6 lahendust aku mineraalidega seotud probleemidele

By Amory Lovins

Hiljutiste artiklite tulv, olgu need siis spontaansed või kooskõlastatud, püüab diskrediteerida taastuvenergiat, elektrisõidukeid ja muid kliimasäästliku energia ülemineku elemente. Kriitika ulatub võrgu töökindlusest maakasutuseni, säästlikkusest võrdsuseni. Kõige levinumate ja vastuolulisemate väidete hulgas on see, et on tohutult hävitav, kui mitte võimatu leida piisavalt mineraale, et valmistada kõik akud, mida ülemaailmne elektrisõidukipark vajab. Need mineraalidega seotud mured pole tõepoolest tühised, vaid on sageli liialdatud. Kirjeldan siin, kuidas need muutuvad juhitavaks, kui lisame sageli tähelepanuta jäetud lahendused.

Akumaterjalid, nagu liitium, nikkel ja koobalt, on laiema dünaamika erijuht. Kui kaevandatud materjalist oodatakse vähest, siis selle hind tõuseb. See signaal kutsub esile tõhusama kasutamise, ringlussevõtu, asendamise, uurimise, innovatsiooni ja muud turu reaktsioonid, nagu ma kirjeldasin haruldased muldmetallid. (Illustreerides selle artikli asendusteesi, raudnitriid supermagnetid, mida ta neli aastat tagasi eksperimentaalse ambitsioonina mainis, on nüüd jõudnud turg; need ei sisalda haruldasi muldmetalle ja võivad teoreetiliselt muutuda kaks korda tugevamaks kui parimad haruldaste muldmetallide magnetid.)

Mineraalide nappus võib olla tõeline või reklaamitud – näiteks selleks, et vähendada elektrisõidukite konkurentsi naftaga või tõsta spekulantide jaoks toorme- või kaevandusaktsiate hindu. Mõned mineraalid võivad peale nappuse tekitada ka õigustatud muret, näiteks lapstööjõud, korruptsioon ja muud kuritarvitused käsitööndusliku koobaltikaevandamise puhul; põhjendamatu sõltuvus Hiina maakidest ja töötlemisettevõtetest; või kaevandamise veekasutust ja keskkonnakahju.

Tõelised mured võivad samuti vajada konteksti – nagu hiljutine märkus, mille kehtivus sõltub paljudest eeldustest, et California mandlite kasvatamiseks kulub naela kohta kuus korda rohkem vett kui liitiumi kaevandamiseks kõrbes. Ka mandleid saab nautida vaid üks kord, kuid pärast ekstraheerimist võib liitium pakkuda kasu enam-vähem püsivalt. Ja loomulikult tõrjuvad taastuvenergial töötavad elektrisõidukid õlipõletavaid sõidukeid, mis kahjustavad oluliselt maad, õhku, tervist ja kliimat.

Kuigi aku mineraalide kaevandamise pärast on tõsine mure, on ka palju võimsaid ja mitmekordseid lahendusi, mida tavapärased prognoosid sageli alahinnavad või ignoreerivad, liialdades tulevaste kaevandusvajadustega. Uurime nüüd kuut järjestikust ja mitmekordset lahendusruumi osa.

1. Energia salvestamine kilogrammi kohta

Akude koostise, valmistamise, disaini, juhtseadiste ja laadimise täiustamine võib materjaliühiku kohta salvestada palju rohkem energiat. Alates 2010. aastast on liitium-ioonaku elemendid peaaegu kolmekordistunud nende energiasalvestus kilogrammi kohta. Nende 89-protsendiline hinnalangus samal kümnendil on osaliselt tingitud materjalide säästlikumast kasutamisest. Sellel kümnendil on oodata täiendavaid suuri edusamme; ühena paljudest näidetest, räni anoodid väidetavalt tõstab liitium-ioonakude energiatihedust 20 protsenti. RMI hindab et liitiumioonakude energiatihedust ühiselt kahekordistavad tehnoloogiad võiksid jõuda tootmisse 2025. aastaks. Tesla 2020. aasta akupäev esitlus teatas suurtest täiustustest, mis suurendavad nüüd 2022. aastal masstootmist. Nii et vanadel energiatihedustel põhinevad prognoosid hindavad kaevandamist oluliselt üle.

