6 рішень проблем з мінеральними ресурсами акумулятора

Перевидано Платоном

читають: 0

Потік нещодавніх статей, спонтанних чи скоординованих, спрямований на дискредитацію відновлюваних джерел енергії, електромобілів та інших елементів зміни клімату до енергозбереження. Критика варіюється від надійності мережі до землекористування, від економії до справедливості. Серед найбільш поширених і суперечливих тверджень є те, що знайти достатню кількість мінералів, щоб виготовити всі батареї, які знадобляться глобальному парку електромобілів (EV), надзвичайно руйнівно, якщо не неможливо. Ці занепокоєння корисними копалинами справді не тривіальні, але часто перебільшені. Тут я опишу, як вони можуть стати керованими, якщо ми включимо рішення, які часто забувають.

Матеріали для акумуляторів, такі як літій, нікель і кобальт, є окремим випадком ширшої динаміки. Коли очікується, що видобутий матеріал стане дефіцитним, його ціна зростає. Цей сигнал спонукає до більш ефективного використання, переробки, заміни, дослідження, інновацій та інших реакцій ринку, як я описав для рідкісні землі. (Ілюструючи тезу заміни цієї статті, нітрид заліза Супермагніти, про які чотири роки тому згадувалося як про експериментальні амбіції, тепер дійшли до ринок; вони не містять рідкоземельних елементів і теоретично можуть стати вдвічі сильнішими за найкращі рідкоземельні магніти.)

Дефіцит корисних копалин може бути реальним або розрекламованим — наприклад, щоб зменшити конкуренцію електромобілів з нафтою або підняти ціни на сировинні товари чи акції гірничодобувної промисловості для спекулянтів. Деякі корисні копалини можуть викликати законне занепокоєння, окрім дефіциту, наприклад, дитяча праця, корупція та інші зловживання під час кустарного видобутку кобальту; невиправдана залежність від китайських руд і переробних заводів; або використання води та екологічну шкоду від видобутку.

Для справжнього занепокоєння також може знадобитися контекст — наприклад, нещодавнє зауваження, достовірність якого залежить від багатьох припущень, про те, що для вирощування каліфорнійського мигдалю потрібно в шість разів більше води на фунт, ніж для видобутку літію в пустелі. Мигдалем також можна насолоджуватися лише один раз, але після екстрагування літій може продовжувати приносити користь більш-менш постійно. І, звісно, електромобілі, що працюють на відновлюваних джерелах енергії, витісняють транспортні засоби, що працюють на нафтопродуктах, які значно шкодять землі, повітрю, здоров’ю та клімату.

Незважаючи на те, що видобуток корисних копалин для батареї викликає серйозні занепокоєння, існує також багато потужних і мультиплікативних рішень, які звичайні прогнози часто недооцінюють або ігнорують, перебільшуючи майбутні потреби в видобутку. Давайте тепер дослідимо шість послідовних і мультиплікативних частин простору рішень.

1. Зберігайте більше енергії на кілограм

Удосконалення складу, виробництва, дизайну, елементів керування та підзарядки акумуляторів може зберігати набагато більше енергії на одиницю матеріалів. З 2010 року літій-іонні акумулятори є майже втричі їх зберігання енергії на кілограм. Падіння ціни на 89 відсотків за те саме десятиліття частково пояснюється більш економним використанням матеріалів. У цьому десятилітті очікуються подальші значні досягнення; як один із багатьох прикладів, кремнієві аноди кажуть, що підвищують щільність енергії літій-іонних батарей на 20 відсотків. RMI оцінює що технології, які разом подвоюють щільність енергії літій-іонних акумуляторів, можуть почати виробництво до 2025 року. Tesla Battery Day 2020 Presentation оголосив про серйозні вдосконалення, які зараз розширюються для масового виробництва у 2022 році. Таким чином, прогнози, засновані на старих показниках щільності енергії, значно перевищують необхідний майнінг.

2. Тривати довше, а потім бути «перевтіленим»

Батареї також працюють довше, оскільки вдосконалюються дизайн, матеріали, виробництво та використання. Просто новий профіль зарядки може зворотний міграція літію, що зменшує життя. З’являються батареї на мільйони миль, тому термін їх служби незабаром може стати таким же неважливим питанням, як швидкість вашого модему. Чим довше працюють батареї, тим більше транспортних кілометрів можуть витримати їхні матеріали.

Коли електромобіль остаточно виходить з експлуатації (або виходить з ладу), його акумуляторну батарею можна «реінкарнувати» в цінне стаціонарне сховище, яке продовжує забезпечувати велику цінність не шляхом переміщення транспортного засобу, а завдяки підтримці глобального переходу до відновлюваних джерел енергії (отже, зменшення видобутку викопного палива). і викиди). Таким чином Будинок мобільності (Цюріх) вже заробляє ~1000 євро на акумуляторну батарею електромобіля на рік, продаючи ~13 з 21 потенційних послуг від стаціонарних або припаркованих батарейних блоків електромобілів до електромережі в кількох європейських країнах. (Наприклад, у 2018 році фірма ліцензувала EV як першу в Німеччині електростанцію на колесах, здатну продавати послуги стабілізації частоти в мережу.)

Координація величезних накопичувачів та інших можливостей електромобілів у світі, які ~95 відсотків часу стоять на стоянці та часто перезаряджаються у змінний час, стає головним і прибутковим фактором швидкого зростання змінних відновлюваних джерел енергії — сонячної фотоелектричної та вітрової енергії. Утилітарне сховище та сховище поза лічильником конкуруватимуть не лише одне з одним, але й з інтегрованим у мережу накопичувачем електроенергії на основі EV. Те і вісім інші види безвуглецевих ресурсів гнучкості мережі означають, що батареї комунального масштабу корисні, але не є необхідними для підтримки мережі надійний коли він стає поновлюваним (інший розмова). Таким чином, батареї для електромобілів і електромереж не є такими добавка вимоги але взаємодоповнюючі, спільні та часто послідовні використання тих самих матеріалів, що зменшує загальні потреби в видобутку.

3. Переробка батарей

Перероблені елементи літієвої батареї є приблизно в 17 разів багатшими джерелами нікелю, у 4–5 разів літію та 10 разів кобальту, ніж відповідні природні руди. «Видобуток» цього переробного ресурсу вже стає добре на ходу. Нещодавно я відвідав компанію Redwood Materials співзасновника Tesla Дж. Б. Страубеля завод у Карсон-Сіті, штат Невада — провідному виробнику акумуляторних батарей у США та світовому лідеру. Завод переробляє кілька напіввантажівок на день надзвичайно різноманітних батарей — усіх видів, форм, розмірів і цілей, часто збираючи їх у великих роздрібних продавців, які отримують їх від клієнтів. Завод перетворює всі ці батареї, зазвичай із ефективністю понад 90 відсотків, у чисті матеріали, які повертаються в нові батареї.

По суті, Redwood Materials — це безпечна, екологічно чиста «шахта» з майже нульовими викидами, яка виробляє літій, нікель, кобальт, мідь і графіт, а також буде більше продуктів. Завдяки блискучому дизайну він не створює відходів — лише цінність. Наразі він використовує невелику кількість природного газу, щоб розпочати кількаденну безперервну обробку, що підживлюється електролітами та самопідтримуваними реакціями. Майбутні процеси також вичавлять цей газ і захоплять твердий вуглець.

Переробка вже приносить гроші на основі грошових потоків, навіть якщо потужність швидко зростає, у 20,000 році очікується 2021 2021 тонн сировини на рік. Навіть до травня 45,000 року завод зможе відновлювати достатньо акумуляторних матеріалів щороку для створення 0.7 2021 блоків електромобілів. Збільшення капіталу компанії на 14 мільярда доларів США в липні 2021 року було перевищено. XNUMX вересня XNUMX року Redwood Materials оголосила плани для фабрики, яка вироблятиме передові електроди акумуляторів, дедалі частіше з перероблених матеріалів — цього вистачить приблизно для мільйона електромобілів на рік до 2025 року, а потім уп’ятеро до 2030 року. Тижнем пізніше Ford оголосив про великий альянс для розробки північноамериканського ланцюга постачання акумуляторів із замкнутим циклом. .

Основним джерелом перероблених акумуляторів для Redwood Materials є Гігафабрика Tesla, розташована за півгодини їзди звідси — ще один із проектів JB. Він надсилає дві вантажівки на день з бракованою продукцією та брухтом і приймає назад перероблені матеріали, щоб виробляти більше батарей. Дві рослини симбіотичні, як лишайник. Інші великі заводи з виробництва акумуляторів, що розвиваються по всьому світу, органічно отримають подібних партнерів, які замикають цикл. Набагато більший, але пізніше (для автомобілів, часто принаймні через десятиліття) відновлення матеріалів відбуватиметься з проданих і використаних акумуляторів.

Оскільки батареї з більшою енергоємністю, які використовуються в більш ефективних електромобілях, конкурують із зростаючою часткою ринку електромобілів, такі операції з переробки вже можуть забезпечити близько десятої частини матеріалів, необхідних для глобального парку електромобілів. З часом переробка може зрештою збільшитися, щоб досягти стабільного стану, усуваючи подальший видобуток, при дуже великій промисловій потужності порядку (дуже приблизно) 10 ТВт-год/рік — оскільки запізніле відновлення наздоганяє насичене глобальне зростання EV протягом кількох десятиліть. Це замикання циклу може приблизно вдвічі скоротити загальний викид COXNUMX електромобілів₂ викиди. На подібних принципах Apple прагне до 2030 року створити iPhone, які не потребуватимуть майнінгу.

Подібним доказом концепції в акумуляторній системі, яка вже досягла насичення ринку, є те, що приблизно дві третини світового нейротоксичний свинець і 99 відсотків свинцю акумулятора вже переробляється (приблизно половина правильно, половина неофіційно та небезпечно): майже в кожному штаті США ви не можете придбати свинцево-кислотну автомобільну батарею, не здавши свою стару, тож цей цикл уже майже закритий, а свинець зараз видобувається рідко. Тепер компанія Redwood Materials та її конкуренти мають на меті «видобути» приблизно мільярд використаних батарей, які не використовуються в старих ноутбуках, мобільних телефонах тощо в будинках США — батарей, метали яких зазвичай цінніші за свинець і часто багаті кобальтом.

Оскільки склад акумуляторів змінюється, перероблені потоки не перетворюються безпосередньо на ідентичну ємність акумулятора. Таким чином, батареї смартфонів, як правило, мають високий вміст кобальту, тоді як виробники автомобільних акумуляторів швидко зменшують вміст кобальту, тому переробка батарей смартфонів у батареї електромобілів збільшує ємність батареї приблизно на 30³ на грам кобальту. Таким чином, для виготовлення акумуляторної батареї електромобіля потрібно близько 10,000 300 літієвих акумуляторів смартфона, але лише ~XNUMX для кобальтових. Tesla, серед іншого, планує усунутий його батареї використовують кобальт, але виробники, яким все ще потрібен кобальт, зможуть отримати його зі старих смартфонів, а не з конголезьких дітей-майнерів.

4. Нові хімічні речовини акумуляторів

Кілька фірм продемонстрували нові електроліти (наприклад Іонні матеріалитвердий полімер), які допускають хімічні речовини, наприклад луги, що перезаряджаються. Такі хімікати, як марганець-цинк або марганець-алюміній, не потребують матеріалів, які є дефіцитними, дорогими, токсичними чи легкозаймистими. Таким чином вони могли витіснити літій та нікель та кобальту, що ставить у невигідне становище виробників літій-іонних акумуляторів (зокрема в Китаї). Хоча цей ланцюжок створення вартості літій-іонних акумуляторів демонструє деякі аспекти «прив’язки», національна батарея Індії місія підкреслює new хімії (Індія також багата на марганець і цинк), і, як і інші зусилля в інших країнах, може запропонувати відмінні переваги, які могли б урізноманітнити хімічний склад батарей. Деякі метали акумуляторів, як-от залізо та алюміній, є одними з найпоширеніших елементів у земній корі. Нові електроліти також можуть включіть безпечні літій-іонні та літій-сірчані акумулятори, придатні навіть для авіації.

5. Ефективні транспортні засоби

Майже всі аналітики не звертають уваги на головну змінну величину – ефективність електрифікованого транспортного засобу. Переважне зменшення маси, аеродинамічного опору та опору коченню — покращення фізики автомобіля, а не ефективності його електричної трансмісії — може зменшити необхідну ємність акумулятора для того самого діапазону руху на 2–3´. BMW 2013–22 рр i3, наприклад, заплатив за свій надлегкий корпус із вуглецевого волокна потребою в меншій кількості акумуляторів для переміщення меншої маси та простішим виробництвом (з однією третиною звичайних інвестицій і води та половиною звичайної енергії, простору та часу). Таким чином, прогнозована ємність батареї на транспортний засіб не є фіксованим числом, але її слід параметризувати відповідно до ефективності платформи. Який потенційний діапазон цієї неврахованої змінної? У вересні 2021 року 2–3′ — а пізніше цього року ще в кілька разів!

Це пов’язано з тим, що додатковий приріст ефективності приблизно на 2–4′ демонструє нове покоління транспортних засобів, які вийдуть на ринок у 2022 році та настільки ефективні, що можуть забезпечити звичайний цикл поїздок лише завдяки сонячним батареям на їхній верхній поверхні. (Розкриття інформації: я консультую дві такі фірми — aptera.us у 343 mpge з двома місцями, та lightyear.one на 251 mpge з п'ятьма.) Обидві конструкції можна покращити далі. Таким транспортним засобам потрібні пропорційно менші батареї та менше інфраструктури підзарядки або взагалі її немає. У круглих цифрах вони на 2–3 рази ефективніші, ніж, скажімо, Tesla Модель 3, один із найефективніших електромобілів на ринку. Разом ці підвищення ефективності можуть використовувати батареї до порядку величини (приблизно в десять разів) ефективніше, ніж багато електромобілів, які зараз представлені на ринку, і може відповідно зменшити потребу в акумуляторі, і все це завдяки безкомпромісній безпеці та привабливим характеристикам водія. Aptera NeverCharge є нішевим транспортним засобом, але голландська фірма Lightyear’s є основною. Обидва важливі, і їх буде більше.

6. Ефективна мобільність

За межами системи самого транспортного засобу, більш продуктивне використання транспортних засобів, нові бізнес-моделі мобільності, віртуальна мобільність (надсилайте електрони, залишайте важкі ядра вдома), а також кращий міський дизайн і державна політика, щоб забезпечити кращий доступ з меншою кількістю автомобілів, можуть все різко вплине на майбутні потреби в автомобілях і водінні. Наприклад, Сем Дойч звіти що «в Атланті та Барселоні однакова кількість людей і довжина швидкого транспорту, але викиди вуглекислого газу в Барселоні нижчі на 83 відсотки, а кількість пасажирів громадського транспорту на 565 відсотків вища».

Як мій 2017 рік аналіз виявлено для рідкісноземельних елементів, і те саме тепер вірно для мінералів акумуляторів,

…найефективніший замінник…як у двигунах, так і в акумуляторах, це не ще один екзотичний матеріал для виготовлення двигунів чи акумуляторів; завдяки розумнішому дизайну автомобіля двигуни менші, а акумулятори менше. Або, що ще краще, це можуть бути нові бізнес-моделі — спільні послуги, як-от Zipcar і GetAround, операції мобільності як послуги, як-от Lyft і Uber, або автономні транспортні засоби, — які перевозять більше людей більше миль на набагато меншій кількості автомобілів. неймовірно нижча вартість, що зрештою заощадить близько 10 трильйонів доларів у всьому світі (у чистій теперішній вартості).

Ці варіанти охоплюють широкий спектр транспортних засобів, які потенційно можуть уникати, але вже в деяких містах послуги транспортних служб витісняють у кілька разів більше транспортних засобів, ніж вони використовують. З приблизно 4–5 відсотками середнього використання приватних автомобілів у США потенціал явно набагато більший. Поєднайте це з іншими можливостями (із дуже різноманітними часовими масштабами та ймовірностями) — ~2´ короткострокове збільшення щільності енергії батареї, кількакратне збільшення терміну служби батареї, ~2–8⁺´ ефективності транспортних засобів і потенційно повного витіснення дефіцитних матеріалів у хімії акумуляторів — і високий прогноз щодо попиту на видобуті акумуляторні матеріали виглядає дуже невизначеним і потенційно помилковим через значні фактори.

Висновок

У нас є навіть більше способів заощадити акумуляторні матеріали, що викликають занепокоєння, ніж збільшити їх пропозицію, але ці можливості з боку попиту широко ігноруються. Змагання або порівняння всі варіанти — у загальносистемній перспективі, яка наголошує на важелі попиту так само, як і на розширенні пропозиції, і порівнює або конкурує з ними — дасть кращий вибір, дії та вплив, а також допоможе уникнути бульбашок активів, надмірної пропозиції, непотрібних втручань і непотрібних ризиків . Ось чому обговорення акумуляторних матеріалів або будь-якого іншого нібито дефіцитного ресурсу має розглядати не лише спрощені прогнози попиту чи тривожні шахти, але й усю систему — наскрізну, лінійну до кругової та повністю залучену до інновацій, економіки та торгівля.

Фізик Еморі Б. Ловінс є співзасновником і почесним головою RMI та ад’юнкт-професором цивільної та екологічної інженерії в Стенфордському університеті.

Цінуєте оригінальність CleanTechnica? Подумайте про те, щоб стати Член, прихильник, технік або посол CleanTechnica - або покровитель на Patreon.