6 Lösungen für Herausforderungen bei Batteriemineralien

Neuauflage von Plato

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Eine Flut aktueller Artikel, ob spontan oder koordiniert, versucht, erneuerbare Energien, Elektrofahrzeuge und andere Elemente der klimaschonenden Energiewende zu diskreditieren. Die Kritikpunkte reichen von der Netzzuverlässigkeit bis zur Landnutzung, von der Wirtschaftlichkeit bis zur Gerechtigkeit. Zu den am weitesten verbreiteten und widersprüchlichsten Behauptungen gehört, dass es immens destruktiv, wenn nicht sogar unmöglich, ist, genügend Mineralien zu finden, um alle Batterien herzustellen, die eine globale Flotte von Elektrofahrzeugen (EVs) benötigt. Diese Mineralbedenken sind zwar nicht trivial, werden aber oft übertrieben. Ich werde hier darlegen, wie sie beherrschbar werden können, wenn wir häufig übersehene Lösungen einbeziehen.

Batteriematerialien wie Lithium, Nickel und Kobalt sind ein Sonderfall einer breiteren Dynamik. Wenn erwartet wird, dass ein gefördertes Material knapp wird, steigt sein Preis. Dieses Signal löst eine effizientere Nutzung, Wiederverwertung, Substitution, Exploration, Innovation und andere Marktreaktionen aus, wie ich beschrieben habe seltene Erden. (Zur Veranschaulichung der Substitutionsthese dieses Artikels Eisennitrid Supermagnete, die vor vier Jahren als experimentelles Ziel erwähnt wurden, sind nun Wirklichkeit geworden Markt; Sie enthalten keine seltenen Erden und könnten theoretisch doppelt so stark werden wie die besten seltenen Erden-Magnete.)

Mineralknappheit kann real oder gehypt sein – zum Beispiel, um die Konkurrenz von Elektrofahrzeugen mit Öl zu verringern oder um die Preise für Rohstoffe oder Bergbauaktien für Spekulanten zu erhöhen. Einige Mineralien können neben der Knappheit auch berechtigte Bedenken hervorrufen, etwa Kinderarbeit, Korruption und andere Missbräuche beim handwerklichen Kobaltabbau. übermäßige Abhängigkeit von chinesischen Erzen und Verarbeitungsbetrieben; oder der Wasserverbrauch und die Umweltschäden des Bergbaus.

Auch echte Bedenken bedürfen möglicherweise eines Kontexts – etwa einer aktuellen Bemerkung, deren Gültigkeit von vielen Annahmen abhängt, dass der Anbau kalifornischer Mandeln sechsmal so viel Wasser pro Pfund verbraucht wie der Lithiumabbau in der Wüste. Auch Mandeln können nur einmal genossen werden, aber einmal extrahiert, kann Lithium mehr oder weniger dauerhaft seine Wirkung entfalten. Und natürlich ersetzen erneuerbar betriebene Elektrofahrzeuge ölbetriebene Fahrzeuge, die Land, Luft, Gesundheit und Klima erheblich schädigen.

Während es berechtigte Bedenken hinsichtlich des Abbaus von Batteriemineralien gibt, gibt es auch viele leistungsstarke und multiplikative Lösungen, die herkömmliche Prognosen oft unterbewerten oder ignorieren und den zukünftigen Bergbaubedarf übertreiben. Lassen Sie uns nun sechs aufeinanderfolgende und multiplikative Teile des Lösungsraums untersuchen.

1. Mehr Energie pro Kilogramm speichern

Durch die Verbesserung der Zusammensetzung, der Herstellung, des Designs, der Steuerung und des Aufladens von Batterien kann weit mehr Energie pro Materialeinheit gespeichert werden. Seit 2010 gibt es Lithium-Ionen-Batteriezellen fast verdreifacht ihren Energiespeicher pro Kilogramm. Ihr Preisverfall um 89 Prozent im selben Jahrzehnt ist teilweise auf den sparsameren Materialeinsatz zurückzuführen. In diesem Jahrzehnt werden weitere große Zuwächse erwartet; als eines von vielen Beispielen, Siliziumanoden sollen die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien um 20 Prozent steigern. RMI schätzt ein dass Technologien, die die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien insgesamt verdoppeln, bis 2025 in Produktion gehen könnten. Teslas Batterietag 2020 presentation kündigte große Verbesserungen an, die nun für die Massenproduktion im Jahr 2022 ausgeweitet werden sollen. Prognosen, die auf alten Energiedichten basieren, überschätzen daher den erforderlichen Abbau deutlich.

