Cât de grele sunt bateriile maşinilor electrice, ce înseamnă densitate energetică şi cât de evoluate sunt acestea în prezent

Anii 2020 şi mai ales 2021 au însemnat un salt imens în popularitatea maşinilor electrice, când am ajuns să asistăm la situaţii în care un automobil electric, precum Tesla Model 3 a ajuns cel mai bine vândut în Europa în ultimele luni, depăşind până şi cele mai bugetare şi accesibile modele compacte. Am văzut cum Tesla a vândut aproape 1 milion de maşini electrice doar ea, în 2021, şi cum modelul său Model 3 a depăşit vânzările mondiale ale veteranilor Mercedes C-Class şi BMW Seria 3. Am asistat la mai multe lansări de modele electrice decât de modele obişnuite, probabil, când pe de o parte, până şi Dacia are deja model electric în gamă, iar modele legendare precum VW Passat sedan au fost scoase cu totul din producţie.

Foto: Mercedes EQS, unul din modelele electrice lansate în 2021

Şi totodată, în ultimii ani am asistat la lansări de modele electrice cu performanţe tot mai spectaculoase, atât la nivel de cai putere şi acceleraţii — cum e cazul celor de la Rimac, Tesla, Porsche sau Lucid —, cât şi ca cifre de autonomie, cum e, din nou, Lucid Air sau chiar şi unii producători chinezi. Şi, nu în ultimul rând, am asistat la răspândirea electromobilităţii în tot mai multe segmente, de la SUV-uri până la pick-up-uri, în SUA, fiind anunţându-se o adevărată avalanşă de pick-up-uri electrice, de la Ford, Chevrolet/Hummer şi Rivian. Dar totodată unele dintre premiere ne-au nedumerit prin greutatea incredibil de mare a acestor modele electrice, cum a fost cazul SUV-ului Rivian R1S, cu cea mai mare baterie, care va ajunge să cântărească aproape 3 tone la gol, iar pick-up-urile electrice riscă să fie şi mai grele din cauza a mai puţine restricţii ce vizează categoria lor. Deci, e cât se poate de clar că în goana după autonomie tot mai mare, seturile de baterii ale unor maşini electrice au ajuns să cântărească de la câteva sute de kilograme la cifre de ordinul tonelor. Iar majoritatea producătorilor încearcă să evite tot mai mult anunţarea greutăţii maşinilor, iar producători care să spună onest cât cântăreşte exact bateria lor sunt şi mai puţini.

Noul Rivian R1S, offroader electric, greutatea totală a căruia va ajunge aproape la 3 tone în versiunea cu cea mai mare baterie

Şi aceeaşi problemă se remarcă şi la alte categorii de vehicule, unde mobilitatea electrică pare să se instaureze tot mai dominant, precum camioanele electrice. Nici un producător de camioane electrice dintre cei pe care i-am cercetat pentru acest articol nu au vrut să anunţe greutatea bateriilor sale — Volvo, Tesla, Mercedes, Nikola. Toţi indică greutatea totală a camionului şi mai indică asupra permisivităţii camioanelor electrice de a fi cu o tonă mai grele ca şi masă totală faţă de restricţiile rutiere, permisivitate adoptată deja în SUA şi UE, fapt care le permite să mai dea o tonă de baterii sub preş.

Foto: Volvo VNR Electric, model de camion electric vândut de Volvo în America de Nord

Situaţia a e la fel de obscură în domeniul mult mai incipient dezvoltat al avioanelor elecrice. Acum două zile am contactat direct producătorul de avioane electrice Eviation, care şi-a prezentat modelul de serie şi datele tehnice ale acestuia, despre care am scris şi aici, şi i-am întrebat direct despre greutatea exactă a bateriilor, despre capacităţi şi densitate energetică. Ne-au răspuns că în acest moment nu pot divulga exact şi vor putea spune mai mult doar după primele zboruri de test.

Foto: Avionul electric Eviation Alice

Aşadar, cât cântăresc, totuşi, bateriile moderne puse pe maşini electrice, motociclete, camioane, autobuze, nave şi toate tipurile de transport unde mobilitatea electrică pare să-şi facă simţită prezenţa? Există o unitate generală de măsură, după care să ne ghidăm? Există exemple de reper, din care să putem înţelege şi deduce aceste greutăţi? Şi de ce ar fi greutatea bateriilor importantă?

