Recykling baterii samochodów elektrycznych

0
35

O drugim życiu akumulatorów napędzających samochody elektryczne już nieco pisaliśmy. Parę słów poświęciliśmy także ich recyklingowi. Dziś spróbujemy rzucić nieco światła na sposoby utylizacji baterii “elektryków” w kontekście ich opłacalności w wymiarze zarówno ekonomicznym, jak i środowiskowym. W życiu każdej baterii przychodzi bowiem taki moment, że posłużyć może jedynie jako cenne źródło surowców. I tu właśnie pojawia się recykling.

Metody recyklingu baterii samochodów elektrycznych

W przypadku baterii samochodów elektrycznych obecnie zastosowanie mają trzy metody recyklingu:

  • recykling hydrometalurgiczny – cenne surowce zawarte w baterii poddawane są tutaj wypłukiwaniu oraz wychwytywaniu z wykorzystaniem różnych reakcji,
  • recykling pirometalurgiczny – metale stanowiące konstrukcję baterii akumulatorów poddawane są działaniu wysokich temperatur, co daje możliwość odzyskania użytych przy ich budowie materiałów w formie stopów różnych metali,
  • recykling częściowego odzysku z zachowaniem elementów katody akumulatora i jej regeneracją.

Żadna z wymienionych metod recyklingu nie jest jednak ani prosta, ani tania. To raczej skomplikowane procesy obarczone sporymi wydatkami energetycznymi.

Choć obecnie poddawanych recyklingowi jest około 5% akumulatorów, utylizacja milionów baterii, które pojawią się w przyszłości będzie koniecznością ze względów środowiskowych (bateria trafiająca na wysypisko jest odpadem toksycznym, klasyfikowanym jako “niebezpieczny”). Wpływ na te procesy będzie jednak miała także ekonomia. 

Rodzaje ogniw

Zarówno w kontekście środowiskowym, jak i ekonomicznym, istotne są analizy uwzględniające rodzaj utylizowanego ogniwa. Obecnie najpopularniejsze są baterie litowo-jonowe. Wśród nich, ze względu na skład katody, wyróżnia się trzy rodzaje akumulatorów: litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC), litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy (NCA) i litowo-fosforanowo-żelazowy (LFP). Pierwsze dwa znaleźć można w samochodach osobowych. Trzeci występuje w autobusach.

Taki podział zastosowali podczas swych analiz pracownicy Uniwersytetu Carnegie Mellon, którzy przyjrzeli się z bliska poszczególnym typom akumulatorów i sposobom ich utylizacji z uwzględnieniem korzyści ekonomicznych (koszty) i ekologicznych (emisja dwutlenku węgla, zużycie energii).

Ekologia

Przeprowadzone i opublikowane w 2019 roku wyniki badań wykazały ekologiczną nieopłacalność recyklingu ogniw LFP bez względu na zastosowaną metodę. W tym przypadku zarówno emisja CO2, jak i zużycie energii jest mniejsze w przypadku wyprodukowania nowego akumulatora (należy oczywiście pamiętać o kwestii wyczerpywania się zasobów naturalnych). W przypadku pozostałych dwóch typów ogniw (NMC, NCA) recykling hydrometalurgiczny, jak i metodą z zachowaniem katody akumulatora jest bardziej korzystny dla środowiska niż produkcja nowych baterii z wykorzystaniem surowców naturalnych, przy czym większe różnice wystąpiły w przypadku recyklingu z odnowieniem katody, metody polecanej przez autorów badania. W przypadku zastosowania metody pirometalurgicznej koszty środowiskowe recyklingu baterii NMC i NCA przewyższają niestety te związane z produkcją nowych akumulatorów. 

