6 løsninger på batterimineraludfordringer

By Amory Lovins

En strøm af nyere artikler, uanset om de er spontane eller koordinerede, søger at miskreditere vedvarende energi, elektriske køretøjer og andre elementer i den klimabesparende energiomstilling. Kritik spænder fra nettets pålidelighed til arealanvendelse, fra økonomi til egenkapital. Blandt de mest udbredte og konfliktfyldte påstande er, at det er uhyre ødelæggende, hvis ikke umuligt, at finde nok mineraler til at lave alle de batterier, som en global flåde af elektriske køretøjer (EV'er) har brug for. Disse mineralproblemer er faktisk ikke trivielle, men er ofte overdrevne. Jeg vil her skitsere, hvordan de kan blive håndterbare, hvis vi inkluderer løsninger, der ofte overses.

Batterimaterialer som lithium, nikkel og kobolt er et særligt tilfælde af en bredere dynamik. Når et udvundet materiale forventes at blive knapt, stiger dets pris. Dette signal fremkalder mere effektiv brug, genbrug, substitution, udforskning, innovation og andre markedsreaktioner, som jeg har beskrevet for sjældne jordarter. (Illustrerer artiklens substitutionsafhandling, den jernnitrid supermagneter, den nævnte for fire år siden som en eksperimentel ambition er nu kommet til marked; de indeholder ingen sjældne jordarter og kunne teoretisk set blive dobbelt så stærke som de bedste sjældne jordarters magneter.)

Mineralknaphed kan være reel eller hypet - for eksempel for at reducere elektriske køretøjers konkurrence med olie eller for at hæve råvare- eller mineaktiepriser for spekulanter. Nogle mineraler kan give anledning til legitime bekymringer udover knaphed, såsom børnearbejde, korruption og andre misbrug i håndværksmæssig koboltminedrift; unødig afhængighed af kinesiske malme og forarbejdningsanlæg; eller minedriftens vandforbrug og miljøskader.

Reelle bekymringer kan også have brug for kontekst - som en nylig bemærkning, hvis gyldighed afhænger af mange antagelser, at dyrkning af californiske mandler tager seks gange så meget vand pr. pund som at udvinde lithium i ørkenen. Mandler kan også nydes én gang, men når de først er udvundet, kan lithium blive ved med at give fordele mere eller mindre permanent. Og selvfølgelig fortrænger vedvarende elbiler oliebrændende køretøjer, der i høj grad skader jord, luft, sundhed og klima.

Selvom der er ordentlige bekymringer om minedrift af batterimineraler, er der også mange kraftfulde og multiplikative løsninger, som konventionelle fremskrivninger ofte undervurderer eller ignorerer, hvilket overdriver fremtidige minedriftsbehov. Lad os nu udforske seks på hinanden følgende og multiplikative dele af løsningsrummet.

1. Lagring af mere energi pr. kilogram

Forbedring af batteriernes sammensætning, fremstilling, design, kontroller og genopladning kan lagre langt mere energi pr. materialeenhed. Siden 2010 har lithium-ion battericeller næsten tredoblet deres energilager pr. kilogram. Deres prisfald på 89 procent i det samme årti skyldes til dels deres mere sparsommelige brug af materialer. Yderligere store gevinster forventes i dette årti; som et af mange eksempler, silicium anoder siges at hæve lithium-ion-batteriers energitæthed med 20 procent. RMI vurderer at teknologier, der kollektivt fordobler lithium-ion-batteriers energitæthed, kan komme i produktion i 2025. Teslas 2020 Battery Day præsentation annonceret store forbedringer, der nu skaleres op til masseproduktion i 2022. Så fremskrivninger baseret på gamle energitætheder overvurderer den nødvendige minedrift væsentligt.

2. Vare længere og derefter blive "reinkarneret"

Batterier holder også længere, efterhånden som design, materialer, fremstilling og brug forbedres. Bare en ny opladningsprofil kan vende livsreducerende lithiummigrering. Million-mile-batterier er ved at dukke op, så deres levetid kan snart blive lige så irrelevant et problem som hastigheden på dit modem. Jo længere batterierne holder, jo flere køretøjsmil kan deres materialer bære.

