6 soluzioni alle sfide legate ai minerali delle batterie

Ripubblicato da Platone

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Un’ondata di articoli recenti, spontanei o coordinati, cerca di screditare l’energia rinnovabile, i veicoli elettrici e altri elementi della transizione energetica salva-climatica. Le critiche spaziano dall’affidabilità della rete all’uso del territorio, dall’economia all’equità. Tra le affermazioni più diffuse e contrastanti c’è quella secondo cui è estremamente distruttivo, se non impossibile, trovare abbastanza minerali per produrre tutte le batterie di cui avrà bisogno una flotta globale di veicoli elettrici (EV). Queste preoccupazioni relative ai minerali non sono infatti banali, ma sono spesso esagerate. Descriverò qui come possono diventare gestibili se includiamo soluzioni spesso trascurate.

I materiali delle batterie come il litio, il nichel e il cobalto sono un caso speciale di una dinamica più ampia. Quando si prevede che un materiale estratto scarseggia, il suo prezzo aumenta. Questo segnale suscita un uso più efficiente, il riciclaggio, la sostituzione, l’esplorazione, l’innovazione e altre risposte del mercato, come ho descritto per terre rare. (Illustrando la tesi sostitutiva di quell’articolo, il nitruro di ferro i supermagneti menzionati quattro anni fa come ambizione sperimentale sono ora arrivati mercato; non contengono terre rare e teoricamente potrebbero diventare due volte più potenti dei migliori magneti con terre rare.)

La scarsità di minerali può essere reale o pubblicizzata, ad esempio per ridurre la concorrenza dei veicoli elettrici con il petrolio o per aumentare i prezzi delle materie prime o delle azioni minerarie per gli speculatori. Alcuni minerali possono sollevare preoccupazioni legittime oltre alla scarsità, come il lavoro minorile, la corruzione e altri abusi nell’estrazione artigianale del cobalto; dipendenza eccessiva dai minerali e dagli impianti di lavorazione cinesi; o l’uso dell’acqua e il danno ambientale causato dall’attività mineraria.

Le preoccupazioni reali potrebbero anche aver bisogno di un contesto, come una recente osservazione, la cui validità dipende da molte ipotesi, secondo cui la coltivazione delle mandorle della California richiede sei volte più acqua per libbra rispetto all’estrazione del litio nel deserto. Anche le mandorle possono essere gustate una sola volta, ma una volta estratto, il litio può continuare a fornire benefici in modo più o meno permanente. E, naturalmente, i veicoli elettrici alimentati da fonti rinnovabili sostituiscono i veicoli a petrolio che danneggiano gravemente il territorio, l’aria, la salute e il clima.

Sebbene esistano le dovute preoccupazioni sull’estrazione dei minerali delle batterie, esistono anche molte soluzioni potenti e moltiplicative che le proiezioni convenzionali spesso sottovalutano o ignorano, esagerando le future esigenze minerarie. Esploriamo ora sei parti successive e moltiplicative dello spazio delle soluzioni.

1. Immagazzinare più energia per chilogrammo

Migliorare la composizione, la produzione, la progettazione, i controlli e la ricarica delle batterie può immagazzinare molta più energia per unità di materiale. Dal 2010, le celle della batteria agli ioni di litio hanno quasi triplicato il loro accumulo di energia per chilogrammo. Il calo dei prezzi dell’89% nello stesso decennio è dovuto in parte all’uso più parsimonioso dei materiali. Si prevedono ulteriori importanti progressi in questo decennio; come uno dei tanti esempi, anodi di silicio si dice che aumentino la densità energetica delle batterie agli ioni di litio del 20%. RMI valuta il che le tecnologie che complessivamente raddoppiano la densità energetica delle batterie agli ioni di litio potrebbero entrare in produzione entro il 2025. Tesla’s 2020 Battery Day presentazione ha annunciato importanti miglioramenti che ora verranno aumentati per la produzione di massa nel 2022. Pertanto le proiezioni basate sulle vecchie densità di energia sovrastimano sostanzialmente la necessità di estrazione mineraria.

2. Durare più a lungo e poi “reincarnarsi”

Inoltre, le batterie durano più a lungo grazie al miglioramento del design, dei materiali, della produzione e dell’utilizzo. Basta un nuovo profilo di ricarica invertire migrazione del litio che riduce la vita. Stanno emergendo batterie da milioni di miglia, quindi la loro durata potrebbe presto diventare un problema irrilevante quanto la velocità del modem. Più a lungo durano le batterie, maggiore sarà il numero di chilometri percorsi dai loro materiali.

