Литий ионный аккумулятор вред экологии

Литий ионный аккумулятор вред экологии

В экранизации культовой видеоигры Warcraft светлую магию изобразили в виде голубого света, а темную – зеленым. И это не совсем очевидно, скорее ждешь, что силы зла будут красными или вроде того. С другой стороны, может зеленый и впрямь не так хорош, как принято считать?

И тут мы плавно переходим к обсуждению преимуществ «зеленых» автомобилей перед машинами с традиционными двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Или к отсутствию таковых.

В самом деле, даже говорящие термины «зеленый автомобиль» и «эко-кар» и очевидные факты вроде того, что электромобили не имеют выбросов, до сих пор не убедили скептиков в их пользе для окружающей среды.

Непримиримые противники электрокаров (возможно, большинство из них владеет нефтяными вышками) справедливо напоминают о том, что электричество не появляется из воздуха (по крайней мере, в недостаточных количествах), а дорогущие литий-ионные аккумуляторы не растут на деревьях – их производство довольно грязное и энергоемкое, работа не экономична и непродолжительна, а технологии утилизации все еще толком не развиты.

Остановимся на каждом из этих обвинений более подробно.

Парниковые газы

На дороге

Начнем с конца, то есть с конечного потребителя. Например, счастливого владельца Tesla Model S, счастье которого неоспоримо, по крайней мере, пока он не задействовал в своей машине режим автопилотирования.

Очевидно, что электрокар не выбрасывает выхлопные газы там, где используется. То есть, не участвует в создании облаков смога над городами, в которых повинны автомобили с традиционными ДВС. Кому-то один этот факт может показаться достаточным для того, чтобы запретить въезд в город автомобилей с горелками внутри. И это вполне может вскоре случиться. Более того, Голландия уже объявила о намерении полностью запретить продажи бензиновых и дизельных машин на своей территории с 2025 года. Правда, верхнюю палату парламента закон не прошел.

На электростанции

А что же производство электроэнергии? Издание Gadgets 360, принадлежащее индийской коммерческой телекомпании New Delhi Television Limited (NDTV), призывает индийцев не покупать Tesla Model S. Потому что в Индии, где большая часть электроэнергии производится на угольных электростанциях, электрокары экологии не помогут. И, между прочим, ссылается на исследования авторитетных американских и европейских организаций. Действительно ли это так? Скорее нет.

Источники энергии в США и Индии по данным местных энергетических агентствФото: gadgets.ndtv.com

В самом деле, 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.

Электрокары в НорвегииФото: npr.org

Увы, такая картина наблюдается далеко не везде. Поэтому да, увеличение числа электрокаров приведет к росту потребления электричества 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 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 машины с ДВС заменить на аналогичное число электрокаров с тем же типом кузова и сопоставимой мощностью.

В реальности же такие крайности (полностью чистая электроэнергия или производство электричества только на угольных ГЭС) встречаются редко.

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.

Mitsubishi i-MiEV и Mitsubishi ColtФото: Mitsubishi

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.

Энергопотери

И тут у противников электрокаров появляется еще один сильный аргумент. А именно, несовершенство аккумуляторов, допускающих потери энергии даже тогда, когда машина 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 моторов он составляет 25-30% процентов (то есть из 10 литров бензина только 3 приводят в движение машину, 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.

Вы скажете, что ресурс ДВС еще далеко не исчерпан, 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.

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. Между тем, сокращение расчетного срока жизни аккумуляторов вдвое приводит к заметному росту вредного воздействия на экологию.

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

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.

Напомним, в электроэнергетике России доминирует природный газ, а также высока доля атомной и гидроэнергетики. Доля «грязной» электроэнергии постепенно снижается во всем мире. К снижению потребления угля стремится даже Китай, а Великобритания и вовсе намерена к 2025 году закрыть последнюю угольную электростанцию в стране.

Бог с ним с CO2. А как же тяжелые металлы?

Производство

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. Из-за необходимости работы с кобальтом производство литий-ионных аккумуляторов оказывается вдвое вреднее для занятых в нем людей, чем производство любых других батарей.

Наибольшую опасность для здоровья людей представляет процесс извлечения материалов, в том числе сульфата кобальта и солей лития.

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

Производство аккумуляторов для электрокара Nissan Leaf в штате ТеннессиФото: insideevs.com

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).

С ростом числа электрокаров и увеличением объема выпуска аккумуляторов (одна только «гигафабрика» Tesla увеличит объем производимых в мире аккумуляторов вдвое ) пропорционально возрастет потребность в их утилизации, технологии которой пока развиты недостаточно хорошо. Простое захоронение аккумуляторов не годится по целому ряду причин.

В первую очередь, из-за их токсичности. 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.

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.

По подсчетам экспертов Bloomberg, до 2030 года на производство литий-ионных аккумуляторов для электрокаров и plug-in гибридов потребуется около 1% всех запасов лития и около 4% мировых запасов кобальта. После этого должны появиться новые более эффективные и безопасные технологии производства аккумуляторов, которые уже не будут требовать использования опасных металлов.

