Vliv výroby baterií na životní prostředí a ekologii

Bez nadsázky můžeme říci, že baterie nás provází od nepaměti. Ať již objev baterie přisoudíme komukoliv, je s jistou mírou nadsázky možné říci, že nyní se nacházíme v době elektrických baterií. Baterie a akumulátory jsou dnes obsažené ve většině elektrických a elektronických zařízení.

Podle statistických údajů se v roce 2019 pouze v zemích EU prodalo 205 tisíc tun přenosných baterií. Výzkumná agentura BloombergNEF očekává, že v souvislosti s útlumem fosilních zdrojů energie a rozvojem fotovoltaických, vodních a větrných elektráren dojde v nejbližších deseti letech k exponenciálnímu nárůstu kapacity bateriových úložišť a na úroveň 358 gigawattů/1 028 gigawatthodin. To je dvacetkrát více než 17 gigawattů/34 gigawatthodin, které byly v provozu na konci roku 2020.

Podle odhadů Světového ekonomického fóra je pro to, aby se urychlil přechod na nízkouhlíkové hospodářství, zapotřebí zvýšit celosvětovou výrobu baterií na devatenáctinásobek. Prognóza naznačuje, že většina, tedy 55 %, bateriových úložišť vybudovaných do roku 2030 bude sloužit k zajištění efektivity transferů energie do energetických soustav (například skladování solární nebo větrné energie za účelem pozdějšího uvolnění). Projekty s využitím obnovitelných zdrojů kombinované s uložením získané energie jsou stále atraktivnější a předpokládá se strmý nárůst jejich realizací. V případě lokálních bateriových úložišť (v domácnostech a podnicích) se očekává, že do roku 2030 budou tvořit přibližně čtvrtinu celosvětových instalací.

V souvislosti s přechodem na čistou energii se vývoj a výroba baterií stávají pro Evropu strategickým imperativem. Výroba a vývoj baterií mají pro Evropu obrovský strategický význam v souvislosti s přechodem na čistou energii i jako klíčová součást konkurenceschopnosti automobilového průmyslu EU. Předpokládá se, že v letech 2020 až 2030 dojde v EU k intenzivnímu nárůstu elektrifikace osobních a dodávkových automobilů, autobusů a v menší míře i nákladních automobilů.

Nové nařízení EU o bateriích a odpadních bateriích

V loňském roce jsme vás informovali o schválení nového nařízení EU týkajícího se baterií a odpadních baterií (2023/1542), které nahrazuje předchozí směrnici o bateriích (2006/66/ES). Toto nařízení přináší nové definice a normy, ambiciózní požadavky s důrazem kladené zejména na environmentální kvalitu baterií. Během následujícího roku se budeme postupně věnovat klíčovým aspektům této problematiky. Poskytneme vám informace zaměřené na významné změny, vysvětlíme nové termíny, definice, povinnosti a pravidla.

Čtěte také: Problémy recyklace lithia

Nařízení vejde v účinnost již 18. února 2024. A jelikož je evropské nařízení, na rozdíl od evropské směrnice, právním aktem, nabytím účinnosti platí automaticky a jednotně ve všech zemích EU bez nutnosti transpozice do národní legislativy. Jinými slovy, jakmile nařízení vejde 18. února v účinnost, je automaticky nadřazeno všem národním zákonům. Stávající směrnici o bateriích (2006/66/ES) by potom mělo nařízení zcela nahradit od 18. srpna 2025.

Může se stát, že v době, kdy nařízení vejde v účinnost, budou v prodeji baterie, které již nebudou splňovat nové požadavky. Co s nimi? Nové nařízení o bateriích zavádí některé zásadní změny ve srovnání se stávající směrnicí o bateriích, a tedy i platným zákonem o výrobcích s ukončenou životností.

