6 حلول لتحديات البطارية المعدنية

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

يسعى سيل من المقالات الأخيرة، سواء كانت عفوية أو منسقة، إلى تشويه سمعة الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، وغير ذلك من عناصر تحول الطاقة المنقذة للمناخ. تتراوح الانتقادات من موثوقية الشبكة إلى استخدام الأراضي، ومن الاقتصاد إلى العدالة. من بين الادعاءات الأكثر انتشارًا وتضاربًا هو أنه من المدمر للغاية، إن لم يكن من المستحيل، العثور على ما يكفي من المعادن لصنع جميع البطاريات التي سيحتاجها أسطول عالمي من السيارات الكهربائية. إن هذه المخاوف المتعلقة بالمعادن ليست في الواقع تافهة، ولكنها غالبًا ما تكون مبالغ فيها. وسأوضح هنا كيف يمكن التحكم فيها إذا قمنا بتضمين الحلول التي غالبًا ما يتم تجاهلها.

تعتبر مواد البطاريات مثل الليثيوم والنيكل والكوبالت حالة خاصة من الديناميكية الأوسع. عندما يُتوقع أن تصبح المادة المستخرجة نادرة، يرتفع سعرها. وتؤدي هذه الإشارة إلى استخدام أكثر كفاءة، وإعادة التدوير، والاستبدال، والاستكشاف، والابتكار، واستجابات السوق الأخرى، كما شرحت في الأتربة النادرة. (توضيح أطروحة استبدال هذه المقالة، نيتريد الحديد وقد وصلت الآن المغناطيسات الفائقة التي ذكرتها قبل أربع سنوات كطموح تجريبي السوق; فهي لا تحتوي على عناصر أرضية نادرة، ومن الناحية النظرية يمكن أن تصبح أقوى بمرتين من أفضل مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة.)

وقد تكون ندرة المعادن حقيقية أو مبالغ فيها ــ على سبيل المثال، للحد من منافسة السيارات الكهربائية مع النفط، أو لرفع أسعار السلع الأساسية أو أسهم التعدين للمضاربين. وقد تثير بعض المعادن مخاوف مشروعة إلى جانب ندرتها، مثل عمالة الأطفال، والفساد، وغير ذلك من الانتهاكات في تعدين الكوبالت الحرفي؛ والاعتماد غير المبرر على الخامات ومصانع المعالجة الصينية؛ أو استخدام المياه والأضرار البيئية للتعدين.

قد تحتاج المخاوف الحقيقية أيضًا إلى سياق - مثل ملاحظة حديثة، تعتمد صحتها على العديد من الافتراضات، مفادها أن زراعة اللوز في كاليفورنيا تتطلب ستة أضعاف كمية المياه لكل رطل مقارنة باستخراج الليثيوم في الصحراء. يمكن أيضًا الاستمتاع باللوز مرة واحدة فقط، ولكن بمجرد استخلاصه، يمكن أن يستمر الليثيوم في تقديم الفوائد بشكل دائم أكثر أو أقل. وبطبيعة الحال، تحل المركبات الكهربائية التي تعمل بالطاقة المتجددة محل المركبات التي تعمل بحرق النفط والتي تضر بشكل كبير بالأرض والهواء والصحة والمناخ.

في حين أن هناك مخاوف حقيقية بشأن تعدين معادن البطاريات، إلا أن هناك أيضًا العديد من الحلول القوية والمتعددة التي غالبًا ما تقلل التوقعات التقليدية من أهميتها أو تتجاهلها، مما يؤدي إلى المبالغة في احتياجات التعدين المستقبلية. دعونا الآن نستكشف ستة أجزاء متتالية ومتضاعفة من مساحة الحل.

