Jak długo wytrzymuje akumulator w samochodzie elektrycznym? What Happens At Disposal And Recycling?

Published at 2020, March 9th

Jaka jest żywotność akumulatora samochodu elektrycznego? Na jak długo starcza bateria do samochodu elektrycznego? Co dzieje się z akumulatorem litowo-jonowym po zakończeniu jego cyklu życia? Jak się ją utylizuje? Czy jest poddawany recyklingowi?

Transport ma bardzo znaczący wpływ (14% według IPCC) na całkowitą ilość emisji gazów cieplarnianych, które ludzie uwalniają do atmosfery. Negatywne skutki rosnącej stopy zanieczyszczenia powietrza, zwłaszcza w obszarach miejskich, są coraz częściej badane i dyskutowane. Istnieje również pilna potrzeba osiągnięcia, w skali globalnej, zerowej emisji netto do 2050 r. w celu utrzymania globalnej temperatury poniżej 2ºC.

Pojazdy elektryczne są bardzo ważnym rozwiązaniem dla powyższych wyzwań. Odkąd stwierdzono, że mobilność elektryczna jest bardziej ekologicznym i przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem w porównaniu z pojazdami napędzanymi energią cieplną, popyt na nie wzrasta.

Według scenariusza EV30@30 opracowanego przez Międzynarodową Agencję Energii, sprzedaż pojazdów elektrycznych (EV) może osiągnąć 43 miliony, a liczba zapasów przekroczyć 250 milionów. Pamiętajmy jednak o często ignorowanej stronie tzw. pojazdów zeroemisyjnych: ich akumulatorach.

The Impact Of Electric Car Batteries: Are They Bad For The Environment?

Jeden z głównych zarzutów wobec samochodów elektrycznych i pojazdów elektrycznych w ogóle ma do czynienia z ich baterii. Te baterie litowo-jonowe (LIBs) są bardzo podobne do przeskalowanej wersji baterii smartfona. Tylko pojazdy elektryczne nie używają pojedynczej baterii, jak w przypadku telefonu. Zamiast tego używają pakietu składającego się z tysięcy pojedynczych, współpracujących ze sobą ogniw litowo-jonowych. Czy to na małą lub dużą skalę, te baterie mają znaczący wpływ na środowisko i społeczeństwo w całym ich cyklu życia.

Pierwsza rzecz: wydobycie minerałów ziem rzadkich dla baterii samochodów elektrycznych. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę dwa główne tryby produkcji pierwotnej, „potrzeba 250 ton rudy spodumenu mineralnego po wydobyciu, lub 750 ton bogatej w minerały solanki, aby wyprodukować jedną tonę litu”. Tak po prostu.

W rzeczywistości, według tego samego źródła (Harper et. al. 2019), zapotrzebowanie na wodę do przetwarzania litu produkowanego w ten sposób jest bardzo wysokie: tona litu wymaga 1900 ton wody do wydobycia, która jest zużywana przez odparowanie. Pozostając przy tej kwestii, chilijscy rolnicy często muszą importować wodę z innych regionów – w Chile bowiem aktywne są obszary intensywnie wydobywane. Pomimo wysokich kosztów środowiskowych, rezerwy litu, z perspektywy wielkości, nie są zagrożeniem. Ale rezerwy kobaltu może być.

Rezerwy kobaltu, którego zapotrzebowanie na produkcję baterii może zużywają około 14% obecnych rezerw kobaltu do 2050 są bardzo skoncentrowane w Demokratycznej Republice Konga – często niestabilny region polityczny. Więc jeśli jedną z korzyści płynących z pojazdów elektrycznych jest to, że zmniejszają one zależność od importu ropy naftowej z zagranicy, wahania cen kobaltu może być również wyzwaniem. Co więcej, kwestie etyczne związane z rzemieślniczymi kopalniami zatrudniającymi dzieci mogą być również podnoszone.

• Related:
  • Are Electric Cars Really Greener?

How Long Do Electric Car Batteries Last For? Are Their Recycled?

Powyższe oddziaływania pomagają wyjaśnić, dlaczego tag zero-emisji jest często uważany za niesprawiedliwy i może być mylące. Ponieważ nawet jeśli pojazdy elektryczne nie uwalniają żadnych emisji na drodze, baterie w nich zawarte mają swój udział w oddziaływaniu. Ponadto, samochody zasilane przez sieci elektryczne, które działają głównie na paliwach kopalnych może nie emitować w podróży, ale emisje nadal miały miejsce w niektórych odległych elektrowni.

Nicknames bok, litowo-jonowe baterie są szacowane na 15-20 lat życia. Po dziesiątkach setek cykli ładowania i rozładowywania, co się stanie, gdy bateria będzie zbyt zużyta do jazdy? Co stanie się z 250 000 ton odpadów, które powstaną z 1 miliona pojazdów elektrycznych sprzedanych w 2017 roku – zastanawiają się naukowcy z Uniwersytetu w Birmingham, a teraz także czytelnik.

