Jak dlouho vydrží baterie do elektromobilu? Co se děje při likvidaci a recyklaci?“

Publikováno v roce 2020, 9. března

Jaká je životnost baterie do elektromobilu? Jak dlouho vydrží baterie elektromobilu? Co se děje s lithium-iontovou baterií na konci jejího životního cyklu? Jak probíhá její likvidace? Nebo se recykluje?

Doprava má velmi významný vliv (14 % podle IPCC) na celkové množství emisí skleníkových plynů, které lidé vypouštějí do atmosféry. Negativní účinky rostoucí míry znečištění ovzduší, zejména v městských oblastech, jsou stále více studovány a diskutovány. A je naléhavě nutné dosáhnout v celosvětovém měřítku nulových čistých emisí do roku 2050, aby se globální teplota udržela pod 2 °C.

Elektromobily jsou velmi důležitým řešením výše uvedených problémů. Od doby, kdy bylo zjištěno, že elektromobilita je ekologičtějším a ekologičtějším řešením ve srovnání s tepelnými vozidly, poptávka po nich roste.

Podle scénáře EV30@30 Mezinárodní energetické agentury by prodej elektromobilů (EV) mohl dosáhnout 43 milionů kusů a počet zásob větší než 250 milionů. Nezapomínejme však na často opomíjenou stránku tzv. bezemisních vozidel: jejich baterie.

The Impact Of Electric Car Batteries:

Jedna z hlavních kritik elektromobilů a elektromobilů obecně se týká jejich baterií. Tyto lithium-iontové baterie (LIB) jsou velmi podobné zvětšené verzi baterie chytrého telefonu. Jenže elektromobily nepoužívají jednu baterii jako telefon. Místo toho používají sadu složenou z tisíců jednotlivých lithium-iontových článků, které spolupracují. Ať už v malém nebo velkém měřítku, tyto baterie mají v celém svém životním cyklu významné environmentální a sociální dopady.

Nejdříve: těžba nerostů vzácných zemin pro baterie elektromobilů. Uvážíme-li například dva hlavní způsoby primární výroby, „k výrobě jedné tuny lithia je zapotřebí 250 tun minerální rudy spodumenu při těžbě nebo 750 tun solanky bohaté na minerály“. Přesně tak.

Ve skutečnosti je podle stejného zdroje (Harper et. al. 2019) potřeba vody na zpracování takto vyrobeného lithia velmi vysoká: na vytěžení jedné tuny lithia je potřeba 1 900 tun vody, která se spotřebuje na odpařování. Stále v této otázce platí, že chilští zemědělci musí často dovážet vodu z jiných regionů – v Chile jsou totiž aktivní oblasti s intenzivní těžbou. I přes vysoké náklady na ochranu životního prostředí nepředstavují zásoby lithia z hlediska velikosti hrozbu. Mohou jím však být zásoby kobaltu.

Zásoby kobaltu, jehož poptávka po výrobě baterií by mohla do roku 2050 spotřebovat asi 14 % současných zásob kobaltu, jsou vysoce koncentrovány v Demokratické republice Kongo – často nestabilním politickém regionu. Jestliže tedy jednou z výhod elektromobilů je, že snižují závislost na dovozu ropy ze zahraničí, může být problémem i kolísání cen kobaltu. Navíc mohou vyvstat i etické otázky spojené s řemeslnými doly, v nichž je zaměstnávána dětská práce.

• Související:
  • Jsou elektromobily skutečně ekologičtější?

Jak dlouho vydrží baterie elektromobilů? Jsou recyklovány?“

Výše uvedené dopady pomáhají vysvětlit, proč je označení nulové emise často považováno za nespravedlivé a může být zavádějící. Protože i když elektromobily nevypouštějí na silnici žádné emise, baterie v nich mají svůj podíl na dopadech. Také automobily poháněné elektrickými sítěmi, které jsou poháněny převážně fosilními palivy, nemusí na cestách vypouštět emise, ale k emisím přesto došlo v nějaké vzdálené elektrárně.

Pokud pomineme nicneříkající názvy, životnost lithium-iontových baterií se odhaduje na 15-20 let. Co se stane po desítkách stovek nabíjecích a vybíjecích cyklů, když je baterie pro jízdu příliš opotřebovaná? Co se stane s 250 000 tunami odpadu, který vznikne z 1 milionu elektromobilů prodaných v roce 2017 – ptají se vědci z Birminghamské univerzity a nyní i čtenář.