1. تخزين المزيد من الطاقة لكل كيلوغرام

إن تحسين تركيب البطاريات وتصنيعها وتصميمها وضوابطها وإعادة شحنها يمكن أن يؤدي إلى تخزين المزيد من الطاقة لكل وحدة من المواد. منذ عام 2010، أصبحت خلايا بطارية الليثيوم أيون موجودة ثلاثة أضعاف تقريبا تخزين الطاقة لكل كيلوغرام. ويرجع انخفاض أسعارها بنسبة 89 بالمائة خلال نفس العقد جزئيًا إلى استخدامها الأكثر اقتصادًا للمواد. ومن المتوقع تحقيق المزيد من المكاسب الرئيسية في هذا العقد؛ كواحد من العديد من الأمثلة، أنودات السيليكون يقال إنها ترفع كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 20 بالمائة. جمهورية جزر مارشال يقيم أن التقنيات التي تضاعف بشكل جماعي كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون يمكن أن تدخل الإنتاج بحلول عام 2025. يوم بطارية تسلا 2020 <font style="vertical-align: inherit;"> كمادة تطعيم في تجديد عيوب محيط بالذورة (الحنك) الكبيرة:</font> أعلنت عن تحسينات كبيرة الآن لتوسيع نطاق الإنتاج الضخم في عام 2022. لذا فإن التوقعات المستندة إلى كثافات الطاقة القديمة تبالغ بشكل كبير في تقدير الحاجة إلى التعدين.

2. البقاء لفترة أطول، ثم "التجسد من جديد"

تدوم البطاريات أيضًا لفترة أطول مع تحسن التصميمات والمواد والتصنيع والاستخدام. مجرد ملف تعريف شحن جديد يمكنه ذلك عكس الحد من الحياة هجرة الليثيوم. بدأت تظهر بطاريات يبلغ طولها مليون ميل، لذا قد يصبح عمرها الافتراضي قريبًا مشكلة غير ذات صلة مثل سرعة المودم لديك. كلما طال عمر البطاريات، زادت الأميال التي يمكن أن تتحملها موادها.

عندما تتقاعد السيارة الكهربائية (أو تتعطل) في نهاية المطاف، يمكن "إعادة تجسيد" حزمة البطارية الخاصة بها في مخزن ثابت قيم يستمر في توفير قيمة كبيرة، ليس عن طريق تحريك السيارة ولكن من خلال دعم التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة (وبالتالي تقليل تعدين الوقود الأحفوري) والانبعاثات). هكذا دار التنقل (زيورخ) تكسب بالفعل ما يقرب من 1000 يورو لكل حزمة بطارية سيارة كهربائية سنويًا عن طريق بيع ما يقرب من 13 من 21 خدمة محتملة من حزم بطاريات السيارات الكهربائية الثابتة أو المتوقفة إلى شبكة الكهرباء في العديد من البلدان الأوروبية. (على سبيل المثال، في عام 2018، قامت الشركة بترخيص سيارة كهربائية كأول محطة طاقة على عجلات في ألمانيا، قادرة على بيع خدمات تثبيت التردد للشبكة).

إن تنسيق قدرات التخزين الهائلة وغيرها من القدرات في المركبات الكهربائية في العالم، والتي تكون متوقفة بنسبة 95 بالمائة تقريبًا من الوقت وغالبًا ما تكون قابلة لإعادة الشحن في أوقات مرنة، يبرز كعامل تمكين رئيسي ومربح للنمو السريع في مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة - الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح. سوف يتنافس التخزين على نطاق المرافق والتخزين خلف العداد ليس فقط مع بعضها البعض ولكن أيضًا مع تخزين الكهرباء المدمج في الشبكة والمعتمد على المركبات الكهربائية. ذلك و ثمانية وتعني الأنواع الأخرى من موارد مرونة الشبكة الخالية من الكربون أن البطاريات ذات الحجم الكبير مفيدة ولكنها ليست ضرورية للحفاظ على الشبكة الخدمة الموثوقة حيث تصبح متجددة (أخرى محادثة). وبالتالي، فإن بطاريات المركبات الكهربائية والشبكات ليست كذلك المضافة متطلبات ولكن متكاملة ومشتركة ومتعاقبة في كثير من الأحيان استخدامات نفس المواد، مما يقلل من إجمالي احتياجات التعدين.

