Prednedávnom som mal v rámci Smart Roadshow v Nitre možnosť hovoriť o svojich skúsenostiach s elektromobilom a prezentovať môj pohľad na časté námietky voči BEV. Nebola to pre mňa prvá akcia tohto charakteru, žiaľ, pre krátkosť času som sa k niektorým otázkam nemohol širšie vyjadriť, ako by si to vážnosť témy zaslúžila. Preto som požiadal redakciu portálu mojelektromobil.sk o poskytnutie priestoru k občasnému zverejneniu nedeľnej chvíľke výlevu spoza klávesnice. Túto nedeľu by som si zobral opakujúcu sa otázku: Čo budeme robiť so starými batériami?
Mienka spoločnosti je taká, že neexistujú žiadne metódy, postupy, že vôbec nič sa s nimi nerobí. A je to časovaná bomba, keďže v podstate ide o nebezpečný odpad. Obzvlášť v prípade poškodených batérií prichádza otázka, ako je možné ich recyklovať bez ohrozenia zdravia alebo dokonca života.
Stručne z histórie
Lítiové batérie nie sú žiadna novinka, ktorá by sa začala používať od príchodu elektromobilov.
Úvodom by sme si mali pripomenúť, že technicky správnejšie by mal byť termín akumulátor namiesto batérie. Keďže článok slúži na viacnásobné uchovanie elektrickej energie, vieme ich nabíjať. Prvé komerčné lítiové akumulátory vyrobila firma SONY už v roku 1991. Tu, milý čitateľ, by som ťa rád požiadal trochu sa poobzerať okolo seba. V podstate každý mobil, notebook, tablety, hodinky, ovládače, bezdrôtové klávesnice, myši, autonómne senzory, záložné a núdzové zdroje, vysávače, e-bicykle, kolobežky, vŕtačky, mixéry, kardiostimulátory, … Tu všade sú lítiové akumulátory.
Ročne len v Európe vyhadzujeme obrovské množstvo akumulátorov, oficiálna štatistika uvádza 212 000 ton v roku 2015. Dovolím si tvrdiť, že toto číslo je teraz ku koncu roka 2019 výrazne vyššie. A to nie sú akumulátory z elektro áut, sú to články zo spotrebnej elektroniky, vrátane nabíjateľných „bateriek“ typu AA a podobne. Pričom máme platnú legislatívu, ktorá nariaďuje, že minimálne 50 % všetkých batérií musí byť vyzbieraných na recykláciu.
Dokonca od 2020 sa tento limit dvíha na 65 %, aby sa zabránilo plytvaniu prírodných zdrojov, končiacich inak bez triedenia na skládkach odpadov. Nakladanie a spracovanie batérií v Európskej únii sa riadi smernicou Európskeho parlamentu a rady číslo 2006/66/EU. Žiaľ, nepodarilo sa mi získať údaj, ako úspešne sa toto číslo dodržiava na Slovensku.
V celej únii je len zopár krajín, ktoré už teraz tieto limity spĺňajú, ale aj taká veľmoc, ako je Nemecko, sa pohybuje len tesne nad 50 %. To sa týka batérií, veľká časť akumulátorov je súčasťou elektro šrotu. Jednoducho sa zariadenia drvia a nejakým spôsobom sa likvidujú, v duchu zíde z očí, zíde z mysle. Asi všetci viete, kde sa tento elektro šrot nakoniec objaví.
Najčastejšie je to niektorá z afrických krajín. Tam skončia aj všetky komponenty týchto zariadení a medzi nimi sú aj spomínané lítiové akumulátory. Preto téma recyklácia akumulátorov je veľmi horúca a určite nielen od momentu šrotovania prvého elektromobilu. Teraz však nastáva moment, kedy lítiový akumulátor výrazne naberá na veľkosti a v budúcnosti musíme rátať, že ich počet sa bude exponenciálne zvyšovať.