Gaines, badacz z Argonne National Laboratory, sugeruje, że większość akumulatorów jest albo wysyłana na wysypiska śmieci, albo składowana i magazynowana – oba rozwiązania bardzo krytykowane. Podczas gdy pierwsze z nich może skazić okoliczną glebę i wody gruntowe, drugie jest krytykowane, ponieważ zdarzały się pożary w miejscach składowania odpadów z powodu akumulatorów litowo-jonowych (wysyłanych jako akumulatory kwasowo-ołowiowe). Znaleziono jednak nowe i ciekawe wyjścia dla akumulatorów samochodów elektrycznych.

• Related:
  • Hydrogen Cars Vs Electric Cars: Which Is More Sustainable?

The Desired Lifecycle Of An Electric Car Battery

Badacze z Birmingham University twierdzą, że wpływ netto produkcji baterii litowo-jonowych „może być znacznie zmniejszony, jeśli więcej materiałów można odzyskać z wycofanych z eksploatacji LIB-ów, w formie jak najbardziej zbliżonej do użytkowej”. W tym samym badaniu, mówią oni również o hierarchii zarządzania odpadami i szeregu opcji recyklingu.

Według tego modelu, baterie powinny być najpierw zaprojektowane w taki sposób, aby wykorzystywały jak najmniejszą ilość materiałów krytycznych. Następnie powinny być ponownie wykorzystywane, co oznacza, że akumulatory do pojazdów elektrycznych powinny mieć drugie zastosowanie przed poddaniem ich recyklingowi – przy czym materiały powinny być odzyskiwane w jak największym stopniu, a wartość strukturalna i jakość akumulatora powinna być zachowana.

Na etapie „odzysku”, który następuje później, niektóre materiały z akumulatorów powinny być wykorzystywane jako energia w procesach takich jak paliwo dla pirometalurgii. Ostatnim etapem jest pozbycie się tego, co nie ma wartości i wysłanie na wysypiska śmieci. Oznacza to, że jeśli akumulator w pojeździe elektrycznym jest w stanie zmagazynować tylko 70-80% energii w porównaniu z poziomem początkowym, recykling nie jest krokiem, który powinien nastąpić – na pierwszym miejscu jest ponowne wykorzystanie. Ale gdzie baterie mogą być ponownie wykorzystane? I w jaki sposób?

• Powiązane:
  • Zrównoważona mobilność: Are Electric Scooters Eco-Friendly?

Where Can Electric Car Batteries Be Re-Used Before Being Recycled?

As the used electric-vehicle battery market for energy storage is growing, demand might just surpass supply. Jest to jednak wzrost powolny i do pewnego momentu niepewny. A powody tego są jednocześnie proste i złożone.

Repurposing akumulatorów w celu ponownego wykorzystania ich w innym celu, takim jak stacje ładowania lub stacjonarne przechowywanie energii (czy to w fabrykach, budynkach mieszkalnych, szpitalach…) jest logicznym wyjściem dla akumulatora, który opuszcza pojazd elektryczny. Tylko nie jest to tak proste, jak przeniesienie baterii z jednej strony na drugą.

Przed wysłaniem baterii do ponownego wykorzystania, pakiety, moduły i ogniwa muszą być oceniane w kwestiach takich jak jak długo mogą jeszcze utrzymać ładunek i jak naładowane są w danej chwili. Podczas gdy pierwsza z tych kwestii jest szczególnie ważna dla określenia, czy warto wysłać baterię do ponownego użycia (i do jakich zastosowań), ocena ilości zmagazynowanej energii ma znaczenie dla bezpieczeństwa (lub nawet ekonomii) w procesach recyklingu. W obu przypadkach (ponowne wykorzystanie lub recykling), droga, która następuje jest dość trudna.

• Related:
  • The World’s Greenest Cities. What Can We Learn From Them?

Dismantling Batteries: A Manual, Dangerous And Expensive Process

Whatever happens next to a battery, after assessing its charge properties it needs to be dismantled by hand – and here is where things get hard. Ze względu na ciężar akumulatora i wysokie napięcia trakcyjne, potrzebne są specjalistyczne narzędzia izolacyjne oraz wykwalifikowani mechanicy (których zdaje się brakować) do ich obsługi.

Co więcej, niektóre badania wskazują na fakt, że w krajach o wysokich kosztach pracy, przychody z wydobytych materiałów mogą być ekonomicznie nieopłacalne. W związku z tym, techniki automatycznego demontażu stają się częścią dyskusji jako możliwe rozwiązanie.