3. إعادة تدوير البطاريات

تعتبر خلايا بطاريات الليثيوم المعاد تدويرها مصادر أغنى بنحو 17 مرة من النيكل، و4-5 من الليثيوم، و10 من الكوبالت من الخامات الطبيعية الخاصة بها. إن "التعدين" لمورد إعادة التدوير هذا أصبح جيدًا بالفعل جارية. لقد قمت مؤخرًا بزيارة موقع Redwood Materials التابع لشركة Tesla، وهو JB Straubel مصنع في كارسون سيتي، نيفادا - الشركة الرائدة في مجال إعادة تدوير البطاريات في الولايات المتحدة والرائدة العالمية الناشئة. يقوم المصنع بإعادة تدوير العديد من حمولات نصف الشاحنات يوميًا من البطاريات المتنوعة للغاية - بجميع الأنواع والأشكال والأحجام والاستخدامات، وغالبًا ما يجمعها من كبار تجار التجزئة الذين يحصلون عليها من العملاء. ويقوم المصنع بتحويل كل تلك البطاريات، بكفاءة تزيد عادة عن 90%، إلى مواد نقية يمكن استخدامها مرة أخرى في تصنيع بطاريات جديدة.

في الواقع، تعد شركة Redwood Materials منجمًا حميدًا وغير ملوث للانبعاثات، وينتج الليثيوم والنيكل والكوبالت والنحاس والجرافيت، مع المزيد من المنتجات في المستقبل. بفضل التصميم الرائع، لا ينتج عنها أي نفايات - بل قيمة فقط. في الوقت الحالي، يتم استخدام القليل من الغاز الطبيعي لبدء عدة أيام من المعالجة المستمرة التي تغذيها الإلكتروليتات والتفاعلات ذاتية الاستدامة. وستعمل العمليات المستقبلية على عصر هذا الغاز أيضًا والتقاط الكربون الصلب.

تحقق عملية المعالجة الأموال بالفعل على أساس التدفق النقدي حتى مع زيادة السعة بسرعة، مع توقع إنتاج 20,000 ألف طن سنويًا في عام 2021. وحتى بحلول مايو 2021، يمكن للمصنع استرداد ما يكفي من مواد البطاريات كل عام لبناء 45,000 حزمة من المركبات الكهربائية. تم تجاوز زيادة رأس مال الشركة البالغة 0.7 مليار دولار في يوليو 2021. في 14 سبتمبر 2021، أعلنت شركة Redwood Materials خطط لمصنع لصنع أقطاب كهربائية متقدمة للبطاريات، بشكل متزايد من مواد معاد تدويرها - تكفي لحوالي مليون سيارة كهربائية سنويًا بحلول عام 2025، ثم تضاعفها خمس مرات بحلول عام 2030. وبعد أسبوع، أعلنت فورد عن تحالف موسع لتطوير سلسلة توريد بطاريات مغلقة في أمريكا الشمالية. .

المصدر الرئيسي للبطاريات القابلة لإعادة التدوير لمواد الخشب الأحمر هو مصنع Tesla Gigafactory الذي يقع على بعد نصف ساعة بالسيارة - وهو أحد تصميمات JB الأخرى. فهي ترسل شاحنتين يوميًا من الإنتاج المعيب والخردة وتستعيد المواد المعاد تدويرها لصنع المزيد من البطاريات. النباتان متكافلان، مثل الأشنة. سوف تكتسب مصانع البطاريات الكبيرة الأخرى التي تنشأ حول العالم شركاء مماثلين لإغلاق الحلقة. أكبر بكثير ولكن في وقت لاحق (بالنسبة للسيارات، غالبًا بعد عقد من الزمن على الأقل) سيتم استرداد المواد من البطاريات المباعة والمستخدمة.

