Tylko recykling baterii samochodów elektrycznych nas uratuje

Do aut elektrycznych nie wszyscy są nastawieni entuzjastycznie – to naturalne, mało jest rzeczy podobających się wszystkim. Sceptyków nie brakuje, a jednym z często podnoszonych przez nich argumentów są wysokie koszty produkcji baterii, ich zużywanie się i toksyczność dla środowiska.

Zespół akumulatorów w samochodzie elektrycznym to najdroższy i zarazem najcięższy jego element. Zawiera wiele pierwiastków, jak lit, kobalt, nikiel i mangan, których zasoby na Ziemi są dość ubogie (biorąc pod uwagę znane złoża). I często ograniczone w występowaniu do pojedynczych regionów.

Baterie aut elektrycznych niestety się zużywają. Źródło: Ford

Bardzo wskazane byłoby więc odzyskiwanie substancji użytych do produkcji baterii, gdy ulegną one zużyciu. I to jak najbardziej jest możliwe, procesy recyklingu baterii wprowadza wielu producentów aut, jak i producentów samych ogniw. Obecnie znane się trzy główne techniki przeprowadzania tych procesów – ten artykuł nieco Wam je przybliży. A także postara się odpowiedzieć na pytanie, czy to obecnie się opłaca i jakie są widoki na przyszłość.

Co zrobić z zużytym akumulatorem?

Zanim jednak przejdziemy do sposobów przetwarzania akumulatorów, warto zatrzymać się nieco wcześniej na ścieżce życia baterii samochodowej. Ogniwa motoryzacyjne pracują w dość specyficznych warunkach i wymaga się od nich wysokich parametrów. Gdy przestają je spełniać, co następuje zwykle po ok 150 – 300 tys. km przebiegu (zakładając 1000 cykli i średni zasięg auta ok. 150 – 300 km) – bateria nadaje się do wymiany. Czy jednak musi trafić od razu do przetworzenia?

Wielki „powerbank” wykonany z samochodowych baterii. Źródło: Jaguar

Otóż nie – fakt nie nadawania się do auta nie przekreśla innych sposobów wykorzystania akumulatora. Można na przykład zbudować z nich bank energii. W Holandii znajduje się jeden z większych takich magazynów, w których drugie życie zyskały wymontowane z aut elektrycznych baterie. Z punktu widzenia motoryzacji – są zużyte. Ale ich parametry nadal wystarczą do wielu innych zastosowań.

Odnawialne źródła energii z reguły charakteryzują się małą stałością dobową dostaw. W nocy słońce nie świeci, więc farmy fotowoltaiczne muszą przechowywać energię zebraną podczas dnia. Podobnie jest z turbinami wiatrowymi. Nie zawsze wieje, więc by zapewnić ciągłość zasilania w chwilach flauty, potrzebne są banki akumulatorów. Wystarczą ogniwa o niższych parametrach, gdyż tutaj nie są one poddawane przeciążeniom, ani nagłemu ładowaniu dużym prądem (np. odzyskiwanie energii podczas hamowania).

Przemysłowy magazyn energii, który kiedyś zasilał autobus elektryczny. Źródło: Extreme E / TheDrive

Średnia pojemność samochodowego akumulatora wynosi ok. 50 – 70 kWh, więc możliwe jest też wykorzystanie wymontowanych ogniw w gospodarstwach domowych w charakterze zasilania awaryjnego. Zakładając, że dzienne wykorzystanie energii wynosi ok 6 kWh, w razie braku prądu z powodu klęski żywiołowej taka bateria mogłaby zapewnić działanie urządzeń elektrycznych przez kilka dni. Nawet biorąc pod uwagę, że zużycie spowodowało np. spadek pojemności do ok. 70% fabrycznej normy.

