Суцільна електрифікація

Тоді робітник міняє ритм роботи, щоб установити комплект літій-іонних акумуляторів на підлогу автівки. Його рухи так відточені й скоординовані з метушнею роботів навколо, що він переходить від двигуна внутрішнього згоряння до електроавтомобіля на акумуляторах практично без зупинок.

Донедавна такий перехід багато хто вважав немислимим. Адже більшу частину минулого століття основним механізмом, який приводив у рух транспортні засоби на суші й на воді, був двигун внутрішнього згоряння. Це серйозний ривок. Модель Leaf нині посідає перше місце у світі за продажем серед електромобілів, але підприємство в Сандерленді — найбільший британський автозавод — торік випустило лише 17,5 тис. екземплярів, а Qashqai — 310 тис. І Qashqai, на відміну від Leaf, було прибутковим. Поки що Nissan із кожного випущеного Leaf має тільки збитки.

Торік у світі було продано 750 тис. електричних автомобілів — менше ніж 1% усього ринку нових авто. У 2011‑му генеральний директор альянсу Renault-Nissan Карлос Ґон заявив, що самі ті дві компанії до 2016 року продадуть удвічі більше — це виявилося одним із тих оптимістичних передбачень, що дуже далеко відірвалися від дійсності. Але якщо момент для виходу електромобілів на світову арену виявився непевним, то віра в те, що незабаром це буде серйозний бізнес, поширена значно більше. На ринку нещодавно з’явилися масові моделі, що можуть проїхати майже стільки, що й авто на повному баку. Це, наприклад, Tesla Model 3 і Chevrolet Bolt від General Motors (GM). У вересні представлять оновлений Leaf. Можливість виготовляти ці автомобілі на таких самих потужностях, що й бензинові чи дизельні авто (як у Сандерленді), означає, що вони легше поширюватимуться по всій галузі, коли зростатиме виробництво.

Усе, що нам потрібно для життя сьогодні

Багато авторів прогнозів переконані, що через кілька років довготермінові витрати на володіння й користування електромобілем приблизно дорівнюватимуть витратам на володіння й користування автомобілем із двигуном внутрішнього згоряння. Через це продажі електромобілів у 2020-х роках різко зростуть, а орієнтовно протягом 2030-х переважна частина автопарку буде електричною. Китай, на який торік припало близько половини всіх проданих електромобілів, до 2020-го хоче бачити на своїх шляхах 2 млн електромобілів та електробензинових гібридів, а ще за 10 років — 7 млн. Консалтингова агенція Bloomberg New Energy Finance (BNEF) зауважує, що прогнози нафтових компаній дають електромобілям куди більше перспектив зараз, ніж кілька років тому; ОПЕК нині передбачає, що до 2040-го автошляхами їздитиме 266 млн таких машин (див. “Наближення нафтової кризи”). І Британія, і Франція заявили, що до цього моменту виробництво нових автомобілів тільки з двигунами внутрішнього згоряння буде незаконним.

Читайте також: Самостійний атом

Уже той факт, що це можна собі уявити, — заслуга поширення виробництва літій-іонних акумуляторів і переконання, що воно серйозно зростатиме й далі. Перші такі акумулятори з’явилися в продажу лише 26 років тому у відеокамері Sony CCD-TR1. Продукт став хітом, а акумулятори — ще більшим хітом. Вони почали з’являтися в комп’ютерах, телефонах, бездротових інструментах, електронних сигаретах тощо. Що на більше гаджетів “присідав” світ, то більше потребувалося літій-іонних акумуляторів. Торік було випущено споживчих товарів на літій-іонних акумуляторах із загальною ємністю понад 45 ГВт•год. Для кращої наочності уявімо, що якби всі ці акумулятори зарядити, то вони могли б забезпечити Британію, яка в середньому споживає орієнтовно 34 ГВт електроенергії, електрикою приблизно на 1 год 20 хв.

