HE3DA v roce 2020: baterie do mrazu, bateriový box pro domácnosti nebo výkonová řada

O novinkách firem HE3DA a MES jsme hovořili s Janem Procházkou, vynálezcem technologie HE3DA a Václavem Binarem, předsedou představenstva projektu Magna Energy Storage.

Výroba v Horní Suché

Jak pokračuje rozjíždění linky v Horní Suché?

Václav Binar: Do konce roku počítáme se zkušební výrobou. Musí si to sednout, aby takt jednotlivých strojů do sebe zapadnul, a od příštího roku už jsme byli schopni vyrábět kontinuálně série. Počátkem ledna už by se mělo najíždět na větší série a postupně na standardní komerční výrobu. První baterie půjdou do pilotních projektů a na certifikace. Jsme tedy ve fázi, kdy první linka naběhla do zkušebního provozu, a máme řadu referencí postavených na bateriích z Letňan.

• Dodávky baterií HE3DA začnou letos. Ale až na výjimky mimo ČR

Pokud jde o certifikaci, váš kolega Radomír Prus na tiskové konferenci zmiňoval, že certifikáty pro uvedení na trh už máte…

Jan Procházka: Pro uvedení na trh ano, máme od TÜV dohled, C E, ale potřebujeme ještě řadu dalších. Budeme potřebovat transportační certifikát, aby se naše baterie nemusely převážet jako nebezpečný náklad, dále potřebujeme několik certifikátů pro automobilový průmysl, jako jsou vibrace a také bezpečnostní suitu UL, jako jsme dělali u prototypů z Letňan. Certifikace zabere další čas, ale je to nutné pro pohodlné uplatnění na trhu.

Václav Binar: Některé zakázky certifikáty vyžadují. Do auta nebo do letadla nemůžete dát baterii, kterou nemáte patřičně ocertifikovanou. Ale třeba pro úložiště k solárnímu parku nebo k nabíjení elektromobilů už máme všechno, co potřebujeme, to už můžeme normálně nainstalovat.

Jsou známi už někteří zákazníci, kteří by mohli poskytnout reference? Na tiskové konferenci při slavnostním otevření továrny byla opakovaně zmíněna Veolia.

Václav Binar: Veolii můžeme zveřejnit, protože ta není jen zákazníkem, ale podílí se s námi na vývoji některých systémů. Ale co se týče větších kontraktů, ty zatím zveřejňovat nemůžeme, smlouvy jsou v tomto striktní. Tam se zatím pohybujeme na úrovni „postavíte prototypovou instalaci, vyzkoušíme, pokud projekt splní naše očekávání, budeme tento kontrakt realizovat“. A v této fázi ještě nikdo nechce, aby se o tom mluvilo. Jednak se zatím neví, jak spolupráce dopadne a tak nikdo nechce nic slibovat a za druhé to klienti berou tak, že oni jsou ty velké firmy, na kterých my si budujeme jméno. A do doby, než jim předáme první baterie, vyzkoušíme, ověříme, případně doladíme a podepíšeme velkou smlouvu, tak se nic zveřejnit nedá.

Jan Procházka: Pokud ale tyto kontrakty vyjdou, tak bude mít Horní Suchá o odbyt postaráno, jsou to gigawatthodinové kapacity.

Katalogové parametry současných článků:

• Tloušťka elektrody: 1,7 mm
• Nominální napětí: 3,7 V
• Minimální vybíjecí napětí: 2 V
• Maximální nabíjecí napětí: 4,2 V
• Doporučené napěťové rozpětí: 2,5–4,1 V
• Nominální kapacita: 270 Ah
• Nominální energie: 1 000 Wh
• Maximální nabíjecí špičkový proud z vybitého stavu: 300 A
• Doporučený kontinuální nabíjecí proud: < 30 A
• Maximální nabíjecí špičkový proud v nabitém stavu: 1 000 A
• Doporučený kontinuální vybíjecí proud: < 80 A
• Počet cyklů při 10 % DOD: > 100 000
• Počet cyklů při 100 % DOD: 1 000
• Teplotní rozsah: −10 až 80 °C
• Rychlost reakce baterie na výkyvy proudu +80 A na −80 A: 40 ms

Komerční článek (modrý) z továrny Magna Energy Storage, foto© TZB-info

Baterie z Horní Suché

Na Vánoce 2019 jste představili první článek vyrobený na lince v Horní Suché. Změnilo se něco na těchto článcích od té doby?

