6 решений проблем с аккумуляторами, связанных с минералами

Переиздано Платоном

Читают: 0

Поток недавних статей, как спонтанных, так и скоординированных, направлен на дискредитацию возобновляемых источников энергии, электромобилей и других элементов климатосберегающего энергетического перехода. Критика варьируется от надежности сетей до землепользования, от экономики до справедливости. Среди наиболее распространенных и противоречивых утверждений является то, что найти достаточно полезных ископаемых для производства всех батарей, которые потребуются глобальному парку электромобилей (EV), чрезвычайно разрушительно, если не невозможно. Эти опасения по поводу полезных ископаемых действительно не тривиальны, но часто преувеличены. Здесь я расскажу, как ими можно стать управляемыми, если мы включим в них решения, которые часто упускают из виду.

Материалы для батарей, такие как литий, никель и кобальт, представляют собой особый случай более широкой динамики. Когда ожидается, что добытый материал станет дефицитным, его цена вырастет. Этот сигнал вызывает более эффективное использование, переработку, замену, разведку, инновации и другие реакции рынка, как я описал для редкоземельные. (Иллюстрируя изложенный в этой статье тезис о замещении, нитрид железа супермагниты, о которых он упоминал четыре года назад как об экспериментальных амбициях, теперь стали реальностью. рыночных; они не содержат редкоземельных металлов и теоретически могут стать вдвое сильнее лучших редкоземельных магнитов.)

Дефицит полезных ископаемых может быть реальным или раздутым — например, для снижения конкуренции электромобилей с нефтью или для повышения цен на сырьевые товары или акции горнодобывающих компаний для спекулянтов. Некоторые полезные ископаемые, помимо дефицита, могут вызывать законную озабоченность, например, детский труд, коррупция и другие злоупотребления при кустарной добыче кобальта; чрезмерная зависимость от китайских руд и перерабатывающих предприятий; или использование воды и экологический ущерб от добычи полезных ископаемых.

Реальные опасения также могут нуждаться в контексте — например, недавнее замечание, обоснованность которого зависит от многих предположений, о том, что для выращивания калифорнийского миндаля требуется в шесть раз больше воды на фунт, чем для добычи лития в пустыне. Миндаль тоже можно съесть только один раз, но после его извлечения литий может продолжать приносить пользу более или менее постоянно. И, конечно же, электромобили на возобновляемых источниках энергии вытесняют автомобили, работающие на жидком топливе, которые наносят серьезный вред земле, воздуху, здоровью и климату.

Хотя есть определенные опасения по поводу добычи полезных ископаемых для батарей, существует также много мощных и мультипликативных решений, которые в обычных прогнозах часто занижаются или игнорируются, преувеличивая будущие потребности в добыче полезных ископаемых. Давайте теперь исследуем шесть последовательных и мультипликативных частей пространства решений.

1. Хранение большего количества энергии на килограмм

Улучшение состава, производства, конструкции, контроля и перезарядки батарей позволит сохранить гораздо больше энергии на единицу материалов. С 2010 года литий-ионные аккумуляторные элементы почти в три раза их запас энергии на килограмм. Падение цен на 89 процентов за то же десятилетие отчасти связано с более экономным использованием материалов. В этом десятилетии ожидаются дальнейшие значительные успехи; как один из многих примеров, кремниевые аноды Говорят, что они повышают плотность энергии литий-ионных батарей на 20 процентов. РМИ оценивает что технологии, которые в совокупности удвоят плотность энергии литий-ионных батарей, могут быть запущены в производство к 2025 году. День батареи Tesla в 2020 году presentation объявили о серьезных улучшениях, которые сейчас масштабируются для массового производства в 2022 году. Таким образом, прогнозы, основанные на старой плотности энергии, существенно завышают потребность в добыче полезных ископаемых.

2. Прожить дольше, чем «перевоплощаться»

Батареи также служат дольше по мере совершенствования конструкции, материалов, производства и использования. Просто новый профиль зарядки может обратный сокращающая жизнь миграция лития. Появляются аккумуляторы на миллионы миль, поэтому их срок службы вскоре может стать такой же несущественной проблемой, как и скорость вашего модема. Чем дольше служат батареи, тем больше миль пробега могут выдержать их материалы.

