Hvor længe holder et elektrisk bilbatteri? Hvad sker der ved bortskaffelse og genanvendelse?

Publiceret 2020, 9. marts

Hvad er levetiden for et elbilbatteri? Langt længe holder et elbilbatteri? Hvad sker der med et lithium-ion-batteri i slutningen af dets livscyklus? Hvordan foregår bortskaffelsen af det? Eller genbruges det?

Transport har en meget betydelig indvirkning (14 % ifølge IPCC) på den samlede mængde drivhusgasemissioner, som mennesker udleder i atmosfæren. De negative virkninger af den stigende luftforurening, især i byområder, bliver i stigende grad undersøgt og diskuteret. Og der er et presserende behov for på globalt plan at nå netto-nul-emissioner senest i 2050 for at holde den globale temperatur under 2ºC.

Elektriske køretøjer er en meget vigtig løsning på ovenstående udfordringer. Siden det blev konstateret, at elektrisk mobilitet er en grønnere og mere miljøvenlig løsning sammenlignet med termiske køretøjer, er efterspørgslen efter dem steget.

I henhold til Det Internationale Energiagenturs EV30@30-scenarie kan salget af elektriske køretøjer (EV’er) nå op på 43 millioner og et lagerantal på mere end 250 millioner. Men lad os huske på den ofte ignorerede side af de såkaldte nul-emissionskøretøjer: deres batterier.

The Impact Of Electric Car Batteries: Er de dårlige for miljøet?

En af de vigtigste kritikpunkter mod elbiler og elbiler i almindelighed har at gøre med deres batterier. Disse lithium-ion-batterier (LIB’er) ligner meget en opskaleret udgave af en smartphones batteri. Men elbiler s bruger ikke et enkelt batteri som en telefon. I stedet bruger de en pakke bestående af tusindvis af individuelle lithium-ion-celler, der arbejder sammen. Uanset om det er i lille eller stor skala, har disse batterier betydelige miljømæssige og sociale konsekvenser i hele deres livscyklus.

Første ting først: udvinding af sjældne jordarters mineraler til elbilbatterier. Hvis vi f.eks. betragter de to primære produktionsformer, “kræver det 250 tons af mineralmalmen spodumen, når den udvindes, eller 750 tons mineralrig saltvand for at producere et ton lithium”.

Selvfølgelig er vandbehovet for at behandle lithium produceret på denne måde ifølge samme kilde (Harper et. al. 2019) meget højt: Et ton lithium kræver 1.900 tons vand til udvinding, som forbruges ved fordampning. Stadig på dette punkt er chilenske landmænd ofte nødt til at importere vand fra andre regioner – da Chile har intensivt minerede områder aktive. På trods af de høje miljøomkostninger er litiumreserverne, set ud fra et størrelsesmæssigt perspektiv, ikke en trussel. Men koboltreserverne kan være det.

Koboltreserverne, hvis efterspørgsel til batteriproduktion kan opbruge omkring 14 % af de nuværende koboltreserver inden 2050, er stærkt koncentreret i Den Demokratiske Republik Congo – en ofte ustabil politisk region. Så hvis en af fordelene ved elbiler er, at de reducerer afhængigheden af udenlandsk olieimport, kan koboltprisudsvingene også være en udfordring. Desuden kan der også rejses etiske spørgsmål i forbindelse med håndværksmæssige miner, der anvender børnearbejde.

• Relateret:
  • Er elbiler virkelig grønnere?

Hvor længe holder batterier til elbiler? Bliver de genanvendt?

De ovenstående virkninger er med til at forklare, hvorfor nul-emissions-mærket ofte betragtes som uretfærdigt og kan være vildledende. For selv om elbiler ikke udleder nogen emissioner på vejen, har batterierne i dem alligevel deres del af påvirkningen. Også biler, der drives af elnet, der hovedsageligt kører på fossile brændstoffer, udleder måske ikke noget på farten, men der er stadig sket emissioner i et fjernt kraftværk.

Selvfølgelig har lithium-ion-batterier en anslået levetid på 15-20 år. Hvad sker der så, når et batteri er for slidt til at køre bil efter flere hundrede opladnings- og afladningscyklusser? Hvad skal der ske med de 250.000 tons affald, der vil opstå som følge af de 1 million solgte elbiler i 2017 – det spørger forskere fra University of Birmingham, og nu også læseren sig selv.

