Zautomatyzowany recykling akumulatorów

Akumulatory mają kluczową rolę w ułatwianiu zwiększania skali odnawialnych źródeł energii w koszyku energetycznym i procesie elektryfikacji transportu w miarę przejścia od paliw kopalnych w kierunku czystszych technologii energetycznych.

Wzrost wartości rynku akumulatorów i popyt napędzają dwa sektory: energetyka i transport. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) sektor energetyczny odpowiada za ponad 90% całkowitego zapotrzebowania na akumulatory. Jak podano, w samym 2023 roku wykorzystanie akumulatorów w tym sektorze wzrosło o ponad 130% w porównaniu z poprzednim rokiem, co oznaczało dodanie 42 gigawatów (GW) do systemów elektroenergetycznych na całym świecie. Magazynowanie energii staje się jednym z głównych zastosowań akumulatorów, jako środka gromadzenia energii odnawialnej. Tymczasem w sektorze transportu akumulatory przyczyniły się do wzrostu popularności pojazdów elektrycznych, takich jak samochody, rowery, ciężarówki, autobusy i innych pojazdów zasilanych akumulatorowo.

Niepewność związana z surowcami

Niemniej jednak przyszły rozwój produkcji akumulatorów oraz branż, które z nich korzystają, będzie w dużym stopniu zależny od zapewnienia stabilnych dostaw materiałów, takich jak lit, kobalt, miedź, nikiel, mangan i grafit.

Obecnie Chiny dominują nie tylko w dziedzinie produkcji akumulatorów, ale także w dostawach surowców, ponieważ posiadają większość kopalń w Afryce, Australii i Ameryce Południowej. Choć Europa dysponuje własnymi rezerwami surowców do produkcji akumulatorów, nie są one jeszcze eksploatowane, a proces otwarcia kopalni zajmuje lata, a nie miesiące.

Innym sposobem pozyskiwania surowców jest ich odzyskiwanie z już wyprodukowanych akumulatorów. W teorii oferuje to obiecującą strategię dla Europy, która pozwala zmniejszyć zależność od niepewnych globalnych łańcuchów dostaw i rozwinąć zrównoważoną produkcję o obiegu zamkniętym. W praktyce jednak recykling akumulatorów wiąże się z wieloma komplikacjami.

Wyzwania związane z recyklingiem akumulatorów

Głównym problemem jest brak standaryzacji w strukturze chemicznej i konstrukcji akumulatorów. Obecnie nikt tak naprawdę nie wie, co znajduje się wewnątrz akumulatorów będących w obiegu. Podmioty zajmujące się recyklingiem stworzyły bazy danych, które pozwalają zidentyfikować model akumulatora i określić materiały użyte w danym produkcie, ale nawet w przypadku stwierdzenia zgodności nie ma gwarancji, że faktyczne wykonanie danego akumulatora będzie odpowiadać danym w bazie. W trakcie swojego cyklu życia akumulator podlega nieodwracalnym zmianom chemicznym i strukturalnym, które mogą prowadzić do degradacji materiałów. Dodatkowo zmiany dostawców surowców w trakcie cyklu życia danego podtypu akumulatora mogą skutkować zmianami w jego składzie.

Jakość stanowi kolejny problem dla podmiotów zajmujących się recyklingiem, które dążą do odzyskiwania surowców z akumulatorów. Dla przykładu, lit musi być w 100% czysty, aby można go było ponownie wykorzystać — nawet minimalne zanieczyszczenie podczas procesu recyklingu sprawia, że staje się on niezdatny do ponownego użycia.

Kolejnym problemem jest to, że nie wszystkie akumulatory są zwracane w dobrym stanie, a uszkodzenia nie zawsze są widoczne, co utrudnia podmiotom zajmującym się recyklingiem ocenę ich stanu. Może się zdarzyć, że akumulator samochodowy uczestniczył w wypadku lub w akumulatorze do urządzeń elektronicznych doszło do uszkodzenia ogniw, co wpływa na zakres możliwość recyklingu.

Drugie życie akumulatora

Recykling akumulatorów nie polega tylko na odzyskiwaniu surowców do produkcji nowych akumulatorów, ale także na naprawie i zmianie ich przeznaczenia do zastosowań w drugim cyklu życia. Gdy pojemność akumulatora spada poniżej 80% — czyli poniżej poziomu uznawanego za akceptowalny dla pojazdów elektrycznych — nie ma powodu, by nie mógł on zostać wykorzystany ponownie w rozwiązaniach magazynowania energii.

To jednak wiąże się z unikalnym zestawem wyzwań, a podmioty zajmujące się recyklingiem muszą przejść długi proces decyzyjny, aby być w stanie określić, czy akumulator nadaje się do zastosowań w drugim cyklu życia, zanim zdecydują się go otworzyć. Muszą także upewnić się, że dysponują wystarczającą liczbą tych samych akumulatorów wymaganych przy projektach magazynów energii o dużej pojemności — w tym przypadku mieszanie różnych typów akumulatorów nie jest możliwe.

