Quanto dura la batteria di un’auto elettrica? Cosa succede allo smaltimento e al riciclaggio?

Pubblicato il 2020, 9 marzo

Qual è la durata di una batteria per auto elettrica? Quanto dura la batteria di un’auto elettrica? Cosa succede a una batteria agli ioni di litio alla fine del suo ciclo di vita? Come avviene il suo smaltimento? O viene riciclata?

Il trasporto ha un impatto molto significativo (14% secondo l’IPCC) sulla quantità totale di emissioni di gas serra che l’uomo rilascia nell’atmosfera. Gli effetti negativi del crescente tasso di inquinamento atmosferico, soprattutto nelle aree urbane, sono sempre più studiati e discussi. E c’è un urgente bisogno di raggiungere, su scala globale, emissioni nette zero entro il 2050 per mantenere la temperatura globale sotto i 2ºC.

I veicoli elettrici sono una soluzione molto importante per le sfide di cui sopra. Da quando la mobilità elettrica si è rivelata una soluzione più verde ed ecologica rispetto ai veicoli termici, la loro domanda è in aumento.

Secondo lo scenario EV30@30 dell’Agenzia Internazionale dell’Energia, le vendite di veicoli elettrici (EV) potrebbero raggiungere 43 milioni e un numero di stock superiore a 250 milioni. Ma ricordiamo il lato spesso ignorato dei cosiddetti veicoli a zero emissioni: le loro batterie.

L’impatto delle batterie delle auto elettriche: Fanno male all’ambiente?

Una delle principali critiche fatte alle auto elettriche e ai veicoli elettrici in generale ha a che fare con le loro batterie. Queste batterie agli ioni di litio (LIB) sono molto simili a una versione in scala della batteria di uno smartphone. Solo che i veicoli elettrici non usano una singola batteria come un telefono. Invece, usano un pacchetto composto da migliaia di singole celle agli ioni di litio che lavorano insieme. Che sia su piccola o grande scala, queste batterie hanno un impatto ambientale e sociale significativo durante il loro ciclo di vita.

Prima cosa: l’estrazione di minerali di terre rare per le batterie delle auto elettriche. Per esempio, se consideriamo le due principali modalità di produzione primaria, “ci vogliono 250 tonnellate del minerale spodumene quando viene estratto, o 750 tonnellate di salamoia ricca di minerali per produrre una tonnellata di litio”. Proprio così.

In effetti, secondo la stessa fonte (Harper et. al. 2019), la richiesta di acqua per lavorare il litio prodotto in questo modo è molto alta: una tonnellata di litio richiede 1.900 tonnellate di acqua per l’estrazione, che viene consumata per evaporazione. Sempre su questo tema, gli agricoltori cileni hanno spesso bisogno di importare acqua da altre regioni – dato che il Cile ha zone intensamente minerarie attive. Nonostante i suoi alti costi ambientali, le riserve di litio, dal punto di vista delle dimensioni, non sono una minaccia. Ma le riserve di cobalto possono esserlo.

Le riserve di cobalto, la cui domanda per la produzione di batterie potrebbe consumare circa il 14% delle attuali riserve di cobalto entro il 2050 sono altamente concentrate nella Repubblica Democratica del Congo – una regione politica spesso instabile. Quindi, se uno dei vantaggi dei veicoli elettrici è che riducono la dipendenza dalle importazioni di petrolio straniero, le fluttuazioni del prezzo del cobalto possono anche essere una sfida. Inoltre, possono essere sollevate anche questioni etiche relative alle miniere artigianali che impiegano lavoro minorile.

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Quanto durano le batterie delle auto elettriche? Vengono riciclate?

Gli impatti di cui sopra aiutano a spiegare perché l’etichetta “zero emissioni” è spesso considerata ingiusta e può essere fuorviante. Perché anche se i veicoli elettrici non rilasciano alcuna emissione sulla strada, le batterie al loro interno hanno la loro parte di impatto. Inoltre, le auto alimentate da reti elettriche che funzionano principalmente con combustibili fossili potrebbero non emettere in viaggio, ma le emissioni hanno comunque avuto luogo in qualche lontana centrale elettrica.