Quando un veicolo elettrico va in pensione (o si schianta), il suo pacco batteria può essere “reincarnato” in un prezioso accumulatore stazionario che continua a fornire un grande valore, non spostando un veicolo ma sostenendo il passaggio globale all’energia rinnovabile (riducendo quindi l’estrazione di combustibili fossili ed emissioni). Così La Casa della Mobilità (Zurigo) guadagna già circa 1000 euro all’anno per pacco batterie per veicoli elettrici vendendo circa 13 dei 21 potenziali servizi derivanti da pacchi batterie per veicoli elettrici stazionari o parcheggiati alla rete elettrica in diversi paesi europei. (Ad esempio, nel 2018 l’azienda ha concesso in licenza un veicolo elettrico come prima centrale elettrica su ruote della Germania, in grado di vendere servizi di stabilizzazione della frequenza alla rete.)

Il coordinamento dell’immenso spazio di stoccaggio e delle altre capacità dei veicoli elettrici del mondo, parcheggiati per circa il 95% del tempo e spesso ricaricabili a orari flessibili, sta emergendo come un fattore importante e redditizio per la rapida crescita delle energie rinnovabili variabili: solare fotovoltaico ed energia eolica. Lo stoccaggio su scala industriale e quello dietro il contatore competeranno non solo tra loro, ma anche con lo stoccaggio di elettricità basato su veicoli elettrici, integrato nella rete. Quello e otto altri tipi di risorse per la flessibilità della rete senza emissioni di carbonio significano che le batterie su scala industriale sono utili ma non essenziali per mantenere la rete affidabile man mano che diventa rinnovabile (un altro conversazione). Pertanto, le batterie per veicoli elettrici e per le reti non lo sono additivo requisiti ma complementari, condivisi e spesso successivi utilizzi degli stessi materiali, riducendo il fabbisogno minerario totale.

3. Riciclaggio delle batterie

Le celle delle batterie al litio riciclate sono circa 17 volte più ricche di nichel, 4-5 di litio e 10 di cobalto rispetto ai rispettivi minerali naturali. L’”estrazione” di quella risorsa riciclata sta già migliorando in corso. Recentemente ho visitato Redwood Materials del cofondatore di Tesla, JB Straubel impianto a Carson City, Nevada, il principale riciclatore di batterie degli Stati Uniti e un leader mondiale emergente. L’impianto ricicla ogni giorno diversi carichi di semirimorchi di batterie estremamente diverse: tutti i tipi, forme, dimensioni e usi, spesso raccogliendole dai principali rivenditori che le acquistano dai clienti. L’impianto converte tutte quelle batterie, con un’efficienza tipicamente superiore al 90%, in materiali puri che tornano direttamente nelle nuove batterie.

In effetti, Redwood Materials è una “miniera” benigna, non inquinante e a emissioni quasi zero che produce litio, nichel, cobalto, rame e grafite, con altri prodotti in arrivo. Grazie al design brillante, non produce sprechi, ma solo valore. Per ora utilizza un po’ di gas naturale per avviare diversi giorni di lavorazione continua alimentata da elettroliti e reazioni autosufficienti. I processi futuri spremeranno anche quel gas e cattureranno il carbonio solido.

Il trattamento genera già profitti in termini di flusso di cassa, anche se la capacità aumenta rapidamente, con 20,000 tonnellate di input all’anno previste nel 2021. Anche entro maggio 2021, l’impianto potrebbe recuperare ogni anno materiali sufficienti per costruire batterie da 45,000 veicoli elettrici. L’aumento di capitale di 0.7 miliardi di dollari effettuato dall’azienda nel luglio 2021 è stato sottoscritto in eccesso. Il 14 settembre 2021, Redwood Materials ha annunciato piani per una fabbrica che produca elettrodi avanzati per batterie, sempre più con materiali riciclati: sufficienti per circa un milione di veicoli elettrici all’anno entro il 2025, per poi quintuplicarsi entro il 2030. Una settimana dopo, Ford ha annunciato un’ampia alleanza per sviluppare una catena di fornitura di batterie nordamericane a circuito chiuso .

Una delle principali fonti di batterie riciclabili per Redwood Materials è la Tesla Gigafactory a mezz’ora di distanza, un altro dei progetti di JB. Invia due camion al giorno di prodotti difettosi e rottami e riprende materiali riciclati per produrre più batterie. Le due piante sono simbiotiche, come un lichene. Altre grandi fabbriche di batterie che stanno sorgendo in tutto il mondo otterranno organicamente partner simili a chiusura del ciclo. Il recupero dei materiali, molto più ampio ma successivo (per le automobili, spesso almeno un decennio dopo), proverrà dalle batterie vendute e usate.

