Почему Евросоюз вдруг настолько озаботился аккумуляторами, что утверждает вторую за 14 месяцев многомиллиардную программу государственной поддержки их европейских производителей? Потому что магистральным направлением развития мирового автопрома становится выпуск электромобилей, их ключевым элементом являются именно аккумуляторные батареи, производство которых, однако, до самого последнего времени было сосредоточено в Азии и США.
В результате европейские автостроители могли оказаться в ситуации, когда им пришлось бы закупать на стороне главную деталь для своей продукции. Это стало угрожать конкурентоспособности и стратегическим перспективам одной из важнейших отраслей экономики Евросоюза. Поэтому надо было срочно переломить ситуацию.
Марош Шевчович ждет революцию на рынке аккумуляторов
«Около трех лет назад аккумуляторная промышленность в ЕС практически отсутствовала. Сегодня Европа — глобальный центр батарейной отрасли», — подчеркнул Марош Шефчович, вице-президент Европейской комиссии (ЕК), главного исполнительного органа ЕС, давая 26 января «зеленый свет» проекту European Battery Innovation. Он признан «проектом, представляющим общеевропейский интерес» (IPCEI).
Тем самым Брюссель разрешил правительствам 12 стран выделить в общей сложности 2,9 млрд евро на государственную поддержку 42 компаний, разрабатывающих инновационные технологии производства и утилизации аккумуляторных батарей для электромобилей. Ожидается, что эти субсидии приведут к притоку еще 9 млрд евро частных инвестиций.
Производство аккумуляторных батарей на заводе Volkswagen в немецком Зальцгиттере
«Благодаря ориентации на батареи следующего поколения, этот мощный общеевропейский проект поможет произвести революцию на рынке аккумуляторов», — считает Марош Шефчович. По его словам, к 2025 году созданные в ЕС аккумуляторные батареи будут ежегодно приводить в движение не менее 6 миллионов новых электромобилей.
В первом «батарейном альянсе», субсидирование которого в размере 3,2 млрд евро ЕК одобрила в декабре 2019 года, участвовали 7 стран. Наряду с Германией, которая уже тогда выступила инициатором и координатором проекта, это были Бельгия, Италия, Польша, Финляндия, Франция и Швеция. Теперь к ним присоединились еще и Австрия, Греция, Испания, Хорватия, Словакия.
Цель: создание литий-ионных аккумуляторов 3-го и 4-го поколений
От государственной поддержки выиграют не только четыре десятка непосредственных получателей субсидий. ЕК указывает, что эти компании запланировали осуществить до 2028 года порядка 300 проектов, к которым будут привлечены свыше 150 партнеров со всей Европы — университеты, научные центры, малые и средние предприятия.
Завод по производству лития в Боливии
В списке от Германии — 11 компаний. Самые известные из них — BMW и Tesla. Баварский автостроитель в рамках первого проекта IPCEI уже получает субсидии на разработку следующего поколения литий-ионных аккумуляторов.
Теперь, в рамках второго проекта, ему предоставят господдержку на разработку еще одного поколения таких аккумуляторов, а также «для создания прототипа производственной установки по выпуску инновационных батарейных модулей и батарейных систем, более приспособленных для рециклинга», указывается в разъяснениях на сайте министерства экономики ФРГ (BMWI).
Кстати, над созданием «высокоэффективных машин и процессов для полностью автоматизированного производства литиумных батарей 3-го и 4-го поколения» будет работать и машиностроительная компания Manz из Ройтлингена — еще один получатель субсидий из немецкого списка.
Рециклинг, ресурсосбережение и снижение углеродного следа
Появление в нем американской корпорации Tesla сначала может удивить.
Однако с тех пор, как компания Илона Маска строит в Грюнхайде под Берлином завод по выпуску электромобилей и батарей, она как инвестор в экономику Германии имеет полное право на различные формы господдержки.
«Центральная цель Tesla в этом проекте состоит в разработке и реализации прогрессивных методов производства и рециклинга литий-ионных батарей, чтобы существенно снизить их экологический след и их себестоимость», поясняет BMWI.
Грюнхайде под Берлином, ноябрь 2020. Строительство гигафабрики Tesla идет полным ходом
О рециклинге или утилизации, об экологических аспектах выпуска электромобилей и о ресурсосбережении речь идет в пояснениях и к другим участникам проекта.
Среди них — компания SGL Carbon из Висбадена, разрабатывающая «для инновационных анодных материалов новейшие производственные процессы и концепции рециклинга».
Благодаря «снижению углеродного следа, потребления материалов и энергии, а также увеличению жизненного цикла батарей» компания способствует достижению климатических целей ЕС, подчеркивает министерство.
