process & hSe department manager, atlS, Fluor S.a.
K
ońcem 2019 roku w Polsce zarejestrowanych było ponad 8,5 tysiąca samochodów z napę-dem elektrycznym, a liczba stacji ładowania przekroczyła tysiąc. W Unii Europejskiej zarejestro-wano 459 450 osobowych samochodów z napędem elektrycznym i jest to wzrost o 52,9% względem 2018 roku (dane ACEA – European Automobile Manufac-turers’ Association).czym jest elektromobilność?
W odpowiedzi na pytanie, czym jest elektromo-bilność, najbardziej trafnym zdaje się być twier-dzenie, że jest to trend popularyzacji pojazdów z napędem elektrycznym, do których zaliczyć można samochody w pełni elektryczne (BEV, ang. battery electric vehicles), hybrydy typu plug-in (PHEV, ang.
plug-in hybrid electric vehicles) czy wodorowe.
Fot.: shutterstock
CHEMIA PRZEMYSŁOWA 3/2020 63 e l e k t r o m o b i l n o ś ć
Pojazd w pełni elektryczny (BEV) to pojazd aku-mulatorowy, który do napędu wykorzystuje tylko i wyłącznie energię chemiczną (konwertowaną na-stępnie w elektryczną), skumulowaną w ogniwach (akumulatorach). Kluczowym elementem jest zatem ogniwo. Dziś, z uwagi na ich wysoką sprawność ła-dowania, wysoką gęstość energetyczną oraz niską wagę, zastosowanie znajdują ogniwa litowo-jonowe.
Według KE rynek baterii wykorzystywanych w pojazdach elektrycznych oraz sieciowych syste-mach zasilania do roku 2025 ma w Europie osiągnąć wartość 250 mld euro. Niemal wszyscy producenci uruchamiają lub zwiększają produkcję samochodów elektrycznych, dlatego powstają kolejne fabryki i za-kłady produkujące akumulatory, które choć jeszcze nieuruchomione, mają wyprzedaną produkcję na kilka lat. Na naszych oczach tworzy się konkuren-cyjny rynek produkcji baterii w Europie, obejmujący cały łańcuch wartości – od pozyskiwania surowców do recyklingu akumulatorów. Stanowi to również ogromny potencjał dla przemysłu chemicznego, który może podjąć wyzwanie dostarczania indywi-dualnych komponentów ogniw.
analiza komponentów ogniwa
Aby zrozumieć ogrom możliwości, jaki przemysł bateryjny otwiera dla innych gałęzi przemysłu, a w szczególności dla przemysłu chemicznego, wy-starczy przeanalizować poszczególne komponenty ogniwa.
Zadaniem katody oraz anody jest naprzemienne (w procesie ładowania oraz wyładowania), odwra-calne przyjmowanie oraz uwalnianie jonów litu we-wnątrz swojej struktury (rys. 1). Zarówno anoda, jak i katoda wytwarzane są w formie folii (aluminiowej w przypadku katody, lub miedzianej w przypadku anody), której powierzchnia pokryta zostaje cienką warstwą materiału aktywnego. Materiałem aktyw-nym katody zwykle są tlenki litu oraz różnych metali w postaci struktur krystalicznych (warstwowych, np.
tlenek litowo-kobaltowy LiCoo2 czy litowo-niklowy LiNio2 lub spinelowych, jak tlenek litowo-mangano-wy LiMn2o4) bądź związki na bazie żelaza, np. tlenek litowo-żelazowy LiFeo2 lub fosforan litowo-żelazowy LiFePo4. W przypadku anody materiałem aktywnym najczęściej są materiały węglowe.
W komercyjnych ogniwach litowo-jonowych sto-suje się dwa typy materiałów węglowych. Pierwszą grupą są materiały będące grafitem naturalnym o wysoce uporządkowanej strukturze, natomiast druga grupa to grafity otrzymywane syntetycznie na drodze pirolizy surowców ciekłych (tzw. soft carbons) lub stałych (tzw. hard carbons). obecnie prowadzonych jest wiele badań nad wykorzystaniem również innych materiałów jako anody, między in-nymi jest to grafen lub stopy metali z litem (takich jak cyna, aluminium czy krzem).
Elektrolit pełni funkcję nośnika jonów litu – zapewnia on przewodnictwo jonowe pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną. Większość ogniw li-towo-jonowych jako elektrolity stosuje bezwodne mieszaniny rozpuszczalnika organicznego, sole litu, takie jak: LiPF6, LiBF4 oraz funkcjonalne dodatki
rys. 1 Budowa ogniwa litowo-jonowego
ogniwa, mimo różnorodności kształtów oraz materiałów, z jakich są produkowane, mają wspólną cechę (podstawowe ich komponenty), takie jak:
• elektrody: anoda oraz katoda,
• separator,
• elektrolit,
• obudowa, w której poszczególne komponenty są zamknięte.
k o m p o n e n t y o G n i w a
Fot.: zasoby autora
podnoszące parametry elektroli-tu. Właściwości fizykochemiczne i elektrochemiczne elektrolitu (między innymi to, jak szybko jony litu migrują) zależą od za-stosowanego rozpuszczalnika organicznego, którym najczęściej jest mieszanina dwóch lub trzech organicznych węglanów: węglan etylenu (EC), węglan propylenu (PC), węglan dimetylu (DMC) bądź węglan etylometylowy (EMC).