Jan Procházka: Od prvních zkušebních kusů jsme vylepšili téměř všechno – kontakty, energetickou hustotu, zkoušely se různé tloušťky elektrod, vylepšili jsme i směs aktivních materiálů a také výrobní proces.

Václav Binar: Tam došlo k podstatným konstrukčním změnám i k úpravě výrobních procesů s ohledem na hospodárnost výroby. Baterii jsme oproti designu v Letňanech odlehčili, takže teď váží zhruba 11 kilo, tedy 100 Wh/kg. To není ani tak podstatné z hlediska aplikací, u solárního pole je jedno, jak bude baterie těžká. Ale je to podstatné z hlediska výroby – prostě na výrobu potřebujete méně materiálu.

Oproti prvnímu kusu, který jste představili na konci loňského roku, mají současné baterie navíc plastový povrch.

Václav Binar: Baterie budou v liniích v tisícivoltových systémech a potřebují vysokonapěťovou ochranu, takže baterie má povrchovou vrstvu z polyetylenu s křemíkem. Záleží ale na zákazníkovi, vysokonapěťová ochrana může být volitelná, v menších aplikacích být nemusí.

Při slavnostním zahájení stál v areálu váš krychlový box u nabíječky elektromobilů. Kromě něj stál ale o kus dál na parkovišti další kontejner s nápisem HE3DA. To byla také nějaká baterie?

Václav Binar: To je náš prototypový kontejner. Kromě té půlmegawattové krychle, kde máme kontejner vyrobený na míru, připravujeme i instalace do standardních kontejnerů. Chceme odladit škálovatelné řešení pro různé velikosti kontejnerů a tak vyvíjíme metodu osazení, abychom do daného objemu dostali co nejvíc kilowatthodin. Design ještě nemáme dotažený, v tuto chvíli je to ve fázi rozpracovaného prototypu.

Kontejnerové úložiště s kapacitou 0,5 MWh – katalogové parametry

• Nominální kapacita: 540 000 Wh
• Nabíjecí proud: 30–270 A
• Vstup DC: 1 100–90 V
• Výstup DC: 110–90 V
• Špičkový výkon: 540 kW
• Provozní teplota okolí: −30 až 80 °C
• Hmotnost: 9 500 kg

Bateriový kontejner HE3DA s kapacitou 0,5 MWh, foto© TZB-info

Prototyp standardního kontejneru osazeného bateriemi HE3DA

Nová výkonová řada baterií HE3DA

Na slavnostním otevření byly k vidění i černé baterie z Letňan, ovšem s oranžovým víkem. V čem se liší od zelenočerných baterií, které jsme mohli v Letňanech potkávat donedávna?

Jan Procházka: Oranžové baterie jsou výkonová řada, „power line“, zelená je energetická řada, „energy line“. Baterie výkonové řady má tenčí, půlmilimetrové elektrody a lze ji nabít na 80 % během půl hodiny a za stejnou dobu ze 100 % vybít. Tuhle baterii máme velmi rádi, protože s ní dosahujeme téměř totožných výkonových parametrů, jako tenkovrstvé baterie zavedených výrobců. Přitom v parametrech cyklické stability, ztrát nebo rychlosti nabíjení je tahle baterka ještě lepší. Je to ale samozřejmě dražší na výrobu ve srovnání s naší power line.

Václav Binar: A proto já jediný oranžovou baterii rád nemám (smích). Tenčí vrstvy znamenají víc operací na lince a víc materiálů. Tedy dražší a pomalejší výrobu. Ale není to nijak neobvyklé, i zavedení výrobci dělají více typů baterií a mají své výkonové řady. Ale i tak je výroba tenkovrstvé power line efektivnější než výroba tenkovrstvých baterií. Stále je to 500 mikrometrů versus 50 mikrometrů vrstva a článek 14 Wh versus 1 000 Wh ve prospěch HE3DA.

Takže jediná výhoda původní zelené baterie oproti nové oranžové je cena?

Jan Procházka: Druhou výhodou zelené baterie je rychlost výroby. Jak zmínil kolega Binar, výroba „oranžové baterie“ obnáší třikrát víc manipulací na lince a tedy třikrát delší dobu výroby. Také je tam třikrát víc separátoru. Jinak mají ale obě baterie shodné vlastnosti, co se týče bezpečnosti, odolnosti a dalších. Zelená je levnější a rychleji se vyrábí, oranžová má vyšší výkon a rychleji se nabíjí, ale vyrobit ji trvá déle.

