Утилизация батарей электромобилей: проблемы и перспективы в мире

Мировой парк электромобилей активно развивался последнее десятилетие, и в 2020 году количество зеленого транспорта на дорогах достигло 10 миллионов. В общем объеме продаж автомобилей на электрические авто приходится уже 4,6 %.

Всего в 2020 году зарегистрировано около 3 миллионов новых «екарсов», что на 43 % больше показателя 2019 года. Примечательно, что впервые в лидеры вышла Европа, зарегистрировав 1,4 млн новых авто. Далее следует Китай — 1,2 миллиона, затем США — 295 тыс. Одновременно с ростом рынка легкового электрического транспорта увеличилось количество электрических автобусов и большегрузных автомобилей.

Быстрый рост отрасли активизировал как производителей, так и государственные ведомства. Их волнуют не только меры по стимуляции производства и улучшению электрической инфраструктуры, но и глобальные решения по переработке и утилизации батарей, выработавших свой ресурс.

Средний срок службы аккумулятора электромобиля

Срок службы аккумулятора зависит от активности его эксплуатации и составляет от 1000 до 1500 циклов заряда/разряда. Если переложить эту цифру на расстояние, то получится от 200 000 до 500 000 км. Таким образом, для электромобиля, проезжающего 20 000 км в год, батарея может прослужить от 10 до 15 лет. АКБ в современных моделях способны сохранять работоспособность до 20 лет. На средний срок службы аккумулятора также влияют естественное старение и условия эксплуатации, например, перепады температур. Очень многое зависит от химического состава.

Что делают с использованными аккумуляторами

Электромобили могут помочь в борьбе экоактивистов за снижение загрязнения воздуха и общее улучшение климата. Но утилизация литий-ионных батарей, на которых они работают, представляет серьезную проблему.

Ожидается, что уже к 2030 году будет выведено из эксплуатации 100–120 ГВт*ч аккумуляторов. Это цифра сопоставима с текущим годовым объемом производства АКБ. Без эффективных мер по переработке таких запасов ситуация перерастет в серьезную экологическую проблему.

Когда аккумулятор в конце срока службы извлекают из автомобиля, может быть три варианта развития событий.

Переработка 

Извлечение ценных металлов (кобальт, марганец, никель и литий), которые затем используют в производстве новых аккумуляторов. В то время как переработка свинцово-кислотных батарей достигает 99 %, литий-ионные версии только начинают свой путь. Пока очень сложно получить точные данные о том, какой процент литий-ионных аккумуляторов в мире перерабатывают. Но большинство экспертов оценивают его менее чем в 5 %. 

Вторичное использование 

По сути, это вторая жизнь аккумулятора. Его можно использовать:

• как стационарный накопитель для обслуживания электросетей, 
• как запасную батарею для электромобиля,
•  для солнечных и ветряных электростанций. 

Когда возможности удержания емкости АКБ падают до 80 %, его больше нельзя использовать в транспортном средстве. Но для батареи мощностью 60 кВт*ч, рассчитанной на 1500 циклов, жизнь продолжается. Она вполне способна обеспечить 18 мВт*ч электрической нагрузки. Этого достаточно для питания электричеством обычного дома более чем на 15 лет.

Утилизация

АКБ просто отправляют на свалку или другое место захоронения без восстановления какой-либо оставшейся стоимости. 

Новые законодательные акты Европейского Союза, США и других стран предусматривают ответственность поставщиков электромобилей за утилизацию батарей в конце срока службы. Уже сейчас производители и перерабатывающие компании начинают изучать и внедрять новые уровни переработки.

Особенности процесса в странах Евросоюза

На текущий момент в Европе зарегистрировано более 2 млн электромобилей. К 2025 году их количество может достичь 7–8 миллионов. Эксперты ожидают обострение вопроса утилизации отработанных батарей к 2028–2030 гг. Поэтому время для отработки процесса рециклинга или полностью безотходного производства аккумуляторов у европейцев еще есть.

