Действительно ли электромобили такие «чистые»? Давайте посмотрим на этот вполне реальный парадокс
Электромобили (электромобили) обычно называют панацеей от проблемы изменения климата. Эти полностью электрические виды транспорта, отказавшись от «грязных» и загрязняющих двигателей внутреннего сгорания, являются, как утверждается, всего лишь билетом в более экологичное и устойчивое будущее .
Но так ли это на самом деле?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте внимательно посмотрим на действительность «зеленых полномочий» EV.
Какое влияние оказывают электромобили на окружающую среду?
На бумаге электромобили обладают некоторыми вполне реальными экологическими преимуществами, в действительности такого понятия, как «бесплатный обед» не существует; в конце концов, они могут быть не такими "чистыми".
Парадокс, если хотите.
Для производства электромобилей, как и всего производимого, требуется сырье, и некоторые из этих материалов сопряжены с очень серьезными потенциальными экологическими издержками.
Один из самых серьезных - литий. Являясь катодом большинства литий-ионных батарей , некоторые способы получения лития далеки от окружающей среды.
Литий, являющийся щелочным металлом, стал пользоваться огромным спросом за последние несколько десятилетий.
Отчасти это связано с ростом спроса на электромобили, а также с тем фактом, что литий используется в батареях многих электронных устройств, таких как смартфоны и ноутбуки. Литий также является важным сырьем для производства стекла и керамики.
И его использование со временем ускоряется. По некоторым данным, с 2008 по 2018 год годовое производство лития выросло с 25 400 до 85 000 тонн .
Помимо производства литий-ионных аккумуляторов (мы посвятим этому раздел позже), к другим воздействиям на окружающую среду относятся типы двигателей, используемых в электромобилях. В зависимости от модели это будут либо постоянные магниты, либо асинхронные двигатели.
Первые обычно изготавливаются из редкоземельных металлов, для которых требуются энергоемкие процессы экстракции и очистки. Добыча этих материалов может также привести к выбросу токсичных побочных продуктов, которые в странах с неидеальными экологическими методами могут иметь разрушительные последствия для окружающей среды.
Еще одно воздействие электромобилей на окружающую среду - это способ получения электричества, используемого для их питания. Для многих стран это все еще включает большое количество электростанций, работающих на ископаемом топливе.
Помимо выбросов углекислого газа, при сжигании углеродсодержащего топлива выделяются другие ядовитые пары, включая оксиды серы и азота, а также твердые частицы. Это может привести к вторичным воздействиям на окружающую среду, таким как кислотный дождь, и может вызвать респираторные проблемы, если твердые частицы достигают определенного порогового значения.
Транспортные средства электромобилей, такие как автомобили с двигателем внутреннего сгорания, также выделяют твердые частицы из своих тормозных систем. Эти так называемые « не выхлопные выбросы частиц (ТЧ) » также могут способствовать респираторным заболеваниям в таких населенных пунктах, как города.
И эффекты от этого могут быть значительными. Согласно некоторым статистическим данным, только в Великобритании эта форма PM может быть причиной тысяч преждевременных смертей. Важно отметить, что такие статистические данные редко проводят различие между источником ТЧ и включают различные источники, включая электромобили и обычные автомобили с двигателем внутреннего сгорания.
Интересно, что раньше асбест использовался в качестве тормозных колодок во многих транспортных средствах, но с тех пор он запрещен во многих странах по всему миру. Но мы отвлеклись.
Хотя электромобили обычно считаются меньшим источником выбросов, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), для безопасной работы электромобилей по-прежнему требуются фрикционные тормозные системы. Системы рекуперативного торможения могут использоваться для решения проблемы образования твердых частиц при торможении, но в конечном итоге для остановки любого транспортного средства, вероятно, потребуется какая-либо форма торможения на основе трения.
По этой причине в игру может вступить фактор, называемый « эффектом отскока ». По мере того, как со временем электромобили становятся все более популярными, они стимулируются властями, их стоимость со временем снижается, и все больше людей будут поощряться к их использованию.
В результате, как утверждается, мы увидим их больше на наших дорогах, хотя, поскольку в целом они выпускают меньше PM, это может быть преимуществом. Проблема с PM также может быть смягчена для всех типов транспортных средств с помощью усовершенствований в тормозных системах без трения (например, вихретоковых тормозных системах), хотя они, вероятно, через несколько лет станут коммерчески жизнеспособными.
Каковы преимущества литий-ионных аккумуляторов в электромобилях?
