Bez ikakve dileme, ušli smo u eru električnih automobila. Gotovo svi etablirani proizvođači su najavili ukidanje proizvodnje motora s unutrašnjim sagorevanjem u narednih petnaestak godina. Naprasno, njihovo poslovično odugovlačenje pretvorilo se u svojevrsnu žurbu.
Elektrifikacija ličnog prevoza dobija na tempu, i to na način o kojem ni njene najzagriženije pristalice nisu mogle da sanjaju pre samo par godina. U mnogim zemljama, vlasti su mahom taj faktor koji je inicirao i inicira ubrzavanje promena. Međutim, čak i bez nove politike i novih regulativa, polovina prodaje putničkih automobila 2035. će se odnositi električna vozila, kažu podaci BloombergNEF-a (BNEF).
Ova masivna industrijska konverzija označava „prelazak s energetskog sistema koji troši ogromne količine goriva u energetski sistem koji koristi ogromne količine materijala“, objavila je Međunarodna agencija za energiju (IEA) 1. maja. U decenijama pred nama, stotine miliona vozila s ogromnim baterijama će izaći na svetske puteve, a svaka od tih baterija će sadržati desetine kilograma materijala koji tek treba da se izvadi iz zemlje. Industrijski analitičari predviđaju da će najmanje 145 miliona elektromobila biti na putevima do 2030.!
Anticipirajući svet kojim dominiraju vozila na električni pogon, naučnici u domenu tehnologije materijala rade na rešavanju dva velika izazova. Jedan se odnosi na to kako smanjiti količinu retkih, skupih i problematičnih metala u baterijama, budući da njihovo rudarenje podrazumeva poguban uticaj na životnu sredinu i društvo. Drugi se odnosi na poboljšavanje tehnologije recikliranja baterija, tako da se vredni metali u istrošenim jedinicama mogu efikasno ponovo koristiti. Reciklaža će očigledno odigrati ključnu ulogu u budućem miksu, ali samo ako se bude obavljala na održiv i isplativ način.
Proizvođači automobila i baterija već sada troše milijarde dolara na redukovanje troškova proizvodnje i recikliranja automobilskih baterija, što je delimično podstaknuto vladinim subvencijama i očekivanjem predstojećih propisa. Nacionalni finansijeri i istraživači takođe su osnovali centre za proučavanje boljih načina proizvodnje i recikliranja baterija. Pošto je (još uvek) u većini slučajeva jeftinije rudariti metale nego ih vaditi iz baterija putem reciklaže, ključni cilj je razvoj procesa za dobijanje vrednih metala dovoljno jeftino, da bi ova praksa tržišno mogla da se nosi sa sveže iskopanim materijalom. Budući da živimo u dobu u kojem se sve vrti oko novca, ni borba za zaštitu planete ne može da zaobiđe „njegovo veličanstvo profit“. „Money talks“, što bi rekla braća Amerikanci.
(Bliska) budućnost je litijumska
Prvi zadatak za istraživače je da smanje količinu metala neophodnog za baterije koje služe za pokretanje automobila. Ta količina može da varira u zavisnosti od tipa baterije i modela vozila, ali standardni paket litijum-jonskih baerija (tip NMC532), može da sadrži oko 8 kilograma litijuma, 35 kilograma nikla, 20 kilograma mangana i 14 kilograma kobalta, primera radi.
Analitičari ne očekuju da će se napraviti otklon od litijum-jonskih baterija u skorije vreme. Troškovi vezani za njih su tako dramatično pali, da će one definitivno biti dominantna tehnologija u nekoj doglednoj budućnosti. Litijum-jonske su 30 puta jeftinije nego što su bile kada su ušle na tržište, kao male, prenosive baterije početkom devedesetih, mada su u međuvremenu cene skočile, prvenstveno zbog rata u Ukrajini i posledično nastale krize. U međuvremenu su i njihove performanse unapređene. BNEF je projektovao da će cena litijum-jonskih EV baterija pasti ispod 100 dolara po kilovat-času do 2023., što će se ipak desiti malo kasnije. Shodno tome, električni automobili koji su i dalje skuplji od konvencionalnih, trebalo bi da dostignu cenovni paritet sredinom 2020-ih. Po nekim procenama, električni automobili su zapravo već sada jeftiniji od benzinskih ako se računa njihov životni ciklus, zahvaljujući nižim troškovima održavanja i „goriva“.
