6 ratkaisua akkujen mineraalihaasteisiin

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Viimeaikaisten artikkelien tulva, olivatpa ne sitten spontaaneja tai koordinoituja, pyrkivät heikentämään uusiutuvaa energiaa, sähköajoneuvoja ja muita ilmastoa säästävän energian siirtymisen osia. Arvostelut vaihtelevat verkon luotettavuudesta maankäyttöön, taloudesta tasapuolisuuteen. Yksi yleisimmistä ja ristiriitaisimmista väitteistä on se, että on äärimmäisen tuhoisaa ellei mahdotonta löytää tarpeeksi mineraaleja valmistamaan kaikki akut, joita globaali sähköajoneuvokanta (EV) tarvitsee. Nämä mineraalihuolet eivät todellakaan ole vähäpätöisiä, mutta ne ovat usein liioiteltuja. Kerron tässä, kuinka niistä voi tulla hallittavia, jos sisällytämme niihin ratkaisuja, jotka jäävät usein huomiotta.

Akkumateriaalit, kuten litium, nikkeli ja koboltti, ovat erikoistapaus laajemmasta dynamiikasta. Kun louhitun materiaalin odotetaan vähenevän, sen hinta nousee. Tämä signaali saa aikaan tehokkaamman käytön, kierrätyksen, korvaamisen, tutkimisen, innovaation ja muut markkinareaktiot, kuten olen kuvannut harvinaiset maametallit. (Havainnollistaen kyseisen artikkelin korvaustyötä, rautanitridi supermagneetit, jotka se mainitsi neljä vuotta sitten kokeelliseksi tavoitteeksi, ovat nyt tulleet markkinoida; ne eivät sisällä harvinaisia maametallia, ja teoriassa niistä voi tulla kaksi kertaa vahvempia kuin parhaat harvinaisten maametallien magneetit.)

Mineraalien niukkuus voi olla todellista tai mainostettua – esimerkiksi sähköajoneuvojen kilpailun vähentämiseksi öljyn kanssa tai hyödykkeiden tai kaivososakkeiden hintojen nostamiseksi keinottelijoiden kannalta. Jotkut mineraalit voivat herättää oikeutettuja huolenaiheita niukkuuden lisäksi, kuten lapsityövoiman käyttö, korruptio ja muut väärinkäytökset käsiteollisessa koboltin louhinnassa; tarpeeton riippuvuus kiinalaisista malmeista ja käsittelylaitoksista; tai kaivostoiminnan vedenkäyttö ja ympäristövahingot.

Myös todelliset huolenaiheet saattavat tarvita kontekstia – kuten äskettäinen huomautus, jonka paikkansapitävyys riippuu monista oletuksista, että Kalifornian mantelien kasvattaminen kuluttaa kuusi kertaa enemmän vettä kiloa kohden kuin litiumin louhinta autiomaassa. Myös manteleita voi nauttia vain kerran, mutta uutettuaan litium voi tarjota etuja enemmän tai vähemmän pysyvästi. Ja tietysti uusiutuvalla energialla toimivat sähköautot syrjäyttävät öljyä polttavat ajoneuvot, jotka vahingoittavat merkittävästi maata, ilmaa, terveyttä ja ilmastoa.

Vaikka akkumineraalien louhinta on aiheellista, on olemassa myös monia tehokkaita ja moninkertaisia ratkaisuja, joita perinteiset ennusteet usein aliarvioivat tai jättävät huomiotta, mikä liioittelee tulevia kaivostarpeita. Tutkitaan nyt kuutta peräkkäistä ja moninkertaista osaa ratkaisuavaruudesta.

1. Lisää energiaa kiloa kohden

Akkujen koostumuksen, valmistuksen, suunnittelun, ohjauksen ja latauksen parantaminen voi varastoida paljon enemmän energiaa materiaaliyksikköä kohden. Vuodesta 2010 lähtien litiumioniakkukennot ovat melkein kolminkertaistui niiden energiavarasto kilogrammaa kohti. Niiden 89 prosentin hinnanlasku saman vuosikymmenen aikana johtuu osittain säästävämmästä materiaalien käytöstä. Tällä vuosikymmenellä odotetaan lisää merkittäviä voittoja; yhtenä monista esimerkeistä, silikonianodit sanotaan lisäävän litiumioniakkujen energiatiheyttä 20 prosenttia. RMI arvioi että litiumioniakkujen energiatiheyden yhteisesti kaksinkertaistavat tekniikat voisivat tulla tuotantoon vuoteen 2025 mennessä. Teslan 2020 akkujen päivä esitys ilmoitti suurista parannuksista, jotka nyt skaalautuvat massatuotantoon vuonna 2022. Joten vanhoihin energiatiheyksiin perustuvat ennusteet ylittävät kaivostarpeen huomattavasti.

