6 rozwiązań problemów związanych z minerałami akumulatorowymi

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Zalew niedawnych artykułów, spontanicznych lub skoordynowanych, ma na celu zdyskredytowanie energii odnawialnej, pojazdów elektrycznych i innych elementów transformacji energetycznej oszczędzającej klimat. Krytyka sięga od niezawodności sieci po użytkowanie gruntów, od ekonomii po sprawiedliwość. Wśród najbardziej rozpowszechnionych i sprzecznych twierdzeń jest to, że znalezienie wystarczającej ilości minerałów do wytworzenia wszystkich akumulatorów potrzebnych globalnej flocie pojazdów elektrycznych (EV) jest niezwykle destrukcyjne, jeśli nie niemożliwe. Te obawy dotyczące minerałów rzeczywiście nie są trywialne, ale często są przesadzone. Opiszę tutaj, w jaki sposób można nimi zarządzać, jeśli uwzględnimy rozwiązania często pomijane.

Materiały akumulatorowe, takie jak lit, nikiel i kobalt, stanowią szczególny przypadek szerszej dynamiki. Kiedy oczekuje się, że wydobyty materiał stanie się rzadkością, jego cena wzrasta. Sygnał ten wywołuje bardziej efektywne wykorzystanie, recykling, substytucję, poszukiwania, innowacje i inne reakcje rynkowe, jak opisałem dla ziem rzadkich. (Ilustrując tezę o substytucji tego artykułu, azotek żelaza supermagnesy, o których wspominano cztery lata temu jako ambicje eksperymentalne, teraz doszły do skutku rynek; nie zawierają pierwiastków ziem rzadkich i teoretycznie mogłyby stać się dwukrotnie silniejsze od najlepszych magnesów ziem rzadkich.)

Niedobór minerałów może być rzeczywisty lub wyolbrzymiony – na przykład w celu ograniczenia konkurencji pojazdów elektrycznych z ropą naftową lub w celu podniesienia cen towarów lub akcji wydobywczych dla spekulantów. Niektóre minerały, oprócz niedoboru, mogą budzić uzasadnione obawy, takie jak praca dzieci, korupcja i inne nadużycia w rzemieślniczym wydobyciu kobaltu; nadmierna zależność od chińskich rud i zakładów przetwórczych; lub zużycie wody i szkody dla środowiska powodowane przez górnictwo.

Prawdziwe obawy mogą również wymagać kontekstu – jak niedawna uwaga, której ważność zależy od wielu założeń, że uprawa migdałów kalifornijskich zużywa sześć razy więcej wody na funt niż wydobycie litu na pustyni. Migdały również można zjeść tylko raz, ale po wyekstrahowaniu lit może zapewniać korzyści mniej więcej na stałe. I oczywiście pojazdy elektryczne zasilane odnawialnie wypierają pojazdy spalające ropę, które w istotny sposób szkodzą ziemi, powietrzu, zdrowiu i klimatowi.

Chociaż istnieją uzasadnione obawy dotyczące wydobycia minerałów z akumulatorów, istnieje również wiele skutecznych i multiplikatywnych rozwiązań, które konwencjonalne prognozy często zaniżają lub ignorują, wyolbrzymiając przyszłe potrzeby wydobywcze. Zbadajmy teraz sześć kolejnych i multiplikatywnych części przestrzeni rozwiązań.

1. Przechowywanie większej ilości energii na kilogram

Ulepszanie składu, produkcji, projektowania, kontroli i ładowania akumulatorów może pozwolić na magazynowanie znacznie większej ilości energii na jednostkę materiałów. Od 2010 roku dostępne są ogniwa akumulatorów litowo-jonowych prawie trzykrotnie ich magazynowania energii na kilogram. Spadek cen o 89% w ciągu tej samej dekady wynika częściowo z bardziej oszczędnego wykorzystania materiałów. W tej dekadzie oczekuje się dalszych znaczących zysków; jako jeden z wielu przykładów, anody krzemowe Mówi się, że zwiększają gęstość energii w akumulatorach litowo-jonowych o 20 procent. RMI ocenia że technologie wspólnie podwajające gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych mogą wejść do produkcji do 2025 r. Dzień Baterii Tesli 2020 presentation ogłosiła istotne ulepszenia, które obecnie zostaną dostosowane do masowej produkcji w 2022 r. Zatem prognozy oparte na starych gęstościach energii znacznie zawyżają zapotrzebowanie na wydobycie.