Vom începe prin a răspunde la ultima întrebare. De ce e greutatea importantă? Pentru că transportarea greutăţii necesită energie. Dacă o maşină ajunge să aibă 1/3 din greutatea sa sau jumătate din greutate ocupată de baterii, asta înseamnă, efectiv, că 1/3 sau 1/2 din energia consumată se duce pe transportarea însăşi a sursei de energie. Astfel, cu cât mai grea devine o baterie, cu atât mai ineficientă devine maşina, pentru că cifra ei de consum va începe a creşte exponenţial din cauza însăşi a creşterii greutăţii, cauzate de baterie. Şi la un moment dat curba acestei creşteri ajunge într-un loc absurd, iar problema e că punctul absurdului e privit diferit în ultimii ani.

Foto: Viziune în construcţia pick-up-ului elctric Ford F-150 Lightning

La camioane electrice e şi mai gravă problema greutăţii bateriilor. Camioanele trebuie să se încadreze într-o limită totală de greutate — 40 tone spre exemplu, ceea ce înseamnă că greutatea camionului propriu-zis plus a încărcăturii sale nu trebuie să depăşească 40 tone. Un camion care cântăreşte 18 tone, el, cu remorcă, lasă 22 tone de încărcături efectivă liberă. Dacă unul electric cântăreşte cu 5 tone mai mult, atunci însăşi camionul cu remorcă ajunge la 23 tone, de exemplu, iar pentru încărcătură rămân doar 17 tone. Iar asta înseamnă că în loc să transporţi 88 de tone de produse cu 4 camioane, trebuie să foloseşti 5 camioane şi mai mult.

Există o unitate de măsură de bază, care stă drept indicator principal de performanţă şi evoluţie a bateriilor moderne? Da, există, şi ea se numeşte densitate energetică. Simplu spus, asta ar însemna cât de multă energie poate fi stocată într-un kilogram de baterie sau într-un litru de volum. Aşa că uneori se vorbeşte despre Wh/litru, dar mult mai des de vorbeşte de Wh/kg. Deci, câţi Wh de energie pot fi stocaţi de un kilogram de baterie.

Unde stăm în acest moment, ca şi dezvoltare generală, cu acest indicator? Ei bine, am cercetat toţi marii producători de baterii, mai mulţi dintre cei ce au anunţat baterii noi şi promiţătoare, am studiat şi mai mulţi producători auto care folosesc aceste baterii. Cu doar câţiva ani în urmă, cam 2-3 ani, o batere modernă şi performantă însemna să atingă 100 Wh/kg, iar azi încă multe din maşinile electrice cu performanţe mai uzuale, au baterii de o asemenea densitate energetică sau chiar mai mică de atât. Ce înseamnă asta în greutate? Înmulţim totul cu o mie şi obţinem că o tonă de baterie ar stoca în ea 100 kWh de energie. Respectiv, o baterie de 52 kWh, de exemplu, cântăreşte 520 kg. E un indicator realist al unor modele mai compacte din prezent, lansate acum 2-3 ani maxim.

În ultimii doi ani, maşinile cu autonomii mai mari au făcut uz de baterii mai evoluate, cu baterii mult mai scumpe, care au avut o densitate energetică în jurul a 160 Wh/kg. Deci, dacă eşti un producător care foloseşte o baterie cu asemenea densitate şi vrei ca maşina ta să aibă 100 kWh capacitate de stocate, cum e la modă, bateria finală va cântări 625 kg. Din nou aceste cifre sunt realiste pentru modele unor mărci precum Tesla, Mercedes, Porsche, etc.

