В процессе эксплуатации электромобиля или гибридного автомобиля через какое-то определенное время наступает такой момент, когда его аккумулятор становится малопригоден к дальнейшей эксплуатации и появляется необходимость его замены на новый. В конце службы аккумулятора его подвергают рециклингу. Рециклинг – это процесс, когда отработавший свой срок аккумулятор в батареи проходит тестирование, и в зависимости от результата принимается решение. Существуют три варианта решения: утилизировать, переработать для получения вторсырья, пригодного для дальнейшего использования, использовать повторно, но в других целях.
Утилизация. Под словом «утилизация» подразумевается простое избавление от аккумулятора, как от мусора – вывоз на общую свалку, захоронение в земле, затопление в водоеме и т. д. Однако этот вариант на сегодняшний день абсолютно не приемлем. Внутри литий-ионной батареи находится много токсичных веществ. Проникая в почву и в воду, они впоследствии попадают в организм животных и человека, нанося непоправимый вред их здоровью. В большинстве стран запрещено смешивать и выбрасывать даже маленькие аккумуляторы гаджетов (смартфонов, планшетов и т. д.) вместе с остальным бытовым мусором. Тем более, этот запрет касается весьма внушительных аккумуляторов электромобилей.
Переработка. Отходы в виде отслуживших аккумуляторных батарей представляют собой ценный ресурс, который можно получить, используя переработку (рис. 17.1). Элементы и материалы, содержащиеся в батареях электромобилей, отсутствуют в недрах многих странах, а доступ к этим ресурсам сегодня имеет решающее значение для всех.
и повторном использовании
Основными ценными металлами в аккумуляторных батареях электро-и гибридных автомобилях являются литий, кобальт и никель.
1) Литий. Даже судя по названию этого вида аккумуляторов – литий-ионные – можно сделать вывод о том, что литий является одним из основных элементов, входящих в их состав. Этот легкий цветной металл востребован и в других отраслях. Кроме использования в аккумуляторах электромобилей (кстати, и в аккумуляторах смартфонов) он применяется и для производства керамики, стекла, смазочных материалов, полимеров. Нашел он применение и в ядерной энергетике, в металлургии и в медицине. Запасы лития на Земле на сегодняшний день оцениваются примерно в 17 млн. тонн. При текущих потребностях этого количества вполне должно хватить на несколько десятков лет. Однако, учитывая то, какими темпами ежегодно будет наращиваться выпуск электромобилей в мире, совсем уже в недалеком будущем вполне может возникнуть дефицит лития. Ведь один аккумулятор электромобиля Tesla Model S, например, содержит в себе более 50 кг этого металла!
2) Кобальт. Это еще один из главных элементов, из которых состоит литий-ионный аккумулятор электромобиля. Кобальт делает работу батареи безопаснее (он препятствует ее чрезмерному перегреву) и продолжительнее. Вследствие его ограниченности запасов в земных недрах и в связи с развитием стремительного роста электромобилей его запасов может не хватить.
3) Никель. Этот металл играет не менее важную роль в работе литий-ионной батареи, чем два вышеупомянутых – литий и кобальт. Никель является одним из основных элементов катода (отрицательно заряженного электрода) аккумулятора электромобиля. Помимо аккумуляторов, никель широко применяется в производстве нержавеющей стали, и также для защиты черных металлов от коррозии. К сожалению, и этот металл со временем может стать дефицитным. Острая нехватка именно этих трех перечисленных выше элементов (литий, кобальт, никель) может создать в скором времени проблему при широком развертывании массового выпуска электромобилей.
Добыча металлов для производства аккумуляторов для автомобилей наносит существенный вред окружающей среде. Например, если рассматривать два основных способа первичного производства лития, то для получения одной его тонны требуется 250 тонн минеральной руды сподумен или 750 тонн обогащенного минералами рассола. Переработка огромного количества сырья при производстве лития приводит к значительному негативному воздействию на окружающую среду. Напротив, для вторичного производства 1 тонны лития потребовалось бы только 28 тонн использованных литий-ионных батарей (около 256 батарей). Негативное влияние производства аккумуляторных батарей на окружающую среду и уменьшение добычи дефицитных металлов может быть значительно уменьшено, если повысить степень извлечения материалов из аккумуляторных батарей с истекшим сроком эксплуатации.
