6 soluții la provocările minerale ale bateriilor

By Amory Lovins

Un val de articole recente, indiferent dacă sunt spontane sau coordonate, încearcă să discrediteze energia regenerabilă, vehiculele electrice și alte elemente ale tranziției energetice care economisesc clima. Criticile variază de la fiabilitatea rețelei la utilizarea terenului, de la economie la capital. Printre cele mai răspândite și conflictuale afirmații este că este extrem de distructiv, dacă nu imposibil, să găsești suficiente minerale pentru a produce toate bateriile de care va avea nevoie o flotă globală de vehicule electrice (EV-uri). Aceste preocupări legate de minerale nu sunt într-adevăr banale, dar sunt adesea exagerate. Voi sublinia aici cum pot deveni gestionabile dacă includem soluții adesea trecute cu vederea.

Materialele bateriilor precum litiu, nichel și cobalt reprezintă un caz special de dinamică mai largă. Când se așteaptă ca un material extras să devină rar, prețul acestuia crește. Acest semnal provoacă o utilizare mai eficientă, reciclare, înlocuire, explorare, inovare și alte răspunsuri pe piață, așa cum am descris pentru pământuri rare. (Ilustrand teza de substituție a articolului respectiv, the nitrură de fier supermagneții pe care i-a menționat acum patru ani ca ambiție experimentală au ajuns acum piaţă; nu conțin pământuri rare și, teoretic, ar putea deveni de două ori mai puternice decât cei mai buni magneți din pământuri rare.)

Penuria de minerale poate fi reală sau promovată – de exemplu, pentru a reduce concurența vehiculelor electrice cu petrolul sau pentru a crește prețurile mărfurilor sau acțiunilor miniere pentru speculatori. Unele minerale pot ridica preocupări legitime în afară de deficit, cum ar fi munca copiilor, corupția și alte abuzuri în minerit artizanal de cobalt; dependența nejustificată de minereurile și fabricile de procesare din China; sau utilizarea apei și daunele asupra mediului din minerit.

Preocupările reale ar putea avea nevoie și de context - cum ar fi o remarcă recentă, a cărei validitate depinde de multe presupuneri, că cultivarea migdalelor din California necesită de șase ori mai multă apă pe kilogram decât extragerea litiului în deșert. De asemenea, migdalele pot fi savurate o singură dată, dar odată extrase, litiul poate continua să ofere beneficii mai mult sau mai puțin permanent. Și, desigur, vehiculele electrice alimentate din surse regenerabile înlocuiesc vehiculele care ard ulei care dăunează în mod important pământului, aerului, sănătății și climei.

Deși există preocupări adecvate cu privire la extracția mineralelor din bateriile, există și multe soluții puternice și multiplicative pe care proiecțiile convenționale le subestimează sau le ignoră adesea, exagerând nevoile viitoare de minerit. Să explorăm acum șase părți succesive și multiplicative ale spațiului de soluții.

1. Stocarea mai multă energie pe kilogram

Îmbunătățirea compoziției, producției, designului, controalelor și reîncărcării bateriilor poate stoca mult mai multă energie per unitate de materiale. Din 2010, celulele bateriei litiu-ion au aproape triplat stocarea lor de energie pe kilogram. Scăderea prețului cu 89% în același deceniu se datorează parțial utilizării mai frugale a materialelor. În acest deceniu sunt așteptate alte câștiguri majore; ca unul dintre multele exemple, anozi de siliciu se spune că crește densitatea de energie a bateriilor cu litiu-ion cu 20%. RMI evaluează că tehnologiile care dublează în mod colectiv densitatea de energie a bateriilor cu litiu-ion ar putea intra în producție până în 2025. Ziua bateriilor 2020 a Tesla prezentare a anunțat îmbunătățiri majore care se extind acum pentru producția de masă în 2022. Așadar, proiecțiile bazate pe vechile densități de energie exagerează substanțial mineritul necesar.

2. Durează mai mult, apoi fii „reîncarnat”

De asemenea, bateriile durează mai mult pe măsură ce designul, materialele, producția și utilizarea se îmbunătățesc. Doar un nou profil de încărcare poate inversa migrația de litiu care reduce viața. Bateriile de milioane de mile apar, așa că durata lor de viață ar putea deveni în curând o problemă la fel de irelevantă ca viteza modemului tău. Cu cât durează mai mult bateriile, cu atât materialele lor pot suporta mai multe mile vehicul.