Vybrané klíčové novinky:

• Článek 1: Předmět a oblast působnosti se rozšiřuje pro nové kategorie baterií: přenosné, průmyslové, automobilové, elektromobily (EV), LMT.
• Článek 3: Nové definice, např. výrobce; hospodářský subjekt, přenosné baterie pro všeobecné použití, průmyslové baterie, baterie pro EV a další.
• Článek 6: Zpřísňuje omezení nebezpečných látek: Nadále platí omezení používání rtuti a kadmia v bateriích a zavádí omezení pro obsah olova u přenosných baterií.
• Článek 7: Uhlíková stopa. Nařízení se kromě jiného zabývá snížením a nepříznivým dopadům na životní prostředí v jehož rámci se zohlední například uhlíková stopa při výrobě baterií.
• Článek 8: Minimální úroveň recyklovaného obsahu pro průmyslové baterie, baterie SLI a baterie EV - prohlášení a cíle.
• Články 9/10: Nové požadavky týkající se výkonnosti a životnosti baterií.
• Článek 11: Konstrukce výrobků pro snadnou vyjímatelnost a vyměnitelnost baterií.
• Článek 14: Druhý život - přístup k informacím o systému správy baterií (BMS), dopad na klasifikaci odpadu.
• Kapitola VII: Zavádí povinnosti hospodářských subjektů, pokud jde o politiku náležité péče.
• Články 59/61: Vyšší cíl sběru pro přenosné baterie a nastavení sběrných mechanismů pro průmysl, automobilový průmysl a elektromobily.
• Článek 63: Posouzení proveditelnosti a potenciální přínosy zavedení systémů zálohování baterií.
• Článek 71: Nové úrovně účinnosti recyklace a míry využití (příloha Xll).

Recyklace a opětovné použití baterií

Ovšem každá baterie se jednou vybije a každý akumulátor jednou doslouží. Poté musí následovat recyklace či opětovné použití. Z dlouhodobých studií moderních akumulátorů vyplývá, že jejich životnost se pohybuje okolo 1 200 nabíjecích cyklů, což v běžném provozu představuje zhruba deset let. Poté původní akumulační kapacita klesá na cca 75 %. I když takový akumulátor již nemusí vyhovovat provozu v původním zařízení, stále může sloužit jako kvalitní úložiště elektrické energie. To otevírá celou řadu možností pro opětovné použití vyřazených akumulátorů.

Již nyní jsou v provozu bateriová úložiště, ve kterých jsou využívány vyřazené baterie z elektromobilů. Příkladem může být fotbalový stadion Ajax Amsterdam, který využívá fotovoltaickou elektrárnu o výkonu 3 MWp se 4 MWh bateriovým úložištěm, které je tvořeno akumulátory z elektromobilů Nissan Leaf.

Čtěte také: Problémy s lithiovými bateriemi

Nicméně na konci opětovného použití, kdy kapacita akumulátoru klesne pod přijatelnou hodnotu, přichází na řadu recyklace. Česká republika i Evropa se v současnosti potýká s nedostatkem kapacit pro recyklaci zejména lithiových baterií a akumulátorů.

To je způsobeno jednak nízkým množstvím akumulátorů vhodných k recyklaci a nízkou tržní hodnotou recyklovaného lithia. Podle údajů zpracovatelských společností pro rentabilní recyklaci lithia musí zhruba pětinásobně zvýšit produkce velkých lithiových akumulátorů. Proces recyklace lithia z akumulátorů je technicky náročný a proto jsou recyklační linky projektovány s roční kapacitou přesahující 3 000 tun velkých akumulátorů.

S ohledem na desetiletý životní cyklus akumulátoru a se započítáním potenciálu pro opětovné použití bude křivka produkce vyřazených baterií k recyklaci kopírovat křivku produkce nových baterií se zhruba desetiletým zpožděním.

Proto je nyní důležité se soustředit na rozvoj technologie přípravy, testování a certifikace vyřazených akumulátorů pro opětovné použití a jejich aplikaci v automobilovém průmyslu či energetice. Pevnou a vlastně nezbytnou součástí výrobního cyklu baterií by měla být i recyklace.

