6 soluciones a los desafíos de los minerales de las baterías

Reeditado por Platón

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Una avalancha de artículos recientes, ya sean espontáneos o coordinados, busca desacreditar las energías renovables, los vehículos eléctricos y otros elementos de la transición energética para salvar el clima. Las críticas van desde la confiabilidad de la red hasta el uso de la tierra, desde la economía hasta la equidad. Entre las afirmaciones más generalizadas y conflictivas se encuentra que es inmensamente destructivo, si no imposible, encontrar suficientes minerales para fabricar todas las baterías que necesitará una flota global de vehículos eléctricos (EV). De hecho, estas preocupaciones sobre los minerales no son triviales, pero a menudo se exageran. Describiré aquí cómo pueden volverse manejables si incluimos soluciones que a menudo se pasan por alto.

Los materiales de las baterías como el litio, el níquel y el cobalto son un caso especial de una dinámica más amplia. Cuando se espera que un material extraído escasee, su precio sube. Esa señal provoca un uso más eficiente, el reciclaje, la sustitución, la exploración, la innovación y otras respuestas del mercado, como he descrito para tierras extrañas. (Ilustrando la tesis de sustitución de ese artículo, el nitruro de hierro superimanes que mencionó hace cuatro años como una ambición experimental ahora han llegado a mercado; no contienen tierras raras y, en teoría, podrían volverse el doble de fuertes que los mejores imanes de tierras raras).

La escasez de minerales puede ser real o exagerada, por ejemplo, para reducir la competencia de los vehículos eléctricos con el petróleo, o para aumentar los precios de las materias primas o las acciones mineras para los especuladores. Algunos minerales pueden plantear preocupaciones legítimas además de la escasez, como el trabajo infantil, la corrupción y otros abusos en la minería artesanal de cobalto; dependencia indebida de minerales y plantas de procesamiento chinos; o el uso del agua y el daño ambiental de la minería.

Las preocupaciones reales también pueden necesitar contexto, como un comentario reciente, cuya validez depende de muchas suposiciones, de que cultivar almendras de California requiere seis veces más agua por libra que extraer litio en el desierto. Las almendras también se pueden disfrutar solo una vez, pero una vez extraídas, el litio puede seguir brindando beneficios de forma más o menos permanente. Y, por supuesto, los vehículos eléctricos con energía renovable desplazan a los vehículos que queman petróleo que dañan de manera importante la tierra, el aire, la salud y el clima.

Si bien existen preocupaciones adecuadas sobre la extracción de minerales para baterías, también existen muchas soluciones poderosas y multiplicadoras que las proyecciones convencionales a menudo subestiman o ignoran, exagerando las futuras necesidades de extracción. Exploremos ahora seis partes sucesivas y multiplicativas del espacio de solución.

1. Almacenar más energía por kilogramo

Mejorar la composición, la fabricación, el diseño, los controles y la recarga de las baterías puede almacenar mucha más energía por unidad de material. Desde 2010, las celdas de las baterías de iones de litio han casi triplicado su almacenamiento de energía por kilogramo. Su caída de precios del 89 por ciento durante la misma década se debe en parte a su uso más frugal de materiales. Se esperan avances importantes adicionales en esta década; como uno de tantos ejemplos, ánodos de silicio Se dice que aumentan la densidad de energía de las baterías de iones de litio en un 20 por ciento. RMI evalúa que las tecnologías que duplican colectivamente la densidad de energía de las baterías de iones de litio podrían entrar en producción para 2025. Día de la batería 2020 de Tesla presentation anunció importantes mejoras que ahora se amplían para la producción en masa en 2022. Por lo tanto, las proyecciones basadas en las antiguas densidades de energía exageran sustancialmente la minería necesaria.

2. Durar más y luego “reencarnarse”

Las baterías también duran más a medida que mejoran los diseños, los materiales, la fabricación y el uso. Solo un nuevo perfil de carga puede marcha atrás migración de litio que reduce la vida. Están surgiendo baterías de millones de millas, por lo que su vida útil pronto podría convertirse en un problema tan irrelevante como la velocidad de su módem. Cuanto más duren las baterías, más millas por vehículo pueden soportar sus materiales.

