Dělení automobilových baterií
Automobilové baterie patří mezi nejdůležitější část vozidla. Klasická automobilová baterie neboli akumulátor je chemický zdroj elektrické energie ve vozidlech se spalovacím motorem, primárním úkolem je nastartovat motor.
S rozvojem elektromobility současně souvisí i vývoj autobaterií. Aktuálně se v automobilovém průmyslu, právě díky rostoucímu zastoupení elektrických a hybridních vozidel, používají olověné akumulátory i pro další mikrohybridní funkce, které snižují jejich spotřebu paliva o 5-10 %. Co se týče hybridních a elektrických vozidel, k zajištění jejich pohonu se používají vysokonapěťové lithium-iontové nebo sodík-nikl-chloridové baterie. (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
V současné době jsou na trh uváděny různé druhy vozidel s různým stupněm hybridního nebo elektrického pohonu: (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
• Konvenční vozidla (ICE) – bez elektrifikace. Baterie se používá pouze pro účely nastartování konvenčního motoru, osvětlení a zapalování.
• Vozidla s funkcí start-stop – nízký stupeň elektrifikace. Konvenční motor se automaticky vypíná při brždění a stání.
• Mikro-hybridní a středně-hybridní vozidla – nízký až střední stupeň elektrifikace. Start-stop funkce v kombinaci s rekuperačním bržděním, kde se naakumulovaná energie použije ke zvýšení zrychlení vozidla.
• Plně-hybridní elektrická vozidla (HEV) – střední stupeň elektrifikace. Ekvivalentní charakteristika jako u středně-hybridních vozidel, ale naakumulovaná energie v baterii se také použije v určitém rozsahu pro elektrickou jízdu.
• Plug-in hybridní elektrická vozidla (PHEV) – vysoký stupeň elektrifikace. Baterie je použita jako hlavní zdroj energie na denní ježdění (20-50 km), ale v případě potřeby může PHEV také běžet v hybridním módu s využitím konvenčního motoru. Baterie mohou být dobíjeny z venkovního zdroje.
• Elektrická vozidla (EV) – plná elektrifikace. Baterie je používána jako jediný zdroj energie vozidla, které nemá konvenční motor. Baterie jsou dobíjeny z venkovního zdroje.
Autobaterie můžeme rozdělit do čtyř skupin: (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
• Olověné
- použití v konvenčních a mikro-hybridních vozidlech, ve vozidlech s funkcí start-stop
- jako pomocné 12 V baterie u všech hybridních a elektrických vozidel
- použití na pohon hybridních vozidel
- použití na pohon hybridních, plug-in hybridních a plně elektrických vozidel
• Sodík-nikl-chloridové
- použití na pohon plug-in hybridních a plně elektrických vozidel (primárně nákladních vozidel a vozidel hromadné dopravy)
Olovněné autobaterie
Olověné autobaterie jsou nejpoužívanějším typem akumulátoru díky jejich osvědčené bezpečnosti, výkonu a nízkým nákladům. Průměrná váha olověné autobaterie je 18-20 kg. Životnost velmi závisí na klimatických podmínkách, ve kterých je používána, průměr činí 5 až 7 let. Po ukončení jejich životnosti je v EU zpětné odebráno více než 95 % těchto autobaterií a dále jsou recyklovány.
Jednotlivé části olověné autobaterie
Olověná autobaterie v průměru obsahuje: (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
• olovo a oxid olovnatý – přibližně 60 % hmotnosti baterie,
• elektrolyt – zředěná kyselina sírová – přibližně 30 % hmotnosti baterie,
• ostatní, jako například legovací komponenty a polymery – přibližně 10 % hmotnosti baterie.
