Akü Mineral Zorluklarına 6 Çözüm

By Amory Lovins

İster spontan ister koordineli olsun, son zamanlarda yayınlanan makalelerden oluşan bir seli, yenilenebilir enerjiyi, elektrikli araçları ve iklim tasarrufu sağlayan enerji geçişinin diğer unsurlarını itibarsızlaştırmayı amaçlıyor. Eleştiriler şebeke güvenilirliğinden arazi kullanımına, ekonomiden öz sermayeye kadar uzanıyor. En yaygın ve çelişkili iddialardan biri, küresel bir elektrikli araç filosunun (EV) ihtiyaç duyacağı tüm pilleri üretmeye yetecek kadar mineral bulmanın imkansız olmasa da son derece yıkıcı olduğudur. Bu mineral endişeleri aslında önemsiz değildir, ancak çoğu zaman abartılmaktadır. Çoğunlukla gözden kaçan çözümleri de dahil edersek bunların nasıl yönetilebilir hale gelebileceğini burada ana hatlarıyla anlatacağım.

Lityum, nikel ve kobalt gibi pil malzemeleri daha geniş bir dinamiğin özel bir durumudur. Çıkarılan bir malzemenin kıt olması beklendiğinde fiyatı yükselir. Bu sinyal daha verimli kullanım, geri dönüşüm, ikame, keşif, yenilik ve diğer pazar tepkilerini ortaya çıkarıyor. nadir toprak elementleri. (Maddenin ikame tezini gösteren, demir nitrür Dört yıl önce deneysel bir hedef olarak bahsettiği süper mıknatıslar artık dünya çapında bir noktaya geldi. pazar; nadir toprak elementleri içermezler ve teorik olarak en iyi nadir toprak mıknatıslarından iki kat daha güçlü olabilirler.)

Maden kıtlığı gerçek veya abartılı olabilir; örneğin elektrikli araçların petrolle olan rekabetini azaltmak veya spekülatörler için emtia veya madencilik hissesi fiyatlarını yükseltmek amacıyla. Bazı mineraller kıtlığın yanı sıra çocuk işçiliği, yolsuzluk ve zanaatkar kobalt madenciliğinde diğer suiistimaller gibi meşru endişeleri de gündeme getirebilir; Çin cevherlerine ve işleme tesislerine aşırı bağımlılık; veya madenciliğin su kullanımı ve çevreye verdiği zarar.

Gerçek endişeler aynı zamanda bağlama da ihtiyaç duyabilir; geçerliliği birçok varsayıma dayanan yakın zamanda yapılan bir açıklama gibi: Kaliforniya bademlerinin yetiştirilmesi, çölde lityum madenciliği yapılmasından pound başına altı kat daha fazla su gerektirir. Badem de yalnızca bir kez tüketilebilir, ancak lityum bir kez çıkarıldıktan sonra az çok kalıcı olarak fayda sağlamaya devam edebilir. Ve tabii ki yenilenebilir enerjiyle çalışan elektrikli araçlar, karaya, havaya, sağlığa ve iklime önemli ölçüde zarar veren petrol yakan araçların yerini alıyor.

Pil minerallerinin madenciliği konusunda haklı endişeler olsa da, geleneksel tahminlerin sıklıkla küçümsediği veya göz ardı ettiği, gelecekteki madencilik ihtiyaçlarını abartan birçok güçlü ve çoğalan çözüm de vardır. Şimdi çözüm uzayının ardışık ve çarpımsal altı parçasını inceleyelim.

1. Kilogram Başına Daha Fazla Enerji Depolamak

Pillerin bileşiminin, üretiminin, tasarımının, kontrollerinin ve yeniden şarj edilmesinin iyileştirilmesi, malzeme birimi başına çok daha fazla enerji depolayabilir. 2010 yılından bu yana lityum iyon pil hücreleri Neredeyse üç katına kilogram başına enerji depoları. Aynı on yıldaki yüzde 89'luk fiyat düşüşü, kısmen daha tutumlu malzeme kullanımından kaynaklanıyor. Bu on yılda daha büyük kazanımlar bekleniyor; birçok örnekten biri olarak, silikon anotlar lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu yüzde 20 artırdığı söyleniyor. RMI değerlendirilirler lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu toplu olarak ikiye katlayan teknolojilerin 2025 yılına kadar üretime girebileceği. Tesla'nın 2020 Pil Günü sunum 2022'de seri üretime yönelik büyük iyileştirmelerin ölçeklendirildiğini duyurdu. Bu nedenle, eski enerji yoğunluklarına dayalı tahminler, gerekli madenciliği büyük ölçüde abartıyor.