Литий-ионные батареи , сокращенно Li-ion, сегодня являются одними из самых распространенных источников портативной энергии в мире. Вы можете найти их в мобильных телефонах, ноутбуках, электроинструментах и, конечно же, в электромобилях. Причины этого разнообразны, но, вкратце, технология надежна, требует минимального обслуживания, служит относительно долго, может быстро заряжаться и, как правило, безопасна и проста в использовании.
Все отличные атрибуты портативного источника энергии.
Но одна из главных отличительных черт этой технологии - возможность подзаряжать батареи по мере необходимости. Фактически, большинство литий-ионных батарей можно заряжать, разряжать и перезаряжать сотни раз до истечения срока годности. По сравнению с другими распространенными типами аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы также имеют более высокую плотность энергии, емкость по напряжению и более низкую скорость саморазряда.
Это делает их отличным способом эффективного и простого хранения и транспортировки энергии. Давайте подробнее остановимся на некоторых основных преимуществах технологии:
- Литий-ионные аккумуляторы требуют меньшего обслуживания: Что касается технического обслуживания, то литий-ионные аккумуляторы, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, не нуждаются в «поливе», что означает, что они требуют меньшего контроля и квалифицированных операторов для их обслуживания.
- Они служат долго: литий-ионные батареи, как уже говорилось ранее, служат относительно долго. В среднем можно ожидать, что литий-ионный аккумулятор будет служить в течение восьми или более лет (в зависимости от использования).
- Литий-ионные аккумуляторы можно перезаряжать: используются ли они в бытовых приборах или в промышленных машинах, возможность подзаряжать их по своему желанию невероятно полезна. Зарядка также относительно быстрая и становится все быстрее (как мы видели на примере развития сверхбыстрой зарядки электромобилей).
- Как правило, они безопасны: поскольку литий-ионные батареи не нуждаются в высокотоксичных химикатах, содержащихся в более обычных батареях, таких как кислотные компоненты в свинцово-кислотных батареях, их относительно безопаснее использовать и утилизировать.
- Литий-ионные батареи относительно безвредны для окружающей среды: по сравнению со свинцово-кислотными батареями и альтернативами ископаемому топливу литий-ионные батареи намного лучше для окружающей среды. Л ithium не токсичный тяжелый металл , как свинец, и непосредственно замена внутренних транспортных средств сгорания двигателем с использованием электромобили литий-ионных батарей в качестве источника питания помогает уменьшить выбросы.
Однако, как вы скоро узнаете, преимущества литий-ионных аккумуляторов для окружающей среды могут быть в некотором роде недальновидными.
Какое влияние на окружающую среду оказывает производство и утилизация аккумуляторов?
Возможно, наиболее важным воздействием электромобилей на окружающую среду является способ получения лития для их батарей.
Эти батареи обычно состоят из литий-кобальта для катода и графита для анода. Электролит типичного литий-ионного аккумулятора электромобиля также состоит из литиевой соли.
Более половины этого лития поступает из так называемого литиевого треугольника, который находится под Аргентиной, Боливией и Чили . Чтобы добыть его, шахтеры просверливают ямы в солончаках и выкачивают соленый, богатый минералами рассол на поверхность, оставляя его испаряться в огромных искусственных озерах или прудах.
В этом процессе используется много воды, более 500 000 галлонов (около 2 миллионов литров) на каждую тонну произведенного лития. Такое колоссальное потребление воды сказывается не только на окружающих экосистемах, но также оказывает огромное влияние на местных фермеров - по понятным причинам.
Более того, эти большие бассейны испарения часто далеко не герметичны. Это может привести и привело к вымыванию токсичных веществ в окружающую воду. Как это произошло в Тибете несколько лет назад, случайный выброс таких веществ, как соляная кислота, убивает большое количество водных животных, таких как рыба.
Но батареи для электромобилей - это не только литий. Есть и другие ключевые компоненты, которые так же потенциально опасны для окружающей среды, как и литий, если не больше - входят кобальт и никель .
Первый обнаружен в крупных месторождениях в Демократической Республике Конго и Центральной Африке. И это одна из главных проблем - его географическое положение.
Добывать кобальт относительно легко, что послужило большим стимулом для его добычи и продажи. Однако это часто проводится небезопасно и без особого внимания к окружающей среде на предприятиях, называемых « кустарные рудники ». Эти неформальные шахты часто связаны с использованием детского труда, который добывает сырье вручную практически без защитных средств.
При добыче кобальта образуется много взвешенных в воздухе твердых частиц, которые часто содержат токсичные загрязнители, такие как уран. Вдыхание этих веществ связано с серьезными проблемами со здоровьем, включая респираторные заболевания и врожденные дефекты.