2. Trwanie dłużej, a następnie „reinkarnacja”

Baterie działają również dłużej w miarę ulepszania projektów, materiałów, produkcji i użytkowania. Może po prostu nowy profil ładowania rewers migracja litu redukująca życie. Pojawiają się akumulatory o pojemności milionów mil, więc ich żywotność może wkrótce stać się kwestią równie nieistotną, jak prędkość modemu. Im dłuższe są akumulatory, tym więcej przejechanych kilometrów mogą wytrzymać zastosowane materiały.

Kiedy pojazd elektryczny ostatecznie wycofa się z eksploatacji (lub ulegnie awarii), jego zestaw akumulatorów można „odrodzić się” w cenny stacjonarny magazyn, który w dalszym ciągu zapewnia ogromną wartość, nie poprzez przemieszczanie pojazdu, ale poprzez wspieranie globalnego przejścia na energię odnawialną (a tym samym ograniczenie wydobycia paliw kopalnych i emisji). Zatem Dom Mobilności (Zurych) już zarabia około 1000 euro rocznie na zestawie akumulatorów pojazdów elektrycznych, sprzedając około 13 z 21 potencjalnych usług w zakresie stacjonarnych lub zaparkowanych zestawów akumulatorów pojazdów elektrycznych do sieci elektroenergetycznej w kilku krajach europejskich. (Na przykład w 2018 r. firma wydała licencję na pojazd elektryczny jako pierwsza w Niemczech elektrownia na kołach zdolna do sprzedaży usług stabilizacji częstotliwości do sieci).

Koordynacja ogromnych możliwości magazynowania i innych możliwości pojazdów elektrycznych na świecie, zaparkowanych przez około 95 procent czasu i często umożliwiających ładowanie w elastycznych porach, staje się głównym i lukratywnym czynnikiem umożliwiającym szybki rozwój zmiennych odnawialnych źródeł energii – fotowoltaiki słonecznej i energii wiatrowej. Magazynowanie na skalę użyteczności publicznej i magazynowanie za licznikiem będą konkurować nie tylko ze sobą, ale także ze zintegrowanym z siecią magazynowaniem energii elektrycznej opartym na pojazdach elektrycznych. To i osiem inne rodzaje zasobów zapewniających elastyczność sieci bezemisyjnej oznaczają, że baterie na skalę przemysłową są przydatne, ale nie niezbędne do utrzymania sieci rzetelny w miarę jak staje się odnawialny (inny rozmowa). Zatem akumulatory do pojazdów elektrycznych i sieci nie są takie dodatek wymagania ale uzupełniające się, wspólne i często następujące po sobie zastosowania tych samych materiałów, zmniejszając całkowite potrzeby wydobywcze.

3. Recykling baterii

Ogniwa akumulatorów litowych pochodzących z recyklingu są około 17 razy bogatszym źródłem niklu, 4–5 litu i 10 kobaltu niż ich odpowiednie rudy naturalne. „Wydobywanie” tego surowca do recyklingu już ma się dobrze trwa. Niedawno odwiedziłem współzałożyciela Tesli, JB Straubela, Redwood Materials roślina w Carson City w stanie Nevada — wiodący amerykański podmiot zajmujący się recyklingiem akumulatorów i wschodzący światowy lider. Zakład poddaje recyklingowi kilka ciężarówek dziennie niezwykle różnorodnych akumulatorów – wszelkiego rodzaju, kształtów, rozmiarów i zastosowań, często zbierając je od głównych sprzedawców detalicznych, którzy dostają je od klientów. Zakład przetwarza wszystkie te akumulatory, zwykle ze sprawnością przekraczającą 90%, w czyste materiały, z których następnie powstają nowe akumulatory.

W efekcie firma Redwood Materials jest łagodną, niezanieczyszczającą środowiska „kopalnią” o niemal zerowej emisji, produkującą lit, nikiel, kobalt, miedź i grafit, a w przyszłości będzie jeszcze więcej produktów. Dzięki genialnemu projektowi nie wytwarza żadnych odpadów — tylko wartość. Na razie zużywa niewielką ilość gazu ziemnego, aby rozpocząć kilkudniową nieprzerwaną obróbkę napędzaną elektrolitami i samopodtrzymującymi się reakcjami. Przyszłe procesy będą również powodować wyciśnięcie tego gazu i wychwytywanie stałego węgla.