2. Kestää pidempään, sitten "reinkarnoituu"

Akut kestävät myös pidempään suunnittelun, materiaalien, valmistuksen ja käytön kehittyessä. Vain uusi latausprofiili voi käänteinen elämää vähentävä litiumin kulkeutuminen. Miljoonien kilometrien akkuja on tulossa, joten niiden käyttöiästä voi pian tulla yhtä epäolennainen ongelma kuin modeemi nopeus. Mitä pidempään akut kestävät, sitä enemmän ajoneuvokilometrejä niiden materiaalit kestävät.

Kun sähköauto lopulta jää eläkkeelle (tai kaatuu), sen akku voidaan "reinkarnoida" arvokkaaksi kiinteäksi varastoksi, joka tarjoaa edelleen suurta arvoa, ei siirtämällä ajoneuvoa vaan tukemalla maailmanlaajuista siirtymistä uusiutuvaan energiaan (täten vähentämällä fossiilisten polttoaineiden kaivostoimintaa). ja päästöt). Täten Liikkuvuuden talo (Zürich) ansaitsee jo ~1000 euroa sähköautoakkua kohden vuodessa myymällä noin 13 palvelua 21 potentiaalisesta palvelusta paikallaan olevista tai pysäköityistä sähköautojen akuista useiden Euroopan maiden sähköverkkoon. (Esimerkiksi vuonna 2018 yritys lisensoi sähköajoneuvon Saksan ensimmäiseksi pyörillä toimivaksi voimalaitokseksi, joka pystyy myymään taajuudenvakautuspalveluita verkkoon.)

Maailman sähköautojen valtavien tallennus- ja muiden ominaisuuksien koordinoiminen, pysäköity noin 95 prosenttia ajasta ja usein ladattavissa joustavina aikoina, on nousemassa tärkeäksi ja tuottoisaksi mahdolliseksi nopealle kasvulle vaihtelevien uusiutuvien energialähteiden – aurinkosähkön ja tuulivoiman – käytössä. Hyödyllisyysmittakaavainen ja mittarin takana oleva varastointi kilpailevat paitsi keskenään, myös verkkoon integroidun sähköautoihin perustuvan sähkövaraston kanssa. Tuo ja kahdeksan muunlaiset hiilivapaat verkon joustavuusresurssit tarkoittavat, että sähkömittakaavan akut ovat hyödyllisiä, mutta eivät välttämättömiä verkon ylläpitämiseksi luotettava kun siitä tulee uusiutuva (toinen keskustelu). Näin ollen sähköautojen ja verkkojen akut eivät ole lisäaine vaatimukset, mutta täydentäviä, yhteisiä ja usein peräkkäisiä samojen materiaalien käyttö, mikä vähentää kaivostoiminnan kokonaistarvetta.

3. Paristojen kierrätys

Kierrätetyt litiumakkukennot ovat noin 17 kertaa rikkaampia nikkelin, 4–5 litiumin ja 10 koboltin lähteitä kuin vastaavat luonnolliset malmit. Tuon kierrätysresurssin "louhinta" alkaa jo hyvin käynnissä. Vierailin äskettäin Teslan perustajan JB Straubelin Redwood Materialsissa kasvi Carson Cityssä, Nevadassa – Yhdysvaltain johtava akkujen kierrättäjä ja nouseva maailmanjohtaja. Tehdas kierrättää useita puolikuorma-autoja päivässä suunnattoman erilaisia akkuja – kaikenlaisia, -muotoisia, -kokoisia ja -käyttötarkoituksia. Ne kerätään usein suurilta jälleenmyyjiltä, jotka hankkivat ne asiakkailta. Tehdas muuntaa kaikki nämä akut, joiden hyötysuhde on yleensä yli 90 prosenttia, puhtaiksi materiaaleiksi, jotka palaavat takaisin uusiksi akuiksi.

Itse asiassa Redwood Materials on hyvänlaatuinen, saastumaton, lähes päästötön "kaivos", joka tuottaa litiumia, nikkeliä, kobolttia, kuparia ja grafiittia, ja lisää tuotteita on tulossa. Loistavan suunnittelun ansiosta se ei tuota hukkaa – vain arvoa. Toistaiseksi se käyttää vähän maakaasua käynnistääkseen useiden päivien jatkuvan käsittelyn, jota ruokkivat elektrolyytit ja itseään ylläpitävät reaktiot. Tulevat prosessit puristavat myös tämän kaasun ja sitovat kiinteää hiiltä.

