6 løsninger på batterimineralutfordringer

Publisert av Platon

Følgere: 0

En flom av nyere artikler, enten de er spontane eller koordinerte, søker å diskreditere fornybar energi, elektriske kjøretøy og andre elementer i den klimabesparende energiomstillingen. Kritikken spenner fra nettpålitelighet til arealbruk, fra økonomi til egenkapital. Blant de mest utbredte og konfliktfylte påstandene er at det er enormt ødeleggende om ikke umulig å finne nok mineraler til å lage alle batteriene som en global flåte av elektriske kjøretøyer (EV-er) trenger. Disse mineral bekymringene er faktisk ikke trivielle, men er ofte overdrevet. Jeg skal her skissere hvordan de kan bli håndterbare hvis vi inkluderer løsninger som ofte blir oversett.

Batterimaterialer som litium, nikkel og kobolt er et spesielt tilfelle av en bredere dynamikk. Når et utvunnet materiale forventes å bli knapt, stiger prisen. Dette signalet fremkaller mer effektiv bruk, resirkulering, substitusjon, leting, innovasjon og andre markedsresponser, som jeg har beskrevet for sjeldne jordarter. (Illustrerer artikkelens substitusjonsavhandling, den jernnitrid supermagneter den nevnte for fire år siden som en eksperimentell ambisjon har nå kommet til marked; de inneholder ingen sjeldne jordarter og kan teoretisk sett bli dobbelt så sterke som de beste sjeldne jordarters magneter.)

Mineralknapphet kan være reell eller hypet - for eksempel for å redusere elektriske kjøretøyers konkurranse med olje, eller for å øke råvare- eller gruveaksjepriser for spekulanter. Noen mineraler kan vekke legitime bekymringer i tillegg til knapphet, slik som barnearbeid, korrupsjon og andre overgrep i håndverksutvinning av kobolt; utilbørlig avhengighet av kinesisk malm og prosessanlegg; eller vannbruk og miljøskade ved gruvedrift.

Virkelige bekymringer kan også trenge kontekst - som en nylig bemerkning, hvis gyldighet avhenger av mange antakelser, at å dyrke California-mandler tar seks ganger så mye vann per pund som å utvinne litium i ørkenen. Mandler kan også nytes bare én gang, men når de først er ekstrahert, kan litium fortsette å gi fordeler mer eller mindre permanent. Og selvfølgelig, fornybart drevne elbiler fortrenger oljebrennende kjøretøyer som i stor grad skader land, luft, helse og klima.

Selv om det er riktige bekymringer for gruvedrift av batterimineraler, er det også mange kraftige og multiplikative løsninger som konvensjonelle anslag ofte undervurderer eller ignorerer, og overdriver fremtidige gruvebehov. La oss nå utforske seks suksessive og multiplikative deler av løsningsrommet.

1. Lagre mer energi per kilo

Forbedring av batterisammensetning, produksjon, design, kontroller og opplading kan lagre langt mer energi per materialenhet. Siden 2010 har litium-ion battericeller nesten tredoblet deres energilagring per kilogram. Deres prisfall på 89 prosent i løpet av samme tiår skyldes delvis deres mer sparsommelige bruk av materialer. Ytterligere store gevinster forventes i dette tiåret; som ett av mange eksempler, silisium anoder sies å øke litium-ion-batteriers energitetthet med 20 prosent. RMI Vurderer at teknologier som kollektivt dobler litium-ion-batteriers energitetthet kan komme i produksjon innen 2025. Teslas 2020 Battery Day presentasjon kunngjorde store forbedringer som nå skaleres opp for masseproduksjon i 2022. Så anslag basert på gamle energitettheter overvurderer nødvendig gruvedrift betydelig.

2. Vare lenger, for så å bli "reinkarnert"

Batterier varer også lenger ettersom design, materialer, produksjon og bruk forbedres. Bare en ny ladeprofil kan reversere livsreduserende litiummigrering. Million-mile-batterier dukker opp, så levetiden deres kan snart bli et like irrelevant problem som hastigheten på modemet ditt. Jo lenger batteriene varer, jo flere kjøretøymiler kan materialene deres tåle.