Gaines, výzkumník z Argonne National Laboratory, navrhuje, že většina baterií se buď pošle na skládky, nebo se uskladní a skladuje – obě řešení jsou velmi kritizovaná. Zatímco první může kontaminovat okolní půdu a spodní vody; druhé je kritizováno, protože v místech skladování odpadu došlo k požárům způsobeným lithium-iontovými bateriemi (zasílanými jako olověné akumulátory). Pro baterie elektromobilů se však nacházejí nová a zajímavá východiska.

• Související:
  • Vodíková auta vs. elektromobily:

Žádoucí životní cyklus baterií pro elektromobily

Výzkumníci z Birminghamské univerzity tvrdí, že čistý dopad výroby lithium-iontových baterií „lze výrazně snížit, pokud se podaří získat více materiálů z vyřazených baterií LIB v podobě co nejbližší použitelnosti“. Ve stejné studii také hovoří o hierarchii nakládání s odpady a o řadě možností recyklace.

Podle tohoto modelu by měly být baterie nejprve navrženy tak, aby se v nich používalo co nejméně kritických materiálů. Poté by měly být opakovaně používány, což znamená, že baterie pro elektrická vozidla by měly mít před recyklací druhé použití – při němž by mělo být co nejvíce materiálů využito a měla by být zachována strukturální hodnota a kvalita baterie.

V následující fázi „obnovy“ by měly být některé materiály baterií použity jako energie pro procesy, jako je palivo pro pyrometalurgii. Posledním krokem je zlikvidování toho, co nemá žádnou hodnotu, a odeslání na skládky. To znamená, že pokud je baterie elektromobilu schopna uchovávat energii pouze ze 70-80 % ve srovnání s původními hodnotami, není recyklace krokem, který by měl následovat – na prvním místě je opětovné využití. Kde však lze baterie znovu použít? A jak?

• Související:
  • Udržitelná mobilita:

Kde lze baterie do elektromobilů před recyklací znovu použít?

Jelikož trh s použitými bateriemi do elektromobilů pro skladování energie roste, poptávka možná právě převyšuje nabídku. Jedná se však o pomalý a do jisté míry nejistý růst. A důvody pro něj jsou zároveň jednoduché i složité.

Znovupoužití baterií za účelem jejich opětovného využití pro jiný účel, jako jsou nabíjecí stanice nebo stacionární úložiště energie (ať už v továrnách, obytných budovách, nemocnicích…), je logickým východiskem pro baterii, která opouští elektromobil. Jenže to není tak jednoduché jako přenést baterii z jedné strany na druhou.

Před odesláním baterií k opětovnému použití je třeba posoudit balíčky, moduly a články z hlediska otázek, jako je například to, jak dlouho ještě vydrží nabité a jak jsou momentálně nabité. Zatímco první údaj je důležitý zejména pro určení, zda se vyplatí baterii odeslat k opětovnému použití (a pro jaké aplikace), posouzení toho, kolik energie je v ní uloženo, je důležité z bezpečnostních (nebo i ekonomických) důvodů při recyklačních procesech. V obou případech (opětovné použití nebo recyklace) je následující cesta poměrně náročná.

• Související:
  • Nejzelenější města světa. Co se od nich můžeme naučit?“

Demontáž baterií: Ruční, nebezpečný a drahý proces

Ať už se s baterií dále děje cokoli, po vyhodnocení jejích nabíjecích vlastností je třeba ji ručně demontovat – a tady jde do tuhého. Vzhledem k velké hmotnosti baterie a vysokému trakčnímu napětí je zapotřebí specializované izolační nářadí a kvalifikovaní mechanici (kterých je, zdá se, nedostatek), kteří s nimi pracují.

Navíc některé studie poukazují na skutečnost, že v zemích s vysokými náklady na pracovní sílu se výnosy z vytěžených materiálů nemusí ekonomicky vyplatit. Kvůli tomu všemu se součástí diskuse stávají automatické demontážní techniky jako možné řešení.