Места добычи кобальта также часто содержат серосодержащие материалы, которые могут выделять серную кислоту при воздействии воздуха и воды. Когда эта кислота вытекает из шахт, она может разрушать реки, ручьи и другие водные и наземные среды в течение очень долгого времени.
Место производства аккумуляторов для электромобилей также является важным фактором при рассмотрении их воздействия на окружающую среду. По данным Forbes , батареи, произведенные в Китае, производят примерно на 60% больше углекислого газа, чем двигатели внутреннего сгорания.
Если бы Китай можно было убедить принять западные стандарты производства, это можно было бы значительно сократить. В отчете также указано, что эти заводы могут сократить свои выбросы до 66%, если они примут производственные технологии, используемые в производственных технологиях Америки или Европы. Если бы это произошло, процесс извлечения и производства аккумуляторов был бы на уровне или немного выше, чем процесс производства автомобилей с ДВС.
Аккумуляторы электромобилей также имеют тенденцию быть довольно тяжелыми. Это может привести к другим, часто упускаемым из виду, воздействиям на окружающую среду, таким как необходимость попытаться уменьшить вес других частей автомобиля.
Более легкие материалы, такие как полимеры на основе углеродного волокна, как правило, более энергоемкие в производстве и их трудно перерабатывать.
Еще одна проблема с электромобилями - это способ выработки электричества, используемого для зарядки аккумуляторов. Несмотря на то, что во многих странах были сделаны большие шаги по добавлению возобновляемых технологий в энергобаланс, многие страны по-прежнему сильно зависят от углеродных электростанций.
Это тоже немаловажно. Согласно некоторым источникам , электромобили в среднем косвенно выбрасывают около 4 450 фунтов (2018 кг) CO 2 в год. Для сравнения: обычные бензиновые автомобили выбрасывают как минимум вдвое больше. Однако важно отметить, что это сильно различается по всему миру.
Однако производство аккумуляторов - это только половина дела. Способ утилизации батарей по окончании их срока службы также может нанести вред окружающей среде.
В настоящее время мало стран, которые регулярно пытаются утилизировать литий-ионные батареи. Это привело и будет продолжать приводить к тому, что большое количество отработанных батарей заканчивает свои дни на свалках.
Это невероятно расточительно, поскольку многие основные компоненты, такие как литий, можно восстановить и использовать повторно. Хотя переработка возможна, большая часть текущих исследований сосредоточена на повышении долговечности, эффективности и снижении стоимости производства .
Текущие методы включают простую плавку (высокотемпературную плавку и извлечение) старых батарей в процессе, очень похожем на процесс в горнодобывающей промышленности. Это очень энергоемкий процесс (добавляющий скрытые затраты на выбросы CO 2 для электромобилей во время их строительства).
Однако улучшение методов утилизации этих старых батарей может быть очень прибыльным. Со временем это может стать еще более важным с геостратегической точки зрения .
Откуда литий?
Литий, один из основных компонентов литий-ионных аккумуляторов, поступает из двух основных источников: рассола и твердых пород. Первый обычно содержится в соленых озерах и добывается путем испарения воды с образованием солей с концентрацией лития.
Выпаривание рассола - самый простой и наиболее распространенный вид экстракции лития, но, как правило, дает самое низкое качество материала. В настоящее время более половины мировых запасов лития находится под солончаками в андских регионах Аргентины, Боливии и Чили.
Добыча осуществляется путем откачки огромного количества рассола грунтовых вод из пробуренных скважин, которые оставляют испаряться в бассейнах или прудах с рассолом. Соляная вода, богатая литием, также называемая солончаками, солончаками или саларами, испаряется на солнце.
В зависимости от состава грунтовых вод это, как правило, приводит к образованию концентрированной смеси солей марганца, калия, буры и лития. Затем его фильтруют и помещают в другой бассейн для выпаривания до тех пор, пока не будет извлечено коммерчески жизнеспособное количество соли карбоната лития.
Эти бассейны или пруды могут стать убежищем для некоторых видов диких животных, включая водоросли и некоторых исчезающих птиц. Как правило, для производства тонны лития требуется около 2 миллионов литров воды.
С другой стороны, месторождения твердых пород, как правило, дают лучший выход лития. Итак, как добывают литий?
Добыча твердого лития требует значительно более высоких инвестиционных затрат, а также обширного геологического картирования и разведки для поиска подходящих месторождений. После обнаружения буровое оборудование используется для извлечения литиевой руды, которая дает литий лучшего качества за счет увеличения денежного бремени.