Когда электромобиль в конечном итоге выходит из строя (или выходит из строя), его аккумуляторная батарея может быть «реинкарнирована» в ценное стационарное хранилище, которое продолжает приносить большую пользу, не за счет перемещения транспортного средства, а за счет поддержки глобального перехода к возобновляемым источникам энергии (следовательно, сокращая добычу ископаемого топлива). и выбросы). Таким образом Дом мобильности (Цюрих) уже зарабатывает ~1000 евро на аккумуляторной батарее электромобиля в год, продавая ~13 из 21 потенциальных услуг от стационарных или припаркованных аккумуляторных батарей электромобилей к электросетям в нескольких европейских странах. (Например, в 2018 году компания лицензировала электромобиль как первую в Германии электростанцию на колесах, способную продавать в сеть услуги по стабилизации частоты.)

Координация огромного объема хранилища и других возможностей электромобилей в мире, которые припаркованы примерно 95 процентов времени и часто перезаряжаются в гибкое время, становится основным и прибыльным фактором быстрого роста переменных возобновляемых источников энергии — солнечной фотоэлектрической энергии и энергии ветра. Системы хранения электроэнергии в масштабе коммунальных предприятий и системы хранения электроэнергии за счетчиком будут конкурировать не только друг с другом, но и с интегрированными в сеть хранилищами электроэнергии на базе электромобилей. Это и 8 другие виды ресурсов гибкости безуглеродной сети означают, что аккумуляторы коммунального масштаба полезны, но не необходимы для поддержания энергосистемы. складская поскольку он становится возобновляемым (еще один разговор). Таким образом, батареи для электромобилей и электросетей не являются добавка требования, но дополняющие, общие и часто последовательные использование одних и тех же материалов, что снижает общие потребности в добыче полезных ископаемых.

3. Переработка батарей

Переработанные литиевые аккумуляторные элементы примерно в 17 раз богаче источниками никеля, в 4–5 раз лития и в 10 раз богаче кобальта, чем соответствующие природные руды. «Добыча» этого вторичного ресурса уже идет на поправку на ходу. Недавно я посетил магазин Redwood Materials соучредителя Tesla Дж. Б. Штробеля. завод в Карсон-Сити, штат Невада — ведущем переработчике аккумуляторов в США и перспективном мировом лидере. Завод перерабатывает несколько полуприцепов в день с самыми разнообразными аккумуляторами — всех видов, форм, размеров и применений, часто забирая их у крупных розничных продавцов, которые получают их от покупателей. Завод перерабатывает все эти батареи, обычно с эффективностью более 90 процентов, в чистые материалы, которые затем снова используются в новых батареях.

По сути, Redwood Materials — это безвредная, экологически чистая «шахта» с почти нулевыми выбросами, производящая литий, никель, кобальт, медь и графит, и в будущем появится еще больше продуктов. Благодаря блестящему дизайну он не производит отходов — только приносит пользу. На данный момент он использует немного природного газа, чтобы начать несколько дней непрерывной обработки, подпитываемой электролитами и самоподдерживающимися реакциями. Будущие процессы будут отжимать и этот газ и улавливать твердый углерод.

Переработка уже приносит прибыль с точки зрения денежного потока, даже несмотря на то, что мощности быстро растут: в 20,000 году ожидается выпуск 2021 2021 тонн сырья в год. Даже к маю 45,000 года завод сможет ежегодно перерабатывать достаточно материалов для аккумуляторов, чтобы производить 0.7 2021 комплектов электромобилей. Привлечение капитала компании на сумму 14 миллиарда долларов в июле 2021 года было превышено. XNUMX сентября XNUMX года компания Redwood Materials объявила Планы для завода по производству современных аккумуляторных электродов, в основном из переработанных материалов — этого достаточно для примерно миллиона электромобилей в год к 2025 году, а затем увеличится в пять раз к 2030 году. Неделю спустя Ford объявил о расширенном альянсе для разработки замкнутой цепочки поставок аккумуляторов в Северной Америке. .

Основным источником перерабатываемых аккумуляторов для Redwood Materials является завод Tesla Gigafactory в получасе езды — еще один проект Джей Би. Он отправляет два грузовика в день бракованной продукции и лома и принимает обратно переработанные материалы для производства новых батарей. Эти два растения являются симбиотическими, как лишайник. Другие крупные заводы по производству аккумуляторов, развивающиеся по всему миру, естественным образом обретут аналогичных партнеров, замыкающих цикл. Гораздо более масштабным, но позже (для автомобилей, часто, по крайней мере, через десять лет) будет восстановление материалов из проданных и использованных аккумуляторов.

