Considerații privind economia și perspectivele pieței pilelor de combustibil portabile

Gheorghe Badea, Tania CĂTĂRIG

În această lucrare sunt prezentate beneficiile, costurile și  prognozele  de  piață ale pilelor de combustibil portabile.  Se poate spune că pilele de combustibil portabile vor apărea mai târziu pe piață și este puțin probabil să devină la fel de populare ca bateriile. Deși celulele combustibile portabile sunt susceptibile de a deveni produse de comercializare în serie, ele trebuie să devină obișnuite, iar acest lucru se va întâmpla doar atunci când utilizatorii vor fi în imposibilitatea de a distinge dispozitivele electronice alimentate de pile combustibile de cele alimentate de baterii, cu excepția cantității diferite de energie furnizată. În caz contrar, pilele de combustibil portabile sunt susceptibile de a fi limitate la o nișă mică de utilizatori profesioniști.

1. INTRODUCERE

Sistemele de pile de combustibil portabile pot avea o greutate de până la 10 kg și pot furniza energie electrică de până la 5 kW, ele împărțindu-se în pile de combustibil miniaturizate și generatoare portabile. Pilele de combustibil miniaturizate vizează înlocuirea bateriilor în dispozitive portabile, cum sunt telefoanele mobile, laptopuri, camere video și aparate foto digitale. Printe aplicațiile generatoarelor electrice portabile se numără energia necesară pentru camping și alte activități de agrement, energia folosită în locații izolate și energia utilizată de către armată pe câmpul de luptă.

Cererea pentru pilele de combustibil portabile trebuie analizată în raport cu cererea pentru servicii energetice, având în vedere că ele concurează și cu alte tehnologii de furnizare de servicii energetice. Din punct de vedere economic, cererea pentru celulele combustibile portabile depinde și de vânzările produselor de consum (laptop-uri, telefoane mobile, camere digitale). Alegerea dispozitivelor pentru alimentarea produselor de consum depinde de mai mulți factori, cum sunt costurile, fiabilitatea, zgomotele, emisiile, impozitarea etc.

2. BENEFICIILE PILELOR DE COMBUSTIBIL PORTABILE

În comparație cu tehnologia actuală a motoarelor cu ardere internă diesel, pilele de combustibil utilizate ca generatoare portabile pot funcționa într-un mod silențios și curat și necesită o cantitate mai mică de combustibil deoarece sunt mai eficiente. Înlocuirea bateriilor reîncărcabile cu pilele de combustibil miniaturizate se face, de asemenea, într-un mod silențios și curat. Singurul avantaj competitiv al pilelor de  combustibil miniaturizate constă în capacitatea lor de a crește energia livrată la dispozitivul electronic între “reîncărcări”.

2.1. Pilele de combustibil miniaturizate pe piața telefoniei mobile

Cine nu s-a lovit de inconvenientul de a i se descărca bateria și a rămâne în mijlocul unei conversații la telefonul mobil? Tocmai în aceasta constă revoluția din acest domeniu, pila de combustil portabilă are o autonomie de cinci ori mai mare decât cea mai performantă baterie acumulator cu litiu-ion și se încarcă în câteva secunde. Deci autonomia unui telefon mobil va depăși o lună, iar în ceea ce privește reîncărcarea, aceasta este foarte simplă și constă în înlocuirea unui mic cartuș (ca și la stilourile cu rezervor). Diferența față de o baterie acumulator constă în faptul că pila conține un mic generator ce produce curent electric. Prin urmare, pila nu se descarcă atâta timp cât combustibilul este disponibil, iar reumplerea rezervorului durează doar câteva secunde, față de bateria clasică, la care reîncărcarea durează câteva ore și în plus nu este nevoie de o sursă de curent pentru aceasta.

Cea mai bună piață de desfacere pentru acest tip de baterii a oferit-o telefonia mobilă, deoarece puterea cu care se operează este mică (între 1 și 10 wați) iar cererea este imensă (peste 800 milioane de baterii pentru telefoanele mobile sunt produse anual).

Se poate afirma că utilizatorii vor adopta pilele de combustibil miniaturizate din dorința de a diminua diferența dintre puterea cerută de dispozitivele lor electronice și tehnologiile actuale oferite. Diferența se datorează cererii tot mai mari de putere pentru dispozitivele electronice, dependenței utilizatorilor de acestea și timpului petrecut de utilizatori fără a avea acces la surse de energie electrică.

