Benchmark Mineral Intelligence järjesti Cobalt Instituten seminaarin yhteydessä 19. toukokuuta mielenkiintoisen työpajan otsikolla “Cobalt’s life cycle: The benefits cobalt brings to the lithium ion battery supply chain”. Seminaarissa First Cobalt Corp ja Li-Cycle kertoivat, missä mennään sähköautojen ajovoima-akkujen kierrätyksen kanssa ja milloin kierrätyksestä alkaa aikuisten oikeasti olla apua vihreiden teknologioiden kasvavaan kriittisten materiaalien kysyntään.
BMI:n webinaarissa First Cobalt kertoi yleisesti sähköautojen akkujen kierrätysprosesseista (ks. kuva 1 alla) ja esitteli ennusteen kierrätykseen päätyvien akkujen määrän kehityksestä lähivuosina.
Kuva 1. Tyypillisen sähkö- tai hybridiauton ajovoima-akun kierrätysprosessin vaiheet. (Lähde: First Cobalt 2021)
First Cobalt arvioi, että vuoteen 2035 mennessä sähkö- ja hybridiautojen akkuja päätyy kierrätykseen vuositasolla 4,1 miljoonaa tonnia (ks. kuva 2 alla). Kiina on asettanut 98 prosentin pakollisen kierrätysvelvoitteen nikkelille, koboltille ja mangaanille Kiinan markkinoilla. Myös EU:n uudessa akkuasetuksessa esitetään materiaalikohtaisia kierrätystavoitteita. Yhtiö uskoo, että kierrätysmateriaalien käyttö voi pienentää akkukennojen hiilijalanjälkeä jopa 85 prosentilla.
Ennusteen taustalla on BNEF:n ennuste, johon First Cobalt on tuonut mukaan omaa näkemystään yhtiön vuonna 2023 käynnistyvän kierrätyksensä vaikutuksista.
Kuva 2. First Cobaltin arvio kierrätykseen päätyvien ajovoima-akkujen määrän kehityksestä eri markkinoilla. (Lähde: First Cobalt 2021)
Koboltin primäärituotanto kaivosteollisuudessa
Valtaosa maailman koboltista kaivetaan Kongon demokraattisessa tasavallassa. Benchmark Mineral Intelligence arvioi, että Kongon osuus koboltin globaalista tuotannosta tulee säilymään nykyisellä tasolla vuoteen 2025 saakka. Viesti on vahva: ilman Kongon kobolttia ei sähköautoteollisuutta synny.
Kuva 3. Kongon rooli koboltin globaalissa kaivostuotannossa pysyy vahvana. (Lähde: BMI, IEA, Li-Cycle 2021)
Koboltista tulee pulaa vuoden 2023 alussa, ennustavat analyytikot. Uusia kobolttihankkeita pitää käynnistää seuraavien 12 kuukauden aikana, jotta kobolttipula vältetään.
Koboltin primäärituotantoon eli kaivostoimintaan liittyy monenlaisia ympäristöhuolia, kuten CO2-päästöt, vedenkulutus ja jätevedet, ilmastopäästöt ja saastuminen sekä kaivosten ympäristön eroosio. Toinen suuri huoli on Kongon kobolttituotannon sosiaalinen vastuullisuus: vaikka valtaosa Kongon koboltista tuotetaan vastuullisesti, liittyy Kongon kobolttiin myös kysymysmerkkejä lapsityövoimaan liittyen, kertoi Li-Cycle esityksessään.
Akkumetallien kierrätys
Vaihtoehtona kaivostuotannolle kanadalaisyhtiö Li-Cycle esitteli patentoimansa Spoke & Hub Technology -prosessinsa, jonka avulla akkulaatuiset materiaalit saadaan kierrätettyä kestävästi kierrätysakuista: kierrätystehokkuus 95%, ei ilmansaasteita, ei jätevesiä ja riskit ihmisille on minimoitu.