2. Länger überleben, dann „reinkarniert“ werden

Batterien halten auch länger, da Design, Materialien, Herstellung und Verwendung verbessert werden. Nur ein neues Ladeprofil kann rückgängig machen lebensverkürzende Lithiummigration. Es kommen immer mehr Millionen-Meilen-Batterien auf den Markt, sodass ihre Lebensdauer bald ein ebenso irrelevantes Thema sein könnte wie die Geschwindigkeit Ihres Modems. Je länger die Batterien halten, desto mehr Fahrzeugkilometer können ihre Materialien zurücklegen.

Wenn ein Elektrofahrzeug schließlich ausfällt (oder abstürzt), kann sein Batteriepaket in einen wertvollen stationären Speicher „reinkarniert“ werden, der weiterhin einen hohen Wert bietet, und zwar nicht durch den Transport eines Fahrzeugs, sondern durch die Unterstützung der weltweiten Umstellung auf erneuerbare Energien (wodurch der Abbau fossiler Brennstoffe reduziert wird). und Emissionen). Daher Das Mobilitätshaus (Zürich) verdient bereits ~1000 € pro EV-Batteriepaket und Jahr durch den Verkauf von ~13 von 21 potenziellen Dienstleistungen von stationären oder geparkten EV-Batteriepaketen an das Stromnetz in mehreren europäischen Ländern. (Zum Beispiel lizenzierte das Unternehmen im Jahr 2018 ein Elektrofahrzeug als Deutschlands erstes Kraftwerk auf Rädern, das Frequenzstabilisierungsdienste an das Netz verkaufen konnte.)

Die Koordinierung der enormen Speicher- und anderen Kapazitäten der Elektrofahrzeuge auf der Welt, die etwa 95 Prozent der Zeit geparkt sind und oft zu flexiblen Zeiten wiederaufladbar sind, entwickelt sich zu einem wichtigen und lukrativen Wegbereiter für ein schnelles Wachstum variabler erneuerbarer Energien – Solarphotovoltaik und Windkraft. Die Speicherung im Versorgungsmaßstab und die Speicherung hinter dem Zähler werden nicht nur miteinander konkurrieren, sondern auch mit der netzintegrierten, auf Elektrofahrzeugen basierenden Stromspeicherung. Das und acht Andere Arten von kohlenstofffreien Netzflexibilitätsressourcen bedeuten, dass Batterien im Versorgungsmaßstab nützlich, aber nicht unbedingt erforderlich sind, um das Netz aufrechtzuerhalten zuverlässig wenn es erneuerbar wird (ein anderes Konversation). Batterien für Elektrofahrzeuge und für Netze sind es also nicht Zusatzstoff Anforderungen aber ergänzend, geteilt und oft aufeinanderfolgend Verwendung der gleichen Materialien, wodurch der gesamte Bergbaubedarf reduziert wird.

3. Batterien recyceln

Recycelte Lithiumbatteriezellen sind etwa 17-mal reichere Quellen für Nickel, 4–5 Mal für Lithium und 10 Mal für Kobalt als ihre jeweiligen natürlichen Erze. Der „Abbau“ dieser Recycling-Ressource läuft bereits gut unterwegs. Kürzlich habe ich Redwood Materials von Tesla-Mitbegründer JB Straubel besucht Pflanze in Carson City, Nevada – der führende Batterierecycler in den USA und ein aufstrebender Weltmarktführer. Die Anlage recycelt täglich mehrere Sattelschlepperladungen mit äußerst unterschiedlichen Batterien – in allen Arten, Formen, Größen und Verwendungszwecken – und holt sie oft bei großen Einzelhändlern ab, die sie von Kunden beziehen. Die Anlage wandelt all diese Batterien mit einem Wirkungsgrad von typischerweise über 90 Prozent in reine Materialien um, die direkt wieder in neue Batterien verwendet werden.

