Технологии утилизации не поспевают за растущим рынком электрокаров. Это приводит к тому, что на свалках накапливаются тысячи отработанных аккумуляторных батарей, опасные реагенты из которых попадают в окружающую среду.

 

На протяжении более 100 лет двигатель внутреннего сгорания был центральной точкой развития транспортных средств и, следовательно, оказал влияние на всю отрасль.

 

Переход к электромобильности представляет собой технологический переход для пользователя, а также всей автомобильной промышленности. Технические инновации больше не перетекают в трансмиссию, а скорее в тяговый аккумулятор автомобиля. Благодаря двунаправленной системе зарядки она позволяет использовать ее намного более широко, чем раньше, и поэтому может стать решающим фактором в необходимой энергетической революции.

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
Если говорить о компонентах аккумулятора, электроды, по-видимому, вносят основной вклад в энергопотребление. Оценка влияния большинства других компонентов различается в зависимости от того или иного исследования, но электроника, похоже, вносит основной вклад
 

Ученые из Бирмингемского университета призывают производителей электромобилей и мировые правительства разработать перспективный проект переработки батарей, который даст решение проблемы как можно скорее.

 

Однако, было бы неправильно приписывать электромобилю позитивное влияние на природу. Даже если электромобиль не делает никаких выбросов в окружающую среду, об экомобиле не может идти речь. Если принять во внимание только изготовление аккумулятора для электромобиля, то требуемое для этого количество энергии соответствует количеству бензина, на котором традиционный автомобиль проехал бы от 50 тыс. до 80 тыс. км. Это говорит о необходимости поддержания экологического баланса. Другими словами, для его поддержания электромобиль пришлось бы эксплуатировать гораздо дольше, чем обычный автомобиль с бензиновым двигателем.

 

Другой вопрос: откуда, из каких источников берется электричество для заправки электромобиля? Практически все электромобили потребляют электроэнергию из городской электросети, и сказать точно в данном случае, какая доля потребляемой при этом электроэнергии приходится на возобновляемые источники (ВИЭ), невозможно. Как отмечает агентство, в немецких электросетях доля ВИЭ составляет 30%. Но ведь две трети – это электричество, получаемое от тепловых (угольных, газовых и атомных) электростанций. 

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
Добыча и переработка материалов вносят сравнительно небольшой вклад в жизненный цикл батареи. Также он почти не зависит от химического состава аккумуляторов (NMC, LFP или LMO). Наибольшая часть выбросов — около 50% — возникает в процессе производства батареи (в том числе элементов).
 
 
 

Ученые анализируют

 

Шведский институт исследований в области окружающей среды (Swedish Environmental Research Institute) опубликовал мета-исследование, проведенное по заказу Шведского энергетического агентства и Шведского управления транспортом. Доклад «Потребление энергии и выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла литий-ионных батарей» (Life Cycle energy consumption and greenhouse gas emissions from lithium-ion batteries) обобщает существующие в мире научные исследования, посвященные анализу энергопотребления и выбросов при производстве аккумуляторов для электромобилей на основе существующих сегодня технологий.

 

В докладе уделяется внимание выбросам в течение каждого этапа производства батарей, в том числе: добыча полезных ископаемых, переработка материалов, сборка компонентов и аккумулятора и т.д.

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
Предполагается, что в ближайшем будущем должны появиться новые более эффективные и безопасные технологии производства аккумуляторов, которые уже не будут требовать использования опасных металлов.
 
 

Отчет структурирован по следующим основным вопросам

 

a) Насколько велики энергопотребление и выбросы парниковых газов, связанные с производством литий-ионных батарей?

Авторы отмечают, что результаты оценок варьируются в зависимости от множества факторов. На основе анализа опубликованных работ они выводят объем выбросов в СО2 эквиваленте примерно равный 150-200 кг на киловатт-час емкости аккумулятора. Энергопотребление для производства аккумуляторов оценивается в 350-650 МДж/кВт*ч.

 

b) Насколько велики выбросы парниковых газов, связанные с различными этапами производства, включая добычу, переработку и сборку / производство?

Добыча и переработка материалов вносят сравнительно небольшой вклад в жизненный цикл батареи. Также он почти не зависит от химического состава аккумуляторов (NMC, LFP или LMO). Наибольшая часть выбросов — около 50% — возникает в процессе производства батареи (в том числе элементов). Исследователи указывают на значительные расхождения данных в разных исследованиях, когда речь идет об оценке того или иного этапа производства и отсутствие прозрачности. Если говорить о компонентах аккумулятора, электроды, по-видимому, вносят основной вклад в энергопотребление. Оценка влияния большинства других компонентов различается в зависимости от того или иного исследования, но электроника, похоже, вносит основной вклад.

 

c) Какие существуют различия в выбросах парниковых газов между различными производственными площадками?

