6 megoldás az akkumulátoros ásványi anyagokkal kapcsolatos kihívásokra

By Amory Lovins

A közelmúltban megjelent cikkek özöne, akár spontán, akár koordinált, igyekszik lejáratni a megújuló energiát, az elektromos járműveket és a klímatakarékos energiaátállás egyéb elemeit. A kritikák a hálózat megbízhatóságától a földhasználatig, a gazdaságosságtól a méltányosságig terjednek. A legelterjedtebb és legellentmondásosabb állítások közé tartozik, hogy rendkívül pusztító, ha nem lehetetlen elegendő ásványt találni ahhoz, hogy az összes akkumulátort elkészítsék, amelyre egy globális elektromos járműflottának (EV) szüksége lesz. Ezek az ásványokkal kapcsolatos aggodalmak valóban nem triviálisak, hanem gyakran eltúlzottak. Itt felvázolom, hogyan válhatnak kezelhetővé, ha gyakran figyelmen kívül hagyott megoldásokat is tartalmaznak.

Az olyan akkumulátorok, mint a lítium, nikkel és kobalt, a tágabb dinamika speciális esetei. Amikor egy bányászott anyag várhatóan megfogyatkozik, az ára emelkedik. Ez a jel hatékonyabb felhasználást, újrahasznosítást, helyettesítést, feltárást, innovációt és egyéb piaci válaszokat idéz elő, amint azt már leírtam. ritkaföldfémek. (Az adott cikk helyettesítési tézisét szemléltetve a vas-nitrid A négy évvel ezelőtt kísérleti ambícióként említett szupermágnesek mostanra eljutottak piac; nem tartalmaznak ritkaföldfémeket, és elméletileg kétszer olyan erősek lehetnek, mint a legjobb ritkaföldfém mágnesek.)

Az ásványianyag-hiány lehet valós vagy reklámozott – például azért, hogy csökkentsék az elektromos járművek olajjal való versenyét, vagy hogy megemeljék a nyersanyagok vagy a bányászati ​​részvények árát a spekulánsok számára. Egyes ásványok a szűkösség mellett jogos aggályokat is felvethetnek, mint például a gyermekmunka, a korrupció és más visszaélések a kézműves kobaltbányászat során; indokolatlan függőség a kínai ércektől és feldolgozó üzemektől; vagy a bányászat vízhasználatát és környezeti kárait.

Valós aggodalmakhoz is szükség lehet kontextusra – mint egy nemrégiben megjelent megjegyzés, amelynek érvényessége sok feltételezéstől függ, miszerint a kaliforniai mandula termesztése hatszor annyi vizet igényel fontonként, mint a lítium bányászata a sivatagban. A mandula is csak egyszer fogyasztható, de ha kivonjuk, a lítium többé-kevésbé tartósan is jótékony hatású. És természetesen a megújuló hajtású elektromos járművek kiszorítják az olajtüzelésű járműveket, amelyek jelentős mértékben károsítják a földet, a levegőt, az egészséget és az éghajlatot.

Míg az akkumulátor-ásványok bányászatával kapcsolatban kellő aggodalmak merülnek fel, számos hatékony és multiplikatív megoldás is létezik, amelyeket a hagyományos előrejelzések gyakran alábecsülnek vagy figyelmen kívül hagynak, eltúlozva a jövőbeni bányászati ​​szükségleteket. Vizsgáljuk meg most a megoldási tér hat egymást követő és többszörös részét.

1. Több energia tárolása kilogrammonként

Az akkumulátorok összetételének, gyártásának, tervezésének, vezérlésének és újratöltésének javítása sokkal több energiát tárolhat anyagegységenként. 2010 óta a lítium-ion akkumulátorcellák majdnem megháromszorozódott kilogrammonkénti energiatárolásuk. Ugyanebben az évtizedben 89 százalékos áresésük részben a takarékosabb anyaghasználatnak köszönhető. Ebben az évtizedben további jelentős eredmények várhatók; mint egy példa a sok közül, szilícium anódok állítólag 20 százalékkal növeli a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségét. RMI értékeli hogy a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségét együttesen megduplázó technológiák 2025-re termelésbe kerülhetnek. A Tesla 2020-as akkumulátornapja bemutatás Jelentős fejlesztéseket jelentett be, amelyek 2022-ben a tömegtermelésre is kiterjednek. Így a régi energiasűrűségen alapuló előrejelzések lényegesen túlbecsülik a szükséges bányászatot.