Proizvodnja litijuma će se usedmostručiti do 2030.
Baterijski paketi u električnim automobilima su sastavljeni od hiljada ćelija, s tim što elektronika upravlja njihovim punjenjem i pražnjenjem. Da bi se sprečilo pregrevanje, neke jedinice uključuju i aktivan sistem hlađenja. Paket baterija sadrži desetine kilograma vrednih metala, tako da se naučnici trude da njihovo recikliranje učine lakšim, kao i da smanje njihov udeo u baterijama.
Baterijske ćelije mogu biti cilindrične ili u obliku prizme ili vrećica. Aranžirane su u okviru modula, rešenju sličnom kao kod lutaka „babuški“. Spajanje se obično vrši zavarivanjem ili lepljenjem, što kasnije rastavljanje čini veoma teškim. Unutar ćelija, elektrode u vidu listova (anode i katode), sortirane su u vidu klupka ili sendviča, s elektrolitom koji popunjava prostor između njih.
Sam litijum nije oskudan. Procenjena količina od 21 miliona tona, prema geološkom zavodu SAD, dovoljna je za tranziciju ka električnim vozilima do sredine veka. Ipak, rezerve su prilično varljiva promenljiva, jer predstavljaju količinu resursa koji se može izvući po trenutnim cenama i uz postojeću tehnologiju i regulatorne zahteve. U slučaju većine materijala, ukoliko potražnja poraste, rastu i rezerve.
Kako se automobili sve masovnije elektrifikuju, izazov počiva u povećanju proizvodnje litijuma, kako bi se zadovoljila potražnja, a ona će porasti otprilike sedam puta između 2020. i 2030.
To bi moglo da rezultira privremenim nestašicama i dramatičnim variranjem cena. Međutim, tržišni problemi neće promeniti opštu sliku na dugoročnom planu. Kako se bude kreirao veći kapacitet procesuiranja, trebalo bi da i nestašice same nestanu.
Povećanje eksploatacije litijuma neminovno izaziva zabrinutost po pitanju životne sredine. Aktuelna tehnologija zahteva velike količine energije (za litijum dobijen iz stena) ili vode (za ekstrakciju iz slanih rastvora). Ipak, modernije tehnike izdvajanja litijuma iz geotermalne vode, koristeći geotermalnu energiju za pokretanje procesa, smatraju se benignijim. Uprkos ovoj ekološkoj katastrofi, rudarenje litijuma će pomoći da se neutrališe destruktivna eksploatacija fosilnih goriva, tako da će čistiji vazduh u razvijenim zemaljama ići na račun ekocida u onim siromašnijim, zavisnim od rudne rente.
Naučnici su ipak zabrinutiji oko kobalta, koji je najvredniji sastojak u aktuelnim EV baterijama. Dve trećine globalnog snabdevanja ovim metalom se odnosi na Demokratsku Republiku Kongo, a aktivisti za ljudska prava su izrazili zabrinutost u vezi s uslovima rada koji tamo vladaju, posebno što se tiče dečje radne snage i ugroženosti zdravlja radnika. Poput drugih teških metala, kobalt je toksičan ukoliko se njime ne barata po propisu. Ovde se mogu iskoristiti i alternativni izvori, kao što su to metalima bogati „čvorići“ pronađeni na morskom dnu, ali oni takođe predstavljaju opasnost po životnu sredinu. Treba istaći da se i nikl, još jedna važna komponenta u EV baterijama, može suočiti s nestašicama.
Kako se rešiti kobalta i nikla?
Da bi se rešio problem sirovina, izvestan broj laboratorija eksperimentiše s katodama s niskim učešćem kobalta, kao i onim koje ne sadrže ovaj metal. Međutim, katodni materijali moraju biti pažljivo kreirani, tako da se njihova kristalna struktura ne uruši, čak i ako se više od polovine jona litijuma ukloni tokom punjenja. Međutim, potpuno odsustvo kobalta generalno smanjuje energetsku gustinu baterije, jer menja kristalnu strukturu i njenu sposobnost da čvrsto veže litijum.
Ipak, taj problem je rešiv, bar u laboratorijskim uslovima, što pokazuje da kobalt može biti eliminisan, bez da se ugroze performanse baterije. Materijal bez učešća kobalta navodno ima istu kristalnu strukturu kao litijum-kobalt-oksid, a samim tim i istu energetsku gustinu. Ovde se zapravo radi o „finom brušenju“ proizvodnje katoda i dodavanju male količine drugih metala, da bi bila očuvana kristalna struktura kao kod kobalt-oksida.