ونظرًا لأن المزيد من البطاريات كثيفة الطاقة المستخدمة في السيارات الكهربائية الأكثر كفاءة تتنافس مع ارتفاع حصة سوق السيارات الكهربائية، فإن عمليات إعادة التدوير هذه يمكن أن توفر بالفعل ما يصل إلى عُشر المواد اللازمة لأسطول السيارات الكهربائية العالمي. وبمرور الوقت، يمكن لإعادة التدوير أن تتوسع في النهاية لتحقيق حالة مستقرة، القضاء المزيد من التعدين، بقدرة صناعية كبيرة جدًا تصل (تقريبًا) إلى 10 تيراواط/ساعة سنويًا - حيث يلحق التعافي المتأخر بالنمو العالمي المشبع للمركبات الكهربائية على مدى عدة عقود. يمكن أن يؤدي إغلاق الحلقة إلى خفض إجمالي ثاني أكسيد الكربون للمركبات الكهربائية إلى النصف تقريبًا₂ الانبعاثات. وبمبادئ مماثلة، تهدف شركة أبل بحلول عام 2030 إلى صنع أجهزة آيفون لا تحتاج إلى تعدين.

هناك إثبات مماثل للمفهوم، في نظام البطاريات الذي يقترب بالفعل من تشبع السوق، وهو أن حوالي ثلثي العالم الرصاص العصبي ويتم بالفعل إعادة تدوير 99 بالمائة من رصاص البطارية (حوالي نصفها بشكل صحيح، ونصفها الآخر بشكل غير رسمي و خطير): في كل ولاية أمريكية تقريبًا، لا يمكنك شراء بطارية سيارة من الرصاص الحمضي دون إعادة البطارية القديمة، وبالتالي فإن هذه الحلقة مغلقة تقريبًا، ونادرًا ما يتم استخراج الرصاص. والآن تهدف شركة Redwood Materials ومنافسوها إلى "استخراج" ما يقرب من مليار بطارية مستعملة غير مستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة القديمة في المنازل الأمريكية، وما إلى ذلك - البطاريات التي تكون معادنها عادة أكثر قيمة من الرصاص وغالباً ما تكون غنية بالكوبالت.

مع تغير تركيبات البطاريات، لا تترجم التدفقات المعاد تدويرها مباشرة إلى سعة بطارية مماثلة. وبالتالي، تحتوي بطاريات الهواتف الذكية عمومًا على نسبة عالية من الكوبالت، بينما يعمل صانعو بطاريات السيارات على تقليل محتوى الكوبالت بسرعة، لذا فإن إعادة تدوير بطاريات الهواتف الذكية إلى بطاريات EV تزيد من سعة البطارية بمقدار 30 مرة لكل جرام من الكوبالت. وبالتالي، يتطلب صنع حزمة بطاريات السيارات الكهربائية حوالي 10,000 بطارية للهواتف الذكية من الليثيوم، ولكن فقط 300 بطارية من الكوبالت. وتخطط تسلا، من بين آخرين، للقيام بذلك القضاء تستخدم بطارياتها الكوبالت، لكن الشركات المصنعة التي لا تزال بحاجة إلى الكوبالت ستكون قادرة على الحصول عليه من الهواتف الذكية القديمة، وليس من عمال المناجم الأطفال الكونغوليين.

4. كيمياء البطاريات الجديدة

لقد أظهرت العديد من الشركات إلكتروليتات جديدة (مثل المواد الأيونية'البوليمر الصلب) الذي يسمح بالكيمياء مثل القلويات القابلة لإعادة الشحن. مثل هذه المواد الكيميائية، مثل المنغنيز والزنك أو المنغنيز والألومنيوم، لا تحتاج إلى مواد نادرة أو مكلفة أو سامة أو قابلة للاشتعال. وبالتالي يمكنهم أن يحلوا محل الليثيوم و النيكل و والكوبالت، مما يلحق الضرر بمنتجي بطاريات الليثيوم أيون (وخاصة في الصين). في حين تعرض سلسلة قيمة بطارية الليثيوم أيون بعض جوانب "الانغلاق" على البطارية الوطنية في الهند مهمتنا يؤكد جديد الكيمياء (وتصادف أن الهند غنية بالمنجنيز والزنك)، ومثل الجهود الأخرى في أماكن أخرى، قد تقدم مزايا مميزة يمكنها تنويع كيمياء البطاريات. تعد بعض معادن البطاريات، مثل الحديد والألومنيوم، من أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية. يمكن أيضًا أن تكون الشوارد الجديدة تمكين بطاريات ليثيوم أيون وكبريت الليثيوم آمنة ومناسبة حتى للطيران.