Nikl-metal hydridové autobaterie
Nikl-metal hydridové autobaterie se v současné době používají zejména v hybridních vozidlech, kde jsou vhodnou volbou oproti lithium-iontovým bateriím, z důvodu jejich vynikající životnosti a nižším nákladům. Nicméně jejich vyšší váha, nižší energetická hustota a nižší cyklická odolnost jsou faktory, díky kterým nebudou nikl-metal hydridové baterie schopny konkurovat novým generacím lithium-iontovým bateriím. Oproti olověným bateriím jsou ale stále výrazně dražší, a tedy pro funkce startu, zapalování a osvětlení nejsou i z důvodu jejich horšího výkonu za studena používány.
Po ukončení své životnosti jsou baterie zpětně odebírány a recyklovány. Kovy jsou dále používané zejména v ocelářském průmyslu při výrobě nerezové ocele. (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
Nikl-metal hydridová autobaterie pro Toyota Prius
Nikl-metal hydridová autobaterie v průměru obsahuje: (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
• nikl v substrátu a ve slitině absorbující vodík,
• oxid nikelnatý v katodě,
• kobaltová přísada v katodě a anodě,
• vzácné zeminy,
• ostatní, jako např. separátor, elektrolyt, pojiva.
Lithium-iontové autobaterie
Lithium-iontové autobaterie se používají zejména na pohon hybridních vozidel, plug-in hybridů a plně elektrických vozidel. Pro použití na funkce start-stop, zapalování a osvětlení se nepoužívají zejména kvůli horším vlastnostem startu za studena a vysokým nákladům oproti olověným bateriím.
Cena lithium-iontových baterií je v současné době výrazně vyšší oproti všem ostatním druhům autobaterií. Proto se tyto autobaterie větších rozměrů používají v současné době zejména k aplikacím v armádním nebo vesmírném sektoru, a to díky jejich vysoké energetické hustotě (napětí jednoho článku až 4,2 V) a vynikající cyklické odolnosti. Nicméně v budoucnu se předpokládá jejich extenzivní vývoj a široké použití v automobilovém i dalším průmyslu. Po ukončení své životnosti jsou baterie zpětně odebírány a recyklovány. (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
Lithium-iontová autobaterie pro Nissan
Lithium-iontová autobaterie v průměru obsahuje: (ACEA, JAMA, KAMA, EUROBAT and ILA, 2004)
• různé materiály na bázi oxidů kovů v katodě,
• materiály na uhlíkové bázi v anodě,
• lithiové soli,
• měď v záporném substrátu a kolektorech,
• hliník nebo ocel v kladném substrátu a v pouzdrech článků,
• ostatní, jako např.separátor, elektrolyt, pojiva.
Kvůli obsahu těžkých kovů a dalších nebezpečných látek se automobilové baterie po ukončení své životnosti stávají nebezpečným odpadem a zejména z tohoto důvodu jsou jednou z komodit zpětného odběru.
Životní cyklus automobilových baterií
Autobaterie ovlivňují životní prostředí v celém životním cyklu, tj. od těžby či produkce vstupních surovin, při vlastní výrobě a distribuci k zákazníkovi, při vlastním užití až po ukončení životnosti.
Na níže uvedeném obrázku je uveden příklad životního cyklu olověných autobaterií. Životní cyklus začíná vývojem a výrobou nové autobaterie, případně těžbou a výrobou nerecyklovaných surovin. Nová olověná autobaterie se skládá až z 80 % recyklovaných materiálů. Následně jsou baterie distribuovány jednotlivým odběratelům a jsou uvedeny na trh, kde dochází k jejich používání. Po ukončení životnosti jsou baterie zpětně odebírány a jsou dále přepravovány do zařízení určených k jejich recyklaci a k následnému zpracování jednotlivých materiálů, které se dále využívají ve výrobě nových baterií.
Životný cyklus olověné autobaterie
Evropská komise v říjnu 2017 zřídila Evropskou bateriovou alianci. Tato platforma si klade za cíl vyvinout inovativní, konkurenceschopný a udržitelný hodnotový řetězec, jehož základem je udržitelná výroba baterií v rámci EU. Více o aktivitách Evropské bateriové aliance naleznete na internetových stránkách
Negativní vlivy autobaterií na životní prostředí
V průběhu jednotlivých fází životního cyklu automobilových baterií dochází i k negativním vlivům na životní prostředí. Nejvíce negativních dopadů má těžba základních surovin (jako např. olovo, lithium nebo kobalt) pro jejich výrobu. Těžba je často spojena s velmi negativními dopady na životní prostředí právě v závislosti na těžené surovině, lokalitě a použité technologii. Dále mohou vznikat emise nebezpečných látek při zpracování v těžebních zařízeních z pyrometalurgických nebo hydrometalurgických procesů. V EU se ale emise nebezpečných látek ze zpracování nepovažují za významné, protože se předpokládá, že se dodržuje příslušná legislativa. V případě, že během používání autobaterie dojde k nehodě a porušení fyzické integrity baterie, může dojít k úniku nebezpečných látek do prostředí. (European Commission, 2019)
Co se týče fáze ukončení životnosti automobilových baterií, je v ČR i v EU zajištěna vysoká míra zpětného odběru a recyklace. Míra sběru a recyklace olověných automobilových baterií se blíží 100 %. V případě, že by nebyly recyklovány a skončily by v komunálním odpadu anebo v přírodě, došlo by k uvolnění těžkých kovů a dalších škodlivých látek. Těžké kovy a další nebezpečné látky obsažené v autobateriích narušují ekosystémy a jsou nebezpečné pro lidské zdraví (např. jsou karcinogenní pro lidský organismus).
Odhaduje se, že v případě olověných autobaterií má recyklace olova environmentální dopad spojený s emisemi nižší téměř o 50 % v porovnání s primární výrobou olova. V kategorii Lidské toxicity je dopad primární výroby olova až 18krát vyšší proti recyklaci. (European Commission, 2019)
Množství baterií a akumulátorů uvedených na trh a zpětně odebraných (rok 2018)
V roce 2018 bylo v České republice zpětně odebráno 17 642,0 tun automobilových baterií a akumulátorů, současně bylo v daném roce 24 291,8 tun uvedeno na trh. Úroveň zpětného odběru pro automobilové baterie a akumulátory tak v roce 2018 činila 72,6 %. Z celkového množství autobaterií uvedeného v daném roce na trh bylo zaevidováno 134,9 t jiných než olověných baterií a akumulátorů. To znamená, že až 99,5 % všech automobilových baterií a akumulátorů uvedených na trh v ČR v roce 2018 bylo olověných. Z celkového množství automobilových baterií a akumulátorů, se kterým bylo v roce 2018 nakládáno (17 644,5 tun), bylo materiálově využito 99,95 %. Zbylé množství automobilových baterií a akumulátorů zůstalo skladem. (MŽP ČR, 2020)
Množství baterií a akumulátorů uvedených na trh v ČR v roce 2018 dle jednotlivých skupin
Automobilové baterie tvoří až 60 % z celkového množství baterií a akumulátorů uvedených na trh v roce 2018. U zbylých 40 % se jedná o průmyslové baterie a akumulátory a o přenosné baterie a akumulátory. (MŽP ČR, 2020)
Na trh EU se každoročně uvede přibližně 800 tis. tun automobilových baterií. (European Commission, 2020)
Technologie zpracování automobilových baterií a akumulátorů
Na technologie zpracování autobaterií je nutno se dívat dle základního typu (chemismu) dané autobaterie.
Jako příklad je níže na obrázku uveden proces recyklace olověných baterií. Olovněná autobaterie je po ukončení své životnosti vyjmuta z vozidla. Následně je přepravena do zařízení k recyklaci. Baterie je rozdrcena a jednotlivé složky olovo, plasty a kyselina jsou odděleny. Kyselina je neutralizována a zneškodněna nebo regenerována a opětovně použita. Olovo je roztaveno a rafinováno a je možné jej opětovně použít při výrobě nových baterií. Z odpadního plastu jsou vyráběny pelety, které lze opětovně použít při výrobě nových baterií.