Того самого року літій-іонних акумуляторів для електромобілів було вироблено на трохи більше, ніж половину цієї ємності: 25 ГВт•год. Але засновник і директор-розпорядник енергетично-консалтингової фірми Cairn ERA Сем Джефф прогнозує, що попит на автомобільні акумулятори перевищить попит на акумулятори для побутової електроніки ще на початку наступного року, а це стане поворотним моментом для галузі. Ми на порозі гігантського розширення їхнього виробництва. П’ять найбільших виробників — японський Panasonic, південнокорейські LG Chem і Samsung SDI та китайські BYD і CATL — нарощують капітальні інвестиції з перспективою збільшити виробничі потужності до 2020-го майже втричі (див. “Електричні мрії”). Величезна гігафабрика вартістю $5 млрд, яку Tesla будує разом із Panasonic у Неваді, уже нібито вироб­ляє понад 4 ГВт•год на рік. У Tesla заявляють, що підприємство у 2018-му згенерує 35 ГВт•год. 

Гігафабрика працюватиме не лише на автомобілі. Почувши про перебої з електроенергією в Південній Австралії, засновник Tesla Ілон Маск надіслав прем’єру цього штату твіт-повідомлення про те, що до кінця року Tesla зможе забезпечити достатньо потужності для акумулювання енергії, аби більше не допустити перебоїв в електромережі. На гігафабриці зараз терміново створюють об’єкт ємністю 129 МВт•год, який допоможе дотримати даного Маском слова. Після встановлення по інший бік Тихого океану він стане найбільшою у світі такою електромережевою системою, але на підході багато інших. Блоки літій-іонних акумуляторів промислового масштабу (тобто велика кількість автомобільних акумуляторних батарей, з’єднаних між собою й налаштованих так, щоб забезпечити швидше заряджання та розряджання) набувають дедалі більшої популярності серед операторів електромереж, які намагаються вирівняти нерегулярний струм від джерел на кшталт сонячної або вітрової енергії. Менші батареї акумуляторів купують споживачі, що хочуть або незалежності від мережі, або зберігати енергію, яку виробляють для себе, щоб продавати її в мережу за найвигіднішими денними чи нічними тарифами. Акумулятори стають невід’ємною частиною майбутнього без шкідливих викидів в атмосферу.

Шанс змінитися

Основний принцип роботи літій-іонного акумулятора простий і зрозумілий. Коли батарея заряджається, електричний потенціал затягує іони літію в “дірки” графітового електрода. Під час роботи ці іони переміщуються у зворотному напрямку в рідкому електроліті до значно складнішого електрода, виготовленого зі сплавів, що містять літій та інші метали, — катода. В основному принципі роботи бізнесу з виробництва акумуляторів прозорості куди менше: це зумовлено мало не параноїдальною пристрастю постачальників до таємниць, а також карколомною природою економіки азійських конгломератів — лідерів ринку.

Усі великі виробники нарощують потужність почасти тому, що це зменшує витрати на одиницю продукції, як видно за останні кілька років (див. “Що далі?”). Літій-іонні комірки (основні компоненти акумуляторів) обходилися у 2010-му більше ніж у $1 тис. за кВт•год. Торік витрати становили від $130 до $200. У GM кажуть, що платять корейській LG Chem $145 за кВт за комірки — компоненти акумулятора ємністю 60 кВт•год для моделі Bolt (увесь комплект через витрати на працю, матеріали й електроніку коштує більше, ніж сума комірок для нього). У Tesla кажуть, що комірки для Model 3 дешевші. Нижчі витрати — не єдиний прогрес. Значні інвестиції в науково-дослідницьку та проектувально-конструкторську діяльність забезпечили кращу щільність потужності (більше заряду на кілограм ваги) і підвищену довговічність (більше циклів заряджання-розряджання). Модель Bolt випускається з гарантією акумулятора на вісім років.