Automatizace by eliminovala faktor nebezpečnosti rovnice a s jejím rozvojem by se časem snížily její náklady. Roboti by také pomohli zlepšit „mechanickou separaci materiálů a součástí, zvýšit čistotu separovaných materiálů a zefektivnit navazující separační a recyklační procesy – podle Harpera a kol.

• Související:
  • Strategie udržitelnosti: Podniky se stále častěji poohlížejí po elektrických vozidlech

Demontáž baterií elektrických vozidel je pro roboty příliš složitá

Baterie elektrických vozidel jsou pro roboty těžko rozlousknutelné. Děje se tak proto, že automatizace a robotika jsou založeny na opakujících se úkonech a elektrické baterie s sebou přinášejí náročné požadavky, jako je rozmanitost konstrukce.

Existují různé konstrukce lithium-iontových elektrických baterií, které neumožňují standardizovaný proces automatizace. Pro použití se vyvíjejí algoritmy počítačového vidění, které rozpoznávají a rozlišují různé baterie, komponenty a materiály. Aby však mohly být jejich úkoly (snadněji) úspěšně splněny, potřebují výrobci na klíčové prvky baterií tisknout strojově čitelné prvky, jako jsou QR kódy nebo štítky či jiné.

Rozborka baterií navíc znamená například odšroubování nebo práci s metodami lepení a přípravky, které vyžadují silnou práci robotů s citlivými součástmi baterií. To vede ke komplikovaným problémům dynamiky a řízení, jako je současné řízení síly a pohybu. Je to složitá práce, ale v budoucnu pravděpodobně dosažitelná.

• Související:
  • Automatizace a roboti přicházejí – jaká je pravděpodobnost, že vaše práce přežije?“

Poslední výzva při demontáži baterií elektromobilů: Recyklace

Recyklace, nikoli skládky, by měla být konečným osudem všech lithium-iontových baterií, i když ještě předtím, než se dostanou k jinému využití než k ukládání energie elektromobilů. Zamezí se tak škodlivému znečištění na skládkách a možnosti výbuchu nahromaděných baterií. Může také přinést významné ekonomické výhody díky hodnotě získaných minerálů a zabránit neustálé těžbě nerostných surovin – což snižuje tlak v dodavatelských řetězcích.

Když se baterie dostanou do recyklačních zařízení, dostanou se k vybití a materiály, které je tvoří, se vytřídí. Tímto způsobem se vytřídí materiály, jako je nikl, kobalt, mangan nebo měď, prostřednictvím procesů zahřívání a drcení, po nichž následují další, jako je feromagnetismus nebo hydrofobnost.

Pokud v bateriích zůstane výrazně nebezpečný náboj, baterie se buď rozdrtí v inertním plynu, jako je dusík nebo oxid uhličitý, nebo se mohou vybíjet prostřednictvím solných roztoků – oba způsoby, jak se vyhnout chemickým reakcím, mají různé výhody a nevýhody.

Budoucnost elektromobilů a lithium-iontových baterií

Jak jsme viděli, existuje mnoho omezení, která vytvářejí mezeru mezi tím, jak by se s bateriemi mělo ideálně zacházet, a tím, co se s nimi skutečně děje. Udržet je mimo skládky bude mít i nadále zásadní význam pro zajištění dodávek kritických materiálů, jako je kobalt nebo lithium, ale jejich demontáž zůstává nebezpečnou a nákladnou prací prováděnou ručně.

Tyto problémy lze nicméně překonat s rozvojem lepších třídicích technologií spolu s automatizovanou demontáží a inteligentním rozdělením různých baterií do různých toků (opětovná výroba, opětovné použití nebo recyklace). Nicméně optimalizace konstrukce baterií pro opětovné použití a/nebo recyklaci by rovněž usnadnila automatizovanou demontáž baterií.

Studie z Birminghamu rovněž považuje za důležité zabývat se výzvou navrhování nových stabilizačních procesů, které umožní otevření a separaci vyřazených baterií, a vývojem technik nebo procesů, které zajistí, aby při recyklaci nedošlo ke kontaminaci součástí. Je velmi pravděpodobné, že s rozvojem elektromobility poroste i výzkum a experimenty zaměřené na to, jak překonat tyto a další výzvy spojené s udržením baterií elektromobilů v oběhu a mimo skládky.