Začalo to boomom e-bicyklov a inváziou elektrických kolobežiek. Keď takmer každý deň prichádza nová spoločnosť s ich prenájmom a následne opakovane ich nachádzame v riekach, priekopách alebo lesoch. Aj tu je problém a je potrebné niečo s tým spraviť. A ono sa s tým aj niečo deje. Odhliadnuc od legislatívy, ktorá podľa mňa nestíha pokrývať všetky spojitosti, treba si uvedomiť, že v prípade elektro áut hovoríme o úplne iných dimenziách.
Akumulátor elektromobilu Tesla. Zdroj: teslaupdates.co
Recyklácia
Ako je teda možné recyklovať akumulátor elektrického vozidla? Po chemickej stránke základným rozdielom medzi batériami a akumulátormi s obsahom lítia je, že katóda batérie je tvorená kovovým lítiom a batérie obsahujú netoxické kovy. Akumulátory neobsahujú kovové lítium.
Riziko pri recyklácii je v exotermickej reakcii pri styku vodnej pary s kovovým lítiom, preto je výrazne vyššie pri batériách, než pri akumulátoroch. Pri akumulátoroch treba riešiť vyššie koncentrácie kovov Ni a Co. Lítiové akumulátory pozostávajú z ťažkých kovov, organických chemikálií a plastov v zastúpení 5-20 % Co, 5-10 % Ni, 5 – 7 % Li, 15 % organických chemikálií a 7 % plastov.
Existujú rôzne metódy, ale v súčasnosti najčastejšie nasadzovaná recyklačnými spoločnosťami je metóda termickým rozkladom, a to pracujúcim v uzavretom cykle. Recyklujú sa Li-ion, Li-polymer a NiMH články. V tomto procese sa použité články priamo vsádzajú do pece bez akéhokoľvek predspracovania drvením, demontážou, kalcináciou, pyrolýzou a pod. Plasty plnia úlohu redukovadla a zdroja energie.
Kovy sa roztavia a koncentrujú do zliatiny. Príkladom tohto postupu je belgická spoločnosť UMICORE, japonská SONY, nemecká ACCUREC, francúzska CITROEN a mnohé ďalšie. Účinnosť týchto metód sa pohybuje na úrovni 60 %, hlavnou príčinou je paradoxne časté ignorovanie práve lítia ako recyklovateľného komponentu.
Recyklačné centrum spoločnosti UMICORE v meste Hoboken
Málo akumulátorov na vyraďovanie
Stretávajú sa tu dva faktory, jedným je relatívne nízka trhová hodnota lítia a koncentrácia v samotných akumulátoroch v porovnaní s cenou Co, Ni, Cu, Al, ako aj veľmi nízke počty recyklovaných akumulátorov. Podľa údajov spracovateľských spoločností pre rentabilné recyklovanie lítia sa musí päťnásobne zvýšiť prísun veľkých akumulátorov. V súčasnosti nie je z prevádzky vyraďovaný dostatočný objem akumulátorov.
To sa, samozrejme, zmení do budúcnosti otvorením nových výrobných závodov samotných automobiliek. Potom bude každý zdroj lítia vítaný a recyklácia sa stane rentabilnou. Zariadenia sú bežne dimenzované na spracovanie okolo 7000 ton ročne. V súčasnosti sú vyťažené prevažne spracovaním malých batérií. Výhodou ich prevádzky je veľmi jednoduché spracovanie aj poškodených akumulátorov bez nutnosti ich hĺbkového vybitia. V prípade kompletnej recyklácie je momentálna technologická hranica niekde na úrovni 80 % spätnej vyťažiteľnosti.
Avšak aj v súčasnosti sú v prevádzke technológie, ktoré komerčne recyklujú batérie až na úrovni 96 %. Napríklad nemecké spoločnosti Duesenfeld a Redux pri spracovaní akumulátorov aj batérií aplikujú hydrometalurgické spôsoby. Výnimočnosťou týchto spoločností je využitie zvyškového napätia v článkoch, keď priamo v závodoch sú hĺbkovo vybité a ich energia použitá práve na beh samotnej recyklačnej linky.