Tatsächlich handelt es sich bei Redwood Materials um eine harmlose, umweltfreundliche und nahezu emissionsfreie „Mine“, die Lithium, Nickel, Kobalt, Kupfer und Graphit produziert. Weitere Produkte sollen folgen. Durch das brillante Design entsteht keine Verschwendung – nur Wert. Derzeit wird ein wenig Erdgas benötigt, um einen mehrtägigen kontinuierlichen Prozess zu starten, der durch Elektrolyte und selbsterhaltende Reaktionen angetrieben wird. Zukünftige Prozesse werden auch dieses Gas auspressen und festen Kohlenstoff einfangen.

Die Verarbeitung erwirtschaftet auf Cashflow-Basis bereits Geld, auch wenn die Kapazität schnell wächst, wobei im Jahr 20,000 2021 Eingangstonnen pro Jahr erwartet werden. Selbst bis Mai 2021 könnte die Anlage jedes Jahr genug Batteriematerial zurückgewinnen, um 45,000 Elektrofahrzeugpakete zu bauen. Die Kapitalerhöhung des Unternehmens in Höhe von 0.7 Milliarden US-Dollar im Juli 2021 war überzeichnet. Am 14. September 2021 gab Redwood Materials bekannt Pläne für eine Fabrik zur Herstellung fortschrittlicher Batterieelektroden, zunehmend aus recycelten Materialien – genug für etwa eine Million Elektrofahrzeuge pro Jahr bis 2025, dann eine Verfünffachung bis 2030. Eine Woche später kündigte Ford eine expansive Allianz zur Entwicklung einer geschlossenen nordamerikanischen Batterielieferkette an .

Eine wichtige Quelle für recycelbare Batterien für Redwood Materials ist die Tesla Gigafactory eine halbe Autostunde entfernt – ein weiterer Entwurf von JB. Es versendet täglich zwei LKW-Ladungen mit fehlerhafter Produktion und Schrott und nimmt recycelte Materialien zurück, um weitere Batterien herzustellen. Die beiden Pflanzen gehen eine Symbiose ein, ähnlich einer Flechte. Andere große Batteriefabriken auf der ganzen Welt werden ganz automatisch ähnliche Partner gewinnen, die den Kreislauf schließen. Viel größer, aber später (bei Autos oft mindestens ein Jahrzehnt später) wird die Materialrückgewinnung aus verkauften und gebrauchten Batterien erfolgen.

Da energiedichtere Batterien, die in effizienteren Elektrofahrzeugen verwendet werden, mit steigenden Marktanteilen von Elektrofahrzeugen konkurrieren, können solche Recyclingbetriebe bereits etwa ein Zehntel der für die globale Elektrofahrzeugflotte benötigten Materialien liefern. Mit der Zeit kann das Recycling letztendlich skaliert werden, um einen stabilen Zustand zu erreichen. eliminieren weiterer Bergbau mit einer sehr großen Industriekapazität in der Größenordnung von (sehr ungefähr) 10 TWh/Jahr – da die verzögerte Erholung über mehrere Jahrzehnte hinweg mit dem sättigenden globalen EV-Wachstum aufholt. Dieser Kreislauf könnte den gesamten COXNUMX-Ausstoß von Elektrofahrzeugen etwa halbieren₂ Emissionen. Nach ähnlichen Grundsätzen will Apple bis 2030 iPhones herstellen, die kein Mining erfordern.

Ein analoger Proof-of-Concept für ein Batteriesystem, dessen Markt bereits nahezu gesättigt ist, liegt bei etwa zwei Dritteln des weltweiten Marktes neurotoxisches Blei und 99 Prozent des Batteriebleis werden bereits recycelt (etwa die Hälfte ordnungsgemäß, die andere Hälfte informell). und gefährlich): In fast allen US-Bundesstaaten kann man keine Blei-Säure-Autobatterie kaufen, ohne die alte abzugeben, sodass der Kreislauf bereits fast geschlossen ist und Blei nur noch selten abgebaut wird. Jetzt wollen Redwood Materials und seine Konkurrenten etwa eine Milliarde gebrauchter Batterien „abbauen“, die ungenutzt in alten Laptops, Mobiltelefonen usw. in US-Haushalten liegen – Batterien, deren Metalle normalerweise wertvoller als Blei und oft reich an Kobalt sind.