В свою очередь, фирма ACI Systems из города Циммерн-об-Ротвайль получит от немецкого государства деньги на разработку конкурентоспособной технологии для получения «с минимизированным углеродным следом» лития из насыщенной солями природной воды.
Впредь аккумуляторные батареи будут Made in Europe
А фирме Liofit из Каменца будут предоставлены субсидии, поскольку она накапливает ценный ноу-хау для циркулярной экономики (экономики замкнутого цикла).
Она специализируется на рециклинге литий-ионных аккумуляторных батарей для электровелосипедов и электросамокатов.
«Эти аккумуляторы проверяются, разбираются, рекомбинируются, ремонтируются, а то, что больше нельзя использовать, измельчается с целью повторного использования сырья», указывает BMWI.
По мнению министра экономики ФРГ Петера Альтмайера (Peter Altmaier), полученное от ЕС разрешение на реализацию второго проекта поддержки всей цепочки производства аккумуляторных батарей Made in Europe создаст в Евросоюзе критическую массу для развития новой отрасли, вызовет широкомасштабные частные инвестиции и будет способствовать созданию новых, перспективных рабочих мест. Пока Азия еще лидирует с большим отрывом, но впредь «Германия и Европа будут сами создавать конкурентоспособные, инновационные и щадящие окружающую среду батареи», считает министр.
Смотрите также:
-
Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт. -
Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ. -
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие. -
Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования. -
Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария). -
Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью. -
Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества. - На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.
- Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.
- Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае). Андрей Гурков
Добыча лития: грязный секрет электромобилей
Еще до того, как новый рудник стал главной темой деревенских разговоров, Жоано Кассота, 44-летний фермер, хотел изменений. Он с трудом обеспечивал себя за счет земельного участка в гористой части северной Португалии. Из его друзей детства он был единственным, кто не уехал за границу в поисках работы.
В 2017 году, когда он услышал о разведывании британской компанией месторождения лития в провинции Траз-уш-Мо́нтиш (Trás-os-Montes), Кассота обратился в свой банк за кредитом на €200,000. Он купил трактор John Deere, землю и портативный резервуар для воды.
Разведочная команда британской горнодобывающей компании Savannah Resources потратила месяцы на бурение по геологическим картам и исследование холмов, разбросанных рядом с фермой Кассота.
Первоначальные расчеты показали, что эти холмы могут содержать более 280,000 тонн лития, серебристо-белого щелочного металла. Таких запасов достаточно для 10 лет производства.
Кассота связался с местным офисом Savannah, и горнодобывающая фирма подрядила его на поставку воды на их разведочный участок.
Его инвестиции очень быстро окупились. Менее чем через 12 месяцев на счетах компании Cassote отразилась прибыль, которую ему пришлось бы зарабатывать пять или шесть лет на своей животноводческой ферме.
Savannah — это всего лишь одна из нескольких горнодобывающих компаний, нацелившихся на богатые литиевых месторождения в центральной и северной Португалии. Внезапный ажиотаж вокруг petróleo branco (или «white oil» — белая нефть), связан с электромобилями, которые пока редко можно увидеть в этих краях.
Литий является ключевым активным материалом в аккумуляторных батареях, которые питают электромобили. Он встречается в скальных и глинистых породах как твердый минерал, а также растворяется в соляном растворе. Он популярен у производителей батареи, потому что, как наименее плотный металл, он способен хранить много энергии для своего веса.
Электрификация транспорта стала главным приоритетом в движении к безуглеродному будущему. В Европе на автомобильный туризм приходится около 12% всех выбросов углерода на континенте.
В соответствии с Парижским соглашением, выбросы от автомобилей и фургонов должны сократиться более чем на треть (37,5%) к 2030 году.
ЕС также установил амбициозную цель уменьшения общих выбросов парниковых газов на 55% к той же дате. С этой целью Брюссель и отдельные государства ЕС вливают миллионы евро в стимулирование владельцев автомобилей к переходу на электрический транспорт.
Некоторые страны идут еще дальше, предлагая запретить продажи дизельных и бензиновых автомобилей в ближайшее время (уже в 2025 году в случае с Норвегией).
5 стадий быстрого развития европейского рынка электрических транспортных средств.
Если все пойдет так, как запланировано, количество электромобилей в пользовании Европе может увеличиться с примерно 2 млн. на сегодняшний день до 40 млн. к 2030 году.
По оптимистичным прогнозам к 2030 году в Европе будет 40 млн. электрических машин.
Литий является ключом к этому энергетическому переходу. Литий-ионные батареи используются для питания машин электроэнергией, в смартфонах и ноутбуках, а также для хранилищ электроэнергии сетки.
Но у Европы есть проблема.
В настоящее время почти каждая унция лития импортируется.
