Po ponad 100 latach dominacji ropy naftowej przenośne zasilanie elektryczne wróciło do gry na skalę ogólnoświatową dzięki technologiom na bazie litu. Do roku 2025 średni wzrost rynku litowego jest szacowany na 19% rocznie (ponad 4-krotny wzrost ilości akumulatorów w skali 7-8 lat).

Thomas Alva Edison Fot. 1. Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Thomas_Alva_Edison

Od zarysu podstaw teoretycznych elektryczności (jednolita teoria elektryczności i magnetyzmu: James Clerk Maxwell, Elektryczność i Magnetyzm, 1873) było oczywiste, że energię elektryczną charakteryzuje wysoka sprawność przesyłania i przetwarzania, a co za tym idzie wygoda stosowania.

Zarys rynku

Zaletą energii elektrycznej jest brak jakichkolwiek zanieczyszczeń w miejscu użytkowania. Dla porządku należy podać też dwie główne wady: aspekt jej wytwarzania (mała sprawność i zanieczyszczenia w miejscu wytwarzania) oraz trudność w przechowywaniu. Od roku 1882, kiedy Thomas Edison włączył pierwszą na świecie sieć elektroenergetyczną, która dostarczała prąd do 59 klientów na Manhattanie, energia elektryczna konkurowała z naftą i gazem jako źródłami zasilania dla oświetlenia ulic i domów oraz napędu pojazdów i maszyn dla przemysłu. Równolegle jednak od momentu wynalezienia przez Ignacego Łukasiewicza procesu rafinacji ropy (1853) okazało się, że nafta/benzyna mają znacznie większą energię właściwą (Wh/kg i Wh/l) i szybko stały się atrakcyjniejsze dla całego przemysłu związanego z napędami pojazdów. Od przełomu wieków XIX/XX główny strumień światowego kapitału przemysłowego został skierowany w stronę energii z ropy naftowej. Potoczyło się to błyskawicznie, głównie za sprawą napędów spalinowych dla samochodów, samolotów i statków (cały transport), praktycznie utrącając potencjał wzrostu i zyskowności branży elektrycznej. Od roku 1908 (premiera Forda T) na okres około 100 lat branżę transportową zdominowała ropa. A branża transportowa to największa część przemysłu potrzebująca przenośnego źródła energii (np. jak bak paliwa w samochodzie).

Rafi neria I.Łukasiewicza w Bóbrce
k.Krosna, działa do dzisiaj od 1854 r.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Kopalnia_
ropy_naftowej_w_B%C3%B3brce Fot. 2. Rafineria I.Łukasiewicza w Bóbrce k.Krosna, działa do dzisiaj od 1854 r. https://pl.wikipedia.org/wiki/Kopalnia_ ropy_naftowej_w_B%C3%B3brce

W odróżnieniu od elektryczności, zasilanie urządzeń przenośnych pochodnymi ropy naftowej jest bardzo uciążliwe, niejednokrotnie niemożliwe, i zostało odrzucone przez rynek i użytkowników. W miarę rozwoju elektrotechniki postępowała miniaturyzacja urządzeń elektrycznych, zmniejszenie poborów mocy i energii, oraz rozwój przenośnych źródeł zasilania. Do lat 50-tych ubiegłego wieku stosowano akumulatory kwasowo-ołowiowe i baterie cynkowo-węglowe. Pod koniec lat 40 -tych XX wieku wynaleziono akumulatory niklowo -kadmowe, dzięki którym rozwinęła się radiokomunikacja przenośna (radiotelefony), oraz telefonia komórkowa na pierwszym etapie (lata 80 i 90-te XX wieku).
Od końca XX wieku rozpoczęło się powszechne stosowanie zasilania akumulatorowego opartego o ogniwa litowo-jonowe, oferujące duże pojemności elektryczne, pozwalające osiągnąć długi czas pracy urządzeń, przy stosunkowo małej masie akumulatorów.