2. Daha Uzun Ömür, Sonra “Reenkarne Olmak”

Tasarımlar, malzemeler, üretim ve kullanım geliştikçe piller de daha uzun ömürlü olur. Yalnızca yeni bir şarj profili ters yaşamı azaltan lityum göçü. Milyon kilometrelik piller ortaya çıkıyor, bu yüzden bunların ömrü yakında modeminizin hızı kadar önemsiz bir sorun haline gelebilir. Piller ne kadar uzun süre dayanırsa, malzemeleri de o kadar fazla araç kilometresini destekleyebilir.

Bir EV sonuçta kullanımdan kaldırıldığında (veya arızalandığında), pil takımı, bir aracı hareket ettirerek değil, küresel olarak yenilenebilir enerjiye geçişi destekleyerek (böylece fosil yakıt madenciliği azaltılarak) büyük değer sağlamaya devam eden değerli sabit depolamaya "reenkarne edilebilir". ve emisyonlar). Böylece Hareketlilik Evi (Zürih), çeşitli Avrupa ülkelerindeki elektrik şebekesine sabit veya park edilmiş EV batarya paketlerinden ~1000 potansiyel hizmetin ~13'ünü satarak EV batarya paketi başına yılda ~21 € kazanıyor. (Örneğin, 2018 yılında firma, Almanya'nın şebekeye frekans stabilizasyon hizmetleri satabilen ilk tekerlekli enerji santrali olarak bir EV'ye lisans verdi.)

Zamanın yaklaşık yüzde 95'ini park eden ve genellikle esnek zamanlarda şarj edilebilen dünya çapındaki elektrikli araçlardaki devasa depolama ve diğer yeteneklerin koordine edilmesi, güneş fotovoltaikleri ve rüzgar enerjisi gibi değişken yenilenebilir enerji kaynaklarında hızlı büyümenin önemli ve kazançlı bir kolaylaştırıcısı olarak ortaya çıkıyor. Şebeke ölçeğinde ve sayaç arkası depolama yalnızca birbirleriyle değil, aynı zamanda şebekeye entegre, EV tabanlı elektrik depolamayla da rekabet edecek. Bu ve sekiz diğer karbonsuz şebeke esnekliği kaynakları, şebeke ölçekli pillerin faydalı olduğu ancak şebekeyi korumak için gerekli olmadığı anlamına gelir güvenilir yenilenebilir hale geldikçe (başka bir konuşma). Bu nedenle EV'ler ve şebekeler için piller katkı gereksinimler ama Tamamlayıcı, paylaşılan ve sıklıkla birbirini takip eden Aynı malzemelerin kullanılması toplam madencilik ihtiyaçlarını azaltır.

3. Pillerin Geri Dönüşümü

Geri dönüştürülmüş lityum pil hücreleri, ilgili doğal cevherlerden yaklaşık 17 kat daha zengin nikel, 4-5 lityum ve 10 kat kobalt kaynağıdır. Geri dönüşüm kaynağı olan “madencilik” şimdiden iyiye gidiyor devam. Geçenlerde Tesla'nın kurucu ortağı JB Straubel'in Redwood Materials'ını ziyaret ettim. bitki Carson City, Nevada'da — önde gelen ABD akü geri dönüşüm şirketi ve yeni ortaya çıkan bir dünya lideri. Tesis, günde birkaç kamyon dolusu çok çeşitli pilleri (her türden, şekilde, boyutta ve kullanımda) geri dönüştürüyor ve bunları genellikle müşterilerden alan büyük perakendecilerden topluyor. Tesis, tüm bu pilleri genellikle yüzde 90'ın üzerinde verimlilikle, doğrudan yeni pillere dönüştürülen saf malzemelere dönüştürüyor.

Aslında Redwood Materials, lityum, nikel, kobalt, bakır ve grafit üreten, zararsız, çevreyi kirletmeyen, neredeyse sıfır emisyonlu bir “maden”dir ve daha fazla ürün de gelecektir. Mükemmel tasarımı sayesinde atık üretmez, yalnızca değer üretir. Şimdilik, elektrolitler ve kendi kendine devam eden reaksiyonlarla desteklenen birkaç günlük sürekli işlemeyi başlatmak için biraz doğal gaz kullanıyor. Gelecekteki süreçler bu gazı da sıkarak katı karbonu yakalayacak.

