6 oplossingen voor uitdagingen op het gebied van batterijmineralen

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Een stortvloed aan recente artikelen, spontaan of gecoördineerd, probeert hernieuwbare energie, elektrische voertuigen en andere elementen van de klimaatbesparende energietransitie in diskrediet te brengen. Kritieken variëren van netbetrouwbaarheid tot landgebruik, van economie tot rechtvaardigheid. Een van de meest voorkomende en tegenstrijdige beweringen is dat het enorm destructief, zo niet onmogelijk is om voldoende mineralen te vinden om alle batterijen te maken die een wereldwijd wagenpark van elektrische voertuigen (EV's) nodig heeft. Deze minerale zorgen zijn inderdaad niet triviaal, maar worden vaak overdreven. Ik zal hier schetsen hoe ze beheersbaar kunnen worden als we oplossingen opnemen die vaak over het hoofd worden gezien.

Batterijmaterialen zoals lithium, nikkel en kobalt zijn een speciaal geval van een bredere dynamiek. Wanneer verwacht wordt dat een gedolven materiaal schaars wordt, stijgt de prijs ervan. Dat signaal lokt efficiënter gebruik, recycling, vervanging, exploratie, innovatie en andere marktreacties uit, zoals ik heb beschreven voor zeldzame aarden. (Ter illustratie van de vervangingsthese van dat artikel, de ijzernitride supermagneten die het vier jaar geleden noemde als een experimentele ambitie, zijn nu werkelijkheid geworden markt; ze bevatten geen zeldzame aardmetalen en zouden in theorie twee keer zo sterk kunnen worden als de beste zeldzame-aardemagneten.)

Minerale schaarste kan reëel of gehyped zijn, bijvoorbeeld om de concurrentie van elektrische voertuigen met olie te verminderen, of om de prijzen van grondstoffen of mijnaandelen voor speculanten te verhogen. Naast schaarste kunnen sommige mineralen legitieme zorgen baren, zoals kinderarbeid, corruptie en ander misbruik in de ambachtelijke kobaltwinning; overmatige afhankelijkheid van Chinese ertsen en verwerkingsfabrieken; of het waterverbruik en de milieuschade van mijnbouw.

Echte zorgen hebben misschien ook context nodig - zoals een recente opmerking, waarvan de geldigheid afhangt van vele aannames, dat het kweken van Californische amandelen zes keer zoveel water per pond kost als het ontginnen van lithium in de woestijn. Ook van amandelen kun je maar één keer genieten, maar eenmaal geëxtraheerd kan lithium min of meer permanent voordelen blijven bieden. En natuurlijk verdringen duurzaam aangedreven elektrische auto's olieverbrandende voertuigen die in belangrijke mate schade toebrengen aan land, lucht, gezondheid en klimaat.

Hoewel er terecht zorgen zijn over mijnbouwbatterijmineralen, zijn er ook veel krachtige en multiplicatieve oplossingen die conventionele projecties vaak onderschatten of negeren, waardoor de toekomstige mijnbouwbehoeften worden overdreven. Laten we nu zes opeenvolgende en multiplicatieve delen van de oplossingsruimte verkennen.

1. Meer energie opslaan per kilogram

Door de samenstelling, fabricage, het ontwerp, de bediening en het opladen van batterijen te verbeteren, kan veel meer energie per eenheid materiaal worden opgeslagen. Sinds 2010 hebben lithium-ionbatterijcellen bijna verdrievoudigd hun energieopslag per kilogram. Hun prijsdaling van 89 procent in hetzelfde decennium is deels te danken aan hun zuiniger gebruik van materialen. In dit decennium worden verdere grote winsten verwacht; als een van de vele voorbeelden, silicium anoden zouden de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen met 20 procent verhogen. KMI beoordeelt dat technologieën die gezamenlijk de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen verdubbelen, tegen 2025 in productie zouden kunnen gaan. Tesla's 2020 Battery Day presentatie kondigden grote verbeteringen aan die nu worden opgeschaald voor massaproductie in 2022. Projecties op basis van oude energiedichtheden overschatten dus aanzienlijk de benodigde mijnbouw.