Când un vehicul electric se retrage în cele din urmă (sau se prăbușește), acumulatorul său poate fi „reîncarnat” într-un depozit staționar valoros, care continuă să ofere o valoare mare, nu prin mutarea unui vehicul, ci prin sprijinirea trecerii globale la energie regenerabilă (deci reducând exploatarea mineritului de combustibili fosili). și emisii). Prin urmare Casa Mobilității (Zürich) câștigă deja ~1000 EUR per acumulator EV pe an vânzând ~13 din cele 21 de servicii potențiale de la baterii EV staționare sau parcate către rețeaua electrică din mai multe țări europene. (De exemplu, în 2018, firma a licențiat un vehicul electric ca prima centrală electrică pe roți din Germania, capabilă să vândă rețelei de servicii de stabilizare a frecvenței.)

Coordonarea imenselor capacități de stocare și a altor capacități ale vehiculelor electrice din lume, parcate în aproximativ 95% din timp și adesea reîncărcabile la ore flexibile, devine un factor important și profitabil al creșterii rapide a surselor regenerabile variabile - solar fotovoltaic și energie eoliană. Stocarea la scară de utilitate și în spatele contorului vor concura nu doar între ele, ci și cu stocarea de energie electrică integrată în rețea, bazată pe EV. Asta și opt alte tipuri de resurse de flexibilitate a rețelei fără carbon înseamnă că bateriile la scară de utilitate sunt utile, dar nu esențiale pentru menținerea rețelei de încredere pe măsură ce devine regenerabilă (altul conversaţie). Astfel, bateriile pentru EV-uri și pentru rețele nu sunt aditiv cerințe dar complementare, împărtășite și adesea succesive utilizări ale acelorași materiale, reducând nevoile totale de minerit.

3. Reciclarea bateriilor

Bateriile reciclate cu litiu sunt surse de aproximativ 17 ori mai bogate de nichel, 4-5 de litiu și 10 de cobalt decât minereurile lor naturale respective. „Exploarea” acelei resurse de reciclare este deja bine în curs de desfășurare. Am vizitat recent Redwood Materials al cofondatorului Tesla, JB Straubel plantă în Carson City, Nevada — cel mai mare producător de reciclare a bateriilor din SUA și un lider mondial emergent. Fabrica reciclează mai multe încărcături de semicamion pe zi de baterii extrem de diverse - de toate tipurile, formele, dimensiunile și utilizările, colectându-le adesea de la comercianții majori care le obțin de la clienți. Fabrica transformă toate acele baterii, cu o eficiență de obicei de peste 90 la sută, în materiale pure care se întorc direct în baterii noi.

De fapt, Redwood Materials este o „mină” benignă, nepoluantă, cu emisii aproape zero, care produce litiu, nichel, cobalt, cupru și grafit, urmând să vină mai multe produse. Prin design strălucit, nu produce deșeuri - doar valoare. Deocamdată, folosește puțin gaz natural pentru a începe câteva zile de procesare continuă alimentată de electroliți și reacții auto-susținute. Procesele viitoare vor stoarce și acel gaz și vor capta carbonul solid.

Procesarea face deja bani pe baza fluxului de numerar, chiar dacă capacitatea crește rapid, cu 20,000 de tone de intrare pe an așteptate în 2021. Chiar și până în mai 2021, fabrica ar putea recupera suficiente materiale pentru baterii în fiecare an pentru a construi 45,000 de pachete EV. Strângerea de capital de 0.7 miliarde de dolari a companiei în iulie 2021 a fost suprasubscrisă. Pe 14 septembrie 2021, Redwood Materials a anunțat Planurile pentru ca o fabrică să producă electrozi de baterie avansați, din ce în ce mai mult din materiale reciclate – suficient pentru aproximativ un milion de vehicule electrice pe an până în 2025, apoi să se quintuplizeze până în 2030. O săptămână mai târziu, Ford a anunțat o alianță expansivă pentru a dezvolta un lanț de aprovizionare cu baterii în buclă închisă din America de Nord. .

O sursă majoră de baterii reciclabile pentru Redwood Materials este Tesla Gigafactory, aflată la o jumătate de oră de mers cu mașina - un alt design al lui JB. Trimite două camioane pe zi cu producție defecte și deșeuri și preia materialele reciclate pentru a produce mai multe baterii. Cele două plante sunt simbiotice, ca un lichen. Alte fabrici mari de baterii care se ridică în întreaga lume vor câștiga în mod organic parteneri similari de închidere a buclei. Mult mai mare, dar mai târziu (pentru mașini, adesea cel puțin un deceniu mai târziu) recuperarea materialelor va veni din bateriile vândute și utilizate.