Poiché le batterie ad alta densità energetica utilizzate nei veicoli elettrici più efficienti competono con la crescente quota di mercato dei veicoli elettrici, tali operazioni di riciclaggio possono già fornire circa un decimo dei materiali necessari per la flotta globale di veicoli elettrici. Col tempo, il riciclaggio potrà infine espandersi fino a raggiungere uno stato stazionario, eliminando ulteriore estrazione, con una capacità industriale molto ampia, dell’ordine di (molto approssimativamente) 10 TWh/anno, poiché la ripresa ritardata si mette al passo con la saturazione della crescita globale dei veicoli elettrici per diversi decenni. Questa chiusura del ciclo potrebbe dimezzare la CO totale dei veicoli elettrici₂ emissioni. Seguendo principi simili, Apple punta a realizzare entro il 2030 iPhone che non necessitino di mining.

Un’analoga prova di concetto, in un sistema di batterie che è già vicino alla saturazione del mercato, è che circa due terzi del mercato mondiale piombo neurotossico e il 99% del piombo delle batterie è già riciclato (circa la metà in modo corretto e l’altra metà in modo informale). ed pericolosamente): in quasi tutti gli stati degli Stati Uniti, non è possibile acquistare una batteria per auto al piombo senza restituire quella vecchia, quindi il ciclo è già quasi chiuso e il piombo viene ora raramente estratto. Ora Redwood Materials e i suoi concorrenti mirano a “estrarre” circa un miliardo di batterie usate che restano inutilizzate nei vecchi computer portatili, cellulari, ecc. delle case americane: batterie i cui metalli sono generalmente più preziosi del piombo e spesso ricchi di cobalto.

Man mano che la composizione delle batterie cambia, i flussi riciclati non si traducono direttamente nella capacità della batteria identica. Pertanto, le batterie degli smartphone generalmente hanno un alto contenuto di cobalto mentre i produttori di batterie per autoveicoli stanno rapidamente riducendo il contenuto di cobalto, quindi riciclare le batterie degli smartphone in batterie per veicoli elettrici sfrutta circa 30´ in più di capacità della batteria per grammo di cobalto. Per realizzare una batteria per veicolo elettrico occorrono quindi circa 10,000 batterie per smartphone per il litio ma solo circa 300 per il cobalto. Tesla, tra gli altri, ha intenzione di farlo eliminato l’utilizzo di cobalto da parte delle sue batterie, ma i produttori che hanno ancora bisogno di cobalto potranno ottenerlo dai vecchi smartphone, non dai bambini minatori congolesi.

4. Nuove caratteristiche chimiche delle batterie

Diverse aziende hanno dimostrato nuovi elettroliti (come Materiali ionici’ polimero solido) che consentono sostanze chimiche come le sostanze alcaline ricaricabili. Tali prodotti chimici, come il manganese-zinco o il manganese-alluminio, non necessitano di materiali scarsi, costosi, tossici o infiammabili. Potrebbero quindi sostituire il litio ed nichel ed cobalto, svantaggiando i produttori di batterie agli ioni di litio (in particolare in Cina). Mentre la catena del valore delle batterie agli ioni di litio mostra alcuni aspetti di “lock-in”, la batteria nazionale dell’India - mission sottolinea nuovi chimica (L’India è anche ricca di manganese e zinco) e, come altri sforzi compiuti altrove, potrebbe offrire vantaggi distintivi che potrebbero diversificare la chimica delle batterie. Alcuni metalli utilizzati nelle batterie, come ferro e alluminio, sono tra gli elementi più abbondanti nella crosta terrestre. Anche nuovi elettroliti potrebbero farlo enable batterie sicure agli ioni di litio e al litio-zolfo adatte anche per l'aviazione.

5. Veicoli efficienti

Una variabile importante trascurata da quasi tutti gli analisti è l’efficienza del veicolo elettrificato. Riduzioni vantaggiose di massa, resistenza aerodinamica e resistenza al rotolamento – miglioramenti nella fisica del veicolo piuttosto che nell’efficienza del suo gruppo propulsore elettrico – possono ridurre la capacità della batteria richiesta per la stessa autonomia di guida di 2–3’. BMW 2013-22 i3, ad esempio, ha pagato per il suo corpo ultraleggero in fibra di carbonio necessitando di meno batterie per spostare meno massa e con una produzione più semplice (con un terzo del normale investimento e acqua e metà della normale energia, spazio e tempo). La capacità prevista della batteria per veicolo non è quindi un numero fisso ma dovrebbe essere parametrizzata in base all’efficienza della piattaforma. Qual è l’intervallo potenziale di quella variabile non conteggiata? Nel settembre 2021, 2–3′ – e entro la fine dell’anno, molte volte di più!

