniej zosta³ po-

prawiony na 136 km/godz. Obecnie takie po-

jazdy mog¹ osi¹gn¹æ prêdkoœæ 240

km/godz. Pojazd elektryczny (EV) ma du¿o

mniej ruchomych czêœci ni¿ pojazd z sil-

nikiem spalinowym. Ponadto bezwstrz¹so-

wa praca silnika elektrycznego przed³u¿a ¿y-

wotnoœæ ca³ego pojazdu. Szybkoœæ, przy-

œpieszenie oraz zasiêg elektrycznych poja-

zdów zasilanych akumulatorami o³owiowy-

mi s¹ ograniczane przez ”gêstoœæ energii”

20

÷

30 Wh/kg. Coraz nowsze modyfikacje

konstrukcji elektrod (np. zastosowanie elek-

trod rurowych) pozwalaj¹ na g³êbsze roz³a-

dowywanie. Typowy samochód rodzinny

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003

r

SIÊGAMY

DO PODSTAW

Rodzaj

Zasiêg,

Czas

Wp³yw na

Koszt

Pojemnoœæ ¯ywotnoœæ

ogniwa

km (jedno

³adowania

œrodowisko

USD/Wh

Wh/kg

(liczba cykli)

³adowanie)

O³owiowo

-kwasowe

90

÷

150

3 godziny

toksyczne

0,1

÷

0,3

20

÷

35

100

÷

500

Ni-wodorek

metalu

120

÷

200

60% w 15 minut; nietoksyczne

1,0

÷

3,0

55

÷

70 500

w 2 godziny

(w przysz³osci)

uzupelnienie

Ni-Cd

140

60% w 15 minut;

toksyczne

0,5

÷

1,5

30

÷

50

1000

w 6 godzin

uzupe³nienie

Sód -_ siarka

100

6 godzin

ryzykowne

0,1

÷

1,0

150

200

÷

1500

w u¿yciu

Cynk _ powietrze

320

5 min wymagaj¹ nietoksyczne

0,15

÷

0,50

70

÷

85 (160

600

sieci stacji

w perspektywie)

Litowo _ jonowe 200

÷

300

3 godziny

ryzykowne

115

w u¿yciu

150 (polimer)

Ni-fullereny,

nanorurki

do 900

40 minut

nietoksyczne

0,02

÷

0,1

200

÷

250

co najmniej 40

Tablica 2 Charakterystyka niektórych baterii stosowanych w EV

wa¿¹cy 1

÷

1,5 tony wymaga 5

÷

10 kWh ener-

gii na przemieszczenie siê na odleg³oœæ

50 km. PojemnoϾ akumulatora kwasowe-

go wynosi przeciêtnie 25 Wh/kg. Zatem,

aby pokonaæ dystans 50 km nale¿y zasto-

sowaæ akumulator o masie 200

÷

400 kg.

Osi¹gi te mo¿na poprawiæ stosuj¹c akumu-

latory z nowymi rozwi¹zaniam, których po-

jemnoœæ mo¿na zwiêkszyæ do 40 Wh/kg.

Obok akumulatorów o³owiowych bierze siê

pod uwagê inne typy baterii. Zainteresowa-

nie budz¹ pracuj¹ce w temperaturze poko-

jowej ogniwa cynk-tlenek niklu oraz cynk-

chlorowodór, o pojemnoœci odpowiednio

75 Wh/kg i 80 Wh/kg. Bada siê tak¿e ogni-

wa wysokotemperaturowe (pracuj¹ce w wy-

sokich temperaturach) tzw. stopione sole

sód-siarka (120 Wh/kg) oraz lit-siarczek ¿e-

laza (100 Wh/kg). Przy tych Ÿród³ach zasi-

lania osi¹gi pojazdów s¹ trzy razy wiêksze.

Przewiduje siê ni¿szy, w porównaniu z aku-

mulatorem o³owiowym, koszt tych baterii

oraz ich wiêksz¹ wydajnoœæ przy tej samej

liczbie cykli. Ogólnie przewiduje siê, ¿e sa-

mochód miejski napêdzany elektrycznie po-

winien wa¿yæ mniej ni¿ 2 tony i mieæ zasiêg

150

÷

200 km.