2. Kestmine kauem, seejärel taaskehastumine

Akud kestavad ka kauem, kuna kujundus, materjalid, tootmine ja kasutus paranevad. Lihtsalt uus laadimisprofiil saab tagasikäik eluiga vähendav liitiumi migratsioon. Tekkivad miljoni miili pikkused akud, nii et nende eluiga võib peagi muutuda sama ebaoluliseks probleemiks kui teie modemi kiirus. Mida kauem akud kestavad, seda rohkem sõidukimiile suudavad nende materjalid läbida.

Kui elektrisõiduk lõpuks pensionile läheb (või jookseb kokku), saab selle aku „reinkarneerida” väärtuslikuks statsionaarseks hoiuruumiks, mis pakub jätkuvalt suurt väärtust, mitte sõidukit teisaldades, vaid toetades ülemaailmset üleminekut taastuvenergiale (seetõttu fossiilkütuste kaevandamise vähendamine ja heitkogused). Seega Mobility House (Zürich) teenib juba praegu ~1000 eurot elektrisõidukite aku kohta aastas, müües mitme Euroopa riigi elektrivõrku umbes 13 teenust 21-st paigalseisvatest või pargitud elektrisõidukite akudest. (Näiteks 2018. aastal andis ettevõte litsentsi EV kui Saksamaa esimese ratastel elektrijaamana, mis suudab müüa võrku sageduse stabiliseerimisteenuseid.)

Maailma elektrisõidukite tohutute salvestus- ja muude võimaluste koordineerimine, mis on umbes 95 protsenti ajast pargitud ja sageli paindlikel aegadel laetavad, on muutumas taastuvate energiaallikate – päikese fotogalvaanika ja tuuleenergia – kiireks kasvuks peamiseks ja tulusaks teguriks. Kommunaalteenuste mastaabis ja arvestitagune salvestus ei konkureeri mitte ainult üksteisega, vaid ka võrku integreeritud EV-põhise elektrisalvestiga. See ja kaheksa muud tüüpi süsinikuvabad võrgu paindlikkuse ressursid tähendavad, et kommunaalteenuste akud on kasulikud, kuid mitte hädavajalikud võrgu säilitamiseks usaldusväärne kui see muutub taastuvaks (teine vestlus). Seega ei ole elektrisõidukite ja elektrivõrkude akud lisaaine nõuded, kuid üksteist täiendavad, jagatud ja sageli järjestikused samade materjalide kasutamine, vähendades kogu kaevandamisvajadust.

3. Patareide taaskasutamine

Taaskasutatud liitiumaku elemendid on umbes 17 korda rikkamad nikli, 4–5 liitiumi ja 10 koobalti allikad kui nende vastavad looduslikud maagid. Selle ringlussevõtu ressursi "kaevandamine" läheb juba hästi käimas on. Külastasin hiljuti Tesla kaasasutaja JB Straubeli Redwood Materialsi taim Nevada osariigis Carson Citys – USA juhtiv akude ümbertöötleja ja tõusev liider maailmas. Tehas taaskasutab päevas mitu poolveoautokoormat tohutult erinevaid akusid – igasuguseid, kujusid, suurusi ja kasutusalasid, kogudes need sageli suurematelt jaemüüjatelt, kes saavad need klientidelt. Tehas muudab kõik need akud, mille tõhusus on tavaliselt üle 90%, puhasteks materjalideks, mis lähevad tagasi uuteks akudeks.

Tegelikult on Redwood Materials healoomuline, mittesaastav, peaaegu nullheitega "kaevandus", mis toodab liitiumi, niklit, koobaltit, vaske ja grafiiti ning tooteid on tulemas veelgi. Tänu suurepärasele disainile ei tekita see raiskamist – ainult väärtust. Praegu kasutab see veidi maagaasi, et alustada mitmepäevast pidevat töötlemist, mida toidavad elektrolüüdid ja isemajandavad reaktsioonid. Tulevased protsessid väänavad ka selle gaasi välja ja püüavad kinni tahke süsiniku.