Obecnie cztery główne grupy produktów zapewniają bardzo szybki rozwój elektroniki
i wymuszają konieczny rozwój źródeł zasilania (podane wg wielkości zapotrzebowania
na akumulatory) Fot. 3. Obecnie cztery główne grupy produktów zapewniają bardzo szybki rozwój elektroniki i wymuszają konieczny rozwój źródeł zasilania (podane wg wielkości zapotrzebowania na akumulatory)

Wszystkie te urządzenia są zasilanie z baterii i akumulatorów w technologiach na bazie litu. W skali najbliższych 5-7 lat nie widać przełomu technologicznego w tym zakresie. Litowe ogniwa nieładowalne oraz akumulatory litowo -jonowe, oferujące najlepsze parametry energetyczne i żywotnościowe oraz najszybszy rozwój, pozostaną dominujące na rynku pod względem rozwoju technologji i wzrostu wolumenu produkcji.
Równolegle prowadzone są badania fizykochemiczne nad nowymi systemami elektrochemicznymi (również na bazie litu, z innymi domieszkami, np. siarka, oraz ze stałym elektrolitem, tzw. ASSB: all-solid-state-batteries), ale przed wprowadzeniem na rynek wymagają one jeszcze lat badań na poziomie laboratoryjnym. Pierwsze rozwiązania spodziewane są najwcześniej w roku 2022.
Rynek chemicznych źródeł zasilania cały czas dynamicznie rośnie (średnio 19% rocznie), krzywa wzrostu jest wykładnicza. Szczególnie duży wzrost, na poziomie 23-27% rocznie, prognozuje się dla branży samochodów elektrycznych we wszystkich konfiguracjach (xEV): Hybryda HEV, Hybryda Plug-In (PHEV) i czysto akumulatorowe BEV (Battery EV).
W roku 2015 wartość energii zainstalowanej w ogniwach wynosiła ok. 450 GWh, w roku 2025 wartość ta powinna osiągnąć 1100 GWh. Najstarsza technologia tj. akumulatorowa (wynaleziona około 1850 r.), ogniwa kwasowoołowiowe, cały czas stanowić będzie większość ilościową (~55%), natomiast już od roku 2018 wartościowo (w USD) największą część stanowić będą ogniwa w technologii litowej. Analizując najnowocześniejszą technologię litowo-jonową, wartości energii zainstalowanej na świecie wynosiły: w 2015 około 80 GWh, w 2017 około 120 GWh. Prognoza na 2025 r.przewiduje co najmniej 490 GWh, a według scenariusza firm samochodowych nawet do 600 GWh.

Wzrost rynku akumulatorów Li-Ion w latach 2017-2025, średnio +19% rocznie.
Podział na segmenty rynku: a) pojazdy elektryczne – Chiny, b) pojazdy elektryczne – reszta świata, c) elektronika konsumencka, d) inne aplikacje
przemysłowe, e) systemy magazynowania energii. Źródło: fi rma konsultingowa AVICENNE Energy, Francja, styczeń 2018 Wzrost rynku akumulatorów Li-Ion w latach 2017-2025, średnio +19% rocznie. Podział na segmenty rynku: a) pojazdy elektryczne – Chiny, b) pojazdy elektryczne – reszta świata, c) elektronika konsumencka, d) inne aplikacje przemysłowe, e) systemy magazynowania energii. Źródło: firma konsultingowa AVICENNE Energy, Francja, styczeń 2018

Jeżeli scenariusz światowego wzrostu zapotrzebowania na akumulatory zacznie się realizować, potrzebnych będzie 10-20 ogromnych fabryk produkujących ogniwa, na które dzisiaj jeszcze nie ma nawet planów. Przykładem pierwszej udanej realizacji jest znana fabryka Gigafactory-1 wybudowana w Nevadzie przez firmy TESLA i PANASONIC kosztem wielu miliardów USD. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że ważnym czynnikiem ryzyka rozwoju branży staje się dostęp do metali i surowców strategicznych (kobalt, lit, nikiel, aluminium, miedź). Pozostaje to długofalowym zagrożeniem dla rozwoju branży zasilania na świecie i wymaga możliwie szybkiego wdrożenia efektywnych przemysłowo technologii recyklingu.