Cuando un EV finalmente se retira (o se estrella), su paquete de baterías se puede "reencarnar" en un valioso almacenamiento estacionario que continúa brindando un gran valor, no al mover un vehículo sino al respaldar el cambio global hacia la energía renovable (por lo tanto, reduciendo la minería de combustibles fósiles). y emisiones). Por lo tanto La Casa de la Movilidad (Zürich) ya gana ~1000 € por paquete de baterías EV por año al vender ~13 de 21 servicios potenciales de paquetes de baterías EV estacionarios o estacionados a la red eléctrica en varios países europeos. (Por ejemplo, en 2018, la empresa autorizó un EV como la primera central eléctrica sobre ruedas de Alemania, capaz de vender servicios de estabilización de frecuencia a la red).

La coordinación del inmenso almacenamiento y otras capacidades en los vehículos eléctricos del mundo, estacionados aproximadamente el 95 por ciento del tiempo y, a menudo, recargables en horarios flexibles, está emergiendo como un facilitador importante y lucrativo del rápido crecimiento de las energías renovables variables: energía solar fotovoltaica y eólica. El almacenamiento a gran escala y detrás del medidor competirán no solo entre sí, sino también con el almacenamiento de electricidad basado en vehículos eléctricos e integrado en la red. eso y ocho otros tipos de recursos de flexibilidad de red libres de carbono significan que las baterías a gran escala son útiles pero no esenciales para mantener la red confianza a medida que se vuelve renovable (otra conversación). Por lo tanto, las baterías para vehículos eléctricos y para redes no son aditivo requisitos pero complementarias, compartidas y a menudo sucesivas. usos de los mismos materiales, reduciendo las necesidades mineras totales.

3. Reciclaje de baterías

Las celdas de batería de litio recicladas son unas 17 veces más ricas en níquel, 4–5 en litio y 10 en cobalto que sus respectivos minerales naturales. “Minería” ese recurso de reciclaje ya va bien marcha. Hace poco visité Redwood Materials del cofundador de Tesla, JB Straubel. planta en Carson City, Nevada, el principal reciclador de baterías de EE. UU. y un líder mundial emergente. La planta recicla varias cargas de semirremolques al día de baterías inmensamente diversas, de todos los tipos, formas, tamaños y usos, y a menudo las recolecta de los principales minoristas que las obtienen de los clientes. La planta convierte todas esas baterías, normalmente con una eficiencia superior al 90 por ciento, en materiales puros que vuelven a convertirse en baterías nuevas.

En efecto, Redwood Materials es una "mina" benigna, no contaminante y de casi cero emisiones que produce litio, níquel, cobalto, cobre y grafito, con más productos por venir. Gracias a su brillante diseño, no produce desperdicios, solo valor. Por ahora, utiliza un poco de gas natural para iniciar varios días de procesamiento continuo alimentado por electrolitos y reacciones autosuficientes. Los procesos futuros exprimirán ese gas también y capturarán carbono sólido.

El procesamiento ya genera dinero sobre la base del flujo de caja, incluso cuando la capacidad aumenta rápidamente, con 20,000 2021 toneladas de entrada por año previstas para 2021. Incluso para mayo de 45,000, la planta podría recuperar suficientes materiales de batería cada año para construir 0.7 2021 paquetes EV. El aumento de capital de $14 millones de la empresa en julio de 2021 se suscribió en exceso. El XNUMX de septiembre de XNUMX, Redwood Materials anunció jubilación para que una fábrica fabrique electrodos de batería avanzados, cada vez más a partir de materiales reciclados, suficiente para alrededor de un millón de vehículos eléctricos al año para 2025, y luego se quintuplicará para 2030. Una semana después, Ford anunció una alianza expansiva para desarrollar una cadena de suministro de baterías de circuito cerrado en América del Norte. .

Una fuente importante de baterías reciclables para Redwood Materials es la Gigafactory de Tesla, a media hora en auto, otro de los diseños de JB. Envía dos camiones por día de productos defectuosos y chatarra y recupera materiales reciclados para fabricar más baterías. Las dos plantas son simbióticas, como un liquen. Otras grandes fábricas de baterías que se están construyendo en todo el mundo obtendrán orgánicamente socios de cierre de bucle similares. Mucho más grande pero más tarde (para los automóviles, a menudo al menos una década después) la recuperación de materiales provendrá de las baterías vendidas y usadas.