Václav Binar: Nutno říct, že pro většinu aplikací je ale zelená baterie víc než dostačující. Když chci baterii k fotovoltaice, abych si uložil výrobu ze dne na večer a pokryl špičky, tak nepotřebuji kupovat o 30 % dražší baterii s vysokým výkonem, když mi na to stačí standardní model. Sériová výroba zelené baterie je pro nás nejvýhodnější v poměru cena, výkon a náročnost výroby.

Jan Procházka: Vezměte si třeba nahrazení olověných baterií, které dnes slouží jako záložní baterie v nemocnicích, v bankách a musí se měnit každé tři až čtyři roky. Přitom nemusí ani jednou nastat situace, kdy elektřina opravdu vypadne. Tam nejsou potřeba drahé a výkonné baterie. Kdyby olovo vyměnili za naše baterie, mají na dvacet let vystaráno. A zelená baterie na to bez problémů stačí, je schopná dát ve zkratu 1 500 ampér, nebo delší dobu 500 ampér. To není vůbec málo.

Václav Binar: V budoucnu budeme mít sestavu v rámci kontejnerů pro průmyslové aplikace, kde je potřeba extrémní výkon po delší dobu. Tam bude řekněme 600 článků „pomalých“, a 200 „rychlých“, oranžových. A poměr obou typů se bude nastavovat podle toho, jaké vlastnosti bude zákazník u své baterie potřebovat, aby zbytečně nepřeplácel za výkon, který nevyužije.

Prototypové baterie HE3DA ve dvou výkonových řadách. Zelená – power line, oranžová – energy line. Foto© TZB-info

Pan Prus také na několika konferencích hovořil ještě o typu baterií podle vzhledu zvané „sardinky“

Jan Procházka: To je také výkonová řada, jsou postavené na půlmilimetrových elektrodách, ale jsou ještě propracovanější. Takže je můžete nabít do 15 minut a ve zkratu je vybijete třeba za 5 minut. S výkonem můžeme jít ještě výš, ale to už využije málokdo. To budou speciální baterie, ne výrobky pro velké série a tomu samozřejmě bude odpovídat i cena.

Ze světa přicházejí zprávy o bateriích, které ustupují od směsí s kobaltem. Počítáte do budoucna i s jinými materiály?

Jan Procházka: Zkoušíme samozřejmě i nové chemie, například materiály na bázi síry a kovové lithium. Energetická hustota je těchto materiálů 10× vyšší, než u materiálů současných. Ale baterie zase nebude mít tak vysoký výkon. To se ale bavíme o dlouhodobém vývoji, to nebude hotové v nejbližších letech.

Mrazuvzdorná baterie

Prototypy se speciálním elektrolytem byly na slavnostním zahájení umístěny v mrazáku při −13 °C, přičemž bezprostředně po vyjmutí byly schopny dodat proud ve stovkách ampérů. Foto© TZB-info

Je známo, že o baterii HE3DA projevila zájem i NASA, která je chce využít na měsíci. Zásadní je přitom schopnost fungovat i při nízkých teplotách. Jak funguje vaše baterie pro nízkou teplotu, v čem je ta inovace?

Jan Procházka: Rádi bychom dodali řešení pro takzvanou lunární noc. Inovací byla celá řada, upravovala se porezita, sběrače proudu, ale základem všeho je elektrolyt. Zkoušeli jsme komerční elektrolyty, ale žádný nám nevyhovoval. Tak jsme si navrhli vlastní, se kterým dosahujeme velmi uspokojivých výsledků. Momentálně tak máme elektrolyt a baterii, která funguje i při −60 °C. Optimální výkon má ale zhruba do −40 °C, zbytek se musí dohnat izolací a vyhřívacím systémem. Izolaci a vyhřívání samozřejmě mají i dnešní baterie, ale ty baterie ohřívají zvenčí. A kolega Prus vymyslel takové řešení, kdy se zahřívá baterie vnitřním odporem. Máme tak menší ztráty a takto vybavené baterie vydrží i dlouhou měsíční noc.

Jestli byla hlavní inovace v elektrolytu, nefungovala by s tímto elektrolytem uspokojivě i některá z baterií s klasickou konstrukcí?

Jan Procházka: Celé řešení je samozřejmě složitější, než jen výměna elektrolytu, je to celý systém, ale podrobnosti k tomu sdělovat nechci. Možná, že by to nějaký jiný tým taky zvládnul, ale za ta léta, co na tom NASA pracuje, to zatím nikdo nedokázal.