Należy jednak pamiętać, że ciekły elektrolit jest substancją niesta-bilną termicznie, niebezpieczną oraz palną, dlatego coraz większą popularność budzi możliwość za-stosowania elektrolitu w formie
żelu. Prowadzonych jest również wiele badań nad możliwością wykorzystania stałego elektrolitu na bazie matrycy polimerowej (np. żywica akrylowa na bazie bisfenolu A). Elektrolity takie są nielotne, niepalne i wykazują wysoką stabilność termiczną, zatem ich zastosowanie niweluje ryzyko związane z wybuchem substancji lotnych/palnych.
Aby zapobiec stykaniu się elektrod, odseparowu-je się odseparowu-je za pomocą specjalnych membran polime-rowych – PE/PP (polietylen/polipropylen) zwanych separatorami. Separator poprzez funkcję, jaką pełni w ogniwach, stanowi o ich bezpieczeństwie. Selek-tywna membrana przepuszcza tylko jony litu przez system wewnętrznych mikroskopijnych otworów, zapobiegając bezpośredniemu przepływowi elek-tronów wewnątrz baterii, chroniąc ogniwo przed zwarciem. Separatory mogą również pełnić funkcję bezpiecznika, np. trójwarstwowa membrana PP/PE/
PP, gdzie po osiągnięciu wysokiej temperatury za-czynają się topić poszczególne warstwy, zamykając tym samym mikropory, co uniemożliwia przepływ jonu litu, wskutek czego bateria ulega „wygaszeniu”.
realizacja projektu zgodnie z trendami
Proces wytwórczy finalnej baterii sprzedawanej na rynku może być prowadzony w całości przez jed-nego właściciela na terenie dajed-nego zakładu, bazując jedynie za pozyskaniu z zewnątrz surowców. Inni wytwórcy mogą się decydować na zakup już gotowych poszczególnych komponentów (np. anoda i katoda) od różnych dostawców z zewnątrz i skomponowanie baterii z tychże elementów.
Bez względu jednak na rodzaj inwestycji, nie może zostać ona zrealizowana bez przygotowania odpowiedniego projektu, definiującego podstawowe założenia oraz wymagania, jakie muszą być speł-nione, aby móc wybudować oraz uruchomić daną instalację czy fabrykę. Aby z sukcesem zrealizować projekt, kluczowe jest zrozumienie oczekiwań in-westora/klienta, a następnie wkomponowanie ich
w szereg wymogów czy regulacji, a także dobranie odpowiedniej technologii, która pozwoli zrealizować założenia inwestycji.
Bardzo ważna jest umiejętność realizowania tradycyjnych projektów zgodnie z najlepszą sztuką projektową, ale jednocześnie otwartość i gotowość do poznawania i analizowania nowych technologii i trendów rozwojowych w przemyśle. Rozeznanie i zro-zumienie zaawansowanych technologii pozwala na przeanalizowanie tradycyjnych metod projektowania i ich odpowiednie zaadaptowanie do potrzeb realizacji nowych czy nietypowych wymagań. Są to na dzisiaj strategiczne umiejętności dobrej firmy projektowej, które mogą wspomagać decyzję inwestorów w podej-mowaniu wyzwań związanych z rozwojem w kierunku nowych technologii. Pozwala to zaoferować profe-sjonalne wsparcie dla klientów zainteresowanych potencjalną ekspansją przemysłu chemicznego, co byłoby odpowiedzią na rosnące zapotrzebowanie związane z rozwojem elektromobilności.
Warto również zwrócić uwagę, że obecnie pro-wadzonych jest wiele badań nad ogniwami litowo -jonowymi i materiałami wykorzystywanymi jako ich poszczególne komponenty. Stanowi to ogromny potencjał dla inwestycji związanych z realizacją in-stalacji pilotowych. Dla takich inin-stalacji renomowane biura inżynieryjne, jak Fluor, będą doskonałym part-nerem w wykonywaniu prac projektowych.
Biuro Fluor w Gliwicach realizuje projekty dla polskiego (i nie tylko) przemysłu chemicznego już od roku 1945. Bogactwo i dziedzictwo 75 lat doświadczeń sprawia, że gotowi jesteśmy stawiać czoła wyzwa-niom, jakie stawiają przed nami i naszymi klientami również nowe, wciąż rozwijające się technologie. Już dziś wspieramy jednego z gigantów na rynku euro-pejskim w produkcji baterii litowo-jonowych, a nasza wykwalifikowana kadra (inżynierów/branżystów czy kierowników projektów) zrealizuje tego typu inwestycje na rynku rodzimym, jeśli tylko pojawi się takie wyzwanie.
FLUOR IN POLAND
5
YEARSN
astępujące pomiary mogą być wykorzystywa-ne w celu oceny stanu techniczwykorzystywa-nego sprężarek śrubowych:• pomiary drgań wirników łożyskowanych ślizgowo,
• pomiary położenia osiowego wirników w celu oceny poprawności działania łożysk oporowych,
• sejsmiczne pomiary drgań węzłów łożyskowych (przy stosowaniu łożysk tocznych) oraz czasami innych wybranych elementów konstrukcji,
• pomiary temperatury łożysk lub węzłów łoży-skowych,
• pomiary pulsacji ciśnienia sprężanego medium,
• pomiar pomocniczy w postaci znacznika fazy (tzw. Keyphasor®), bowiem warunkuje on możliwość wykonania niektórych pomiarów w systemach monitorowania i zabezpieczeń oraz bardziej zaawansowanych analiz sygnałów dynamicznych,