Аккумуляторы для электрокаров Фото: autoevolution.com

До этого момента будет требоваться глубокая переработка батарей, исчерпавший свой ресурс. И даже если удастся обеспечит максимально грамотную их переработку, 3% материалов, входящих в состав аккумуляторов, все равно будут попадать в почву.

Поэтому даже если электрокары и отдаляют нас от глобального потепления и всемирного потопа, технологии их производства все еще весьма далеки от совершенства. Остается надеяться, что к 2040 году, когда минимум 35% новых автомобилей смогут подключаться к розетке, внутри у них будут совсем другие средства сохранения энергии. Причем не только дешевые и эффективные, но и экологичные.

Источник

Литиевые батареи угрожают экологической катастрофой

Современный мир стремится к интеллектуальной технике, комфорту, экономии и, если говорить проще, — глобальному прогрессу.

Одним из главных направлений в развитии существующих технологий выступает сфера автомобилестроения, где наблюдается постепенный переход от двигателей внутреннего сгорания к электрическим. Но так ли это безопасно и прогрессивно, как нам представляют компании, занимающиеся подобной «реструктуризацией»?

Вследствие спроса на экологически чистые автомобили, не требующие использования горючих жидкостей для езды, увеличилось и производство АКБ для них. Как известно, энергоноситель такого авто — Li-Ion аккумулятор, не имеющий пока что аналогов по характеристикам энергоёмкости и циклам заряда-разряда. Но все качественные показатели литиевой батареи с лихвой перекрываются существенным минусом использования — проблемой утилизации отработавших свой срок энергоэлементов.

Их с каждым днём всё больше, а что с ними делать — никто не знает.

Литиевая батарея, в особенности электромобильная, содержит в себе чрезвычайно много вредных и опасных веществ, которые просто выбросить не получиться. Учитывая то, что рынок электрокаров уже относительно давно предлагает потребителю свою продукцию, можно сказать, что через несколько лет человечество столкнётся с огромными трудностями по утилизации исчерпавших ресурс аккумуляторов. Чтобы не случился мировой экологический коллапс, учёные Бирмингемского университета стараются привлечь внимание не только производителей электрокаров, но и правительства многих стран к вопросам переработки АКБ, на которых нужно сконцентрироваться как можно быстрей. Сотрудники университета провели исследование, результаты которого неутешительны.

Если брать в расчёт только 2017 год, когда стал наблюдаться резкий скачок интересов к электромобилям, то можно увидеть следующее: количество проданных автомобилей перевалило за миллион, а это значит, что к концу эксплуатации реализованные авто создадут более 250 тысяч тонн вредных отходов из АКБ. Положение осложняется ещё и отсутствием универсальных методов утилизации элементов питания из-за того, что нет единых стандартов производства и норм использования химически вредных и опасных веществ. А спрос на бесшумный и электрифицированный транспорт продолжает расти.

По словам исследователей, если от общего количества всего автотранспорта на планете электромобили составят 2 %, они смогут опоясать планету, так как их будет около 140 млн. Случится это ориентировочно к 2040 году. И сложно даже представить, сколько опасных химикатов, вредных металлов, других агрессивных веществ в них будет находиться. Учитывая то, что срок службы среднестатистического литиевого накопителя примерно 5-8 лет или 800-1000 циклов зарядки-разрядки, то задумываться о том, как поступать с использованными элементами, нужно уже сейчас, не откладывая даже на завтра.

Если человечество не сможет придумать действенных промышленных способов переработки батарей, то его ждёт катастрофа! Во-первых, при сохранении существующих темпов увеличения спроса на электрокары, только в одной Великобритании нужно будет построить восемь огромных фабрик для выпуска АКБ, во-вторых, нагрузка, которую будут испытывать полигоны для ТБО, станет непомерной.

Для того, чтобы успешно противостоять надвигающейся угрозе, производителям в срочном порядке необходимо пересмотреть как зарядный цикл, так и методы производства Li-Ion аккумуляторов. По мнению учёных, на первых этапах достаточно будет привести к единому исполнению всю аккумуляторную промышленность — усовершенствовать дизайн, обозначить нормы качества и стандарты безопасности, облегчить переработку вследствие упрощения конструкции, грамотного использования электродных материалов и других факторов. Такой подход позволит сделать утилизацию отслуживших элементов питания дешевле, удобней и гораздо безопасней для окружающей среды.

На реализацию планов по сохранению надлежащей экологической обстановки на самом деле осталось не так уж и много времени, поэтому не только к прогрессу нужно стремиться. Нельзя забывать о том, что все достижения человечества будут бесполезны в мире, где среда обитания не позволит полноценно существовать живым организмам из-за усиленного загрязнения.

Рано или поздно, но природа перестанет прощать нам грубые ошибки

Источник