Pe măsură ce bateriile mai dense de energie utilizate în vehiculele electrice mai eficiente concurează cu cota de piață în creștere a vehiculelor electrice, astfel de operațiuni de reciclare pot furniza deja de ordinul a o zecime din materialele necesare pentru flota globală de vehicule electrice. În timp, reciclarea se poate extinde în cele din urmă pentru a atinge starea de echilibru, eliminarea minerit în continuare, la o capacitate foarte mare a industriei de ordinul a (foarte aproximativ) 10 TWh/an - deoarece recuperarea întârziată ajunge din urmă cu creșterea saturată a vehiculelor electrice la nivel mondial de-a lungul mai multor decenii. Această închidere a buclei ar putea reduce la jumătate CO total al vehiculelor electrice₂ emisii. Pe principii similare, Apple își propune până în 2030 să producă iPhone-uri care nu au nevoie de minerit.

O dovadă de concept similară, într-un sistem de baterii care se află deja în apropierea saturației pieței, este că aproximativ două treimi din plumb neurotoxic și 99% din plumbul bateriei este deja reciclat (aproximativ jumătate în mod corespunzător, jumătate în mod informal și periculos): în aproape fiecare stat din SUA, nu puteți cumpăra o baterie de automobile cu plumb-acid fără să o reporniți pe cea veche, astfel încât această buclă este deja aproape închisă, iar plumbul este acum rar extras. Acum, Redwood Materials și concurenții săi urmăresc să „exploateze” aproximativ un miliard de baterii uzate nefolosite în vechile laptopuri, telefoane mobile etc. ale caselor din SUA – baterii ale căror metale sunt de obicei mai valoroase decât plumbul și adesea bogate în cobalt.

Pe măsură ce compoziția bateriilor se schimbă, fluxurile reciclate nu se traduc direct în capacitate identică a bateriilor. Astfel, bateriile pentru smartphone-uri au, în general, un conținut ridicat de cobalt, în timp ce producătorii de baterii auto reduc rapid conținutul de cobalt, astfel încât reciclarea bateriilor smartphone-urilor în bateriile pentru vehicule electrice generează cu ~30′ mai multă capacitate a bateriei per gram de cobalt. Pentru a face un pachet de baterii EV este nevoie de ordinul a 10,000 de baterii de smartphone pentru litiu, dar numai ~300 pentru cobalt. Tesla, printre altele, intenționează să o facă elimina bateriile sale folosesc cobalt, dar producătorii care încă au nevoie de cobalt îl vor putea obține de la smartphone-uri vechi, nu de la mineri congolezi.

4. Chimie noi ale bateriilor

Mai multe firme au demonstrat electroliți noi (cum ar fi Materiale ionice' polimer solid) care permit chimicale precum alcaline reîncărcabile. Asemenea substanțe chimice, cum ar fi mangan-zinc sau mangan-aluminiu, nu au nevoie de materiale care sunt rare, costisitoare, toxice sau inflamabile. Ele ar putea astfel înlocui litiul și nichel și cobalt, dezavantajând producătorii de baterii litiu-ion (în special din China). În timp ce lanțul valoric al bateriei cu litiu-ion afișează unele aspecte ale „blocarei”, bateria națională a Indiei misiune subliniază nou chimii (India se întâmplă, de asemenea, să fie bogată în mangan și zinc) și, ca și alte eforturi din alte părți, poate oferi avantaje distinctive care ar putea diversifica chimia bateriilor. Unele metale ale bateriilor, cum ar fi fierul și aluminiul, sunt printre cele mai abundente elemente din scoarța terestră. Electroliții noi ar putea, de asemenea permite baterii sigure litiu-ion și litiu-sulf potrivite chiar și pentru aviație.

5. Vehicule eficiente

O variabilă majoră trecută cu vederea de aproape toți analiștii este eficiența vehiculului care este electrificat. Reduceri avantajoase ale masei, rezistenței aerodinamice și a rezistenței la rulare - îmbunătățiri ale fizicii vehiculului, mai degrabă decât eficiența grupului său de propulsie electric - pot reduce capacitatea necesară a bateriei pentru aceeași autonomie de rulare cu 2-3 inchi. BMW 2013–22 i3 de exemplu, a plătit pentru corpul său ultraușor din fibră de carbon, având nevoie de mai puține baterii pentru a mișca o masă mai mică și printr-o fabricație mai simplă (cu o treime din investiția normală și apă și jumătate din energie, spațiu și timp normale). Capacitatea proiectată a bateriei per vehicul nu este, prin urmare, un număr fix, dar ar trebui parametrizată în funcție de eficiența platformei. Care este intervalul potențial al acelei variabile nenumărate? În septembrie 2021, 2–3′ — și mai târziu în acest an, de mai multe ori mai multe!