Przetwarzanie już przynosi zyski pod względem przepływów pieniężnych, mimo że moce produkcyjne szybko rosną – w 20,000 r. oczekuje się 2021 2021 ton wejściowych rocznie. Nawet do maja 45,000 r. zakład będzie w stanie co roku odzyskiwać wystarczającą ilość materiałów do produkcji akumulatorów, aby wyprodukować 0.7 2021 pakietów pojazdów elektrycznych. Podwyższenie kapitału firmy o 14 miliarda dolarów w lipcu 2021 roku spowodowało nadsubskrypcję. XNUMX września XNUMX r. Ogłoszono, że Redwood Materials plany dla fabryki produkującej zaawansowane elektrody do akumulatorów, w coraz większym stopniu z materiałów pochodzących z recyklingu, co wystarczyłoby na około milion pojazdów elektrycznych rocznie do 2025 r., a następnie pięciokrotnie więcej do 2030 r. Tydzień później Ford ogłosił rozległy sojusz mający na celu rozwój północnoamerykańskiego łańcucha dostaw akumulatorów o zamkniętej pętli .

Głównym źródłem akumulatorów nadających się do recyklingu dla Redwood Materials jest oddalona o pół godziny jazdy samochodem Tesla Gigafactory — kolejny projekt JB. Codziennie wysyła dwie ciężarówki wadliwych produktów i złomu oraz odbiera materiały pochodzące z recyklingu, aby wyprodukować więcej baterii. Obie rośliny żyją w symbiozie, jak porost. Inne duże fabryki akumulatorów rozwijające się na całym świecie organicznie zyskają podobnych partnerów zamykających pętlę. Znacznie większy, ale później (w przypadku samochodów, często co najmniej dekadę później) odzysk materiałów będzie pochodził ze sprzedanych i zużytych akumulatorów.

Ponieważ coraz więcej akumulatorów o większej gęstości energii stosowanych w bardziej wydajnych pojazdach elektrycznych konkuruje z rosnącym udziałem w rynku pojazdów elektrycznych, takie operacje recyklingu mogą już zapewnić około jednej dziesiątej materiałów potrzebnych do budowy globalnej floty pojazdów elektrycznych. Z czasem recykling będzie mógł ostatecznie zostać skalowany i osiągnąć stan ustalony, eliminując dalsze wydobycie, przy bardzo dużej mocy produkcyjnej przemysłu, rzędu (w przybliżeniu) 10 TWh/rok – w miarę jak opóźnione ożywienie gospodarcze dogania nasycający się światowy wzrost pojazdów elektrycznych na przestrzeni kilku dziesięcioleci. To zamknięcie pętli mogłoby zmniejszyć całkowity poziom emisji CO w pojazdach elektrycznych o około połowę₂ emisje. Na podobnych zasadach Apple zamierza do 2030 roku produkować iPhone’y, które nie będą wymagały wydobywania.

Analogiczny dowód słuszności koncepcji systemu akumulatorów, który jest już w pobliżu nasycenia rynku, polega na tym, że około dwie trzecie światowych ołów neurotoksyczny a 99 procent ołowiu do akumulatora zostało już poddane recyklingowi (około połowa w sposób właściwy, połowa nieformalnie). i niebezpiecznie): w prawie każdym stanie USA nie można kupić kwasowego akumulatora samochodowego bez wymiany starego, więc pętla jest już prawie zamknięta, a ołów jest obecnie wydobywany rzadko. Obecnie firma Redwood Materials i jej konkurenci zamierzają „wydobyć” około miliarda zużytych baterii, które nie są używane w starych laptopach, telefonach komórkowych itp. amerykańskich domów – baterii, których metale są zwykle cenniejsze od ołowiu i często bogate w kobalt.

