6 Solutions To Battery Mineral Challenges

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

מבול של מאמרים אחרונים, בין אם הם ספונטניים ובין אם מתואמים, מבקש להכפיש אנרגיה מתחדשת, כלי רכב חשמליים ומרכיבים אחרים של מעבר האנרגיה החוסך באקלים. הביקורות נעות בין אמינות רשת לשימוש בקרקע, בין כלכלה להון עצמי. בין הטענות הנפוצות והקונפליקטואליות ביותר היא שזה הרסני עד בלתי אפשרי למצוא מספיק מינרלים כדי לייצר את כל הסוללות שצי עולמי של כלי רכב חשמליים (EVs) יזדקק להם. דאגות מינרלים אלו אכן אינן טריוויאליות, אך לרוב מוגזמות. אני אתאר כאן כיצד הם יכולים להיות ניתנים לניהול אם נכלול פתרונות שלעתים קרובות מתעלמים מהם.

חומרי סוללה כמו ליתיום, ניקל וקובלט הם מקרה מיוחד של דינמיקה רחבה יותר. כאשר חומר ממוקש צפוי להיות נדיר, מחירו עולה. האות הזה מעורר שימוש יעיל יותר, מיחזור, החלפה, חקר, חדשנות ותגובות שוק אחרות, כפי שתיארתי עבור אדמות נדירות. (המחיש את עבודת ההחלפה של אותו מאמר, ה ברזל ניטריד סופרמגנטים שהזכירה לפני ארבע שנים כשאיפה ניסיונית הגיעה כעת אליה שוק; הם אינם מכילים כדורי אדמה נדירים ותיאורטית יכולים להיות חזקים פי שניים ממגנטי כדור הארץ הנדיר הטובים ביותר.)

מחסור במינרלים עשוי להיות אמיתי או היפי - למשל, כדי להפחית את התחרות של כלי רכב חשמליים עם נפט, או להעלות את מחירי הסחורות או מניות הכרייה עבור ספקולנטים. מינרלים מסוימים עשויים לעורר חששות לגיטימיים מלבד מחסור, כגון עבודת ילדים, שחיתות והתעללות אחרת בכריית קובלט מלאכותית; תלות מופרזת בעפרות ובמפעלי עיבוד סיניים; או השימוש במים והנזק הסביבתי של הכרייה.

דאגות אמיתיות עשויות גם להזדקק להקשר - כמו הערה לאחרונה, שתוקפותה תלויה בהנחות רבות, לפיה גידול שקדי קליפורניה לוקח פי שישה יותר מים לכל קילוגרם מכריית ליתיום במדבר. גם משקדים ניתן ליהנות רק פעם אחת, אבל לאחר מיצוי, ליתיום יכול להמשיך לספק יתרונות לצמיתות פחות או יותר. וכמובן, רכבים חשמליים בעלי אנרגיה מתחדשת מחליפים כלי רכב שורפי נפט שפוגעים באופן חשוב בקרקע, באוויר, בבריאות ובאקלים.

אמנם יש דאגות ראויות לגבי כריית מינרלים מסוללות, אבל יש גם הרבה פתרונות רבי עוצמה ומכפילים שהתחזיות הקונבנציונליות לעתים קרובות ממעיטות או מתעלמות מהן, ומגזימות את צרכי הכרייה העתידיים. כעת נחקור שישה חלקים עוקבים ומכפילים של מרחב הפתרונות.

1. אחסון יותר אנרגיה לכל קילוגרם

שיפור הרכב הסוללות, הייצור, העיצוב, הבקרות והטעינה מחדש יכולים לאחסן הרבה יותר אנרגיה ליחידת חומרים. מאז 2010, יש לתאי סוללת ליתיום-יון כמעט משולשת אחסון האנרגיה שלהם לקילוגרם. ירידת המחיר של 89 אחוזים שלהם באותו עשור נובעת בין השאר מהשימוש החסכוני יותר שלהם בחומרים. הישגים גדולים נוספים צפויים בעשור זה; כדוגמא אחת מיני רבות, אנודות סיליקון אומרים שהם מעלים את צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון ב-20 אחוז. RMI מעריך שטכנולוגיות שמכפילות ביחד את צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון יכולות להיכנס לייצור עד 2025. יום הסוללה של טסלה 2020 הצגה הודיעה על שיפורים משמעותיים המתקדמים כעת לייצור המוני בשנת 2022. אז תחזיות המבוססות על צפיפות אנרגיה ישנה מפריזות באופן משמעותי בכרייה הדרושה.

