Zielona ekologia czy malowana na zielono?

Obecnie wydaje się, że działania rządów i obywateli Zachodu są podporządkowane rozwiązaniom ekologicznym, co w samo w sobie jest kierunkiem pożądanym, zwłaszcza gdy uświadomimy sobie, jak bardzo człowiek zdewastował wcześniej środowisko naturalne. Jeżeli obliczenia wykonane przez Marka P. Millsa, senior fellow Manhattan Institute oraz faculty fellow w McCormick School of Engineering na Northwestern University są prawidłowe, to nasze myślenie o ekologicznych technologiach jest w dużej mierze życzeniowe.

Żaden system energetyczny nie jest w rzeczywistości „odnawialny”, ponieważ wszystkie maszyny wymagają ciągłego wydobywania i przetwarzania milionów ton surowców oraz utylizacji sprzętu, który nieuchronnie się zużywa. Budowa turbin wiatrowych i paneli słonecznych do wytwarzania energii elektrycznej, a także akumulatorów do napędzania pojazdów elektrycznych, wymaga średnio ponad 10 razy więcej materiałów w porównaniu z budową maszyn wykorzystujących węglowodory do dostarczania tej samej ilości energii społeczeństwu.

Nic nie jest za darmo, pojedyncza bateria samochodu elektrycznego ważąca pół tony wymaga wydobycia i przetworzenia około 250 ton materiałów. Uśredniając czas życia akumulatora, każdy kilometr jazdy samochodem elektrycznym „zużywa” 2,5 kg Ziemi. Korzystanie z silnika spalinowego zużywa około 0,07 kg płynnego paliwa na kilometr. Przy czym wszyscy znają wygląd szybów naftowych, a jakieś afrykańskie czy peruwiańskie kopalnie mało kogo wzruszają.

Niestabilne i epizodyczne źródła energii, takie jak wiatr i słońce nie są w stanie zasilać sieci przez cały czas, to powoduje, że do zapobieżenia blackoutom konieczne jest zwiększenie koniecznych materiałów. Musimy mieć świadomość, że zużywamy olbrzymie zasoby, tworząc nowe maszyny, które wyprodukują nowe urządzenia, o zwiększonej materiało i kosztochłonności, w celu wytworzenia ekoenergii. Później kolejne urządzenia, starając się zmagazynować energię (co ciągle jest w powijakach), która będzie skonsumowana, gdy słońce czy wiatr nie będą dostępne. Aby zobrazować: system magazynowania na skalę użytkową, wystarczający dla farmy wiatrowej o mocy 100 MW, wymagałby użycia co najmniej 10 000 ton baterii klasy Tesla – czyli odpowiednik 20 tysięcy samochodów.

Dobrym przykładem na to, jak sytuacja wygląda realnie, jest neodym. Do wyprodukowania jednej, ekologicznej turbiny wiatrowej o mocy 5 MW potrzeba 800 kg neodymu, w przypadku mniejszej 2 MW potrzeba go ok. 300 kg. Z powodu dynamicznego wzrostu zapotrzebowania na neodym, w sytuacji, gdy Chiny odpowiadają za niemal 90 proc. światowej produkcji, zawiązała się koalicja państw, która ma za zadanie w jakimś stopniu uniezależnić świat od Chin. Niestety produkcja neodymu jest wysoce toksyczna. Na przykład pierwszy krok w jego produkcji, to potraktowanie monacytu (rudy) przez wiele godzin kwasem siarkowym w temperaturze do 150 stopni. Nawet nie to jest najgorsze, bo monacyt zawiera promieniotwórczy tor oraz uran.

Skażenia środowiska powodują, że uczestnicy wspomnianej koalicji są bardzo zachowawczy w próbach zwiększenia ilości pozyskiwanego pierwiastka, wszyscy obawiają się, że „martwa strefa”, jaka powstała w okolicach jeziora Baotou w północnych Chinach może powstać w krajach bardzo troszczących się o środowisko naturalne. Efektem jest rosnące uzależnienie świata od Chin i gigantyczna degradacja terenu, skoncentrowana w jednym kraju, po to, aby społeczeństwa Zachodu mogłyby być dumne ze swej ekologicznej postawy.

Według szacunków Banku Światowego w ciągu najbliższych 30 lat nastąpi wzrost zapotrzebowania na neodym od 10 do 40 razy, odmiennie naukowcy z Harvardu szacują zwiększenie potrzeb do roku 2050 na 26-krotne. Mimo że Chiny posiadają największe na świecie zasoby rudy neodymowej, takiego wzrostu nie będą w stanie zapewnić, stąd możemy być przekonani, że zatrucie środowiska w trudno wyobrażalnej skali pojawi się, tam, gdzie występuje monacyt neodymowy, czyli np. Boliwii. Ruda znajduje się również w Kanadzie, USA, Australii, czy na Madagaskarze i możemy być przekonani, o tym, że pięknoduchy spowodują zniszczenia raczej w krajach „gorzej cywilizowanych”. Naturalnym efektem są problemy z oddychaniem, zmiany skórne i uszkodzenia wzroku, jako efekt kontaktu i występują na masową skalę w Mongolii Wewnętrznej.