Jalostus tuottaa jo nyt rahaa kassavirtaperusteisesti, vaikka kapasiteetti kasvaa nopeasti, ja vuonna 20,000 odotetaan olevan 2021 2021 syöttötonnia vuodessa. Jo toukokuuhun 45,000 mennessä tehdas voisi saada talteen tarpeeksi akkumateriaaleja vuosittain 0.7 2021 sähköajoneuvopaketin rakentamiseen. Yrityksen 14 miljardin dollarin pääomankorotus heinäkuussa 2021 ylimerkittiin. Redwood Materials ilmoitti XNUMX. syyskuuta XNUMX suunnitelmat Tehdas valmistaa edistyneitä akkuelektrodeja yhä enemmän kierrätysmateriaaleista – riittää noin miljoonalle sähköautolle vuodessa vuoteen 2025 mennessä, sitten viisinkertaistuu vuoteen 2030 mennessä. Viikkoa myöhemmin Ford ilmoitti laajasta liittoutumasta kehittääkseen suljetun kierron akkujen toimitusketjun Pohjois-Amerikassa. .

Suurin kierrätettävien akkujen lähde Redwood Materialsille on Tesla Gigafactory, joka sijaitsee puolen tunnin ajomatkan päässä – toinen JB:n suunnitelmista. Se lähettää kaksi rekkakuormaa päivässä viallista tuotantoa ja romua ja ottaa takaisin kierrätetyt materiaalit valmistaakseen lisää akkuja. Molemmat kasvit ovat symbioottisia, kuten jäkälä. Muut suuret akkutehtaat, jotka kasvavat ympäri maailmaa, saavat orgaanisesti samanlaisia silmukan sulkevia kumppaneita. Paljon suurempia, mutta myöhemmin (autoissa, usein vähintään vuosikymmentä myöhemmin) materiaalien talteenotto tulee myydyistä ja käytetyistä akuista.

Koska tehokkaammissa sähköajoneuvoissa käytetyt energiatiheät akut kilpailevat kasvavan sähköautojen markkinaosuuden kanssa, tällaiset kierrätystoiminnot voivat jo toimittaa noin kymmenesosan maailmanlaajuisen sähköautokannan tarvitsemista materiaaleista. Ajan myötä kierrätys voi lopulta skaalata vakaan tilan saavuttamiseksi, poistamalla edelleen kaivostoimintaa erittäin suurella teollisuuden kapasiteetilla, luokkaa (hyvin karkeasti) 10 TWh/v – kun viivästynyt elpyminen saavuttaa kyllästyneen maailmanlaajuisen sähköautojen kasvun useiden vuosikymmenten ajan. Tämä silmukan sulkeminen voisi puolittaa sähköautojen kokonaishiilidioksidin₂ päästöt. Samoilla periaatteilla Applen tavoitteena on valmistaa vuoteen 2030 mennessä iPhoneja, jotka eivät tarvitse louhintaa.

Analoginen todiste konseptista akkujärjestelmässä, joka on jo lähellä markkinoiden kyllästymistä, on, että noin kaksi kolmasosaa maailman neurotoksinen lyijy ja 99 prosenttia akkulyijystä on jo kierrätettyä (noin puolet kunnolla, puolet epävirallisesti ja vaarallisesti): lähes jokaisessa Yhdysvaltain osavaltiossa et voi ostaa autojen lyijyakkua vaihtamatta vanhaa akkua, joten se silmukka on jo melkein kiinni ja lyijyä louhitaan nykyään harvoin. Nyt Redwood Materials ja sen kilpailijat pyrkivät "louhimaan" noin miljardi käytettyä akkua, jotka ovat käyttämättöminä Yhdysvaltain kotien vanhoissa kannettavissa tietokoneissa, matkapuhelimissa jne. – akkuja, joiden metallit ovat yleensä lyijyä arvokkaampia ja joissa on usein paljon kobolttia.

