Recykling akumulatorów. Co zrobimy z ogniwami, które skończyły swój żywot?

Oto #HIT2021. Przypominamy najlepsze materiały mijającego roku.

"Zostaniemy ze złomem”, "nikt nie będzie tego naprawiał", "baterie padną po pierwszej zimie" – nie trzeba szukać daleko by znaleźć masę "mądrości" dot. samochodów elektrycznych. Nie powinno to jednak dziwić – biorąc pod uwagę drogi całego świata, zaledwie co 250. z nich wykorzystuje jednostkę elektryczną.

Łatwo jest dyskredytować pojazdy elektryczne, a jednym z najczęściej przywoływanych argumentów jest miks energetyczny Polski, który w znaczącym stopniu opiera się na węglu. Trzeba jednak pamiętać, że elektrownie podlegają bardzo restrykcyjnym warunkom emisji, które są pod ciągłą kontrolą. Samo wydzielanie spalin ma miejsce powyżej pułapu tzw. emisji niskiej (40 metrów nad ziemią), ale też wyprowadzone jest poza centrum miasta, co już działa pozytywnie na zdrowie ich mieszkańców.

Ponadto trzeba uwzględnić cały cykl paliwowy. To, co trafi do baku, musi być transportowane do miejsca docelowego tankowania. To oznacza dodatkową emisję. Takiego problemu nie ma w przypadku pojazdów elektrycznych, bowiem zwykłe gniazdko można znaleźć w każdym domu.

W krajach skandynawskich nie było dużego problemu z przestawieniem się na elektromobilność. Prawdopodobnie w kwietniu 2022 roku z tamtejszych salonów nie wyjedzie już żadne auto spalinowe. W Polsce, jeśli nie widzieliście jeszcze "elektryka" na własne oczy, nie jesteście sami. Na razie w Polsce jest ich zaledwie 15 tys.

15 tys. na polskich drogach, ale na całym świecie ta liczba wynosi już 11 mln. Według prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej ta liczba wzrośnie do 145 mln egzemplarzy w 2030 roku. Deloitte z kolei informuje, że wówczas rocznie na drogi wyjedzie 30 mln elektryków, w czym pomoże chociażby ban na sprzedaż samochodów spalinowych. Potęgą mają być Chiny z 49 proc. elektryków. Europa będzie miała 27 proc., Stany Zjednoczone z kolei 14 proc. Wszyscy za to będą mieli problem z akumulatorami.

Bardzo dużo materiałów, przez które menadżerom wysokiego szczebla włos jeży się na głowie. Mówimy tu o licie, kobalcie, manganie, miedzi, ołowiu, niklu, ale i dysprozie, prazeodymie czy neodymie. Spośród pierwiastków potrzebnych do budowy samochodu elektrycznego ok. 17 proc. zaliczamy do metali rzadkich. Mają to do siebie, że są, no cóż, rzadkie. Co gorsza dla Europy czy Stanów Zjednoczonych, 36 proc. ich zasobów znajduje się w Chinach, które odpowiadają za 80 proc. światowej produkcji. Daje im to quasi-monopol i możliwość sterowania rynkiem.

Nie za ciekawie prezentuje się też kwestia kobaltu. Ponad połowa światowych zasobów tego pierwiastka znajduje się w Demokratycznej Republice Konga. Jeszcze kilka lat temu 58 proc. globalnej "produkcji" miało miejsce w tym kraju. Na drugim miejscu uplasowała się Rosja, która dostarczyła na rynek 5 proc. Za sprawą takiej dysproporcji mowa o kolejnych "krwawych diamentach tej dekady", które są odpowiedzialne za elektryczną rewolucję na światowych drogach, nie jest przesadą. Warunki pracy w kopalniach są tragiczne, zatrudnia się dzieci, a dniówki przy wydobyciu to zazwyczaj mniej niż 2 dolary.

Takich problematycznych miejsc jest więcej. Nikiel trafia na rynek z Filipin (to drugi producent na świecie), lecz 26 kopalni zostało tam zamkniętych w związku z kwestiami ekologicznymi. Jakby tego było mało, 52 proc. zapotrzebowania na ten pierwiastek to rynek chiński. Niezbędny lit jest w rękach Australii. Nazwany "białą ropą" jest poszukiwany przez producentów akumulatorów, bowiem pozwala na magazynowanie dużej ilości energii względem swojej masy. Dla Europy istotne są złoża w Portugalii mające ok. 280 tys. ton. Dla porównania - istotne złoża w Zimbabwe mają "tylko" 23 tys. ton. Tylko podczas ostatniego roku ceny litu wzrosły dwukrotnie. Do końca dekady mają być już 5-krotnie większe.

Przeciętne ogniwo jest w stanie wytrzymać ok. 1000 cykli ładowania. Na pełnym akumulatorze elektryk dostępny w salonie może przejechać ok. 300 km, choć to dolna granica. To daje ok. 300 tys. km zanim ogniwo będzie do wymiany. Tyle w teorii. W praktyce pierwsze egzemplarze Nissana Leafa jeżdżące w krajach o wysokiej temperaturze powietrza miały problemy z utrzymaniem zasięgu, co wymusiło przedłużenie gwarancji i zmiany "w chemii" ogniwa. Spadki w teslach są marginalne - według badań Plug In America właściciele stracą 23 mile (ok. 37 km) po przejechaniu 160 tys. km. BMW z kolei nigdy nie musiało wymienić akumulatora w BMW i3 z powodu wieku.