Ju¿ od pocz¹tku naszego stulecia funk-

cjonuj¹ lokomotywy i drezyny zasilane

energi¹ elektryczn¹. Maj¹ one znaczn¹

przewagê nad elektrycznymi pojazdami

drogowymi ze wzglêdu na du¿o mniejsze

straty tarcia, dziêki czemu nie ma ograni-

czeñ zwi¹zanych z pojemnoœci¹ akumula-

torów. Wspó³czesne drezyny wa¿¹ce 21

ton zabieraj¹ do osiemdziesiêciu pasa¿e-

rów i s¹ zasilane akumulatorami kwasowo-

o³owianymi o zasobie energii 630 kWh z

mo¿liwoœci¹ recyklizacji ponad 1000 razy.

Osi¹gaj¹ one prêdkoœæ 100 km/h i maj¹ za-

siêg 250

÷

450 km. Niezawodnoœæ, ³atwa

obs³uga i bezpieczeñstwo s¹ powa¿nymi

zaletami tego rodzaju transportu. Prowa-

dzone s¹ prace nad pojazdami szynowymi

zasilanymi za pomoc¹ mieszanych Ÿróde³

energii. Przyk³adowo jednotonowa bate-

14

ria sodowo-siarkowa umo¿liwia jazdê takie-

go pojazdu 100 km poza zasiêgiem sieci

elektrycznej.

Zestawy baterii o pojemnoœci energetycznej

250 Wh

÷

5 MWh s¹ stosowane jako awaryj-

ne Ÿród³a zasilania, g³ównie w centralach te-

lefonicznych, szpitalach, radiostacjach, urz¹-

dzeniach nawigacyjnych itp. Na ogó³ s¹ to

akumulatory, które nie s¹ g³êboko roz³ado-

wywane. S¹ one specjalnie zaprojektowa-

ne, maj¹ bardzo ma³y up³yw energii _ samo-

roz³adowania oraz d³ugi czas niezawodnej

pracy dochodz¹cy do 20

÷

30 lat. Ok. 25%

akumulatorów to ogniwa niklowo-kadmo-

we. S¹ one zasilane i ³adowane za pomo-

c¹ wiatraków. Przyk³adowo: w Danii, ma³e

turbiny powietrzne zasilaj¹ akumulatory sta-

cji nawigacyjnych na bojach. Urz¹dzenia

te s¹ tak¿e zasilane przez system prze-

tworników energii s³onecznej. Baterie s³o-

neczne s¹ stosowane do zasilania radiola-

tarni w pobli¿u lotnisk. Podobne zasilanie za

pomoc¹ baterii s³onecznych ma miejsce na

statkach kosmicznych.

Zestawy akumulatorów wielkoœci budyn-

ków mieszkalnych zasila³yby osiedla lub

zak³ady przemys³owe w energiê w godzi-

nach szczytu, a by³yby do³adowywane w no-

cy nad ranem (nocna taryfa), kiedy zapotrze-

bowanie na energiê jest minimalne.

Praktyczne wykorzystanie chemicznych

Ÿróde³ pr¹du jest uwarunkowane:

q

³atwoœci¹ eksploatacji

q

zastosowaniem w produkcji ³atwo do-

stêpnych i niedrogich materia³ów

q

³atwoœci¹ wytwarzania

Poza tym ogniwa powinny siê charakteryzo-

waæ:

q

dostatecznie d³ugim czasem ¿ycia

q

odpornoœci¹ mechaniczn¹

q

poprawn¹ prac¹ w szerokim przedziale

temperatur

q

wysok¹ wydajnoœci¹ energetyczn¹ na

jednostkê masy lub objêtoœci

q

ma³ymi stratami podczas ³adowania

i niewielkim samowy³adowaniem.

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003

Poszczególne typy ogniw w ró¿nym stopniu

spe³niaj¹ te wymagania.