Более половины (55%) мирового производства лития в прошлом году пришлось всего на одну страну: Австралию. Другие основные поставщики, такие как Чили (23%), Китай (10%) и Аргентина (8%), сильно отстают.
https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2020/mcs2020-lithium.pdf
Месторождения лития были также обнаружены в Австрии, Сербии и Финляндии, но именно в Португалии находится основная надежда Европы на крупнейшие литиевые запасы. Португальское правительство планирует предоставлять лицензии на добычу лития международным компаниям.
Добыча лития на собственных задворках не только обеспечивает Европу более простой логистикой и более низкими ценами, но также снижает выбросы, связанные с транспортировкой. Это также обеспечивает Европе бесперебойность поставок — это особенно важный аспект в связи с приостановкой международной торговли из-за пандемии коронавируса.
- Еще до пандемии проблема поиска источника лития вызывала большую тревогу.
- Доктор Тея Риофранкос, политический экономист в колледже Providence в Род-Айленде, указала на растущий торговый протекционизм и недавнее обострение отношений США и Китая (и это было до осложнений в торговле между Китаем и Австралией).
- По мнению ее мнению, независимо от того, насколько были обеспокоены политики ЕС перед пандемией, «теперь эти опасения должны быть в миллион раз выше».
Срочность в обеспечении снабжения литием привела к буму в разработке месторождений, и теперь гонка за «белой нефтью» угрожает привести к разрушению природной среды в любом месте, где ее обнаружат. Но поскольку горнодобывающие компании помогают снизить углеродные выбросы, экологическая политика ЕС находится на их стороне.
«За всем этим стоит фундаментальный вопрос о том, что модель потребления и производства, которой мы сейчас обладаем, просто не обеспечивает устойчивое развитие», — считает Риофранкос, — «То, что все будут иметь электромобили, означает огромный объем добычи, переработки и прочее загрязнение среды, которое сопутствует этому».
Проблемы добычи лития в Португалии
В крошечной деревушке Муро в Траз-уш-Мо́нтиш у Кассота теперь тоже есть проблемы. Фаза геологической разведки закончилась ранее в этом году, и его дорогостоящая новая техника простаивает без дела на ферме. Savannah ждет окончательной отмашки от португальского правительства, чтобы приступить к добыче лития.
Если одобрение будет получено, компания обещает инвестировать $109 млн. в этот проект. Это также привет к появлению карьера в горах. Кассота не возражает. Он просто пересядет в собственную землеройную машину.
Не все разделяют энтузиазм Кассота к добыче лития.
Прожив три десятилетия в Амстердаме, Марио Инасио, 50-летний профессиональный танцор, недавно вернулся в свой дом в Португалии, планируя построить оздоровительный центр для занятий йогой — глубоко в сельской местности, пасторальной и изолированной, где гости смогут просыпаться от пения птиц.
Инасио и его партнер, Милко Принз, нашли идеальное место, заброшенную усадьбу с 47 акрам заросшего травой участка в центральной Португалии. Главный дом потребует значительного ремонта, но все остальное было именно таким, как они себе представляли.
Впервые проезжая на машине по изношенной, ухабистой дороге, Инасио мечтал о изменениях, которые они могли бы сделать — расширить дом в стороны, переоборудовать пристройки в номера, высечь в скалах природный бассейн. Он определил место для студии йоги: небольшая возвышенность видом на природный участок и на холмы за его пределами.
Через шесть лет после того, как они нашли это на место, центр Quinta Da Lua Nova был готов открыть свои двери для гостей. Пандемия привела к оттоку международных клиентов и затруднила заполнение девяти номеров центра, но теперь появилась гораздо большая опасность для бизнеса, в который Инасио вложил свою жизнь.
Подойдя к одному из панорамных окон своего дома, он указал на нетронутые природные виды снаружи: «Все это может быть использовано для добычи лития в ближайшее время».
В последние несколько лет небольшие группы встревоженных жителей стали объединяться по всей Португалии, обеспокоенные планами правительства по добыче лития. Эти группы стали направлять запросы в местные департаменты планирования. В случае Инасио ему ответили, что его просьбы будут «переданы». Никаких дополнительных комментариев он не получил.
В то же время, ранние разведочные работы, проводившиеся компаниями подобными британской Savannah и португальской Lusorecursos, по сообщениям, были замечены по всей стране.
Техническая оценка ресурсов лития была заказана Министерством энергетики в 2016 году. В конце концов, государственный представитель подтвердил, что проводились дискуссии с различными горнодобывающими компаниями, но никаких официальных решений еще не принято.
Жоано Кассота рядом с местом предполагаемой литиевой шахты в северной Португалии.
Электромобилей все больше, но как обстоят дела с переработкой аккумуляторов?