2. Hosszabb ideig tart, majd „reinkarnálódik”

Az akkumulátorok élettartama is tovább tart, ahogy javul a tervezés, az anyagok, a gyártás és a használat. Csak egy új töltési profil lehet fordított életet csökkentő lítiumvándorlás. Millió mérföldes akkumulátorok jelennek meg, így élettartamuk hamarosan olyan irreleváns kérdéssé válhat, mint a modem sebessége. Minél hosszabb az akkumulátor élettartama, anyagaik annál több járműmérföldet képesek megtenni.

Amikor egy elektromos jármű végül visszavonul (vagy összeomlik), az akkumulátorcsomag értékes helyhez kötött tárolóvá „reinkarnálódhat”, amely továbbra is nagy értéket képvisel, nem egy jármű mozgatásával, hanem a megújuló energiaforrásokra való globális átállás támogatásával (ezáltal csökken a fosszilis tüzelőanyagok bányászata). és kibocsátások). És így A Mobilitás Háza (Zürich) már most is ~1000 eurót keres elektromosjármű-akkumulátoronként évente azzal, hogy a 13 potenciális szolgáltatásból körülbelül 21-at értékesít több európai országban álló vagy parkoló elektromos járművek akkumulátoraiból az elektromos hálózatba. (Például 2018-ban a cég engedélyt adott egy elektromos autóra Németország első kerekes erőműveként, amely képes frekvenciastabilizációs szolgáltatásokat eladni a hálózatnak.)

A világ elektromos járművei hatalmas tárolási és egyéb képességeinek összehangolása, amelyek az idő 95 százalékában parkolnak, és gyakran rugalmas időpontokban újratölthetők, a változó megújuló energiaforrások – a napelemek és a szélenergia – gyors növekedésének fő és jövedelmező eszközévé válik. A közüzemi méretarányú és a mérő mögötti tárolás nemcsak egymással, hanem a hálózatba integrált, elektromos járművekre épülő villamosenergia-tárolással is versenyezni fog. Az és nyolc más típusú szén-dioxid-mentes hálózati rugalmassági erőforrások azt jelentik, hogy a közüzemi méretű akkumulátorok hasznosak, de nem nélkülözhetetlenek a hálózat fenntartásához megbízható ahogy megújulóvá válik (másik beszélgetés). Így az elektromos járművekhez és a hálózatokhoz való akkumulátorok nem adalékanyag követelmények, de egymást kiegészítő, megosztott és gyakran egymást követő ugyanazon anyagok felhasználása, csökkentve a teljes bányászati ​​igényt.

3. Az akkumulátorok újrahasznosítása

Az újrahasznosított lítium akkumulátorcellák körülbelül 17-szer gazdagabb nikkel-, 4-5-ször lítium- és 10-szer gazdagabb kobaltforrások, mint a megfelelő természetes ércek. Ennek az újrahasznosítási erőforrásnak a „bányászata” már javulóban van úton. Nemrég meglátogattam a Tesla társalapítója, JB Straubel Redwood Materials cégét növény Carson Cityben, Nevadában – az Egyesült Államok vezető akkumulátor-újrafeldolgozója és feltörekvő világelső. Az üzem naponta több félig teherautó-rakományt újrahasznosít rendkívül változatos – mindenféle, formájú, méretű és felhasználású – akkumulátorból, gyakran a nagy kereskedőktől gyűjtik be, akik a vásárlóktól szerzik be. Az üzem az összes akkumulátort, jellemzően 90 százalék feletti hatékonysággal, tiszta anyagokká alakítja át, amelyekből azonnal új akkumulátorokat készítenek.

Valójában a Redwood Materials egy jóindulatú, nem szennyező, közel nulla kibocsátású „bánya”, amely lítiumot, nikkelt, kobaltot, rezet és grafitot állít elő, és további termékek várhatók. A ragyogó tervezésnek köszönhetően nem termel hulladékot, csak értéket. Egyelőre kevés földgázt használ, hogy elindítsa a többnapos folyamatos feldolgozást, amelyet elektrolitok és önfenntartó reakciók táplálnak. A jövőbeli folyamatok ezt a gázt is kicsavarják, és szilárd szenet fognak fel.