Problémy a výzvy v recyklaci baterií

Základy dnešních elektrických vozů - lithium-iontové baterie - nejsou tak šetrné a ekologické, jak si často představujeme. Obsahují velké množství kovů, které musíme nějak získat. Odhadovaný růst poptávky je tak veliký, že bude v dohledné době nutné řešit významný nárůst těžby. Postupně by však měl narůstat také význam recyklace těchto materiálů.

Čtěte také: Nebezpečný odpad v šuplíku: Baterie

Přestože se však odvětví recyklace baterií pro elektromobily již pomalu začíná rozbíhat, přimět výrobce automobilů k používání recyklovaných materiálů je stále obtížné. „Lidé mají obecně dojem, že recyklovaný materiál není tak kvalitní jako původní,“ řekl pro časopis IEEE Spectrum Yan Wang, profesor strojního inženýrství na Worcester Polytechnic Institute. „Výrobci baterií s využitím recyklovaného materiálu ve svých produktech stále váhají.“

Studie jeho týmu, který zahrnoval i odborníky ze společnosti A123 Systems vyrábějící baterie, zveřejněná v časopise Joule, naznačuje, že mohou být baterie s recyklovanými katodami stejně dobré, nebo dokonce lepší než baterie využívající nově vytěžené materiály. Tým testoval baterie s recyklovanými katodami NMC111, což je nejběžnější druh katody obsahující po třetině niklu, manganu a kobaltu. Recyklovaný materiál měl trochu jiné vlastnosti než nový. Na mikroskopické úrovni poréznější, a tedy propustnější pro lithiové ionty. Výsledkem jsou baterie s podobnou hustotou energie jako baterie vyrobené z komerčních katod, které však zároveň vykazují až o 53 % delší životnost.

Baterie pro elektromobily jsou ovšem složitá zařízení a jejich recyklace není snadná. Zahrnuje buď jejich spalování s využitím velkého množství energie, nebo rozmělňování a rozpouštění v kyselinách. Většina velkých recyklačních společností, které se zabývají především recyklací baterií pro spotřební elektroniku, a také většina start- -upů, které se v této oblasti chtějí prosadit v blízké budoucnosti, jednoduše řečeno „rozloží“ s pomocí těchto a dalších metod baterie na základní suroviny. Největší část ceny elektromobilové baterie se však skrývá v katodě, upozorňuje Wang.

Battery Resources tvrdí, že její recyklační proces by mohl produkovat katodové NMC materiály přesně podle požadavků dané automobilky. Což by mohlo výrazně zvýšit prodejní cenu, a tedy zvýšit ziskovost celého procesu. „Jsme jediná společnost poskytující výstup, který je katodovým materiálem,“ tvrdí Wang a dodává: „Ostatní společnosti vyrábějí prvky. Takže jejich přidaná hodnota je nižší.“

Firemní postupy zahrnují drcení baterií a odstraňování ocelových pouzder, hliníkových a měděných drátů, plastů a materiálů pouzder určených k recyklaci. Zbývající hmota se rozpustí v rozpouštědlech a grafit, uhlík a nečistoty se odfiltrují nebo chemicky oddělí. Pomocí patentované chemické techniky se pak nikl, mangan a kobalt smíchají v požadovaném poměru a vytvoří se katodový prášek. Společnost Battery Resourcers zatím prodává své recyklované materiály výrobcům baterií také v malých objemech, před konkurencí se však zdá mít náskok.

Udržitelnost a bezpečnost baterií

Rada EU, Evropská komise a Evropský parlament se předběžně dohodly na novém nařízení o bateriích, které má zvýšit jejich udržitelnost a bezpečnost. Smyslem je zajistit, aby se využívaly více druhotné suroviny a EU se stala méně energeticky závislou.

Výroba baterií má dnes vysokou environmentální stopu a využívá mnoho nových vzácných surovin ze zemí mimo EU, což způsobuje závislost na těchto zemích. Kvůli obsahu nebezpečných látek mohou baterie při nesprávném třídění a nakládání s nimi poškozovat životní prostředí. Některé odpadní baterie jsou dnes po skončení životnosti využívány minimálně, recyklace a druhotné zpracování materiálů jsou nedostatečné.