На важнейших автомобильных рынках планеты нарастает бум электромобилей, многие государства активно стимулируют их продажи субсидиями и налоговыми льготами. Это делается главным образом ради защиты климата и оздоровления окружающей среды.
В то же время ключевой компонент таких автомобилей, аккумуляторные батареи, содержат токсичные вещества и без надлежащей утилизации могут нанести немалый ущерб экологии.
Пока в Европе, к примеру, еще слишком мало электромобилей и, соответственно, отработавших свой срок аккумуляторных батарей. Поэтому вопрос об их утилизации или рециклинге еще не так важен.
Этот вопрос встанет в Европе не раньше 2028-2030 годов, ведь еще предстоит выработать свой ресурс аккумуляторным батареям тех электромобилей, которые в ближайшие два-три года в массовом порядке начнут поступать на немецкий и в целом европейский рынок. Так что время наладить рециклинг или даже полностью безотходное производство аккумуляторных батарей у европейцев еще есть.
Тем более, что в Евросоюзе уже имеются четкие указания на этот счет.
Проблемой утилизации традиционных батарей и аккумуляторов, которые, попав просто на свалку, отравляли окружающую среду и грунтовые воды, Евросоюз занимается уже на протяжении почти трех десятилетий.
И самый зримый результат этой работы — строгий запрет выбрасывать обычные батарейки вместе с бытовым мусором и выработавшаяся у широких слоев населения устойчивая привычка его соблюдать.
Отвечает за рециклинг АКБ, согласно директиве, тот, кто ввел их в оборот, стало быть — автостроительные компании. «Вот уже десять лет инженеры Volkswagen работают над тем, как нам вновь использовать сырьевые материалы. Речь, прежде всего, о кобальте, литии, марганце и никеле», — рассказывает топ-менеджер концерна Томас Тидье.
Сейчас VW повторно использует 53% содержащихся в них материалов, после ввода в действие установки в Зальцгиттере этот показатель должен вырасти до 72%. Амбициозная долгосрочная цель руководства концерна: превращать во вторичное сырье до 97% батареи.
К безотходному производству стремится и автостроитель Audi, хотя пока только по двум металлам. В конце 2019 года компания объявила, что «свыше 90 процентов кобальта и никеля из аккумуляторных батарей для электромобиля Audi e-tron можно использовать повторно». Таков результат испытаний технологии, разработанной этой дочкой VW совместно с бельгийским специалистом в области рециклинга Umicore.
Audi выпускает электрический внедорожник e-tron на своем заводе в Брюсселе, где находится и штаб-квартира Umicore. Это сейчас, пояснил Вольфганг Бернхарт, единственная крупная европейская компания в сфере утилизации АКБ, остальные фирмы гораздо меньше.
Например, немецкая Duesenfeld из Брауншвейга, утверждающая, что разработанная ею технология измельчения способна превратить во вторичное сырье до 85% отслужившего аккумулятора. «Мы осуществляем рециклинг без сжигания графита и электролита», — подчеркивает глава фирмы Кристиан Ханиш
Рециклинг батарей нужен не только из экологических, но и из экономических соображений: роль повторного использования редких материалов будет расти по мере их удорожания в условиях бума электромобильности. Важную роль играет и сырьевая безопасность — следует избегать слишком большой зависимости от поставщиков, в том числе из стран Азии, Африки и Латинской Америки.
Электромобилям с токсичными аккумуляторными батареями не грозит беспорядочное расползание по миру, как это происходит со старыми и зачастую аварийными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, которые гниют затем на свалках или где-нибудь в лесах.
В Китае уже введена строгая система маркировки и отслеживания АКБ, этому примеру непременно должна и наверняка последует Европа. Да и вряд ли кто захочет вывозить старые и аварийные электрические автомобили в развивающиеся страны, в которых нет разветвленной системы их подзарядки.
Миф о «грязном» электромобиле: угрожают ли новые технологии природе? — РБК
В то же время на планете электричество производится на основе разных источников, среди которых уголь и природный газ. Поэтому рост парка электромобилей может способствовать увеличению выбросов в электроэнергетике. Но даже если это происходит, электромобиль все равно экологически предпочтителен, особенно в крупных городах с интенсивным трафиком.
Дело в том, что выбросы автомобилей производятся и накапливаются у поверхности земли. Фактически — в слое воздуха, которым мы дышим.
Трубы ТЭС возвышаются на десятки метров, площадь рассеивания велика, поэтому «выхлоп» электростанций, как правило, не приводит к столь высокой концентрации вредных веществ в городском воздухе, как в случае с плотным потоком автомобилей.