Når en elbil til slutt går av med pensjon (eller krasjer), kan batteripakken «reinkarneres» til verdifull stasjonær lagring som fortsetter å gi stor verdi, ikke ved å flytte et kjøretøy, men ved å støtte det globale skiftet til fornybar kraft (derav redusere utvinningen av fossilt brensel og utslipp). Dermed Mobilitetshuset (Zürich) tjener allerede ~€1000 per EV-batteripakke per år ved å selge ~13 av 21 potensielle tjenester fra stasjonære eller parkerte EV-batteripakker til strømnettet i flere europeiske land. (For eksempel, i 2018 lisensierte firmaet en elbil som Tysklands første kraftverk på hjul, i stand til å selge frekvensstabiliseringstjenester til nettet.)

Koordinering av de enorme lagringsmulighetene og andre muligheter i verdens elbiler, parkert ~95 prosent av tiden og ofte oppladbare til fleksible tider, fremstår som en viktig og lukrativ muliggjører for rask vekst i variable fornybare energikilder – solcellepaneler og vindkraft. Nytteskala og bak-meter-lagring vil konkurrere ikke bare med hverandre, men også med nettintegrert, EV-basert elektrisitetslagring. Det og åtte andre typer karbonfrie nettfleksibilitetsressurser betyr at batterier i bruksskala er nyttige, men ikke avgjørende for å beholde nettet pålitelig etter hvert som den blir fornybar (en annen samtale). Dermed er det ikke batterier for elbiler og for nett additiv krav men komplementære, delte og ofte suksessive bruk av de samme materialene, noe som reduserer det totale gruvebehovet.

3. Resirkulering av batterier

Resirkulerte litiumbattericeller er omtrent 17 ganger rikere kilder til nikkel, 4–5 litium og 10 ganger kobolt enn deres respektive naturlige malmer. "Utvinning" av resirkuleringsressursen blir allerede bra i gang. Jeg besøkte nylig Teslas medgrunnlegger JB Straubels Redwood Materials anlegg i Carson City, Nevada — den ledende amerikanske batterigjenvinneren og en fremvoksende verdensleder. Anlegget resirkulerer flere semitruck-laster om dagen med uhyre varierte batterier - alle typer, former, størrelser og bruksområder, og samler dem ofte fra store forhandlere som får dem fra kunder. Anlegget konverterer alle disse batteriene, med typisk over 90 prosent effektivitet, til rene materialer som går tilbake til nye batterier.

Faktisk er Redwood Materials en godartet, ikke-forurensende "gruve" med nesten nullutslipp som produserer litium, nikkel, kobolt, kobber og grafitt, med flere produkter på vei. Med strålende design produserer den ikke noe avfall – bare verdi. Foreløpig bruker den litt naturgass for å starte flere dager med kontinuerlig prosessering drevet av elektrolytter og selvopprettholdende reaksjoner. Fremtidige prosesser vil vri ut den gassen også og fange fast karbon.

Behandlingen tjener allerede penger på kontantstrøm-basis selv om kapasiteten raskt skaleres opp, med 20,000 2021 inputtonn per år forventet i 2021. Selv innen mai 45,000 kunne anlegget gjenvinne nok batterimateriale hvert år til å bygge 0.7 2021 EV-pakker. Firmaets kapitalinnhenting på 14 milliarder dollar i juli 2021 ble overtegnet. XNUMX. september XNUMX kunngjorde Redwood Materials planer for en fabrikk for å lage avanserte batterielektroder, i økende grad fra resirkulerte materialer - nok til omtrent en million elbiler i året innen 2025, for så å femdobles innen 2030. En uke senere annonserte Ford en ekspansiv allianse for å utvikle en nordamerikansk batteriforsyningskjede med lukket sløyfe .

En viktig kilde til resirkulerbare batterier for Redwood Materials er Tesla Gigafactory en halvtimes kjøretur unna - en annen av JBs design. Den sender to lastebillass om dagen med defekt produksjon og skrap og tar tilbake resirkulerte materialer for å lage flere batterier. De to plantene er symbiotiske, som en lav. Andre store batterifabrikker som går opp rundt om i verden vil organisk få lignende sløyfelukkende partnere. Mye større, men senere (for biler, ofte minst et tiår senere) materialgjenvinning vil komme fra batterier som selges og brukes.