Domácí, firemní a záložní úložiště

Při otevření jste představili i bateriové boxy s kapacitou 15 kilowatthodin určené pro koncové zákazníky jako jsou domácnosti nebo firmy. Tyto boxy mají v podstatě standardní konstrukci včetně battery managementu a souvisejícího software. Současně s tím jste ale prezentovali doslova jednotlivé baterie vyskládané na paletě s přidruženým měničem, jako jednoduché úložiště, které si může každý zapojit sám a nic dalšího k tomu nepotřebuje. Navíc dlouhodobě razíte tezi, že správná cesta pro vaše úložiště je bez řídicí elektroniky. Proč tedy nabízíte i domácí úložiště s battery managementem?

Jan Procházka: obě varianty jsou správně, záleží na zákazníkovi. Když chce domácnost roky provozovat domácí úložiště, aniž by musel majitel cokoli řešit a mít k tomu pohodlný přístup přes mobil, tak pro takovou baterii potřebuje i hlídací a řídicí systém. Pokud ale potřebujete někde operativně postavit záložní baterii na několik dní, týdnů nebo měsíců, stačí vám opravdu ta paleta, kde si jednotlivé baterky během pár minut pospojujete a nemusíte připlácet za žádné složitosti. Domácí box má navíc danou jednu kapacitu, z „článků na paletě“ si poskládáte kapacitu, jakou potřebujete. Pokud zákazník chce, můžeme mu k tomu doplnit i ekvalizér, který ty články na paletě jednou za čas srovná, pak to celé může fungovat ještě déle.

Ad hoc postavená ostrovní solární nabíječka elektromobilů. Připojený elektromobil se nabíjí stabilním výkonem zhruba 3,6 kW. Když svítí slunce, dodává elektřinu fotovoltaika, když je pod mrakem, jde proud z baterií. Foto© TZB-info

Ad hoc postavená ostrovní solární nabíječka elektromobilů. Připojený elektromobil se nabíjí stabilním výkonem zhruba 3,6 kW. Když svítí slunce, dodává elektřinu fotovoltaika, když je pod mrakem, jde proud z baterií. Foto© TZB-info

Baterie vyskládané na paletě stačí pospojovat k získání požadované kapacity (čtvrtá paleta na obrázku je využita jen napůl). Celá nabíječka byla instalována během několika hodin v rámci slavnostního otevření továrny MES v září 2020. Foto© TZB-info

Na tomto základě funguje i vaše pilotní instalace v Nevadě?

Jan Procházka: Ano, tam je to stejné, na ranči v Gerlachu není žádná řídicí elektronika, pouze monitoring. Mimochodem letos oslavila tato baterie dva roky spolehlivého provozu.

Jeden z našich čtenářů rád sleduje tuto instalaci online a všiml si, že občas úložiště vykazuje hodnoty blízké havarijnímu stavu.

Bateriový box HE3DA – katalogové parametry

• Nominální kapacita: 15 000 Wh
• Nabíjecí proud: 35 A
• Vstup DC: 45–61,5 V
• Výstup DC: 45–61,5 V
• Doporučená zátěž: 25 A
• Doporučená maximální zátěž: 100 A
• Zkratový proud: 100 A
• Provozní teplota okolí: −30 až 80 °C
• Hmotnost: 200 kg
• Předpokládaný počet cyklů: 5 000
• Předpokládaná životnost 20 let

K těmto bateriím jsou připravené i dva invertorové boxy postavené na měničích Victron Energy – jednofázový s výkonem 10 kVA a třífázový s výkonem 3×5 kVA, oba s výstupním napětím 230 V. Oba boxy umí ostrovní režim, stejně jako zajištění nulového přetoku do sítě. K oběma invertorům lze připojit libovolný počet bateriových boxů. Volitelným příslušenstvím je i wallbox Phoenix Contact na nabíjení elektromobilů.

Bateriový box HE3DA s kapacitou 15 kWh (uprostřed), po stranách jsou boxy s měniči a řídicí elektronikou. Foto© TZB-info

Jan Procházka: To internetové sledování má na svědomí už několik planých poplachů, kvůli kterým jsem musel do Gerlachu osobně. Jednou nám na jednom článku zničehonic vyskočila teplota na 70 stupňů, tak jsem se lekl, že je tam někde zkrat a jel jsem to zkontrolovat. Na místě jsem našel studenou baterii a to, co hřálo, byl porouchaný elektronický teploměr. Podruhé zase monitoring u dvou článků vedle sebe ukazoval takový rozdíl v napětí, který by vůbec neměl vzniknout. Opět to vyžadovalo kontrolu na místě, kde jsem články přeměřil a zjistil, že oba mají shodných 4,03 voltu, stejně jako ostatní články kolem.