Questo perché un ulteriore aumento di efficienza di circa 2–4′ è stato dimostrato da una nuova generazione di veicoli, che entrerà sul mercato nel 2022, e così efficienti da poter alimentare un normale ciclo di pendolarismo semplicemente grazie alle celle solari sulla loro superficie superiore. (Divulgazione: consiglio due di queste aziende: aptera.us a 343 mpge con due posti, e lightyear.one a 251 mpge con cinque.) Entrambi i progetti possono migliorare ulteriormente. Tali veicoli necessitano di batterie proporzionalmente più piccole e di infrastrutture di ricarica minori o assenti. In cifre tonde, sono 2-3´ più efficienti, ad esempio, di una Tesla Modello 3, uno dei veicoli elettrici più efficienti sul mercato. Insieme, questi guadagni di efficienza possono utilizzare batterie fino a un ordine di grandezza (all’incirca un fattore dieci) in modo più efficiente rispetto a molti veicoli elettrici attualmente sul mercato e potrebbe ridurre di conseguenza il fabbisogno di batterie, il tutto con una sicurezza senza compromessi e caratteristiche attraenti per il conducente. Gli Atteri Mai caricare è un veicolo di nicchia, ma l’azienda olandese Lightyear è mainstream. Entrambi sono importanti e ce ne saranno altri.

6. Mobilità efficiente

Al di là dei confini del sistema del veicolo stesso, un uso più produttivo dei veicoli, nuovi modelli di business della mobilità, la mobilità virtuale (inviare elettroni, lasciare nuclei pesanti a casa) e una migliore progettazione urbana e politiche pubbliche per fornire un migliore accesso con meno guida possono tutti influiranno drammaticamente sulle esigenze future delle automobili e della guida. Ad esempio, Sam Deutsch rapporti che "Atlanta e Barcellona hanno un numero simile di persone e una lunghezza di trasporto rapido simile, ma le emissioni di carbonio di Barcellona sono inferiori dell'83% e il numero di passeggeri dei trasporti pubblici è superiore del 565%".

Come il mio 2017 . trovati per le terre rare, e lo stesso vale ora per i minerali delle batterie,

… il sostituto più efficace… sia nei motori che nelle batterie, non è un altro materiale esotico per realizzare motori o batterie; è un design più intelligente dell’auto che rende i motori più piccoli e le batterie in meno. O, meglio ancora, potrebbero essere nuovi modelli di business – servizi condivisibili come Zipcar e GetAround, operazioni di mobilità come servizio come Lyft e Uber, o veicoli autonomi – che trasportano più persone, più chilometri in molte meno auto a livello globale. costo sorprendentemente più basso, risparmiando in definitiva nell’ordine di 10 trilioni di dollari in tutto il mondo (in valore attuale netto).

Queste opzioni abbracciano un’ampia gamma di veicoli potenzialmente evitabili, ma già in alcuni centri urbani i servizi di ridehailing stanno spostando un numero di veicoli molte volte superiore a quello utilizzato. Con un utilizzo medio di circa il 4-5% delle auto private statunitensi, il potenziale è chiaramente molto maggiore. Combina tutto ciò con altre opportunità (con tempistiche e probabilità molto diverse): circa 2´ di guadagni a breve termine nella densità di energia della batteria, molte volte nella durata della batteria, ~2–8⁺´ nell’efficienza dei veicoli, e la sostituzione potenzialmente completa dei materiali scarsi nella chimica delle batterie – e le elevate previsioni della domanda di materiali per batterie estratti appaiono altamente incerte e potenzialmente errate a causa di grandi fattori.

Conclusione

Esistono ancora più modi per risparmiare materiali preoccupanti per le batterie piuttosto che aumentarne l’offerta, ma queste opportunità dal lato della domanda sono ampiamente ignorate. Competere o confrontare contro tutti i Le opzioni – in una prospettiva di sistema globale che enfatizza le leve della domanda tanto quanto le espansioni dell’offerta, e le confronta o le mette in competizione – produrranno scelte, azioni e impatti migliori e aiuteranno a evitare bolle speculative, offerta eccessiva, interventi inutili e rischi non necessari . Ecco perché le discussioni sui materiali delle batterie, o su qualsiasi altra risorsa apparentemente scarsa, devono considerare non solo proiezioni semplicistiche della domanda o miniere preoccupanti, ma l’intero sistema: end-to-end, da lineare a circolare e pienamente impegnato con l’innovazione, l’economia e la sostenibilità. commercio.

Fisico Amory B. Lovins è cofondatore e presidente emerito della RMI e professore a contratto di ingegneria civile e ambientale presso l'Università di Stanford.

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