Wszelkie analizy potrzeb surowcowych zielonej gospodarki nie uwzględniają kosztów ekonomicznych, społecznych i środowiskowych rafinacji czystych pierwiastków. W przypadku wspomnianego powyżej neodymu, dla pozyskania jednej tony pierwiastka potrzeba wydobycia i przerobienia ponad tysiąca ton rudy, w przypadku kobaltu wydobywanego w Afryce, potrzeba ponad 1500 ton rudy na jedną tonę czystego minerału. Kolejnym niewidzialnym czynnikiem mającym znaczenie przy wydobyciu jest tzw. nakład, czyli skały, które należy wydobyć i przemieścić, aby uzyskać dostęp do rudy, w Chinach, wydobycie dla pozyskania jednej tony surowca trzeba wydobyć 7 tysięcy ton skał.

Wbrew treści artykułów sponsorowanych przez środowiska tradycyjnej gospodarki, nie występuje ryzyko braku dostępu do surowców z powodu ich wyczerpania, realnym problemem jest dewastacja środowiska w miejscach innych niż konsumpcja oraz rosnące w szalonym tempie ceny.

Badania zlecone przez rząd Holandii dały zaskakujący wynik, oczekiwany, długoterminowy wzrost zapotrzebowania jednego kraju jest w stanie wyczerpać większość światowej produkcji metali ziem rzadkich, a wykładniczy wzrost zdolności produkcyjnej energii odnawialnej „nie jest możliwy przy obecnych technologiach i rocznej produkcji metalu”[i].

Tak, jak poprzednio skupiałem się na jednym pierwiastku, neodymie, teraz przyjrzę się bliżej innemu – litowi. Typowy akumulator, ważący 500 kg zawiera 13 kg czystego litu. Zawartość litu w solance litowej wynosi ok. 0,1 proc., co oznacza, że do jednego akumulatora trzeba 13 ton tejże solanki. Do uzyskania tej solanki należy użyć 100 ton skał. Wykonywane jest to oczywiście maszynami, w większości napędzanymi energią nieekologiczną.

Środowiskowe/energetyczne koszty wydobycia w przypadku wydobycia litu są około 20 tysięcy razy większe niż w przypadku nieekologicznej ropy naftowej. Dobrym przykładem może być typowy samochód z silnikiem wysokoprężnym klasy kompakt, chociaż waży on 10 tys. razy więcej niż smartfon, do jego wyprodukowania zużywa się jedynie 400 razy więcej energii[ii]. Podstawową przyczyną, takiego stanu rzeczy są uwarunkowania fizykochemiczne ekstrakcji rudy do poziomu oczekiwanego surowca.

Średnio wytworzenie 1 Wh pojemności magazynowej akumulatora wiąże się ze skumulowanym zapotrzebowaniem na energię w wysokości 328 Wh i powoduje emisję gazów cieplarnianych (GHG) na poziomie 110 gCO2eq[iii].

Produkcja litu, przy założeniu konsekwentnego przechodzenia z silników spalinowych na elektryczne, ma wg ekspertów w ciągu najbliższych 20 lat wzrosnąć 20-krotnie. Obecnie największym producentem litu jest Australia, kolejne miejsca okupują: Chile, Argentyna i Chiny.

Dzisiaj kraje bogate są dumne z tego, że stały się gospodarkami usług, lecz zakup wykonany jednym kliknięciem w smartfonie nie powoduje, że koszty wytwarzania znikły. Samochód sprzed wieku budowany był z kilku materiałów, dzisiaj z kilkudziesięciu i jego ekologiczność wymusza stosowanie energochłonnych technologii, rosną powierzchnie magazynów przeznaczonych dla produktów wytwarzanych na drugim końcu świata, rośnie transport.

Postawa polityków przypomina infantylne podejście do zwierząt, które same w sobie mają być dobre, wymagające karmienia drapieżników produktami wegetariańskimi. Konsekwentnie, gospodarka bazująca na usługach ma być bardziej przyjazna środowisku, w praktyce, następuje proces odwrotny. Co więcej, przemieszczenie wydobycia i produkcji z krajów bogatych, uruchamia procesy, których skutki możemy obserwować, w postaci utrudnień w łańcuchach dostaw, czy to z powodów medycznych (Covid) czy politycznych (konflikt Chin i USA). W sytuacji rosnącej zależności od dostaw z krajów o niepewnej sytuacji politycznej, bezpieczeństwo ekonomiczne państw Zachodu z każdym krokiem wdrażania zielonej energii spada, a koszty tych rozwiązań rosną lawinowo.