Metody recyklingu akumulatorów

W końcu jednak taka bateria osiągnie swój kres życia. Nie wszystkie akumulatory po wymontowaniu z auta będą się też nadawać do dalszego użycia. Nie będzie to możliwe np. w przypadku aut po wypadkach. Takiego urządzenia nie można po prostu wyrzucić, zawiera zbyt wiele substancji toksycznych dla środowiska. Mamy więc wybór – albo składować takie akumulatory w bezpiecznym miejscu (co nieco przypomina sytuację z odpadami radioaktywnymi), albo odzyskać z nich składniki możliwe do wykorzystania przy produkcji nowych baterii.

Początkowa faza demontażu baterii. Źródło: Volkswagen

Na szczęście obecne technologie recyklingu pozwalają zwrócić nawet powyżej 85% rzadkich pierwiastków użytych w procesie produkcji, zależnie od wykonania akumulatora. A także jego typu, ponieważ ogniwa możemy rozróżnić spośród trzech, najczęściej spotykanych. W autach osobowych znajdziemy zazwyczaj ogniwa typu NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe) lub NCA (niklowo-kobaltowo-aluminiowe). W autobusach z kolei możemy trafić na baterie żelazowo-fosforowe LFP. Procesy recyklingu także są zgrupowane w trzy, najczęściej stosowane:

• Pirometalurgiczny (termiczny) – ogniwa po demontażu i rozłożeniu są poddawane przetopieniu w wysokiej temperaturze. Specyficzna obróbka termiczna pozwala oddzielić od siebie konkretne pierwiastki.
• Mechaniczny – ogniwa zostają rozdrobnione w specjalnych młynach, a następnie z powstałej w ten sposób mieszanki oddziela się metale, wykorzystując zjawiska fizyczne, jak np. magnetyzm, działanie kinetyczne.
• Hydrometalurgiczny – czasem zwany chemicznym. Zawartość ogniw poddawana jest działaniu kwasów i zasad, aby oddzielić składniki, z których zostały wyprodukowane.

Przed poddaniem ogniw tym procesom konieczny jest demontaż i rozłożenie baterii w takim stopniu, jak tylko jest to możliwe. Sposób tego wykonania zależy od producenta baterii lub firmy motoryzacyjnej. Czasem nie jest to trudne, jeśli mamy do czynienia z typowym klastrem cylindrycznych ogniw. Gorzej sprawa wygląda, jeśli zastosowano nietypowe rozwiązania, jak np. płaskie ogniwa w niektórych modelach Nissana, lub zatopione w żywicy, jak w starszych Teslach.

Maszyna do kinetycznej separacji metali. Źródło: Bunting / Redditch

Rozbieranie baterii często wymaga dokładnej i ręcznej pracy wielu osób, aby uzyskać postać zdatną do przetopienia lub rozpuszczenia w chemikaliach. Rosnąca liczba aut elektrycznych może stworzyć więc całkiem sporo nowych miejsc zatrudnienia. Oznacza to rozwój nieznanych wcześniej gałęzi przemysłu i nowych zawodów.

W niemieckim Salzgitter Volkswagen posiada zakład recyklingu akumulatorów. Rocznie poddaje w tym miejscu odzyskiwaniu ok. 1500 ton zużytych urządzeń zasilających. Pakiety ogniw demontuje się ręcznie a następnie trafiają one do rozdrabniarek. Następnie przechodzą przez zestawy sit, które separują kolejne minerały wykorzystując ich różne masy i zjawiska kinetyczne.

Maszyny separujące materiały z zużytych baterii w Salzgitter. Źródło: Volkswagen

Cały proces odbywa się w hermetycznych pojemnikach – wydzielające się gazy także mogą zawierać cenne pierwiastki. Na koniec to, co pozostało z ogniw, czyli drobny szary proszek, jest poddawane procesom chemicznym, by odzyskać jak najwięcej materiału. Placówka ma także charakter doświadczalny a trafiają do niej baterie z firmowych i eksperymentalnych pojazdów. Doświadczenia nabyte w ten sposób na pewno przyczynią się do dalszego ulepszania recyklingu akumulatorów.

