Αγαπητέ πλανήτη, δυστυχώς μείναμε από μπαταρία!

Αγαπητέ πλανήτη, δυστυχώς μείναμε από μπαταρία!

Γράφει ο Δρ. Πέτρος Τζεφέρης και ο Γεώργιος Τζεφέρης, σπουδαστής ΕΜΠ

Σαλάρ Ντε Ουγιούνι, Salar de Uyuni, Βολιβία
Σαλάρ Ντε Ουγιούνι (Salar de Uyuni), Βολιβία. Σύμφωνα με το US Geological Survey η περιοχή έχει αποθέματα 5,4 εκ. τον. λιθίου κρυμμένα κάτω από την κρούστα.

Ας αφήσουμε για λίγο τα κρίσιμα ορυκτά και μέταλλα που θεωρούνται απαραίτητα για την κατασκευή και λειτουργία των ΑΠΕ. Κι ας εξετάσουμε μόνο το ζήτημα της αποθήκευσης της ενέργειας που κι αυτό προϋποθέτει την ευρεία χρήση ενός μεγάλου φάσματος Ορυκτές Πρώτες Υλες (ΟΠΥ) για την ανάπτυξη των μπαταριών.

Οι μπαταρίες, σε συνδυασμό με την διαλείπουσα φύση και λειτουργία τους, αποτελούν ίσως την σημαντικότερη Αχίλλειο πτέρνα των τεχνολογιών ΑΠΕ τουλάχιστον μέχρι σήμερα. Και αυτό γιατί στο βασικό σενάριο της ενεργειακής μετάβασης της Ευρωπαϊκής Πράσινης Συμφωνίας (European Green Deal, 2020), οι ΑΠΕ δεν προτείνονται απλώς ως ενέργειες φορτίου αιχμής, αλλά ως η βασική επιλογή ενέργειας, ως ενέργεια που θα (πρέπει να) χρησιμοποιείται διαρκώς και συνεπώς θα πρέπει να είναι και διαρκώς διαθέσιμη. Απαιτείται λοιπόν η αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας, αλλιώς γυρνάμε την περίοδο του ανεμόμυλου που πριν πάμε για το άλεσμα του σιταριού κοιτούσαμε τον καιρό και μόνο τότε ξεκινούσαμε για το μύλο…

Ας παρακάμψουμε προς το παρόν και το υδρογόνο που επί της ουσίας δεν αποτελεί πηγή ενέργειας αλλά μια αποθήκη ενέργειας. Και ας μιλήσουμε μόνο για τις μπαταρίες. Σύμφωνα με τον ΙΕΑ, η παγκόσμια εγκατεστημένη χωρητικότητα αποθήκευσης προβλέπεται να αυξηθεί κατά 50-60% τα επόμενα πέντε χρόνια και να φτάσει τα 270 GW έως το 2026. Επίσης, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή εκτιμά ότι η ΕΕ θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει έξι φορές περισσότερη ενέργεια σε σύγκριση με τα σημερινά επίπεδα, με στόχο την επίτευξη μηδενικού ισοζυγίου εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου έως το 2050. Οι μπαταρίες αναμένεται να αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος αυτής της αύξησης της χωρητικότητας αποθήκευσης παγκοσμίως.

Τα συστήματα αποθήκευσης φτιάχνονται από μέταλλα κυρίως, κι ακόμη πολυμερή και ηλεκτρολύτες. Και τα μέταλλά τους, προφανώς πρέπει να προκύψουν από εξόρυξη και μεταλλουργική κατεργασία παραγωγής, διεργασίες με σημαντικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Όπως αντίστοιχο αποτύπωμα έχουν τα συστήματα αυτά τα ίδια μετά το τέλος της ζωής τους, το οποίο επίσης θα πρέπει να συνυπολογιστεί.