Acest lucru se datorează faptului că o nouă generație de vehicule, care intră pe piață în 2 și atât de eficiente încât pot alimenta un ciclu normal de navetă doar cu ajutorul celulelor solare de pe suprafața lor superioară, demonstrează o nouă generație de vehicule de ~4–2022′. (Dezvăluire: sfătuiesc două astfel de firme - aptera.us la 343 mpge cu două locuri și an lumina.unu la 251 mpge cu cinci.) Ambele modele se pot îmbunătăți în continuare. Astfel de vehicule au nevoie de baterii proporțional mai mici și de infrastructură de reîncărcare mai mică sau deloc. În numere rotunde, sunt cu 2–3′ mai eficienți decât, să zicem, un Tesla Modelul 3, unul dintre cele mai eficiente vehicule electrice de pe piață. Împreună, aceste câștiguri de eficiență pot folosi bateriile până la un ordin de mărime (aproximativ, un factor de zece) mai eficient decât multe vehicule electrice existente acum pe piață și ar putea reduce necesarul de baterii în mod corespunzător, toate cu siguranță fără compromisuri și atribute atractive pentru șofer. Aptera NeverCharge este un vehicul de nișă, dar firma olandeză Lightyear este curentă. Ambele sunt importante și vor fi mai multe.

6. Mobilitate eficientă

Dincolo de limita de sistem a vehiculului în sine, utilizarea mai productivă a vehiculelor, noile modele de afaceri de mobilitate, mobilitatea virtuală (trimiterea de electroni, lăsarea nucleelor ​​grele acasă) și un design urban mai bun și politici publice pentru a oferi un acces mai bun cu mai puțină conducere pot afectează dramatic nevoile viitoare pentru mașini și conducere. De exemplu, Sam Deutsch Rapoarte că „Atlanta și Barcelona au un număr similar de persoane și o durată de tranzit rapid similar, dar emisiile de carbon din Barcelona sunt cu 83% mai mici, iar numărul de călători în transportul în masă este cu 565% mai mare”.

Ca și 2017 al meu analiză găsit pentru pământurile rare și același lucru este valabil și pentru mineralele bateriei,

… cel mai eficient înlocuitor… atât în ​​motoare, cât și în baterii, nu este un alt material exotic pentru fabricarea motoarelor sau bateriilor; este un design mai inteligent al mașinii, care face motoarele mai mici și bateriile mai puține. Sau, și mai bine, ar putea fi noi modele de afaceri - servicii care pot fi partajate precum Zipcar și GetAround, operațiuni de mobilitate ca serviciu precum Lyft și Uber sau vehicule autonome - care transportă mai mulți oameni mai multe kilometri în mult mai puține mașini la cost uimitor de mai mic, economisind în cele din urmă de ordinul a 10 trilioane de dolari la nivel mondial (în valoare actuală netă).

Aceste opțiuni acoperă o gamă largă de vehicule potențiale evitate, dar deja în unele nuclee urbane, serviciile de transport cu autovehicule înlocuiesc de câteva ori mai multe vehicule decât folosesc. Cu aproximativ 4-5% utilizare medie a mașinilor private din SUA, potențialul este în mod clar mult mai mare. Combinați acest lucru cu alte oportunități (cu intervale de timp și probabilități foarte diferite) — ~2′ câștiguri pe termen scurt în densitatea energiei bateriei, de mai multe ori în durata de viață a bateriei, ~2–8⁺´ în eficiența vehiculelor și potențial deplasarea completă a materialelor rare în chimia bateriilor - și previziunile ridicate ale cererii de materiale extrase pentru baterii par extrem de incerte și potențial greșite din cauza unor factori mari.

Concluzie

Avem și mai multe modalități de a economisi materialele de îngrijorare ale bateriilor decât de a le crește oferta, dar aceste oportunități din partea cererii sunt ignorate pe scară largă. Concurența sau compararea toate opțiunile - într-o perspectivă a întregului sistem care pune accentul pe pârghiile cererii la fel de mult ca și expansiunile ofertei și le compară sau le concurează - vor oferi alegeri, acțiuni și efecte mai bune și vor ajuta la evitarea bulelor de active, a ofertei supraconstruite, a intervențiilor inutile și a riscurilor inutile. . De aceea, discuțiile despre materialele bateriilor, sau orice altă resursă presupusă limitată, trebuie să ia în considerare nu doar proiecții simpliste ale cererii sau mine îngrijorătoare, ci întregul sistem - de la capăt la capăt, liniar la circular și pe deplin implicat în inovație, economie și comerţul.

Fizician Amory B. Lovins este cofondator și președinte emerit al RMI și profesor adjunct de inginerie civilă și de mediu la Universitatea Stanford.

© 2021 Institutul Rocky Mountain. Publicat cu permisiunea. Postat inițial pe RMI Outlet.

 

Apreciați originalitatea CleanTechnica? Luați în considerare a deveni un Membru, suporter, tehnician sau ambasador CleanTechnica - sau un patron pe Patreon.

 

 

---

publicitate  

---

---

Sursa: https://cleantechnica.com/2022/01/28/6-solutions-to-battery-mineral-challenges/