2. נמשך זמן רב יותר, ואז להיות "מתגלם מחדש"

סוללות גם מחזיקות מעמד זמן רב יותר ככל שהעיצובים, החומרים, הייצור והשימוש משתפרים. רק פרופיל טעינה חדש יכול להפוך נדידת ליתיום מצמצמת חיים. צצות סוללות של מיליון מייל, כך שאורך החיים שלהן עלול להפוך בקרוב לבעיה לא רלוונטית כמו מהירות המודם שלך. ככל שהסוללות מחזיקות יותר זמן, כך החומרים שלהן יכולים לתמוך בקילומטרים רבים יותר של כלי רכב.

כאשר רכב חשמלי יוצא בסופו של דבר לפנסיה (או מתרסק), ניתן "להתגלגל" מארז הסוללות שלו לאחסון נייח יקר ערך שממשיך לספק ערך רב, לא על ידי הזזת רכב אלא על ידי תמיכה במעבר העולמי לאנרגיה מתחדשת (ולכן צמצום כריית דלקים מאובנים ופליטות). לכן בית הניידות (ציריך) כבר מרוויח ~1000 אירו לכל ערכת סוללות EV לשנה על ידי מכירת ~13 מתוך 21 שירותים פוטנציאליים מחבילות סוללות EV נייחות או חונות לרשת החשמל במספר מדינות באירופה. (לדוגמה, בשנת 2018 העניקה החברה רישיון EV כתחנת הכוח הראשונה של גרמניה על גלגלים, המסוגלת למכור שירותי ייצוב תדרים לרשת).

תיאום האחסון העצום ויכולות אחרות ברכבי החשמל בעולם, החונים כ-95% מהזמן ולעיתים נטענים בזמנים גמישים, מתגלה כמאפשר עיקרי ורווחי לצמיחה מהירה של אנרגיה מתחדשת משתנים - פוטו סולאריים ואנרגיית רוח. אחסון בקנה מידה שירות ומאחורי המטר יתחרו לא רק זה בזה, אלא גם עם אחסון חשמל המשולב ברשת, EV. זה ו שמונה סוגים אחרים של משאבי גמישות רשת ללא פחמן פירושם שסוללות בקנה מידה שימושי הן שימושיות אך אינן חיוניות לשמירה על הרשת אָמִין ככל שהוא הופך לחדש (אחר שיחה). לפיכך, סוללות עבור EV ועבור רשתות אינן תוסף דרישות אבל משלימים, משותפים ולעיתים עוקבים שימוש באותם חומרים, הפחתת צורכי הכרייה הכוללים.

3. מיחזור סוללות

תאי סוללת ליתיום ממוחזרים הם מקורות עשירים יותר של ניקל פי 17, 4-5 של ליתיום ו-10 של קובלט מאשר העפרות הטבעיות שלהם. "כרייה" את משאב המיחזור הזה כבר משתפר לדרך. לאחרונה ביקרתי ב-Redwood Materials של מייסד-שותף של טסלה JB Straubel צמח בקרסון סיטי, נבאדה - ממחזר הסוללות המוביל בארה"ב ומנהיג עולמי בהתהוות. המפעל ממחזר כמה משאיות למחצה ביום של סוללות מגוונות מאוד - כל הסוגים, הצורות, הגדלים והשימושים, ולעתים קרובות אוספים אותן מקמעונאים גדולים שמקבלים אותן מלקוחות. המפעל ממיר את כל הסוללות הללו, בדרך כלל ביעילות של מעל 90 אחוז, לחומרים טהורים שחוזרים ישירות לסוללות חדשות.

למעשה, Redwood Materials הוא "מכרה" שפיר, לא מזהם, כמעט אפס פליטות המייצר ליתיום, ניקל, קובלט, נחושת וגרפיט, עם מוצרים נוספים שיגיעו. על ידי עיצוב מבריק, הוא לא מייצר פסולת - רק ערך. לעת עתה, הוא משתמש במעט גז טבעי כדי להתחיל מספר ימים של עיבוד מתמשך המונע על ידי אלקטרוליטים ותגובות המקיימות את עצמם. תהליכים עתידיים יסלקו גם את הגז הזה וילכוד פחמן מוצק.