„Baterie jsou klíčovým aspektem přechodu EU na bezemisní způsoby dopravy. Vzhledem k tomu, že poptávka po bateriích vzroste do roku 2030 více než desetinásobně, musíme zajistit, abychom měli dostatek baterií a aby byly udržitelné v celém svém dodavatelském řetězci. Nová pravidla podpoří konkurenceschopnost evropského průmyslu a zajistí, že vyřazené baterie budou řádně sbírány a recyklovány tak, aby byly využity užitečné materiály a aby se do životního prostředí neuvolňovaly toxické látky,“ říká ministr životního prostředí Marian Jurečka.

Nařízení o bateriích zajistí jejich udržitelnou výrobu, zlepší rozšířenou odpovědnost výrobců, zkvalitní sběr všech baterií, upřednostní vysokou míru recyklace a zvyšování obsahu druhotných surovin. Baterie se mají stát důležitým sektorem pro další zvyšování energetické nezávislosti EU, proto byla návrhu věnována enormní pozornost všech institucí.

U sběru odpadních přenosných baterií se Rada, Komise a parlament dohodly na cíli 63 % do konce roku 2027 a 73 % do konce roku 2030. Zaveden bude také zvláštní cíl sběru odpadních baterií z lehkých dopravních prostředků jako jsou elektrokola nebo elektrické koloběžky, a to 51 % do konce roku 2028 a 61 % do konce roku 2031.

Pokud jde o recyklační účinnost, u nikl-kadmiových baterií zavádí nařízení cíl ve výši 80 % do roku 2025 a ostatních odpadních baterií ve výši 50 % do roku 2025.

Výrobci také budou muset postupně navyšovat podíl recyklovaných složek u průmyslových baterií, startovacích baterií a baterií pro elektromobily. Nové cíle složení jsou zpočátku stanoveny na 16 % pro kobalt, 85 % pro olovo, 6 % pro lithium a 6 % pro nikl.

Velká diskuse byla vedena u minimální úrovně opětovného využití lithia, předběžná dohoda byla učiněna na hodnotách 50 % do roku 2027 a 80 % v roce 2031. Hodnoty ale mohou být změněny dle vývoje na trhu a dostupnosti lithia.

Nařízení také usnadní život spotřebitelům. Nově bude muset být každá přenosná baterie ve spotřebičích vyjímatelná a vyměnitelná přímo zákazníkem. Jakmile začne nařízení platit, výrobci budou mít 42 měsíců na to přizpůsobit tomu konstrukčně své výrobky. Baterie lehkých dopravních prostředků bude moci vyměnit odborník.

Změní se i povinné informace a označování výrobků. Každá baterie bude mít svůj „pas“ přístupný prostřednictvím QR kódu na baterii, který bude obsahovat informace o původu, uhlíkové stopě a technické údaje o složení a podílu recyklovaných složek.

Nová pravidla dále zpřísňují požadavky na výkonnost a trvanlivost baterií a řeší jejich bezpečnost. Bude zakázáno používat nebezpečné látky jako je kadmium nebo rtuť a další budou výrazně omezeny.

Nové nařízení o bateriích má velký význam s ohledem na očekávaný rozvoj elektromobility zejména v souvislosti s opatřeními EU v balíčku Fit for 55 pro snížení emisí a dosažení klimatické neutrality v roce 2050. Předpis nařízení nahradí stávající směrnici o bateriích z roku 2006 a doplní také legislativu o nakládání s odpady.

Recyklace baterií v domácnostech

Přestože jsou baterie užitečnými pomocníky, kteří nám slouží každý den, pojí se s nimi i významné riziko. Obsahují totiž látky nebezpečné pro přírodu i lidské zdraví. Při nesprávném nakládání s odpadními bateriemi mohou do půdy a vody pronikat kovy jako rtuť, olovo nebo kadmium. Proto poté, co doslouží, rozhodně nepatří do běžného koše. Místo toho je čeká cesta směrem k recyklaci a dalšímu využití.