Nicknames a parte, le batterie agli ioni di litio sono stimate per avere una durata di vita di 15-20 anni. Decine di centinaia di cicli di carica e scarica dopo, cosa succede quando una batteria è troppo consumata per la guida? Cosa succederà alle 250.000 tonnellate di rifiuti che deriveranno dal milione di veicoli elettrici venduti nel 2017 – si chiedono i ricercatori dell’Università di Birmingham, e ora anche il lettore.

Gaines, un ricercatore dell’Argonne National Laboratory, suggerisce che la maggior parte delle batterie vengono inviate alle discariche o stoccate e conservate – entrambe soluzioni molto criticabili. Mentre la prima può contaminare il suolo circostante e le acque sotterranee; la seconda è criticata perché ci sono stati incendi nei siti di stoccaggio dei rifiuti a causa delle batterie agli ioni di litio (inviate come batterie al piombo). Tuttavia, si stanno trovando nuove e interessanti uscite per le batterie delle auto elettriche.

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Il ciclo di vita desiderato di una batteria per auto elettriche

I ricercatori dell’Università di Birmingham dicono che l’impatto netto della produzione di batterie agli ioni di litio “può essere notevolmente ridotto se più materiali possono essere recuperati da LIB a fine vita, nella forma più vicina possibile all’uso”. Nello stesso studio, parlano anche di una gerarchia di gestione dei rifiuti e di una serie di opzioni di riciclaggio.

Secondo questo modello, le batterie dovrebbero prima essere progettate in modo da utilizzare meno materiali critici possibile. Dovrebbero poi essere riutilizzate, il che significa che le batterie dei veicoli elettrici dovrebbero avere un secondo uso prima di essere riciclate – dove i materiali dovrebbero essere recuperati il più possibile e il valore strutturale e la qualità di una batteria dovrebbero essere preservati.

Nella fase di “recupero” che segue, alcuni materiali delle batterie dovrebbero essere usati come energia per processi come il carburante per la pirometallurgia. L’ultima fase è lo smaltimento di ciò che non ha valore e l’invio alle discariche. Questo significa che quando la batteria di un veicolo elettrico è in grado di immagazzinare energia solo al 70-80% rispetto ai suoi livelli iniziali, il riciclaggio non è il passo che dovrebbe seguire – il riutilizzo viene prima. Ma dove si possono riutilizzare le batterie? E come?

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Dove possono essere riutilizzate le batterie delle auto elettriche prima di essere riciclate?

Come il mercato delle batterie usate dei veicoli elettrici per l’immagazzinamento di energia sta crescendo, la domanda potrebbe superare l’offerta. Tuttavia, questa è una crescita lenta e, fino a un certo punto, incerta. E le ragioni sono allo stesso tempo semplici e complesse.

Riporre le batterie al fine di riutilizzarle per un fine diverso come le stazioni di ricarica o l’immagazzinamento di energia stazionaria (che sia in fabbriche, edifici residenziali, ospedali…) è l’uscita logica per una batteria che lascia un veicolo elettrico. Solo che non è così semplice come portare una batteria da una parte all’altra.

Prima di inviare le batterie per essere riutilizzate, i pacchi, i moduli e le celle devono essere valutati su questioni come il tempo in cui possono ancora mantenere una carica e quanto sono carichi al momento. Mentre il primo è particolarmente importante per determinare se vale la pena di inviare una batteria per essere riutilizzata (e per quali applicazioni), valutare quanta energia è immagazzinata conta per questioni di sicurezza (o anche economiche) nei processi di riciclaggio. In entrambi i casi (riutilizzo o riciclaggio), la strada che segue è piuttosto impegnativa.

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Smantellare le batterie: Un processo manuale, pericoloso e costoso

Qualunque cosa succeda a una batteria, dopo aver valutato le sue proprietà di carica deve essere smontata a mano – e qui è dove le cose diventano difficili. A causa del peso elevato di una batteria e delle alte tensioni di trazione, sono necessari strumenti di isolamento specializzati, insieme a meccanici qualificati (di cui sembra esserci carenza) per farli funzionare.

Inoltre, alcuni studi sottolineano il fatto che in paesi con un alto costo del lavoro, i ricavi dei materiali estratti potrebbero non valere economicamente. A causa di tutto questo, le tecniche di smontaggio automatizzato entrano nella discussione come una possibile soluzione.