Σε κάθε περίπτωση όμως, για κάθε μια από αυτές τις τεχνολογίες αποθήκευσης, θα πρέπει να γίνει η ρεαλιστική (και ίσως επώδυνη) άσκηση υπολογισμού των εκατομμυρίων τόνων πρώτων υλών που θα απαιτηθούν για να στηρίξουν ένα διηπειρωτικό δίκτυο είτε για την ηλεκτροκίνηση είτε για ένα διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό δίκτυο. Δεδομένης της πεπερασμένης διαθεσιμότητας των πρώτων υλών αλλά και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, θα πρέπει να αναρωτηθούμε:

Υπάρχουν τα υλικά διαθέσιμα; Πόση ρύπανση θα παράξει αυτή η εξόρυξη αναζητώντας «πράσινη» ενέργεια; Πόσες «γενιές ορυχείων» θα απαιτηθούν για την εξόρυξη τους λαμβανομένου υπόψιν ότι χρειαζόμαστε κατά μέσο όρο πάνω από μια δεκαετία για να ανοίξουμε ένα νέο μεταλλείο;

Και τελικά, πόσος καιρός θα απαιτηθεί για να αντικαταστήσουμε ένα περίπλοκο βιομηχανικό ενεργειακό οικοσύστημα παραγωγής και διανομής ενέργειας που χρειάστηκε περισσότερο από έναν αιώνα για να κατασκευαστεί;

Ας δοκιμάσουμε να απαντήσουμε κάνοντας ορισμένες εκτιμήσεις και παραδοχές, στο κύριο ερώτημα αν υφίστανται οι απαιτούμενες ποσότητες που απαιτεί το γνωστό ευρωπαϊκό σενάριο περί Net-zero Carbon 2050. Δύο είναι τα βασικά σενάρια εργασίας:

  1. Η δυνατότητα της ηλεκτροκίνησης, δηλ. της αντικατάστασης του στόλου των 1,4 δις. (επιβατικών κυρίως) αυτοκινήτων που κυκλοφορούν στη Γη (ένα εξόχως συντηρητικό σενάριο) από αντίστοιχα ηλεκτροκίνητα [Σενάριο 1 Ηλεκτροκίνηση]
  2. H εγκατάσταση ενός παγκοσμίου δικτύου από στατικές μπαταρίες σταθεροποίησης του ηλεκτρικού δικτύου, οι οποίες θα υποστηρίζουν τις ΑΠΕ αποθηκεύοντας την ενέργεια που αυτές παράγουν και δεν καταναλώνεται αμέσως δηλ. θα αξιοποιούν την περίσσεια ενέργεια των ΑΠΕ [Σενάριο 2-Παγκόσμιο δίκτυο αποθήκευσης ενέργειας].
Μπαταρία λιθίου, λίθιο

Για εφαρμογές αυτοκίνησης, η πλέον αποδεκτή λύση σήμερα, με τον ταχύτερο ρυθμό ανάπτυξης στην αγορά μπαταριών, είναι η μπαταρία ιόντων λιθίου, η κατασκευή της οποίας απαιτεί επιπλέον μέταλλα όπως χαλκό (17%) και αλουμίνιο (8%), στην κάθοδο (συνολικά 31%: νικέλιο, κοβάλτιο, αλουμίνιο και προφανώς λίθιο) και στην άνοδο γραφίτης μεγάλης καθαρότητας (22%).

Εδώ δεν θα εξετάσουμε δεδομένα οικονομικής ούτε περιβαλλοντικής βιωσιμότητας των μπαταριών. Η μεθοδολογία είναι να εξετάσουμε πόση ποσότητα ορυκτών και μετάλλων θα χρειαστεί για την παραγωγή επαρκών μπαταριών ιόντων λιθίου που θα αντικαταστήσουν τον εκτιμώμενο παγκόσμιο στόλο μεταφορών. Μετά από αυτό, ο ίδιος υπολογισμός θα επεκταθεί για να συμπεριλάβει και τους σταθμούς αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας (σύμφωνα με τον Πίνακα και τις βασικές παραδοχές).