Vânzările de telefoane mobile nu implică o creștere a cererii pentru pilele de combustibil miniaturizate, mai ales dacă utilizatorii sunt mulțumiți de tehnologia care furnizează în prezent servicii energetice. Deși cererea de putere pentru dispozitivele combinate (telefoane mobile cu camere foto-video încorporate, camere digitale etc.) se crede că a crescut, producătorii de baterii demonstrează că nu se confruntă cu nici o criză de energie. Cererea pentru energie trebuie să fie analizată în legătură cu cantitatea de timp petrecută de către utilizatori fără acces la o priză electrică. Cu toate că oamenii au tendința de a petrece mai mult timp în afara casei lor acest lucru nu implică să fie departe și de sursele de electricitate. Birourile sunt pline de surse de energie, iar pe piață se comercializează kituri auto pentru încărcarea telefoanelor mobile. În cazul în care consumul zilnic de energie pentru dispozitivele electronice nu depășesc cantitatea de energie stocată în baterii pe timp de noapte, utilizatorii nu simt nevoia de a înlocui bateriile. În timp ce apelurile video au adus bateriile la limită, telefoanele recente au viața bateriilor mai crescută cu toate că acestea sunt tot mai subțiri.

Pozitiv privind, unii clienți ar considera convenabil ca ei să nu mai fie nevoiți să își amintească atât de des să își pună telefoanele la încărcat și să se orienteze către pilele de combustibil portabile. În ceea ce privește introducerea celor mai noi completări la tehnologiile mobile Statele Unite ale Americii nu s-au grăbit să le adopte cu mare entuziasm. În schimb, o altă perspectivă pare a fi predominantă pe piețele asiatice, mai ales în Japonia și Coreea. În aceste țări există o cerere semnificativă pentru tehnologiile mobile care necesită o cantitate considerabilă de energie, cum ar fi apelurile video, televiziune mobilă etc. Pilele de combustibil miniaturizate ar putea fi prevăzute pentru a înlocui încărcătoarele externe.

Primele pile de combustibil miniaturizate au fost dezvoltate de către cercetătorii japonezi în anul 2005 sub denumirea de DMFC (Direct Methanol Fuel Cell – fig. 1) ce foloseau drept combustibil metanolul (alcoolul metilic). Inconvenientul constă în faptul că metanolul are un randament de 10 ori mai mic decât hidrogenul, ceea ce duce la o creștere a suprafeței reactive și implicit a volumului pilei.

În anul 2007 cercetătorii francezi au reușit să micșoreze suprafața reactivă, reducând dimensiunile pilei la aceea a unei monede. Acest fapt a fost posibil prin folosirea hidrogenului drept combustibil și prin schimbarea metodei de fabricare a pilei. S-a realizat PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), folosind drept suport catalizatorul de platină poroasă –  siliciu. Principalul dezavantaj al acestui tip de pilă constă în faptul că hidrogenul combustibil este greu și totodată periculos să fie stocat în bateria telefonului, dar acest inconvenient a fost rezolvat prin producerea hidrogenului direct în interiorul bateriei, în cantități foarte mici direct din apă, folosindu-se borohidrură de sodiu (NaBH4). Prin urmare, noul tip de baterie se compune dintr-un rezervor de borohidrură de sodiu în care este injectată apă sub presiune, producându-se astfel hidrogen, iar acesta este captat și direcționat pe pila de combustibil (fig. 2). În interiorul pilei, în contact cu catalizatorul de platină poroasă, atomul de hidrogen este descompus în proton și electron. Protonul traversează membrane de separație din catalizator, în timp ce electronul este forțat să parcurgă un circuit electric, astfel generându-se un curent electric. Protonul și electronul se regăsesc apoi de cealaltă parte a membranei, unde reacționează cu oxigenul din aer, rezultând astfel apă.

Micropila de combustibil cu hidrogen dă o densitate energetică de 800 Wh/kg, mult superioară celei mai performante baterii litiu-ion, ce dezvoltă o densitate energetică de doar 200 Wh/kg.

Se poate concluziona că diferența de putere nu pune așa presiune și nu este urgentă pentru utilizatorii telefoanelor mobile precum susțin firmele producătoare de pile de combustibil. Pile de combustibil miniaturizate sunt susceptibile de a înlocui bateriile numai atunci când acestea devin ușor de utilizat, fiind mici și fiabile, având un cost la fel de mare ca bateriile și nu numai atunci când furnizează o cantitate mai mare de servicii energetice.