Але зниження цін таким способом не просто дало дешевші й кращі акумулятори. Воно також призвело до значного перевиробництва. За оцінками Cairn ERA, торік потенціал виробництва літій-іонних акумуляторів перевищив попит приблизно на третину. І в Cairn ERA, і в BNEF кажуть, що виробники акумуляторів або зазнають збитків, або отримують мінімальний прибуток із кожного випущеного ними акумулятора для електромобіля. Утім, попри позірне перенасичення, вони все ж таки планують розширюватися почасти для того, щоб знизити ціни ще більше. Джефф пояснює це мислення як характерне для “традиційної азійської конгломератної моделі”: жертвувати прибутками заради частки ринку. Це може виявитися розумною стратегією, якщо враховувати стабільне зростання перспектив електротранспорту в найближчому майбутньому. Але наразі вона викликає й досить сильне занепокоєння. Джефф вважає, що збільшення попиту як на електромобілі, так і на стаціонарні накопичувачі виправдовує гарячкове розширення виробництва, але й визнає, що наразі “це схоже на золоту лихоманку, тільки без золота”.

Утім, у цій картині є інші дорогоцінні метали. Збільшення виробництва акумуляторів означає збільшення закупівлі літію, а також різноманітних інших металів, зок­рема кобальту, для катодів. Вони становлять понад 60% вартості однієї комірки. Упевненість у стабільному постачанні цих металів — такий самий стратегічний момент для виробників акумуляторів, як і опанування тонкощами електрохімії. З 2015 року ціни на літій зросли вчетверо, каже Саймон Мурс, директор-розпорядник консалтингової агенції Benchmark Mineral Intelligence. Ціна на кобальт за той самий період зросла більше ніж удвічі; ціни на хімікати, до складу яких входить нікель (його теж використовують у катодах), також зростають.

Нові запаси літію знайти буде не так уже й тяжко; за словами Мурса, поклади цього елемента оцінюються щонайменше у 210 млн т. Для порівняння: нині щороку видобувається 180 тис. т. Починаються розробки нових родовищ. У липні чилійська компанія SQM, найбільший у світі виробник літію, заявила про намір інвестувати $110 млн у спільне підприємство з видобутку літію в Західній Австралії. З кобальтом складніше. Не лише його поклади менші — значна частина надходить із Демократичної Республіки Конго. Це порушує як етичні проблеми (у виробництві може бути задіяна дитяча праця), так і бізнесові (ніхто не хоче, щоб постачання життєво важливих ресурсів залежало від ватажків бойовиків). У LG Chem заявляють, що намагаються зменшити склад кобальту в комірках, одночасно покращуючи їхні характеристики. У майбутньому повторна переробка металів із відпрацьованих акумуляторів може зробити цю галузь куди екологічнішою.

Одна з причин, чому виробники впевнено нарощують потужність, незважаючи на здорожчання сировини, — це те, що наразі мало що може конкурувати з їхнім товаром. Часто рекламуються інші технології виробництва акумуляторів, які, власне кажучи, є потенційно привабливішими, але жодна з них не має у своєму активі кількох десятиріч розвитку, що перетворили літій-іонні пристрої з цікавої ідеї на панівну технологію. Ця робота дала змогу здобути величезний обсяг знань про тонкощі виробництва, асортимент електролітів і дедалі складніші нанотехнології металічних катодів.

За словами директора американського постачальника матеріалів для катодів CAMX Power Кенана Сахіна, вартість і вага літій-іонного акумулятора, його здатність до багатократного заряджання й розряджання, його довговічність і безпека — усе це стало результатом нескінченного процесу вдосконалення й покращення, а не раптових осяянь. Він порівнює хімію акумуляторів із відкриттям ліків у фармацевтичній галузі. “Це справді важко. Усе, що у вас є, повинно працювати у великих масштабах, а побічні ефекти мають бути прийнятними”, — каже він. Позмагатися з цим буде важко будь-якій потенційній альтернативі. У передбачуваному майбутньому тон задаватиме постійне вдосконалення літій-іонної технології (можливо, із новими твердими електролітами), яка що більше матиме застосувань, то ставатиме кращою.