Нюансы законодательства

Законодательная база для управления жизненным циклом аккумуляторов в Евросоюзе наиболее сильная, и она включена в законодательство всех стран-членов ЕС.

Согласно законам, действующим на территории ЕС, за утилизацию и переработку аккумуляторов отвечают компании-производители. Переработка батарей технически возможна. Пилотные заводы уже пытаются это реализовать. Вопрос в том, при каких условиях и с каким результатом можно это делать. 

Батареи электромобилей классифицируют как промышленные и, следовательно, они подчиняются тем же правилам, что и батареи стационарных систем хранения энергии. В эту же категорию относят и АКБ другого электротранспорта (мотоциклы, самокаты, велосипеды).

• 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.

Вторая жизнь батарей: практика Германии

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. Она состоит из 700 соединенных между собой аккумуляторов от i3. Солнечная и ветровая энергия, вырабатываемая во время производства, оседает в этом большом хранилище для дальнейшего использования.

В Германии существует несколько проектов по разработке новых бизнес-моделей. Еще один пример: на паромном терминале в порту Гамбурга есть большой резервуар с батареями i3. Емкость аккумуляторов составляет не менее двух мегаватт. Они служат для компенсации колебаний или пиков спроса в энергосистеме Гамбурга.

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.

Нюансы переработки и утилизации батарей в Китае

Пекин также стремится бороться с растущими отходами. По данным Greenpeace, в ближайшие десять лет страна получит около 7 млн тонн литий-ионных аккумуляторов, отработавших свой ресурс. 

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. Ответственность за переработку аккумуляторных блоков лежит на производителях.

Министерство промышленности и информационных технологий (MIIT) сформировало список отрасли по комплексному использованию отработанных АКБ. В него вошли около 27 предприятий. Несмотря на это, менее 10 % отслуживших аккумуляторов перерабатывают или используют повторно. Большая часть разряженных АКБ попадает на заводы по разборке и в небольшие мастерские без профессионального оборудования. 

Это сопряжено с определенными экологическими рисками: 

• китайская система переработки неидеальна, 
• соответствующие стандарты утилизации аккумуляторов и производственная цепочка не до конца сформированы, 
• отсутствуют доминирующие игроки на этом рынке, что объяснимо пока еще ограниченной прибыльностью отрасли.

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.

Законопроекты по АКБ в США

Согласно отчету экологической компании Earthworks, 8 штатов США приняли правила обращения с отходами перезаряжаемых батарей. Но только 3 из них прямо запрещают утилизацию литий-ионных аккумуляторов на свалках и продвигают бесплатную систему возврата использованных АКБ.

Правила утилизации АКБ в США пока очень «фрагментарны». Они различаются в ряде штатов, так как отсутствует согласованная политика на федеральном уровне. Но недавние предложения от ЕС могут послужить моделью для основных рынков электромобилей по всему миру.

Программа Байдена

Для решения проблемы в Калифорнии был предложен ряд законопроектов, регулирующих переработку и повторное использование аккумуляторов, учреждены гранты для разработки технологий и бизнес-моделей. В штате создали Консультативную группу для разработки рекомендаций по утилизации батарей безопасным и экономичным способом.

Президент Байден определил борьбу с изменением климата и соревнование с Китаем центральными пунктами своей программы. Цели демократической партии США:

• 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.

Производители-участники программы

В июне 2021 года президент утвердил новую стратегию по утилизации батарей электромобилей. Помимо регулирования процесса утилизации, она дает зеленый свет исследованиям и разработкам, направленным на дополнительное использование добытых при переработке металлов. В Соединенных Штатах уже сейчас открываются заводы по переработке батарей:

• Amazon.com Inc (AMZN.O) осенью 2020 года инвестировала в Redwood Materials, фирму по переработке отходов из Невады. Компания, в свою очередь, подписала контракт по переработке лома и деталей аккумуляторов у подрядчика из Теннесси для Nissan Motor Co.
• 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.
• Правительство США является крупнейшим акционером горнодобывающей инвестиционной компании TechMet, которая, в свою очередь, инвестирует канадскую фирму по переработке аккумуляторов Li-Cycle Corp.