Ipak, po nekim naučnicima, izvesni tehnički problemi mogu ostati prisutni kada je reč o kreiranju novih katoda, jer se ovaj proces oslanja na rafiniranje ruda bogatih niklom, što može zahtevati skupu čisto kiseoničku atmosferu. Međutim, mnogi istraživači smatraju da je problem s kobaltom u suštini rešen.
Nikl, s druge strane, nije tako skup kao kobalt, ali nije ni jeftin. I njega naučnici žele da izbace iz baterija. Budući da su bili skoncentrisani na bavljenje nedostatkom kobalta, u međuvremenu se zbog povećanog obima proizvodnje pojavio problem s niklom. Međutim, uklanjanje kobalta i nikla će zahtevati prelazak na radikalno različite kristalne strukture za katodne materijale.
Jedan od pristupa podrazumeva usvajanje materijala pod nazivom neuređene kamene soli. One su dobile ime zbog svoje kubične kristalne strukture, koja je slična onoj kod natrijum-hlorida (kuhinjska so), s kiseonikom koji igra ulogu hlora i mešavinom teških metala koji zamenjuju natrijum. Tokom protekle decenije, mnogi istraživački timovi su pokazali da određene kamene soli bogate litijumom omogućavaju ovom metalu da lako „klizi“ unutra i napolje, što je ključno svojstvo koje omogućava ponovljeno punjenje. Međutim, za razliku od konvencionalnih katodnih materijala, neuređene kamene soli ne zahtevaju da kobalt ili nikl ostanu stabilni tokom tog procesa, Konkretno, mogu se napraviti i s manganom, koji je jeftin i ima ga u izobilju.
Ništa bez efikasnijie reciklaže
Ako će se baterije u budućnosti praviti bez kobalta, istraživači će se neminovno suočiti s izvesnim posledicama. Ovaj metal je glavni faktor koji recikliranje baterija čini ekonomski validnim, jer su drugi materijali, posebno litijum, jeftiniji kada se dobijaju iz rudarenja.
U tipičnom pogonu za recikliranje, baterije se najpre melju, što ćelije pretvara u praškastu mešavinu svih korišćenih materijala. Ta mešavina se zatim „rastavlja“ na osnovne sastojke, a kako se to radi uskoro ćemo objasniti u jednom od narednih članaka.
Istraživači su svoje napore fokusirali na poboljšanje procesa, kako bi reciklirani litijum bio ekonomski privlačniji. Ogromna većina litijum-jonskih baterija se proizvodi u Kini, Japanu i Južnoj Koreji, a samim tim mogućnosti reciklaže u tim zemljama se najbrže razvijaju. Primera radi, Guandong Brunp sa sedištem u Fošanu, koji je podružnica CATL-a, najvećeg kineskog proizvođača litijum-jonskih ćelija, može da reciklira 120.000 tona baterija godišnje. To je ekvivalent količini potrebnoj za više od 200.000 automobila, a ova kompanija poseduje tehnologiju uz pomoć koje može da povrati većinu litijuma, kobalta i nikla. Uz to, politika vlasti pomaže stimulaciji ove prakse: Kina već pruža subvencije na planu finansija i regulative za kompanije koje nabavljaju materijale iz firmi za reciklažu, umesto da uvoze sveže iskopane.
Evropska komisija je predložila uvođenje strogih zahteva za reciklažu baterija, koji bi mogli postepeno da stupaju na snagu od 2023. godine, iako su izgledi da EU razvije sopstvenu industriju reciklaže prilično neizvesni. Administracija američkog predsednika, Džoa Bajdena, u međuvremenu želi da potroši milijarde dolara u podsticanju domaće industrije za proizvodnju baterija, kao i da podrži recikliranje, ali još uvek nije predložila propise mimo postojećih zakona, koji baterije klasifikuju kao opasan otpad, koji se mora bezbedno odložiti. Neke severnoamerike „startap“ firme kažu da već sada mogu da povrate većinu metala iz baterija, uključujući litijum, po ceni koja je konkurentna cenama njihovog iskopavanja, iako analitičari kažu da je u ovoj fazi ekonomska računica validna isključivo zbog kobalta.
