Česko na baterky

Letos je tomu přesně 125 let od vynálezu baterky. Jak té, s níž se svítí ve tmě, tak monočlánku, který napájí její žárovku. Od té doby se bouřlivě vyvíjela, přičemž zlomovým bodem byla konstrukce akumulátoru, který se dokáže pomocí elektrické energie ze sítě dobíjet a poté energii zpětně vydávat. V současnosti již baterky dávno neslouží pouze k pohonu „hraček“, zejména mobilů, ale také dopravních prostředků a stále více i jako záložní zdroje pro skladování elektrické energie a stabilizaci přenosových sítí. Česko ve světě zanechalo ve vývoji těchto technologií výraznou stopu. Jak je na tom ale s vlastní výrobou akumulačních zařízení, jež budou hrát kvůli zapojování stále většího množství nestabilních zdrojů významnou roli v zelené energetice?

Baterie se od svého vynálezu v podstatě nezměnily. Jejich základem je galvanický článek tvořený dvěma elektrodami v elektricky vodivém kapalném nebo tuhém roztoku. U primárních článků, tedy tradičních baterek na jedno použití, vzniká proud jednosměrnou chemickou reakcí mezi elektrodou a elektrolytem, u dnes mnohem běžnějších sekundárních článků neboli akumulátorů lze elektrický proud dodat zvnějšku a baterku zpětně nabíjet. Nejde to sice opakovat donekonečna, protože s každým cyklem se mění struktura a elektrovodivé vlastnosti použitých materiálů, ale stále jde o nejúčinnější známý způsob dlouhodobého „skladování“ volatilního proudu elektronů.

V případě dnes nejrozšířenějších typů akumulačních baterií je výkonová účinnost velmi vysoká. S každým cyklem nabíjení a vybíjení sice nastávají tepelné ztráty, část energie spotřebuje systém BMS (který kontroluje bezpečné úrovně napětí, proudu a teploty), v případě větších kontejnerových úlo­žišť je třeba chlazení nebo naopak dohřívání na ideální teplotu a jsou i indukční ztráty z převodu ze střídavého na stejnosměrný proud, navzdory tomu je účinnost uložení 90 až 95 procent. Pro srovnání, dnes tolik diskutovaná akumulace pomocí vodíku dosahuje účinnosti pouze zhruba 30 procent.

Co je ovšem u akumulačních baterek podstatné a je mnohem složitější věda spojená navíc s ekonomickými rozvahami, jsou konkrétní konstrukční řešení a množství použitých materiálů, od čehož se odvíjí i výsledná cena akumulačních systémů, a tím i skladované elektřiny, která může být u menších domácích systémů stejná jako cena energie od lokálního distributora, což nemusí být pro spotřebitele příliš motivační.

„U akumulačních baterií sledujeme výrazný trend směřující k nižší spotřebě tradičních materiálů nebo jejich náhrady za jiné,“ říká Pavel Hrzina z Elektrotechnické fakulty ČVUT. A dodává: „Již dnes se v komerční praxi používají například fosfáty železa, síra nebo nikl a mangan, sice stále ve spojení s lithiem, ale s výrazným snížením jeho spotřeby v přepočtu na výkon.“ Navzdory tomu existují obavy, že při současném masivním rozvoji bateriových systémů mohou brzy dojít zásoby strategických materiálů.

„V tomto ohledu jsem mírný optimista. Vezměte si různé předpovědi z (ne)dávné minulosti, v nichž zaznívala například varování, že v osmdesátých letech dojde ropa. Doposud se to nestalo a podobně to bude i v případě lithia a ostatních prvků. Což neznamená, že by surovinová základna pro výrobu bateriových systému nebyla zásadním tématem, jenže hlavní problém zrovna s lithiem je, že to není ten hlavní problém,“ vysvětluje Hrzina. Skutečný problém spočívá v takzvaných pomocných materiálech na výrobu baterií. Asi největší představuje kobalt používaný zejména v trakčních bateriích pro elektromobily, v současnosti těžený za tristních podmínek v Demokratické republice Kongo, kde se nachází více než polovina jeho světových zásob.

Recyklace

Hlavní otázkou v případě baterií proto dnes nejsou jen těžitelné zásoby potřebných prvků a jejich fluktuující ceny kvůli rostoucí poptávce a geopolitické situa­ci, ale zejména recyklace, jež je zatím nedostatečná – globálně se recykluje méně než polovina vysloužilých zařízení. Přitom recyklace baterií není z technologického hlediska zásadní problém. Existují v praxi osvědčené postupy spočívající v čistě mechanické a metalurgické recyklaci – po kompletním vybití baterie se její vnitřní obsah nadrtí a pomele, z olověných akumulátorů se dá tento kov snadno zpětně získat díky nízkému bodu tání, stejně se s velkou výtěžností separuje cín, měď nebo hliník. Recyklační linky na elektroodpad už u nás fungují, například v Kovohutích Příbram.