Staré elektrické články, které už nelze použít, by neměly mířit do komunálního odpadu, ale ke zpětnému odběru. Není nutné běhat s každou použitou baterií do sběrné nádoby hned po jejím vybití. Doma je lze nějaký čas bezpečně skladovat a poté jich odevzdat více najednou. Při skladování je důležité dodržovat několik zásad.

Baterie by měly být uchovávány na suchém a chladném místě, mimo dosah dětí a zvířat. V případě těch lithium-iontových je doporučeno přelepit kontakty lepicí páskou, aby se předešlo nechtěnému zkratu. Zároveň je důležité je uchovávat mimo zdroje tepla, jako jsou radiátory či krby, protože při vysokých teplotách hrozí takzvaný tepelný únik.

„Jakmile se v domácnosti nashromáždí použité baterie, je možné je odevzdat na jednom z mnoha sběrných míst. Ty jsou umístěny například v obchodech, ve školách nebo na obecních úřadech. Nádoby jsou pravidelně vyváženy a sebrané baterie ekologicky recyklovány,“ říká Tomáš Pešek, jednatel společnosti REMA Battery, která je jedním ze dvou kolektivních systémů pro přenosné baterie působících v České republice.

Co se děje s bateriemi při recyklaci?

Staré elektrické články míří do recyklačních závodů, kde jsou ekologicky zpracovány. Nejdříve jsou na třídicích linkách rozděleny podle velikosti a složení. Oddělují se například ty běžné lithiové či niklové od knoflíkových, které obsahují stříbro a rtuť. Recyklace umožňuje rozložení starých baterií na cenné suroviny, které lze znovu využít.

Získává se z nich lithium, nikl, zinek, mangan nebo právě stříbro. Všechny tyto materiály pak nacházejí další uplatnění v různých průmyslových odvětvích. Především jsou však během recyklace šetrně likvidovány nebezpečné látky, jako je olovo a kadmium, aby neohrozily životní prostředí.

Mýty o recyklaci baterií

Ve veřejném povědomí stále přetrvává několik mylných představ o recyklaci baterií. Například se často předpokládá, že sběrné nádoby nikdo nevyváží a jejich obsah tak nakonec stejně skončí na skládkách. Vzhledem k nebezpečnému charakteru baterií je však jejich sběr evidován, a to přímo ministerstvem životního prostředí.

„Dalším z mýtů je, že ze starých baterií se dá opětovně použít jen malé množství materiálů. Moderní technologie však umožňují zpracování až 95 procent materiálů z použitých elektrických článků, což snižuje potřebu těžby nových surovin a přispívá k ochraně přírody,“ upozorňuje Tomáš Pešek.

Lidé se také obvykle domnívají, že jedna baterie vyhozená do koše přece nemůže mít kdovíjak velký dopad na životní prostředí. Opak je však pravdou, protože i drobné knoflíkové baterie mohou obsahovat rtuť, která je vysoce toxická. Například baterie s obsahem kadmia z jediného mobilního telefonu je schopná znečistit asi 600 tisíc litrů vody.

Udržitelná budoucnost baterií

Technologie výroby baterií se neustále vyvíjejí a budoucnost přináší nové inovace. Klíčem k udržitelné budoucnosti se ukazuje vývoj recyklovatelných baterií s delší životností a lepší energetickou účinností. Experti po celém světě rovněž pracují na vývoji alternativních materiálů, které by mohly nahradit vzácné a problematické suroviny, jako je kobalt a lithium.

Rostoucí počet elektrických aut však představuje vážný problém v oblasti nakládání s odpady. Vybité baterie ovšem představují i příležitost, jak získat přístup ke strategickým prvkům a kritickým materiálům a jsou jejich cenným sekundárním zdrojem.

Chemické a fyzikální vlastnosti baterií

Ačkoliv se podle obecně používaného termínu lithiové baterie zdá, že se jedná o jeden typ baterií, ve skutečnosti chemické reakce, které se odehrávají uvnitř každé z nich, se mohou značně lišit. Baterie obecně obsahuje katodu, anodu, separátor, elektrolyt a pouzdro s těsnící funkcí. U všech těchto baterií jsou to lithiové ionty, které přenáší náboj prostřednictvím elektrolytu z anody na katodu.