Celou dobu říkám, že elektronika spolehlivost úložiště snižuje a toto je přesně ten případ. Naštěstí v Gerlachu je to jen monitoring a na běh ani stav úložiště to nemá žádný vliv. Baterie fungují přesně, jak mají, samy si udržují potenciál a jediné, co to vyžaduje, je jednou za rok dorovnat rozdíly napětí, které se tam nastřádají.

Baterie pro závodní kamion a solární katamarán

Na slavnostním zahájení byl i Karel Loprais se svým kamionem, se kterým jezdí rallye Dakar. Jaké baterie pro něj připravujete?

Jan Procházka: V první fázi to bude startovací baterie, která vychází z naší výkonové řady a umí dodat velmi vysoké startovací proudy. Tu zkoušíme teď, aby ji měli na příští etapu už dostatečně ověřenou. No a druhá fáze je celý elektrický kamion. Tam se začíná pracovat nejen na baterce, ale i na elektronice a na motorech. Tam uvidíme, jak se bude spolupráce vyvíjet a kolik času to celé zabere. Hlavní je, aby byl výsledek 100 %, na Dakar si nemůžeme dovolit poslat nevyzkoušený prototyp. Není to žádný náš experiment, Lopraisovi jsou s námi v jednom týmu a vyvíjíme řešení, na které se půjde spolehnout i v extrémních podmínkách. Především to musí být bezpečné bez kompromisů.

Netříští vývoj kompletního elektropohonu pro závodní kamion vaše kapacity? Rozjíždíte linku v Horní Suché, chystáte baterku pro NASA, domácí powerboxy – chci říct, že toho máte rozdělaného docela dost.

Václav Binar: Máte pravdu, ale cílem této spolupráce není postavit si jeden demonstrační kamion. Tento projekt má přesah i do dalších aplikací, jako jsou lodě nebo armádní aplikace. Budeme tak mít trakční variantu baterie a vyzkoušíme si k ní i všechny související komponenty pro spoustu dalších navazujících projektů.

Jan Procházka: Když se to osvědčí v tak těžkých podmínkách, jako jsou na rallye Dakar, zvládne to i uplatnění v těžké technice, to je další potenciální trh pro naše baterie. A i motory pro elektromobily jsou odvětví, které teď začíná. Mít tady želízko v ohni rozhodně není na škodu.

Závodní kamion Karla Lopraise na slavnostním otevření továrny Magna Energy Storage. Foto© TZB-info

Prototypy startovací baterie HE3DA. Foto© TZB-info

A tento kamion bude používat vaši výkonovou řadu?

Jan Procházka: To bude veliká baterie, ta bude taky využívat kombinace obou typů.

Vizualizace solárního katamaránu s bateriemi HE3DA. Foto© TZB-info

Podobný model bude, předpokládám, i chystaný solární katamarán?

Václav Binar: Přesně tak, sebelepší výpočet nezahrne všechny proměnné a potřebujeme si na pilotní instalaci vyzkoušet, jak se budou chovat baterie na lodi. Katamarán se staví v Turecku, měl by být spuštěn na vodu na přelomu roku. Tato instalace by nám měla otevřít dveře k dodávkám baterií pro pohon kontejnerových lodí.

Recyklace baterií HE3DA

Na tiskové konferenci při slavnostním zahájení výroby bylo i upřesněno, proč jsou baterie HE3DA snadnější na recyklaci, než standardní lithiové články. Klasické lithiové baterie obsahují velmi tenké elektrody, které se snadno trhají a dále pojiva, která komponenty drží u sebe. K oddělení jednotlivých materiálů je potřeba baterie rozemlít a poté z nich loužením a tepelnými procesy získávat jednotlivé suroviny.

Naproti tomu baterie HE3DA neobsahují žádná pojiva ani lepidla a elektrody jsou tvořeny děrovanými kovovými pláty. Do otvorů v kovových plátech je vlisován aktivní materiál, elektrody jsou vyskládány na sebe, stlačeny a zajištěny několika šrouby.

Při recyklaci tak lze relativně snadno baterii rozebrat na jednotlivé elektrody, vysypat z nich aktivní materiál a tak jednoduše a mechanicky oddělit jednotlivé materiály, které se mohou prakticky bez odpadu znovu použít.