„Recyklovat se dají i další materiály, z nichž je baterie sestavena. Velmi snadné je to u vnější konstrukce baterií, která obsahuje plasty, případně nerezovou ocel, a nakonec po separaci kovových částí zbyde už jen ‚black mass‘ – rozdrcená aktivní hmota a elektrolyt, která má díky obsahu uhlíku černou barvu. Jsou v něm zbytky lithia, kobaltu, manganu a dalších prvků v závislosti na typu použitého elektrolytu a aktivní hmoty článku,“ popisuje Pavel Hrzina.

A konstatuje: „Jeho recyklace je sice zatím v úplných počátcích, ale již dnes je tento materiál žádanou a obchodovanou komoditou. Trendem je, aby továrny vyrábějící baterie měly na svém vstupu v drtivé většině recyklované materiály, tedy aby u všech prvků fungovala cirkulární ekonomika, podobně jako je to již dnes například v případě mědi.“

Nebylo by asi příliš složité zařídit, aby každá baterie měla unikátní kód spojený se jménem majitele, který by byl povinný ji po skončení životnosti odevzdat recyklační firmě. Již dnes fungují sběrny na drobné jednorázové baterie, podobně mají recyklační procesy nastaveny i auto­mobilové firmy. U mobilů a podobných elektronických zařízení je situace o něco složitější, protože tuto „hračku“ lze ztratit, někdo ji ukradne nebo se z jiných důvodů do recyklačního řetězce nedostane, ale ve srovnání s velkými bateriemi jde v globálním světě jen o malé zlomky strategických materiálů.

Suroviny

I kdyby v případě baterií recyklační cirkulární ekonomika stoprocentně fungovala, stále bude potřeba těžit nové materiály. Za prvé proto, že celosvětově roste poptávka a výroba, ať již jde o elektromobily, domácí bateriová úložiště/komunální energetiku, nebo větší bateriové úložiště sloužící ke stabilizaci sítě po výpadku centrálních zdrojů typu uhelných, plynových, či dokonce jaderných elektráren. Za druhé z důvodu dlouhé životnosti akumulačních baterií, která se dnes díky jejich vylepšení ochrany a mělkým cyklům nabíjení/vybíjení pohybuje v řádu deseti i více let – což znamená, že se prodlužuje i doba, po které se z nich mohou vzácné materiály recyklovat.

Podle americké vědeckovýzkumné vládní agentury Geological Survey se loni na globálních trzích spotřebovalo 74 procent světové produkce lithia na výrobu baterií a realistické odhady hovoří, že se v letech 2021 až 2026 může poptávka po něm téměř ztrojnásobit. Na to reaguje i jeho cena na světových trzích, která se za uplynulých pět let rovněž ztrojnásobila. V této souvislosti se proto opět dostávají do hry ložiska lithia objevená v bývalých dolech na cín a wolfram na Cínovci v Krušných horách, kde by podle odhadů geologů mohlo být jedno až tři procenta světových těžitelných zásob. Lithium je zde sice obsažené ve slídách „uvězně­ných“ v žule s výnosností 0,05 až 0,1 procenta, což odborníci donedávna považovali z ekonomického hlediska za sebevraždu, ale situace se zřejmě změnila.

Do české společnosti Geomet, která v oblasti provádí průzkum, vstoupil nedávno ČEZ a zajistil si v ní 51procentní majoritu, navíc loni uzavřel s Ústeckým krajem memorandum na vybudování giga­factory, která by tento kov v budoucnosti měla zpracovávat. Podobně však postupuje z druhé strany hranice i německá firma Zinnwald Lithium a její partner AMG již v blízkosti dolu buduje vlastní gigafactory, jejíž spuštění očeká­vá na konci letošního roku. ČEZ zatím aktuálně dokončuje studii proveditelnosti a připravuje prostor pro vybudování giga­factory v areálu bývalé uhelné elektrárny Prunéřov 1.

Další strategickou surovinou z domácích zdrojů je mangan v haldách „hlušiny“ po těžbě pyritu u Chvaletic, zejména pro baterie typu NMC (nikl-mangan-kobalt), jejichž výhodou je nízká hmotnost, ale zároveň vysoká energetická hustota i výkon a které nacházejí uplatnění nejen jako trakční baterie, ale i jako baterie akumulační pro domácí úložiště. Již na konci osmdesátých let zde provedl tehdejší státní podnik Bateria Slaný studie proveditelnosti výroby oxidu manganičitého pro využití v suchých bateriových článcích, ale těžit se nakonec nezačalo.