A medida que las baterías más densas en energía utilizadas en vehículos eléctricos más eficientes compiten con la creciente participación en el mercado de vehículos eléctricos, tales operaciones de reciclaje ya pueden suministrar del orden de una décima parte de los materiales necesarios para la flota mundial de vehículos eléctricos. Con el tiempo, el reciclaje puede escalar en última instancia para lograr un estado estable, eliminando minería adicional, a una capacidad industrial muy grande del orden de (muy aproximadamente) 10 TWh / año, a medida que la recuperación retrasada se pone al día con el crecimiento global saturado de EV durante varias décadas. Este cierre de ciclo podría reducir a la mitad el COXNUMX total de los vehículos eléctricos₂ emisiones Con principios similares, Apple tiene como objetivo para 2030 fabricar iPhones que no necesiten minería.

Una prueba de concepto análoga, en un sistema de batería que ya está cerca de la saturación del mercado, es que alrededor de dos tercios de los plomo neurotóxico y el 99 por ciento del plomo de la batería ya se recicla (alrededor de la mitad correctamente, la mitad informalmente y peligrosamente): en casi todos los estados de EE. UU., no se puede comprar una batería de automóvil de plomo-ácido sin entregar la anterior, por lo que ese ciclo ya está casi cerrado y ahora el plomo rara vez se extrae. Ahora, Redwood Materials y sus competidores tienen como objetivo "extraer" aproximadamente mil millones de baterías usadas que se encuentran sin usar en las viejas computadoras portátiles, teléfonos celulares, etc. de los hogares estadounidenses, baterías cuyos metales suelen ser más valiosos que el plomo y, a menudo, ricos en cobalto.

A medida que cambia la composición de las baterías, los flujos reciclados no se traducen directamente en una capacidad de batería idéntica. Por lo tanto, las baterías de los teléfonos inteligentes generalmente tienen un alto contenido de cobalto, mientras que los fabricantes de baterías para automóviles están reduciendo rápidamente el contenido de cobalto, por lo que reciclar las baterías de los teléfonos inteligentes en baterías EV aprovecha ~ 30 'más de capacidad de batería por gramo de cobalto. Para fabricar un paquete de baterías EV, se requieren del orden de 10,000 baterías de litio para teléfonos inteligentes, pero solo ~ 300 para cobalto. Tesla, entre otros, planea eliminarlos el uso de cobalto de sus baterías, pero los fabricantes que aún necesitan cobalto podrán obtenerlo de teléfonos inteligentes viejos, no de niños mineros congoleños.

4. Químicas de baterías novedosas

Varias empresas han demostrado nuevos electrolitos (como Materiales iónicos' polímero sólido) que permiten químicas como los alcalinos recargables. Tales productos químicos, como el manganeso-zinc o el manganeso-aluminio, no necesitan materiales que son escasos, costosos, tóxicos o inflamables. Así podrían desplazar al litio y níquel y cobalto, perjudicando a los productores de baterías de iones de litio (especialmente en China). Si bien esa cadena de valor de la batería de iones de litio muestra algunos aspectos de "bloqueo", la batería nacional de la India misión enfatiza nueva químicas (India también es rica en manganeso y zinc), y al igual que otros esfuerzos en otros lugares, puede ofrecer ventajas distintivas que podrían diversificar la química de las baterías. Algunos metales de batería, como el hierro y el aluminio, se encuentran entre los elementos más abundantes en la corteza terrestre. Los nuevos electrolitos también podrían habilitar Baterías seguras de iones de litio y litio-azufre aptas incluso para la aviación.

5. Vehículos Eficientes

Una variable importante que casi todos los analistas pasan por alto es la eficiencia del vehículo que se electrifica. Las reducciones ventajosas en la masa, la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura (mejoras en la física del vehículo en lugar de la eficiencia de su tren motriz eléctrico) pueden reducir la capacidad requerida de la batería para el mismo rango de manejo en 2 a 3 pies. BMW 2013-22 i3, por ejemplo, pagó por su cuerpo ultraligero de fibra de carbono al necesitar menos baterías para mover menos masa y mediante una fabricación más simple (con un tercio de la inversión y el agua normales y la mitad de la energía, el espacio y el tiempo normales). Por lo tanto, la capacidad de batería proyectada por vehículo no es un número fijo, sino que debe parametrizarse según la eficiencia de la plataforma. ¿Cuál es el rango potencial de esa variable no contada? En septiembre de 2021, 2–3′, ¡y más adelante este año, varias veces más!