Даже если вся электроэнергия вырабатывается на основе угля (который является самым грязным источником эмиссии парниковых газов), при замене автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) сопоставимым электромобилем общий объем выбросов в рамках территории остается приблизительно постоянным. В действительности же в структуре электроэнергетики, как правило, представлены разные энергоносители. По расчетам МОЭСК, исследовавшей углеродный след различных типов легковых автомобилей в московском регионе (в структуре генерации здесь доминирует природный газ), «даже при очень грубом расчете электромобили существенно менее вредны для экологии, чем их ДВС-аналоги». С учетом выбросов энергоемкой нефтепереработки удельные выбросы СО2 электромобиля Mitsubishi i-MiEV в 2,2 раза ниже, а расход условного топлива в 4,2 раза ниже, чем у его бензинового собрата Mitsubishi Colt.
Проблема батареи
Для профессиональной количественной оценки углеродного следа от эксплуатации электромобиля необходимо учитывать целый ряд изменяющихся факторов, а именно: 1) выбросы, связанные с добычей сырья и его транспортировкой до электростанций; 2) выбросы от сжигания топлива для производства электроэнергии; 3) потери электроэнергии при доставке до потребителя; 4) эффективность электромобиля. Для бензинового автомобиля следует принимать во внимание выбросы, связанные c: 1) добычей нефти; 2) транспортировкой сырой нефти на НПЗ; 3) нефтепереработкой; 4) доставкой топлива на АЗС и 5) его сжиганием в двигателе транспортного средства.
Такое всеобъемлющее исследование, названное «Экологические чистые автомобили от создания до утилизации», подготовил Союз обеспокоенных ученых (Union of Concerned Scientists).
В работе доказывается, что в США, где уголь и природный газ занимают в структуре генерации примерно равные доли (33%), использование электромобилей оправдано с экологической точки зрения в любом штате независимо от веса того или иного источника энергии.
Выбросы парниковых газов в процессе эксплуатации электрического транспортного средства (154 г выбросов в СО2-эквиваленте на милю) в среднем меньше углеродного следа бензинового автомобиля (381 г) почти в 2,5 раза. Разумеется, в штатах с более высокой долей ВИЭ в энергобалансе преимущества электромобилей выражены сильнее, и наоборот.
Выбросы парниковых газов возникают не только в связи с эксплуатацией транспортных средств, но и в процессе их производства и утилизации. Электромобиль дешевле (без учета батарей) и проще в производстве, так как состоит почти из в три раза меньшего количества деталей и компонентов.
Тем не менее по причине энергоемкости изготовления аккумуляторов удельные выбросы в процессе производства электромобилей сейчас выше на 15–68% в зависимости от класса. Однако их доля в суммарных выбросах за весь жизненный цикл транспортной единицы невелика.
Поэтому в соответствии с результатами исследования совокупный углеродный след электромобиля на американском рынке за весь срок его существования примерно в два раза меньше, чем у автомобиля с ДВС.
Данный вывод в основном справедлив и для России, где в электроэнергетике доминирует природный газ и высока доля атомной и гидроэнергетики.
Сегодня мы наблюдаем бурное развитие ВИЭ, в первую очередь солнечной и ветряной энергетики, и одновременно постепенное сжимание доли угля в производстве электричества. В США с 2006 года она сократилась с 49 до 33%.
Меньше угля стал потреблять Китай, закрытие всех угольных электростанций к 2025 году планирует Великобритания.
Таким образом, мировая энергетическая система постепенно «очищается», снижая тем самым углеродный след электрического транспорта и увеличивая его экологические преимущества перед автомобилями с двигателем внутреннего сгорания.
Точка зрения авторов, статьи которых публикуются в разделе «Мнения», может не совпадать с мнением редакции.
Возможная проблема утилизации электромобилей
- Один миллион электромобилей, проданных по всему миру в 2017 году, в конечном итоге приведет к 250 000 тоннам отходов аккумуляторных батарей, с которыми мировая инфраструктура переработки может не справиться.
- И, хотя электромобильные аккумуляторы могут работать до 20 лет, объемы образующихся от них отходов будут огромны, так как продажи электромобилей из года в год будут стремительно расти.
- 1. Переработанные литий-ионные батареи от электромобилей могут стать ценным источником вторичных материалов
Отходы в виде отслуживших литий-ионных аккумуляторных батарей представляют собой ценный ресурс.
Элементы и материалы, содержащиеся в батареях электромобилей, отсутствуют в недрах многих странах, а доступ к этим ресурсам сегодня имеет решающее значение для всех. Первоначальные опасения по поводу нехватки природных ресурсов для расширения производства литий-ионных аккумуляторов были связаны с литием.