Технология переработки литиевых батарей заключается в следующем. Для восстановления и переработки аккумуляторные блоки должны быть разобраны как минимум до уровня модуля. Модули затем попадают в измельчитель или высокотемпературный реактор, где они одновременно пассивируются. В дальнейшем производится магнитное разделение, разделение по плотности, переработка, сортировка, добыча металлов и т.д. (рис. 17.2).
Проблемы переработки отработанных аккумуляторов. Хотя электромобили выделяют меньше CO2 , батареи все еще сложно перерабатывать. В ближайшем будущем отрасли предстоит активное развитие. Но для повышения эффективности нужно решить ряд проблем:
1. Стандартизация продукции. Аккумуляторы в автомобилях с ДВС стандартизированы, а в электромобилях — нет. Поэтому исследователи призывают производителей АКБ учитывать при их разработке процессов переработки и утилизации. Фирмы создают батареи с различной механической и химической сложностью. Важно достигнуть в этом вопросе стандартизации. Так реализация проектов по переработке и вторичному использованию аккумуляторных блоков станет эффективнее.
2. Разработка актуальной нормативно-правовой базы, включающей строгие стандарты охраны здоровья, труда и экологии. На мировом рынке электромобилей национальные стандарты и правовое регулирование в отношении вторичного использования и переработки все еще находятся в процессе обсуждений.
3. Разборка таких аккумуляторных блоков требует обучения работе при высоковольтном напряжении для предотвращения поражения электрическим током или короткого замыкания блока. Элементы батарей представляют также химическую опасность из-за легковоспламеняющихся электролитов, токсичных и канцерогенных электролитных добавок и потенциально токсичных или канцерогенных электродных материалов. В связи с этим переработка аккумуляторов должна производится без участия человека с использованием роботов.
Повторное использование аккумулятора. Аккумулятор электромобиля можно использовать по своему прямому назначению (как источник энергии) только до определенных пределов – до тех пор, пока предельная емкость батареи не опустится со временем до 70-80% от своей первоначальной. Дальнейшая ее эксплуатация в электромобиле станет нецелесообразной, так как максимальный пробег машины при полной зарядке значительно уменьшится, хотя эксплуатационные расходы останутся на том же уровне. Однако это совсем не означает, что этот аккумулятор нужно отправить в утиль или на переработку. Можно найти ему такие области применения, где он успешно проработает еще не один год в системах накопления энергии. Ниже приведены некоторые примеры такого применения: хранилище электроэнергии, получаемой от использования солнечных панелей; накопитель энергии, получаемой от ветряных электростанций; стационарный накопитель для стабилизации напряжения в электрических сетях; использование в вилочных электропогрузчиках и другой технике, где пробег не является основным критерием. Однако через какое-то время обязательно наступит такой момент, когда аккумулятор электромобиля окончательно выработает свой ресурс и уже не будет пригоден ни к какому использованию. И тогда останется только одно – его полная разборка и переработка.
Еще одним вариантом, который уже начали воплощать некоторые компании — это строительство заводов для хранения, переработки и ремонта бывших в употреблении аккумуляторов, пока такой проект реализован концерном BMW, но в скором времени ожидается открытие подобного предприятия компании Renault.
Согласно законам, действующим на территории ЕС, за утилизацию и переработку аккумуляторов отвечают компании-производители.
Все производители аккумуляторов обязаны забирать отработанные батареи без взимания платы с конечных пользователей. АКБ снимают в специализированных мастерских и передают в пункты приема. Далее их направляют на предприятия по переработке отходов или для вторичного использования.
Лидеры разработок по вторичному использованию аккумуляторов на практике приходят к выводу, что вторая жизнь батареи составляет 10–12 лет. К примеру, завод BMW в Лейпциге, на котором собирают BMW i3, установил стационарную систему хранения. Сейчас в Европе мы видим рост инициатив в области переработки, а также вторичного использования отработанных аккумуляторов. Главная задача Европейского аккумуляторного альянса (EBA — The European Battery Alliance) — создание замкнутого цикла. Прежде всего это доступ к вторичному сырью через переработку АКБ. Кроме того, альянс планирует выстроить устойчивые цепочки поставок элементов для новых батарей. Нужно вводить все больше новых мощностей для удовлетворения растущих объемов. Такие меры станут ключом к созданию конкурентоспособной и устойчивой аккумуляторной индустрии в Европе.