Dar lucrurile nu stau pe loc, iar bateriile de dezvoltă cu paşi rapizi. În lume, cei mai mari doi producători de baterii sunt CATL şi LG Energy Solution, ambele companii având o cotă de piaţă cam de 26% fiecare, ele fiind urmate de Panasonic, Samsung, BYD şi SK Innovation. Tesla, de exemplu, cumpără de la toţi primii 3 şi mai produce şi propriile baterii. Toyota cumpără doar de la conaţionalii Panasonic. Mercedes cumpără de la SK Innovation şi a început şi producţia proprie. BMW cumpără de la CATL şi Samsung. Grupul VW — de la CATL, LG şi Samsung. Volvo cumpără de la CATL şi LG, Renault cumpără de la LG. Deci, în mare parte bateriile din marea majoritate a maşinilor electrice moderne vin de la câteva companii globale, lideri în industrie. Respectiv, deja producătorii aleg cât de hi-tech sunt bateriile pe care le cumpără pentru un model sau altul şi evident că bateriile cu densitate energetică mai mare sunt mai noi şi mai scumpe.

Recent, Mercedes-Benz a anunţat conceptul pre-producţie Vision EQXX, care s-a lăudat cu o construcţie incredibil de uşoară pentru un model electric. Asta se datorează şi unei baterii care cântăreşte doar 495 kg la 100 kWh stocaţi, iar în 495 kg se includ şi nişte sisteme auxiliare. Prin urmare, un calcul ne arată că aici e vorba de o densitate energetică de peste 200 Wh/kg.

În noiembrie, o companie relativă nouă, numită SVOLT Energy, a anunţat bateri de 185 Wh/kg, pe care le va putea livra pe parcursul acestui an. Compania Nio, producătorul modelelor cu cea mai mare autonomie din China, foloseşte deja baterii de 180 Wh/kg ş 200 Wh/kg pe maşinile sale curente, şi a anunţat că dezvoltă baterii care vor avea o densitate excepţională de 360 Wh/kg, pe care planifică să le producă până la sfârşitului lui 2022. În acelaşi timp, CATL, una din companiile lider actuale, a început deja a produce baterii de 265 Wh/kg, şi tot aceeaşi companie are baterii pentru care oferă garanţie record de 8 ani sau 800,000 km! Ce înseamnă o baterie de 265 wh/kg? Că pentru a avea 150 kWh capacitate, vom avea nevoie de o baterie de circa 570 kg, iar pentru actualii 100 kWh, ar fi nevoie de doar 380 kg.

Foto: Aşa arată bateria de 495 kg şi 100 kWh al lui Mercedes EQXX

Există şi tehnologii mai de nişă, care permit o densitate energetică ai mare, dar acolo încă există efecte secundare care nu permit implementarea lor pe maşini, cum ar fi durata de viaţă mai scurtă, cu mai puţine cicluri de încărcare, necesitatea unui diapazon mai mic de temperaturi de operare, etc. Se consideră că atunci când vom depăşi nivelul de 500 Wh/kg în tehnologiile bateriilor de masă, vom ajunge să trecem un punct important de rubicon. Şi se lucrează în acea direcţie, NASA, de exemplu, anunţând un parteneriat cu o companie numită Sion Power, care lucrează la crearea bateriilor de 650 Wh/kg.

Astea ţin de viitor, însă. Deocamdată, suntem la nivelul de 150-160 Wh/kg pe majoritatea electricelor şi cam 200 Wh/kg pentru cele mai vizionare şi inovative, unele din care încă n-au intrat în producţie. Fireşte, camioanele folosesc baterii mai puţin hi-tech şi mai grele, de obicei, cu o întârziere de 2-3 ani în tehnologii, de obicei. Avioanele, însă, trebuie să le folosească pe cele mai hi-tech, iar bateria de pe avionul electric Eviation Alice pare să fie calculată pentru o densitate de circa 360-380 Wh/kg, ajungând să coste 250,000 dolari un set de 900 kWh.

Una e clar, însă, dezvoltarea acestor baterii a accelerat cu paşi giranţi şi doar pe parcursul acestui an avem doar şansele să creştem spre 180-200 Wh/kg pentru maşini mai uzuale şi spre 250-265 Wh/kg, sau chiar 300 spre cele mai performante. Iar cifra asta ne spune câţi kWh încap într-o tonă de baterie, şi respectiv, ştiind capacitatea bateriei, putem împărţi acea cifră şi afla cât cântăreşte acea baterie, cu o precizie destul de mare.