העיבוד כבר מכניס כסף על בסיס תזרים מזומנים גם כשהקיבולת מצטמצמת במהירות, עם 20,000 טון קלט בשנה צפויים בשנת 2021. אפילו עד מאי 2021, המפעל יוכל לשחזר מספיק חומרי סוללה בכל שנה כדי לבנות 45,000 חבילות EV. גיוס ההון של החברה בשווי 0.7 מיליארד דולר ביולי 2021 נרשם יתר על המידה. ב-14 בספטמבר 2021, הודיעה Redwood Materials תוכניות למפעל לייצור אלקטרודות סוללות מתקדמות, יותר ויותר מחומרים ממוחזרים - מספיק לכמיליון רכבים חשמליים בשנה עד 2025, ולאחר מכן פי חמישה עד 2030. שבוע לאחר מכן, פורד הכריזה על ברית נרחבת לפיתוח שרשרת אספקת סוללות בצפון אמריקה במעגל סגור .

מקור עיקרי של סוללות למחזור עבור Redwood Materials הוא טסלה Gigafactory במרחק של חצי שעה נסיעה משם - עוד אחד מהעיצובים של JB. הוא שולח שני מטענים ביום של פלט וגרוטאות פגום ומחזיר חומרים ממוחזרים לייצור סוללות נוספות. שני הצמחים הם סימביוטיים, כמו חזזית. מפעלי סוללות גדולים אחרים שעולים ברחבי העולם יזכו באופן אורגני לשותפים דומים לסגירת לולאה. הרבה יותר גדול אבל מאוחר יותר (עבור מכוניות, לרוב לפחות עשור מאוחר יותר) שחזור חומרים יגיע מסוללות שנמכרו ומשומשות.

מכיוון שסוללות צפופות יותר באנרגיה המשמשות ברכבי רכב חשמליים יעילים יותר מתחרות בנתח שוק של EV גדל, פעולות מיחזור כאלה כבר יכולות לספק בסדר גודל של עשירית מהחומרים הדרושים לצי רכבי החשמל העולמיים. עם הזמן, המיחזור יכול בסופו של דבר להתרחב כדי להשיג מצב יציב, חיסול כרייה נוספת, בקיבולת תעשייה גדולה מאוד בסדר גודל של (בערך) 10 TWh/שנה - כאשר התאוששות בפיגור מדביקה את צמיחת EV העולמית הרוויה במשך כמה עשורים. סגירת לולאה זו יכולה להפחית במחצית את סך ה-CO של רכבי החשמל₂ פליטות. על פי עקרונות דומים, אפל שואפת עד 2030 לייצר מכשירי אייפון שאינם זקוקים לכרייה.

הוכחה מקבילה, במערכת סוללות שכבר נמצאת סביב רוויה בשוק, היא שכשני שלישים מהעולם עופרת נוירוטוקסית ו-99 אחוז מעופרת הסוללה כבר ממוחזרת (בערך חצי כראוי, חצי לא רשמי ו בצורה מסוכנת): כמעט בכל מדינה בארה"ב, אתה לא יכול לקנות סוללת רכב חומצת עופרת בלי להכניס את הסוללה הישנה שלך, כך שהלולאה הזו כבר כמעט סגורה, וכעת מכרה עופרת רק לעתים רחוקות. כעת שואפות Redwood Materials ומתחרותיה "לכרות" כמיליארד סוללות משומשות שאינן בשימוש במחשבים הניידים, הסלולריים וכו' הישנים של בתים בארה"ב - סוללות שהמתכות שלהן בדרך כלל יקרות יותר מעופרת ולעתים קרובות עשירות בקובלט.

