6 soluções para desafios minerais de bateria

Republicado por Platão

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Uma enxurrada de artigos recentes, sejam eles espontâneos ou coordenados, procura desacreditar as energias renováveis, os veículos eléctricos e outros elementos da transição energética para a poupança climática. As críticas vão desde a fiabilidade da rede à utilização do solo, da economia à equidade. Entre as alegações mais difundidas e conflitantes está a de que é imensamente destrutivo, se não impossível, encontrar minerais suficientes para fabricar todas as baterias que uma frota global de veículos eléctricos (VE) necessitará. Estas preocupações com os minerais não são, de facto, triviais, mas são muitas vezes exageradas. Descreverei aqui como eles podem se tornar gerenciáveis se incluirmos soluções muitas vezes negligenciadas.

Materiais de bateria como lítio, níquel e cobalto são um caso especial de uma dinâmica mais ampla. Quando se espera que um material extraído se torne escasso, o seu preço sobe. Esse sinal provoca uso, reciclagem, substituição, exploração, inovação e outras respostas de mercado mais eficientes, como descrevi para terras raras. (Ilustrando a tese de substituição desse artigo, o nitreto de ferro superímãs mencionados há quatro anos como uma ambição experimental agora chegaram mercado; eles não contêm terras raras e, teoricamente, poderiam se tornar duas vezes mais fortes que os melhores ímãs de terras raras.)

A escassez de minerais pode ser real ou exagerada — por exemplo, para reduzir a concorrência dos veículos eléctricos com o petróleo, ou para aumentar os preços das matérias-primas ou das acções mineiras para os especuladores. Alguns minerais podem suscitar preocupações legítimas para além da escassez, como o trabalho infantil, a corrupção e outros abusos na mineração artesanal de cobalto; dependência indevida de minérios e plantas de processamento chineses; ou o uso da água e os danos ambientais da mineração.

As preocupações reais também podem necessitar de contexto - como uma observação recente, cuja validade depende de muitas suposições, de que o cultivo de amêndoas na Califórnia consome seis vezes mais água por quilo do que a extracção de lítio no deserto. As amêndoas também podem ser consumidas apenas uma vez, mas, uma vez extraídas, o lítio pode continuar proporcionando benefícios de forma mais ou menos permanente. E, claro, os VE com energia renovável substituem os veículos que queimam petróleo, que prejudicam significativamente a terra, o ar, a saúde e o clima.

Embora existam preocupações adequadas sobre a mineração de minerais de bateria, também existem muitas soluções poderosas e multiplicativas que as projeções convencionais geralmente subestimam ou ignoram, exagerando as necessidades futuras de mineração. Vamos agora explorar seis partes sucessivas e multiplicativas do espaço de solução.

1. Armazenando mais energia por quilograma

Melhorar a composição, fabricação, design, controles e recarga das baterias pode armazenar muito mais energia por unidade de material. Desde 2010, as células de bateria de íons de lítio têm quase triplicou seu armazenamento de energia por quilograma. A queda de 89% nos preços durante a mesma década deve-se, em parte, ao uso mais frugal de materiais. Esperam-se novos ganhos importantes nesta década; como um dos muitos exemplos, anodos de silício dizem que aumentam a densidade de energia das baterias de íons de lítio em 20%. RMI avalia que as tecnologias que dobram coletivamente a densidade de energia das baterias de íons de lítio poderiam entrar em produção até 2025. Dia da Bateria de 2020 da Tesla apresentação de negócios anunciou grandes melhorias que agora aumentam a produção em massa em 2022. Assim, as projecções baseadas em antigas densidades energéticas exageram substancialmente a necessidade de mineração.

2. Durar mais e depois ser “reencarnado”

As baterias também duram mais à medida que o design, os materiais, a fabricação e o uso melhoram. Apenas um novo perfil de carregamento pode reverso migração de lítio que reduz a vida. Estão surgindo baterias de milhões de milhas, então sua vida útil poderá em breve se tornar um problema tão irrelevante quanto a velocidade do seu modem. Quanto mais durarem as baterias, mais quilómetros de veículo os seus materiais podem suportar.