W tablicy 3 przedstawiono klasyfikacjê wa¿-

niejszych (wybranych) ogniw II rodzaju, obe-

cnie bêd¹cych w powszechnym u¿yciu oraz

ogniw, które s¹ intensywnie ulepszane w

zwi¹zku z mo¿liwoœci¹ zastosowania ich na

szerok¹ skalê. S¹ to akumulatory oparte

g³ównie na roztworach wodnych, niewod-

nych, z elektrolitem sta³ym oraz z elektrolitem

w postaci stopionych soli. Nale¿¹ do nich:

q

akumulatory kwasowo-o³owiowe

q

zasadowe akumulatory niklowo-kadmo-

we i niklowo-wodorkowe

q

baterie wysokotemperaturowe sodowo-

siarkowe

q

odwracalne ogniwa litowe.

Wœród akumulatorów opartych na roztwo-

rach wodnych dominuj¹ oczywiœcie akumu-

latory o³owiowe. Na ich zalety sk³adaj¹ siê:

stosunkowo niski koszt produkcji, wszech-

stronnoœci i znakomitej odtwarzalnoœci uk³a-

du elektrochemicznego. S¹ one obecnie

stosowane g³ownie jako wiêksze rezerwua-

ry energii elektrycznej, tzn. do samocho-

dów, stacji zasilania itp. Drugi rodzaj akumu-

latorów, akumulatory niklowo-kadmowe, jest

stosowany jako Ÿród³o energii do urz¹dzeñ

przenoœnych. Tego typu Ÿród³a s¹ dro¿sze

od akumulatorów o³owiowych, lecz maj¹

wiele zalet: trwa³oœæ, niewielkie wymogi ob-

s³ugi, doœæ du¿e natê¿enie otrzymywanych

pr¹dów i dobr¹ charakterystykê w niskich

temperaturach. Z tego wzglêdu s¹ wyko-

rzystywane przez wojsko i lotnictwo. Akumu-

latory niklowo-kadmowe obecnie s¹ zastê-

powane ogniwami niklowo-wodorkowymi.

Ogniwa wysokotemperaturowe ci¹gle s¹

na etapie intensywnych badañ i prób. Obe-

cnie coraz wiêkszym zainteresowaniem

ciesz¹ siê odwracalne ogniwa litowe. Ma-

j¹ one du¿¹ szansê na wszechstronne za-

stosowanie, równie¿ w pojazdach elek-

trycznych.

Od pewnego czasu pojawi³y siê prototypy

pojazdów, w których ogniwa s¹ do³adowy-

wane za pomoc¹ baterii s³onecznych (foto-

woltaicznych), natomiast silnikami spalino-

wymi s¹ silniki Diesla napêdzane paliwem

produkowanym z rzepaku lub oleju s³onecz-

nikowego Oznacza to, ¿e samochód tego ty-

pu jest zasilany praktycznie tylko energi¹

s³oneczn¹ (biopaliwo + promieniowanie s³o-

neczne). W tê w³aœnie stronê powinny byæ

ukierunkowane wysi³ki naukowców i kon-

struktorów nowych pojazdów.

Oddzielnym zagadnieniem s¹ ogniwa pali-

wowe i zastosowanie ich w pojazdach.

n

Andrzej A. Czerwiñski

Ogniwa z wodnym elektrolitem

Ogniwa z elektrolitem niewodnym

Baterie cynkowe

Baterie z elektrolitem organicznym

q

Baterie z alkalicznym elektrolitem:

q

Baterie typu lit-brom

cynk-tlenowodorotlenek niklu, cynk-tlenek manganu,

q

Baterie typu lit-tlenowiec metalu

q

Baterie cynk-chlorowce

Baterie z jednym reagentem gazowym

Baterie wysokotemperaturowe

q

Baterie typu metal-powietrze(tlen):

q

Baterie sodowe:

cynk-powietrze (tlen)¿elazo-powietrze (tlen)

sód-siarka, sód-chlorowcogliniany

kadm-powietrze (tlen)

q

Baterie typu tlenek metalu-wodór:

q

Baterie litowe:

wodór-tlenek niklu

lit-dwusiarczek ¿elaza, lit-chlor

wodór-tlenek srebra

Baterie z reagentami w przep³ywie

q

Baterie typu wodór- tlen

q

Baterie typu wodór-chlorowiec

q

Baterie redoks:

tytan-¿elazo, chrom-¿elazo

T a b l i c a 3. Baterie (wybrane), na które jest lub w najbli¿szej przysz³oœci bêdzie zapotrzebowanie