Gaines, der er forsker ved Argonne National Laboratory, foreslår, at de fleste batterier enten sendes til lossepladser eller oplagres og opbevares – begge meget kritisable løsninger. Mens den første kan forurene den omkringliggende jord og undervandet; den anden er kritiseret, da der har været brande på affaldsoplagringssteder på grund af lithium-ion-batterier (sendt som blybatterier). Der er dog ved at blive fundet nye og interessante udveje for batterier til elbiler.

• Relateret:
  • Hydrogenbiler vs. elbiler: Hvilken er mest bæredygtig?

The Desired Lifecycle Of An Electric Car Battery

Forskerne fra Birmingham University siger, at nettovirkningen af fremstillingen af lithium-ion-batterier “kan reduceres betydeligt, hvis flere materialer kan genvindes fra udtjente LIB’er i så tæt på brugbar form som muligt”. I samme undersøgelse taler de også om et affaldshåndteringshierarki og en række genanvendelsesmuligheder.

I henhold til denne model bør batterier først konstrueres på en sådan måde, at de bruger færrest mulige kritiske materialer. Derefter bør de genbruges, hvilket betyder, at batterier til elbiler bør have en anden anvendelse, inden de genanvendes – hvor materialerne bør genvindes så meget som muligt, og hvor batteriets strukturelle værdi og kvalitet bør bevares.

I den efterfølgende “genvindingsfase” bør nogle batterimaterialer anvendes som energi til processer som f.eks. brændstof til pyrometallurgi. Det sidste trin er at få bortskaffet det, der ikke har nogen værdi, og sende det til lossepladser. Det betyder, at når batteriet i et elektrisk køretøj kun er i stand til at lagre energi med 70-80 % i forhold til det oprindelige niveau, er genbrug ikke det trin, der bør følge – genbrug kommer først. Men hvor kan batterier genbruges? Og hvordan?

• Relateret:
  • Sustainable Mobility: Er el-scootere miljøvenlige?

Hvor kan elbilbatterier genbruges, før de bliver genanvendt?

Da markedet for brugte elbilbatterier til energilagring vokser, kan efterspørgslen måske ligefrem overgå udbuddet. Der er dog tale om en langsom og indtil videre usikker vækst. Og årsagerne hertil er på én gang enkle og komplekse.

Redskabering af batterier med henblik på at genbruge dem til et andet formål som f.eks. ladestationer eller stationær energilagring (det være sig i fabrikker, boligbygninger, hospitaler …) er den logiske udgang for et batteri, der efterlader et el-køretøj. Det er bare ikke så enkelt som at tage et batteri fra den ene side til den anden.

Hvor batterier sendes til genbrug, skal pakker, moduler og celler vurderes på spørgsmål som f.eks. hvor længe de stadig kan holde en opladning, og hvor opladet de er i øjeblikket. Mens det første er særlig vigtigt for at afgøre, om det er værd at sende et batteri til genbrug (og til hvilke anvendelser), er vurderingen af, hvor meget energi der er lagret, vigtig af hensyn til sikkerheden (eller endog økonomien) i genbrugsprocesser. I begge tilfælde (genbrug eller genanvendelse) er den vej, der følger, ganske udfordrende.

• Relateret:
  • Verdens grønneste byer. Hvad kan vi lære af dem?

Demontering af batterier: En manuel, farlig og dyr proces

Hvad der end sker med et batteri, skal det efter vurdering af dets opladningsegenskaber demonteres manuelt – og det er her, det bliver svært. På grund af et batteris tunge vægt og høje spændinger ved trækkraft er der brug for specialiseret isoleringsværktøj samt kvalificerede mekanikere (som der tilsyneladende er mangel på) til at betjene dem.

Dertil kommer, at nogle undersøgelser peger på, at i lande med høje arbejdskraftomkostninger kan det være, at indtægterne fra de udvundne materialer ikke er det økonomisk set værd. På grund af alt dette bliver automatiserede demonteringsteknikker en del af diskussionen som en mulig løsning.