Η βασική παραδοχή μας για την ηλεκτροκίνηση είναι ότι η μάζα των μπαταριών ιόντων λιθίου που απαιτείται για την τροφοδοσία των 1,39 δισεκατομμυρίων EV που προτείνονται στο Σενάριο 1 θα είναι 282,6 εκατομμύρια τόνοι [1]. Για την αποθήκευση της ενέργειας ΑΠΕ σε παγκόσμιο σύστημα, η παραδοχή είναι η εξασφάλιση ενός «buffer» χωρητικότητας ισχύος 4 εβδομάδων για τη διαχείριση της χειμερινής περιόδου στο βόρειο ημισφαίριο. Αυτή η χωρητικότητα προσωρινής αποθήκευσης ενέργειας για το παγκόσμιο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας εκτιμάται σε 573,4 TWh.

Το 2018, η «αντλούμενη» αποθήκευση που συνδέεται με ένα σύστημα παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας (τεχνολογία αντλησιοταμίευσης) αντιπροσώπευε το 98% της υπάρχουσας παγκόσμιας ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας. Εάν αυτό το buffer ισχύος εξασφαλιζόταν με τη χρήση συστοιχιών μπαταριών ιόντων λιθίου, η απαιτούμενη μάζα των μπαταριών ιόντων λιθίου θα ήταν 2,5 δισεκατομμύρια τόνοι [1]. Τέλος, για τα παγκόσμια αποθέματα ορυκτών και μετάλλων χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα της Στατιστικής Υπηρεσίας Ορυκτών της Γεωλογικής Υπηρεσίας των Ηνωμένων Πολιτειών (USGG, 2020) [2].

λίθιο, μπαταρίες, ηλεκτρική ενέργεια
ηλεκτρικό όχημα, λίθιο, μπαταρίες
Σχ. Σύγκριση των ποσοτικών απαιτήσεων για μέταλλα μπαταριών σε σχέση με τα παγκόσμια αποθέματα ορυκτών και μετάλλων στο σενάριο αντικατάστασης του στόλου των 1,416 δις. αυτοκινήτων από EV.

Συνοπτικά συμπεράσματα

Στο Σενάριο 1 δηλ. την ηλεκτροκίνηση, οι προκαταρκτικοί υπολογισμοί μας δείχνουν ότι η συνολική μάζα μετάλλου λιθίου που θα απαιτείτο για να κατασκευασθούν οι μπαταρίες του παγκοσμίου στόλου των περίπου 1,4 δις. ηλεκτροκίνητων οχημάτων της πράσινης μετάβασης (ΙΧ, δικύκλων, φορτηγών, αεροπλάνων, πλοίων, λεωφορείων, τραίνων, κλπ) θα ανερχόταν σε 6,1 εκ. τόνους, δηλ. το 29% των βεβαιωμένων παγκοσμίων αποθεμάτων (21 εκ. τόνοι το 2020). Με ετήσια παραγωγή 95-100 χιλ. τόνων Li θα χρειάζονταν 61 χρόνια εξόρυξης για να παραχθεί αυτή η πρώτη γενιά μπαταριών, η οποία θα είχε διάρκεια ζωής 8-10 ετών. Για το νικέλιο το σενάριο αυτό θα απαιτούσε το 45,1% των παγκόσμιων αποθεμάτων νικελίου, ενώ σύμφωνα με τους υπολογισμούς μας δεν υφίσταται στη Γη αρκετό κοβάλτιο στα τρέχοντα αποθέματα για να καλύψει τη ζήτηση και θα χρειαστεί να ανακαλυφθούν περισσότερα.

Θεωρητικά, υπάρχουν λοιπόν παγκόσμια αποθέματα νικελίου και λιθίου, εάν όμως αυτά χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και μόνο για την συγκεκριμένη χρήση, δηλ. την παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου για οχήματα. Δηλ. η υπόθεση μας δεν ενσωματώνει τα ισοζύγια μάζας για άλλες χρήσεις είτε για μπαταρίες όπως κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές ή λοιπές ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης. Ούτε επιτρέπει άλλες εφαρμογές ζήτησης για αυτά τα μέταλλα εκτός της κατασκευής μπαταριών, όπως η παραγωγή κραμάτων μετάλλων κλπ. Κι αυτό προφανώς δεν είναι μια ρεαλιστική επιλογή.