Články sú drvené v dusíkovej atmosfére, práve pre zabránenie reakcie vody s lítiom a hroziacemu termálnemu eventu. Toto umožňuje spracovanie aj poškodených akumulátorov a batérií, ktoré nebolo možné kompletne zbaviť zvyškového napätia. Získaný granulát sa opakovane drví až na prach, z ktorého sa pomocou elektrochemických procesov, ako aj lúhovaním v kyselinách získavajú jednotlivé kovy.
Zdroj: John Wiley & Sons 2016. scCO2 : supercritical carbon dioxide
Počet týchto a podobných moderných liniek je obmedzený nízkym množstvom dostupných veľkých akumulátorov. Samozrejme, sem-tam sa vyskytne porucha na jednotlivých vozidlách, prípadne je nutné zlikvidovať vrak po havárii. Avšak, ich počet zďaleka nedokáže vyťažiť, nieto ešte preťažiť spracovateľské kapacity. Závody sú dimenzované na spracovanie vyše 3000 ton veľkokapacitných akumulátorov ročne.
Životnosť akumulátorov
Ako som už vyššie krátko spomenul, životnosť veľkých akumulátorov vysoko prekračuje skúsenosti s bežnými článkami aj napriek mylnej domnienke verejnosti, že ich životnosť je maximálne 2 roky. Z dlhodobých štúdií moderných akumulátorov vyplýva, že vysoko presahuje 1200 nabíjacích cyklov s garanciou 70 – 80 % (záleží od konkrétneho výrobcu) pôvodnej kapacity.
Zoberme si taký Hyundai Kona so 64 kWh batériou. Jeho priemerná spotreba je 14,76 kWh/100 km (vzorka 41 vozidiel www.spritmonitor.de). Takže konzervatívnych 1200 cyklov krát 64 kWh dostaneme 76 800 kWh energie, na ktorú by sme teoreticky mohli prejsť 520 000 kilometrov. Samozrejme, niečo sa minie na kúrenie, klimatizovanie, tepelné a mechanické straty, ako aj postupnú degradáciu akumulátora. Aj pri 70 % účinnosti je to stále 364 000 kilometrov. Milý čitateľ, koľko kilometrov ty najazdíš ročne?
Podľa Štatistického úradu Slovenskej republiky by si to mal zvládnuť za 30 rokov. Takže obávať sa, že nás za tri roky zaplaví nekontrolovateľné množstvo akumulátorov, je absolútny nezmysel. Veď aj keď využiteľná kapacita akumulátoru by klesla na 70 %, stále môže ešte dlhé roky slúžiť ako stacionárne úložisko elektrickej energie.
Keď elektromobilu už nestačí
Už teraz na mnohých veľkých nepredikovateľných zdrojoch obnoviteľnej energie ako je vietor a slnko, sú nasadzované staré akumulátory pre vykrývanie nerovnomernej výroby elektrickej energie.
Štadión Ajax Amsterdam s fotovoltaickými panelmi na strešnej konštrukcii. Foto: Johan-Cruijff-ArenA
Krásnym príkladom je futbalový štadión Ajaxu Amsterdam, kde v jeho útrobách „zaparkovali“ 148 akumulátorov z prvej generácie Nissan Leaf ako úložisko s kapacitou 4 MWh a výkonom 3 MW k na streche štadióna inštalovanej fotovoltickej elektrárne.
Batériové úložisko energie z fotovoltickej elektrárne štadión Ajaxu Amsterdam. Foto: Johan Cruijff ArenA
Ďalším príkladom je VW, ktorý od 2020 začína so sériovou výrobou Mobile Powerbank vo formáte malého kontajnera alebo nabíjacieho stojanu s inštalovanou kapacitou 360 kWh zo starých vyradených trakčných akumulátorov. Takáto power banka disponuje energiou potrebnou pre nabitie 8 vyššie spomenutých vozidiel Hyundai Kona z 10 % do 80 %, pričom sa dokážu nabíjať 4 vozidlá súčasne. Plán je nasadzovať toto zariadenie pri rôznych spoločenských akciách, odľahlých parkoviskách, miestach s nestálou alebo nedostatočnou kapacitou pre rýchle nabíjanie. Prípadne aj pre humanitárne účely v čase prírodných katastrof alebo geopolitických nepokojov.