2. Langer blijven en dan 'gereïncarneerd' worden

Batterijen gaan ook langer mee naarmate het ontwerp, de materialen, de fabricage en het gebruik verbeteren. Gewoon een nieuw laadprofiel kan omkeren levensverminderende lithiummigratie. Batterijen met een levensduur van miljoenen kilometers zijn in opkomst, dus hun levensduur kan binnenkort een net zo irrelevant probleem worden als de snelheid van uw modem. Hoe langer batterijen meegaan, hoe meer voertuigkilometers hun materialen kunnen aan.

Wanneer een elektrische auto uiteindelijk met pensioen gaat (of crasht), kan zijn batterijpakket worden "gereïncarneerd" tot waardevolle stationaire opslag die van grote waarde blijft, niet door een voertuig te verplaatsen, maar door de wereldwijde verschuiving naar hernieuwbare energie te ondersteunen (waardoor de mijnbouw van fossiele brandstoffen wordt verminderd). en emissies). Dus Het Mobiliteitshuis (Zürich) verdient al ~€1000 per EV-batterijpakket per jaar door ~13 van de 21 potentiële diensten van stationaire of geparkeerde EV-batterijpakketten te verkopen aan het elektriciteitsnet in verschillende Europese landen. (In 2018 gaf het bedrijf bijvoorbeeld een licentie voor een elektrische auto als Duitslands eerste energiecentrale op wielen, die frequentiestabilisatiediensten aan het net kon verkopen.)

Het coördineren van de enorme opslagcapaciteit en andere capaciteiten van elektrische auto's in de wereld, die ongeveer 95 procent van de tijd geparkeerd staan en vaak op flexibele tijden worden opgeladen, komt naar voren als een belangrijke en lucratieve factor voor snelle groei van variabele hernieuwbare energiebronnen: fotovoltaïsche zonne-energie en windenergie. Opslag op utiliteitsschaal en achter de meter zullen niet alleen met elkaar concurreren, maar ook met netgeïntegreerde, op elektrische voertuigen gebaseerde elektriciteitsopslag. Dat en acht andere soorten bronnen voor koolstofvrije netflexibiliteit betekenen dat batterijen op utiliteitsschaal nuttig zijn, maar niet essentieel voor het behoud van het net betrouwbaar als het hernieuwbaar wordt (een ander gesprek). Batterijen voor EV's en voor elektriciteitsnetten zijn dat dus niet toevoeging eisen maar complementair, gedeeld en vaak opeenvolgend gebruik van dezelfde materialen, waardoor de totale mijnbouwbehoeften worden verminderd.

3. Batterijen recyclen

Gerecyclede lithiumbatterijcellen zijn ongeveer 17 keer rijker aan nikkel, 4-5 keer aan lithium en 10 keer aan kobalt dan hun respectievelijke natuurlijke ertsen. Het "mijnen" van die recyclingbron begint al goed te gaan aan de gang. Ik heb onlangs Redwood Materials bezocht, mede-oprichter van Tesla, JB Straubel plant in Carson City, Nevada - de toonaangevende Amerikaanse batterijrecycler en een opkomende wereldleider. De fabriek recyclet meerdere vrachtwagenladingen per dag met enorm uiteenlopende batterijen - alle soorten, vormen, maten en toepassingen, en haalt ze vaak op bij grote retailers die ze van klanten krijgen. De fabriek zet al die batterijen, met doorgaans een rendement van meer dan 90 procent, om in pure materialen die direct weer in nieuwe batterijen worden gebruikt.