Sortowanie i demontaż akumulatorów: ręczna obsługa

Ze względu na wiele wyzwań rozmontowywanie akumulatorów na potrzeby recyklingu wciąż pozostaje całkowicie ręcznym procesem. W zasadzie jest to odwrócony proces produkcji, w którym elektronika i chemikalia muszą być usuwane osobno. Jest to nie tylko wolne i żmudne zadanie z powodu konieczności zastosowania procesów ręcznych, ale również niebezpieczne. Akumulator musi zostać rozładowany przed demontażem, ponieważ w przypadku kontaktu pracownika z elementami naładowanego akumulatora znajdującymi się pod napięciem, może dojść do poważnego porażenia prądem. Obecność toksycznych substancji, takich jak rozpuszczalniki i elektrolity, także stanowi poważne ryzyko zdrowotne i zagrożenie dla bezpieczeństwa podczas obsługi.

Rozporządzenie UE w sprawie akumulatorów

Nowe rozporządzenie UE w sprawie akumulatorów stanowi ogromny krok w kierunku ustanowienia gospodarki o obiegu zamkniętym dla akumulatorów i ich części składowych. Wraz z wprowadzeniem celów dotyczących efektywności recyklingu, odzyskiwania materiałów i zawartości materiałów z recyklingu, przepisy prawne zawierają także szereg wymagań, które w pewnym stopniu pomogą rozwiązać problemy, z jakimi obecnie borykają się podmioty zajmujące się recyklingiem.

Jednym z wymogów jest, aby akumulatory stosowane w pojazdach i urządzeniach elektronicznych były wymienne. Dzięki temu nie tylko wydłuży się cykl życia tych produktów, ale również ułatwi to demontaż akumulatorów w celach recyklingowych.

Kolejnym wymogiem jest to, że od 2027 roku wszystkie akumulatory przeznaczone do pojazdów elektrycznych i zastosowań przemysłowych, o pojemności powyżej 2 kWh, sprzedawane na rynku UE będą musiały posiadać unikalny paszport, dostępny za pośrednictwem kodu QR. Będzie to przełomowy krok w recyklingu akumulatorów, ponieważ pozwoli wyeliminować wiele niepewności związanych z ich składem.

Jednakże upłynie sporo czasu, zanim cyfrowe paszporty będą miały praktyczne zastosowanie dla podmiotów zajmujących się recyklingiem. Minimalny okres eksploatacji akumulatorów wynosi osiem lat, a ich rzeczywista żywotność zazwyczaj sięga około 15 lat. Oznacza to, że pierwsze akumulatory z cyfrowymi paszportami będą dostępne do recyklingu najwcześniej w 2035 roku, a akumulatory bez paszportów będą wciąż używane w 2040 roku. W międzyczasie istnieje pilna potrzeba rozwoju technologii testowania stanu i technik pomiarowych.

Rewolucyjny potencjał automatyzacji

Inteligentna automatyzacja jest kluczem do bezpiecznego i wydajnego sortowania oraz demontażu akumulatorów, a tym samym umożliwienia ich łatwego recyklingu. Technologie wizyjne i wykrywania mogą być łączone z analizą danych i sztuczną inteligencją w celu identyfikacji typu akumulatora; roboty mogą wykonywać niebezpieczne zadania, takie jak otwieranie, rozładowywanie i rozmontowywanie akumulatorów, bez narażania pracowników na ryzyko, a zdigitalizowane procesy mogą wspierać separację tzw. „aktywnej masy”.

Firma OMRON jest partnerem niemieckiej sieci badawczej DiLiRec, która przez następne trzy lata będzie koncentrować się na opracowywaniu zrównoważonych procesów recyklingu dla materiałów katodowych — litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP). Wydajne sortowanie ogniw akumulatorów, rozmontowywanie i demontaż elektrod, a także systematyczne rejestrowanie danych w podprocesach recyklingu akumulatorów uznano za warunki wstępne dla efektywnego recyklingu LFP. Firma OMRON wnosi swoje kompetencje w zakresie robotyki, analizy danych oraz technologii wizyjnych i wykrywania wspomaganych przez sztuczną inteligencję do tego ekosystemu, który łączy producentów akumulatorów, badaczy i podmioty zajmujące się recyklingiem.

Henry Claussnitzer, kierownik ds. zaangażowania biznesowego w firmie OMRON Industrial Automation Europe

Brak autonomii Europy w obszarze produkcji akumulatorów zagraża przyszłemu wzrostowi jej sektorów przemysłu elektromobilności i energetycznego. Rozwój infrastruktury recyklingu akumulatorów w regionie jest kluczowy dla zabezpieczenia dostaw surowców, których te branże potrzebują, a także dla stworzenia obiegu zamkniętego niezbędnego do realizacji potencjału zrównoważonego rozwoju technologii zasilanych akumulatorami. Automatyzacja sortowania i demontażu akumulatorów to mały, ale kluczowy element w tej układance, a firma OMRON jest dumna, że może być częścią ruchu, który napędza przejście do nowego paradygmatu.