Recyklace li-ion baterií - ekonomická životaschopnost

V roce 1991 společnost Sony přišla na trh s přenosnou li-ion baterií,  která se díky nižšímu poměru hmotnosti a velikosti k výkonu, konstantnímu napětí na výstupu a delší životnosti stala hojně využívanou v přenosných zařízeních. V současné době je tato technologie využívána rovněž  v elektromobilech. Trh li-ion baterií rapidně roste a zanechává nás s jednou otázkou – co budeme dělat s půl tunovými bateriemi na konci jejich životnosti?

Tento článek je druhým dílem seriálu o recyklaci lithium-iontových bateriích, první část: Recyklace li-ion baterií – úvod.

První díl seriálu Recyklace li-ion baterií uvedl celkový přehled a zmínil, že hlavním podnětem k recyklaci li-ion baterií je obsah niklu a kobaltu. Tento díl se bude zaměřovat hlavně na ekonomickou stránku recyklace. Z environmentálního hlediska možnost recyklovat materiály (kobalt, nikl, lithium,…) z li-ion baterií a využít materiál na výrobu nových, sníží zátěž na životní prostředí o 51 %. Z ekonomického hlediska to není tak zcela jasné. Zatímco některé li-ion technologie baterií jsou pro recyklační subjekt velice ekonomicky výhodné, ostatní jsou z hlediska zajištění životaschopnosti takového subjektu otazníkem.

Ekonomika recyklačního řetězce

Z ekonomického hlediska (jak již bylo uvedeno v prvním díle) je hlavním pozitivním faktorem možnost získat cenný materiál použitý na výrobu li-ion baterií, při současných cenách je to zejména kobalt. Kobalt je využívaný díky vysoké energetické hustotě, jeho současná cena byla ke konci února 2018 66,7 eur/kg .

Vzhledem k vysoké ceně kobaltu se výrobci ubírají směrem nízko-nákladových katod za účelem snížení ceny výroby baterií. Katody typu  LFP (LiFePO₄) a LMO (LiMn₂O₄) jsou označovány jako další generace li-ion baterií. Avšak přechod z dražších materiálů na výrobu katod k levnějším materiálům by snížil motivaci k recyklaci (dosažení menších výdělků). Jaké chemické složení bude v budoucnu dominovat lze jen těžko odhadnout. Je ale více než jasné, že recyklační subjekt bude mít smíšenou várku z různých druhů katod určenou k recyklaci.

Spotřeba kobaltu na výrobu li-ion baterií zaznamenala rapidní nárůst v několika posledních letech. Kobalt má oproti ostatním materiálům využitým v li-ion baterii výrazně vyšší ekonomickou hodnotu. Potenciální zisk (řádek celkem) ve výše uvedeném přehledu o materiálech obsažených v li-ion technologiích byl spočítán na základě obsahu materiálů v baterii, recyklační účinnosti a tržní ceně materiálu.

Je jisté, že jiné materiály jsou obsaženy v katodách při jiném chemickém složení, nicméně výkyvy použitého materiálu nastanou i při stejném chemickém složení katody vyrobené jinými výrobci. Je nutné zmínit, že účinnost recyklace se bude lišit na základě využité metody (hydrometalurgické, pyrometalurgické).

Model recyklačního subjektu

Náklady na recyklační subjekt se skládají z variabilních a fixních nákladů. Li-ion baterie se k recyklaci dostávají v různých velikostech, konfigurací balení a chemickém složení katody.

Variabilní náklady (dále jako VC) se zvětšují úměrně s objemem vstupního a výstupního materiálu a záleží na recyklační technologii, vstupní kvalitě materiálu (chemické složení, velikost, kvalita), geografické lokaci, atd. Fixní náklady nejsou ovlivněny objemem výstupu recyklace, ale pokrývají platy, náklady za prostory atd. Fixní náklady se u recyklačních subjektů nemění během fiskálního roku. Ovšem odhadnutí fixních nákladů je v tomto případě těžké a jsou ovlivněny několika faktory. S rostoucí recyklační kapacitou rostou i fixní náklady, nejedná se ovšem o lineární růst. Důležitou roli v oblasti fixních nákladů má geografická poloha. Kupříkladu recyklační subjekt v Mexiku bude mít se stejnými fixními náklady vyšší recyklační kapacitu než stejný subjekt v USA (viz následující tabulka).

VC se mění s každým rokem a lišily se mezi 900 a 3650 euro na tunu li-ion baterií určených k recyklaci (3400 euro v Nizozemsku, 2500 euro v Dánsku a 2200 euro ve Francii). V budoucnu se očekává, že VC budou klesat zlepšením celého recyklačního řetězce a technologickým pokrokem.

Recyklační mix

Vzhledem k různorodosti technologií li-ion baterií nebude moci recyklační subjekt předpovědět, jaké chemické složení bude tvořit dodávka baterií určená k recyklaci. Pokud by recyklační dávka byla ve 100% složení jediného typu baterie, výsledky by byly následující.