Το λίθιο δεν είχε συμπεριληφθεί στον προηγούμενο κατάλογο των CRMs της ΕΕ (2017), εντούτοις εντάχθηκε το 2020 και αναμένεται να είναι εκεί για πολύ καιρό καθώς ως battery metal συνδυάζει τόσο το Economic importance όσο και το Supply risk…
Το περίφημο «τρίγωνο του Λιθίου» που σχηματίζουν τρεις χώρες της Λατινικής Αμερικής στην περιοχή της οροσειράς των Άνδεων: Αργεντινή, Βολιβία και Χιλή. Η περιοχή αυτή έχει τεράστια γεωπολιτική αξία καθώς συγκεντρώνει τα μεγαλύτερα παγκόσμια αποθέματα λιθίου. Εκεί παράγεται σήμερα η μισή περίπου ποσότητα του λιθίου που καταναλώνεται διεθνώς, ενώ εκτιμάται πως στο υπέδαφός της υπάρχουν σχεδόν τα δύο τρίτα των παγκοσμίων αποθεμάτων.

Οι απαιτούμενες ποσότητες των ορυκτών και μετάλλων είναι επιεικώς πολύ μεγάλες. Αν διατηρηθούν οι σημερινοί ρυθμοί παραγωγής θα χρειαστούν αρκετές δεκαετίες για να παραχθούν τα ορυκτά που απαιτούνται για την κατασκευή μόνο αυτής της πρώτης γενιάς μπαταριών για τον στόλο μεταφορών. Μπορεί σε βάθος χρόνου νέα κοιτάσματα να ανακαλυφθούν και νέες εγκαταστάσεις εξόρυξης να κατασκευασθούν.

Όμως γνωρίζοντας πολύ καλά τον κύκλο των 10 ή και περισσότερων χρόνων που απαιτεί την έναρξη νέων ορυχείων στον κόσμο (έρευνα-εξόρυξη-επεξεργασία) έχουμε μόλις 3 γενιές «ορυχείων» μπροστά μας μέχρι το 2050, ελάχιστες δηλ. για να μπορέσουμε να ανταποκριθούμε σε μια τόσο μεγάλη ζήτηση. Εδώ πρέπει να προσθέσουμε και την γεωπολιτική διάσταση των ορυκτών, τη σπανιότητά τους, την συγκέντρωσή τους σε συγκεκριμένες γεωγραφικές ενότητες που συνδέεται με γεωπολιτικά εμπόδια και επιπτώσεις.

Ένα παράδειγμα, ο φυσικός γραφίτης, ο οποίος χρειάζεται στην ΕΕ όχι μόνο για την παραγωγή ανοδίων, θεωρείται κρίσιμο υλικό επειδή το 80% του εξορυσσόμενου, φυσικού γραφίτη εισάγεται από χώρες εκτός Ευρώπης (Κίνα και Βραζιλία). Για το κοβάλτιο, η ανάγκη αλλά και τα γεωπολιτικά ζητήματα είναι τεράστια και το στοιχείο αυτό βρίσκεται διαρκώς στους καταλόγους των κρισίμων ορυκτών, όχι μόνο της ΕΕ αλλά και των ΗΠΑ.

Περαιτέρω, όπως ήδη αναφέρθηκε, η ωφέλιμη διάρκεια ζωής των μπαταριών είναι 8-10 χρόνια. Έτσι, 8-10 χρόνια μετά την κατασκευή και κατά μέσο όρο 160 χιλ. χλμ., θα απαιτηθούν νέες μπαταρίες αντικατάστασης, είτε από νέα εξόρυξη ορυκτών είτε από πηγή ανακυκλωμένου μετάλλου. Καθώς λιγότερο από το 0,5% του τρέχοντος στόλου μεταφορών είναι EV, η προμήθεια αυτών των μπαταριών δεν μπορεί να εξασφαλιστεί από ανακύκλωση. Άλλωστε η πρώτη γενιά δεν έχει ακόμη κατασκευαστεί. Μόλις φθαρεί αυτή η πρώτη γενιά, οι μπαταρίες μπορούν να ανακυκλωθούν, μια διαδικασία που έχει τις δικές της προκλήσεις.