Ekonomia

Ekonomiczna opłacalność (koszty) recyklingu i produkcji ogniw NMC/NCA w przypadku metody z odnowieniem katody znajdują się tutaj na podobnym poziomie. Recykling piro i hydrometalurgiczny w przypadku obu rodzajów baterii zależny jest w dużej mierze od kosztów pozyskania surowców. Istotne są tutaj rynkowe ceny metali wykorzystywanych przy produkcji ogniw, które w ostatnich latach odnotowują sukcesywne wzrosty. Pozyskanie kobaltu i niklu jest tańsze w ramach recyklingu niż w przypadku eksploatacji złóż tych pierwiastków. Ze względu na swą wysoką cenę kobalt charakteryzuje od dawna także wysoki wskaźnik recyklingu. Odmiennie wyglądały już jednak realia w przypadku litu, którego odzysk w ramach recyklingu znajdował się na poziomie około 1% (2011-2017). Wzrost cen litu w ostatnich latach może jednak zmienić tę sytuację.

Istotna jest także dostępność potrzebnych w produkcji ogniw minerałów. Najwyższym ryzykiem niedoboru obarczony jest obecnie lit i kobalt. Dostawy m.in. manganu, niklu i miedzi zagrożone są w mniejszym stopniu. Najniższy stopień ryzyka przerwania łańcucha dostaw cechuje obecnie aluminium. Wydobycie poszczególnych minerałów posiada swoją specyfikę. I tak, choć rezerwy litu są dość duże, a producenci zapowiedzieli sukcesywne zwiększanie produkcji, ryzyko niedoboru istnieje, a związane jest ze specyfiką jednej z technologii produkcji, która odpowiada za ponad połowę światowego wydobycia. Metoda solankowa, bo o niej mowa, jest raczej czasochłonnym procesem, gdzie szybki wzrost popytu nie może zostać równie szybko skompensowany podażą. Sytuację komplikuje także fakt, iż produkcja litu jest procesem ubocznym podczas produkcji potasu. Jakikolwiek spadek popytu na potas będzie miał swe odbicie w podaży litu pozyskiwanego z solanek. W przypadku kobaltu ryzyko niedoborów związane jest głównie z niestabilną sytuacją polityczną w Demokratycznej Republice Konga, gdzie znajduje się większość złóż tego pierwiastka. 

Oczywiście należy zdawać sobie sprawę z wyczerpywania się pokładów metali ziem rzadkich potrzebnych do produkcji baterii; koszty ich wydobycia związane z eksploatacją coraz trudniej dostępnych złóż, mogą z czasem rosnąć, stąd wnioskować można także o większej atrakcyjności recyklingu. Wydaje się, iż metody recyklingu będą więc rozwijane i coraz bardziej opłacalne. 

Nie bez znaczenia pozostaje także fakt wysokich kosztów środowiskowych związanych z eksploatacją zasobów naturalnych (np. produkcja lit wymaga dużych ilości wody). Należy pamiętać także o ponurej rzeczywistości związanej z warunkami pracy np. w kopalniach kobaltu, które wykraczając poza ramy tego omówienia wymagałyby odrębnego komentarza.

Swój wkład w obszarze odzyskiwania cennych pierwiastków będą miały także stosowne dyrektywy normujące kwestie recyklingu ogniw “elektryków”. Wprowadzane przepisy mogą regulować zasady organizacji rynku utylizacji tego typu odpadów i normować jego działanie pod kątem korzyści środowiskowych, bez uwzględniania okoliczności ekonomicznych. Obecnie recyklerzy baterii sami decydują jakie materiały poddać odzyskowi, a głównym bodźcem są tutaj czynniki ekonomiczne, a konkretnie rynkowe ceny występujących w akumulatorze materiałów.

Udoskonalenie procesów odzysku metali (obniżenie kosztów) z akumulatorów powinno zminimalizować zarówno negatywny wpływ na środowisko (zanieczyszczenie, ochrona zasobów naturalnych), jak i ryzyko dotyczące dostaw tych surowców oraz wzrostu cen rynkowych. Efektywne procesy recyklingu zapewnić mogą strumień tańszych i bardziej konkurencyjnych minerałów, których wydobycie i produkcja pochłaniać będą w przyszłości znacznie większe ilości energii będąc źródłem zwiększonej emisji zanieczyszczeń.