Esto se debe a que una nueva generación de vehículos, que ingresará al mercado en 2, está demostrando una ganancia adicional de eficiencia de ~ 4 a 2022 ′ y es tan eficiente que puede alimentar un ciclo de viaje normal solo con células solares en su superficie superior. (Divulgación: aconsejo a dos de esas empresas: aptera.es a 343 mpge con dos asientos, y lightyear.one a 251 mpge con cinco.) Ambos diseños pueden mejorar aún más. Dichos vehículos necesitan baterías proporcionalmente más pequeñas y menos o ninguna infraestructura de recarga. En números redondos, son 2-3´ más eficientes que, digamos, un Tesla modelo 3, uno de los vehículos eléctricos más eficientes del mercado. Juntas, estas ganancias de eficiencia pueden usar baterías hasta un orden de magnitud (aproximadamente, un factor de diez) de manera más eficiente que muchos EV ahora en el mercado, y podría reducir sus necesidades de batería en consecuencia, todo con seguridad sin compromisos y atributos atractivos para el conductor. El áptera nunca cargar es un vehículo de nicho, pero la firma holandesa Lightyear es convencional. Ambos son importantes, y habrá más.

6. Movilidad eficiente

Más allá de los límites del sistema del propio vehículo, un uso más productivo de los vehículos, nuevos modelos de negocios de movilidad, movilidad virtual (enviar electrones, dejar los núcleos pesados en casa) y un mejor diseño urbano y políticas públicas para proporcionar un mejor acceso con menos conducción pueden todos afectará dramáticamente las necesidades futuras de automóviles y conducción. Por ejemplo, Sam Deutsch informes que “Atlanta y Barcelona tienen una cantidad similar de personas y una duración similar del tránsito rápido, pero las emisiones de carbono de Barcelona son un 83 por ciento más bajas y la cantidad de pasajeros del transporte público es un 565 por ciento más alta”.

Como mi 2017 análisis encontrado para las tierras raras, y lo mismo ahora es cierto para los minerales de batería,

… el sustituto más eficaz… tanto en motores como en baterías, no es otro material exótico para fabricar motores o baterías; es un diseño de automóvil más inteligente que hace que los motores sean más pequeños y las baterías menos. O, incluso mejor, podrían ser nuevos modelos de negocios (servicios compartibles como Zipcar y GetAround, operaciones de movilidad como servicio como Lyft y Uber, o vehículos autónomos) que transportan a más personas, más millas en muchos menos autos a la misma hora. costo asombrosamente más bajo, ahorrando en última instancia del orden de 10 billones de dólares en todo el mundo (en valor actual neto).

Estas opciones abarcan una amplia gama de posibles vehículos evitados, pero ya en algunos núcleos urbanos, los servicios de transporte compartido están desplazando varias veces más vehículos de los que utilizan. Con una utilización promedio de ~4 a 5 por ciento de los automóviles privados de EE. UU., el potencial es claramente mucho mayor. Combine eso con otras oportunidades (con escalas de tiempo y probabilidades muy variables): ganancias a corto plazo de ~2´ en la densidad de energía de la batería, varias veces en la vida útil de la batería, ~2–8⁺´ en la eficiencia del vehículo y el desplazamiento potencialmente completo de materiales escasos en la química de la batería, y los pronósticos altos de demanda de materiales de batería extraídos parecen muy inciertos y potencialmente erróneos por grandes factores.

Conclusión

Tenemos incluso más formas de ahorrar materiales de batería que preocupan que de aumentar su suministro, pero estas oportunidades del lado de la demanda son ampliamente ignoradas. Competir o comparar todos Las opciones, en una perspectiva de todo el sistema que enfatiza tanto las palancas de la demanda como las expansiones de la oferta, y las compara o compite con ellas, generarán mejores opciones, acciones e impactos, y ayudarán a evitar burbujas de activos, oferta sobreconstruida, intervenciones innecesarias y riesgos innecesarios. . Es por eso que las discusiones sobre materiales para baterías, o cualquier otro recurso supuestamente escaso, deben considerar no solo proyecciones de demanda simplistas o minas preocupantes, sino todo el sistema: de extremo a extremo, lineal a circular y totalmente comprometido con la innovación, la economía y comercio.

Físico Amory B. Lovins es cofundador y presidente emérito de RMI y profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Stanford.

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