Automatyzacja wyeliminowałaby czynnik zagrożenia z równania, a jej rozwój z czasem obniżyłby jej koszt. Roboty pomogłyby również poprawić „mechaniczne oddzielanie materiałów i komponentów, zwiększając czystość segregowanych materiałów i czyniąc dalsze procesy oddzielania i recyklingu bardziej wydajnymi – według Harpera et. al.

• Powiązane:
  • Strategia zrównoważonego rozwoju: Businesses Are Increasingly Looking For Electric Vehicles

Dismantling Electric Vehicle Batteries Is Too Complex For Robots

Baterie do pojazdów elektrycznych są trudne do złamania dla robotów. Dzieje się tak, ponieważ automatyka i robotyka opierają się na powtarzalnych zadaniach, a akumulatory elektryczne niosą ze sobą trudne wymagania, takie jak różnorodność konstrukcyjna.

Istnieją różne konstrukcje akumulatorów elektrycznych litowo-jonowych, które nie pozwalają na standaryzację procesu automatyzacji. Algorytmy wizji komputerowej do rozpoznawania i rozróżniania różnych baterii, komponentów i materiałów są opracowywane do użytku. Jednak, aby ich zadania mogły być (łatwiej) pomyślnie realizowane, producenci muszą drukować na kluczowych elementach baterii cechy odczytywane maszynowo, takie jak kody QR lub etykiety lub inne.

Co więcej, demontaż baterii oznacza na przykład odkręcanie lub zajmowanie się metodami łączenia i mocowania, które wymagają silnej pracy robotów z wrażliwymi elementami baterii. Prowadzi to do skomplikowanych problemów związanych z dynamiką i sterowaniem, takich jak jednoczesne sterowanie siłą i ruchem. To skomplikowana praca, ale prawdopodobnie możliwa do wykonania w przyszłości.

• Related:
  • Automation And Robots Are Coming – How Likely Is Your Job To Survive?

The Last Challenge In Dismantling Electric Vehicles Batteries: Recykling

Recykling, a nie wysypiska śmieci, powinien być ostatecznym przeznaczeniem wszystkich baterii litowo-jonowych, nawet jeśli zanim zostaną one wykorzystane do innych celów niż magazynowanie energii pojazdów elektrycznych. Pozwala to uniknąć szkodliwych zanieczyszczeń na składowiskach oraz możliwości eksplozji w spiętrzonych bateriach. Może również przynieść istotne korzyści ekonomiczne dzięki wartości odzyskanych minerałów i uniknąć ciągłego wydobycia minerałów – zmniejszając presję na łańcuchy dostaw.

Kiedy akumulatory trafią do zakładów recyklingu, zostaną rozładowane, a tworzące je materiały posortowane. W ten sposób materiały takie jak nikiel, kobalt, mangan lub miedź są sortowane poprzez procesy ogrzewania i rozdrabniania, a następnie inne, takie jak ferromagnetyzm lub hydrofobowość.

Jeśli baterie pozostają z niebezpiecznym ładunkiem, są one albo rozdrabniane w gazie obojętnym, takim jak azot lub dwutlenek węgla, albo mogą być rozładowywane poprzez roztwory soli – oba sposoby unikania reakcji chemicznych mają różne zalety i wady.

The Future Of Electric Vehicles And Lithium-Ion Batteries

Jak widzieliśmy, istnieje wiele ograniczeń tworzących lukę pomiędzy tym, jak baterie powinny być idealnie traktowane, a tym, co faktycznie się z nimi dzieje. Utrzymanie ich z dala od wysypisk śmieci będzie nadal kluczowe dla zabezpieczenia dostaw kluczowych materiałów, takich jak kobalt lub lit, ale ich demontaż pozostaje niebezpieczną i kosztowną pracą wykonywaną ręcznie.

Wyzwania te można jednak przezwyciężyć wraz z rozwojem lepszych technologii sortowania, wraz z automatycznym demontażem i inteligentną segregacją różnych baterii do różnych strumieni (regeneracja, ponowne użycie lub recykling). Niemniej jednak, optymalizacja konstrukcji baterii pod kątem ponownego wykorzystania i/lub recyklingu ułatwiłaby również zautomatyzowany demontaż baterii.

W badaniu z Birmingham uznano również za istotne podjęcie wyzwania, jakim jest zaprojektowanie nowych procesów stabilizacji, które umożliwią otwarcie i oddzielenie baterii wycofanych z eksploatacji oraz opracowanie technik lub procesów zapewniających, że komponenty nie zostaną zanieczyszczone podczas recyklingu. Najprawdopodobniej, wraz z rozwojem mobilności elektrycznej, wzrosną również badania i eksperymenty dotyczące sposobów pokonania tych i innych wyzwań związanych z utrzymaniem akumulatorów pojazdów elektrycznych w obiegu zamkniętym i z dala od wysypisk śmieci.