Quando um VE acaba por se aposentar (ou falhar), o seu conjunto de baterias pode ser “reencarnado” num valioso armazenamento estacionário que continua a proporcionar grande valor, não através da movimentação de um veículo, mas apoiando a mudança global para a energia renovável (reduzindo assim a mineração de combustíveis fósseis). e emissões). Por isso The Mobility House (Zurique) já ganha cerca de 1000 euros por conjunto de baterias de veículos elétricos por ano, vendendo cerca de 13 dos 21 serviços potenciais de conjuntos de baterias de veículos elétricos estacionários ou estacionados à rede elétrica em vários países europeus. (Por exemplo, em 2018, a empresa licenciou um VE como a primeira central eléctrica sobre rodas da Alemanha, capaz de vender serviços de estabilização de frequência à rede.)

A coordenação do imenso armazenamento e outras capacidades dos veículos elétricos do mundo, estacionados cerca de 95% do tempo e muitas vezes recarregáveis em horários flexíveis, está a emergir como um importante e lucrativo facilitador do rápido crescimento das energias renováveis variáveis – energia solar fotovoltaica e energia eólica. O armazenamento em escala de serviço público e atrás do medidor competirá não apenas entre si, mas também com o armazenamento de eletricidade baseado em veículos elétricos integrado à rede. Isso e oito outros tipos de recursos de flexibilidade de rede isentos de carbono significam que as baterias em escala de utilidade pública são úteis, mas não essenciais para manter a rede confiável à medida que se torna renovável (outro conversa). Assim, as baterias para VEs e para redes não são aditivo requisitos, mas complementares, compartilhadas e muitas vezes sucessivas usos dos mesmos materiais, reduzindo as necessidades totais de mineração.

3. Reciclagem de Baterias

As células de bateria de lítio recicladas são fontes cerca de 17 vezes mais ricas em níquel, 4–5 de lítio e 10 vezes mais ricas em cobalto do que seus respectivos minérios naturais. “Mineração” desse recurso reciclável já está melhorando Em andamento. Visitei recentemente a Redwood Materials do cofundador da Tesla, JB Straubel planta em Carson City, Nevada — o principal reciclador de baterias dos EUA e um líder mundial emergente. A fábrica recicla vários caminhões por dia com baterias imensamente diversas – de todos os tipos, formatos, tamanhos e usos, muitas vezes coletando-as de grandes varejistas que as adquirem dos clientes. A planta converte todas essas baterias, normalmente com mais de 90% de eficiência, em materiais puros que voltam para baterias novas.

Com efeito, a Redwood Materials é uma “mina” benigna, não poluente e com emissões quase nulas, que produz lítio, níquel, cobalto, cobre e grafite, com mais produtos por vir. Através de um design brilhante, não produz desperdícios – apenas valor. Por enquanto, utiliza um pouco de gás natural para iniciar vários dias de processamento contínuo alimentado por eletrólitos e reações autossustentadas. Os processos futuros também extrairão esse gás e capturarão carbono sólido.

O processamento já gera dinheiro com base no fluxo de caixa, mesmo à medida que a capacidade aumenta rapidamente, com 20,000 toneladas de entrada por ano esperadas em 2021. Mesmo em maio de 2021, a fábrica poderia recuperar materiais de bateria suficientes a cada ano para construir 45,000 conjuntos de EV. O aumento de capital de US$ 0.7 bilhão da empresa em julho de 2021 foi superado. Em 14 de setembro de 2021, a Redwood Materials anunciou planos para uma fábrica fabricar eletrodos de bateria avançados, cada vez mais a partir de materiais reciclados – o suficiente para cerca de um milhão de veículos elétricos por ano até 2025, e quintuplicando até 2030. Uma semana depois, a Ford anunciou uma aliança expansiva para desenvolver uma cadeia de fornecimento de baterias na América do Norte em circuito fechado .

Uma importante fonte de baterias recicláveis para a Redwood Materials é a Tesla Gigafactory, a meia hora de carro – outro projeto de JB. Ela envia dois caminhões por dia de produção defeituosa e sucata e leva de volta materiais reciclados para fabricar mais baterias. As duas plantas são simbióticas, como um líquen. Outras grandes fábricas de baterias em expansão em todo o mundo ganharão organicamente parceiros semelhantes para fechar o ciclo. Muito maior, mas mais tarde (para carros, muitas vezes pelo menos uma década depois), a recuperação de materiais virá de baterias vendidas e usadas.