Da sich die Zusammensetzung der Batterien ändert, führen recycelte Ströme nicht direkt zu einer identischen Batteriekapazität. Daher haben Smartphone-Batterien im Allgemeinen einen hohen Kobaltgehalt, während die Hersteller von Autobatterien den Kobaltgehalt rasch reduzieren, sodass durch das Recycling von Smartphone-Batterien zu Batterien für Elektrofahrzeuge etwa 30 % mehr Batteriekapazität pro Gramm Kobalt erzielt werden. Für die Herstellung eines Batteriepakets für Elektrofahrzeuge werden somit etwa 10,000 Smartphone-Batterien für Lithium benötigt, aber nur etwa 300 für Kobalt. Das plant unter anderem Tesla beseitigen Seine Batterien verbrauchen zwar kein Kobalt, aber Hersteller, die noch Kobalt benötigen, können es von alten Smartphones beziehen, nicht von kongolesischen Kinderbergarbeitern.

4. Neuartige Batteriechemie

Mehrere Firmen haben neuartige Elektrolyte demonstriert (wie Ionische Materialien’ festes Polymer), das Chemikalien wie wiederaufladbare Alkalien ermöglicht. Solche Chemikalien wie Mangan-Zink oder Mangan-Aluminium benötigen keine Materialien, die knapp, teuer, giftig oder brennbar sind. Sie könnten damit Lithium verdrängen und Super und Kobalt, was die Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien benachteiligt (insbesondere in China). Während diese Wertschöpfungskette für Lithium-Ionen-Batterien einige Aspekte des „Lock-in“ aufweist, ist Indiens nationale Batterie Mission betont neu Chemie (Indien ist zufällig auch reich an Mangan und Zink) und könnte wie andere Bemühungen anderswo besondere Vorteile bieten, die die Batteriechemie diversifizieren könnten. Einige Batteriemetalle wie Eisen und Aluminium gehören zu den am häufigsten vorkommenden Elementen in der Erdkruste. Neuartige Elektrolyte könnten es auch sein ermöglichen sichere Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien, die auch für die Luftfahrt geeignet sind.

5. Effiziente Fahrzeuge

Eine wichtige Variable, die von fast allen Analysten übersehen wird, ist die Effizienz des Fahrzeugs, das elektrifiziert wird. Durch vorteilhafte Reduzierungen der Masse, des Luftwiderstands und des Rollwiderstands – Verbesserungen der Fahrzeugphysik statt der Effizienz seines elektrischen Antriebsstrangs – kann die erforderliche Batteriekapazität bei gleicher Reichweite um 2–3 Zoll gesenkt werden. BMWs 2013–22 i3 Zum Beispiel wurde sein ultraleichter Kohlefaserkörper dadurch bezahlt, dass weniger Batterien benötigt wurden, um weniger Masse zu bewegen, und durch eine einfachere Herstellung (mit einem Drittel der normalen Investitionen und Wasser und der Hälfte der normalen Energie, des Raums und der Zeit). Die prognostizierte Batteriekapazität pro Fahrzeug ist daher keine feste Zahl, sondern sollte anhand der Plattformeffizienz parametrisiert werden. Wie groß ist der potenzielle Bereich dieser nicht gezählten Variablen? Im September 2021, 2–3′ – und später in diesem Jahr um ein Vielfaches mehr!

Das liegt daran, dass eine neue Generation von Fahrzeugen, die 2 auf den Markt kommen und so effizient sind, dass sie allein durch Solarzellen auf ihrer Oberseite einen normalen Pendlerzyklus antreiben können, einen weiteren Effizienzgewinn von ca. 4–2022′ zeigt. (Offenlegung: Ich berate zwei solcher Firmen – aptera.us bei 343 mpge mit zwei Sitzen und lightyear.one bei 251 mpge mit fünf.) Beide Designs können weiter verbessert werden. Solche Fahrzeuge benötigen verhältnismäßig kleinere Batterien und weniger oder keine Ladeinfrastruktur. In runden Zahlen sind sie 2–3 Zoll effizienter als beispielsweise ein Tesla Modell 3, eines der effizientesten Elektrofahrzeuge auf dem Markt. Zusammengenommen können diese Effizienzgewinne Batterien bis zu verbrauchen eine Größenordnung (ungefähr um den Faktor zehn) effizienter als viele derzeit auf dem Markt erhältliche Elektrofahrzeuge und könnten ihren Batteriebedarf entsprechend reduzieren, und das alles bei kompromissloser Sicherheit und attraktiven Fahrereigenschaften. Die Aptera Nie aufladen ist ein Nischenfahrzeug, aber das niederländische Unternehmen Lightyear’s ist Mainstream. Beides ist wichtig, und es wird noch mehr geben.