VW E-Auto Powerbank
Mne z toho vyplýva, že za normálnych podmienok akumulátor z elektrického auta sa dostane k recyklácii reálne najskôr po 20, možno až po 30 rokoch. A preto, keď teraz často vídame veľké titulky „odborných“ internetových aj tlačených spravodajských služieb a bombardujú nás výsledky metaštúdií, že neexistujú žiadne recycling koncepty a priemysel vôbec nie je pripravený na obrovské množstvo vyradených akumulátorov, tak je to iba polopravda. Pretože skutočnosť je jednoducho taká, že tieto hory vyradených akumulátorov ešte neexistujú.
Recyklačné linky (zatiaľ) nemajú čo robiť
Je úplne bludné zmýšľanie v súčasnosti prevádzkovať gigantické priemyselné zariadenia k likvidácii lítiových batérií a akumulátorov z elektrických vozidiel. Najbližších 10 rokov by tieto spoločnosti prakticky nemali čo robiť. Kto by to robil, kto by investoval miliardy eur do fabrík, ktoré by roky boli prevádzkované hlboko pod ich nominálne kapacity? Z prevádzkovo-ekonomického hľadiska je holý nezmysel stavať zberné miesta formátu giga factory.
Z môjho pohľadu ideálny postup zvolil toľko nenávidený koncern VW. K budovanej výrobnej linke na lítiové akumulátory v meste Salzgitter chystajú aj recyklačné centrum. V prvej fáze len ako pilotnú jednotku s ročnou kapacitou na úrovni 1200 ton. Čo, mimochodom, zodpovedá približne likvidácii 3000 elektrických vozidiel.
VW stavilo karty na chemický proces hydrometalurgického spätného získania minimálne 90 % základných surovín pre vlastnú výrobu. Domnievam sa, že k podobnému kroku sa vo veľmi blízkej budúcnosti odhodlajú všetky automobilky, aj výrobcovia batérií a akumulátorov. Dokonca to spravia dobrovoľne bez zásahu regulačných a kontrolných orgánov.
Nie z lásky k planéte alebo získaniu akéhosi zeleného sebaprofilovania voči zákazníkom. Jednoducho z čisto pragmatického hľadiska prevádzkových a výrobných nákladov. Každá batéria, každý akumulátor je ideálnym zdrojom surovín v takmer čistej podobe. Každé auto je pre nich mobilným úložiskom materiálov k výrobe nového vozidla, bez nutnosti drahého nákupu od primárnych dodávateľov. Každý kilogram lítia, kobaltu, niklu, ktorý nebudú musieť nakúpiť, sa rovná zvýšeniu ziskov z predaja nových modelov. A tým pádom vyhrávame všetci.
Tak, a teraz sa, môj milovaný hrdina, na druhej strane monitora, môžeš do mňa pustiť a v komentoch ma pod článkom roztrhať na AAA články.
Zdroje:
- Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
- Redux GmbH https://www.redux-recycling.com/en/
- Duesenfeld GmbH https://www.duesenfeld.com/
- UMICORE https://www.umicore.com/
- Special Issue “Circular Economy of Batteries Production and Recycling” (ISSN 2313-0105).
- Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) Handbook (Second Edition) Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials 2019, Pages 371-391
- Lithium Ion batteries and EVs https://www.solonpartners.com
- Jinqui Xu: A review of processes and technologies for the recycling of lithium-ion secondary batteries, Jurnal of power sources, Volume 177, Issue 2, 2008, ISSN:0378-7753
- Contestabile M., Panero S., Scrosati B.: A laboratory-scale lithium-ion battery recycling process Journal of Power Sources, 92, 2001, 65-69
- Recycling of Li-ion and NiMH batteries via aunique industrial Closed Loop. [cit. 15/12/2008]
- Technická univerzita v Košiciach, Hutnícka fakulta, Centrum spracovania odpadov