Når en elbil i sidste ende går på pension (eller styrter ned), kan dens batteripakke "reinkarneres" til værdifuld stationær opbevaring, der fortsætter med at give stor værdi, ikke ved at flytte et køretøj, men ved at støtte det globale skift til vedvarende energi (derved reducere fossile brændstoffers minedrift og emissioner). Dermed Mobilitetshuset (Zürich) tjener allerede ~1000 € pr. EV-batteripakke om året ved at sælge ~13 af 21 potentielle tjenester fra stationære eller parkerede EV-batteripakker til elnettet i flere europæiske lande. (For eksempel licenserede firmaet i 2018 en EV som Tysklands første kraftværk på hjul, i stand til at sælge frekvensstabiliseringstjenester til nettet.)

Koordinering af den enorme lagring og andre muligheder i verdens elbiler, parkeret ~95 procent af tiden og ofte genopladelig på fleksible tidspunkter, fremstår som en vigtig og lukrativ muliggører for hurtig vækst i variable vedvarende energikilder - solcelleanlæg og vindkraft. Utility-scale og bag-the-meter-lager vil ikke kun konkurrere med hinanden, men også med net-integreret, EV-baseret el-lager. Det og otte andre former for kulstoffrie netfleksibilitetsressourcer betyder, at batterier i brugsskala er nyttige, men ikke afgørende for at holde nettet pålidelig efterhånden som det bliver vedvarende (en anden samtale). Det er batterier til elbiler og til net således ikke additiv krav men komplementære, delte og ofte successive anvendelser af de samme materialer, hvilket reducerer det samlede minedriftsbehov.

3. Genbrug af batterier

Genanvendte lithiumbattericeller er omkring 17 gange rigere kilder til nikkel, 4-5 af lithium og 10 af kobolt end deres respektive naturlige malme. "Minedrift" af den genbrugsressource er allerede ved at blive godt undervejs. Jeg besøgte for nylig Teslas medstifter JB Straubels Redwood Materials anlæg i Carson City, Nevada - den førende amerikanske batterigenvinder og en ny verdensleder. Fabrikken genbruger adskillige lastvognsladninger om dagen af ​​uhyre forskellige batterier - alle slags, former, størrelser og anvendelser, og indsamler dem ofte fra større detailhandlere, der får dem fra kunder. Anlægget konverterer alle disse batterier, med typisk over 90 procent effektivitet, til rene materialer, der går tilbage til nye batterier.

Faktisk er Redwood Materials en godartet, ikke-forurenende, næsten-nul-emission "mine", der producerer lithium, nikkel, kobolt, kobber og grafit, med flere produkter på vej. Med et strålende design producerer det intet spild - kun værdi. Indtil videre bruger den lidt naturgas til at starte flere dages kontinuerlig behandling, der er drevet af elektrolytter og selvopretholdende reaktioner. Fremtidige processer vil også vride den gas ud og fange fast kulstof.

Forarbejdningen tjener allerede penge på cashflow-basis, selvom kapaciteten hurtigt opskaleres, med 20,000 inputtons om året forventet i 2021. Selv i maj 2021 kunne anlægget genvinde nok batterimaterialer hvert år til at bygge 45,000 EV-pakker. Firmaets kapitalforhøjelse på 0.7 milliarder USD i juli 2021 blev overtegnet. Den 14. september 2021 annoncerede Redwood Materials planer for en fabrik til at fremstille avancerede batterielektroder, i stigende grad af genbrugsmaterialer - nok til omkring en million elbiler om året i 2025, derefter femdobling i 2030. En uge senere annoncerede Ford en ekspansiv alliance for at udvikle en nordamerikansk batteriforsyningskæde med lukket kredsløb .

En vigtig kilde til genanvendelige batterier til Redwood Materials er Tesla Gigafactory en halv times kørsel væk - et andet af JB's design. Den sender to lastbillæs om dagen med defekt produktion og skrot og tager genbrugsmaterialer tilbage for at lave flere batterier. De to planter er symbiotiske, som en lav. Andre store batterifabrikker, der går op rundt omkring i verden, vil organisk få lignende løkkelukkende partnere. Meget større, men senere (for biler, ofte mindst et årti senere) materialegenvinding vil komme fra solgte og brugte batterier.

Da mere energitætte batterier, der bruges i mere effektive elbiler, konkurrerer med stigende el-markedsandele, kan sådanne genbrugsoperationer allerede levere i størrelsesordenen en tiendedel af de nødvendige materialer til den globale elbilflåde. Med tiden kan genbrug i sidste ende skaleres for at opnå steady-state, eliminere yderligere minedrift med en meget stor industrikapacitet i størrelsesordenen (meget groft) 10 TWh/år - da et forsinket opsving indhenter mættende global vækst i elbiler over flere årtier. Denne sløjfelukning kunne omkring halvere elbilers samlede CO₂ emissioner. På lignende principper sigter Apple inden 2030 at lave iPhones, der ikke behøver minedrift.

Et analogt proof-of-concept i et batterisystem, der allerede er omkring markedsmætning, er, at omkring to tredjedele af verdens neurotoksisk bly og 99 procent af batteriets bly er allerede genanvendt (omkring halvdelen korrekt, halvdelen uformelt , faretruende): I næsten alle amerikanske stater kan du ikke købe et blysyre-bilbatteri uden at indsætte dit gamle, så den løkke er allerede næsten lukket, og bly udvindes nu sjældent. Nu sigter Redwood Materials og dets konkurrenter på at "mine" omkring en milliard brugte batterier, der sidder ubrugte i amerikanske hjems gamle bærbare computere, mobiltelefoner osv. - batterier, hvis metaller normalt er mere værdifulde end bly og ofte rige på kobolt.

Efterhånden som batteriernes sammensætning skifter, oversættes genbrugte strømme ikke direkte til identisk batterikapacitet. Således har smartphone-batterier generelt et højt koboltindhold, mens bilbatteriproducenter hurtigt reducerer koboltindholdet, så genanvendelse af smartphone-batterier til EV-batterier udnytter ~30´ mere batterikapacitet pr. gram kobolt. At lave en EV-batteripakke tager således størrelsesordenen 10,000 smartphone-batterier til lithium, men kun ~300 for kobolt. Tesla, blandt andre, planlægger at eliminere dets batteriers brug af kobolt, men producenter, der stadig har brug for kobolt, vil kunne få det fra gamle smartphones, ikke congolesiske minearbejdere.

4. Nye batterikemi

Adskillige firmaer har demonstreret nye elektrolytter (som f Ioniske materialer' fast polymer), der tillader kemi som genopladelige alkalier. Sådanne kemier, som mangan-zink eller mangan-aluminium, behøver ingen materialer, der er sparsomme, dyre, giftige eller brandfarlige. De kunne således fortrænge lithium , nikkel , kobolt, hvilket er til ulempe for producenter af lithium-ion-batterier (især i Kina). Mens den lithium-ion-batteri værdikæde viser nogle aspekter af "lock-in", Indiens nationale batteri mission understreger ny kemikalier (Indien er tilfældigvis også rig på mangan og zink), og kan ligesom andre bestræbelser andre steder tilbyde særlige fordele, der kan diversificere batterikemien. Nogle batterimetaller, som jern og aluminium, er blandt de mest udbredte grundstoffer i jordskorpen. Nye elektrolytter kunne også muliggøre sikre lithium-ion- og lithium-svovl-batterier, der egner sig selv til luftfart.

5. Effektive køretøjer

En vigtig variabel, der overses af næsten alle analytikere, er effektiviteten af ​​det køretøj, der bliver elektrificeret. Fordelagtige reduktioner i masse, aerodynamisk modstand og rullemodstand - forbedringer i køretøjets fysik snarere end effektiviteten af ​​dets elektriske drivlinje - kan reducere den nødvendige batterikapacitet for samme køreområde med 2-3´. BMW'er 2013-22 i3 for eksempel betalt for sin ultralette kulfiberkrop ved at have brug for færre batterier for at flytte mindre masse og ved enklere fremstilling (med en tredjedel af den normale investering og vand og halvdelen af ​​den normale energi, plads og tid). Den forventede batterikapacitet pr. køretøj er derfor ikke et fast tal, men bør parametreres til platformens effektivitet. Hvad er potentialet for den uoptalte variabel? I september 2021, 2–3′ — og senere i år flere gange mere!