Новые технологии и рост заводов по переработке в Японии

В октябре прошлого года японский химик Акира Ёшино получил Нобелевскую премию за разработку стабильных литий-ионных аккумуляторов. 71-летний ученый предупредил: предстоит еще много работы. Чтобы удовлетворить большой спрос на аккумуляторы и сырье, необходимое для их производства, промышленность должна разработать новые технологии переработки батарей. 

Япония была лидером в области электромобилей и аккумуляторных технологий. Теперь ее компании становятся флагманскими и в решении вопроса утилизации.

Заводы по переработке АКБ

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.

Прошлой весной 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.

4RE также объединилась с японской MIRAI-LABO в пилотном проекте. Старые аккумуляторы электромобилей используют в качестве хранилища для уличного освещения на солнечной энергии.

Еще один крупный автопроизводитель, Toyota Motor Thailand, открыл завод в Чаченгсау (Тайланд). Он основан на принципах 3R: восстановление, повторное использование, переработка.

Ситуация с утилизацией батарей в России

Отечественный рынок электромобилей пока не стал таким массовым, как в США, странах Европы или Китае. Главными барьерами на пути развития электрического транспорта остаются ориентированность промышленности на нефть и газ, а также недостаточное развитие электрической инфраструктуры.

Но инновации постепенно приходят и в РФ. Если в 2014 году было зарегистрировано 140 новых «екарсов», то в 2020 году прибавилось уже 687 авто. Среди новых моделей автомобилей наиболее популярны у россиян Nissan Leaf, Audi e-Tron, Tesla Model 3, Porsche Taycan. Неудивительно, что сейчас правительство России работает над программой развития электротранспорта. Если его продажи станут действительно массовыми, вопрос утилизации АКБ появится и у нас.

В России пока нет отечественных автопроизводителей, запустивших серийное производство легковых электромобилей. Хотя концерн КамАЗ уже близок к этому, а ГАЗ начал продавать первые коммерческие Gazelle e-NN. Поэтому вопрос утилизации отработанных аккумуляторов сейчас не стоит остро. Тем не менее замминистра Минпромторга РФ Виктор Евтухов заявил, что российская промышленность имеет все возможности и достаточное оборудование для переработки литий-ионных аккумуляторов с применением молотковых измельчителей и извлечением полезных компонентов.

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:

• 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. 
• 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.

В будущем для сокращения выбросов и популяризации «зеленых» авто потребуется:

• интегрировать электромобили в энергосистемы; 
• декарбонизировать производство электроэнергии; 
• развивать инфраструктуры подзарядки;
• производить экологически чистые аккумуляторы.

Недавно новую разработку показала признанная китайская компания CATL. Натриево-ионные батареи от признанного производителя не содержат дорогого кобальта и более эффективны. Но будет ли их утилизация более экологична — пока неизвестно.

Вместо итогов

Электромобили — давно не будущее, а настоящее автопромышленности. Естественно, каждые новые технологии влекут за собой и новые проблемы. Экологов беспокоит загрязнение климата, которое может вызвать утилизация отслуживших свое аккумуляторных батарей. Сейчас большинство стран Запада пытаются решить грядущую проблему. Причем не просто безопасно уничтожить старые, отслужившие свое аккумуляторы «екарсов», но сделать их сырьем будущего производства или источником энергии для бытовых и коммерческих целей.

Многие автопроизводители изучают возможности повторного использования батарей. Например, Nissan внедряет старые АКБ для уличного освещения в Японии, а аккумуляторные модули гибридов Volvo применяют для хранения солнечных батарей на крыше для питания лифтов и освещения. GM питает свой центр обработки данных в Мичигане, используя отслужившие батареи от Chevrolet Volt.

Хотите знать больше — следите за новостями отрасли на нашем сайте, а также в телеграм-канале.