L’automazione eliminerebbe il fattore di pericolo dell’equazione e con il suo sviluppo ne diminuirebbe il costo. I robot aiuterebbero anche a migliorare la “separazione meccanica di materiali e componenti, migliorando la purezza dei materiali segregati e rendendo più efficienti i processi di separazione e riciclaggio a valle – secondo Harper et. al.

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Smantellare le batterie dei veicoli elettrici è troppo complesso per i robot

Le batterie dei veicoli elettrici sono difficili da rompere per i robot. Questo accade perché l’automazione e la robotica si basano su compiti ripetitivi e le batterie elettriche portano con sé requisiti impegnativi come la diversità del design.

Ci sono diversi design di batterie elettriche agli ioni di litio che non permettono un processo di automazione standardizzato. Si stanno sviluppando algoritmi di computer vision per riconoscere e differenziare diverse batterie, componenti e materiali. Tuttavia, affinché i loro compiti siano (più facilmente) eseguiti con successo, i produttori hanno bisogno di stampare caratteristiche leggibili dalla macchina come codici QR o etichette o altro sugli elementi chiave della batteria.

Inoltre, smontare le batterie significa, per esempio, svitare o trattare con metodi di incollaggio e fissaggi che richiedono un forte lavoro da parte dei robot con componenti sensibili della batteria. Questo porta a complicate dinamiche e problemi di controllo come il controllo simultaneo della forza e del movimento. È un lavoro complesso, ma probabilmente realizzabile in futuro.

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L’ultima sfida nello smantellamento delle batterie dei veicoli elettrici: Riciclaggio

Il riciclaggio, non le discariche, dovrebbe essere il destino finale di tutte le batterie agli ioni di litio, anche se prima che vengano utilizzate per scopi diversi dallo stoccaggio dell’energia dei veicoli elettrici. Si evita l’inquinamento nocivo nelle discariche e la possibilità di esplosioni nelle batterie ammassate. Può anche portare importanti benefici economici grazie al valore dei minerali recuperati ed evitare continue estrazioni di minerali – mettendo meno pressione nelle catene di approvvigionamento.

Una volta che le batterie raggiungono gli impianti di riciclaggio, vengono scaricate e i materiali che le compongono vengono selezionati. In questo modo, materiali come nichel, cobalto, manganese o rame vengono smistati attraverso processi di riscaldamento e triturazione seguiti da altri come il ferromagnetismo o l’idrofobicità.

Se le batterie rimangono con una carica significativamente pericolosa, le batterie vengono triturate in un gas inerte come azoto o anidride carbonica o possono essere scaricate attraverso soluzioni saline – entrambi sono modi di evitare reazioni chimiche con diversi pro e contro.

Il futuro dei veicoli elettrici e delle batterie agli ioni di litio

Come abbiamo visto, ci sono molte limitazioni che creano un divario tra come le batterie dovrebbero essere trattate idealmente e ciò che effettivamente accade loro. Tenerle lontane dalle discariche rimarrà cruciale per assicurare la fornitura di materiali critici come il cobalto o il litio, ma lo smantellamento rimane un lavoro pericoloso e costoso fatto a mano.

Queste sfide possono comunque essere superate con lo sviluppo di migliori tecnologie di selezione, insieme allo smontaggio automatizzato e alla segregazione intelligente di batterie diverse per flussi diversi (rigenerazione, riutilizzo o riciclaggio). Tuttavia, l’ottimizzazione del design delle batterie per il riutilizzo e/o il riciclaggio renderebbe anche più facile lo smontaggio automatico delle batterie.

Lo studio di Birmingham trova anche importante affrontare la sfida di progettare nuovi processi di stabilizzazione che consentano di aprire e separare le batterie a fine vita, e sviluppare tecniche o processi per garantire che i componenti non siano contaminati durante il riciclaggio. Molto probabilmente, come la mobilità elettrica cresce, così sarà la ricerca e gli esperimenti su come superare queste e altre sfide inerenti a mantenere le batterie dei veicoli elettrici in un ciclo circolare e lontano dalle discariche.