Поскольку более энергоемкие батареи, используемые в более эффективных электромобилях, конкурируют с растущей долей рынка электромобилей, такие операции по переработке уже могут обеспечить порядка десятой части материалов, необходимых для мирового парка электромобилей. Со временем переработка может в конечном итоге масштабироваться для достижения устойчивого состояния. уничтожение дальнейшая добыча полезных ископаемых при очень больших мощностях отрасли, порядка (приблизительно) 10 ТВтч/год, поскольку запаздывающее восстановление догоняет насыщающий глобальный рост электромобилей в течение нескольких десятилетий. Такое замыкание цикла может примерно вдвое сократить общий выброс COXNUMX в электромобилях.₂ выбросы. Руководствуясь аналогичными принципами, Apple стремится к 2030 году создать iPhone, не требующий майнинга.

Аналогичным доказательством концепции аккумуляторной системы, рынок которой уже почти насыщен, является то, что около двух третей мирового нейротоксичный свинец и 99 процентов аккумуляторного свинца уже переработано (около половины должным образом, половина неофициально). и опасно): почти в каждом штате США вы не можете купить свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор, не сдав старый, так что этот цикл уже почти замкнут, и свинец сейчас добывается редко. Теперь Redwood Materials и ее конкуренты стремятся «добыть» примерно миллиард использованных батареек, оставшихся неиспользованными в старых ноутбуках, мобильных телефонах и т. д. в американских домах — батарей, металлы которых обычно более ценны, чем свинец, и часто богаты кобальтом.

Поскольку состав батарей меняется, переработанные потоки не приводят напрямую к одинаковой емкости батарей. Таким образом, аккумуляторы для смартфонов, как правило, имеют высокое содержание кобальта, в то время как производители автомобильных аккумуляторов быстро сокращают содержание кобальта, поэтому переработка аккумуляторов смартфонов в аккумуляторы для электромобилей позволяет увеличить емкость аккумулятора примерно на 30 футов на грамм кобальта. Таким образом, для изготовления аккумуляторной батареи электромобиля потребуется порядка 10,000 300 литиевых батарей для смартфонов и всего около XNUMX батарей для кобальта. Тесла, среди прочих, планирует ликвидировать в ее батареях используется кобальт, но производители, которым все еще нужен кобальт, смогут получать его из старых смартфонов, а не из конголезских детей-шахтеров.

4. Новый химический состав батарей

Несколько фирм продемонстрировали новые электролиты (например, Ионные материалы'твердый полимер), которые позволяют использовать такие химические вещества, как перезаряжаемые щелочи. Такие химические соединения, как марганец-цинк или марганец-алюминий, не нуждаются в дефицитных, дорогостоящих, токсичных или легковоспламеняющихся материалах. Таким образом, они могут заменить литий. и никель и кобальт, что ставит в невыгодное положение производителей литий-ионных аккумуляторов (особенно в Китае). Хотя эта цепочка создания стоимости литий-ионных аккумуляторов демонстрирует некоторые аспекты «привязки», национальная батарея Индии миссия подчеркивает new химия (Индия также богата марганцем и цинком) и, как и другие проекты в других странах, может предложить особые преимущества, которые могли бы разнообразить химический состав аккумуляторов. Некоторые аккумуляторные металлы, такие как железо и алюминий, являются одними из наиболее распространенных элементов в земной коре. Новые электролиты также могут включить безопасные литий-ионные и литий-серные аккумуляторы, пригодные даже для авиации.

5. Эффективные транспортные средства

Основная переменная, которую упускают из виду почти все аналитики, — это эффективность электрифицированного автомобиля. Выгодное снижение массы, аэродинамического сопротивления и сопротивления качению — улучшение физики автомобиля, а не эффективности его электрической трансмиссии — может сократить требуемую емкость аккумулятора для того же запаса хода на 2–3 дюйма. БМВ 2013–22 гг. i3, например, заплатил за свой сверхлегкий корпус из углеродного волокна тем, что ему потребовалось меньше батарей для перемещения меньшей массы, а также более простым производством (с одной третью обычных инвестиций и воды и половиной обычных энергии, пространства и времени). Таким образом, прогнозируемая емкость аккумулятора на транспортное средство не является фиксированным числом, а должна быть параметризована с учетом эффективности платформы. Каков потенциальный диапазон этой неучтенной переменной? В сентябре 2021 года — 2–3 минуты, а позже в этом году — в несколько раз больше!