À medida que as baterias com maior densidade energética utilizadas em VE mais eficientes competem com a crescente quota de mercado dos VE, essas operações de reciclagem já podem fornecer cerca de um décimo dos materiais necessários para a frota global de VE. Com o tempo, a reciclagem poderá, em última análise, ser dimensionada para atingir um estado estacionário, eliminando mais mineração, com uma capacidade industrial muito grande da ordem de (aproximadamente) 10 TWh/ano – à medida que a recuperação desfasada alcança o saturante crescimento global de veículos elétricos ao longo de várias décadas. Este fechamento do ciclo poderia reduzir pela metade o CO total dos EVs₂ emissões. Seguindo princípios semelhantes, a Apple pretende, até 2030, fabricar iPhones que não necessitem de mineração.

Uma prova de conceito análoga, num sistema de baterias que já está próximo da saturação do mercado, é que cerca de dois terços da população mundial chumbo neurotóxico e 99 por cento do chumbo da bateria já é reciclado (cerca de metade de forma adequada, metade informalmente e perigosamente): em quase todos os estados dos EUA, você não pode comprar uma bateria automotiva de chumbo-ácido sem entregar a antiga, de modo que esse ciclo já está quase fechado e agora o chumbo raramente é extraído. Agora, a Redwood Materials e os seus concorrentes pretendem “minerar” cerca de mil milhões de baterias usadas que permanecem sem uso nos velhos computadores portáteis, telemóveis, etc. dos lares dos EUA – baterias cujos metais são geralmente mais valiosos do que o chumbo e muitas vezes ricos em cobalto.

À medida que a composição das baterias muda, os fluxos reciclados não se traduzem diretamente em capacidades idênticas de bateria. Assim, as baterias de smartphones geralmente têm alto teor de cobalto, enquanto os fabricantes de baterias automotivas estão reduzindo rapidamente o teor de cobalto, portanto, a reciclagem de baterias de smartphones em baterias EV aproveita cerca de 30´ a mais de capacidade da bateria por grama de cobalto. Para fazer uma bateria EV, são necessárias cerca de 10,000 baterias de smartphone para lítio, mas apenas cerca de 300 para cobalto. Tesla, entre outros, planeja eliminado o uso de cobalto em suas baterias, mas os fabricantes que ainda precisam de cobalto poderão obtê-lo em smartphones antigos, e não em crianças mineradoras congolesas.

4. Novos produtos químicos para baterias

Várias empresas demonstraram novos eletrólitos (como Materiais Iônicos'polímero sólido) que permitem produtos químicos como alcalinos recarregáveis. Tais produtos químicos, como manganês-zinco ou manganês-alumínio, não precisam de materiais escassos, caros, tóxicos ou inflamáveis. Eles poderiam, assim, substituir o lítio e níquel e cobalto, prejudicando os produtores de baterias de iões de lítio (nomeadamente na China). Embora a cadeia de valor das baterias de íons de lítio exiba alguns aspectos de “aprisionamento”, a bateria nacional da Índia missão enfatiza novo química (A Índia também é rica em manganês e zinco) e, como outros esforços em outros lugares, pode oferecer vantagens distintas que poderiam diversificar os produtos químicos das baterias. Alguns metais de bateria, como ferro e alumínio, estão entre os elementos mais abundantes na crosta terrestre. Novos eletrólitos também poderiam permitir baterias seguras de íons de lítio e lítio-enxofre, adequadas até mesmo para a aviação.

5. Veículos Eficientes

Uma variável importante ignorada por quase todos os analistas é a eficiência do veículo que está sendo eletrificado. Reduções vantajosas na massa, no arrasto aerodinâmico e na resistência ao rolamento – melhorias na física do veículo em vez da eficiência do seu trem de força elétrico – podem reduzir a capacidade necessária da bateria para a mesma autonomia em 2–3´. BMW 2013–22 i3, por exemplo, pagou pelo seu corpo ultraleve de fibra de carbono necessitando de menos baterias para movimentar menos massa e com uma fabricação mais simples (com um terço do investimento normal e água e metade da energia, espaço e tempo normais). A capacidade projetada da bateria por veículo não é, portanto, um número fixo, mas deve ser parametrizada de acordo com a eficiência da plataforma. Qual é o intervalo potencial dessa variável não contada? Em setembro de 2021, 2–3′ – e no final deste ano, várias vezes mais!