6. Effiziente Mobilität

Über die Systemgrenze des Fahrzeugs selbst hinaus können eine produktivere Nutzung von Fahrzeugen, neue Mobilitätsgeschäftsmodelle, virtuelle Mobilität (Elektronen senden, schwere Kerne zu Hause lassen) sowie eine bessere Stadtgestaltung und öffentliche Politik, die einen besseren Zugang mit weniger Autofahren ermöglicht, erreicht werden Dies wird die künftigen Anforderungen an Autos und Autofahren dramatisch beeinflussen. Zum Beispiel Sam Deutsch Berichte dass „Atlanta und Barcelona eine ähnliche Anzahl an Menschen und eine ähnliche Länge des Nahverkehrs haben, aber Barcelonas CO83-Emissionen sind 565 Prozent niedriger und die Zahl der Fahrgäste im Nahverkehr ist XNUMX Prozent höher.“

Als mein 2017 Analyse für seltene Erden gefunden, und das Gleiche gilt jetzt auch für Batteriemineralien.

… der effektivste Ersatz … sowohl in Motoren als auch in Batterien, ist kein weiteres exotisches Material für die Herstellung von Motoren oder Batterien; Es ist ein intelligenteres Autodesign, das die Motoren kleiner und die Batterien weniger macht. Oder, noch besser, es könnten neue Geschäftsmodelle sein – gemeinsam nutzbare Dienste wie Zipcar und GetAround, Mobility-as-a-Service-Betriebe wie Lyft und Uber oder autonome Fahrzeuge –, die mehr Menschen mit weitaus weniger Autos über mehr Kilometer befördern erstaunlich geringere Kosten, was letztendlich zu Einsparungen in der Größenordnung von 10 Billionen US-Dollar weltweit (im Nettogegenwartswert) führt.

Diese Optionen decken ein breites Spektrum potenziell vermiedener Fahrzeuge ab, aber in einigen städtischen Kernen verdrängen Fahrdienste bereits ein Vielfaches so vieler Fahrzeuge, wie sie nutzen. Mit einer durchschnittlichen Nutzung privater US-Autos von etwa 4 bis 5 Prozent ist das Potenzial deutlich größer. Kombinieren Sie dies mit anderen Möglichkeiten (mit sehr unterschiedlichen Zeiträumen und Wahrscheinlichkeiten) – ~2´ kurzfristige Steigerungen der Batterieenergiedichte, Vielfaches der Batterielebensdauer, ~2–8⁺´ in der Fahrzeugeffizienz und möglicherweise eine vollständige Verdrängung knapper Materialien in der Batteriechemie – und hohe Prognosen zur Nachfrage nach geförderten Batteriematerialien erscheinen höchst unsicher und möglicherweise aufgrund großer Faktoren falsch.

Zusammenfassung

Wir haben noch mehr Möglichkeiten, besorgniserregende Batteriematerialien einzusparen, als ihr Angebot zu erhöhen, aber diese nachfrageseitigen Möglichkeiten werden weitgehend ignoriert. Konkurrieren oder vergleichen alle Optionen – in einer Gesamtsystemperspektive, die Nachfragehebel genauso stark betont wie Angebotserweiterungen und sie vergleicht oder konkurriert – werden zu besseren Entscheidungen, Maßnahmen und Auswirkungen führen und dazu beitragen, Vermögensblasen, überzogenes Angebot, unnötige Interventionen und unnötige Risiken zu vermeiden . Aus diesem Grund müssen Diskussionen über Batteriematerialien oder andere vermeintlich knappe Ressourcen nicht nur vereinfachte Nachfrageprognosen oder besorgniserregende Minen berücksichtigen, sondern das gesamte System – durchgängig, linear bis zirkulär und voll auf Innovation, Wirtschaftlichkeit usw. ausgerichtet Handel.

Physiker Amory B. Lovins ist Mitbegründer und emeritierter Vorsitzender des RMI und außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Stanford University.

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

Zeitstempel: 28. Januar 2022