Industria auto se află în prezent într-o fază îndelungată de tranziție de la mașini cu motoare termice la mașini electrice alimentate cu baterii. Unul dintre argumentele în favoarea acestora este eliminarea completă a emisiilor de dioxid de carbon, oxid de azot și alte substanțe nocive în timpul rulării, element care contribuie la îmbunătățirea calității aerului în marile orașe.
Pe de altă parte, unul dintre contra-argumente este că bateria unei mașini electrice utilizează materii prime extrase din diverse locuri de pe numeroase continente prin procedee care generează emisii de substanțe nocive în atmosferă.
În principiu, în prezent există 5 materii prime esențiale pentru producția de baterii Li-Ion: litiu, nichel, cobalt, mangan și grafit. Dintre acestea, grafitul este folosit în special pentru anodul unei baterii, iar celelalte patru materii prime pentru catodul bateriei.
Practic, toate aceste 5 materii prime au o importanță majoră nu doar pentru industria auto, ci și pentru aproape orice ramură a industriei de produse electronice care folosește baterii într-o formă sau alta pentru stocarea energiei electrice. Tocmai de aceea, aceste materii prime au fost incluse pe o listă de materii prime critice de către Uniunea Europeană, iar lista se actualizează o dată la trei ani, cu ultima actualizare disponibilă în 2020. Un amplu raport pe acest subiect găsești aici, inclusiv în limba română. În același timp, o listă asemănătoare de materii critice este realizată periodic și de Statele Unite, cea mai recentă versiune fiind disponibilă aici.
Pe lângă aceste 5 materii, orice baterie are în compoziție și alte materiale, iar cele mai comune sunt fierul, cuprul, aluminiul și oțelul, ultimul dintre ele folosit pentru carcasa bateriei.
Pe silențios dar de neoprit, electrificarea a luat pe sus lumea mobilității, cu avantaje evidente: o mașină electrică nu poluează, poate fi încărcată acum cu ușurință, presupune costuri reduse de întreținere și facilități fiscale. Misiunea PPC Blue este de accelera tranziția energetică în transport și construiește infrastructura de mobilitate în toată lumea.
Descoperă aici stațiile de încărcare potrivite pentru tine și mașina ta, acasă, la birou sau în tranzit.
Care sunt materiile prime folosite pentru baterii
Pe de altă parte, în funcție de “ingredientele” folosite pentru producția catodului, există mai multe tipuri de baterii Li-Ion. La nivelul anului 2021, peste 80% dintre bateriile Li-Ion de pe mașinile electrice comercializate în lume au fost de tip NMC, un acronim care provine de la principalele trei materii prime folosite în compoziția catodului: nichel, mangan și cobalt. De regulă, cantitatea de mangan și cobalt dintr-o astfel de baterie este aceeași, însă în cazul în care bateria conține mai mult cobalt decât mangan o vei găsi și sub acronimul NCM.
Potrivit datelor furnizate de agenția de mediu Transport & Environment și prelucrate de publicația Visual Capitalist, iată compoziția tipică a unei baterii Li-Ion de tip NMC cu capacitatea de 60 kWh în funcție de materiile prime utilizate și masa fiecărei materii prime.
În ultimii ani, o serie de producători au modificat rețeta de ingrediente în încercarea de a elimina unele materii prime greu accesibile. Așa au apărut, de exemplu, bateriile Li-Ion de tip NCA, un acronim de la nichel, cobalt și aluminiu. Acestea nu folosesc deloc mangan, însă nu oferă avantaje majore comparativ cu bateriile NMC în ceea ce privește densitatea de energie sau numărul de cicluri de încărcare-descărcare. În Europa le găsești în special pe versiunile superioare ale modelelor Tesla Model 3 și Model Y, iar constructorul american recomandă clienților să încarce bateria doar până la 90%, pentru a preveni uzura prematură a acesteia. De altfel, uzura prematură la încărcarea completă a determinat cei mai mulți producători să ignore această variantă a bateriilor Li-Ion.
O dezvoltare mai promițătoare este însă bateria Li-Ion de tip LFP (Lithium Iron Phosphate – LiFePO, pe scurt LFP), întrucât aceasta nu folosește deloc în compoziție mangan, nichel și cobalt. Prin urmare, costurile de producție sunt mai scăzute decât în cazul bateriilor NMC sau NCA, iar un avantaj major este că numărul de cicluri de încărcare-descărcare este de circa 2.500, comparativ cu cele 1.000 – 2.000 de cicluri de încărcare oferite de bateriile NMC sau NCA.
Bateriile LFP au însă și un dezavantaj major: densitatea de energie este mai scăzută și ajunge tipic în preajma pragului de 160 Wh per kilogram, comparativ cu densitatea de circa 200 Wh per kilogram în cazul celorlalte tehnologii. Asta se traduce prin faptul că o baterie LFP de 60 kWh va oferi o autonomie cu circa 20% mai mică decât o baterie NMC cu aceeași capacitate montată pe aceeași mașină.
Bateriile LFP sunt produse în special de constructorii chinezi, astfel că le găsești pe modele precum BYD Atto 3, MG ZS EV sau GWM Ora, dar și de Tesla, care oferă astfel de acumulatori pe versiunile standard ale modelelor Model 3 sau Model Y. De altfel, 68% dintre bateriile LFP disponibile la nivel global pe mașinile comercializate în primele 9 luni ale anului 2022 echipează modele BYD și Tesla. Cel mai recent, Ford a anunțat că va oferi baterii LFP în Europa pe SUV-ul Mustang Mach-E începând din acest an (2023).
Potrivit raportului “EVs, Batteries and Battery Materials” realizat de Adamas Intelligence, cota de piață a bateriilor LFP a crescut constant de la 17% în ianuarie 2021 la 26% în ianuarie 2022 și la 31% în septembrie 2022. Totuși, specialiștii anticipează că bateriile NMC vor rămâne cel mai des întâlnite și în următorii ani.
De unde provin materiile prime pentru baterii
Datele statisticile realizate la nivel internaționala arată că există o cantitate suficientă de materie primă pentru a satisface cererea în creștere pentru producția de baterii. Cu toate acestea, unele rezerve de materii prime nu sunt rentabile, întrucât costurile de extracție și de prelucrare cu tehnologiile actuale sunt mai mari decât veniturile potențiale la actualele prețuri. În plus, o bună parte din materiile prime sunt disponibile în țări mai puțin prietenoase din punct de vedere politic pentru Europa și Statele Unite, iar acest lucru poate genera în timp numeroase probleme de aprovizionare.
Grafitul se folosește la producția anodului unei baterii Li-Ion și reprezintă cea mai importantă materie primă a unui acumulator din punct de vedere cantitativ: undeva la 30% din masa totală de materii prime ale unei baterii este reprezentată de grafit.
La nivel mondial, China este principalul producător de grafit, cu o cotă de piață de 69%, în timp ce pe locurile următoare se află India (12%) și Brazilia (8%). Există date și despre țările din care Uniunea Europeană se aprovizionează cu grafit, însă acestea sunt mai puțin relevante, întrucât datele indică doar importurile de grafit ca materie primă. Grafitul dintr-o baterie produsă în China nu este luat în calcul în cadrul acestor statistici.
România deține zăcăminte de grafit din care a explotat aproximativ 40.000 de tone de grafit pe an în două mine din Baia de Fier din județul Gorj. Cele două mine au fost închise în 1994 și 2005 pe motiv că nu sunt profitabile, însă statul român a anunțat în vara anului 2022 că intenționează să redeschidă minele în cursul anului 2023, ca urmare a interesului major pentru grafit la nivel european. În lipsa unor tehnologii moderne de extracție, autoritățile centrale au adoptat în martie 2023 un proiect numit Strategia României pentru Resurse Minerale Neenergetice, prin care rezervele de grafit vor putea fi explotate de companii private.
Între timp, Europa are doar zăcăminte minore de nichel în țări precum Finlanda, Grecia și Franța. Datele agregate la nivel global de Statista indică faptul că cei mai mari “proprietari” de rezerve de nichel sunt Australia și Indonezia, cu câte 21%, urmate de Brazilia cu 16% și Rusia cu 7,5%. De asemenea, puțin peste 2% din rezervele globale sunt disponibile în China.
În cazul manganului, potrivit datelor publicate de Statele Unite, cele mai mari rezerve există în Africa de Sud (circa 40%), Brazilia și Australia (câte 20%). Totuși, în prezent, cele mai mari exploatări de mangan au loc în Africa de Sud, Australia și statul african Gabon. De altfel, Statele Unite importă cel mai mult din Gabon.
Pentru cobalt, producătorii de baterii trebuie să se orienteze spre Congo, care deține aproape 60% din rezerva mondială. Restul de 40% este “împrăștiat” în numeroase state de pe glob, cele mai importante zăcăminte fiind semnalte în China (7%) și Canada (5%). În Europa există zăcăminte minore în Spania și Suedia.
Chiar dacă dă numele bateriilor folosite în prezent în mașinile electrice și în aproape orice dispozitiv electronic, litiul se folosește în cantități destul de mici. De exemplu, o baterie pentru mașini electrice are nevoie de 6-7 kilograme de litiu, lucru valabil indiferent că vorbim despre acumulatori NMC sau LFP.
Teoretic, la nivel global, două țări dețin împreună circa 83% din rezervele de litiu: Chile (44%) și China (39%), în timp ce Argentina completează podiumul cu 13%. Cu toate acestea, cei mai mulți specialiști consideră că în realitate Bolivia este țara cu cele mai mari zăcăminte de litiu, cu circa 25% din rezerva mondială. Explicația pentru această controversă este că litiul din Bolivia se găsește de fapt în Salar de Uyuni, o suprafață plată de teren de un milion de hectare ce este acoperită cu sare. În crusta acestei compoziții de sare se află însă cantități mari de litiu care este deja exploatată. În schimb, Europa deține circa 7% din zăcămintele de litiu, iar în prezent acesta se exploatează doar în Portugalia.
Pe de altă parte, statele puternice ale lumii se luptă pentru a avea acces la resurse cât mai mari de materii prime, chiar dacă acestea nu se află pe propriile teritorii. De exemplu, un raport publicat de bancă elvețiană UBS arată că până în anul 2025 statul chinez ar putea controla o mare parte din rezervele de litiu din Africa. De cele mai multe ori, acest lucru se întâmplă prin cumpărarea directă a minelor de exploatare sau prin preluarea acestora după ce statele africane nu reușesc să-și plătească ratele pentru creditele acordate de statul chinez.
Cât de mult poluează extracția materiilor prime?
Extracția materiilor prime, de orice fel ar fi ele și indiferent că vor fi utilizate la bateriile pentru mașini electrice sau în orice alte dispozitive, generează emisii de dioxid de carbon și alte substanțe nocive care afectează mediul înconjurător atât pe plan local, cât și pe plan global.
De exemplu, în urma proceselor de extracție se formează de regulă deșeuri care conțin substanțe chimice, iar dacă acestea nu sunt gestionate corespunzător pot conduce la contaminarea solului și a apei. În plus, procesele de extracție au nevoie de cantități mari de apă, iar în numeroase zone bogate în materii prime esențiale resursele de apă potabilă sunt limitate, o problemă care se accentuează la nivel global din cauza fenomenului de încălzire globală.
Astfel de probleme au condus frecvent la proteste din partea populațiilor locale, care se simt amenințate direct de astfel de exploatări. O problemă similară a apărut inclusiv în Europa, întrucât o parte a populației din orașul maghiar Debrecen se opune unui proiect prin care CATL, cel mai mare producător de baterii pentru mașini electrice din lume, vrea să investească peste 7 miliarde de euro într-o uzină de baterii Li-Ion pentru mașini electrice.