Przenośne systemy zasilania (pakiety akumulatorowe i bateryjne) – projektowanie, kwestia bezpieczeństwa i certyfikacji.

Przenośne systemy zasilania wymagają zapewnienia dobrych parametrów elektrycznych, w szczególności długich czasów pracy (duża energia), niezawodności, długiej żywotności oraz bezpieczeństwa stosowania.

Wizualizacja fabryki akumulatorów i samochodów elektrycznych firmy Tesla, Gigafactory-
1 w Nevadzie, USA. Docelowo zakładane jest zasilanie zakładu z paneli słonecznych.
Budowa fabryki jest na ukończeniu, ale zakład już osiągnął poziom produkcji seryjnej, co
prawda po około 8-mio miesięcznym opóźnieniu wobec planów. Źródło: https://insideevs.
com/gigafactory-1-fi nally-getting-rooftop-solar/ fot. 5. Wizualizacja fabryki akumulatorów i samochodów elektrycznych firmy Tesla, Gigafactory- 1 w Nevadzie, USA. Docelowo zakładane jest zasilanie zakładu z paneli słonecznych. Budowa fabryki jest na ukończeniu, ale zakład już osiągnął poziom produkcji seryjnej, co prawda po około 8-mio miesięcznym opóźnieniu wobec planów. Źródło: https://insideevs. com/gigafactory-1-fi nally-getting-rooftop-solar/ Fot. 6. Zapłon (widoczny dym) ogniw litowo-jonowych w zestawie akumulatorowym zasilania pomocniczego samolotu. Źródło: https://www.scientifi camerican.com/article/howlithium- ion-batteries-grounded-the-dreamliner/

Pożądany przez użytkowników wzrost zawartości energii w tych systemach stanowi wyzwanie dla konstruktorów projektujących systemy zasilania (pakiety akumulatorowe i bateryjne). Duża energia zwiększa potencjalne ryzyko awarii, nawet pożaru, dodatkowo duży system oznacza większe wymiary i masę, większą podatność na uszkodzenia.
Wszyscy znają przykłady awarii systemów zasilania, np. rok 2013 i uziemienie samolotów Dreamliner.

W celu uniknięcia zdarzeń tego rodzaju układ zasilania musi być opracowany z podejściem systematycznym i całościowym. Należy uwzględnić nie tylko bardzo korzystną dużą zawartość energii w akumulatorach, ale również szereg czynników, które mogą potencjalnie doprowadzić do uwolnienia się dużej energii w niekontrolowany sposób (podobnie jak może to się zdarzyć z zapłonem benzyny). Dlatego wyspecjalizowane zespoły inżynierów analizują całościowe wymagania urządzeń:

  • Integracja elektryczna źródła zasilania z urządzeniem/odbiornikiem. Analiza całościowa: podejście energetyczne, mocowe, żywotnościowe (np. lata pracy), warunki środowiskowe (szczególnie temperatura, wilgotność), kluczowe parametry systemu. Projektowanie systemu wg zasad lean-management, aby uzyskać możliwie szybką, efektywną i optymalną kosztowo produkcję źródła zasilania.
  • Mechanika pakietu akumulatorowego/bateryjnego. Analiza czy występują narażenia mechaniczne (wibracje, uderzenia), jakie jest optymalne wypełnienie objętości przeznaczonej na system zasilania, zapewnienie trwałości konstrukcji (np. sztywności i odporności na wypadki), zaprojektowanie systemu mocowania do urządzenia, obudowy, itp.
  • Zaprojektowanie układów elektroniki zabezpieczającej pracę ogniw w trybach ładowania, rozładowywania, transportu, uśpienia-magazynowania. Bezwzględna konieczność zaprojektowania BMS (Battery Management Systems) i wyposażenie go w funkcje dodatkowe, np. komunikację pakietu zasilania z urządzeniem i/lub bezpośrednio z użytkownikiem (np. poprzez bluetooth do smartfona). W większości przypadków konieczne jest napisanie wbudowanego oprogramowania (embedded firmware), które będzie zainstalowane w procesorach nadzorujących pracę zasilania.
  • Analiza potrzeb związanych z wymaganą certyfikacją systemów zasilania. Istnieje wiele norm przemysłowych i bezpieczeństwa, które narzucają konieczność specjalistycznych testów i certyfikacji. Niektóre normy są wymagane prawem UE i światowym, inne są wymogami rynków lokalnych (np. USA, Korea, Brazylia, Rosja, Chiny).
  • Opracowanie efektywnego procesu produkcji seryjnej w celu uzyskania możliwie niskiej ceny produktu. Już w fazie wstępnej projekt produktu musi uwzględnić szybkość procesu produkcji. Należy zaprojektować linię produkcyjną, osprzęt pomocniczy oraz efektywny plan kontroli jakości. W procesie kontroli kluczowy jest aspekt pewności i bezpieczeństwa źródeł zasilania o coraz większych energiach.

Industry 4.0 Fot. 7. Industry 4.0 Fot. 8. Napędy elektryczne Fot. 8. Napędy elektryczne Fot. 9. Elektronarzędzia Fot. 9. Elektronarzędzia Fot. 10. Urządzenia medyczne . Rheo-magnetyczna
proteza kolana z zasilaniem
akumulatorowym i sterowaniem
przez pacjenta. Zestaw akumulatorowy
do zasilania medycznego
rejestratora danych Fot. 10. Urządzenia medyczne . Rheo-magnetyczna proteza kolana z zasilaniem akumulatorowym i sterowaniem przez pacjenta. Zestaw akumulatorowy do zasilania medycznego rejestratora danych

Przykładowe projekty systemów zasilania

Industry 4.0. System zasilania robotów magazynowych w pełni automatycznego magazynu. Cechy:

  • technologia litowo-jonowa LFP,
  • wytrzymała konstrukcja przewidująca zderzenia w momencie dokowania robota po szybkiej jeździe
  • duża moc pracy akumulatorów i szybkie ładowanie,
  • długa żywotność (do 6000 cykli pracy, w trybie 24 h przez 365 dni),
  • autonomiczne dokowanie do ładowania,
  • skomputeryzowane zarządzanie pracą robotów, optymalizacja przerw na ładowanie,
  • komunikacja wspomagająca systemy Big Data i analizę danych.

Napędy elektryczne. Zasilanie systemu napędu maszyn czyszczących:

  • wysoka energia Li-Ion,
  • wysoki stopień ochrony IP odporność na kurz i wodę,
  • konstrukcja dostosowana do specjalnego kształtu urządzenia umożliwiającego czyszczenie miejsc nietypowych,
  • zunifikowane komponenty, łatwe w montażu seryjnym, szybka i stabilna produkcja o wysokiej i powtarzalnej jakości i niskiej cenie.

Elektronarzędzia. Zasilanie profesjonalnego sprzętu budowlanego:

  • odporność na użytkowanie w warunkach placu budowy: szczelność, wytrzymałość mechaniczna (wilgotność, pył, ekstremalne wibracje i uderzenia, upadki, ciągłe przeciążenia),
  • przy zachowaniu powyższego konstrukcja jest częściowo otwarta dla chłodzenia powietrzem,
  • funkcje pełnej rejestracji danych i zdalnej diagnostyki poprzez elektroniczny BMS,
  • komunikacja CAN,
  • skalowalna konstrukcja modułowa,
  • długa żywotność.