Töötlemine teenib rahavoo alusel juba raha isegi siis, kui võimsus kasvab kiiresti, 20,000. aastal oodatakse 2021 2021 sisendtonni aastas. Isegi 45,000. aasta maiks suudaks tehas igal aastal taaskasutada piisavalt akumaterjale, et ehitada 0.7 2021 elektripaki. Ettevõtte 14 miljardi dollari suurune kapitalitõus 2021. aasta juulis märgiti üle. XNUMX. septembril XNUMX teatas Redwood Materials plaanid et tehas valmistaks täiustatud akuelektroode üha enam ringlussevõetud materjalidest – 2025. aastaks piisab umbes miljonile elektriautole aastas, seejärel viiekordistub see 2030. aastaks. Nädal hiljem teatas Ford ulatuslikust liidust, et arendada välja suletud ahelaga Põhja-Ameerika akude tarneahel .

Redwood Materialsi peamine taaskasutatavate akude allikas on pooletunnise autosõidu kaugusel asuv Tesla Gigafactory – teine ​​JB kujundus. See saadab päevas kaks veoautotäit defektset toodangut ja jääke ning võtab tagasi ringlussevõetud materjalid, et toota rohkem akusid. Need kaks taime on sümbiootilised, nagu samblik. Teised suured akutehased üle maailma saavad orgaaniliselt sarnaseid silmuse sulgemise partnereid. Palju suurem, kuid hiljem (autode puhul sageli vähemalt kümme aastat hiljem) materjalide taaskasutamine toimub müüdud ja kasutatud akudest.

Kuna tõhusamates elektrisõidukites kasutatavad energiatihedamad akud konkureerivad kasvava elektrisõidukite turuosaga, saab selliste ringlussevõtu toimingutega juba praegu varustada umbes kümnendiku ülemaailmse elektrisõidukite pargi jaoks vajalikest materjalidest. Aja jooksul võib ringlussevõtt lõpuks ulatuda, et saavutada püsiseisund, kõrvaldades edasine kaevandamine väga suure tööstuse võimsusega, suurusjärgus (väga umbkaudu) 10 TWh/a – kuna hilinenud taastumine jõuab mitme aastakümne jooksul järele küllastuvale ülemaailmsele elektrisõidukite kasvule. See ahela sulgemine võib vähendada elektrisõidukite COXNUMX kogusummat umbes poole võrra₂ heitkogused. Sarnastel põhimõtetel on Apple'i eesmärk 2030. aastaks toota iPhone'e, mis ei vaja kaevandamist.

Analoogne kontseptsiooni tõestus akusüsteemis, mis on juba peaaegu turul küllastunud, on see, et umbes kaks kolmandikku maailma akudest neurotoksiline plii ja 99 protsenti akupliist on juba ringlusse võetud (umbes pool korralikult, pool mitteametlikult ja ohtlikult): peaaegu kõigis USA osariikides ei saa auto pliiakut osta ilma vana akut sisse keeramata, nii et see ahel on juba peaaegu suletud ja pliid kaevandatakse nüüd harva. Nüüd püüavad Redwood Materials ja tema konkurendid "kaevandada" umbes miljard kasutatud akut, mis seisavad kasutamata USA kodude vanades sülearvutites, mobiiltelefonides jne – akud, mille metallid on tavaliselt pliist väärtuslikumad ja sageli koobaltirikkad.