Calcularea exactă a emisiilor generate în procesele de extracție pentru materiile prime este dificilă, ca urmare a tehnologiilor diferite utilizate. Totuși, potrivit unor studii, extragerea unei cantități de 7 kilograme de litiu, suficientă pentru producția unei baterii Li-Ion, generează circa 120 de kilograme de dioxid de carbon în atmoferă. Ceea ce nu este mult dacă ne gândim că există numeroase mașini cu motoare termice care emit mai mult de 120 de grame de dioxid de carbon pe kilometru, echivalentul a 120 de kilograme pentru fiecare 1.000 de kilometri parcurși.
Soluții pentru reducerea poluării: reciclare și blockchain
Pentru a reduce emisiile asociate extracției de materii prime pentru baterii, una dintre soluții este reciclarea bateriilor uzate. De altfel, Uniunea Europeană și-a stabilit ca obiectiv ca 65% din masa unei baterii produsă în 2025 să conțină materiale reciclate, procent care va crește la 70% în 2030. În plus, există cerințe și pentru diverse materii prime: în 2030, bateriile trebuie să conțină cel puțin 12% cobalt reciclat și 4% nichel și litiu reciclat, iar aceste procente vor crește în 2035 la 20%, 12% și, respectiv, 10%.
În paralel, numeroase companii lucrează la diverse metode pentru a recicla bateriile, în condițiile în care procedurile sunt complexe și necesită îmbunătățiri majore pentru a devenit cu adevărat eficiente.
Proiecte de reciclare pentru baterii
Pe termen lung, este posibil ca inclusiv litiul să scadă în importanță în acest domeniu, dacă cercetătorii care dezvoltă în prezent baterii Sodiu-Ion vor rezolva principalele probleme ale acestora: densitatea scăzută de energie și numărul mic de cicluri de încărcare.
Citește detalii despre bateriile Sodiu-Ion
O soluție și mai promițătoare din punct de vedere tehnic este reprezentată de bateriile solid-state, care se încarcă în numai 10 minute, dar care au un număr de cicluri de încărcare foarte redus. Acestea au o masă mai scăzută, însă folosesc în mare parte aceleași materii prime ca și bateriile Li-Ion de tip NMC.
Citește detalii despre bateriile solid-state
O altă metodă prevede ca producătorii auto să aleagă furnizorii de materii prime și în funcție de metodele de prelucrare folosite de aceștia. Adoptarea unei astfel de strategii este dificilă, întrucât pe lanțul de furnizare există numeroși intermediari, iar contractele au clauze de confidențialitate.
Astfel, o serie de producători au dezvoltat în ultimii ani proiecte blockchain pentru a avea o evidență cât mai clară a lanțului de furnizare de materii prime. Tehnologia blockchain a fost aleasă pentru că permite stocarea datelor în siguranță într-un mod descentralizat și transparent, într-o rețea de computere ce poate fi accesată de toate persoanele care primesc acces.
De exemplu, Grupul Volkswagen a început în 2019 un proiect pentru a transparentiza complet procesul prin care materia primă ajunge din punctul de extracție în mașini. În faza inițială, proiectul este utilizat pentru a studia modul în care plumbul ajunge din zăcămintele de galenă (o sulfură naturală de plumb din care se extrage plumbul) până în fazele superioare de producție a mașinilor.
În schimb, BMW și Ford folosesc blockchain pentru a se asigura că resursele de cobalt provin din surse cât mai prietenoase cu mediul înconjurător, iar Mercedes și Volvo au la rândul lor planuri pentru a folosi această tehnologie.
Toate aceste metode vor permite pe parcursul timpului reducerea emisiilor asociate cu extracția materiilor prime esențiale, concimitent cu renunțarea la materii prime precum cobalt pe măsură ce bateriile Li-Ion de tip LFP vor câștiga o cotă de piață tot mai mare. Totuși, la fel ca în numeroase alte industrii, eliminarea completă a emisiilor este aproape imposibilă, cel puțin cu tehnologiile disponibile în prezent.