Jak wiele negatywnych reperkusji dla światowej gospodarki może mieć niepewność polityczna, pokazuje obecnie wojna na Ukrainie, przyspieszenie wdrażania zielonej energii wzmocniło nierównowagę w systemach energetycznych, doprowadzając do bezprecedensowego wzrostu cen energii w Europie.

Dla wielu zwolenników zielonej energii rozwiązanie wszystkich wyzwań związanych z recyklingiem zużytej zielonej energii znajduje się w dobrze „oklepanym” wezwaniu do zwracania większej uwagi na „ograniczanie, ponowne wykorzystanie i recykling”. Niestety nic nie jest tutaj tak proste, jak się pozornie może wydawać.

Według szacunków Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA) ilość odpadów z akumulatorów do 2030 roku przekroczy 2 miliony ton rocznie. Jeśli aktualne prognozy Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) zostaną spełnione, to do 2050 r. będzie ponad 3 miliony ton rocznie, nienadających się do recyklingu łopat turbin z tworzyw sztucznych.

Dla zwolenników zielonej energii wyidealizowana wizja recyklingu obejmuje wdrożenie „gospodarki o obiegu zamkniętym”, jako priorytetu numer jeden w radzeniu sobie z materialnymi konsekwencjami czystych technologii. Jednak idea zielonej gospodarki o obiegu zamkniętym opartej na celu 100 proc. recyklingu to mrzonka. W świecie realnym Ghana stała się euro śmietnikiem elektronicznych śmieci.

Według danych Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) na Zachodzie recyklingowi podlega mniej niż 5 proc. akumulatorów. Według LindyGaines z Argonne National Laboratory przyczyny obejmują ograniczenia techniczne, bariery ekonomiczne, kwestie logistyczne i luki regulacyjne. Ponieważ przemysł akumulatorów litowo-jonowych nie ma jasnej ścieżki ekonomicznego recyklingu, badacze i producenci akumulatorów tradycyjnie nie skupiali się na poprawie możliwości recyklingu. Zamiast tego pracowali nad obniżeniem kosztów i zwiększeniem żywotności baterii i pojemności. A ponieważ naukowcy poczynili jedynie niewielkie postępy w zakresie poprawy zdolności do recyklingu, stosunkowo niewiele akumulatorów litowo-jonowych trafia do recyklingu.

W styczniu 2019 r. sekretarz Departamentu Energii USA Rick Perry ogłosił utworzenie pierwszego centrum badawczo-rozwojowego ds. recyklingu akumulatorów litowo-jonowych ReCell Center. Według Jeffreya S. Spangenbergera dyrektora programu, kluczowe cele ReCell obejmują uczynienie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych konkurencyjnym i opłacalnym oraz wykorzystanie recyklingu w celu zmniejszenia zależności USA od zagranicznych źródeł kobaltu i innych materiałów akumulatorowych.

Podobnie naukowcy z Wielkiej Brytanii utworzyli duże konsorcjum, którego celem jest usprawnienie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych, w szczególności z pojazdów elektrycznych. Kierowany przez Uniwersytet w Birmingham projekt Reuse and Recycling of Lithium Ion Batteries (ReLiB) skupia około 50 naukowców i inżynierów z ośmiu instytucji akademickich i obejmuje 14 partnerów przemysłowych.

Oprócz potencjalnych korzyści ekonomicznych recykling może zmniejszyć ilość materiałów trafiających na składowiska. Kobalt, nikiel, mangan i inne metale znajdujące się w bateriach, mogą łatwo wyciekać z obudowy zakopanych baterii i zanieczyszczać glebę i wody gruntowe, zagrażając ekosystemom i zdrowiu ludzi. To samo dotyczy roztworu soli fluorku litu (powszechny jest LiPF6) w rozpuszczalnikach organicznych, które są używane w elektrolicie akumulatora.

Baterie mogą mieć negatywny wpływ na środowisko nie tylko pod koniec ich życia, ale także na długo przed ich wyprodukowaniem. Jak podkreśla Argonne’s Gaines, większy recykling oznacza mniej wydobycia materiału pierwotnego i mniej związanych z tym szkód dla środowiska. Na przykład wydobycie, niektórych metali akumulatorowych wymaga przetwarzania rudy siarczkowej metalu, która jest energochłonna i emituje tlenki siarki, które mogą prowadzić do kwaśnych deszczy.

Recykling komplikuje sama budowa baterii. Od wczesnych lat 90., kiedy firma Sony wprowadziła na rynek akumulatory litowo-jonowe, naukowcy wielokrotnie dostosowywali skład katody, aby obniżyć koszty i zwiększyć pojemność ładowania, żywotność, czas ładowania i inne parametry wydajności.