5. المركبات الفعالة

أحد المتغيرات الرئيسية التي يتجاهلها جميع المحللين تقريبًا هو كفاءة السيارة التي يتم كهربتها. يمكن للتخفيضات المفيدة في الكتلة والسحب الديناميكي الهوائي ومقاومة التدحرج - تحسينات في فيزياء السيارة بدلاً من كفاءة مجموعة نقل الحركة الكهربائية - أن تقلل من سعة البطارية المطلوبة لنفس نطاق القيادة بمقدار 2-3 درجات. بي ام دبليو 2013-22 i3 ، على سبيل المثال، دفعت ثمن هيكلها الخفيف للغاية المصنوع من ألياف الكربون من خلال احتياجها إلى عدد أقل من البطاريات لتحريك كتلة أقل، ومن خلال تصنيع أكثر بساطة (بثلث الاستثمار العادي والماء ونصف الطاقة والمساحة والوقت العادية). وبالتالي فإن سعة البطارية المتوقعة لكل مركبة ليست رقمًا ثابتًا ولكن يجب تحديد معلماتها وفقًا لكفاءة النظام الأساسي. ما هو النطاق المحتمل لهذا المتغير غير المحسوب؟ في سبتمبر 2021، 2-3 دقائق – وفي وقت لاحق من هذا العام، أكثر بعدة أضعاف!

وذلك لأن زيادة الكفاءة الإضافية التي تصل إلى 2-4 بوصة يتم إظهارها من خلال جيل جديد من المركبات، التي ستدخل السوق في عام 2022، وهي فعالة للغاية بحيث يمكنها تشغيل دورة تنقل عادية فقط عن طريق الخلايا الشمسية الموجودة على سطحها العلوي. (الإفصاح: أنصح شركتين من هذا القبيل - aptera.us بسرعة 343 ميلاً في الساعة مع مقعدين و سنة ضوئية بسرعة 251 ميلاً في الغالون مع خمسة.) يمكن تحسين كلا التصميمين بشكل أكبر. تحتاج مثل هذه المركبات إلى بطاريات أصغر نسبيًا وبنية تحتية أقل لإعادة الشحن أو لا تحتاج إليها على الإطلاق. بالأرقام التقريبية، فهي أكثر كفاءة بمقدار 2-3 مرات من سيارة تيسلا، على سبيل المثال الموديل : 3، واحدة من أكثر السيارات الكهربائية كفاءة في السوق. معًا، يمكن لهذه المكاسب في الكفاءة استخدام بطاريات تصل إلى أمر من حجم (تقريبًا، عامل عشرة) بكفاءة أكبر من العديد من السيارات الكهربائية الموجودة الآن في السوق، ويمكن أن تقلل من احتياجاتها من البطاريات بشكل مماثل، كل ذلك مع سلامة لا تقبل المساومة وسمات السائق الجذابة. الأبتيرا لا تشحن أبدًا هي وسيلة متخصصة، ولكن شركة Lightyear's الهولندية هي السائدة. كلاهما مهم، وسيكون هناك المزيد.