A feldolgozás pénzforgalmi alapon már most is pénzt termel, még akkor is, ha a kapacitás gyorsan növekszik, 20,000-ben évi 2021 2021 input tonnával. Még 45,000 májusára is az üzem képes lesz évente annyi akkumulátoranyagot visszanyerni, hogy 0.7 2021 EV-csomagot építsen. A cég 14 júliusában végrehajtott 2021 milliárd dolláros tőkeemelését túljegyezték. XNUMX. szeptember XNUMX-én a Redwood Materials bejelentette tervek hogy egy gyár fejlett akkumulátorelektródákat készítsen, egyre inkább újrahasznosított anyagokból – 2025-ig évente körülbelül egymillió elektromos autóhoz elegendő, majd 2030-ra megötszöröződik. Egy héttel később a Ford bejelentette, hogy kiterjedt szövetséget köt egy zárt hurkú észak-amerikai akkumulátor-ellátó lánc fejlesztésére. .

A Redwood Materials újrahasznosítható akkumulátorainak egyik fő forrása a félórányi autóútra lévő Tesla Gigafactory – ez a JB egy másik terve. Naponta két teherautónyi hibás kimenetet és hulladékot küld, és visszaveszi az újrahasznosított anyagokat, hogy több akkumulátort készítsen. A két növény szimbiotikus, akár egy zuzmó. A világ más nagy akkumulátorgyárai is szervesen szereznek hasonló hurokzáró partnereket. Sokkal nagyobb, de később (az autók esetében, gyakran legalább egy évtizeddel később) az anyagok visszanyerése az eladott és használt akkumulátorokból történik.

Mivel a hatékonyabb elektromos járművekben használt energiasűrűbb akkumulátorok versenyeznek az elektromos járművek növekvő piaci részesedésével, az ilyen újrahasznosítási műveletek már a globális elektromos járművek flottához szükséges anyagok tizedét tudják biztosítani. Idővel az újrahasznosítás végső soron az állandósult állapot eléréséig terjedhet, megszüntetése további bányászat, nagyon nagy ipari kapacitással, (nagyon durván) 10 TWh/év nagyságrenddel – mivel a késleltetett fellendülés utoléri a több évtizeden át tartó, telítő globális elektromosjármű-növekedést. Ez a hurokzárás körülbelül a felére csökkentheti az elektromos járművek teljes szén-dioxid-kibocsátását₂ kibocsátások. Hasonló elvek alapján az Apple célja, hogy 2030-ra olyan iPhone-okat készítsen, amelyeket nem kell bányászni.

A koncepció hasonló bizonyítéka egy olyan akkumulátorrendszerben, amely már a piac telítettsége körül van, hogy a világ akkumulátorainak körülbelül kétharmada neurotoxikus ólom és az akkumulátorólom 99 százaléka már újrahasznosított (körülbelül a fele megfelelően, a fele informálisan és a veszélyesen): szinte minden egyesült államokbeli államban nem lehet ólom-savas autóakkumulátort vásárolni anélkül, hogy be ne forgatnád a régit, így ez a hurok már nagyon közel zárt, és ólmot már ritkán bányásznak. A Redwood Materials és versenytársai most nagyjából egymilliárd elhasznált akkumulátort „bányásznak”, amelyek használaton kívül helyezkednek el az amerikai otthonok régi laptopjaiban, mobiltelefonjaiban stb. – olyan akkumulátorok, amelyek fémei általában értékesebbek, mint az ólom, és gyakran kobaltban gazdagok.