Det skyldes, at en yderligere ~2-4′ effektivitetsgevinst bliver demonstreret af en ny generation af køretøjer, der kommer på markedet i 2022, og så effektive, at de kan drive en normal pendlingscyklus blot ved hjælp af solceller på deres øvre overflade. (Oplysning: Jeg rådgiver to sådanne firmaer - aptera.us ved 343 mpge med to sæder, og lightyear.one  ved 251 mpge med fem.) Begge designs kan forbedres yderligere. Sådanne køretøjer har brug for forholdsmæssigt mindre batterier og mindre eller ingen opladningsinfrastruktur. I runde tal er de 2-3' mere effektive end f.eks. en Tesla Model 3, en af ​​de mest effektive elbiler på markedet. Tilsammen kan disse effektivitetsgevinster bruge batterier op til en størrelsesorden (omtrent en faktor ti) mere effektivt end mange elbiler, der nu er på markedet, og kunne reducere deres batteribehov tilsvarende, alt sammen med kompromisløs sikkerhed og attraktive føreregenskaber. Apteraen Oplad aldrig er et niche-køretøj, men det hollandske firma Lightyear's er mainstream. Begge dele er vigtige, og der kommer flere.

6. Effektiv mobilitet

Ud over selve køretøjets systemgrænse kan mere produktiv brug af køretøjer, nye mobilitetsforretningsmodeller, virtuel mobilitet (sende elektroner, efterlade tunge kerner derhjemme) og bedre bydesign og offentlig politik for at give bedre adgang med mindre kørsel dramatisk påvirke fremtidige behov for biler og kørsel. For eksempel Sam Deutsch rapporter at "Atlanta og Barcelona har et tilsvarende antal mennesker og længden af ​​hurtig transit, men Barcelonas kulstofemissioner er 83 procent lavere og massetransport er 565 procent højere."

Som min 2017 analyse fundet for sjældne jordarter, og det samme gælder nu for batterimineraler,

… den mest effektive erstatning … i både motorer og batterier, er ikke et andet eksotisk materiale til fremstilling af motorer eller batterier; det er smartere bildesign, der gør motorer mindre og batterier færre. Eller endnu bedre, det kunne være nye forretningsmodeller – delbare tjenester som Zipcar og GetAround, mobilitet-som-en-tjeneste-operationer som Lyft og Uber eller autonome køretøjer – der transporterer flere mennesker flere kilometer i langt færre biler på forbløffende lavere omkostninger, hvilket i sidste ende sparer i størrelsesordenen $10 billioner på verdensplan (i nettonutidsværdi).

Disse muligheder spænder over en bred vifte af potentielle undgåede køretøjer, men allerede i nogle bykerner fortrænger ridehailing-tjenester flere gange så mange køretøjer, som de bruger. Med ~4-5 procent gennemsnitlig udnyttelse af private amerikanske biler er potentialet klart langt større. Kombiner det med andre muligheder (med vidt forskellige tidsskalaer og sandsynligheder) - ~2' kortsigtede gevinster i batteriets energitæthed, flere gange i batterilevetid, ~2-8⁺´ i køretøjseffektivitet og potentielt fuldstændig forskydning af knappe materialer i batterikemi - og høje prognoser for efterspørgsel efter udvundet batterimaterialer ser meget usikre ud og potentielt forkerte af store faktorer.

Konklusion

Vi har endnu flere måder at spare batterimaterialer på, end at øge deres udbud, men disse muligheder på efterspørgselssiden ignoreres bredt. Konkurrerer eller sammenligner alle muligheder – i et helsystemperspektiv, der lægger vægt på efterspørgselshåndtag lige så meget som udbudsudvidelser og sammenligner eller konkurrerer med dem – vil give bedre valg, handlinger og påvirkninger og hjælpe med at undgå aktivbobler, overbygget udbud, unødvendige indgreb og unødvendige risici . Det er grunden til, at diskussioner om batterimaterialer eller enhver anden formodet knap ressource skal tage hensyn til ikke blot forenklede efterspørgselsfremskrivninger eller bekymrende miner, men hele systemet - ende-til-ende, lineært-til-cirkulært og fuldt engageret med innovation, økonomi og handle.

fysiker Amory B. Lovins er medstifter og formand emeritus for RMI og adjungeret professor i civil- og miljøteknik ved Stanford University.

© 2021 Rocky Mountain Institute. Udgivet med tilladelse. Oprindeligt lagt på RMI udtag.

 

Sætter du pris på CleanTechnicas originalitet? Overvej at blive en CleanTechnica-medlem, supporter, tekniker eller ambassadør - eller en protektor på Patreon.

 

 

---

reklame  

---

---

Kilde: https://cleantechnica.com/2022/01/28/6-solutions-to-battery-mineral-challenges/