W miarę zmiany składu akumulatorów strumienie pochodzące z recyklingu nie przekładają się bezpośrednio na identyczną pojemność akumulatorów. Dlatego baterie do smartfonów mają zazwyczaj wysoką zawartość kobaltu, podczas gdy producenci baterii samochodowych szybko zmniejszają zawartość kobaltu, więc recykling baterii smartfonów w baterie do samochodów elektrycznych zapewnia o około 30 cali większą pojemność baterii na gram kobaltu. Wyprodukowanie zestawu akumulatorów do pojazdów elektrycznych wymaga zatem zamówienia 10,000 300 akumulatorów do smartfonów w przypadku litu i tylko około XNUMX w przypadku kobaltu. Planuje to m.in. Tesla wyeliminować w jego bateriach wykorzystuje kobalt, ale producenci, którzy nadal potrzebują kobaltu, będą mogli go pozyskać ze starych smartfonów, a nie z kongijskich dziecięcych górników.

4. Nowatorska chemia akumulatorów

Kilka firm wykazało nowe elektrolity (np Materiały jonowe„stały polimer”), które umożliwiają stosowanie substancji chemicznych takich jak alkalia wielokrotnego ładowania. Takie chemikalia, jak mangan-cynk czy mangan-glin, nie wymagają materiałów, które są rzadkie, kosztowne, toksyczne lub łatwopalne. Mogłyby w ten sposób wyprzeć lit i nikiel i kobalt, co działa na niekorzyść producentów akumulatorów litowo-jonowych (zwłaszcza w Chinach). Chociaż łańcuch wartości baterii litowo-jonowych wykazuje pewne aspekty „zablokowania”, krajowej baterii Indii misja podkreśla nowa chemia (Indie są również bogate w mangan i cynk) i podobnie jak inne wysiłki podejmowane w innych krajach mogą zaoferować wyraźne korzyści, które mogłyby zdywersyfikować skład chemiczny akumulatorów. Niektóre metale akumulatorowe, takie jak żelazo i aluminium, należą do pierwiastków najobficiej występujących w skorupie ziemskiej. Mogą to zrobić również nowe elektrolity umożliwiać bezpieczne akumulatory litowo-jonowe i litowo-siarkowe odpowiednie nawet dla lotnictwa.

5. Wydajne pojazdy

Główną zmienną pomijaną przez prawie wszystkich analityków jest wydajność zelektryfikowanego pojazdu. Korzystne zmniejszenie masy, oporu aerodynamicznego i oporów toczenia – poprawa fizyki pojazdu, a nie wydajności jego elektrycznego układu napędowego – może zmniejszyć wymaganą pojemność akumulatora przy tym samym zasięgu jazdy o 2–3 cale. BMW 2013–22 i3, na przykład zapłacił za swój ultralekki korpus z włókna węglowego potrzebą mniejszej liczby akumulatorów do przeniesienia mniejszej masy oraz prostszą produkcją (przy jednej trzeciej normalnej inwestycji i wody oraz połowie normalnej energii, przestrzeni i czasu). Przewidywana pojemność akumulatorów na pojazd nie jest zatem liczbą stałą, ale należy ją sparametryzować pod kątem wydajności platformy. Jaki jest potencjalny zakres tej niezliczonej zmiennej? We wrześniu 2021 r. 2–3′ — a jeszcze w tym roku kilkukrotnie więcej!

Dzieje się tak dlatego, że nowa generacja pojazdów, które wejdą na rynek w 2 r. i które będą na tyle wydajne, że będą w stanie zasilać normalny cykl dojazdów do pracy jedynie za pomocą ogniw słonecznych umieszczonych na ich górnej powierzchni, wykazuje dalszy wzrost wydajności o ~4–2022 metry. (Ujawnienie: doradzam dwóm takim firmom — aptera.us przy 343 mpge z dwoma siedzeniami i lightyear.one przy 251 mpge z pięcioma.) Oba projekty można jeszcze ulepszyć. Takie pojazdy wymagają proporcjonalnie mniejszych akumulatorów i mniejszej infrastruktury do ładowania lub nie wymagają jej wcale. W okrągłych liczbach są one 2–3” bardziej wydajne niż, powiedzmy, Tesla Model 3, jeden z najbardziej wydajnych pojazdów elektrycznych na rynku. Łącznie te wzrosty wydajności pozwalają na wykorzystanie akumulatorów do rząd wielkości (mniej więcej dziesięciokrotnie) wydajniej niż wiele pojazdów elektrycznych dostępnych obecnie na rynku i może odpowiednio zmniejszyć zapotrzebowanie na akumulatory, a wszystko to przy bezkompromisowym bezpieczeństwie i atrakcyjnych cechach kierowcy. Aptera Nigdy nie ładuj to pojazd niszowy, ale holenderska firma Lightyear's jest głównym nurtem. Jedno i drugie jest ważne, a będzie ich więcej.