Это связано с тем, что дальнейшее повышение эффективности примерно на 2–4 фута демонстрирует новое поколение транспортных средств, которые появятся на рынке в 2022 году и настолько эффективны, что смогут обеспечивать нормальный цикл поездок только за счет солнечных батарей на своей верхней поверхности. (Раскрытие информации: я советую две такие фирмы — aptera.us при расходе 343 миль на галлон с двумя сиденьями и световой год.один при расходе 251 миль на галлон с пятью.) Обе конструкции могут быть улучшены и дальше. Таким транспортным средствам нужны аккумуляторы пропорционально меньшего размера и меньшая инфраструктура для подзарядки или вообще ее отсутствие. В круглых цифрах они на 2–3 дюйма эффективнее, скажем, Теслы. Модель 3, один из самых эффективных электромобилей на рынке. В совокупности эти повышения эффективности позволяют использовать батареи емкостью до порядок величины (примерно в десять раз) более эффективно, чем многие электромобили, представленные сейчас на рынке, и может соответственно сократить потребность в аккумуляторах, и все это при бескомпромиссной безопасности и привлекательных качествах для водителя. Аптера Никогда не заряжать это нишевый автомобиль, но голландская фирма Lightyear является мейнстримом. Оба важны, и их будет больше.

6. Эффективная мобильность

Помимо системных границ самого транспортного средства, более продуктивное использование транспортных средств, новые бизнес-модели мобильности, виртуальная мобильность (отправка электронов, оставление тяжелых ядер дома), а также лучший городской дизайн и государственная политика, направленные на обеспечение лучшего доступа с меньшим количеством вождения, - все это может существенно повлияют на будущие потребности в автомобилях и вождении. Например, Сэм Дойч отчеты что «в Атланте и Барселоне одинаковое количество людей и протяженность скоростного транспорта, но выбросы углекислого газа в Барселоне на 83 процента ниже, а количество пассажиров на общественном транспорте на 565 процентов выше».

Как мой 2017 анализ найдено редкоземельные элементы, и то же самое теперь справедливо и для минералов аккумуляторных батарей,

… самый эффективный заменитель… как моторов, так и аккумуляторов, не является еще одним экзотическим материалом для изготовления моторов или аккумуляторов; это более продуманный дизайн автомобиля, который делает двигатели меньше и аккумуляторов меньше. Или, что еще лучше, это могут быть новые бизнес-модели — общие сервисы, такие как Zipcar и GetAround, операции «мобильность как услуга», такие как Lyft и Uber, или автономные транспортные средства, — которые перевозят больше людей на большее количество миль на гораздо меньшем количестве автомобилей. удивительно низкая стоимость, что в конечном итоге сэкономит порядка 10 триллионов долларов США по всему миру (по чистой приведенной стоимости).

Эти варианты охватывают широкий спектр потенциальных транспортных средств, которых следует избегать, но уже в некоторых городских центрах службы такси вытесняют в несколько раз больше транспортных средств, чем они используют. При среднем использовании частных автомобилей в США примерно 4–5 процентов, потенциал явно намного больше. Объедините это с другими возможностями (с широко варьирующимися временными рамками и вероятностью) — ~2´ краткосрочное увеличение плотности энергии батареи, многократное увеличение срока службы батареи, ~2–8⁺´ в эффективности транспортных средств и потенциально полном вытеснении дефицитных материалов в химии аккумуляторов, а также высокие прогнозы спроса на добытые материалы для аккумуляторов выглядят весьма неопределенными и потенциально ошибочными по многим причинам.

Заключение

У нас есть даже больше способов сэкономить вызывающие беспокойство материалы для аккумуляторов, чем увеличить их предложение, но эти возможности со стороны спроса широко игнорируются. Конкурировать или сравнивать Найти варианты — с точки зрения всей системы, которая подчеркивает рычаги спроса так же, как и расширение предложения, и сравнивает или конкурирует с ними — приведет к лучшему выбору, действиям и последствиям, а также поможет избежать пузырей активов, чрезмерного предложения, ненужных вмешательств и ненужных рисков. . Вот почему при обсуждении материалов для аккумуляторов или любого другого предположительно дефицитного ресурса необходимо учитывать не только упрощенные прогнозы спроса или тревожные мины, но и всю систему — сквозную, линейную и круговую, полностью вовлеченную в инновации, экономику и торговля.

Физик Эмори Б. Ловинс является соучредителем и почетным председателем RMI, а также адъюнкт-профессором гражданской и экологической инженерии в Стэнфордском университете.

Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать Член CleanTechnica, сторонник, технический специалист или посланник - или покровитель на Patreon.