Существуют различные литиевые руды, включая, помимо прочего, петалит (LiAl (Si2O 5 ) 2 , лепидолит K (Li, Al) 3 (Al, Si, Rb) 4 O 10 (F, OH) 2 , сподумен LiAl (SiO 3 ) 2. На сегодняшний день крупнейшими источниками лития в твердых породах являются Австралия и Чили.
Для добычи лития в твердых породах обычно требуется около 3-4 лет капитальных вложений, прежде чем оно станет продуктивным, а шахты (в зависимости от запасов руды) обычно имеют средний продуктивный срок службы около 16 лет.
Методы извлечения с помощью испарения рассола, как правило, требуют примерно 5 лет инвестиций до начала производства, но, как правило, служат намного дольше, чем добыча твердых пород, со средним сроком службы около 30 лет.
По некоторым оценкам, при нынешних темпах потребления и производства к середине 2020-х годов ожидается дефицит лития .
Можно ли перерабатывать литий-ионные аккумуляторы?
Как мы уже упоминали ранее, литий-ионные аккумуляторы, безусловно, подлежат переработке. Однако текущая практика утилизации литий-ионных аккумуляторов и проекты, находящиеся в настоящее время в разработке, все еще находятся в зачаточном состоянии.
Например, в Австралии только около 2-3% отработанных батарей в настоящее время собираются и отправляются на переработку в море. Ставки в Европе и США не намного лучше, около 5%, плюс-минус.
«Есть много причин, по которым переработка литий-ионных аккумуляторов еще не является общепринятой практикой», - сказала Линда Л. Гейнс из Аргоннской национальной лаборатории в интервью c&en . Причины включают такие вещи, как технические ограничения, экономические барьеры, логистические проблемы. , и нормативные пробелы, и это лишь некоторые из них.
В настоящее время большинство поставщиков и их клиентов сосредотачиваются на увеличении срока службы аккумуляторов, повышении эффективности и снижении затрат, а не на их переработке по окончании срока службы.
Самый распространенный метод утилизации батарей - это плавление отработанных батарей при высоких температурах для извлечения содержащихся в них драгоценных металлов. Это требует много энергии и на самом деле дороже, чем добыча и переработка новых материалов из сырьевых источников.
Исследования продолжаются, но большая часть усилий - это небольшие проекты, проводимые независимыми исследовательскими группами или стартапами. Тем не менее, были предприняты некоторые правительственные инициативы, чтобы попытаться остановить растущую волну использованных батарей.
Например, в январе 2019 года Министерство энергетики США (DOE) запустило первый в стране центр исследований и разработок по переработке литий-ионных аккумуляторов - ReCell Center . Идея состоит в том, чтобы сделать переработку аккумуляторов прибыльной и позволить США стать самодостаточными в ресурсах аккумуляторов, которых им не хватает, например, в кобальте.
Министерство энергетики США также учредило приз в размере 5,5 миллионов долларов США за переработку батарей, чтобы помочь свободному рынку найти инновационные решения для сбора, хранения и переработки использованных аккумуляторов.
На другом берегу пруда в Великобритании группа исследователей из различных университетов также создала консорциум для достижения аналогичной цели. Проект , получивший название « Повторное использование и переработка литий-ионных аккумуляторов» , объединяет 50 ученых и инженеров из восьми организаций и 14 отраслевых партнеров.
Что можно сделать, чтобы электромобили стали по-настоящему «зелеными»?
Итак, учитывая очень реальное воздействие электромобилей на окружающую среду на планете, что можно сделать, чтобы сделать их по-настоящему «экологичными»? Вот несколько примеров.
1. Полностью отказаться от литий-ионных аккумуляторов.
Поскольку аккумуляторы электромобилей опасны для окружающей среды, от колыбели до могилы, наиболее логичным шагом было бы полностью отказаться от их использования. Однако это намного сложнее, чем кажется. В конце концов, есть веские причины, по которым литий-ионные батареи стали настолько распространенными (как мы подробно описывали ранее).
При этом есть несколько потенциальных возможностей для изучения.
Одним из примеров являются солевые батареи, которые в настоящее время разрабатываются в сотрудничестве между Ноттингемским университетом и шестью исследовательскими институтами по всему Китаю. Комбинируя характеристики оксидного топлива с металл-воздушными батареями , эти батареи могут оказаться жизнеспособной заменой литий-ионных батарей. Лучшая часть? Эти батареи будут полностью утилизируемыми, доступными, безопасными и, теоретически, «зелеными».
Другие интересные примеры включают батареи из нитрида титана или использование графена из «чудесного материала».