Baterie pro elektrická vozidla mají složitý design, obsahují různé kabelové svazky, sběrnice a elektroniky. Skládají se z různých modulů a článků. Design a konstrukce vozidla a baterií musí najít kompromis mezi bezpečností při nárazu, těžištěm, optimalizací prostoru, provozuschopností a dalšími nároky.

Základní schéma nakládání s odpadem

Základní schéma nakládání s odpadem se skládá z pěti stupňů, z nichž každý následující je horší z pohledu ekonomie i životního prostředí:

1. Prevence - snaha o to, aby baterie měly co nejdelší životnost, byly co nejlehčí a nejmenší a aby tedy odpadu bylo co možná nejméně.
2. Opětovné použití - znamená, že baterie elektrických vozidel, pokud již nejsou vhodné pro potřeby auta, by měly mít druhé použití.
3. Spálení - použití některých materiálů baterií jako energie pro jiné recyklační procesy.
4. Recyklace baterií.

V hierarchii nakládání s odpady je opětovné použití či druhý život baterií považován za mnohem výhodnější než recyklace. Elektrolyty v bateriích totiž obsahují škodlivé látky, jako jsou organická rozpouštědla a lithné soli obsahující fluor, které mohou způsobit velké škody na životním prostředí. Kromě velké ekologické zátěže v případě problémů, pro recyklaci hovoří drahé kovy obsažené v bateriích, jako je lithium, kobalt, nikl, měď hliník a další.

Trhy pro skladování energie se rychle vyvíjejí, protože energetické regulační orgány na různých místech přecházejí na čistší zdroje energie. Již nyní se rozvíjí zdravý trh s použitými bateriemi pro elektrická vozidla pro skladování energie v určitých lokalitách, přičemž poptávka zatím stále převyšuje nabídku.

Recyklace baterií - procesy

Recyklace baterií zahrnují jak fyzikální (mechanické), tak chemické procesy. Pro tento krok recyklace se používá mnoho různých názvů: fyzické procesy, mechanické zpracování či přímá obnova. Mechanické zpracování obvykle zahrnuje předúpravu baterií. Před manipulací jsou baterie obvykle vybity či stabilizovány. Články jsou pak rozebrány, rozbity a roztříděny. Většinou jsou z nich také extrahovány elektrolyty. Mechanické zpracování umožňuje získat zpět plasty, hliník, měď a tzv. černou hmotu. Černá hmota obsahuje kritické kovy, je shromažďována a poté převzata pro hydrometalurgické zpracování.

Stabilizaci baterií lze dosáhnout pomocí solného roztoku nebo ohmického výboje. Bateriové články mohou být skartovány při různých stavech nabití a z komerčního hlediska vybití před drcením zvyšuje náklady. V závislosti na chemii článku a hloubce vybití může totiž nadměrné vybíjení článků vést k rozpuštění mědi v elektrolytu.

Různé typy bateriových článků a automatizace recyklace

Každý bateriový článek má specifické problémy s recyklací. Válcové články jsou často spojeny do modulu pomocí epoxidové pryskyřice, kterou je obtížné odstranit nebo recyklovat. Prizmatické články vyžadují „otevření plechovky", k čemuž jsou potřeba speciální nástroje. Demontáž bateriových sad z elektromobilů navíc vyžaduje vysokonapěťové školení a izolované nástroje, aby se předešlo smrti elektrickým proudem nebo zkratu baterie. Zkrat má za následek rychlé vybití, které může vést k zahřátí a tepelnému úniku.

tags: #baterie #výroba #ekologie #dopad

Oblíbené příspěvky:

• Více o typech úložišť
• Průvodce instalací sifonu do sprchového koutu
• Magisterské studium ekologie na VŠCHT
• Recept na Vánoční Modelínu
• Chemie alkaloidů: podrobný průzkum