Proces recyklace olověných baterií
Zpracovatelem automobilových olověných baterií a akumulátorů je v ČR společnost Kovohutě Příbram nástupnická, a.s. Společnost recykluje odpady s obsahem olova a vyrábí olovo a jeho slitiny, výrobky z olova a cínu a dále zpracovává i odpady s obsahem drahých kovů a elektroodpad.
Co se týče dalších druhů automobilových baterií (nikl-metal hydridové, lithium-iontové nebo sodík-nikl-chloridové), zde probíhá v rámci EU řada projektů s cílem vývoje perspektivních recyklačních technologií. Určité zpracovatelské kapacity jsou v EU k dispozici, nicméně s rozvojem elektromobility bude potřeba tento sektor značně posílit.
Technologie na získávání lithia, kobaltu a dalších látek obsažených v autobateriích má jak environmentální přínos, tak i význam strategický k zajištění surovin pro další výrobu baterií. Ve zpětném získávání surovin, které jsou pro výrobu nových baterií potřeba a které se v Evropě těží pouze v omezené míře, leží do budoucna velký potenciál. Již velká část výroby olova v EU je zajištěna právě díky recyklaci (převážně baterií a akumulátorů).
S rozvojem elektromobilů je taktéž diskutována možnost druhotného použití autobaterií, které pro použití ve vozidlech již nejsou dostatečně výkonné, ale pro jiné užití nemusí být ještě na konci životnosti.
V květnu 2018 vydala Evropská komise sdělení s názvem „Evropa v pohybu“. V souvislosti s tímto sdělením Evropská komise vytvořila speciální Akční plán pro vývoj a výrobu baterií. Evropská komise se v rámci této skupiny výrobků zaměřuje zejména na vývoj baterií pro elektrická vozidla, ale i na další aspekty, např. na druhotné využití baterií a recyklaci. (European Commission, 2018)
Zdroje
1. EUROBAT, ACEA, JAMA, KAMA ILA, A review of battery technologies for automotive applications,
2. EssentialEnergyEveryday.com, Circular economy of lead batteries, 2020, https://36ga1w27cgbw1sx6g92wttco-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2020/04/EEE_Brief_Circular_Economy_042020.pdf
3. PE International, Life Cycle Assessment of Lead-based Batteries for Vehicles, 2014, https://www.acea.be/uploads/publications/LCA_of_Pb-based_batteries_for_vehicles_-_Executive_summary_10_04_2014.pdf
4. MŽP ČR, Vybrané ukazatele odpadového hospodářství v oblasti baterií a akumulátorů a odpadních baterií a akumulátorů za rok 2018, 2020, https://www.mzp.cz/C1257458002F0DC7/cz/ukazatele_odpadoveho_hospodarstvi_baterie_akumulatory/$FILE/OODP-vyhodnoceni_2018_baterie_a_akumulatory-20200128.002.pdf
5. The Association of Battery Recyclers https://www.associationofbatteryrecyclers.com/
6. European Commission, Commission staff working Document on the evaluation of the Directive 2006/66/EC on batteries and accumulators and waste batteries and assumulators and repealing Directive 91/157/EEC, 2019, https://ec.europa.eu/environment/pdf/waste/batteries/evaluation_report_batteries_directive.pdf
7. European Battery Alliance https://ec.europa.eu/growth/industry/policy/european-battery-alliance_en
8. European Battery Alliance https://ec.europa.eu/transport/sites/transport/files/3rd-mobility-pack/com20180293-annex2_en.pdf
9. European Battery Alliance https://ec.europa.eu/environment/topics/waste-and-recycling/batteries-and-accumulators_en