Однако сегодня, более сильное беспокойство вызывают запасы кобальта, которые географически, в основном, сосредоточены в политически нестабильной Демократической Республике Конго. Сейчас некоторые страны утверждают, что отслужившие батареи с высоким содержанием кобальта следует немедленно перерабатывать для обеспечения поставок данного металла.
Прогнозируется, что годовой спрос на литий превысит текущие показатели добычи на рудниках уже к 2022 году, а к 2050 году спрос на кобальт может превысить известные планетарные запасы. В этот момент миллионы тонн этих ценных металлов, «запечатанные» в отслуживших аккумуляторах от электромобилей, станут довольно привлекательным ресурсом.
Если мы рассмотрим два основных способа первичного производства лития, то для получения одной его тонны требуется 250 тонн минеральной руды сподумен или 750 тонн обогащенного минералами рассола. Переработка огромного количества сырья при производстве лития приводит к значительному негативному воздействию на окружающую среду.
Напротив, для вторичного производства 1 тонны лития потребовалось бы только 28 тонн использованных литий-ионных батарей (около 256 батарей).
Негативное влияние производства литий-ионных батарей на окружающую среду может быть значительно уменьшено, если повысить степень извлечения материалов из аккумуляторных батарей с истекшим сроком эксплуатации.
Стоит добавить, что повторное использование аккумуляторов считается предпочтительным по сравнению с рециркуляцией , так как в литий-ионные аккумуляторы заложена очень высокая стоимость.
Например, такой показатель как ESOI (аккумулированная энергия по отношению к затраченной энергии — соотношение между энергией, которая будет храниться в течение всего срока использования аккумулятора, к энергии, которая была затрачена для производства аккумулятора) у литий-ионных батарей пока не очень высокий.
Сегодня он составляет 32 (для гидроаккумулирующей электростанции – 704, для свинцовых аккумуляторов – 5). Но этот показатель соотношения энергий можно улучшить, если отслужившие батареи от электромобилей использовать вторично в других приложениях. Литий-ионные аккумуляторы для электромобилей могут работать в течение 15–20 лет, в три раза дольше, чем свинцовые аккумуляторы.
Выгодные приложения для повторного использования также могут компенсировать будущие затраты на переработку этих батарей. Сейчас в некоторых регионах мира уже развивается здоровый рынок перепрофилирования отслуживших аккумуляторов от электромобилей в хранилища энергии, спрос на которые очень скоро может опередить предложение.
Однако, использование аккумуляторов в энергосистемах пока развивается лишь в тех регионах, где законодательная база позволяет это.
В настоящее время, решение о том, утилизировать или повторно использовать отслужившие аккумуляторы для автомобилей твердо стоит в пользу повторного использования не только с экономической точки зрения:
2. Технологии утилизации и переработки литий-ионных батарей пока что не совершенны, проблематичны и высокозатратны
Сегодня рециркуляция литий-ионных батарей, в основном, происходит при помощи плавления батарей до шлака, а затем используются методы химического разделения, которые восстанавливают некоторые металлы, такие как кобальт. Данный метод подразумевает пиро- и гидрометаллургические процессы, которые являются энергоемкими и производят побочные токсичные газы, а извлекаемые материалы часто имеют низкое качество.
Для повышения эффективности процессов восстановления и переработки аккумуляторные блоки должны быть разобраны как минимум до уровня модуля. Однако, опасности, связанные с разборкой аккумулятора, многочисленны.
Разборка таких аккумуляторных блоков требует обучения работе при высоковольтном напряжении для предотвращения поражения электрическим током или короткого замыкания блока. Короткое замыкание приводит к быстрому разряду, который может вызвать нагрев и тепловой разгон.
Последний может привести к образованию особенно вредных побочных продуктов, включая газообразный фтористый водород, который вместе с другими газообразными продуктами может привести к взрыву элементов.
Элементы батарей представляют химическую опасность из-за легковоспламеняющихся электролитов, токсичных и канцерогенных электролитных добавок и потенциально токсичных или канцерогенных электродных материалов. Кроме того, ручной демонтаж в странах с высокими затратами на рабочую силу неэкономичен по сравнению с доходами от извлеченных материалов или компонентов.
Многие компании применяют свои НОУ-ХАУ при производстве аккумуляторов, поэтому отслужившие батареи от электромобилей обладают широким разнообразием физических конфигураций, типов и химии ячеек.
Конструкция существующих батарейных блоков не оптимизирована для легкой разборки. Использование адгезивов, методов склеивания и крепежа не поддается легкому разрушению ни вручную, ни с помощью оборудования.
Многие из перечисленных проблем могли бы быть решены, если бы производители батарей их учли на ранних стадиях процесса проектирования.
Сегодняшние технологии пока что не подразумевают демонтаж элементов батарей, так как сделать это практически невозможно. Батареи, в лучшем случае, разбираются на модули, которые затем попадают в измельчитель или высокотемпературный реактор, где они одновременно пассивируются.