V současnosti zde začíná mangan těžit kanadská firma Euro Manganese, respektive česká dceřiná holdingová společnost Mangan Chvaletice, zatím jen ve fázi pilotního ověřovacího projektu. S tím, že velký závod na těžbu i zpracování manganu, o nějž již projevily zájem automobilky, jako jsou Volkswagen, Tesla, GM či Stellantis, se vybuduje do roku 2027. Těžba manganu ze zdejších výsypek má trvat minimálně 25 let a roční produkce je odhadována na 50 tisíc tun, což by mělo pokrývat zhruba čtvrtinu evropské poptávky.

Výroba a technologie

Nabízí se proto otázka, zda tyto domácí suroviny umíme využít i v celém výrobním cyklu, ideálně v rámci Česka. Co se týče elektromobility, vstupují do hry konsolidované dodavatelské řetězce – automobilky, jako jsou Škoda nebo Hyundai již spustily v tuzemských provozech výrobní linky na baterie jak pro elektroauta, tak pro plug-in hybridy, ale jde v podstatě jen o finální montáže modulů od externích dodavatelů. Plán na gigafactory skupiny VW v Česku sice není ani po loňské stopce mrtvý, ale zatím se stále rozhoduje, zda bude proveden u nás, nebo v jiné evropské zemi.

Podle předsedy představenstva Škody Klause Zellmera nyní společnost vyčkává, co konkrétního přinese nová legislativa evropské Zelené dohody, respektive její začlenění do národních legislativ z hlediska dotací a investičních pobídek. Naše legislativa a státní pobídky jsou ostatně Achillovou patou celého českého bateriového průmyslu. Přitom máme kapacity, dostatek kvalifikované pracovní síly i rozvinutý výzkum a vývoj, ale chybí tah na branku, zejména proto, že neexistuje žádná ucelenější strategie pro podporu jak nových technologií, tak pro samotnou výrobu.

„Česko je v průmyslu tradičně velmi silné a hlavně zde máme i významnou vědeckou a vývojovou základnu právě v elektrochemii,“ říká Jan Procházka, který získal několik mezinárodních patentů v oblasti bateriových systémů a v současnosti vede prototypové centrum HE3DA v pražských Letňanech. A dodává: „Jednou z ryze českých technologií, která před 20 lety předběhla dobu, ale dodnes se využívá, jsou lithio-titanátové baterie. Ty se nabijí během pár minut, nezahřívají se, nevybuchují a oproti jiným ve stejných aplikacích mají násobně delší životnost. Dnes tato technologie, jejíž výroba se v širším měřítku rozjela v asijských zemích, pohání baterie elektromobilů Mitsubishi, hybridních vozů Suzuki, elektrických autobusů a kolejových vozidel jak v Japonsku, tak třeba v americkém Bostonu.“

Podobná „revoluční“ řešení nabízí baterie HE3DA pro domácí akumulaci, komunitní energetiku nebo nabíječky pro elektromobily – a to v míře, že by jejich výrobu bylo možné zajistit přímo v Česku. Nikoli primárně z domácí surovinové základny, ale rozhodně pomocí vlastních technologií a výrobních závodů, podobně jako v minulosti zásoboval suchými články a olověnými akumulátory nejen české země státní podnik a později akciová společnost Bateria Slaný, než se její výroba přesunula do Asie. Což se stalo s významnou částí průmyslové výroby v bláhové naději západních společností na velké takzvané úspory z rozsahu a snížení nákladů. Dnes Asie (nejvíce Čína) zaujímá zhruba 80 procent (nejen) bateriového byznysu, a to nejen díky levnější pracovní síle a dostupnějším surovinám, ale i masivní státní podpoře průmyslové výroby.

Řečeno slovy Napoleona, probudili jsme „spícího tygra“ a nyní se probouzí i Evropa a USA, které chtějí do roku 2030 ukončit svou dosavadní závislost na bateriích z Číny, na což však budou muset vynaložit stovky miliard dolarů na podporu domácí výroby. První vlaštovkou je v tomto ohledu švédský Northvolt. Bateriová výroba se začíná pomalu rozvíjet i v Polsku nebo Maďarsku. „U nás by se měli co nejdříve zamyslet ministři financí a průmyslu. Díky státním investicím bychom mohli v každém ze 14 krajů vybudovat jednu gigafactory s roční kapacitou výroby baterií v řádu jedné gigawatthodiny, což by představovalo zhruba 2,5 bilionu korun ročně v obratu,“ vypočítává Jan Procházka.

A konstatuje: „Stát by z toho získal nejen velký zisk na daních, ale zároveň i vlastními silami dostatečnou kapacitu na stabilizaci sítě, bez potřeby platit za licenční výrobu baterií z asijských zemí.“ Stejně jako u solární energetiky, s níž jsou bateriová úložiště spjatá a co do akumulační kapacity představují největší část budoucí poptávky, se právě teď Česku a celé Evropě otvírá časové okno, když už ne k úplné soběstačnosti, pak aspoň ke strategické bezpečnosti výroby.