Kun akkujen koostumus muuttuu, kierrätetyt virrat eivät muutu suoraan identtiseksi akkukapasiteetiksi. Näin ollen älypuhelimien akuissa on yleensä korkea kobolttipitoisuus, kun taas autojen akkujen valmistajat vähentävät kobolttipitoisuutta nopeasti, joten älypuhelinten akkujen kierrättäminen sähköajoneuvojen akuiksi lisää akun kapasiteettia noin 30 kertaa kobolttigrammaa kohden. Sähköajoneuvojen akkupakkauksen valmistaminen vaatii siis noin 10,000 300 älypuhelimen akkua litiumille, mutta vain ~ XNUMX koboltille. Tesla suunnittelee mm poistaa sen akkujen kobolttia käytetään, mutta valmistajat, jotka edelleen tarvitsevat kobolttia, voivat saada sen vanhoista älypuhelimista, eivät Kongon lapsikaivostyöntekijöistä.

4. Uudet akkukemiat

Useat yritykset ovat osoittaneet uusia elektrolyyttejä (esim Ioniset materiaalitkiinteä polymeeri), jotka mahdollistavat kemian, kuten ladattavat alkalit. Tällaiset kemikaalit, kuten mangaani-sinkki tai mangaani-alumiini, eivät tarvitse materiaaleja, jotka ovat niukkoja, kalliita, myrkyllisiä tai syttyviä. Ne voivat siten syrjäyttää litiumin ja nikkeli ja kobolttia, mikä asettaa litiumioniakkujen tuottajia epäedulliseen asemaan (erityisesti Kiinassa). Vaikka tässä litiumioniakkujen arvoketjussa on joitain "lukitus" piirteitä, Intian kansallinen akku tehtävä painottaa uusi kemiat (Intiassa on myös runsaasti mangaania ja sinkkiä), ja kuten muutkin toimet muualla, se voi tarjota erityisiä etuja, jotka voivat monipuolistaa akkukemiaa. Jotkut akkumetallit, kuten rauta ja alumiini, ovat maankuoren runsaimpia alkuaineita. Myös uudet elektrolyytit voisivat mahdollistaa turvalliset litium-ioni- ja litium-rikkiakut, jotka sopivat myös lentoliikenteeseen.

5. Tehokkaat ajoneuvot

Suurin muuttuja, jota lähes kaikki analyytikot eivät huomioi, on sähköistettävän ajoneuvon tehokkuus. Edullinen massan, aerodynaamisen vastuksen ja vierintävastuksen vähennykset – parannukset ajoneuvon fysiikassa sen sähköisen voimansiirron tehokkuuden sijaan – voivat vähentää tarvittavaa akun kapasiteettia samalla ajomatkalla 2–3 tuumaa. BMW:n 2013-22 i3, esimerkiksi maksoi sen ultrakevyestä hiilikuiturungosta tarvitsemalla vähemmän akkuja siirtääkseen vähemmän massaa ja yksinkertaisemmalla valmistuksella (kolmasosa normaalista investoinnista ja vedestä ja puolet normaalista energiasta, tilasta ja ajasta). Ennustettu akun kapasiteetti ajoneuvoa kohti ei siis ole kiinteä luku, vaan se tulisi parametroida alustan tehokkuuden mukaan. Mikä on tuon laskemattoman muuttujan potentiaalialue? Syyskuussa 2021 2–3′ – ja myöhemmin tänä vuonna moninkertaisesti!

Tämä johtuu siitä, että uusi ajoneuvosukupolvi, joka tulee markkinoille vuonna 2, osoittaa noin 4–2022′ lisähyötysuhteen ja niin tehokkaan, että ne voivat toimia normaalissa työmatkasyklissä pelkästään yläpinnallaan olevilla aurinkokennoilla. (Julkaisu: Neuvon kahta tällaista yritystä - aptera.us 343 mpge kahdella istuimella ja valovuosi.yksi 251 mpge viidellä.) Molemmat mallit voivat parantaa edelleen. Tällaiset ajoneuvot tarvitsevat suhteellisesti pienempiä akkuja ja vähemmän tai ei ollenkaan latausinfrastruktuuria. Pyöreänä numerona ne ovat 2–3 tuumaa tehokkaampia kuin esimerkiksi Tesla Malli 3, yksi markkinoiden tehokkaimmista sähköautoista. Yhdessä nämä tehokkuuden lisäykset voivat käyttää akkuja jopa suuruusluokkaa (karkeasti kymmenen kertaa) tehokkaammin kuin monet nyt markkinoilla olevat sähköautot, ja ne voisivat vähentää vastaavasti akkutarvetaan tinkimättömällä turvallisuudella ja houkuttelevilla kuljettajan ominaisuuksilla. Aptera NeverCharge on niche-ajoneuvo, mutta hollantilainen Lightyear's on valtavirtaa. Molemmat ovat tärkeitä, ja niitä tulee lisää.