Εκτός από την σπανιότητα και την προσβασιμότητα των πρώτων υλών, η εξόρυξη, η μεταφορά, η επεξεργασία και η ανακύκλωση υλικών επηρεάζουν έντονα τις πτυχές κόστους και βιωσιμότητας μιας μπαταρίας [3].

Προκύπτει λοιπόν ένα αβίαστο και λογικό συμπέρασμα, πως αν το στοίχημα του 100% είναι τουλάχιστον «φιλόδοξο» για το 2050, το στοίχημα του 55% για το 2030 είναι μάλλον μια χαμένη υπόθεση (πάντα με τα ισχύοντα δεδομένα).

Το ευρωπαϊκό σενάριο της ηλεκτροκίνησης, δηλ. να περιορίσουμε τους υπολογισμούς μας μόνο στα ευρωπαϊκά δρώμενα, δείχνει περισσότερο εφικτό καθότι ο ευρωπαϊκός στόλος είναι 6 φορές μικρότερος από τον παγκόσμιο (στην Ευρώπη κυκλοφορούν επισήμως περίπου 250 εκατομμύρια αυτοκίνητα). Όμως κι αυτό -τηρουμένων των αναλογιών- φαντάζει «δύσκολο» με τα σημερινά δεδομένα παραγωγής των ΟΠΥ και τις δεσμεύσεις που ήδη προαναφέρθηκαν. Εκτός από δύσκολο είναι και εξαιρετικά «εγωιστικό» για κοινωνικούς λόγους μη σεβόμενο τη διαγενεακή συνοχή, μιας και απαιτεί την συλλογή και εξάντληση πόρων από όλο τον κόσμο και τις επερχόμενες γενιές ώστε να εξυπηρετήσει μόνο την Ευρώπη!

Όλα τα παραπάνω αφορούν μόνον την αυτοκίνηση. Ακόμα δεν επιχειρήσαμε το δυσχερέστερο σενάριο δηλ. να υπολογίσουμε τις στατικές μπαταρίες σταθεροποίησης του ηλεκτρικού δικτύου, οι οποίες θα αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργεια των ΑΠΕ όταν προσφορά είναι υψηλότερη από τη ζήτηση σε περιόδους άφθονου ήλιου ή ανέμου (Σενάριο 2).

Σχ. Σύγκριση των ποσοτικών απαιτήσεων για μέταλλα μπαταριών σε σχέση με τα παγκόσμια αποθέματα ορυκτών και μετάλλων στο σενάριο εγκατάστασης μπαταριών σταθεροποίησης του παγκοσμίου ηλεκτρικού δικτύου των ΑΠΕ.

Αν το σενάριο 1 θα μπορούσε να είναι υπό προϋποθέσεις οριακά εφικτό, το σχετικό διάγραμμα για το Σενάριο 2 δείχνει ξεκάθαρα ότι το σενάριο χρήσης μπαταρίας ιόντων λιθίου για σταθμούς αποθήκευσης ενέργειας (ενεργειακά αποθέματα τεσσάρων εβδομάδων για τον χειμώνα του Βορείου Ημισφαιρίου), δεν θα λειτουργήσει. Αυτό θα απαιτούσε επιπλέον 54 εκ. τόνους λιθίου, 380 εκ. τον. νικελίου, 70 εκ. τον. κοβαλτίου και 550 εκ. τον. γραφίτη δηλαδή ποσότητες πολλαπλάσιες των παγκοσμίων αποθεμάτων και χρόνους εξόρυξης 150-550 έτη με βάση την ετήσια παραγωγή (σημερινή), αν φυσικά υπήρχαν τα αποθέματα.

Το συμπέρασμα είναι καταλυτικό. Απλά δεν υπάρχουν αρκετά ορυκτά στα τρέχοντα παγκόσμια αποθέματα και δεν υπάρχει αρκετός χρόνος ή δυνατότητα (επαρκή projects) για εξερεύνηση και ανακάλυψη του απαιτούμενου πρόσθετου όγκου.