כאשר ההרכבים של הסוללות משתנים, זרמים ממוחזרים אינם מתורגמים ישירות לקיבולת סוללה זהה. לפיכך, לסוללות סמארטפונים יש בדרך כלל תכולת קובלט גבוהה בעוד שיצרניות סוללות רכב מפחיתות במהירות את תכולת הקובלט, כך שמחזור סוללות סמארטפונים לסוללות EV ממנף קיבולת סוללה של כ-30' יותר לגרם קובלט. כדי ליצור חבילת סוללות EV לוקח לפיכך סדר גודל של 10,000 סוללות סמארטפונים לליתיום אבל רק ~300 לקובלט. טסלה, בין היתר, מתכננת בוטל השימוש בקובלט של הסוללות שלה, אבל יצרנים שעדיין צריכים קובלט יוכלו להשיג אותו מסמארטפונים ישנים, לא מכורים ילדים בקונגו.

4. כימיות חדשניות של סוללות

כמה חברות הדגימו אלקטרוליטים חדשים (כמו חומרים יונייםפולימר מוצק) המאפשרים כימיה כמו אלקליין נטענים. כימיות כאלה, כמו מנגן-אבץ או מנגן-אלומיניום, אינן זקוקות לחומרים נדירים, יקרים, רעילים או דליקים. כך הם יכולים לעקור את הליתיום ו ניקל ו קובלט, פוגע ביצרנים של סוללות ליתיום-יון (בעיקר בסין). בעוד שרשרת הערך של סוללות ליתיום-יון מציגה כמה היבטים של "נעילה", הסוללה הלאומית של הודו שליחות מדגיש חדש כימיה (במקרה גם הודו עשירה במנגן ואבץ), וכמו מאמצים אחרים במקומות אחרים, עשויה להציע יתרונות בולטים שיכולים לגוון את כימי הסוללה. חלק ממתכות הסוללה, כמו ברזל ואלומיניום, הן בין היסודות הנפוצים ביותר בקרום כדור הארץ. אלקטרוליטים חדשים יכולים גם כן לאפשר סוללות ליתיום-יון וליתיום-גופרית בטוחות המתאימות אפילו לתעופה.

5. כלי רכב יעילים

משתנה עיקרי שכמעט כל האנליסטים מתעלמים ממנו הוא היעילות של הרכב שמתחשמל. הפחתות מועילות במסה, בגרור אווירודינמי והתנגדות לגלגול - שיפורים בפיזיקה של הרכב ולא ביעילות של מערכת ההנעה החשמלית שלו - יכולים לחתוך את קיבולת הסוללה הנדרשת לאותו טווח נסיעה ב-2-3'. BMW של 2013–22 i3, למשל, שילם עבור גוף סיבי הפחמן הקל במיוחד שלו על ידי צורך בפחות סוללות כדי להעביר פחות מסה, ועל ידי ייצור פשוט יותר (עם שליש מההשקעה הרגילה ומים ומחצית מהאנרגיה, החלל והזמן הרגילים). קיבולת הסוללה החזויה לכל רכב היא אפוא לא מספר קבוע, אך יש להגדיר אותה לפי יעילות הפלטפורמה. מהו טווח הפוטנציאל של אותו משתנה בלתי נספר? בספטמבר 2021, 2–3′ - ובהמשך השנה, פי כמה!

הסיבה לכך היא שיפור נוסף ביעילות של ~2-4′ מודגם על ידי דור חדש של כלי רכב, שנכנס לשוק בשנת 2022, וכל כך יעיל שהם יכולים להפעיל מחזור נסיעה רגיל רק על ידי תאים סולאריים על פני השטח העליון שלהם. (גילוי נאות: אני מייעץ לשתי חברות כאלה - aptera.us ב-343 mpge עם שני מושבים, ו שנות אור.אחת ב-251 mpge עם חמישה.) שני העיצובים יכולים להשתפר עוד יותר. רכבים כאלה זקוקים לסוללות קטנות יותר באופן פרופורציונלי ותשתית טעינה פחות או ללא תשתיות. במספרים עגולים, הם 2-3' יותר יעילים מאשר, למשל, טסלה הדגם 3, אחד מכוניות החשמל היעילות ביותר בשוק. יחד, רווחי יעילות אלה יכולים להשתמש בסוללות עד סדר גודל (בערך, פקטור של עשר) ביעילות רבה יותר מאשר רכבי EV רבים בשוק, ויכולים להפחית את צרכי הסוללה שלהם בהתאם, והכל עם בטיחות בלתי מתפשרת ותכונות נהג אטרקטיביות. האפטרה NeverCharge הוא רכב נישה, אבל חברת Lightyear's ההולנדית היא מיינסטרים. שניהם חשובים, ויהיו עוד.