Niektóre akumulatory litowo-jonowe wykorzystują katody wykonane z tlenku litowo-kobaltowego (LCO). Inne stosują tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-kobaltowy (NMC), tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy, fosforan litowo-żelazowy lub inne materiały. A proporcje komponentów w obrębie jednego typu katody — na przykład NMC — mogą się znacznie różnić między producentami. W rezultacie akumulatory litowo-jonowe zawierają „szeroką różnorodność stale ewoluujących materiałów, co sprawia, że recykling jest trudny”. Firmy zajmujące się recyklingiem mogą być zmuszone do sortowania i rozdzielania baterii według składu, aby spełnić wymagania osób kupujących materiały z recyklingu, co komplikuje proces i podnosi koszty.

Struktura baterii dodatkowo komplikuje wysiłki związane z recyklingiem. Akumulatory litowo-jonowe są kompaktowymi, złożonymi urządzeniami, występują w różnych rozmiarach i kształtach i nie są przeznaczone do demontażu. Każde ogniwo zawiera katodę, anodę, separator i elektrolit.

Katody na ogół składają się z elektrochemicznie aktywnego proszku (LCO, NMC itp.) zmieszanego z sadzą i przyklejonego do kolektora prądu z folii aluminiowej za pomocą związku polimerowego, takiego jak poli (fluorek winylidenu; PVDF). Anody zwykle zawierają grafit, PVDF i folię miedzianą. Separatory, które izolują elektrody, aby zapobiec zwarciom, to cienkie, porowate folie z tworzywa sztucznego, często z polietylenu lub polipropylenu. Elektrolit jest zazwyczaj roztworem LiPF6 rozpuszczonym w mieszaninie węglanu etylenu i węglanu dimetylu. Elementy są ciasno nawinięte lub ułożone w stos i bezpiecznie zapakowane w plastikową, lub aluminiową obudowę.

Duże pakiety baterii zasilające pojazdy elektryczne mogą zawierać kilka tysięcy ogniw pogrupowanych w moduły. Pakiety zawierają również czujniki, urządzenia zabezpieczające i obwody kontrolujące działanie baterii, z których wszystkie dodają kolejną warstwę złożoności i dodatkowe koszty demontażu i recyklingu.

O ile typowe akumulatory samochodowe nie wymagają szczególnych warunków, to nowoczesne akumulatory litowe, gdyby chcieć poddać je efektywnemu recyclingowi wymagają dokładności pracy na poziomie mikroskopu. Dlatego typowe akumulatory podlegają niemal 100 proc. recyclingowi, a te nowoczesne w ilościach poniżej błędu statystycznego.

Kilka dużych zakładów pirometalurgicznych prowadzi obecnie testowo recykling akumulatorów litowo-jonowych. Jednostki te, które często pracują w temperaturze około 1500 °C, odzyskują kobalt, nikiel i miedź, ale nie lit, glin ani jakiekolwiek związki organiczne, które ulegają spaleniu. Instalacje są kapitałochłonne, po części ze względu na konieczność oczyszczania emisji toksycznych związków fluoru uwalnianych podczas wytapiania. Dla odmiany w Chinach testuje się recycling niskotemperaturowy, który pozwala na przykład na odzyskanie litu, jednak stosuje się podczas tego procesu wysokożrące substancje. Jest to proces tańszy, ale bardziej szkodzi środowisku.

Zespół w Birmingham pracuje nad wysokodokładnymi robotami, które mają pozwolić na demontaż baterii, co zmniejszyłoby zagrożenia, jakimi mogą ulegać pracownicy oraz umożliwiłoby odzyskanie większej ilości surowców.

Chociaż większość technologii recyclingu baterii znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, zapotrzebowanie na nie rośnie. Obecnie liczba zużytych akumulatorów pojazdów elektrycznych jest niska, ale wraz z rozwojem technologii będzie rosnąć.

Krzysztof Jaroszuk

Dyskusja o korzyściach wynikających z transformacji energetycznej koncentruje się na korzyściach wynikających z odchodzenia od energii pozyskiwanej z tradycyjnych źródeł. Jednak bardzo rzadko porusza się problem kosztów związanych z degradacją środowiska, która jest efektem wprowadzania alternatywnych rozwiązań. Trudno również o rzetelny bilans kosztów i zysków „zielonej rewolucji”, co utrudnia jej holistyczną i obiektywną ocenę. (Red.)

[i]https://circulareconomy.europa.eu/platform/sites/default/files/metal_demand_for_renewable_electricity_production_in_the_netherlands.pdf

[ii]https://trends.directindustry.com/project-112007.html

[iii]https://ideas.repec.org/a/eee/rensus/v67y2017icp491-506.html