Akude koostise muutudes ei muutu ringlussevõetud vood otseselt identseks aku mahtuvuseks. Seega on nutitelefonide akudes üldiselt kõrge koobaltisisaldus, samas kui autoakude tootjad vähendavad kiiresti koobaltisisaldust, nii et nutitelefoni akude ümbertöötlemine elektrisõidukite akudeks suurendab aku mahtuvust ~30 korda ühe grammi koobalti kohta. EV akupatarei valmistamiseks kulub seega umbes 10,000 300 nutitelefoni akut liitiumi jaoks, kuid ainult ~XNUMX koobalti jaoks. Teiste hulgas plaanib Tesla kõrvaldama selle akud kasutavad koobaltit, kuid tootjad, kes siiski vajavad koobaltit, saavad seda hankida vanadelt nutitelefonidelt, mitte Kongo lapskaevuritelt.

4. Uudsed akukeemiad

Mitmed ettevõtted on näidanud uusi elektrolüüte (nt Ioonilised materjalidtahke polümeer), mis võimaldavad selliseid kemikaale nagu laetavad leelised. Sellised kemikaalid, nagu mangaan-tsink või mangaan-alumiinium, ei vaja materjale, mis on napid, kulukad, mürgised või tuleohtlikud. Seega võivad nad liitiumi välja tõrjuda ja nikkel ja koobaltiga, asetades liitiumioonakude tootjad ebasoodsasse olukorda (eriti Hiinas). Kuigi see liitium-ioonaku väärtusahel näitab mõningaid lukustamise aspekte, on India riiklik aku missioon rõhutab uus keemiad (India on rikas ka mangaani ja tsingi poolest) ning nagu ka muud jõupingutused mujal, võib see pakkuda eristavaid eeliseid, mis võivad akude keemiat mitmekesistada. Mõned akumetallid, nagu raud ja alumiinium, on maakoore kõige levinumate elementide hulgas. Uued elektrolüüdid võiksid ka võimaldama ohutud liitiumioon- ja liitiumväävelakud, mis sobivad isegi lennunduses.

5. Tõhusad sõidukid

Peamine muutuja, mida peaaegu kõik analüütikud tähelepanuta jätavad, on elektrifitseeritava sõiduki tõhusus. Massi, aerodünaamilise takistuse ja veeretakistuse soodne vähendamine – sõiduki füüsika täiustused, mitte selle elektrilise jõuülekande tõhusus – võivad vähendada sama sõiduulatuse jaoks vajalikku aku mahtuvust 2–3 tolli võrra. BMW 2013.–22 i3, Näiteks maksis selle ülikerge süsinikkiust korpuse eest vähema massi liikumiseks vähem akusid ja lihtsama valmistamisega (ühe kolmandiku tavalisest investeeringust ja veest ning poole tavalisest energiast, ruumist ja ajast). Prognoositav aku võimsus sõiduki kohta ei ole seega fikseeritud arv, vaid see tuleks määrata platvormi tõhususe järgi. Mis on selle loendamata muutuja potentsiaalne vahemik? Septembris 2021 2–3′ — ja hiljem sel aastal mitu korda rohkem!

Selle põhjuseks on asjaolu, et 2. aastal turule tulev uue põlvkonna sõidukid näitavad täiendavat ~4–2022′ tõhususe kasvu, mis on nii tõhusad, et suudavad normaalse pendelrännaku tsüklit toita ainult ülemise pinna päikesepatareide abil. (Avalikustamine: nõustan kahte sellist ettevõtet - aptera.us kiirusel 343 mpge kahe istmega ja valgusaasta.üks 251 mpge viiega.) Mõlemad kujundused võivad veelgi paraneda. Sellised sõidukid vajavad proportsionaalselt väiksemaid akusid ja vähem või üldse mitte laadimisinfrastruktuuri. Ümarate arvude korral on need 2–3 korda tõhusamad kui näiteks Tesla Mudel 3, üks tõhusamaid elektrisõidukeid turul. Need tõhususe suurenemised koos võivad kasutada akusid kuni suurusjärgus (umbes kümme korda) tõhusamalt kui paljud praegu turul olevad elektrisõidukid ja võiksid vastavalt vähendada oma akuvajadust, kõike seda kompromissitu ohutuse ja atraktiivsete juhiomadustega. Aptera Mitte kunagi Charge on nišisõiduk, kuid Hollandi firma Lightyear’s on mainstream. Mõlemad on olulised ja neid tuleb veelgi.