Ettersom mer energitette batterier brukt i mer effektive elbiler konkurrerer med økende markedsandeler for elbiler, kan slike resirkuleringsoperasjoner allerede levere i størrelsesorden en tidel av materialene som trengs for den globale elbilflåten. Med tiden kan resirkulering til slutt skalere for å oppnå steady-state, eliminere videre gruvedrift, med en svært stor industrikapasitet i størrelsesorden (svært omtrentlig) 10 TWh/år – ettersom forsinket utvinning tar igjen mettende global vekst av elbiler over flere tiår. Denne sløyfelukkingen kan omtrent halvere elbilenes totale CO₂ utslipp. På lignende prinsipper har Apple som mål innen 2030 å lage iPhones som ikke trenger gruvedrift.

Et analogt proof-of-concept, i et batterisystem som allerede er rundt markedsmetning, er at omtrent to tredjedeler av verdens nevrotoksisk bly og 99 prosent av batteribly er allerede resirkulert (omtrent halvparten riktig, halvparten uformelt og farlig): i nesten alle amerikanske stater kan du ikke kjøpe et blysyre-bilbatteri uten å slå inn det gamle, så den sløyfen er allerede nesten lukket, og bly blir nå sjelden utvunnet. Nå har Redwood Materials og konkurrentene som mål å "utvinne" omtrent en milliard brukte batterier som står ubrukte i amerikanske hjems gamle bærbare datamaskiner, mobiltelefoner osv. - batterier hvis metaller vanligvis er mer verdifulle enn bly og ofte rike på kobolt.

Etter hvert som batterienes sammensetning skifter, blir ikke resirkulerte strømmer direkte oversatt til identisk batterikapasitet. Dermed har smarttelefonbatterier generelt høyt koboltinnhold, mens bilbatteriprodusenter raskt reduserer koboltinnholdet, så resirkulering av smarttelefonbatterier til EV-batterier utnytter ~30´ mer batterikapasitet per gram kobolt. Å lage en EV-batteripakke tar dermed størrelsesorden 10,000 300 smarttelefonbatterier for litium, men bare ~XNUMX for kobolt. Tesla, blant andre, planlegger å eliminere batterienes bruk av kobolt, men produsenter som fortsatt trenger kobolt vil kunne få det fra gamle smarttelefoner, ikke kongolesiske barnegruvearbeidere.

4. Nye batterikjemi

Flere firmaer har vist nye elektrolytter (som Joniske materialer' solid polymer) som tillater kjemi som oppladbare alkalier. Slike kjemier, som mangan-sink eller mangan-aluminium, trenger ingen materialer som er knappe, kostbare, giftige eller brannfarlige. De kunne dermed fortrenge litium og nikkel og kobolt, til ulempe for produsenter av litium-ion-batterier (spesielt i Kina). Mens verdikjeden for litium-ion-batterier viser noen aspekter ved "låsing", er Indias nasjonale batteri misjon legger vekt på nytt kjemier (India er tilfeldigvis også rik på mangan og sink), og kan, i likhet med andre tiltak andre steder, tilby særegne fordeler som kan diversifisere batterikjemiene. Noen batterimetaller, som jern og aluminium, er blant de mest tallrike elementene i jordskorpen. Nye elektrolytter kunne også muliggjøre trygge litium-ion- og litium-svovel-batterier egnet selv for luftfart.

5. Effektive kjøretøy

En viktig variabel oversett av nesten alle analytikere er effektiviteten til kjøretøyet som blir elektrifisert. Fordelaktige reduksjoner i masse, aerodynamisk luftmotstand og rullemotstand – forbedringer i kjøretøyets fysikk i stedet for effektiviteten til det elektriske drivverket – kan kutte nødvendig batterikapasitet for samme kjørerekkevidde med 2–3´. BMWs 2013–22 i3, for eksempel betalt for sin ultralette karbonfiberkropp ved å trenge færre batterier for å flytte mindre masse, og ved enklere produksjon (med en tredjedel av normal investering og vann og halvparten av normal energi, plass og tid). Anslått batterikapasitet per kjøretøy er derfor ikke et fast tall, men bør parameteriseres til plattformeffektivitet. Hva er potensiell rekkevidde for den utelle variabelen? I september 2021, 2–3′ — og senere i år, flere ganger!