Isso ocorre porque um ganho adicional de eficiência de aproximadamente 2–4′ está sendo demonstrado por uma nova geração de veículos, que entrará no mercado em 2022, e é tão eficiente que pode alimentar um ciclo normal de deslocamento apenas por meio de células solares em sua superfície superior. (Divulgação: eu aconselho duas dessas empresas - aptera.us a 343 mpg com dois assentos, e lightyear.one a 251 mpge com cinco.) Ambos os designs podem melhorar ainda mais. Esses veículos necessitam de baterias proporcionalmente mais pequenas e de menos ou nenhuma infraestrutura de carregamento. Em números redondos, eles são 2–3´ mais eficientes do que, digamos, um Tesla Modelo 3, um dos VEs mais eficientes do mercado. Juntos, esses ganhos de eficiência podem usar baterias até uma ordem de magnitude (aproximadamente, um factor de dez) mais eficientemente do que muitos veículos eléctricos actualmente no mercado, e poderia reduzir as suas necessidades de bateria de forma correspondente, tudo com segurança sem compromissos e atributos de condução atraentes. O Áptera Nunca carregue é um veículo de nicho, mas a empresa holandesa Lightyear's é popular. Ambos são importantes e haverá mais.

6. Mobilidade Eficiente

Além dos limites do sistema do próprio veículo, o uso mais produtivo dos veículos, novos modelos de negócios de mobilidade, mobilidade virtual (enviar elétrons, deixar núcleos pesados em casa) e um melhor desenho urbano e políticas públicas para proporcionar melhor acesso com menos condução podem todos afetar dramaticamente as necessidades futuras de automóveis e direção. Por exemplo, Sam Deutsch relatórios que “Atlanta e Barcelona têm um número de pessoas e uma extensão de trânsito rápido semelhantes, mas as emissões de carbono de Barcelona são 83 por cento mais baixas e o número de passageiros do transporte de massa é 565 por cento maior”.

Como meu 2017 análise encontrado para terras raras, e o mesmo agora é verdade para minerais de bateria,

…o substituto mais eficaz…tanto em motores como em baterias, não é outro material exótico para fabricar motores ou baterias; é um design de carro mais inteligente que torna os motores menores e as baterias menos. Ou, melhor ainda, poderiam ser novos modelos de negócios – serviços compartilháveis como Zipcar e GetAround, operações de mobilidade como serviço como Lyft e Uber, ou veículos autônomos – que transportam mais pessoas por mais quilômetros em muito menos carros ao mesmo tempo. custo surpreendentemente menor, poupando, em última análise, cerca de 10 biliões de dólares em todo o mundo (em valor actualizado líquido).

Estas opções abrangem uma vasta gama de veículos potencialmente evitados, mas já em alguns núcleos urbanos, os serviços de transporte privado estão a deslocar várias vezes mais veículos do que utilizam. Com uma utilização média de cerca de 4% a 5% dos automóveis privados dos EUA, o potencial é claramente muito maior. Combine isso com outras oportunidades (com escalas de tempo e probabilidades amplamente variadas) — ~2´ ganhos de curto prazo na densidade de energia da bateria, várias vezes na vida útil da bateria, ~2–8⁺´ na eficiência dos veículos e no deslocamento potencialmente completo de materiais escassos na química das baterias — e as previsões elevadas de procura de materiais de baterias extraídos parecem altamente incertas e potencialmente erradas devido a grandes factores.

Conclusão

Temos ainda mais formas de poupar materiais preocupantes para baterias do que de aumentar a sua oferta, mas estas oportunidades do lado da procura são amplamente ignoradas. Competindo ou comparando todos os opções – numa perspectiva de todo o sistema que enfatiza tanto as alavancas da procura como as expansões da oferta, e as compara ou compete – produzirão melhores escolhas, acções e impactos, e ajudarão a evitar bolhas de activos, oferta excessiva, intervenções desnecessárias e riscos desnecessários . É por isso que as discussões sobre materiais de baterias, ou qualquer outro recurso supostamente escasso, devem considerar não apenas projeções simplistas de demanda ou minas preocupantes, mas todo o sistema – de ponta a ponta, linear a circular, e totalmente engajado com inovação, economia e troca.

Físico Amory B. Lovins é cofundador e presidente emérito da RMI e professor adjunto de Engenharia Civil e Ambiental na Universidade de Stanford.

© Instituto das Montanhas Rochosas 2021. Publicado com permissão. Postado originalmente em Saída RMI.

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