Co jednak można zrobić z takimi "zmęczonymi" ogniwami? Trzeba cofnąć się do maja 2019 roku. Gdy po berlińskim Templehofer Feld gnały elektryczne bolidy formuły E, niewiele dalej przedstawiciele marki Audi prezentowali mediom gigantyczny magazyn energii. Mający pojemność 1,9 MWh jest w stanie utrzymać i oświetlić cały 5,5-hektarowy EUREF kampus przez 2 godziny. Przypominające serwerownię pomieszczenie służy testom i mieści akumulatory, które wcześniej znajdowały się w samochodach. Jeśli opierasz sieć na energii odnawialnej - zależnej od warunków pogodowych - taka infrastruktura jest po prostu konieczna.

Nissan również zauważył, że akumulatory mogą służyć jako mobilne banki energii. Trzeba będzie przecież jakoś ją magazynować. Największy taki bank znajduje się w Holandii i składa się z 148 modułów usuniętych z samochodów. Z kolei w Brazylii akumulatory montowane są przy domach. Biorąc pod uwagę, że zużycie dzienne wynosi średnio 5,66 kWh, wytrzymają one ok. trzech dni.

Nissan skupia się na znalezieniu nowych zastosowań starych ogniw. Jeszcze zanim w ogóle Leaf pojawił się na rynku, firma już pracowała nad ich recyklingiem. Podczas rozbiórki stan elementów jest oceniany, a niektóre z nich trafiają nawet do nowych leafów. Firma stwierdza, że taki akumulator ma jeszcze 10-15 lat życia po wyjęciu z samochodu.

W tym samym tonie wypowiada się Volkswagen. Akumulatory, które nie nadają się nawet do stacji ładowania, trafią na przemiał. Na razie Niemcy eksperymentują z obiektem w Salzgitter, gdzie rozbiera się 3600 ogniw rocznie (to ok. 1500 ton), głównie z eksperymentalnych, firmowych e-golfów.

Zrezygnowano z przetopu surowców, zamiast tego rozmontowuje się akumulatory ręcznie, a pojedyncze elementy są rozdrabniane do postaci proszku. Ten rozdziela się za pomocą hydrometalurgii, czyli wody i środków chemicznych. Renault robi to samo w przypadku ZOE. Francuzi stwierdzają, że są w stanie "wyciągnąć" z ogniwa 85 proc. kobaltu. Unia Europejska chce narzucić normy recyklingu akumulatorów, których spełnienie będzie wymagane od producentów aut. Na twarde przepisy raczej jeszcze poczekamy.

Tak, jak Japończycy mają zupełnie inne wtyczki niż te, które znajdziemy w modelach Tesli, tak i same akumulatory znacząco się od siebie różnią, przez co ich recykling jest jeszcze bardziej skomplikowany. Ogniwa w Nissanie Leafie przypominają sakiewkę o grubości 7,9 mm. Mają sporo manganu, ale mało kobaltu. Pirometalurgia (czyli w skrócie: stopienie w dużym piecu) nie jest specjalnie opłacalne, a co więcej, ciężko taki akumulator otworzyć. W tesli z kolei cylindryczne cele połączone są żywicą epoksydową, więc ich wyjęcie graniczy z cudem. A jeśli weźmiemy pod uwagę ogniwa z BMW i3, za które odpowiada Panasonic, okaże się, że mamy bardzo dużo akumulatorów, które trzeba rozebrać ręcznie.

Do tego potrzeba ludzi. Ankieta przeprowadzona przez Instytut Przemysłu Motoryzacyjnego w Wielkiej Brytanii wskazała, że jeszcze w 2015 roku mechaników samochodów elektrycznych było zaledwie 1000, a kolejna grupa 1000 z nich dopiero się szkoliła. Było to mniej niż 2 proc. wszystkich brytyjskich mechaników.

Można oczywiście spojrzeć na dotychczasowe doświadczenia producentów elektroniki. W przypadku iPhone’a 6 stworzono linię, która była w stanie rozebrać 1,2 mln telefonów w ciągu roku. Niestety, składająca się z 29 robotów ścieżka okazała się mało elastyczna i nieopłacalna w przypadku pojedynczego modelu telefonu. Zwłaszcza, że "chodziły" one na rynku używek o wiele drożej, niż oferowało samo Apple. Tak samo jest w przypadku większych akumulatorów, choć to nie oznacza, że nie próbowano.

Volkswagen chce zunifikować ogniwa dla wszystkich swoich pojazdów, co oznaczałoby zmniejszenie ich kosztów produkcji nawet o 50 proc. w najtańszych modelach, a więc i tańsze samochody. Cel to mniej niż 100 euro za kilowatogodzinę. Według analiz Bloomberga, w 2015 roku akumulator stanowił 57 proc. ceny samochodu. To zmienia się niemal z roku na rok – w 2010 roku za 1 kWh ogniwa płacono 1037 euro, podczas gdy w 2018 było to już 160 euro, a w 2024 roku ma spaść poniżej 90 euro. Tylko, że to nie jest takie proste.

Do masowej wymiany akumulatorów jeszcze daleka droga. Co więcej, nawet jeśli teraz opracujemy sposób na wykorzystanie danego typu akumulatorów, w momencie jego wejścia w życie cały pomysł może być przestarzały. Wystarczy powiedzieć, że Tesla udostępnia w swoich samochodach różne rodzaje akumulatorów, w tym z mniejszą ilością kobaltu, a większą fosforu.

To dopiero początek drogi, a przejście na napęd elektryczny - zarówno w mieście, jak i na trasie - to kwestia czasu. Rewolucję trzeba jednak przeprowadzić tak, by samochody były jak najmniej uciążliwe dla środowiska, a jednocześnie dalej były w miarę przystępne dla mas - bo przecież dlatego taką popularność zdobyły auta spalinowe.