2.2. Pilele de combustibil miniaturizate pe piața laptop-urilor

Un alt domeniu în care se prevede a fi folosite pilele cu combustibil este cel al calculatoarelor portabile (fig. 3). De multe ori este subliniat faptul că bateriile nu pot alimenta aceste dispozitive pentru o zi obișnuită de lucru de 8 ore. În acest caz, singurele care pot face față sunt pilele cu metanol deoarece dezvoltă o putere mult mai mare decât cea a pilelor cu hidrogen (20 wați față de aproape 10 wați la hidrogen). Firme producătoare de laptop-uri precum IBM și Sanyo au pus la punct un prototip de baterie ce dezvoltă o autonomie de peste 8 ore. Cercetătorii de la Intel au investit în pile de combustibil și au prezentat de asemenea un ecran cu polisilicon ce consumă doar o cincime din energia actuală.

Ca și în cazul telefoanelor mobile se poate concluziona că utilizatorii vor judeca pilele de combustibil miniaturizate după un set de criterii cum sunt mărimea, performanța, costurile, rentabilitatea, modalitatea de încărcare și nu doar după energia specifică. Cu toate acestea, unii utilizatori vor dori să plătească puțin în plus pentru a avea o energie mai de durată.

2.3. Viitoarele beneficii ale pilelor de combustibil miniaturizate pe piața telefoniei mobile și a laptop-urilor

Este deseori menționat că introducerea pilelor de combustibil miniaturizate va contribui la difuzia apelurilor video cu conxiunea la internet wireless (WI-FI) a laptop-urilor. Pe piața telefoniei mobile doar dezvoltarea aplicațiilor ce necesită o cantitate importantă de energie, cum este apelul video, ar putea trezi interesul către pilele de combustibil dar și acesta va depinde de cost și de mărime.

Presupunând dezvoltarea funcționalității pe piața telefoniei mobile și a calculatoarelor portabile, pilele de combustibil miniaturizate reprezintă una dintre soluțiile tehnologice. Principalele motive de îngrijorare a dezvoltatorilor sunt dimensiunile și costurile, de achiziție și întreținere. Dacă nu pot obține o sursă de energie ieftină și convenabilă, pilele miniaturizate cel mai probabil vor deveni o nișă pe piață. Dezvoltatorii au investit un capital considerabil în bateriile cu litiu-ion și mai recent în cele cu litiu-polimer. Dacă cererea pentru o sursă de energie nu devine tot mai emergentă, cel mai probabil vor amâna introducerea pe piață a pilelor miniaturizate doar dacă au recuperat suficient capital din cel investit în cele două tehnologii.

Piața asiatică pare să meargă spre direcția pilelor de combustibil, în schimb alte piețe sunt mai puțin entuziaste în ceea ce privește această tehnologie.

2.4. Pilele de combustibil în sectorul industrial și armată

Descărcarea bateriilor dispozitivelor electronice din sectorul industrial pot cauza pierderi semnificative de capital. Dacă timpul angajațiilor este folosit ineficient oportunitățile de câștig sunt pierdute sau siguranța este periclitată. Beneficiile obținute de agențiile de supraveghere prin utilizarea pilelor de combustibil portabile pot fi de asemenea substanțiale. Nevoia de discreție crește atractivitatea acestei surse de energie, deoarece prin schimbul frecvent al bateriilor la camerele video ascunse, suspecții ar putea fi alertați. Din acest motiv, este probabil ca agențiile de supraveghere să fie dispuse să plătească în plus pentru celule de combustibil.

În cazul armatei, se pare că există o cerere clară pentru pilele de combustibil. Se subliniază faptul că puterea pe care o necesită soldații este mare pentru desfășurarea eficientă a activității acestora. Armata va folosi pile de  combustibil pentru un set mult mai larg de dispozitive electronice, cum ar fi senzori, roboți, costume cu control al temperaturii, radiouri portabile și radare. Nivelul ridicat de activitate fizică, îmbrăcămintea, echipamentul de protecție și dotarea cu echipamente grele necesită o cantitate considerabilă de răcire. O capacitate de răcire de 300 de wați-oră a fost demonstrată în mod adecvat pentru a reduce stresul termic și a spori performanțele soldaților. De asemenea, în armată, sunt depuse eforturi pentru reducerea puterii totale de care au nevoie soldații. În general, aplicațiile militare par o piață bună, inițială, pentru pilele de combustibil. Cu toate acestea, în timp ce se arată o insensibilitate la prețul per kW, armata nu va risca să adopte pilele de combustibil doar atunci când performanța și fiabilitatea acestora se vor încadra în standarde stricte. Cu toate acestea, interesul unor armate, mai ales cea din Statele Unite ale Americii, este incontestabil. În timp ce ar trebui să se sublinieze că pilele de combustibil utilizate de armată tind să fie diferite de cele utilizate în mediul comercial (ca toleranță la condiții, temperatură etc.) unele specificații ar putea fi utilizate și în alte sectoare, de exemplu, aeroporturi.