Automatisering ville eliminere den farlige faktor i ligningen og ville i takt med udviklingen heraf med tiden reducere omkostningerne. Robotter ville også bidrage til at forbedre den “mekaniske adskillelse af materialer og komponenter, hvilket øger renheden af de adskilte materialer og gør de efterfølgende adskillelses- og genbrugsprocesser mere effektive – ifølge Harper et. al.

• Relateret:
  • Holdbarhedsstrategi: Virksomhederne satser i stigende grad på elbiler

Demontering af batterier til elbiler er for kompleks for robotter

Batterier til elbiler er svære at knække for robotter. Det sker, fordi automatisering og robotteknologi er baseret på gentagne opgaver, og elektriske batterier medfører udfordrende krav som f.eks. designdiversitet.

Der er forskellige lithium-ion-batteridesigns til elektriske batterier, som ikke tillader en standardiseret automatiseringsproces. Computer vision-algoritmer til at genkende og skelne mellem forskellige batterier, komponenter og materialer er ved at blive udviklet til brug. For at deres opgaver kan løses (lettere) med succes, skal producenterne imidlertid printe maskinlæsbare funktioner som QR-koder eller etiketter eller andet på vigtige batterielementer.

Dertil kommer, at demontering af batterier f.eks. betyder, at der skal skrues af eller håndteres bondingmetoder og fastgørelser, som kræver stærkt arbejde af robotter med følsomme batterikomponenter. Dette fører til komplicerede dynamik- og styringsproblemer som f.eks. samtidig kraft- og bevægelsesstyring. Det er et komplekst arbejde, men et arbejde, der sandsynligvis kan udføres i fremtiden.

• Relateret:
  • Automatisering og robotter er på vej – hvor sandsynligt er det, at dit job overlever?

Den sidste udfordring ved demontering af batterier til elbiler: Genbrug

Genbrug, ikke deponering, bør være den endelige skæbne for alle lithium-ion-batterier, selv før de kommer til at blive brugt til andre formål end at lagre energi fra elbiler. På den måde undgår man skadelig forurening på lossepladser og risikoen for eksplosioner i ophobede batterier. Det kan også give store økonomiske fordele takket være værdien af de mineraler, der genvindes, og man undgår konstant udvinding af mineraler – hvilket mindsker presset på forsyningskæderne.

Når batterierne når frem til genbrugsanlæggene, bliver de afladet, og de materialer, de består af, bliver sorteret fra. På denne måde sorteres materialer som nikkel, kobolt, mangan eller kobber fra via opvarmnings- og shreddingsprocesser efterfulgt af andre materialer som f.eks. ferromagnetisme eller hydrofobicitet.

Hvis batterierne stadig har en betydelig farlig ladning, bliver batterierne enten shreddet i en inaktiv gas som nitrogen eller kuldioxid, eller de kan udledes gennem saltopløsninger – begge er måder at undgå kemiske reaktioner på, med forskellige fordele og ulemper.

Fremtiden for elbiler og litium-ion-batterier

Som vi har set, er der mange begrænsninger, der skaber en kløft mellem, hvordan batterier ideelt set bør håndteres, og hvad der rent faktisk sker med dem. Det vil fortsat være afgørende at holde dem væk fra lossepladser for at sikre forsyningen af kritiske materialer som kobolt eller lithium, men demontering af dem er fortsat et farligt og dyrt arbejde, der udføres i hånden.

Disse udfordringer kan ikke desto mindre overvindes, efterhånden som der udvikles bedre sorteringsteknologier sammen med automatiseret demontering og intelligent adskillelse af forskellige batterier til forskellige strømme (genfremstilling, genbrug eller genanvendelse). Ikke desto mindre ville optimering af batteridesigns til genbrug og/eller genanvendelse også gøre automatiseret demontering af batterier lettere.

I Birmingham-undersøgelsen finder man også, at det er vigtigt at tage fat på udfordringen med at designe nye stabiliseringsprocesser, der gør det muligt at åbne og adskille udtjente batterier, og udvikle teknikker eller processer til at sikre, at komponenterne ikke forurenes under genanvendelsen. Efterhånden som den elektriske mobilitet vokser, vil forskningen og eksperimenterne om, hvordan man kan overvinde disse og andre udfordringer, der er forbundet med at holde batterier til elbiler i et cirkulært kredsløb og væk fra lossepladser, højst sandsynligt også vokse.