6. التنقل الفعال

وبعيدًا عن حدود نظام السيارة نفسها، فإن الاستخدام الأكثر إنتاجية للمركبات، ونماذج أعمال التنقل الجديدة، والتنقل الافتراضي (إرسال الإلكترونات، وترك النوى الثقيلة في المنزل)، والتصميم الحضري الأفضل والسياسة العامة لتوفير وصول أفضل مع قيادة أقل يمكن أن يكون كل ذلك تؤثر بشكل كبير على الاحتياجات المستقبلية للسيارات والقيادة. على سبيل المثال، سام دويتش تقارير أن "أتلانتا وبرشلونة لديهما عدد مماثل من الأشخاص وطول مدة النقل السريع، لكن انبعاثات الكربون في برشلونة أقل بنسبة 83 في المائة، كما أن عدد ركاب وسائل النقل الجماعي أعلى بنسبة 565 في المائة."

بصفتي 2017 تحليل تم العثور عليها في العناصر الأرضية النادرة، وينطبق الشيء نفسه الآن على معادن البطاريات،

… البديل الأكثر فعالية … في كل من المحركات والبطاريات، ليس مادة غريبة أخرى لصنع المحركات أو البطاريات؛ إنه تصميم سيارة أكثر ذكاءً يجعل المحركات أصغر حجمًا والبطاريات أقل. أو ربما يكون الأمر أفضل من ذلك، نماذج أعمال جديدة - خدمات قابلة للمشاركة مثل Zipcar وGetAround، أو عمليات التنقل كخدمة مثل Lyft وUber، أو المركبات ذاتية القيادة - التي تحمل عددًا أكبر من الأشخاص وأميالًا أكثر في عدد أقل بكثير من السيارات. تكلفة أقل بشكل مدهشوفي نهاية المطاف توفير ما يصل إلى 10 تريليون دولار في جميع أنحاء العالم (في صافي القيمة الحالية).

تشمل هذه الخيارات نطاقًا واسعًا من المركبات التي يُحتمل تجنبها، ولكن بالفعل في بعض المراكز الحضرية، تعمل خدمات النقل بالحافلة على إزاحة عدد أكبر من المركبات التي تستخدمها بعدة أضعاف. ومع متوسط استخدام يصل إلى 4-5% من السيارات الخاصة في الولايات المتحدة، فمن الواضح أن الإمكانات أكبر بكثير. اجمع ذلك مع الفرص الأخرى (مع جداول زمنية واحتمالات متباينة على نطاق واسع) - ~2´ مكاسب قصيرة المدى في كثافة طاقة البطارية، وعدة أضعاف في عمر البطارية، ~2–8⁺´ في كفاءة المركبات، واحتمال الإزاحة الكاملة للمواد النادرة في كيمياء البطاريات - والتوقعات العالية للطلب على مواد البطاريات المستخرجة تبدو غير مؤكدة إلى حد كبير، ومن المحتمل أن تكون خاطئة بسبب عوامل كبيرة.

وفي الختام

لدينا طرق لحفظ مواد البطاريات المثيرة للقلق أكثر من زيادة المعروض منها، ولكن يتم تجاهل هذه الفرص في جانب الطلب على نطاق واسع. التنافس أو المقارنة من جميع إن الخيارات المتاحة ــ من منظور النظام الشامل الذي يركز على أدوات الطلب بقدر ما يركز على توسعات العرض، ويقارنها أو ينافسها ــ سوف تسفر عن خيارات وإجراءات وتأثيرات أفضل، وتساعد على تجنب فقاعات الأصول، والعرض المفرط، والتدخلات التي لا داعي لها، والمخاطر غير الضرورية. . ولهذا السبب فإن المناقشات حول مواد البطاريات، أو أي مورد آخر يُفترض أنه نادر، يجب أن تأخذ في الاعتبار ليس فقط توقعات الطلب المبسطة أو المناجم المثيرة للقلق، بل النظام بأكمله - من طرف إلى طرف، ومن خط إلى دائري، ومنخرط بشكل كامل في الابتكار والاقتصاد والصناعات التحويلية. تجارة.

فيزيائي أموري بي لوفينز هو المؤسس المشارك والرئيس الفخري لـ RMI وأستاذ مساعد في الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ستانفورد.

هل تقدر أصالة CleanTechnica؟ النظر في أن تصبح عضو في CleanTechnica أو داعم أو فني أو سفير - أو راعي على Patreon.