Det er fordi en ytterligere ~2–4′ effektivitetsgevinst blir demonstrert av en ny generasjon kjøretøy, som kommer inn på markedet i 2022, og så effektive at de kan drive en normal pendlingsyklus bare ved hjelp av solceller på deres øvre overflate. (Offentliggjøring: Jeg anbefaler to slike firmaer - aptera.us ved 343 mpge med to seter, og lightyear.one ved 251 mpge med fem.) Begge designene kan forbedres ytterligere. Slike kjøretøy trenger forholdsmessig mindre batterier og mindre eller ingen ladeinfrastruktur. I runde tall er de 2–3' mer effektive enn for eksempel en Tesla modell 3, en av de mest effektive elbilene på markedet. Til sammen kan disse effektivitetsgevinstene bruke batterier opp til en størrelsesorden (omtrent en faktor på ti) mer effektivt enn mange elbiler på markedet nå, og kan redusere batteribehovet tilsvarende, alt med kompromissløs sikkerhet og attraktive føreregenskaper. Apteraen NeverCharge er et nisjekjøretøy, men det nederlandske firmaet Lightyear's er mainstream. Begge deler er viktige, og det kommer flere.

6. Effektiv mobilitet

Utover systemgrensen til selve kjøretøyet kan mer produktiv bruk av kjøretøy, nye forretningsmodeller for mobilitet, virtuell mobilitet (sende elektroner, la tunge kjerner være hjemme) og bedre bydesign og offentlig politikk for å gi bedre tilgang med mindre kjøring dramatisk påvirke fremtidige behov for biler og kjøring. For eksempel Sam Deutsch rapporter at "Atlanta og Barcelona har et tilsvarende antall mennesker og lengde på rask transitt, men Barcelonas karbonutslipp er 83 prosent lavere og massetransport er 565 prosent høyere."

Som min 2017 analyse funnet for sjeldne jordarter, og det samme gjelder nå for batterimineraler,

… den mest effektive erstatningen … i både motorer og batterier, er ikke et annet eksotisk materiale for å lage motorer eller batterier; det er smartere bildesign som gjør motorer mindre og batterier færre. Eller enda bedre, det kan være nye forretningsmodeller – delbare tjenester som Zipcar og GetAround, mobilitet-som-en-tjeneste-operasjoner som Lyft og Uber, eller autonome kjøretøy – som frakter flere mennesker flere mil i langt færre biler på forbløffende lavere kostnad, til slutt sparer i størrelsesorden $10 billioner på verdensbasis (i netto nåverdi).

Disse alternativene spenner over et bredt spekter av potensielt unngåtte kjøretøy, men allerede i noen bykjerner fortrenger ridehailing-tjenester flere ganger så mange kjøretøy som de bruker. Med ~4–5 prosent gjennomsnittlig utnyttelse av private amerikanske biler er potensialet klart langt større. Kombiner det med andre muligheter (med vidt varierende tidsskalaer og sannsynligheter) - ~2´ kortsiktige gevinster i batterienergitetthet, flere ganger i batterilevetid, ~2–8⁺´ i kjøretøyeffektivitet, og potensielt fullstendig forskyvning av knappe materialer i batterikjemi - og høye prognoser for etterspørsel etter utvunnet batterimaterialer ser svært usikre ut, og potensielt feil av store faktorer.

konklusjonen

Vi har enda flere måter å spare batterimaterialer på enn å øke forsyningen, men disse mulighetene på etterspørselssiden blir i stor grad ignorert. Konkurrerer eller sammenligner alle alternativer – i et helsystemperspektiv som vektlegger etterspørselshåndtak like mye som tilbudsutvidelser, og sammenligner eller konkurrerer med dem – vil gi bedre valg, handlinger og virkninger, og bidra til å unngå aktivabobler, overbygget tilbud, unødvendige intervensjoner og unødvendige risikoer . Det er derfor diskusjoner om batterimaterialer, eller enhver annen antatt knapp ressurs, ikke bare må vurdere forenklede etterspørselsprognoser eller bekymringsfulle gruver, men hele systemet – ende-til-ende, lineært-til-sirkulært og fullt engasjert i innovasjon, økonomi og handel.

Fysiker Amory B. Lovins er medstifter og styreleder emeritus i RMI og adjunkt i sivil- og miljøteknikk ved Stanford University.

Setter du pris på CleanTechnicas originalitet? Vurder å bli en CleanTechnica-medlem, supporter, tekniker eller ambassadør - eller en beskytter på Patreon.