6. ניידות יעילה

מעבר לגבול המערכת של הרכב עצמו, שימוש פרודוקטיבי יותר בכלי רכב, מודלים עסקיים חדשים של ניידות, ניידות וירטואלית (שליחת אלקטרונים, השארת גרעינים כבדים בבית), ועיצוב עירוני טוב יותר ומדיניות ציבורית כדי לספק גישה טובה יותר עם פחות נהיגה יכולים הכל. להשפיע באופן דרמטי על הצרכים העתידיים לרכב ולנהיגה. למשל, סם דויטש דיווחים כי "באטלנטה וברצלונה יש מספר דומה של אנשים ומשך המעבר המהיר, אבל פליטת הפחמן של ברצלונה נמוכה ב-83% ומספר הנוסעים בהובלת המונים גבוהה ב-565%".

כמו 2017 שלי אנליזה נמצא עבור כדורי אדמה נדירים, וזה נכון כעת עבור מינרלים בסוללה,

... התחליף היעיל ביותר ... הן במנועים והן בסוללות, אינו עוד חומר אקזוטי לייצור מנועים או סוללות; זה עיצוב מכונית חכם יותר שהופך את המנועים לקטנים יותר ואת הסוללות לפחות. או, אפילו יותר טוב, זה יכול להיות מודלים עסקיים חדשים - שירותים שניתנים לשיתוף כמו Zipcar ו-GetAround, פעולות ניידות כשירות כמו Lyft ו-Uber, או רכבים אוטונומיים - שמובילים יותר אנשים יותר מיילים בהרבה פחות מכוניות. עלות נמוכה באופן מדהים, בסופו של דבר חיסכון בסדר גודל של 10 טריליון דולר ברחבי העולם (בערך נוכחי נקי).

האפשרויות הללו משתרעות על טווח רחב בכלי רכב פוטנציאליים שנמנעו מהם, אך כבר בחלק מהגרעינים העירוניים, שירותי הסעות תופסים פי כמה ממספר כלי הרכב שהם משתמשים בהם. עם ניצול ממוצע של 4-5 אחוזים של מכוניות פרטיות בארה"ב, ברור שהפוטנציאל גדול בהרבה. שלב את זה עם הזדמנויות אחרות (עם טווחי זמן והסתברויות משתנים מאוד) - רווחים של כ-2' לטווח קצר בצפיפות האנרגיה של הסוללה, פי כמה בחיי הסוללה, ~2-8⁺ביעילות הרכב, ופוטנציאל תזוזה מוחלטת של חומרים נדירים בכימיה של סוללות - ותחזיות גבוהות של ביקוש לחומרי סוללה ממוקשים נראים מאוד לא ודאיים, ועשויים להיות שגויים על ידי גורמים גדולים.

סיכום

יש לנו אפילו יותר דרכים לחסוך בחומרי סוללה מדאיגים מאשר להגדיל את ההיצע שלהם, אבל ההזדמנויות הללו בצד הביקוש זוכות להתעלמות רחבה. מתחרים או משווים את כל אפשרויות - בפרספקטיבה של מערכת שלמה המדגישה את מנופי הביקוש כמו הרחבות ההיצע, ומשווה או מתחרה ביניהן - יניב בחירות, פעולות והשפעות טובות יותר, ויסייעו למנוע בועות נכסים, היצע מוגזם, התערבויות מיותרות וסיכונים מיותרים. . זו הסיבה שדיונים על חומרי סוללה, או כל משאב דל כביכול אחר, חייבים לשקול לא רק תחזיות ביקוש פשטניות או מוקשים מדאיגים, אלא את כל המערכת - מקצה לקצה, ליניארי למעגלי, ומעורבות מלאה בחדשנות, כלכלה ו סַחַר.

פיסיקאי אמורי ב' לוינס הוא מייסד משותף ויו"ר אמריטוס של RMI ופרופסור נלווה להנדסה אזרחית וסביבתית באוניברסיטת סטנפורד.

© מכון הרוקי מאונטיין 2021. פורסם באישור. פורסם במקור ב שקע RMI.

מעריך את המקוריות של CleanTechnica? שקול להפוך ל חבר CleanTechnica, תומך, טכנאי או שגריר - או פטרון Patreon.