6. Efektywna mobilność

Poza granicami systemu samego pojazdu, bardziej produktywne wykorzystanie pojazdów, nowe modele biznesowe w zakresie mobilności, mobilność wirtualna (wysyłanie elektronów, pozostawianie ciężkich jąder w domu) oraz lepszy projekt urbanistyczny i polityka publiczna zapewniające lepszy dostęp przy zmniejszonym ruchu pojazdów mogą wszystko dramatycznie wpłynąć na przyszłe potrzeby w zakresie samochodów i pojazdów. Na przykład Sam Deutsch Raporty że „Atlanta i Barcelona mają podobną liczbę mieszkańców i długość szybkiego transportu, ale emisja dwutlenku węgla w Barcelonie jest o 83 procent niższa, a korzystanie z transportu zbiorowego jest o 565 procent wyższe”.

Jako moje 2017 analiza stwierdzono w przypadku pierwiastków ziem rzadkich i to samo dotyczy obecnie minerałów pochodzących z akumulatorów,

…najskuteczniejszym substytutem…zarówno silników, jak i akumulatorów nie jest kolejny egzotyczny materiał do produkcji silników lub akumulatorów; to inteligentniejsza konstrukcja samochodu, dzięki której silniki są mniejsze, a akumulatorów mniej. Albo, co jeszcze lepiej, mogą to być nowe modele biznesowe – usługi współdzielone, takie jak Zipcar i GetAround, operacje w zakresie mobilności jako usługi, takie jak Lyft i Uber, lub pojazdy autonomiczne – które przewożą więcej osób i więcej kilometrów w znacznie mniejszej liczbie samochodów w zaskakująco niższy koszt, ostatecznie oszczędzając na całym świecie około 10 bilionów dolarów (według wartości bieżącej netto).

Opcje te obejmują szeroki zakres potencjalnych pojazdów, których należy unikać, ale już w niektórych centrach miast usługi transportu pasażerskiego wypierają kilka razy więcej pojazdów, niż się wykorzystuje. Przy średnim wykorzystaniu prywatnych samochodów w USA wynoszącym około 4–5 procent potencjał jest wyraźnie znacznie większy. Połącz to z innymi możliwościami (o bardzo zróżnicowanych ramach czasowych i prawdopodobieństwie) — krótkoterminowy wzrost gęstości energii o około 2 cale, kilkukrotny wzrost żywotności baterii, ~2–8⁺` w wydajności pojazdów i potencjalnie całkowitym wyparciu rzadkich materiałów w chemii akumulatorów — a wysokie prognozy popytu na wydobywane materiały do akumulatorów wydają się wysoce niepewne i potencjalnie błędne z wielu powodów.

Wnioski

Mamy jeszcze więcej sposobów na oszczędzanie budzących obawy materiałów akumulatorowych niż na zwiększanie ich podaży, ale te możliwości po stronie popytu są powszechnie ignorowane. Konkurowanie lub porównywanie cała kolekcja opcje — z perspektywy całego systemu, która w równym stopniu kładzie nacisk na dźwignie popytu, jak i ekspansję podaży oraz porównuje je lub konkuruje z nimi — zapewni lepsze wybory, działania i skutki, a także pomoże uniknąć baniek spekulacyjnych na rynku aktywów, nadmiernej podaży, niepotrzebnych interwencji i niepotrzebnego ryzyka . Dlatego też dyskusje na temat materiałów do akumulatorów lub innych rzekomo rzadkich zasobów muszą uwzględniać nie tylko uproszczone prognozy popytu czy niepokojące kopalnie, ale cały system – kompleksowy, liniowy do obiegowego i w pełni zaangażowany w innowacje, ekonomię i handel.

Fizyk Amory B. Lovins jest współzałożycielem i emerytowanym prezesem RMI oraz adiunktem inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Stanforda.

Doceniasz oryginalność CleanTechnica? Rozważ zostanie Członek, Supporter, Technik lub Ambasador CleanTechnica - lub patrona na Patreon.