Για άλλους τεχνικούς λόγους (θερμική σταθερότητα, γήρανση λόγω διαδοχικών κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης κ.ά.), η τεχνολογία μπαταριών λιθίου είναι πιθανότατα ακατάλληλη για τέτοιας κλίμακας χρήσεις, και άλλες πιο συμβατές λύσεις αναζητούνται. Πάντως σε μελέτη των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας της Κομισιόν φαίνεται να προκρίνεται (ή τουλάχιστον να μην αποκλείεται) μια τέτοιας κλίμακας χρήση των μπαταριών λιθίου [4].

Η αλήθεια είναι ότι θα πρέπει να εξορθολογήσουμε την ζήτηση του λιθίου στο άμεσο μέλλον εισάγοντας και άλλες πλουραλιστικές λύσεις για την αποθήκευση (πχ. αναδυόμενες τεχνολογίες θερμικής αποθήκευσης και υδρογόνου), όπως άλλωστε επιχειρείται παγκοσμίως.

Εντούτοις, πολλές τεχνολογικές λύσεις που έχουν προταθεί για την αποθήκευση της ενέργειας από ΑΠΕ είναι αποτελεσματικές, κυρίως όμως όταν εξετάζονται αυτοτελώς και όχι συνδυαστικά σε ένα λειτουργικό σύνολο. Όταν επιχειρήσουμε να κλιμακώσουμε τη δράση παρουσιάζουν πρακτικά αδιέξοδα που μας θυμίζουν τα «αεικίνητα» των διαφόρων ερευνητών που αψηφούσαν (είτε βλακωδώς είτε εντέχνως εσκεμμένα) τους δύο θερμοδυναμικούς νόμους. Όταν απομονώνουμε μια διεργασία της φύσης μπορούμε να επιτύχουμε να την αναπαράγουμε και ενίοτε να την καταστήσουμε κερδοφόρα. Όμως οι διεργασίες πρέπει να εντάσσονται σε λειτουργικά σύνολα και να ανταποκρίνονται σε ευρύτερη στοχοθεσία.

Οι αριθμοί μιλούν και μάλιστα πολύ εύγλωττα. Οι υφιστάμενοι τομείς των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) και τα συστήματα τεχνολογίας EV είναι καλοδεχούμενα εργαλεία και θα συνεχίσουν να μεγαλώνουν την διείσδυσή τους. Όχι όμως ως μια κατ’ ανάγκη παγκόσμια πασπαρτού λύση, ως ένα παγκόσμιο Green deal και μάλιστα με αυστηρά χρονοδιαγράμματα, αλλά ως ένα σκαλοπάτι και όχι ως τελική λύση.

Επομένως, αν ο στόχος μας είναι παγκόσμιος, αυτό που απαιτείται, είναι μια σημαντική μείωση της καταναλωτικής ζήτησης της κοινωνίας για όλους τους πόρους κάθε είδους. Αυτό συνεπάγεται ένα πολύ διαφορετικό κοινωνικό συμβόλαιο και ένα ριζικά διαφορετικό σύστημα διακυβέρνησης από αυτό που ισχύει σήμερα. Ίσως σκεπτόμενοι «out of the box» να βρούμε κι άλλες λύσεις!

[1] Simon P. Michaux (2021). Assessment of the Extra Capacity Required of Alternative Energy Electrical Power Systems to Completely Replace Fossil Fuels, GTK Open File Work Report 42/2021, Geological Survey of Finland, 985 pp.

[2] Minerals Yearbook – Metals and Minerals, U.S. Geological Survey (USGS)

[3] S. Dühnen et al. (2020) “Toward Green Battery Cells: Perspective on Materials and Technologies”. Small Methods 2020, 4, 2000039. MEET Battery Research Center, University of Münster, Germany

[4 ] Study on energy storage – Contribution to the security of the electricity supply in Europe, Directorate-General for Energy Internal Energy Market, European Commission, 2020, pp.202.

Αφιέρωμα - Κρίσιμες Ορυκτές Πρώτες Ύλες ένα στοίχημα για την Ευρώπη
foolwo rawmathub.gr on Google News
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER