برای جلوگیری از بحران باتری، باید خودروهای الکتریکی کوچک و سبک وزن را به اشتراک گذاشت.

18 مه 2023 -توسط سولوی نورمنسن، دانشگاه علم و صنعت نروژ-به گفته دانشمندان NTNU، بیشتر ما باید اتومبیل های کوچکتر را با بسته های باتری کوچک به اشتراک بگذاریم. اعتبار: نانسی بازیلچوک، NTNU

اکثر سناریوهای جهانی و اهداف دولتی برای کربن زدایی بخش حمل و نقل، خودروهای الکتریکی با باتری را به عنوان بخش اصلی راه حل در نظر می گیرند. مقادیر زیادی مواد خام برای ساخت باتری های کافی و اطمینان از انتقال به وسایل نقلیه کم آلایندگی مورد نیاز است.

دسترسی به لیتیوم بسیار مهم است، زیرا در انواع باتری های EV استفاده می شود.

فرناندو آگیلار لوپز، دکترای تخصصی، کاندیدای دپارتمان انرژی و مهندسی فرآیند NTNU می‌گوید: “به نظر می‌رسد که ما با کمبود مواجه خواهیم بود. کلید در تقاضا نهفته است. تقاضا باید کاهش یابد تا از مشکلات عرضه طولانی‌مدت جلوگیری شود.”

ذخایر عظیمی از این ماده فوق سبک و نقره ای سفید در سراسر جهان وجود دارد. مشکل این است که به اندازه کافی سریع استخراج نمی‌شود تا بتواند با تقاضای باتری‌های لیتیوم یونی (LIB) برای وسایل نقلیه الکتریکی مطابقت داشته باشد.در نتیجه، ممکن است با تنگناهای عرضه مواجه شویم که ممکن است برای چندین دهه ادامه داشته باشد.

فرناندو آگیلار لوپز متخصص در تحلیل جریانات جهانی مواد است. این بدان معناست که او چرخه های مواد خام از استخراج تا تولید، استفاده و قراضه را مطالعه می کند. او، دکتر رومن بیلی و پروفسور دانیل بی. مولر یک مدل تحلیل جریان مواد به نام MATILDA (تقاضا و در دسترس بودن مواد) ایجاد کرده اند. این مدل اخیراً در مجله Resources, Conservation & Recycling معرفی شده است.

این مطالعه به بررسی استراتژی‌هایی برای مدیریت استفاده از منابع در باتری‌های EV می‌پردازد. MATILDA به درک بیشتر عوامل حیاتی مؤثر بر عرضه منابع کمک می کند. همچنین، این مدل محاسبه می‌کند که چگونه مداخلات مختلف می‌تواند تقاضا را کاهش دهد.

مولر گفت: «جامعه برای رسیدگی به مشکلات عرضه نیاز فوری به رویکردهای سیستمی دارد.

MATILDA جامع ترین مدل تا به امروز برای مواد خام باتری در ناوگان خودروهای جهانی است. مولر گفت، ابزارهایی مانند این می‌توانند نقش مهمی برای صنعت و سیاست‌گذاران برای توسعه استراتژی‌هایی برای تضمین امنیت و انعطاف‌پذیری زنجیره تامین مواد خام حیاتی ایفا کنند.

محققان NTNU بیش از 8000 سناریو را برای درک عوامل کلیدی استفاده از مواد مورد بررسی قرار داده‌اند.

این ارزیابی نشان داد که تغییرات عمیق اجتماعی و سبک زندگی کارآمدترین اقدامات برای کاهش خطرات تامین مواد است.

به گفته محققان برای جلوگیری از تقاضای بیش از حد برای فلزات کمیاب، ما به سرمایه گذاری در طیف وسیع تری از فناوری های جدید باتری نیاز داریم.ما به خودروهای برقی بیشتر، بزرگتر و سنگین تر نیاز نداریم. برعکس، بیشتر ما باید ماشین های کوچکتر را با بسته های باتری کوچک به اشتراک بگذاریم.

آگیلار لوپز می‌گوید: «افزایش طول عمر وسایل نقلیه و باتری‌ها با تسهیل استفاده مجدد و جایگزینی نیز در کاهش تقاضا برای مواد خام بسیار مهم است.

کاهش تقاضا برای مواد خاص می تواند فشار را بر مواد دیگر افزایش دهد. MATILDA نشان می دهد که وقتی این نوع تغییر مشکل با کبالت، نیکل و لیتیوم اتفاق می افتد چه اتفاقی می افتد. این مدل همچنین راه حل های جایگزین را ارائه می دهد.

محققان می گویند اگر صنعت به طور جمعی در یک زمان خاص به سمت یک فناوری جدید سوق پیدا کند، تغییر مشکل ممکن است حیاتی باشد. یک مثال، روند فعلی به سمت باتری های لیتیوم آهن فسفات (LFP) است.

در سال 2021، سازندگانی مانند فولکس‌واگن، ولوو و تسلا اعلام کردند که قصد دارند LFP را اتخاذ کنند. این باتری ها فاقد مواد مشکل ساز و پرهزینه مانند کبالت و نیکل هستند.نکته منفی این است که آنها به مقدار زیادی فسفر نیاز دارند که یک ماده اولیه ضروری برای صنعت کود است. بنابراین، افزایش تقاضا می‌تواند مستعد شوک‌های قیمتی باشد که به طور بالقوه بر کشاورزان کوچک تأثیر می‌گذارد و قیمت‌های مواد غذایی را تهدید می‌کند.

بازیافت یک راه حل در کوتاه مدت نیست . یکی دیگر از یافته‌های مطالعه NTNU این است که اگرچه بازیافت ضروری است، اما به طور قابل توجهی فشار بر مواد خام را در دهه آینده کاهش نخواهد داد. خودروهای برقی ما هنوز نسبتاً جدید هستند و تا 10 تا 15 سال آینده تعداد کافی از آنها برای بازیافت از بین نخواهد رفت.

با این حال، MATILDA نشان می دهد که تقاضای اولیه را می توان با بهبود کارایی در بازیافت لیتیوم، آلومینیوم، منگنز و فسفر کاهش داد. بازیافت این مواد در حال حاضر غیراقتصادی است و در آخرین مقررات باتری اتحادیه اروپا گنجانده نشده است.

آگیلار لوپز گفت که بدون انگیزه برای بازیابی این مواد، احتمالاً در محیط زیست از بین می روند.

او می افزاید که یک مسئله کلیدی این است که مقررات پیشنهادی اتحادیه اروپا فقط طرف عرضه را هدف قرار می دهد، نه تقاضا را. این بدان معنی است که تغییرات شدیدا مورد نیاز به طور فعال تشویق نمی شوند.

پیش‌بینی می‌شود که نیمی از فروش خودروهای جدید در ایالات متحده تا سال 2030 الکتریکی باشد. این هدف نیز در فرمان اجرایی اخیر صادر شده توسط رئیس جمهور ایالات متحده جو بایدن است. در اتحادیه اروپا، تمام فروش خودروهای جدید باید تا سال 2035 الکتریکی باشد.

چندین خودروساز گفته اند که می توانند چندین سال قبل از این تغییر را انجام دهند.این بدان معناست که اگر ما به سرعت اقداماتی را برای افزایش تولید مواد باتری انجام ندهیم، با سرعت چرخشی درست به گلوگاه عرضه خواهیم رفت.

ماشین های بزرگتر یعنی باتری های بزرگتر

طبق این گزارش پروژه Climate and Community، از زمانی که اولین نیسان لیف در یک دهه پیش وارد جاده شد، میانگین بسته باتری در ایالات متحده تقریباً سه برابر افزایش یافته است.

ما در حال رانندگی با ماشین‌های بزرگتر و سنگین‌تر با بسته‌های باتری عظیم هستیم. در عین حال، ما فقط در حدود پنج درصد مواقع از این وسیله نقلیه به طور فعال استفاده می‌کنیم. بقیه زمان‌ها پارک شده است. آگیلار لوپز گفت 45 کیلومتر در روز  و فقط تعداد کمی از ما بیشتر از آن رانندگی می‌کنیم..

او نشانه‌های زیادی را می‌بیند که افراد کمتری نیاز دارند تا ماشین شخصی خود را داشته باشند، و اینکه تعداد بیشتری از ما می‌توانیم با به اشتراک گذاشتن وسایل نقلیه کوچک‌تر و سبک‌تر موافق باشیم. به عبارت دیگر، به جای باتری های 60 تا 100 کیلووات ساعتی که در اکثر تسلاها و SUV ها یافت می شوند، به باتری های بیشتری از نوع نیسان لیف 30 تا 40 کیلووات ساعتی نیاز داریم.

او گفت: “سیاستمداران نروژی ترجیح داده اند دیگر به بزرگترین و گران ترین خودروهای برقی یارانه ندهند. این یکی از نمونه های اقدام قدرتمندی است که به طور غیرمستقیم به نفع خودروهای کوچکتر است.”

این محقق معتقد است که چنین حرکت هایی ضروری است و می تواند الهام بخش هر کشور و اتحادیه اروپا باشد.تجزیه و تحلیل ها نشان می دهد که جهان تا سال 2035 به بیش از 300 معدن جدید لیتیوم نیاز دارد تا بتواند با تقاضا مطابقت داشته باشد. قیمت ها در چند سال چند صد درصد افزایش یافته است علاقه زیادی به استخراج وجود دارد، اما اختلافات بر سر معادن جدید در تعدادی از نقاط شروع شده است.