К другим захватывающим инициаторам относится также потенциальная "бесконечная" батарея. Изготовленные из восстановленного и повторно используемого ядерного топлива , эти батареи могут прослужить более 28000 лет - по крайней мере, так утверждают разработчики. Эти наноалмазные батареи, которые в настоящее время разрабатываются калифорнийским стартапом, являются неразрушаемыми и будут дешевле существующих литий-ионных аккумуляторных батарей, если их можно будет полностью разработать.
Другие, более эзотерические примеры включают экологически чистые жидкие батарейки, работающие на ванилине. В настоящее время это интересное направление исследований , разрабатываемое исследователями Технологического университета Граца, будет действительно устойчивым.
Другой вариант - использовать воздушно-цинковые батареи . Было показано, что они значительно превосходят литий-ионные аккумуляторы на всех уровнях, а также намного лучше для окружающей среды. Однако следует отметить, что попадание цинка в окружающую среду может иметь разрушительные последствия для местных экосистем.
2. Сделайте литий-ионные аккумуляторы более долговечными
Еще одно возможное решение - сделать батареи максимально долговечными, если не найдено жизнеспособной замены литий-ионным. Это помогло бы облегчить необходимость извлечения нового сырья для замены отработанных батарей, а также помогло бы уменьшить необходимость либо утилизировать, либо утилизировать их по окончании срока службы.
И, к счастью, в настоящее время изучаются некоторые варианты, позволяющие добиться именно этого. Одним из примеров является добавление молибдена и серы в литий-ионные аккумуляторы для производства дешевых, очень легких аккумуляторов с удельной энергией, почти вдвое превышающей существующие литий-ионные аккумуляторы.
В настоящее время разрабатываются Техасским университетом , молибден и сера будут использоваться для замены литиевых электродов, в то же время обеспечивая жизнеспособный батарейный блок.
Другие решения включают использование сульфидных электродов, чтобы продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время исследуемые в Университете Флориды сульфидно-литий-ионные аккумуляторы должны иметь возможность увеличивать количество циклов заряда-разряда с минимальным ухудшением характеристик аккумулятора или без него.
3. Постарайтесь найти источники лития в местах, заботящихся об окружающей среде.
Если не заменить литий-ионные батареи или найти способы продлить срок их службы, другой альтернативой может стать поиск более устойчивых источников лития.
Будь то открытие горнодобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий в странах с жесткими экологическими нормами или поиск источников с высокой планкой входа для добычи, это будет иметь большое значение для снижения воздействия на окружающую среду производства литиевых батарей и, как следствие, Электромобиль в целом.
Например, морская вода является потенциальным источником лития , хотя для ее извлечения требуются довольно сложные методы. Усовершенствовать процесс, чтобы сделать его таким же дешевым, как бассейны испарения, будет очень сложной задачей.
Другие страны, такие как Португалия , также стремятся найти способы производства лития внутри страны.
Но, опять же, все это требует добычи и использования сырья, которое может вызвать загрязнение в той или иной форме. Именно здесь поиск способов использования того, что у нас уже есть, что касается лития, может быть лучшим вариантом. Ведь «ущерб» окружающей среде от добычи уже нанесен.
Это будет означать переработку старых батарей. Многие свалки по всему миру буквально забиты отработанными электронными устройствами, от ноутбуков до старых смартфонов. Можно ли их «добывать» вместо того, чтобы удалять свежий литий из окружающей среды?
Именно это и предлагают исследователи из Бирмингемского университета в Великобритании. Они надеются использовать робототехнику, разработанную для ядерной промышленности, чтобы безопасно демонтировать потенциально взрывоопасные литий-ионные элементы из электромобилей для извлечения драгоценных металлов внутри.
Но на самом деле это только половина дела. Любая батарея, которая основана на электрохимии, например, литий-ионные, подвержена риску разрушения и разрушения электродов. Вы не обязательно узнаете состояние этих материалов, не вскрывая аккумулятор.
Это побудило некоторых других исследователей искать альтернативные способы утилизации батарей и восстановления таких материалов, как литий, более предсказуемым образом. Они предлагают процесс биологической переработки , в котором для обработки металлических отходов использовались бы бактерии, в сочетании с гидрометаллургическими методами, в которых используются растворы химикатов аналогично тому, как в первую очередь извлекается литий.
В случае успеха подобная инициатива может существенно изменить правила игры для индустрии производства лития и электромобилей.
Итак, в заключение, действительно ли электромобили такие «зеленые» и экологически безопасные для планеты? Мы позволим вам принять собственное мнение.
.