In feite is Redwood Materials een goedaardige, niet-vervuilende, bijna emissievrije "mijn" die lithium, nikkel, kobalt, koper en grafiet produceert, en er zullen nog meer producten komen. Door het briljante ontwerp produceert het geen afval - alleen waarde. Voorlopig gebruikt het een beetje aardgas om enkele dagen van continue verwerking te starten, gevoed door elektrolyten en zelfvoorzienende reacties. Toekomstige processen zullen dat gas ook uitwringen en vaste koolstof vastleggen.

De verwerking levert al geld op op cashflowbasis, zelfs als de capaciteit snel toeneemt, met een verwachte input van 20,000 ton per jaar in 2021. Zelfs tegen mei 2021 zou de fabriek elk jaar genoeg batterijmaterialen kunnen terugwinnen om 45,000 EV-packs te bouwen. De kapitaalverhoging van $ 0.7 miljard van het bedrijf in juli 2021 was overtekend. Op 14 september 2021 maakte Redwood Materials bekend plannen voor een fabriek om geavanceerde batterij-elektroden te maken, in toenemende mate van gerecyclede materialen - genoeg voor ongeveer een miljoen elektrische auto's per jaar in 2025, en vervolgens vervijfvoudigd in 2030. Een week later kondigde Ford een uitgebreide alliantie aan om een Noord-Amerikaanse toeleveringsketen voor batterijen te ontwikkelen .

Een belangrijke bron van recyclebare batterijen voor Redwood Materials is de Tesla Gigafactory op een halfuur rijden - nog een ontwerp van JB. Het stuurt twee vrachtwagenladingen per dag met defecte output en schroot en neemt gerecyclede materialen terug om meer batterijen te maken. De twee planten zijn symbiotisch, zoals een korstmos. Andere grote batterijfabrieken die over de hele wereld uit de grond schieten, zullen op organische wijze vergelijkbare kringlooppartners krijgen. Veel grotere maar later (voor auto's vaak minstens tien jaar later) zal de terugwinning van materialen afkomstig zijn van verkochte en gebruikte batterijen.

Naarmate meer energiedichte batterijen die worden gebruikt in efficiëntere elektrische auto's concurreren met een groeiend marktaandeel van elektrische voertuigen, kunnen dergelijke recyclingoperaties al een tiende van de materialen leveren die nodig zijn voor de wereldwijde elektrische vloot. Na verloop van tijd kan recycling uiteindelijk worden opgeschaald om een stabiele toestand te bereiken, elimineren verdere mijnbouw, met een zeer grote capaciteit in de industrie in de orde van grootte van (zeer ruwweg) 10 TWh/jaar — aangezien het vertraagde herstel de verzadigende wereldwijde EV-groei over meerdere decennia inhaalt. Deze kringloop kan de totale COXNUMX van EV's ongeveer halveren₂ uitstoot. Volgens vergelijkbare principes streeft Apple ernaar om tegen 2030 iPhones te maken die geen mijnbouw nodig hebben.

Een analoge proof-of-concept, in een batterijsysteem dat al rond marktverzadiging zit, is dat ongeveer tweederde van 's werelds neurotoxisch lood en 99 procent van het batterijlood wordt al gerecycled (ongeveer de helft op de juiste manier, de andere helft informeel). en gevaarlijk): in bijna elke Amerikaanse staat kun je geen loodzuuraccu voor auto's kopen zonder je oude in te leveren, dus die lus is al bijna gesloten en er wordt nog maar zelden lood gewonnen. Nu streven Redwood Materials en zijn concurrenten naar het "mijnen" van ongeveer een miljard gebruikte batterijen die ongebruikt in oude laptops, mobiele telefoons, enz. in Amerikaanse huizen zitten - batterijen waarvan de metalen gewoonlijk waardevoller zijn dan lood en vaak rijk aan kobalt.