6. Tõhus liikuvus

Sõiduki enda süsteemipiiridest kaugemale saab sõidukite produktiivsem kasutamine, uued mobiilsuse ärimudelid, virtuaalne mobiilsus (saata elektrone, jätta rasked tuumad koju) ning parem linnakujundus ja avalik kord, et pakkuda paremat juurdepääsu vähema sõiduga. mõjutab oluliselt tulevasi vajadusi autode ja sõidu järele. Näiteks Sam Deutsch aruanded et "Atlantas ja Barcelonas on sarnane inimeste arv ja kiirtransiidi pikkus, kuid Barcelona süsinikdioksiidi heitkogused on 83 protsenti väiksemad ja massitranspordiga sõitjate arv 565 protsenti suurem."

Nagu minu 2017 analüüs leitud haruldaste muldmetallide kohta ja sama kehtib nüüd ka aku mineraalide kohta,

… kõige tõhusam asendaja … nii mootorites kui ka akudes, ei ole järjekordne eksootiline materjal mootorite või akude valmistamiseks; see on nutikam auto disain, mis muudab mootorid väiksemaks ja akusid vähem. Või, mis veelgi parem, võivad need olla uued ärimudelid – jagatavad teenused, nagu Zipcar ja GetAround, mobiilsus-teenusena toimingud, nagu Lyft ja Uber, või autonoomsed sõidukid – mis viivad rohkem inimesi rohkem kilomeetreid palju vähemate autodega. hämmastavalt madalamad kulud, säästes kogu maailmas kokku umbes 10 triljonit dollarit (nüüdispuhasväärtuses).

Need valikud hõlmavad paljusid potentsiaalselt välditavaid sõidukeid, kuid juba mõnes linnakeskuses tõrjuvad sõiduautod välja mitu korda rohkem sõidukeid, kui nad kasutavad. USA eraautode keskmise kasutusega ~4–5 protsenti on potentsiaal selgelt suurem. Kombineerige see teiste võimalustega (suure erineva ajakava ja tõenäosusega) – aku energiatiheduse lühiajaline suurenemine ~2´, aku kasutusiga mitmekordne, ~2–8⁺´ sõidukite tõhususes ja nappide materjalide potentsiaalselt täielikku väljatõrjumist akukeemias – ning kaevandatud akumaterjalide nõudluse kõrged prognoosid tunduvad väga ebakindlad ja paljude tegurite tõttu võivad need olla valed.

Järeldus

Meil on probleemsete akumaterjalide säästmiseks veelgi rohkem võimalusi kui nende pakkumise suurendamiseks, kuid neid nõudluse võimalusi eiratakse laialdaselt. Võistlemine või võrdlemine kõik valikuvõimalused – kogu süsteemi vaatenurgast, mis rõhutab nii nõudluse hoobasid kui pakkumise laiendamist ning võrdleb või konkureerib nendega – annavad paremaid valikuid, tegevusi ja mõjusid ning aitavad vältida varamulle, üleehitatud pakkumist, tarbetuid sekkumisi ja tarbetuid riske. . Seetõttu tuleb akumaterjalide või muude väidetavalt nappide ressursi üle arutledes arvestada mitte ainult lihtsustatud nõudluse prognooside või murettekitavate kaevandustega, vaid kogu süsteemiga – otsast lõpuni, lineaarsest ringini ning täielikult innovatsiooni, majanduse ja kaubandus.

Füüsik Amory B. Lovins on RMI kaasasutaja ja emeriitesimees ning Stanfordi ülikooli ehitus- ja keskkonnatehnika abiprofessor.

© 2021 Rocky Mountaini instituut. Avaldatud loaga. Algselt postitatud RMI väljalaskeava.

 

Kas hindate CleanTechnica originaalsust? Kaaluge a CleanTechnica liige, toetaja, tehnik või suursaadik - või patroon Patreon.

 

 

---

reklaam  

---

---

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