Дотепер основним елементом акумулятора була циліндрична комірка під назвою 18650, схожа на патрон для гвинтівки. Завдовжки вона 65 мм, має 18 мм у діаметрі та щільність енергії понад 250 Вт•год на кг. Для порівняння: щільність енергії бензину приблизно в 50 разів більша, але комірка може зберігати такий обсяг енергії сотні тисяч разів. Tesla і Panasonic розробили вже 2170 — дещо довшу й ширшу; Маск заявляє, що це буде акумулятор із найбільшою щільністю енергії на ринку. У компанії кажуть, що вартість їзди на Model 3, яку випустили наприкінці липня під захоплені відгуки, буде наполовину менша, ніж у будь-яких попередніх автомобілях Tesla. На представленні цієї моделі Маск, схоже, надто захопився перспективою виробництва 500 тис. таких автомобілів за наступний рік. “Ласкаво просимо до виробничого пекла”, — сказав він присутнім працівникам. 

7 серпня Tesla оголосила про плани продати облігацій на $1,5 млрд для фінансування свого розширення, що дасть давно потрібне нове дихання ринкові цінних паперів, де вона зазвичай залучає гроші (і де її вартість за останній рік зросла на дві третини). У компанії сказали, що в них є 455 тис. попередніх замовлень на Model 3; якщо вона випускатиметься, то до закінчення року виробництво дасть достатній грошовий потік, щоб зміцнити фінанси компанії. Якщо все піде за планом, Маск сподівається, що гігафабрика стане найбільшою спорудою світу з потужністю 100 ГВт на рік, а згодом з’являться нові гігафабрики в інших місцях; наступна, очевидно, буде в Китаї.

З усього цього випливає, що електричний транспорт і справді готовий зробити величезний стрибок. Поза сумнівом, електромобілі стають досконалішими й дешевшими. Але є й інші перешкоди для їхнього застосування, особливо заряджання. У Британії 43% автовласників не мають доступу до критих паркувальних гаражів, а тому не зможуть заряджати автомобілі вдома. Домашні умови також не завжди пристосовані до навантаження від, скажімо, зарядного пристрою на 11 кВт; від використання чайника або кип’ятильника протягом шести годин, потрібних для зарядження акумулятора ємністю 90 кВт•год, можуть перегоріти запобіжники. Виходом може стати створення станцій швидкого заряджання. Вони можуть бути схожими на бензозаправки. Деякі автомобільні компанії починають будувати їх, щоб зменшити “страх дальності”, на яку вистачає заряду (він відбиває в деяких водіїв бажання їздити на електромобілях). Чи можуть такі об’єкти розширюватися досить швидко, щоб задовольнити плани зростання цієї індустрії? Це питання залишається відкритим.

Саме непевність щодо позитивної динаміки використання електромобілів є одним із чинників, які роблять стаціонарні накопичувачі привабливим альтернативним ринком для виробників акумуляторів. Об’єкти, схожі на той, що недавно з’явився на непримітній ділянці на околицях Сан-Дієго в Каліфорнії і збудований компанією San Diego Gas & Electric (SDGE), нічим не нагадують лискучі гламурні новинки, які заповнюють автосалони. Це автомобільний акумулятор на 384 тис. комірок у вигляді стоянки трейлерів — найнудніший у світі трансформер. Але саме в непримітності полягає його краса, вважає Керолайн Вінн, операційний директор SDGE; комунальна служба використовує його для забезпечення струмом у години пікового попиту. Модульна конструкція дала змогу закінчити об’єкт потужністю 120 МВт•год — трішки менший за той, який Tesla пообіцяла Південній Австралії — лише за вісім місяців від старту проекту. Він працює так тихо, що його майже не чути. Поставити газову турбіну для виконання тієї самої роботи було б дешевше, але зайняло б роки, і то якби місцеві мешканці взагалі дали дозвіл на спорудження, що малоймовірно. Об’єкт-акумулятор значно гарніший, ніж газова турбіна, каже Вінн.

Остаточне джерело енергії

Для Tesla та інших великих виробників акумуляторів проекти накопичувачів для електромереж — найпривабливіша частина електроенергетичного ринку, адже мережі пропонують контракти на викуповування зайвої потужності у величезних обсягах, що вже позитивно. Але є ще й попит на акумулятори, які працюють “за межа­ми електромереж”. Tesla постачає на цей ринок свою домашню акумуляторну батарею Powerwall як доповнення до сонячних панелей і сонячних плиток, які вона випускає. Nissan також приглядається до прикладних рішень, які дають змогу отримувати енергію з немережевих ресурсів. Разом з американською енергетичною фірмою Eaton Nissan створює з частково вживаних акумуляторів моделі Leaf батареї, які можуть забезпечувати підприємства й заводи струмом у разі перебоїв, замінивши “брудні” дизельні генератори. Перший великий клієнт — амстердамський стадіон Arena, на якому базується футбольний клуб AFC Ajax.

Такі системи не обов’язково мають конкурентну ціну, але держава стимулює їх у найрізноманітніші способи. У травні регулятор штату Нью-Йорк надав комунальному підприємству Con Edison право дозволяти підприємствам-клієнтам встановлювати акумулятори в Брукліні та Квінсі, щоб експортувати електроенергію в мережу. Нью-Йорк із благенькою електромережею, якій уже понад 100 років і яка пам’ятає ще Джорджа Вестінгауза й Ніколу Теслу, щосили намагається розширити свої джерела завдяки відновлюваній енергії, а акумулювання дає змогу по-новому вирішувати проблеми в пік попиту. Головний енергетик штату Джейсон Довлінґ каже, що ця програма буде ідеальною для багатоквартирних висотних будинків; ліфти, які працюють від акумулятора вранці й увечері, коли тарифи на електроенергію найвищі, стануть дуже вигідними.

Проте пожежний департамент Нью-Йорка й далі непокоїть те, що літій-іонні акумулятори в будинках створюють загрозу займання. Коли їх монтують, пожежники чергують у режимі готовності. Торік фіаско із займанням смартфонів Samsung Galaxy Note 7 нагадало усьому світові, що в літій-іонних акумуляторах може (якщо вони невдало спроектовані або надто перевантажені) відбутися коротке замикання та загоряння. Проте загалом нові матеріали й керамічне покриття електродів зробили автомобільні акумулятори безпечними.

Окрім побоювань щодо займання компанії, які встановлюють побутові акумулятори для незалежного від мережі забезпечення електроенергією, як і для зберігання енергії в електромережах, заявляють, що їм заважає застаріле регулювання й проблеми зі страховиками. Це обмежує доступне для них фінансування, каже Аніл Шрівастава, директор швейцарського виробника акумуляторів Leclanché. Їм також потрібно знайти спосіб зробити стаціонарне акумулювання прибутковим. Інколи, як у Сан-Дієго, воно є чи не єдиним способом, у який можна виконати вимоги регулятора: Каліфорнійська комунальна комісія боялася перебоїв з електрикою в Лос-Анджелесі після витоку газу на газосховищі в каньйоні Алісо у 2015 році. Але коли питання радше в ціні, акумулятори мають виконувати більше ніж одну функцію. Наприклад, систему можна спроектувати під постачання енергії до мережі так, аби вона збалансовувала короткі перепади. Або ж для того, щоб допомагала справлятися з піковими навантаженнями.

Усе це звучить дуже заплутано. Але в акумуляторному бізнесі пошук способів продати той самий предмет для різних цілей — це як його друге “я”, бо підлаштовує товари галузі під будь-який ринок і масштаб. Нинішній бурхливий розмах індустрії може дещо лякати. Втім, згодом він має забезпечити їй справжній успіх.

The Economist