Naarmate de samenstelling van batterijen verandert, vertalen gerecycleerde stromen zich niet direct in identieke batterijcapaciteit. Smartphonebatterijen hebben dus over het algemeen een hoog kobaltgehalte, terwijl fabrikanten van autobatterijen het kobaltgehalte snel verminderen, dus het recyclen van smartphonebatterijen tot EV-batterijen maakt gebruik van ~ 30´ meer batterijcapaciteit per gram kobalt. Om een EV-batterijpakket te maken, heb je dus de orde van 10,000 smartphone-batterijen nodig voor lithium, maar slechts ~ 300 voor kobalt. Onder meer Tesla is dat van plan elimineren het kobaltgebruik van zijn batterijen, maar makers die nog steeds kobalt nodig hebben, zullen het van oude smartphones kunnen halen, niet van Congolese kindmijnwerkers.

4. Nieuwe batterijchemie

Verschillende firma's hebben nieuwe elektrolyten gedemonstreerd (zoals Ionische materialen' vast polymeer) die chemie mogelijk maken zoals oplaadbare alkalines. Dergelijke chemieën, zoals mangaan-zink of mangaan-aluminium, hebben geen materialen nodig die schaars, kostbaar, giftig of brandbaar zijn. Ze zouden dus lithium kunnen verdringen en nikkel en kobalt, waardoor producenten van lithium-ionbatterijen worden benadeeld (met name in China). Terwijl die waardeketen van lithium-ionbatterijen enkele aspecten van 'lock-in' vertoont, de nationale batterij van India missie benadrukt nieuwe chemie (India is toevallig ook rijk aan mangaan en zink) en kan, net als andere inspanningen elders, onderscheidende voordelen bieden die de batterijchemie zouden kunnen diversifiëren. Sommige batterijmetalen, zoals ijzer en aluminium, behoren tot de meest voorkomende elementen in de aardkorst. Nieuwe elektrolyten zouden ook kunnen in staat stellen veilige lithium-ion- en lithiumzwavelbatterijen die zelfs geschikt zijn voor de luchtvaart.

5. Efficiënte voertuigen

Een belangrijke variabele die door bijna alle analisten over het hoofd wordt gezien, is de efficiëntie van het voertuig dat wordt geëlektrificeerd. Gunstige reducties in massa, aerodynamische weerstand en rolweerstand - verbeteringen in de fysica van het voertuig in plaats van de efficiëntie van de elektrische aandrijflijn - kunnen de vereiste batterijcapaciteit voor hetzelfde rijbereik met 2-3' verminderen. BMW's 2013–22 i3, bijvoorbeeld betaald voor zijn ultralichte koolstofvezellichaam door minder batterijen nodig te hebben om minder massa te verplaatsen, en door eenvoudigere fabricage (met een derde van de normale investering en water en de helft van de normale energie, ruimte en tijd). De verwachte batterijcapaciteit per voertuig is daarom geen vast getal, maar moet worden geparametreerd naar platformefficiëntie. Wat is het potentiële bereik van die niet-getelde variabele? In september 2021, 2–3′ — en later dit jaar nog een veelvoud!

Dat komt omdat een verdere efficiëntiewinst van ongeveer 2 à 4 ′ wordt aangetoond door een nieuwe generatie voertuigen, die in 2022 op de markt komt en zo efficiënt is dat ze een normale woon-werkcyclus kunnen aandrijven door alleen zonnecellen op hun bovenoppervlak. (Openbaarmaking: ik adviseer twee van dergelijke bedrijven - aptera.ons op 343 mpge met twee stoelen, en lightyear.one bij 251 mpge met vijf.) Beide ontwerpen kunnen verder verbeteren. Dergelijke voertuigen hebben naar verhouding kleinere batterijen en minder of geen oplaadinfrastructuur nodig. In ronde getallen zijn ze 2 à 3´ efficiënter dan bijvoorbeeld een Tesla model 3, een van de meest efficiënte elektrische voertuigen op de markt. Samen kunnen deze efficiëntiewinsten batterijen gebruiken tot een orde van grootte (ruwweg een factor tien) efficiënter dan veel elektrische auto's die nu op de markt zijn, en zouden hun batterijbehoeften navenant kunnen verminderen, allemaal met compromisloze veiligheid en aantrekkelijke bestuurdersattributen. De Aptera Nooit opladen is een nichevoertuig, maar het Nederlandse bedrijf Lightyear's is mainstream. Beide zijn belangrijk, en er zullen er meer zijn.