Но при этом для последующего извлечения материалов из батарей требуется сложный набор физических и химических процессов. Например, процессы пирометаллургической переработки в промышленном масштабе могут принять любые модули электромобильных аккумуляторов без их разборки.
Однако, это решение не позволяет использовать энергию, которая еще остается в аккумуляторах, а также приводит к усложнению химических методов разделения, так как подаваемый в процесс материал представляет собой разнородную смесь.
Усложненность процесса и большое количество образующихся при этом отходов снижает экономическую эффективность данных методов переработки.
Роботизированный демонтаж аккумуляторных батарей может снизить риск причинения вреда работникам, а повышение автоматизации приведет к снижению затрат, что потенциально сделает экономически выгодной переработку.
Автоматизация также может улучшить механическое разделение материалов и компонентов, повысить чистоту сегрегированных материалов и повысить эффективность процессов разделения.
Современные технологии робототехники, компьютерного зрения и искусственного интеллекта для работы с отходами уже существуют, и эти системы продемонстрировали достаточную надежность и безопасность. В настоящее время, эти технологии адаптируются к решению острой проблемы разборки аккумуляторных батарей.
С ростом объемов электромобильных аккумуляторов, поступающих на утилизацию, будут обостряться проблемы экономической целесообразности существующих методов переработки.
ДИАГРАММА современных процессов переработки аккумуляторов от электромобилей
3. Umicore всех спасет
Компания Umicore является пионером в области утилизации электромобильных аккумуляторов. Сегодня это единственный переработчик Li-ion и NiMH аккумуляторных батарей, который вообще не подвергает их демонтажу или разборке. Батареи целиком загружаются прямо в печь-реактор UHT.
При этом литий в пирометаллургическом процессе Umicore не извлекается, а уходит в шлак, переработка которого еще не разработана. А металлы катода: кобальт, никель и медь извлекаются не полностью, всего лишь на 70% от их исходного содержания.
Но это пока единственная технология, которая может быстро, хотя и временно, решить проблему роста отходов отслуживших электромобилей.
Сейчас в Европе, Китае и США вся ответственность за утилизацию литий-ионных батарей лежит на производителях электромобилей. Поэтому Umicore сотрудничает в программе утилизации со многими из них.
Компания объединилась не только с Tesla, но и с другими производителями автомобилей, такими как Audi и BMW.
В исследовательской программе с BMW и шведской Northvolt разрабатывается схема повторного использования замкнутого цикла, которая будет начинаться с разработки аккумуляторных элементов по окончании срока службы и повторного их использования в качестве стационарных накопителей энергии. Когда срок службы аккумуляторов действительно подойдет к концу, схема направлена на их переработку и повторное использование сырья, и, следовательно, замыкание цикла.
Пирометаллургические и гидрометаллургические технологии проигрывают от высоких капитальных затрат и низкого качества извлеченных металлов, и, если необходимо обеспечить всецелую пригодность отслуживших электромобильных аккумуляторов как источника вторичного сырья, то срочно требуются альтернативные методы.
Существуют более усовершенствованные технологии переработки аккумуляторных батарей в Европе и Северной Америке. Это такие процессы как Recupyl (Франция), Akkuser (Финляндия), Duesenfeld (Германия) и Retriev (США / Канада) – см. Диаграмму.
Но все они включают в себя процесс разрушения и измельчения элементов батарей, так как последние демонтировать невозможно ввиду их изначального дизайна.
Так как компании – производители электромобилей теперь должны взять на себя ответственность за утилизацию и переработку отслуживших аккумуляторов, то логично ожидать, что скоро появятся литий-ионные батареи с легкоразборными элементами. Тогда такие батареи можно будет перерабатывать по технологии прямого рециклинга, которая сейчас широко обсуждается.
При прямом рециклинге аккумуляторная батарея подвергается роботизированному демонтажу полностью, катоды извлекаются и восстанавливаются для использования в новых батареях без процесса разделения их на отдельные металлы.
Системы искусственного интеллекта, которые могут идентифицировать и сортировать батареи любых форм и размеров сейчас разрабатываются в университетах, стартапах и даже в таких авторитетных компаниях, как Tesla, которая в этом году объявила, что будет разрабатывать подобную систему утилизации аккумуляторов на своем Gigafactory. На производственных площадках Gigafactory переработанный материал будет немедленно использоваться повторно.
У компании Tesla уже есть несколько стратегий утилизации. Конечной целью компании является переработка и/или повторное использование всех его аккумуляторов — от смартфонов до электромобилей. Что касается процесса переработки, то Tesla также сотрудничает с Kinsbursky Brothers в Америке и Umicore в Европе.