Li-Cyclen tavoitteena on tuottaa vuositasolla 4 000 – 6 000 tonnia litiumkarbonaattia, 18 000 – 20 000 tonnia nikkelisulfaattia ja 10 000 – 12 000 kobolttisulfaattia, kun yhtiön tuotanto Yhdysvalloissa on täydessä vauhdissa.
Kuva 4. Li-Cyclellä on isot lupaukset kierrätysprosessinsa tehokkuudesta ja ympäristöystävällisyydestä. (Lähde: Li-Cycle 2021)
Li-Cycle uskoo, että kierrätetyn koboltin määrä voi nousta vuoteen 2030 mennessä lähes 70 000 tonniin, joka vastaisi lähes 20 prosenttia koboltin primäärituotannosta (ks. kuva 5 alla). Tänä vuonna yhtiö arvioi kierrätyskoboltin määräksi reilut 32 000 tonnia.
Kuva 5. Li-Cycle arvioi, että kierrätyskoboltin osuus voi nousta lähes 20 prosenttiin vuonna 2030. (Lähde: Li-Cycle 2021)
Nykyinen sulattopohjainen prosessi on tehoton
Li-Cycle esitteli BMI:n työpajassa mielenkiintoisen vertailun perinteisen, sulattoihin perustuvan metallienkierrätyksen ja yhtiön uuden, hydrometallurgiaan perustuvan kierrätysprosessien välillä. Yhtiön mukaan nykyisin valtavirtaa edustava pyrometallurginen kierrätys on tehotonta ja saannot ovat pienet (ks. kuva 6).
Nykyisin akkujen kierrätysprosessi etenee jotakuinkin näin: kierrätykseen päätyvien akkujen jännite puretaan, jonka jälkeen akku puretaan osiin ja mahdollisesti murskataan. Tämän jälkeen akkumurske päätyy termiseen käsittelyyn, jossa mm. elektrolyytti ja muovit poltetaan. Seuraavaksi prosessissa syntynyt musta massa siirtyy sulattoon. Perinteisessä hydrometallurgisessa käsittelyssä käsitellään sulatosta tuleva materiaali, joka sisältää nikkeliä, kobolttia ja kuparia. Prosessin lopputuotoksena saadaan metallista nikkeliä, kobolttia ja kuparia. Viimeisessä vaiheessa kierrätysmateriaalista tehdään koboltti- ja nikkelisulfaattia, jota käytetään tyypillisesti akkukatodien prekursorimateriaalien tuotantoon.
Prosessin eri vaiheissa menetetään mm. elektrolyytti, osa muoveista ja mahdollisesti myös grafiitti. Litium päätyy kuonaan, josta sen talteenotto ei ole taloudellisesti kannattavaa. Myös muut kevyet komponentit päätyvät joko kuonaan tai palokaasuihin. Myös mangaani ja muut pienempinä pitoisuuksina olevat metallit menetetään. Vastaavasti terminen käsittely aiheuttaa fluorikaasupäästöjä, joiden puhdistaminen on kallista. (ks. kuva 6 alla).
Kuva 6. Li-Cyclen mukaan nykyinen sulattoihin pohjautuva metallienkierrätys on tehoton. (Lähde: Li-Cycle 2021)
Li-Cyclen kierrätysprosessi
Li-Cyclen kehittämä prosessi on yhtiön mukaan virtaviivainen, tehokas ja tarjoaa korkean saannon (kierrätysaste yli 95 %). Kaikki materiaalit ja prosessin lopputuotteet ohjataan takaisin litiumioniakkujen tuotantoon.
Prosessin alkuvaiheessa (Spoke) kierrätykseen päätyvät akut otetaan vastaan. Tässä vaiheessa akkuja ei lajitella eikä niistä pureta jännitteitä. Prosessi on mekaaninen ja automatisoitu.Termistä käsittelyä ei tehdä. Kierrätysmateriaalia käy läpi monivaiheisen prosessin murskauksesta lähtieä (ks. video laitokselta Mississaugasta, Ontariosta).