6. Efficiënte mobiliteit

Voorbij de systeemgrens van het voertuig zelf kunnen een productiever gebruik van voertuigen, nieuwe bedrijfsmodellen voor mobiliteit, virtuele mobiliteit (elektronen sturen, zware kernen thuis laten) en een beter stedenbouwkundig ontwerp en openbaar beleid om betere toegang te bieden met minder autorijden allemaal mogelijk zijn hebben een dramatische invloed op de toekomstige behoeften aan auto's en autorijden. Bijvoorbeeld Sam Deutsch meldt dat "Atlanta en Barcelona een vergelijkbaar aantal mensen en een vergelijkbare lengte van snelle doorvoer hebben, maar de koolstofemissies van Barcelona zijn 83 procent lager en het aantal passagiers in het openbaar vervoer is 565 procent hoger."

Als mijn 2017 analyse gevonden voor zeldzame aardmetalen, en hetzelfde geldt nu voor batterijmineralen,

... de meest effectieve vervanging ... in zowel motoren als batterijen, is geen ander exotisch materiaal voor het maken van motoren of batterijen; het is een slimmer auto-ontwerp dat motoren kleiner maakt en batterijen minder. Of, nog beter, het zouden nieuwe bedrijfsmodellen kunnen zijn - deelbare diensten zoals Zipcar en GetAround, mobility-as-a-service-operaties zoals Lyft en Uber, of autonome voertuigen - die meer mensen meer kilometers vervoeren in veel minder auto's tegen verbazingwekkend lagere kosten, wat uiteindelijk wereldwijd in de orde van grootte van $ 10 biljoen (in netto contante waarde) bespaart.

Deze opties omvatten een breed scala aan potentieel vermeden voertuigen, maar in sommige stedelijke kernen verplaatsen ridehailing-diensten al meerdere keren zoveel voertuigen als ze gebruiken. Met een gemiddeld gebruik van ongeveer 4 à 5 procent van particuliere Amerikaanse auto's is het potentieel duidelijk veel groter. Combineer dat met andere kansen (met sterk variërende tijdschalen en waarschijnlijkheden) - ~ 2' kortetermijnwinst in batterij-energiedichtheid, meerdere keren in batterijlevensduur, ~ 2–8⁺' in voertuigefficiëntie, en mogelijk volledige verdringing van schaarse materialen in batterijchemie - en hoge prognoses van de vraag naar mijnbatterijmaterialen lijken hoogst onzeker en mogelijk verkeerd door grote factoren.

Conclusie

We hebben zelfs meer manieren om zorgwekkende batterijmaterialen te besparen dan om hun aanbod te vergroten, maar deze kansen aan de vraagzijde worden op grote schaal genegeerd. Concurreren of vergelijken allen opties - in een perspectief van het hele systeem dat zowel vraaghefbomen als aanboduitbreidingen benadrukt, en ze vergelijkt of beconcurreert - zullen betere keuzes, acties en effecten opleveren, en helpen activazeepbellen, een te groot aanbod, onnodige interventies en onnodige risico's te voorkomen . Daarom moeten discussies over batterijmaterialen, of andere zogenaamd schaarse hulpbronnen, niet alleen simplistische vraagprognoses of zorgwekkende mijnen in overweging nemen, maar het hele systeem - end-to-end, lineair-naar-circulair en volledig bezig met innovatie, economie en handel.

Natuurkundige Amory B. Lovins is medeoprichter en emeritus voorzitter van RMI en adjunct-hoogleraar Civiele en Milieutechniek aan Stanford University.

© Rocky Mountain Institute 2021. Met toestemming gepubliceerd. Oorspronkelijk gepost op KMI-uitgang.

Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.