2.5. Generatoare portabile

În piața civilă, generatoarele portabile sunt vândute pentru agrement, pentru locații aflate la distanță, pentru a alimenta o gamă largă de dispozitive electronice. Modul silențios și fără emisii al pilelor de combustibil, față de generatoarele diesel, poate fi de o importanță considerabilă pentru utilizatorii de agrement, utilizate la bărci, rulote etc. Față de celulele fotovoltaice, uneori folosite pe această piață, pilele de combustibil sunt mai fiabile, au o greutate mai mică, costurile de întreținere sunt reduse etc.

În sectorul industrial, generatoarele portabile sunt folosite pentru monitorizarea de la distanță, aplicații ale securității, rețele de comunicare etc.

În armată, greutatea și dimensiunile mai reduse ale generatoarelor portabile pot crește în mod semnificativ viteza soldaților de penetrare pe teritoriul inamic. În plus, fiabilitatea mare a pilelor de combustibil implică piese de întreținere și schimb simple. Un prototip al sistemului portabil de 30 W a fost emis de Millennium Cell și Inc Protonex pentru Air Force și cântărește doar 15 kilograme și poate oferi puterea necesară pentru soldați într-o misiune de 72 de ore. Aceeași cantitate de energie este furnizată de aproximativ 29 de kilograme de baterii. Companiile se așteaptă să fie în măsură să reducă greutatea totală la 5 kilograme.

3. COSTUL ENERGIEI PORTABILE

Dezvoltatorii de pile de combustibil vor trebui să se concentreze pe reducerea costurilor, dacă doresc ca produsul lor să aibă cereri pe piață. Cum s-a menționat mai sus, în cazul agențiilor de supraveghere și armată, nevoia de reducere a costurilor pare mai puțin apăsătoare datorită beneficiilor oferite de pilele de combustibil. Costul pilelor de combustibil pe piață va depinde și de tehnologiile concurente. Este posibil ca prețul sistemului de pile de combustibil să și crească, datorită disponibilității limitate de metale prețioase ca platina, care este cel mai important contribuitor la costul sistemelor. Prețul platinei s-a dublat în ultimii ani, iar tendințele de creștere sunt și pentru alte metale nobile. Cu toate acestea, metale prețioase ca platina ar putea fi reciclate cu ușurință, reducând astfel contribuția la costul pilelor de combustibil. Trebuie menționat că, pe lângă costurile de producție, amintite mai sus, costurile de funcționare, costul combustibilului utilizat și întreținerea vor fi importante în determinarea succesului pe piață.

Compania Darnell din Statele Unite ale Americii a raportat că prețul mediu pentru bateriile litiu-ion în 1999 a fost de 1090 $ pe kWh, în timp ce pentru litiu-polimer a fost de 1600 $ pe kWh. Deși costul bateriilor reîncărcabile este ridicat, prețul pilelor de combustibil este și mai ridicat. Într-un raport este prezentat faptul că pilele de combustibil pentru un laptop costă mai mult decât majoritatea laptop-urilor cu baterii incluse. Compania prognoza pentru anul 2007, în cazul laptop-urilor, că prețul unei unități de 20 W va fi de 400 $, iar pentru o unitate de 50 W de 1000 $. Departamentul de Energie, Oficiul pentru Hidrogen, din Phoenix, Statele Unite ale Americii prognoza, de asemenea, ca prețul pe 1 watt să ajungă la 1 $ în sectorul comercial și la 3 $ în sectorul industrial și armată, tot până în anul 2007. În realitate, aceste prognoze au fost foarte optimiste, costurile fiind mult mai ridicate.

Într-un raport de fezabilitate al Parteneriatului de Hidrogen din Londra din 2004 este prezentat că pentru a cumpăra pile de combustibil de 1 kW pentru un proiect demonstrativ s-ar cheltui între 7000 și 17.000 de lire. Studiul a constatat că opțiunea cea mai ieftină pentru întregul proiect și anume achiziționarea, instalarea și întreținerea de pile de combustibil, a fost de 13.000 de lire.

4. STRATEGII DE COMERCIALIZARE

Pilele de combustibil pentru dispozitive portabile vor fi comercializate fie ca încărcătoare externe pentru bateriile convenționale, creând sisteme hibride, sau ca parte a produselor electronice, prin urmare înlocuind complet bateriile. Dezvoltatorii manifestă interes pentru introducerea sistemelor hibride deoarece oferă veniturile necesare pentru a mai diminua din dimensiunea celulelor, iar acestea nu trebuie să se expună la o competiție prematură cu industria bateriilor. Companii precum Smart Fuel Cell’s Power Boy și Medis technologies Power Pack sunt cele mai reprezentative în ceea ce privește încărcătoarele externe, prima pentru laptop-uri, iar cea de-a doua pentru telefoane mobile și camere digitale. Dispozitive similare au fost prezentate de către NTT DoCoMo, unul dintre acestea furnizează energie pentru 6 ore pentru un telefon 3G. Toshiba a prezentat o pilă de combustibil ce poate alimenta un dispozitiv de muzică pentru 20 de ore, doar cu 2 ml de metanol.

Alți producători dezvoltă pilele de combustibil încorporate în produsele de consum. Hitachi a prezentat un model demostrativ pentru laptop-uri ce poate furniza putere între 5 și 7 ore. Casio dezvoltă o pilă de combustibil care este aproximativ de mărimea unei baterii actuale, însă are o durată de patru ori mai mare. Panasonic a prezentat un nou laptop cu pile de combustibil ce este alimentat dintr-un rezervor de combustibil pentru a obține 20 de ore. Toshiba avea planificat să comercializeze pile de combustibil pentru laptop-uri în 2004 și pentru dispozitive de mici dimensiuni în 2005. Datorită unor aspecte precum densitatea de energie redusă, lipsa de canale de distribuție și costurile ridicate au împiedicat comercializarea. Nokia anunța că au renunțat la planurile de dezvoltare a pilelor de combustibil pentru telefoanele mobile pentru următorii câțiva ani, ceea ce arată amploarea problemelor cu care se confruntă tehnologia. Având în vedere impactul pe care comercializarea unui produs defect îl poate avea asupra renumelui, este absolut rezonabil pentru aceste companii să introducă noi tehnologii numai după obținerea deplină a fiabilității.

Pe termen scurt, vânzarea către anumite industrii sau armată reprezintă o strategie mult mai convenabilă, care ușurează producătorii de dezvoltarea unui produs cu o răspândire mai largă și o rețea de distribuție mai extinsă. Armata și anumite sectoare ale industriei vor fi probabil dispuse să ofere capital suplimentar, permițând astfel firmelor să dezvolte tehnologia pielelor de combustibil pentru a penetra secvențial pe piață la costuri mai competitive.

5. CONCLUZII

Deși pilele de combustibil sunt în mod clar o tehnologie promițătoare, se poate concluziona că cele mai multe prognoze de piață au fost supraestimate, atât în ceea ce privește dimensiunea pieței cât și în ceea ce privește data de intrare pe piață. În timp ce pilele de  combustibil au beneficii clare (potențialul mai mare de a livra energie dispozitivelor electronice, greutate și volum mai mici), unele dintre aceste promisiuni încă necesită o dezvoltare a tehnologiei pentru a fi atinse. Se mai poate de asemenea concluziona că majoritatea utilizatorilor de pile de combustibil vor fi limitați, dacă acestea nu sunt în măsură să concureze cu bateriile în ceea ce privește prețul.

Ca și multe alte tehnologii, pilele de combustibil miniaturizate vor avea nevoie de un timp mai îndelungat pentru a ajunge la clienții obișnuiți. În timp ce interesul unor companii mari este un semn clar că acest lucru se va întâmpla într-o zi, estimarea exactă a anului în care se va produce este dificilă.

Bibliografie

[1] Achim, Gabriel, Radu, Simona, Miniaturizarea pilelor de combustibil, o revoluție în domeniul bateriilor acumulatoare – Tehnică militară și armament, anul 2007, paginile 201 – 205.
[2] Agnolucci, Paolo, Economics and market prospect of portable fuel cells – International Journal of Hydrogen Energy, Elsevier Ed., 2007, pages 4319 – 4328.
[3] Neef, H., International overview of hydrogen and fuel cell research – Energy, Elsevier Ed., 2008, pages 327 – 333.
[4] Anonim, The shunning of 3G. The Economist. London, 2003.
[5] Hughes, N., Report on the workshop “market and technologies for portable and APU fuel cells”, Policy Studies Institute, London, 2006.
[6] Darnell Group Inc. Fuel cells for portable power: markets, manufacture and cost – Revised Final Report for Breakthrough Technologies, Corona, California, 2003.
[7] Gardner, K., Portable fuel cells for military applications, presentation given at small fuel cells and battery technologies for portable power application – 3rd Annual International Symposium, Washington DC, 2001.
[8] Baker, A., Jollie, D., Adamson, K., Fuel cell today market survey: portable applications – Fuel cell today, London, 2005.