Radikalniji pristup predstavlja ponovna upotreba katodnih kristala, a ne razbijanje njihove strukture, kao što se radi kroz hidro i pirometalurgiju.
Još jedna potencijalna prepreka je činjenica da se hemija katoda konstantno razvija. Katode koje će proizvođači koristiti za 10-15 godina, vrlo lako se mogu razlikovati od onih koje se nalaze u današnjim automobilima.
Najefikasniji način za izvlačenje materijala mogao bi biti taj što će proizvođači prikupljati sopstvene baterije na kraju njihovog životnog ciklusa. Samim tim, nameće se neophodnost da budu kreirane tako da se mogu lako rastaviti.
Vrlo je verovatno da će recikliranje biti mnogo isplativije ako se bude preskočila faza usitnjavanja, tako da se ćelije rastavljaju direktno. Već sada postoje tehnike za odvajanje katodnih materijala pomoću ultrazvuka, što najbolje funkcioniše kod ravno spakovanih baterijskih ćelija. Ova praksa može reciklirane materijale da učini mnogo jeftinijim od neobrađenog metala.
Kapitalizam i ekologija ne idu ruku pod ruku
Koji god proces reciklaže postane standardan, obim će svakako biti od pomoći. Mada medijski izveštaji argumentovano opisuju nadolazeću poplavu istrošenih baterija kao krizu u najavi, analitičari to vide kao veliku priliku. Po njima, kada milioni velikih baterija dođu do kraja svog radnog veka, ekonomija obima će se aktivirati i reciklažu učiniti efikasnijom a dotični poslovni model privlačnijim.
Analitičari takođe smatraju da primer olovnih akumulatora pruža razlog za optimizam. Budući da je olovo otrovno, i akumulatori su klasifikovani kao opasan otpad i moraju se bezbedno odložiti. Međutim, u međuvremenu se razvila efikasna industrija reciklaže, bez obzira što je olovo jeftino. Preko 98 odsto olovnih akumulatora se obnavlja i reciklira, a vrednost olovno-kiselinskih akumulatora je čak niža od litijum-jonskih baterija. Međutim, zbog njihove zapremine, svakako ih ima smisla reciklirati.
Možda će biti potrebno izvesno vreme dok tržište litijum-jonskih baterija ne dostigne svoju potpuni obim, delimično iz razloga što su one izuzetno izdržljive. Aktuelne automobilske baterije mogu trajati do 20 godina, što znači da će mnoge nadživeti vozila koja pokreću.
Kada stari elektromobili budu spremni za otpad, baterije često neće biti bacane niti će odmah otići na reciklažu. Umesto toga će se vaditi iz vozila i biće korišćene za manje zahtevne primene, poput skladištenja energije ili napajanja plovila. Nakon 10 godina upotrebe, baterija poput one koja se nalazi u Nissan Leafu, izgubiće najviše 20 odsto od prvobitnog kapaciteta od 30 kWh.
Ipak, neki istraživači smatraju da su električna vozila nemoguć ekološki podoban standard zbog negativnog uticaja njihovih baterija na životnu sredinu. Ovde se radi o svojevrsnom kompromisu, jer možda ne treba odbacivati trenutno prihvatljivo rešenje, insistirajući na onom savršenom. Međutim, s koje god strane da se ova problematika analizira, uvek na kraju dolazimo do slepog koloseka, bilo da se radi o ograničenim resursima, negativnom ekološkom uticaju ili problemu proizvodnje električne energije, neophodne za pokretanje stotina miliona električnih vozila u perspektivi.
Kao što smo već spomenuli u okviru članka, „money talks“ fraza ovde dominira iz drugog plana, tako da iako čovečanstvo raspolaže tehnološki naprednijim rešenjima, ona po pitanju profita ne mogu da se mere s aktuelnom industrijom baterija. To naravno potvrđuje prvu rečenicu u tekstu, jer neminovno smo ušli u eru (baterijski pogonjenih) električnih automobila, koja teško da će u ovom obliku egzistirati toliko dugo kao era motora s unutrašnjim sagorevanjem. Ova svojevrsna „kvaka 22“ će nastaviti da bude prisutna dokle god kapitalizam bude iznad opšte dobrobiti, stvarajući iluziju da uvek postoji i ona druga strana „istine“, što je zapravo čist eufemizam za ostvarivanje i očuvanje materijalnog interesa.
Pavle Barta