6. Tehokas liikkuvuus

Ajoneuvon järjestelmärajojen ulkopuolella ajoneuvojen tuottavampi käyttö, uudet liikkuvuuden liiketoimintamallit, virtuaalinen liikkuvuus (lähetä elektroneja, jätä raskaita ytimiä kotiin) sekä parempi kaupunkisuunnittelu ja julkiset käytännöt, jotka tarjoavat paremman pääsyn vähemmällä ajolla. vaikuttaa dramaattisesti tuleviin autojen ja ajamisen tarpeisiin. Esimerkiksi Sam Deutsch raportit "Atlantassa ja Barcelonassa on sama määrä ihmisiä ja nopean liikenteen pituus, mutta Barcelonan hiilidioksidipäästöt ovat 83 prosenttia pienemmät ja joukkoliikenteen matkustajamäärä 565 prosenttia korkeampi."

Kuten minun 2017 analyysi löydetty harvinaisille maametallille, ja sama koskee nyt akkumineraaleja,

… tehokkain korvike…sekä moottoreissa että akuissa, ei ole toinen eksoottinen materiaali moottoreiden tai akkujen valmistukseen; se on älykkäämpi auton muotoilu, joka tekee moottoreista pienempiä ja akkuja vähemmän. Tai, mikä vielä parempaa, ne voivat olla uusia liiketoimintamalleja – jaettavat palvelut, kuten Zipcar ja GetAround, mobiilipalvelut, kuten Lyft ja Uber, tai itseohjautuvat ajoneuvot – jotka kuljettavat enemmän ihmisiä enemmän kilometrejä paljon harvemmilla autoilla. hämmästyttävän pienemmät kustannukset, mikä säästää lopulta noin 10 biljoonaa dollaria maailmanlaajuisesti (nykyarvona mitattuna).

Nämä vaihtoehdot kattavat laajan valikoiman mahdollisia vältettäviä ajoneuvoja, mutta jo joissakin kaupunkikeskuksissa ratsastuspalvelut syrjäyttävät useita kertoja enemmän ajoneuvoja kuin he käyttävät. Yhdysvaltain yksityisautojen ~4–5 prosentin keskimääräisellä käyttöasteella potentiaali on selvästi paljon suurempi. Yhdistä se muihin mahdollisuuksiin (erittäin vaihtelevilla aikaskaaloilla ja todennäköisyyksillä) - ~2´ lyhyen aikavälin lisäys akun energiatiheydessä, moninkertainen akun käyttöiässä, ~2-8⁺´ ajoneuvojen tehokkuudessa ja mahdollisesti niukkojen materiaalien täydellinen syrjäytyminen akkukemiassa – ja korkeat ennusteet louhittujen akkumateriaalien kysynnästä näyttävät erittäin epävarmoilta ja mahdollisesti vääriltä monien tekijöiden takia.

Yhteenveto

Meillä on jopa enemmän tapoja säästää huolta aiheuttavia akkumateriaaleja kuin lisätä niiden tarjontaa, mutta nämä kysyntäpuolen mahdollisuudet jätetään laajalti huomiotta. Kilpailemalla tai vertailemalla kaikki vaihtoehdot – koko järjestelmän näkökulmasta, joka korostaa kysynnän vipuvaikutuksia yhtä paljon kuin tarjonnan laajentamista ja vertailee niitä tai kilpailee niitä – antavat parempia valintoja, toimia ja vaikutuksia ja auttavat välttämään omaisuuskuplia, ylirakennettua tarjontaa, tarpeettomia interventioita ja tarpeettomia riskejä. . Siksi keskusteluissa akkumateriaaleista tai muista oletettavasti niukoista resursseista on otettava huomioon yksinkertaistettujen kysyntäennusteiden tai huolestuttavien miinojen lisäksi koko järjestelmä – päästä päähän, lineaarisesta kiertokulkuun ja täysin sitoutuneena innovaatioihin, talouteen ja käydä kauppaa.

Fyysikko Amory B. Lovins on RMI:n perustaja ja puheenjohtaja emeritus sekä rakennus- ja ympäristötekniikan apulaisprofessori Stanfordin yliopistossa.

Arvostatko CleanTechnican omaperäisyyttä? Harkitse tulla CleanTechnican jäsen, tukija, teknikko tai suurlähettiläs - tai suojelija Patreon.