20,000'de yıllık 2021 girdi tonunun beklenmesiyle kapasite hızla artarken bile işleme, nakit akışı temelinde para kazandırıyor. Mayıs 2021'e kadar bile tesis, her yıl 45,000 EV paketi oluşturmaya yetecek kadar pil malzemesini geri kazanabilir. Firmanın Temmuz 0.7'deki 2021 milyar dolarlık sermaye artışına aşırı talep geldi. 14 Eylül 2021'de Redwood Materials duyurdu ağladım Bir fabrikanın, artan oranda geri dönüştürülmüş malzemelerden gelişmiş akü elektrotları üretmesi bekleniyor; bu, 2025'e kadar yılda yaklaşık bir milyon EV'ye yetecek ve 2030'a kadar bu rakamın beş katına çıkacağı anlamına geliyor. Bir hafta sonra Ford, Kuzey Amerika'da kapalı devre bir akü tedarik zinciri geliştirmek üzere kapsamlı bir ittifak kurduğunu duyurdu. .

Redwood Materials için önemli bir geri dönüştürülebilir pil kaynağı, JB'nin tasarımlarından bir diğeri olan, arabayla yarım saat uzaklıktaki Tesla Gigafactory'dir. Günde iki kamyon dolusu hatalı çıktı ve hurda gönderiyor ve daha fazla pil üretmek için geri dönüştürülmüş malzemeleri geri alıyor. İki bitki liken gibi simbiyotiktir. Dünyanın dört bir yanındaki diğer büyük pil fabrikaları da organik olarak benzer döngü kapatıcı ortaklar kazanacak. Çok daha büyük ama daha sonra (otomobiller için genellikle en az on yıl sonra) malzemelerin geri kazanımı satılan ve kullanılan pillerden sağlanacak.

Daha verimli EV'lerde kullanılan daha fazla enerji yoğun piller, artan EV pazar payı ile rekabet ederken, bu tür geri dönüşüm operasyonları halihazırda küresel EV filosu için ihtiyaç duyulan malzemelerin onda birini sağlayabiliyor. Zaman içinde, geri dönüşüm sonuçta kararlı duruma ulaşacak şekilde ölçeklenebilir. ortadan Gecikmeli toparlanmanın birkaç on yıl boyunca küresel elektrikli araç büyümesini doyurması ile birlikte, (çok kabaca) 10 TWh/yıl mertebesinde çok büyük bir endüstri kapasitesiyle daha fazla madencilik yapılması. Bu döngü kapanması EV'lerin toplam CO'sunu yaklaşık yarı yarıya azaltabilir₂ emisyonlar. Benzer prensiplere dayanarak Apple, 2030 yılına kadar madencilik gerektirmeyen iPhone'lar üretmeyi hedefliyor.

Halihazırda pazar doygunluğuna ulaşan bir pil sistemiyle ilgili benzer bir kavram kanıtı, dünyadaki pillerin yaklaşık üçte ikisinin nörotoksik kurşun ve pil kurşununun yüzde 99'u halihazırda geri dönüştürülmüş durumda (yaklaşık yarısı düzgün, yarısı gayri resmi olarak) ve tehlikeli): ABD'nin hemen hemen her eyaletinde, eskisini teslim etmeden kurşun-asitli bir otomotiv aküsü satın alamazsınız, dolayısıyla bu döngü neredeyse neredeyse kapalıdır ve kurşun artık nadiren çıkarılmaktadır. Artık Redwood Materials ve rakipleri, ABD'deki evlerin eski dizüstü bilgisayarlarında, cep telefonlarında vb. kullanılmadan duran kabaca bir milyar kullanılmış pili - metalleri genellikle kurşundan daha değerli ve çoğunlukla kobalt açısından zengin olan pilleri "çıkarmayı" hedefliyor.

Pillerin bileşimleri değiştikçe, geri dönüştürülmüş akışlar doğrudan aynı pil kapasitesine dönüşmez. Bu nedenle, akıllı telefon pilleri genellikle yüksek kobalt içeriğine sahipken, otomotiv pil üreticileri kobalt içeriğini hızla azaltıyor, bu nedenle akıllı telefon pillerinin EV pillerine geri dönüştürülmesi, gram kobalt başına ~30 kat daha fazla pil kapasitesi sağlıyor. Dolayısıyla bir EV pil paketi yapmak için lityum için 10,000 akıllı telefon pili gerekirken kobalt için yalnızca ~300 pil gerekiyor. Tesla, diğerlerinin yanı sıra şunları yapmayı planlıyor: gidermek pilleri kobalt kullanıyor ancak hâlâ kobalta ihtiyaç duyan üreticiler bunu Kongolu çocuk madencilerden değil, eski akıllı telefonlardan alabilecek.

4. Yeni Pil Kimyaları

Birçok firma yeni elektrolitler geliştirmiştir (örn. İyonik Malzemeler'katı polimer) şarj edilebilir alkalinler gibi kimyalara izin verir. Manganez-çinko veya manganez-alüminyum gibi bu tür kimyaların az bulunan, maliyetli, toksik veya yanıcı malzemelere ihtiyacı yoktur. Böylece lityumun yerini alabilirler ve nikel ve kobalt, lityum iyon pil üreticilerini dezavantajlı hale getiriyor (özellikle Çin'de). Lityum-iyon pil değer zinciri, Hindistan'ın ulusal pilinin "kilitlenmenin" bazı yönlerini gösterirken misyonumuz vurgulamaktadır yeni kimya (Hindistan manganez ve çinko bakımından da zengindir) ve başka yerlerdeki diğer çabalar gibi, pil kimyalarını çeşitlendirebilecek belirgin avantajlar sunabilir. Demir ve alüminyum gibi bazı pil metalleri yer kabuğunda en bol bulunan elementler arasındadır. Yeni elektrolitler de olabilir etkinleştirmek havacılık için bile uygun, güvenli lityum iyon ve lityum kükürt piller.

5. Verimli Araçlar

Neredeyse tüm analistlerin gözden kaçırdığı önemli bir değişken, elektrikli olan aracın verimliliğidir. Kütle, aerodinamik sürükleme ve yuvarlanma direncindeki avantajlı azalmalar (elektrikli aktarma organlarının verimliliği yerine aracın fiziğindeki iyileştirmeler), aynı sürüş menzili için gerekli akü kapasitesini 2-3' oranında azaltabilir. BMW'nin 2013–22'si i3, örneğin, ultra hafif karbon fiber gövdesinin bedelini, daha az kütleyi taşımak için daha az pile ihtiyaç duyarak ve daha basit üretimle (normal yatırımın ve suyun üçte biri ve normal enerjinin, alanın ve zamanın yarısıyla) ödedi. Araç başına öngörülen akü kapasitesi bu nedenle sabit bir sayı değildir ancak platform verimliliğine göre parametrelendirilmelidir. Bu sayılmayan değişkenin potansiyel aralığı nedir? Eylül 2021'de 2-3′ ve bu yılın sonlarında birkaç kat daha fazla!

Bunun nedeni, 2'de pazara girecek yeni nesil araçların yaklaşık ~4-2022′ verimlilik artışı göstermesi ve bu araçların sadece üst yüzeylerindeki güneş pilleriyle normal bir işe gidip gelme döngüsünü çalıştırabilecek kadar verimli olmalarıdır. (Açıklama: Bu tür iki firmaya tavsiyelerde bulunuyorum - aptera.us iki koltuklu 343 mpge'de ve lightyear.one 251 mpge ile beş.) Her iki tasarım da daha da geliştirilebilir. Bu tür araçların orantılı olarak daha küçük akülere ve daha az şarj altyapısına ihtiyacı vardır veya hiç yoktur. Yuvarlak sayılarla bakıldığında, örneğin bir Tesla'dan 2-3' daha verimlidirler Model 3Piyasadaki en verimli EV'lerden biri. Bu verimlilik kazanımları birlikte, pilleri maksimuma kadar kullanabilir. büyüklük sırası (kabaca on kat) şu anda piyasada bulunan pek çok EV'den daha verimlidir ve pil ihtiyaçlarını da buna uygun olarak azaltabilir, üstelik tamamı tavizsiz güvenlik ve çekici sürücü özellikleriyle birlikte sunulur. Aptera Asla Şarj Etme niş bir araç, ancak Hollandalı Lightyear firması ana akım. Her ikisi de önemlidir ve daha fazlası da olacaktır.

6. Verimli Hareketlilik

Aracın sistem sınırlarının ötesinde, araçların daha verimli kullanımı, yeni hareketlilik iş modelleri, sanal hareketlilik (elektron göndermek, ağır çekirdekleri evde bırakmak) ve daha az sürüşle daha iyi erişim sağlamaya yönelik daha iyi kentsel tasarım ve kamu politikası bunların hepsi olabilir. otomobillere ve sürüşe yönelik gelecekteki ihtiyaçları önemli ölçüde etkileyecektir. Örneğin Sam Deutsch raporları "Atlanta ve Barselona'nın benzer sayıda insanı ve hızlı toplu taşıma uzunluğu var, ancak Barselona'nın karbon emisyonları yüzde 83 daha düşük ve toplu taşıma yolcu sayısı yüzde 565 daha yüksek."

2017 yılım olarak analiz Nadir toprak elementleri için bulundu ve aynı şey artık pil mineralleri için de geçerli.

… hem motorlarda hem de pillerde en etkili alternatif, motor veya pil yapımında kullanılan başka bir egzotik malzeme değildir; motorları daha küçük ve pilleri daha az hale getiren daha akıllı araba tasarımıdır. Veya daha da iyisi, aynı anda daha fazla insanı çok daha az arabayla daha fazla kilometreye taşıyan yeni iş modelleri (Zipcar ve GetAround gibi paylaşılabilir hizmetler, Lyft ve Uber gibi hizmet olarak mobilite operasyonları veya otonom araçlar) olabilir. şaşırtıcı derecede düşük maliyetSonuçta dünya çapında (net bugünkü değerde) 10 trilyon dolar civarında tasarruf sağlanıyor.

Bu seçenekler, kaçınılması muhtemel araçlar arasında geniş bir yelpazeyi kapsıyor, ancak halihazırda bazı kentsel merkezlerde araç çağırma hizmetleri, kullandıkları araç sayısının birkaç katı kadarının yerini alıyor. Özel ABD arabalarının ortalama yüzde ~4-5 oranında kullanıldığı göz önüne alındığında, potansiyel açıkça çok daha büyüktür. Bunu diğer fırsatlarla birleştirin (çok çeşitli zaman ölçekleri ve olasılıklarla) — ~2´ pil enerji yoğunluğunda kısa vadeli kazançlar, pil ömründe birkaç kat artış, ~2–8⁺Araç verimliliğinde azalma ve batarya kimyasındaki kıt malzemelerin potansiyel olarak tamamen yer değiştirmesi ve mayınlı batarya malzemelerine yönelik yüksek talep tahminleri son derece belirsiz görünüyor ve büyük faktörlerden dolayı potansiyel olarak yanlış görünüyor.

Sonuç

Endişe verici pil malzemelerini korumak için arzını artırmaktan çok daha fazla yolumuz var, ancak bu talep yönlü fırsatlar büyük ölçüde göz ardı ediliyor. Rekabet etmek veya karşılaştırmak herşey Seçenekler - arz genişlemeleri kadar talep kaldıraçlarını da vurgulayan ve bunları karşılaştıran veya rekabet eden tüm sistem perspektifinde - daha iyi seçimler, eylemler ve etkiler sağlayacak ve varlık balonlarından, aşırı arzdan, gereksiz müdahalelerden ve gereksiz risklerden kaçınmaya yardımcı olacaktır. . Bu nedenle pil malzemeleri veya diğer kıt olduğu varsayılan kaynaklarla ilgili tartışmalarda, yalnızca basit talep tahminleri veya endişe verici madenler değil, uçtan uca, doğrusaldan döngüye ve tamamen inovasyonla, ekonomiyle ve teknolojiyle iç içe olan tüm sistem dikkate alınmalıdır. ticaret.

Fizikçi Amory B.Lovins RMI'nın Kurucu Ortağı ve Onursal Başkanıdır ve Stanford Üniversitesi'nde İnşaat ve Çevre Mühendisliği alanında Yardımcı Profesördür.

© 2021 Rocky Mountain Enstitüsü. İzin alınarak yayınlanmıştır. Orijinal olarak yayınlandı RMI Çıkışı.

 

CleanTechnica'nın özgünlüğünü takdir etmek ister misiniz? Bir CleanTechnica Üyesi, Destekleyen, Teknisyen veya Büyükelçi - veya bir patron Patreon.

 

 

---

reklâm  

---

---

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