جدیدترین معدن لیتیوم در اروپا حدود 10 سال پیش افتتاح شد. برخی گزارش ها می گویند ممکن است تا 20 سال طول بکشد تا یک دستگاه جدید راه اندازی شود. بسیاری از ابتکارات شکست می خورند و تعطیل می شوند.

آگیلار لوپز گفت: در حالت ایده آل، ما باید 20 سال پیش آماده سازی برای این وضعیت را آغاز می کردیم.

همانطور که گویی به اندازه کافی خبر بدی نبود، مطالعه جدید NTNU فقط مصرف منابع توسط وسایل نقلیه شخصی را در نظر می گیرد. اما اتوبوس‌ها، کشتی‌ها و سایر کشتی‌های بزرگ نیز با استفاده از باتری‌ها برق‌دار می‌شوند.ماشین آلات حوزه دیگری است که در آن تغییرات در حال انجام است. مولر گفت که کل بخش معدن در حال تغییر کامل به سمت برق و اتوماسیون است.این تقاضاهای اضافی می تواند به سرعت تنگناهای عرضه مواد خام را بدتر کند.

آگیلار لوپز گفت: “دستیابی به اهداف تعیین شده توسط اتحادیه اروپا و کشورهای جداگانه می تواند مشکل ساز باشد. این همچنین تهدیدی قابل توجه برای اهداف آب و هوایی ایجاد می کند.”

اگرچه توسعه باتری‌های حالت جامد بسیار کارآمد امیدوارکننده است، اما آنها بحران عرضه لیتیوم را نیز حل نمی‌کنند.

آگیلار لوپز گفت: «در واقع، باتری‌های حالت جامد می‌توانند وضعیت را بدتر کنند و به لیتیوم بیشتری در هر کیلووات ساعت نیاز دارند – تقریباً دو برابر در برخی موارد.

سلول های سوختی هیدروژنی در حال تبدیل شدن به یک فناوری بالغ هستند، اما گران هستند. آنها در کشتی ها و سایر کشتی های سنگین بسیار موثرتر از ماشین ها خواهند بود.باتری های سدیم یونی بدون لیتیوم جایگزین امیدوارکننده دیگری هستند. آنها در مرحله اولیه تحقیق و توسعه هستند، بنابراین مدتی طول می کشد تا آماده جاده شوند.

آگیلار لوپز گفت: “مهم نیست به کجا بپیوندیم، با چالش هایی روبرو می شویم.”

بنابراین بهترین گزینه برای رهایی ما از بحران عرضه لیتیوم چیست؟

پاسخ فوری آگیلار لوپز این است که شهرها باید برای مردم طراحی شوند نه ماشین ها.

“به زوریخ، وین، پاریس و اسلو نگاه کنید. حرکت‌های بزرگی در بسیاری از مکان‌ها برای ایجاد مناطق شهری دلپذیرتر و ترغیب مردم بیشتر به ترک ماشین‌هایشان انجام می‌شود. و خیلی‌ها دقیقاً این کار را انجام می‌دهند. ما به قوانین و مقررات نیاز داریم. آگیلار لوپز گفت: البته مردم باید آنها را بپذیرند.

نروژ اولین حرکت در زمینه برقی کردن ناوگان وسایل نقلیه بود. بنابراین، انتظار می‌رود که اولین کشوری باشد که پس از پایان عمر اولین خودروهای الکتریکی، مقادیر بیشتری باتری مصرف‌شده داشته باشد.

مولر، آگیلار لوپز و گیوم بیلی بخشی از تیم تحقیقاتی پروژه بتمن از سال 2019 تا 2022 بودند. این پروژه به منظور بررسی فرصت‌های صنعت نروژ در استفاده مجدد و بازیافت باتری طراحی شده است.

بر اساس یافته های اصلی، دانشمندان چندین اقدام قوی را پیشنهاد کردند:

     تسهیل و تامین مالی طیف وسیع تری از تحقیقات باتری با هدف پیشرفت در شیمی و شیوه های بازیافت.

     توسعه معادن جدید لیتیوم را در اتحادیه اروپا نیز افزایش داده و ساده کنید.

     افزایش اشتراک خودرو و حمل و نقل عمومی بهتر برای کاهش مالکیت کلی وسیله نقلیه.

     خودروهای کوچک بیشتر با بسته باتری های کوچکتر.

     زیرساخت های شارژ بیشتر و کارآمدتر.

     تسهیل بازیافت همه مواد فراتر از مواردی که قبلاً تنظیم شده است.

     از طریق افزایش استفاده مجدد و تعمیر و تعویض آسان تر باتری ها، عمر خودرو و باتری را افزایش دهید.