Рециклиране на електромобилни батерии
Същност, значение и управление
Електромобилите са смятани за решение на някои екологични проблеми на нашата епоха, но тяхното производство също не е безвредно за околната среда и повторната употреба и рециклирането на батериите се явяват като решение. В тази статия ще запознаем читателите с екологичните причини, които взаимодействат с производството и употребата на електрическите автомобили, както и ще разгледаме ефектите, които пораждат повторното потребяване и рециклирането на електромобилните батерии.
Текст: списание Енергия
Времето, което батериите прекарват в един електромобил, често е само на чалото на техния полезен живот. Следкато бъдат демонтирани, повечето батерии все още са годни за други функции като съхранение на енергия в електрическата мрежа или в жилища, като търсенето в този сектор нараства. Много производители изследват как електромобилните батерии могат да бъдат повторно използвани, след като остареят твърде много, за да изпълняват първоначалната си функция. Презареждането на електромобилни батерии за захранване на домове и сгради е една от идеите, които работят добре и набират популярност. Когато батериите достигнат края на работния си живот, те ще бъдат рециклирани, което обикновено включва отделяне на ценни материали като кобалт и литиеви соли, неръждаема стомана, мед, алуминий и пластмаса. В момента само около половината от материалите в една електромобилна батерия се рециклират, но с очакванията пазарът на електромобили да се разрасне значително през следващото десетилетие, производителите се стремят да подобрят тези показатели.
Екологични причини
Нарастващият брой на електрическите превозни средства представлява сериозно предизвикателство за управление на отпадъците след края на работния живот на електромобилите. Изразходваните батерии представляват възможност за достъп до стратегически елементи и материали от критично значение за ключови компоненти в производството на електромобили, т.е. рециклираните литиево-йонни електромобилни батерии могат да осигурят ценен вторичен източник на материали. Въпреки че процесите на повторна употреба и рециклиране могат да отклонят част от тези отпадъци от сметищата, натрупването на отпадъци от електрически превозни средства е съществено предвид траекторията на растеж на този пазар.
Тези отпадъци поставят редица сериозни предизвикателства по отношение на съхраняването на батерии преди повторна употреба или окончателно изхвърляне, при процеса на ръчно тестване и демонтиране, необходим и за двете, както и при процесите на химическо отделяне, които включва рециклирането. Като се има предвид, че складирането на тези батерии е потенциално опасно и нежелателно за околната среда, ако не е възможно пряко повторно използване на модул литиево-йонна батерия, той трябва да бъде поправен или рециклиран. Екологичният отпечатък на производството на електрически превозни средства е силно повлиян от добива на суровини и производство на литиево-йонни батерии, затова произтичащите потоци от отпадъци неизбежно ще поставят различни изисквания към системите за демонтаж и рециклиране на излезлите от експлоатация батерии.
В йерархията за управление на отпадъците повторната употреба е за предпочитане пред рециклирането. Тъй като значителни средства са вложени в произведените литиево-йонни батерии, препоръчва се използването им да се направлява чрез йерархия на приложенията за оптимизиране на използването на материали и въздействията върху жизнения цикъл. Въпреки това, големите концентрации на отпадъци - било то за реконструкция, повторно производство, демонтаж или окончателно обезвреждане - могат да създадат значителни предизвикателства. Без проактивна и икономически обоснована стратегия за управление има потенциално по-големи опасности, свързани с натрупването на използвани литиево-йонни батерии, подобни на пожарите, докладвани в съоръженията за рециклиране на метали поради незаконното или случайно укриване на потребителски литиеви батерии.
Повторна употреба или рециклиране
Йерархията за управление на отпадъците е концепция, която холандския политик Ад Лансинк представя на холандския парламент през 1979г., като схемата е наречена по-късно Стълбата на Лансинк. Тя класира възможностите за управление на отпадъците от най-много до най-малко желаните от екологична гледна точка. Тази йерархия е разширена, за да вземе предвид обхвата на технологиите за рециклиране на батерии. На първо място е „предотвратяване“, което означава, че литиево-йонните батерии са проектирани да използват по-малко критични материали (с високо икономическо значение, но в риск от недостиг) и електрическите превозни средства трябва да бъдат по-леки и да имат по-малки батерии. „Повторна употреба“ означава, че батериите трябва да бъдат използвани повторно по някакъв начин.
След това те трябва да се рециклират, за да се възстанови възможно най-много материал и по възможност да се запази всякаква структурна стойност и качество, например за да се предотврати замърсяване. След това някои материали могат да се използват като енергиен източник за различни процеси, например като гориво за пирометалургията. И накрая е „обезвреждането“, което означава, че не се възстановява никаква стойност и отпадъците са пратени на сметището. Съхранявана енергия спрямо инвестирана е съотношението между енергията, която трябва да бъде инвестирана в производството на батерията, и електрическата енергия, която тя ще съхранява през полезния си живот.