Ahogy az akkumulátorok összetétele megváltozik, az újrahasznosított adatfolyamok nem változnak közvetlenül azonos akkumulátorkapacitásban. Így az okostelefon-akkumulátorok általában magas kobalttartalommal rendelkeznek, miközben az autóakkumulátor-gyártók gyorsan csökkentik a kobalttartalmat, így az okostelefonok akkumulátorainak elektromos járműakkumulátorokká történő újrahasznosítása körülbelül 30-zal nagyobb akkumulátorkapacitást eredményez grammonként kobaltban. Az elektromos járművek akkumulátorcsomagjának elkészítéséhez tehát lítiumhoz nagyjából 10,000 300 okostelefon-akkumulátor szükséges, de kobalt esetében csak ~XNUMX. Többek között a Tesla is azt tervezi megszüntetése az akkumulátorok kobalthasználata, de a gyártók, akiknek továbbra is kobaltra van szükségük, régi okostelefonokból is beszerezhetik azt, nem a kongói gyermekbányászok.

4. Új akkumulátor-kémiák

Számos cég mutatott be új elektrolitokat (pl Ionos anyagokszilárd polimer), amelyek lehetővé teszik az olyan vegyi anyagokat, mint az újratölthető lúgok. Az ilyen kémiákhoz, mint például a mangán-cink vagy a mangán-alumínium, nincs szükség olyan anyagokra, amelyek szűkösek, költségesek, mérgezőek vagy gyúlékonyak. Így kiszoríthatják a lítiumot és a nikkel és a kobalt, hátrányos helyzetbe hozva a lítium-ion akkumulátorok gyártóit (különösen Kínában). Míg ez a lítium-ion akkumulátor értéklánc a „bezárás” bizonyos aspektusait mutatja, India nemzeti akkumulátora küldetés hangsúlyozza új kémia (India történetesen mangánban és cinkben is gazdag), és más erőfeszítésekhez hasonlóan megkülönböztető előnyöket kínálhat, amelyek diverzifikálhatják az akkumulátorok kémiáját. Egyes akkumulátorfémek, mint például a vas és az alumínium, a földkéreg legelterjedtebb elemei közé tartoznak. Új elektrolitok is lehetnek lehetővé biztonságos lítium-ion és lítium-kén akkumulátorok, alkalmasak a repülésre is.

5. Hatékony járművek

Az egyik fő változó, amelyet szinte minden elemző figyelmen kívül hagy, a villamosított jármű hatékonysága. A tömeg, az aerodinamikai légellenállás és a gördülési ellenállás előnyös csökkentése – a jármű fizikájának javulása, nem pedig az elektromos hajtáslánc hatékonysága – 2–3 hüvelykkel csökkentheti a szükséges akkumulátorkapacitást ugyanazon a hatótávon. A BMW 2013–22 i3, Például az ultrakönnyű szénszálas testért úgy fizetett, hogy kevesebb akkumulátorra van szüksége a kisebb tömeg mozgatásához, és egyszerűbb gyártási eljárással (a normál befektetés és víz egyharmadával, valamint a normál energia, tér és idő felével). A járművenkénti tervezett akkumulátorkapacitás ezért nem fix szám, hanem a platform hatékonyságához kell paraméterezni. Mi ennek a megszámlálhatatlan változónak a potenciális tartománya? 2021 szeptemberében 2–3′ – és idén még többszöröse!

Ennek az az oka, hogy további ~2–4′ hatékonyságnövekedést mutat a járművek új generációja, amely 2022-ben lép piacra, és olyan hatékony, hogy a normál ingázási ciklust csak a felső felületükön lévő napelemekkel tudják ellátni. (Közzététel: két ilyen céget tanácsolok - aptera.us 343 mpge sebességgel két üléssel, és lightyear.one 251 mpge-nél öttel.) Mindkét kivitel tovább fejlődhet. Az ilyen járművekhez arányosan kisebb akkumulátorokra és kevesebb vagy egyáltalán nem szükséges töltőinfrastruktúra. Kerek számban 2-3 fokkal hatékonyabbak, mint mondjuk egy Tesla Model 3, az egyik leghatékonyabb elektromos jármű a piacon. Ezek a hatékonyságnövekedés együttesen akár akkumulátort is használhatnak egy nagyságrendet (nagyjából tízszeres) hatékonyabban, mint sok jelenleg forgalomban lévő elektromos jármű, és ennek megfelelően csökkentheti az akkumulátorszükségletet, mindezt kompromisszumok nélküli biztonsággal és vonzó vezetői tulajdonságokkal. Az Aptera NeverCharge egy niche jármű, de a holland Lightyear's a mainstream. Mindkettő fontos, és lesz még több.