Структура генерации электроэнергии в регионе, где расположено предприятие, очень сильно влияет на общий результат. Это связано с тем, что производство является значительной частью жизненного цикла, а большая часть энергии, затрачиваемой в производстве — это электричество.

В исследовании также содержится вывод, что объем выбросов растет «почти линейно» с ростом размера литий-ионного аккумулятора. То есть практически нет удельного снижения выбросов при росте размеров.

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
Недостатки электромобилей состоят в том числе в требуемой при их эксплуатации замене батарей: в зависимости от типа и использования аккумулятора, батареи почти всех электромобилей должны меняться каждые 4-10 лет. При этом проблемы с точки зрения экологии возникают не только при производстве, но и при утилизации самих литиевых батарей.
 
 

Промежуточный вывод

 

Согласно исследованию американцев, использование электромобилей оправдано с экологической точки зрения в любом штате США независимо от преобладания того или иного источника энергии. В среднем по стране на доли угля и природного газа приходится примерно по 33% в структуре генерации электроэнергии.

В этих условиях углеродный след электрокара (около 154 грамма на милю) почти в 2,5 раза меньше, чем у бензинового автомобиля (около 381 грамма на милю), а подключаемого гибрида –32% ниже. И даже там, где уголь перевешивает, электрокары все равно предпочтительнее для экологии.

 

Что любопытно, подсчеты ученых из United States Environmental protection Agency показывают, что при сильном перевесе угля в процессе производства электроэнергии подключаемые гибриды оказываются лучше для экологии, чем электрокары. Но при этом оба вида «зеленых» автомобилей остаются предпочтительнее бензиновых с точки зрения риска приближения глобального потепления.

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
У противников электрокаров имеется еще один сильный аргумент. А именно, несовершенство аккумуляторов, допускающих потери энергии за счет саморазряда даже тогда, когда автомобиль не используется. Для наглядности представим, что в бак бензинового автомобиля помещается 100 литров бензина (да, это будет очень вместительный бак). И полностью заправленный автомобиль просто стоит в гараже без движения с выключенным мотором. Если бы он допускал такую же утечку энергии, как и батареи электрокара (около 1% в день), то через месяц его владелец обнаружил бы, что в баке недостает 30 литров бензина!
 

Как электроавтомобили наносят вред экологии

 

Покопавшись в мелочах, о чем пишут некоторые издания, можно отметить, что электромобили также являются загрязнителем воздуха при использовании: пыль при эффекте истирания асфальта и шин никуда не исчезает и также присутствует некоторый тепловой выброс. Но это такие мелочи, о которых и упоминать нет смысла. Самый большой минус связан не с вредными выделениями электромобилей, а с деталями таких машин, а именно со сложными дорогостоящими литиевыми батареями. Кроме того, проблема заключается также в том, что электромобили работают на электричестве, а большая часть электроэнергии производится за счет сжигания ископаемого топлива.

Недостатки электромобилей состоят в том числе в требуемой при их эксплуатации замене батарей: в зависимости от типа и использования аккумулятора, батареи почти всех электромобилей должны меняться каждые 4-10 лет. При этом проблемы с точки зрения экологии возникают не только при производстве, но и при утилизации самих литиевых батарей.

Специалисты резюмируют: необходимо как можно скорее пересмотреть производственный и жизненный цикл литий-ионных батарей — от добычи полезных ископаемых для производства до утилизации и переработки. Они считают, что изменение дизайна и конструкции аккумуляторов для облегчения их разборки в конце жизненного цикла, улучшение технологий сортировки и методов разделения электродных материалов, а также внедрение единых стандартов производства — все это сделает переработку аккумуляторов экономически выгодной и позволит избежать вреда для экологии.

 

 

Выбросы CO2 при производстве

 

Сами электрокары гораздо менее энергоемки в производстве, чем традиционные автомобили. В них используется меньше деталей и более простые компоненты. Увы, основная часть энергозатрат приходится на создание аккумуляторов. И из-за них удельные выбросы при производстве современных электрокаров превышают выбросы от производства обычных машин минимум на 15%. А для некоторых классов эта разница достигает 68%.

 

Тем не менее, масштабное исследование жизненного цикла электрокаров, проведенное специалистами «Союза Обеспокоенных Ученых» (Union of Concerned Scientists), показало, что вклад энергозатрат при производстве аккумулятора невелик по сравнению с расходом энергии на протяжении эксплуатации транспортного средства. Всего 2-5% или 2 мегаджоуля (0,6 кВт/ч) на километр пробега. Иными словами, как бы энергоемок ни был процесс производства аккумуляторов, им можно пренебречь при оценке воздействия электрокара на окружающую среду.

 

Правда, при этом ученые оговариваются, что изучали вопрос на основе данных, полученных от конкретных производителей батарей, а средний срок их эксплуатации условно принимали за 10 лет. Но это лишь условная цифра, к которой стремятся производители аккумуляторов. В реальности никто не видел десятилетнего Mitsubishi i-MiEV. Хотя бы потому, что он выпускается только 7 лет. Между тем, сокращение расчетного срока жизни аккумуляторов вдвое приводит к заметному росту вредного воздействия на экологию.

Планируется строительство гигафабрики Tesla в пустыне Невады. Предприятие будет получать энергию полностью из возобновляемых источников, а значит, производство батарей на нем не будет сопровождаться выбросами CO2

 

Токсичное производство батарей

 

Третий по объему ресурс (после воды и воздуха), используемый при производстве литий-ионных аккумуляторов — раствор бромистого лития (28% от всех требуемых при производстве ресурсов). Соли лития оказывают негативное влияние на центральную нервную систему человека.

 

Кроме того, при производстве одного из наиболее прогрессивных подвидов литий-ионных аккумуляторов — Li-NMC (Li-NMC-O2-Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide, Литий-Никель-Марганец-Кобальт Оксид) используются токсичные металлы кобальт и никель. Наибольшую опасность для здоровья людей представляет процесс извлечения материалов, в том числе сульфата кобальта и солей лития. Из-за необходимости работы с кобальтом производство литий-ионных аккумуляторов оказывается вдвое вреднее для занятых в нем людей, чем производство любых других батарей.

 

Состав батарей представляет опасность также и на завершающем этапе их жизненного цикла – в процессе утилизации.

 

«Грязная» энергия в электроавтомобилях

 

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни. В тех регионах, где все потребности в электричестве покрываются с использованием возобновляемых источников энергии, выбросы парниковых газов в атмосферу при эксплуатации электрокаров равны нулю. Например, этим может похвастаться Норвегия – один из главных закупщиков Tesla Model S в Европе и мировой лидер по доле элекромобилей в продажах (17% от всех купленных в стране автомобилей в 2015 году приходится на электрокары). И даже холодный климат норвежцев не останавливает.

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
Глобальная емкость использованных АКБ к 2025 году © bloomberg.com

Увы, такая картина наблюдается далеко не везде. Поэтому безусловно, увеличение числа электрокаров приведет к росту потребления электрической энергии и, соответственно, выбросов в атмосферу. Но при этом сократится число автомобилей с ДВС – портативных «грязных» ТЭЦ на колесах, трубы которых загрязняют непосредственно городские улицы. Эти выхлопные газы накапливаются у поверхности земли и рассеиваются гораздо хуже, чем выбросы электростанций, чьи трубы возвышаются на десятки метров над землей.

 

Но дело не только в стремлении выбрасывать парниковые газы подальше от дома. По подсчетам ученых, даже если все электричество в регионе обеспечивается сжиганием угля (самый грязный источник энергии), уровень загрязнения атмосферы на этой территории как минимум не ухудшится, если автомобили с ДВС заменить на аналогичное число электрокаров с тем же типом кузова и сопоставимой мощностью.

 

В своем материале, посвященном углеродному следу электрокаров, РБК приводит расчеты российской организации МОЭСК, которая оценивала углеродный след различных типов легковых автомобилей в Московском регионе, где для производства электричества в основном используется природный газ.

 

Оказалось, что с учетом выбросов энергоемкой нефтепереработки удельные выбросы СО2 электромобиля Mitsubishi i-MiEV в 2,2 раза меньше, чем у сопоставимого бензинового сити-кара Mitsubishi Colt. При этом i-MiEV расходует в 4,2 меньше условного топлива, чем Colt. Иными словами, чем дольше эксплуатируется электромобиль, тем вред для экологии от него меньше, чем у бензинового двигателя.

электромобили, CO2, выбросы, загрязнение, литий-ионный, аккумулятор, экология
Инфографика востребованности АКБ разных транспортных средств для повторного использования © bloomberg.com.
 

Энергопотери

 

У противников электрокаров имеется еще один сильный аргумент. А именно, несовершенство аккумуляторов, допускающих потери энергии за счет саморазряда даже тогда, когда автомобиль не используется. Для наглядности представим, что в бак бензинового автомобиля помещается 100 литров бензина (да, это будет очень вместительный бак). И полностью заправленный автомобиль просто стоит в гараже без движения с выключенным мотором. Если бы он допускал такую же утечку энергии, как и батареи электрокара (около 1% в день), то через месяц его владелец обнаружил бы, что в баке недостает 30 литров бензина!

 

Но давайте не забывать и о возмутительно низком КПД у двигателей внутреннего сгорания. У бензиновых двигателей он составляет 25-30% процентов (то есть из 10 литров бензина только 3 приводят в движение автомобиль, а 7 сгорают впустую), а у дизельных – до 50% (при условии использования турбонаддува и промежуточного охлаждения). То есть всего половина.

Так что используйте свой электромобиль почаще, а бензиновый внедорожник лучше сохранит энергию, если будет стоять в гараже.

Можно предположить, что совершенствование ДВС еще далеко не исчерпано, и автопроизводители (например,Volvo и BMW) продолжают бить рекорды производительности и экономичности традиционных моторов. Но ведь и технологии производства батарей не стоят на месте. Запас хода электрокаров без подзарядки увеличивается, снижение энергоемкости самих батарей замедляется, а производственный процесс упрощается, разрабатываются новые типы батарей с меньшим содержанием вредных веществ.

 

Утилизация

 

Так как аккумуляторные батареи содержат токсичные химические вещества, их нельзя просто выбросить на мусорный полигон, поскольку они несут в себе существенную экологическую угрозу. Батареи могут быть переработаны путем плавки или же из них можно добыть редкие, но крайне важные металлы, например кобальт.

 

Вопросы утилизации становятся все более актуальными, поскольку по оценкам Международного электрического агентства (IEA), к 2020 году на дорогах мира будет использоваться 20 миллионов электромобилей. Каждый из них носит в себе примерно 40 килограммов наноразмерных катодных материалов, включающих в себя соединения никеля, марганца и кобальта (NMC). Ученые Американского химического общества (ACS) уже привели доказательства того, что содержащиеся в литий-ионных батареях соединения губительны для почвенных бактерий, участвующих в процессе обновления почвы. Очевидно, они угрожают и другим микроорганизмам. Задача утилизации довольно сложная, трудоемкая, но реализуемая.

 

Ученые из института Нью-Джерси еще в 2008 году провели исследование потенциального вреда для экологии от отработавших наноматериалов (Thermodynamic Analysis to Assess the Environmental Impacts of End-of-life Recovery Processing for Nanotechnology Products) и пришли к заключению, что действующая технология высокотемпературной утилизации батарей требует изменений. В своем нынешнем виде она не защищает от опасного воздействия наноматериалов, поведение которых может меняться в процессе плавления.

Учитывая относительную новизну мирового рынка электромобилей, вопрос об утилизации аккумуляторных батарей выходит на первый план только сейчас. Начиная с этого года, модели массовых электромобилей первого поколения, такие как Nissan Leaf 2010 года, выходят на «пенсию» и заменяются новыми. Это также означает, что для этих моделей владельцы должны вскоре заменить и батареи.

Ученые подсчитали, что только миллион электрокаров, проданных в течение 2017 года, за срок своей службы произведут 250 тысяч тонн токсичных отходов из аккумуляторов. Проблема их утилизации осложняется разнообразием форм, конструкций и химического состава литий-ионных батарей.

 

Промышленная переработка литий-ионных батарей не только позволит снизить нагрузку на полигоны твердых отходов, но и удовлетворит растущий спрос на материалы для аккумуляторов.

Литиевые батареи трудно утилизировать и это наносит вред окружающей среде. Они содержат токсичные металлы никель, свинец и медь, а также токсичные и легковоспламеняющиеся электролиты. Воздействие этих материалов на этапе производства аккумуляторов строго регулируется, но законодательство по их утилизации противоречиво на международном уровне. Такие батареи представляют серьезную угрозу для человека, особенно в районах, где отсутствует инфраструктура для сбора и утилизации твердых отходов, в отличие от Америки или Европы, где такая инфраструктура довольно развита.

 

Из-за раскрученности проблемы вторичной переработки литиевых батарей крупнейший их мировой потребитель, Tesla, уже перерабатывает свои литиевые батареи. Сегодня их у компании крайне мало: большинство из 0,93 миллиона выпущенных ею машин еще не выработали ресурс аккумуляторов.

 

Однако пока имеется слишком мало стимулов для производителей, чтобы побудить их заниматься утилизацией батарей, поскольку затраты при утилизации в несколько раз выше, чем само производство литиевой батареи.

Предполагается, что в ближайшем будущем должны появиться новые более эффективные и безопасные технологии производства аккумуляторов, которые уже не будут требовать использования опасных металлов.

 

Вторая молодость использованной батареи

 

Известно, что старые батареи не пригодные для питания электромобилей, по-прежнему имеют около 70% своей емкости. Подобный остаточный ресурс АКБ открывает возможности для их дальнейшего использования, например, в накопителях электрической энергии от солнечных батарей или для питания уличных фонарей. Круговой принцип получения дохода, на одном и том же продукте должен быть заложен в основу его производства. Отныне, автомобильные компании должны рассматривать не только автомобиль конечным продуктом своего производства, а его аккумуляторные системы, которые после отработки своего ресурса на электрокарах, должны быть адаптированы для использования с другой целью и соответственно приносить прибыль.

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!