Minusy recyklingu baterii

Każde nowe odkrycie lub ulepszenie technologii w dziedzinie recyklingu akumulatorów będzie bardzo mile widziane. Po napisaniu wielu pozytywnych rzeczy związanych z zasilaniem aut elektrycznych przyszedł czas na minusy. A ten niestety jest, w zasadzie jeden, ale za to poważny. Na początek trzęsienie ziemi, jak w u Hitchcocka – recykling jak na razie niestety niezbyt się opłaca. I to można uznać za wystarczający do opisania zarzut pod adresem odzyskiwania kobaltu, niklu czy litu z zużytych baterii.

Materiały wykorzystywane do produkcji ogniw litowo-jonowych. Źródło: Volkswagen

Ilość pracy wymaganej do rozmontowania baterii oraz ciągle łatwo dostępne złoża pierwiastków powodują, że cena odzyskanych materiałów jest wyższa niż świeżo wydobytych. W szczególności proces pirometalurgiczny wydaje się mało rentowny, gdyż dodatkowo pochłania spore zasoby energii. Obecnie firmy skłaniają się ku wykorzystaniu procesów mechanicznych i chemicznych.

Mimo wszystko recykling baterii się rozwija ponieważ zasoby metali ziemi rzadkich są mocno ograniczone – ceny wydobytych minerałów mogą już tylko rosnąć. Inwestuje się w technologie ich odzyskiwania mimo obecnie niezbyt dobrej opłacalności.

Ponad połowa światowych zasobów kobaltu mieści się w Republice Konga, gdzie bywa wydobywana w niezbyt humanitarnych warunkach. Podobnie wygląda sytuacja z litem, czy niklem – spora część ich złóż jest Chinach, a obecne trendy kładą nacisk na stopniowe uniezależnianie produkcji od chińskich dostaw (kraj ten uprawia coraz bardziej kontrowersyjną politykę międzynarodową).

Nie tylko baterie w autach elektrycznych wykorzystują rzadkie pierwiastki. W silnikach można także je spotkać, np. neodym i dysproz. Choć tutaj są sposoby na ominięcie ich stosowania – istnieją typy silników zbudowane inaczej, bez rzadkich materiałów. W przypadku akumulatorów litowo-jonowych jest to niewykonalne, stąd recykling ogniw jest obecnie jedyną sensowną opcją na drodze popularyzacji „elektryków”.

Wiele firm stale inwestuje w rozwój technologii recyklingu, aby obieg pierwiastków ziem rzadkich uczynić bardziej zamkniętym. Być może uda się zmniejszyć koszty tych procesów i obniżyć ceny odzyskanych materiałów. Niestety nie uzyskamy w ten sposób swoistego „perpetuum mobile”, ale może to dać nam niezbędny czas na opracowanie nowych metod zasilania pojazdów elektrycznych.

Arkadiusz Strzała

Arkadiusz Strzała

Swoją przygodę z pisaniem zaczynał od własnego bloga i jednego z wczesnych forum (stworzonego jeszcze w technologii WAP). Z wykształcenia jest elektrotechnikiem, posiada zamiłowanie do technologii, konstruowania różnych rzeczy i rzecz jasna – grania w gry komputerowe. Obecnie na GOL-u jest newsmanem i autorem publicystyki, a współpracę z serwisem rozpoczął w kwietniu 2020 roku. Specjalizuje się w tekstach o energetyce i kosmosie. Nie stroni jednak od tematów luźniejszych lub z innych dziedzin. Uwielbia oglądać filmy science fiction i motoryzacyjne vlogi na YouTube. Gry uruchamia głównie na komputerze PC, aczkolwiek posiada krótki staż konsolowy. Preferuje strategie czasu rzeczywistego, FPS-y i wszelkie symulatory.