Китай, крупнейший в мире пользователь электромобилей и батарей, запускает собственные схемы утилизации, а также внедряет системы отслеживания, которые контролируют весь срок службы батареи от производства до утилизации. В ближайшие 3–5 лет отходы уже начнут накапливаться. Поэтому правительство подталкивает крупные компании к постройке новых масштабных объектов по переработке АКБ и ликвидации растущего источника загрязнения.
В США определились меры борьбы с изменением климата:
до 2030 года значительно увеличить долю электромобилей на дорогах;
к 2040 году полностью перейти на электрический транспорт.
Серьезное препятствие для реализации этих мер — проблема добычи достаточного количества кобальта, лития и другого сырья для производства АКБ. Планам администрации поможет расширение внутренней сети переработки, которая позволит использовать старые электромобили для создания новых. Tesla Inc (TSLA.O) разрабатывает систему утилизации аккумуляторов на своей фабрике в Неваде и заключает контракты со сторонними переработчиками. Кстати, бренд вскоре должен выпустить первую партию фирменных батарей 4680.
Министерства экономики, торговли и промышленности и Японская ассоциация автопроизводителей создали устойчивую систему переработки, при которой расходы несут все заинтересованные стороны. Регулирует деятельность компания Japan Auto Recycling Partnership, базирующаяся в Токио и финансируемая автопроизводителями. Заводы по переработке вторсырья созданы в 7 префектурах Японии: Хоккайдо, Акита, Ибараки, Айти, Окаяма, Хиросима и Ямагути.
Дочерняя компания автопроизводителя Nissan, 4R Energy Corp. построила в префектуре Фукусима завод по переработке АКБ. Здесь старые аккумуляторы Leaf перепрофилируют для использования в других электрокарах, включая заводское транспортное оборудование (вилочные погрузчики). Группа Nissan может проверить возможности старых аккумуляторов за считаные часы. Для сравнения: другим компаниям на такой анализ потребуются недели.
Интересным является опыт компании SEOGWIPO Южной Кореи по вторичному использованию батарей, срок службы которых на электромобиле исчерпан. В его складском помещении аккумуляторные батареи электромобилей, использовавшихся в таких автомобилях, как IONIQ 5 и Kona компании Hyundai Motor, а также Bolt компании GM Korea, хранятся при температуре от 21 до 22 градусов по Цельсию, чтобы поддерживать отработанные батареи в наилучшем состоянии. Для бывших в употреблении аккумуляторов электромобильного назначения важно поддерживать стабильную температуру и влажность, чтобы предотвратить разрушение материала анода в них и снижение плотности электролита. Аккумуляторы электромобилей хранятся здесь до тех пор, пока оставшиеся внутри них электрические токи не иссякнут. Затем их перемещают в комнату для осмотра, где выбрасывают те, которые физически повреждены. Аккумуляторы, одобренные на этом этапе, отправляются в другое помещение для инспекции, где их функции зарядки и разрядки проверяются в течение 48 часов. Аккумуляторные блоки, которые показывают 70 процентов от первоначальной емкости, используются для создания систем хранения электроэнергии (ESS) среднего и крупного размера и источников бесперебойного питания (UPS). Аккумуляторы электромобилей разбираются на модули. Из этих модулей делаются небольшие системы хранения электроэнергии или аккумуляторы для инвалидных колясок, электрических велосипедов и электрических скутеров. Остальные продаются частным компаниям, которые извлекают из модулей редкие элементы, такие как литий, кобальт, никель и марганец.
В будущем для сокращения выбросов и популяризации электромобилей потребуется:
— интегрировать электромобили в энергосистемы;
— декарбонизировать (удаление углерода) из производств электроэнергии;
— развивать инфраструктуры подзарядки;
— производить экологически чистые аккумуляторы;
— создать аккумулятор, состоящий их одинаковых блоков, разборкой которого смогут заниматься роботы.