В то время как результатом сотрудничества с первой стало возможным перерабатывать 60% литий-ионных аккумуляторных батарей, разработки с Umicore позволяют создать системы рециклинга закнутого цикла.
Кроме того, Tesla запатентовала идею станции замены батареи, где батарея электромобиля может быть заменена на новую по окончании срока службы, в то время как старая будет в процессе переработки.
4. Тщательное управление ресурсами для производства и утилизации электромобильных аккумуляторов является ключом к устойчивости автомобильной промышленности и безопасности населения
В мире уже широко признается тот факт, что хранение (или, что еще хуже, захоронение) и оптовая транспортировка отслуживших аккумуляторов от электромобилей являются небезопасными вариантами обращения с данными отходами. Данная проблема требует срочных региональных решений.
Большие концентрации отслуживших литий-ионных батарей — будь они для ремонта, переработки, демонтажа или окончательной утилизации — могут создавать серьезные проблемы.
Поскольку материалы электродов в литий-ионных батареях гораздо более химически активны, чем резина шин, без упреждающей и экономически обоснованной стратегии обращения с данными отходами потенциально существуют серьезные опасности, связанные с их хранением.
Например, в Китае уже создается котролируемая и безопасная система приемки, хранения и транспортировки отслуживших электромобильных аккумуляторов.
Неделю назад правительство Китая внесло дополнения в Мандат по транспорту на новых энергоносителях, где обязало производителей транспортных средств к созданию и стандартизации заводов по переработке аккумуляторных батарей для электромобилей.
Этими объектами будут пользоваться сами производители электромобилей, производители аккумуляторов, компании по авторазборке, интегрированные энергетические компании и другие.
В руководстве Министерства промышленности и информационных технологий Китая (MIIT), описываются два типа перерабатывающих предприятий, которые отрасль должна создать в зависимости от региональных потребностей.
Оба типа должны быть расположены в административных районах, где компании продают электромобили.
Небольшие центры переработки «приемочного типа» будут предназначены для временного хранения и ограничены вместимостью 5 тонн батарей, в то время как в более крупных центрах «типа концентрированного хранения» смогут долгосрочно храниться от 30 тонн батарей.
Крупные центры требуются в районах, где компании хранят более 8000 отслуживших транспортных средств на новых энергоносителях или где существующие перерабатывающие предприятия имеют недостаточные площади для хранения аккумуляторных батарей или же не соответствующие стандартам безопасности.
Эти специализированные центры по утилизации аккумуляторов от электромобилей должны принимать, сортировать, хранить, упаковывать и отгружать изношенные устройства. При этом разбирать их для любых целей, кроме как для проведения инспекций по безопасности, запрещено.
Ожидается, что там также будут использоваться цифровые инструменты для отслеживания и сбора данных о запасах на хранении, а информация будет передаваться производителям электромобилей, которые, в свою очередь, должны будут своевременно сообщать свои данные об утилизации батарей.
Действующие перерабатывающие предприятия в течение 6 месяцев должны выполнить требования руководящего документа.
Принятая директива обновляет положения Мандата 2018 года об утилизации электромобильных аккумуляторов, в котором министерство также настоятельно призывало производителей электромобилей и аккумуляторов совместно строить пилотные проекты по их утилизации в нескольких крупных городах Китая.
На производительность переработки электромобильных аккумуляторов сильно влияет целый ряд не технических факторов, таких как характер сбора, приемки, транспортировки, хранения и логистики по окончании их срока службы. Поскольку они различны по странам и регионам, из этого следует, что в мировом масштабе эти проблемы пока решаются по-разному.
5. А как в России?
Таким образом, хранение использованных батарей потенциально небезопасно и вредно для окружающей среды. Отслужившие батареи должны быть в кратчайшие сроки диагностированы и перепрофилированы для повторного использования. При этом, использование аккумуляторов в энергосистемах должно регламентироваться законодательной базой.
После повторного использования аккумуляторы в кратчайшие сроки должны быть переработаны, а выделенные материалы тут же использованы для производства новых батарей. Все это требует создания оперативной и безопасной системы по обращению с использованными электромобильными аккумуляторами на федеральном уровне.
Ситуация со сбором и утилизацией автомобильных аккумуляторов, а также с их использованием в энергосистемах в России находится на стадии постепенной легализации. К сожалению, федеральных документов по данным вопросам в России сейчас нет. Существуют локальные законодательные инициативы, но этого явно недостаточно.
Вот почему крайне необходимо создать инфраструктуру по утилизации и повторному использованию аккумуляторов от электромобилей как можно скорее, а также разработать совершенные технологии по их переработке внутри страны.
Алла Бриттанова, 15-11-2019
Загрузка...