6. Hatékony mobilitás

Magának a járműnek a rendszerhatárain túl a járművek produktívabb használata, az új mobilitási üzleti modellek, a virtuális mobilitás (elektronok küldése, a nehéz magok otthon hagyása), valamint a jobb várostervezés és közrend, amely kevesebb vezetés mellett jobb hozzáférést biztosít. drámai hatással lesz a jövőbeli autók és vezetési igényekre. Például Sam Deutsch jelentések „Atlantában és Barcelonában hasonló a létszám és a gyors tranzit hossza, de Barcelona szén-dioxid-kibocsátása 83 százalékkal alacsonyabb, a tömegközlekedési utasok száma pedig 565 százalékkal magasabb.”

Mint az én 2017 elemzés megtalálható a ritkaföldfémekre, és ugyanez igaz most az akkumulátor ásványokra is,

… a leghatékonyabb helyettesítő… mind a motorokban, mind az akkumulátorokban nem egy másik egzotikus anyag a motorok vagy akkumulátorok gyártásához; ez az intelligensebb autókialakítás, amely kisebbé teszi a motorokat és kevesebb akkumulátort. Vagy ami még jobb, új üzleti modellek – megosztható szolgáltatások, mint a Zipcar és GetAround, mobilitási szolgáltatásként működő műveletek, mint a Lyft és az Uber, vagy autonóm járművek –, amelyek több embert több mérföldet szállítanak sokkal kevesebb autóval elképesztően alacsonyabb költséggel, ami végül 10 billió dollár nagyságrendű megtakarítást jelent világszerte (nettó jelenértékben).

Ezek a lehetőségek a potenciálisan elkerülhető járművek széles skáláját ölelik fel, de már egyes városi magvakban a fuvarozási szolgáltatások többszörösen annyi járművet váltanak ki, mint amennyit használnak. Az amerikai magángépkocsik ~4-5 százalékos átlagos kihasználtsága mellett a potenciál egyértelműen sokkal nagyobb. Kombináld ezt más lehetőségekkel (nagyon változó időskálával és valószínűséggel) – ~2 cm rövid távú növekedés az akkumulátor energiasűrűségében, többszöröse az akkumulátor élettartamában, ~2-8⁺´ a járművek hatékonyságában és a szűkös anyagok potenciálisan teljes kiszorításában az akkumulátorkémiában – és a bányászott akkumulátoranyagok iránti kereslet magas előrejelzései nagyon bizonytalannak tűnnek, és nagy tényezők miatt tévesnek tűnnek.

Következtetés

Még több módunk van arra, hogy megtakarítsuk az aggodalomra okot adó akkumulátoranyagokat, mint a kínálat növelését, de ezeket a keresleti oldali lehetőségeket széles körben figyelmen kívül hagyják. Verseny vagy összehasonlítás minden Az opciók – az egész rendszer perspektívájában, amely éppúgy hangsúlyozza a keresleti karokat, mint a kínálatbővítéseket, és összehasonlítja vagy versenyez velük – jobb választási lehetőségeket, cselekvéseket és hatásokat eredményez, és segít elkerülni az eszközbuborékokat, a túlzott kínálatot, a szükségtelen beavatkozásokat és a szükségtelen kockázatokat. . Ez az oka annak, hogy az akkumulátorok anyagairól vagy bármely más állítólagos szűkös erőforrásról szóló vitákban nem csak a leegyszerűsített kereslet-előrejelzéseket vagy aggasztó bányákat kell figyelembe venni, hanem az egész rendszert – a végponttól a végéig, a lineáristól a körig terjedő, valamint az innovációval, a gazdasággal és kereskedelmi.

Fizikus Amory B. Lovins az RMI társalapítója és emeritus elnöke, valamint a Stanford Egyetem építő- és környezetmérnöki adjunktusa.

© 2021 Rocky Mountain Institute. Engedéllyel közzétéve. Eredetileg közzétéve: RMI Outlet.

 

Értékeli a CleanTechnica eredetiségét? Fontolja meg, hogy a CleanTechnica tag, támogató, technikus vagy nagykövet - vagy mecénás Patreon.

 

 

---

Hirdetés  

---

---

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