Z tuny li-ion baterie s chemickým složením LiCoO₂ po recyklaci je možné získat (jak je uvedeno v tabulce materiálů obsažených v li-ion technologiích) zhruba 7302 eur. Jedná se o více jak osminásobek spodní hodnoty a dvojnásobek vrchní hodnoty VC. V tomto případě, pokud by recyklační subjekt recykloval pouze LiCoO₂ baterie, k dosažení bodu zvratu by stačilo z recyklovat pouze 185 tun.  V případě chemického složení baterií LiNiMnCoO₂  je možné získat zhruba 3758 eur z tuny recyklovaného materiálu. To stačí na pokrytí vyšší hranice VC a v případě subjektu v Itálii by bylo potřeba k dosažení bodu zvratu z recyklovat 6278 tun (pokud vezmeme v úvahu vyšší hranici VC). V případě LiFePO₄ a LiMn₂O₄ nedojde k pokrytí ani poloviny z vyšší hranice variabilních nákladů.

Velkou nejistotu, kterou je nezbytné vzít v úvahu, představuje podoba výsledného recyklačního mix baterií určených k recyklaci. Dvě variability zde byly zmíněny, variabilita chemického složení katod a variabilita lišícího se množství ve složení mezi výrobci. To přináší určitou nejistotu pro recyklační subjekt. Jen těžko se dá odhadovat, jaký je poměr technologií li-ion baterií na trhu. Například Chevy Volt a Nissan Leaf vyžívají NMC technologii, BMW i3 využívá LMO a NMC. Ve spotřební elektronice dominují zase LCO baterie.

Kobalt tvoří většinovou hodnotu

Jak již bylo zmíněno, zpětné získání kobaltu je hlavním ekonomickým podnětem k recyklaci. Vzhledem k různorodosti li-ion technologií neexistuje jistota, že recyklační zařízení obdrží takovou várku k recyklaci, která bude obsahovat dostatečné množství kobaltu, aby byla ekonomicky výhodná. Současná cena kobaltu je na trojnásobku ceny v roce 2016 a velice pozitivně ovlivňuje výsledný zisk z recyklace. V současné tobě se dá tvrdit, že výsledek hospodaření subjektu je závislý na obsahu kobaltu v recyklačním mixu baterií. Klesající cena kobaltu a přechod výrobců li-ion baterií na levnější materiály se promítne v ziskovosti recyklačního subjektu. U LiCoO₂ baterií kobalt tvoří přes 90 % recyklované hodnoty, u NMC okolo 65 %.

V průběhu roku 2016 se cena kobaltu pohybovala na hranici cca 20 eur za kilogram. V tomto případě, by hodnota LiCoO₂ za tunu recyklovaného materiálu klesla z původní hodnoty 7302 eur o 4152 na 3150 eur, a recyklační proces by nedosáhl na pokrytí vyšší hranice variabilních nákladů. To samé platí u chemického složení LiNiMnCoO_2, které také obsahuje kobalt, a hodnota za tunu recyklovaného materiálu by klesla o 1681 eur.

Tlak na recyklaci kobaltu je vysoký. Dominikánská republika má 60% podíl ve vývozu kobaltu na globálním trhu. Z 94 % je kobalt vedlejší produkt při těžbě niklu a mědi a často nedokáže reagovat na náhlé změny poptávky, což se odráží v rostoucí ceně. V tomto případě, je tedy kvalitní recyklace kobaltu podmínkou životaschopnosti celého recyklačního řetězce.

John Petersen zmínil ve svém článku, že zatímco většina zpochybňovala dostatečné množství zásob lithia k pokrytí nárůstu spotřeby na výrobu li-ion baterií, všichni zapomněli na zásoby kobaltu.

Zároveň může recyklační zařízení zvolit vhodnou technologii recyklace k dosažení maximální efektivnosti. Pokud v recyklační várce bude vysoký obsah LiCoO2 baterií, hydrometalurgická bude vhodnější pro recyklaci kobaltu. Naopak pokud várka bude obsahovat jiné typy (LiFePO_4,LiMn₂O₄) li-ion baterií, pyrometalurgické metody můžou být vhodnější z ekonomického pohledu.

Systém distribuce baterií k recyklaci, který by uváděl podíly typů baterií by byl tedy vysoce žádoucí pro recyklační subjekty. Ty by na základě těchto informací mohly využít vhodnější metody k recyklaci a dosáhnout tak lepších výsledků. Bohužel v současné době není tento systém ještě plně vyvinut.

Závěr

Závěrem je tedy nutné říci, že ekonomická motivace k recyklaci li-ion baterií je závislá na několika aspektech:

• chemickém složení baterie (kobalt je hlavním podnětem k recyklaci),
• geografické poloze předurčující fixní a variabilní náklady recyklačního subjektu,
• nastavení legislativy, která by měla nařizovat sběr baterií,
• recyklační účinnosti,
• ceně materiálů potřebných k výrobě li-ion baterií.

Recyklace baterií je opředena nejistotou budoucí podoby baterií a zejména jejich chemickým složením, vzhledem k více technologiím na trhu a přechodu na levnější materiály na výrobu katod. Jenom čas tedy ukáže, zdali budou recyklační subjekty ekonomicky soběstačné, anebo budou vyžadovat určitý druh podpory.