Urządzenia medyczne. Zasilanie w technologii Li-Ion dla rheo-magnetycznych protez kończyn oraz rejestratorów medycznych:

  • najwyższa możliwa jakość i niezawodność wymagana w standardach produkcji medycznej,
  • miniaturyzacja elektroniki (wbudowany układ ładowania i interfejs użytkownika),
  • elektronika zapewnia rejestrację wszystkich danych wymaganych przez sprzęt medyczny oraz pacjenta dla bezpiecznego codziennego użytkowania,
  • spełnienie wymagań certyfikacji medycznej na cały świat,
  • funkcjonalność wymagana dla zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta,
  • proces projektowania prowadzony zgodnie z wysokimi wymaganiami standardów medycznych,
  • wielokrotne testy w celu potwierdzenia niezawodności i bezpieczeństwa dla pacjenta,
  • projekt systemu uzyskał certyfikację medyczną w odpowiedniej klasie, obowiązującą na cały świat,
  • jakość produktu i procesu produkcji jest audytowana i raportowana przez jednostkę certyfikującą,
  • stuprocentowa jakość produktu przy skali produkcji stu tysięcy sztuk rocznie.

Sprzęt IoT. Zasilanie zautomatyzowanych przemysłowych mierników gazu z przesyłem danych w czasie rzeczywistym poprzez Internet do stanowiska kontroli zagrożeń:

  • technologia zasilania Li-Ion,
  • najwyższa gęstość energii systemu dostępna na rynku (~260 Wh/kg),
  • najwyższa jakość i niezawodność ogniw, z maksymalną dostępną technologicznie powtarzalnością i stabilnością parametrów (napięcie, rezystancja i pojemność, oraz możliwie identyczna zmienność parametrów ogniw w czasie użytkowania [starzenia]), jest to niezbędne dla dokładności pomiarów,
  • proces projektowania układu zgodny ze wymaganiami standardów dla urządzeń zapewnienia bezpieczeństwa ludzi (functional safety),
  • elektronika sterująca rejestruje wszystkie dane dotyczące przepływu gazu i reaguje w czasie rzeczywistym na przekroczenia parametrów.

Fot. 11. Sprzęt IoT Fot. 11. Sprzęt IoT

Podsumowanie

Dynamicznie rozwijający się rynek elektroniki (głównie telefony i tablety) oraz pojazdów elektrycznych, szybki postęp technologiczny i rosnący popyt na inteligentne urządzenia elektroniczne to główne czynniki napędzające wzrost zapotrzebowania na przenośne systemy zasilania. Regulacje rządowe (np. Chiny) zmuszające do korzystania z akumulatorów w celu zmniejszenia zanieczyszczeń to inne ważne czynniki wzmacniające wzrost rynku.
Branża zasilania rozwija się wraz z poszerzaniem obszaru zastosowań. W skali do 10 lat nie rysuje się żaden przełom technologiczny, widoczny jest ewolucyjny, stopniowy rozwój poprzez ulepszanie konstrukcji chemicznych źródeł energii. Jednakże względy bezpieczeństwa (rosnąca energia ogniw, konieczność precyzyjnego nadzoru ich pracy) oraz dostęp do surowców strategicznych pozostają zagrożeniem dla szybkiego rozwoju branży zasilania na świecie.
Bez wątpienia dwa aspekty zadecydują o rozwoju lub narastaniu ograniczeń dla branży. Są to:
a) bezpieczeństwo systemów – kompleksowe podejście do bezpiecznego projektowania i produkcji systemów zasilania, oraz rzetelnego ich testowania zgodnie z ciągle zwiększanymi światowymi wymaganiami i standardami w zakresie bezpieczeństwa oraz
b) wdrożenie efektywnego przemysłowo recyklingu w celu uniknięcia braku surowców.

Mgr inż. Krzysztof Lubianiec
Business Development Partner
Wamtechnik Sp. z o.o.
www.wamtechnik.pl