Това е показател, използван за сравняване на ефикасността на различните технологии за съхранение на енергия. Този показател очевидно се подобрява, ако излезлите от употреба батерии за електромобили могат да се използват повторно в различни приложения, за които работата на батерията е помалко критична. Стойността на печелившите приложения за повторна употреба също може да компенсира евентуалните разходи за рециклиране и така вече се развива пазар на използвани електромобилни батерии за съхранение на енергия в определени населени места, като търсенето потенциално ще изпревари предлагането. Различните производители на превозни средства са възприели различни подходи за захранването им и електрическите превозни средства на пазара притежават голямо разнообразие от физически конфигурации, видове клетки и химикали в тях. Това представлява предизвикателство за рециклирането на батериите.
Повторна употреба
Тъй като батериите се зареждат и разреждат, тяхната работа се влошава. Резултатът е по-малко натрупана енергия, която да е достъпна за захранване на електромобила. Но в по-малко взискателните приложения електромобилните батерии могат да получат втори живот. Докато изискванията за висока мощност на електромобилите правят съхранената енергия недостъпна, батериите може да се използват допълнителни 6 до 10 години при по-ниска мощност в стационарно приложение за съхраняване на енергия от слънчеви панели, които да се използват извън мрежата или в пиково потребление.
В някои случаи батериите могат да бъдат обновявани за използване директно в друго превозно средство. Когато батерията бъде изведена от експлоатация преждевременно, функциониращите модули и клетки често могат да бъдат комбинирани, за да създадат функциониращи ремонтирани батерии за други превозни средства. Съхраняването на енергия е особено търсено в райони, където значителното навлизане на възобновяеми енергийни източници изисква снабдяването да се балансира с търсенето, където има възможност за търговия на енергия с мрежата и в приложения извън мрежата. Проектите за батерии за втора употреба започват да се развиват на места, където има регулаторно и пазарно изравняване.
За да бъдат пригодени за повторна употреба или за второ използване на модулите, или за рециклиране, електромобилните батерии понастоящем се демонтират на ръка. Разглобяването им изисква обучение на персонала за работа с високо напрежение и изолирани инструменти, за да се предотврати токов удар или късо съединение, което може да доведе до нагряване и термично изтичане, което на свой ред да доведе до образуването на особено вредни вещества и газове, които в крайна сметка да доведат до експлозия на клетки. Клетките също представляват опасност от химически характер поради запалимия електролит, токсични и канцерогенни електролитни добавки и потенциално токсични или канцерогенни електродни материали.
Разглобяването на батериите от роботи може да елиминира риска от нараняване на работници, а увеличената автоматизация би намалила разходите, което би могло да направи рециклирането икономически изгодно. Автоматизацията може също така да подобри механичното разделяне на материалите и компонентите, повишавайки чистотата на отделените материали и да направи процесите на разделяне и рециклиране надолу по веригата по-ефективни. Автоматизацията на демонтирането обаче поставя и големи предизвикателства, защото роботиката и автоматизацията в производствения сектор разчитат на силно структурирана среда, в която роботите извършват предварително програмирани повтарящи се действия по отношение на точно познати обекти във фиксирани позиции.
За разлика от тях, разработването на роботизирани системи, които могат да обобщават различни обекти и да се справят с несигурността, остава основно предизвикателство на границата на изследванията в областта на изкуствения интелект. Понастоящем няма стандартизация на дизайна на батерии, модули или клетки в автомобилния сектор и е малко вероятно това да се случи в близко бъдеще. При други продукти с литиево-йонни батерии, като например мобилни телефони, през последните две десетилетия се наблюдава експоненциално увеличаване на различни размери, форми и видове батерии. Засега голяма част от фабричния монтаж на тези батерии се извършва от хора и остава неавтоматизиран.
Разглобяването и боравенето с отпадъците обикновено е свързано с дори още по-малко структурирана среда с много по-голяма несигурност, отколкото една производствена линия. Поради сложността на електромобилните батерии се разработват проекти за съвместна работа между човек и робот, използвайки ново поколение силно чувствителни роботизирани ръце, които за разлика от конвенционалните индустриални роботи могат безопасно да споделят работно пространство с хора, а според някои разработчици и изследователи роботът може да се обучава на задачи като развиване на болтове, докато хората се занимават с когнитивно по-сложни задачи. Този подход обаче не защитава работниците от опасности, свързани с химикалите в батериите и дори задачата да се локализира болт, да се премести инструмент за работа с него, да се развие и отстрани болта, представлява научно предизвикателство в областта на роботиката и машинното зрение.