Kuva 7. Li-Cyclen Spoke-prosessin vaiheita. (Lähde: Li-Cycle 2021 virtuaalinen laitosvierailu Eastman Business Park in Rochester, NY)
Prosessin jälkimmäisessä vaiheessa (Hub) akut käsitellään suoraan hydrometallurgisessa prosessissa, jolloin akkulaatuiset kemikaalit, mukaanlukien litium, saadaan talteen. Termistä käsittelyä ei tehdä eikä mitään akkumateriaaleja hukata.
Kuva 8. Li-Cyclen Spoke & Hub -prosessin toimintamalli. (Lähde: Li-Cycle 2021)
Ympäristövaikutusten vertailu
Li-Cycle esitteli BMI:n työpajassa kolmannen osapuolen tekemän vertailun yhtiön prosessin ja perinteisen kaivostuotanto- ja sulattovaihtoehdon välillä. Vertailun mukaan Li-Cyclen prosessilla CO2- ja NOX-päästöt putoavat merkittävästi, samoin rikkipäästöt. Vedenkulutus on kierrätysprosessissa vain murto-osa kaivos- ja rikastusprosessin vedenkulutuksesta.
Kuva 9. Li-Cyclen Spoke & Hub -prosessin ympäristövaikutukset ovat huomattavasti pienemmän kuin primäärituotannon vastaavat. (Lähde: Li-Cycle 2021)
Keskeinen tekijä Li-Cyclen prosessin ympäristöystävällisyydessä on se, että pyrometallurgiaa ei käytetä. Kun akkuja poltetaan, tai siis käsitellään termisesti, syntyy esimerkiksi fluorikaasuja, jotka ovat merkittävä riski työntekijöille ja alueen asukkaille. Kaikkialla maailmassa ei ole yhtä tiukkoja ympäristönormeja savukaasuille kuin EU:n alueella.
Li-Cyclen mukaan heidän prosessinsa vähentää kasvihuonepäästöjä merkittävästi verrattuna perinteiseen pyrometallurgiseen käsittelyyn. Myös vaikeasti käsiteltävät PFAS-päästöt vältetään kanadalaisten prosessissa, joka käyttää vain mekaanista käsittelyä ja hydrometallurgista prosessia (ks. kuva 9 alla).
Kuva 10. Li-Cyclen Spoke & Hub -prosessin ympäristövaikutukset ovat huomattavasti pienemmän kuin primäärituotannon vastaavat. (Lähde: Li-Cycle 2021)
Toim. huom. Benchmark Mineral Intelligencen työpajassa puhuneet First Cobalt Corp ja Li-Cycle ovat pohjois-amerikkalaiseen tyyliin kovia myymään omaa tarinaansa ja yritystään. Sinänsä Li-Cyclen “spoke and hub” -malli on akkujen kierrätysmaailmasta tuttu konsepti. Myös akkumateriaalien käsittely hydrometallurgisesti, ilman termistä käsittelyä, on tuttu lähestymistapa. Fortum ja Crisolteq eivät ole kilpailusyistä kertoneet tarkemmin omasta prosessistaan (kriittisetmateriaalit.fi-sivusto odottaa innolla kutsua tutustumiskäynnille tai vaikkapa vieraskynä-kirjoitusta sivustolle), mutta todennäköisesti esimerkiksi ympäristönäkökulmasta prosessit ovat aika saman tyyppiset. Olisi myös mielenkiintoista kuulla perinteisen pyrometallurgista prosessia käyttävän metallinkierrättäjän näkemyksiä Li-Cyclen laskelmista prosessien elinkaarianalyyseistä.
(Julkaistu 26.5.2021, päivitetty 31.5.2021)
Lähteet:
- Cobalt’s life cycle: The benefits cobalt brings to the lithium ion battery supply chain. Benchmark Mineral Intelligence workshop, 19 May 2021.
- Episode 4: Inside Li-Cycle’s Rochester, NY Lithium-Ion Battery Recycling Facility. Waste 360, 4 Feb 2021.
Lisää aiheesta:
