Układy napędowe pojazdów elektrycznych (EV) można w najprostszy sposób opisać jako kombinację trzech komponentów: baterii, falownika (inwertera) oraz silnika trakcyjnego. Na bazie tych podstawowych elementów można zaprojektować i zbudować pojazdy tak różnorodne, jak samochody osobowe, autobusy, ciężarówki, skutery, a nawet koparki, które zastąpią pojazdy z silnikami Diesla. Najnowszy raport IDTechEx Electric Vehicles: Land, Sea, and Air 2025-2045 obejmuje 11 segmentów pojazdów elektrycznych znajdujących się na różnych etapach elektryfikacji. Bateria pozostaje kluczowym elementem EV, a zróżnicowane wymagania dotyczące wydajności, kosztów i eksploatacji sprawiają, że każdy sektor będzie potrzebował szerokiego wachlarza typów ogniw.

Raport IDTechEx Electric Vehicles: Land, Sea, and Air 2025-2045 obejmuje 11 różnorodnych sektorów pojazdów. Przedstawiono tutaj zakresy szczytowych mocy silników oraz pojemności baterii, podkreślając zróżnicowane wymagania wobec akumulatorów w całym sektorze transportowym. Źródło: IDTechEx.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe – niska gęstość energii, ale tania i dojrzała technologia

Badania IDTechEx pokazują, że akumulatory kwasowo-ołowiowe są nadal szeroko wykorzystywane w mikro mobilności. Elektryczne dwukołowce (E2W) i trójkołowce (E3W) cieszą się ogromną popularnością w Chinach, Indiach i Azji Południowo-Wschodniej, gdzie niska cena i kompaktowe rozmiary czynią je idealnymi do poruszania się po zatłoczonych miastach. Według IDTechEx, w 2024 roku sprzedano więcej pojazdów mikro mobilnych (E2W, E3W – dwu i trójkołowe pojazdy elektryczne) niż elektrycznych aut osobowych.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są tanie i łatwo dostępne, choć cechują się znacznie niższą gęstością energii niż rozwiązania litowe. Mimo to przewaga cenowa wciąż decyduje o ich powszechnym zastosowaniu w tym segmencie. IDTechEx przewiduje, że zmiany polityki na kluczowych rynkach, takich jak Chiny i Indie, będą sprzyjać przechodzeniu na technologię litowo-jonową. Jednak starsze systemy prawdopodobnie również utrzymają znaczący udział na rynku. Mikromobilność pozostaje jedynym sektorem EV, który na masową skalę wykorzystuje ten typ baterii.

Sektory: E2W, E3W

Litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP): tam, gdzie liczy się koszt, a zasięg jest drugorzędny

Od początku istnienia pojazdów elektrycznych zasięg był postrzegany jako jedno z wyzwań. Doprowadziło to branżę do opracowywania i wdrażania większych oraz wydajniejszych energetycznie baterii. Jednak badania IDTechEx wskazują na rosnącą obecność akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP) w różnych sektorach. W porównaniu do typowych układów chemicznych ogniw niklowo-manganowo-kobaltowych (NMC), ogniwa LFP wykorzystują tańsze materiały bazowe, co pozwala obniżyć koszt jednostkowy, choć odbywa się to kosztem gęstości energii.

Na rynku samochodowym prym wiedzie chiński BYD, który wprowadził nowatorskie projekty pakietów baterii, maksymalizujące wydajność LFP, przy zachowaniu niskiego poziomu kosztów jednostkowych, co pozwala obniżyć ceny pojazdów. W segmencie pojazdów użytkowych – obejmującym autobusy oraz samochody ciężarowe i dostawcze – warunkiem szerokiego wdrożenia napędów elektrycznych jest uzyskanie niższego całkowitego kosztu posiadania produktu (koszt zakupu plus koszty operacyjne w całym okresie eksploatacji) tzw. TCO, (ang. Total Cost of Ownership), w porównaniu do tradycyjnych jednostek wysokoprężnych.

W wielu z tych pojazdów większe gabaryty pozwalają na montaż większej liczby ogniw LFP, co rekompensuje spadek zasięgu (choć jednocześnie zwiększa masę). Sektory i regiony pozostają podzielone. Według raportu IDTechEx, rynek autobusów elektrycznych opiera się niemal wyłącznie na technologii LFP, podczas gdy w Europie około jedna trzecia autobusów wykorzystuje LFP, a reszta bazuje na chemii NMC/NCA.

Sektory: samochody ekonomiczne, autobusy, ciężarówki, furgonetki

Niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC): kluczowa jest wydajność

Do niedawna na rynku samochodów elektrycznych dominował tzw. wybór katodowy, gdzie katody NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe) oferowały najwyższą gęstość energii spośród dostępnych dziś komercyjnie ogniw. To czyni je idealnym rozwiązaniem m.in. dla samochodów premium, których użytkownicy oczekują dużego zasięgu. Jednak zapotrzebowanie na taką technologię nie ogranicza się wyłącznie do samochodów osobowych.

Niektóre samochody ciężarowe i autobusy kursujące na stałych, długich trasach również korzystają z ogniw NMC, podobnie jak elektryczne pociągi, które muszą pokonywać odcinki pozbawione sieci trakcyjnej. Innym sektorem, w którym kluczowe jest ograniczenie całkowitej masy pojazdu z powodów operacyjnych, są rozwijające się platformy eVTOL. To lekkie, zasilane bateriami pojazdy powietrzne, zaprojektowane do pionowego startu i lądowania, przeznaczone do zastosowań w ramach miejskiej mobilności powietrznej oraz transportu pasażerskiego lub towarowego na krótkich dystansach.

Sektory: samochody premium, autobusy i ciężarówki dalekobieżne, pociągi elektryczne, eVTOL

Litowo-tytanowe (LTO): priorytetem jest liczba cykli

Gęstość energii stanowi tylko jeden z wielu parametrów determinujących wydajność baterii. Równie istotnym wskaźnikiem jest trwałość cykliczna, czyli liczba pełnych cykli ładowania i rozładowania, jaką ogniwo jest w stanie wytrzymać przed osiągnięciem granicznej degradacji. Dla pojazdu elektrycznego o zasięgu 350 km, żywotność rzędu 1000 cykli przekładałaby się teoretycznie na 350 000 km przebiegu, pomijając naturalne procesy starzenia się ogniw i spadek pojemności. Taka wartość znacząco przewyższa typowe wymagania eksploatacyjne samochodów osobowych. Jednak, jak wskazują analizy IDTechEx, istnieją segmenty rynku EV – w szczególności zastosowania flotowe, ciężki transport czy pojazdy użytkowe o wysokiej intensywności pracy – gdzie taka trwałość może okazać się niewystarczająca. Potrzebne są tu bardziej wytrzymałe technologie magazynowania energii.

Ciężarówki górnicze są przewidywane jako jedne z największych lądowych pojazdów do elektryfikacji (wymagając nawet 1 MWh / 1000 kWh pojemności). Ze względu na warunki eksploatacyjne w okresie użytkowania pojazdu, przewiduje się konieczność wymiany kilku pakietów baterii. W takich zastosowaniach chemie o ultrawysokiej trwałości cyklicznej, takie jak litowo-tytanowe (LTO), stają się korzystnym rozwiązaniem, nawet pomimo ich niższej gęstości energii.

Sektory: ciężarówki górnicze, niektóre pojazdy budowlane

Baterie w lotnictwie komercyjnym

Przemysł baterii stale się rozwija. Oferuje coraz wyższą gęstość energii, bardziej zaawansowane i bezpieczniejsze składy chemiczne ogniw oraz niższe koszty produkcji. Ten trend utrzymuje się od kilku lat. Jednak mimo tych postępów niektóre obszary transportu pozostają poza zasięgiem elektryfikacji przy obecnym stanie technologii. Choć wg. raportu Electric Vehicles: Land, Sea, and Air 2025–2045, przy dzisiejszych akumulatorach elektryfikacja lotnictwa jest wykonalna, komercyjne samoloty wąsko- i szerokokadłubowe nadal przekraczają możliwości dostępnych systemów magazynowania energii. Baterie są zbyt ciężkie, aby sprostać rygorystycznym limitom masy startowej większości konstrukcji lotniczych, a realizacja tego celu wymaga fundamentalnych zmian w zakresie wskaźnika energii właściwej (Wh/kg). Dodatkowo specyfika pracy samolotów, obejmująca konieczność dostarczania wysokich impulsów mocy podczas startu i lądowania, stawia przed technologiami spore wyzwania.

Pojazdy elektryczne występują w szerokim zakresie form i zastosowań, charakteryzując się zróżnicowanymi profilami eksploatacyjnymi. To z kolei oznacza, że w poszczególnych segmentach rynku wciąż będzie miejsce na wykorzystanie różnych technologii akumulatorowych. Mało prawdopodobne jest, aby branża EV przyjęła jednolite rozwiązanie, które sprostałoby wszystkim wymaganiom operacyjnym i technicznym jednocześnie.

Autor: Mika Takahashi, analityk technologiczny w IDTechEx