Czy samochody elektryczne są ekologiczne?

Szacuje się, że liczba lekkich pojazdów ciężarowych w eksploatacji wzrośnie do około 1,3 miliarda w 2030 roku i 2 miliardów w 2050 roku. Nastąpi zatem gwałtowny wzrost popytu na dostawy paliw związanych z transportem, co z kolei wpłynie na zmiany klimatu, jakość powietrza w miastach i dalsze wyczerpywanie zasobów nieodnawialnych.

Pojazdy elektryczne stanowią przyszłość transportu drogowego i będą odgrywać kluczową rolę w jego dekarbonizacji. Ich rozwój będzie skutkował zwiększonym zapotrzebowaniem na różnego typu materiały służące do ich produkcji, zwłaszcza baterie, stanowiące serce tych pojazdów. Jednymi z najpopularniejszych aktualnie akumulatorów stosowanych w pojazdach elektrycznych są baterie litowo-jonowe. Konieczność ich recyklingu w całym cyklu życia pojazdów elektrycznych może stanowić jeden z głównych elementów gospodarki cyrkularnej.

Co zrobić z akumulatorami?

Jakie efekty środowiskowe w całym cyklu życia niesie za sobą użytkowanie pojazdów elektrycznych? Czy ich użytkowanie pozwala na ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko w porównaniu do konwencjonalnych pojazdów silnikowych? Czy faktycznie ich negatywny wpływ na środowisko jest ograniczony, czy jedynie pozwala na pozorne ograniczenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery? Co stanie się z ogromną liczbą wyprodukowanych akumulatorów pod koniec ich życia i jak cenne materiały można odzyskać i poddać recyklingowi? Pytania te stanowią ważny głos w dyskusji nad dekarbonizacją gospodarki i ograniczaniem negatywnego obciążenia środowiska na całym świecie. Odpowiedź na te pytania może znacząco wpłynąć na rozwój przemysłu w UE.

Największą zaletą pojazdów elektrycznych wydaje się być redukcja emisji gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla oraz innych toksycznych gazów emitowanych podczas spalania paliw w silnikach spalinowych. Ponadto pojazdy elektryczne osiągają wyższe wydajności układu napędowego w porównaniu z silnikiem spalinowym (bez znaczenia jest tutaj rodzaj paliwa). Jednak wykorzystanie metali ciężkich do produkcji baterii, stosowany tzw. energy mix do ładowania baterii oraz usuwanie zużytych baterii to kluczowe aspekty cyklu życia pojazdu elektrycznego, które należy dokładnie rozważyć w ramach podejścia opartego na cyklu życia, aby zidentyfikować możliwe źródła zwiększonego wpływu na środowisko. Producenci samochodów elektrycznych stoją przed wielkimi wyzwaniami technologicznymi. Muszą przeanalizować wpływ na środowisko związany z fazą produkcyjną, fazą użytkowania i końcem eksploatacji swoich produktów. Tego typu analiza pozwala oszacować, czy korzyści osiągane na etapie użytkowania pojazdu z tytułu zerowej emisyjności przekraczają potencjalne negatywne oddziaływanie na środowisko, generowane przede wszystkim z tytułu wykorzystywania energii elektrycznej oraz produkcji akumulatorów i ich utylizacji.

Metale ziem rzadkich

Tak samo jak w przypadku różnego typu nowoczesnych technologii IT, także w produkcji akumulatorów do samochodów elektrycznych wykorzystuje się tak zwane pierwiastki ziem rzadkich. Pośród wszystkich baterii EV najpopularniejsze stały się baterie litowo-jonowe z uwagi na ich wysoką zdolność do magazynowania energii, wysoką gęstość mocy, długą żywotność i korzystne właściwości środowiskowe w porównaniu z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi i akumulatorami niklowymi.

W samych Chinach w 2015 roku wydajność wyprodukowanych baterii osiągnęła 15,45 GWh. Istnieją trzy typy baterii litowo-jonowych. W tych najczęściej stosowanych w części katodowej oprócz litu (11%) znajduje się nikiel (73%), kobalt (14%) i aluminium (2%). Z kolei anodę tworzy się z grafitu. Dodatkowo elektrolitem są sole litowe w roztworze organicznego rozpuszczalnika (rysunek).

Znaczący rozwój pojazdów elektrycznych przyczynił się do ożywionej dyskusji na temat dostępności pierwiastków ziem rzadkich. Wszelkie analizy międzynarodowych organizacji (m.in. Bloomberg i Deutsche Bank) wskazują jednak, iż pomimo zwiększonej eksploatacji i wykorzystywania tych pierwiastków nie tylko do produkcji baterii w pojazdach, ale również do różnego typu urządzeń elektronicznych (laptopów, telefonów itp.) dostępne zasoby litu wynoszą około 40 milionów ton i pozwolą na 185 lat eksploatacji nawet przy potrójnym wzroście wydobycia.

Problemy środowiskowe generowane są w tym przypadku nie przez sam fakt eksploatacji i ilość dostępnych zasobów, ale przede wszystkim przez sposób ich wydobywania i rafinacji tych metali. Szacuje się, że jedna tona ziem rzadkich może powodować powstanie aż 75 ton kwaśnych odpadów, co z kolei przyczynia się do zanieczyszczania wód lokalnych. Negatywny wpływ na środowisko mają również procesy wydobywania litu z kruszonych skał w Australii lub z jezior solnych w Ameryce Południowej. W pierwszym przypadku do ekstrakcji litu z kruszonych skał oprócz chemikaliów wykorzystuje się wysokie temperatury, które wymagają znacznych nakładów energii. Natomiast z solanek lit wypompowuje się z ziemi za pomocą toksycznych związków chemicznych. W przypadku wydobywania kobaltu oprócz kwestii środowiskowych problemem są również kwestie społeczne i naruszanie praw człowieka w kopalniach w Chinach. Rozwiązaniem problemu mogłyby się okazać skuteczne narzędzia kontroli pozyskiwania pierwiastków ziem rzadkich i rozwój nowych, innowacyjnych technologii nie tylko ich pozyskiwania, ale przede wszystkim pozwalających na zastąpienie tych metali innymi materiałami, których produkcja będzie bardziej przyjazna środowisku.

Recykling rozwiązaniem problemu

Aktualnie poziom recyklingu baterii litowo-jonowych jest na bardzo niskim poziomie. Wiąże się to z kilkoma różnymi powodami, a nie tylko brakiem ekonomicznej motywacji. Problem stanowi chociażby słaba znajomość składu baterii czy też brak właściwego oznakowania na opakowaniach i niska świadomość społeczeństwa. Natomiast w przypadku akumulatorów litowo-jonowych rozwój rynku pojazdów elektrycznych trwa zbyt krótko, przez co trudno de facto ocenić poziom ich recyklingu. Bardzo niewiele z wyprodukowanych i wprowadzonych na rynek pojazdów nadaje się już do recyklingu. Są one nadal w użyciu. Szacuje się, że dopiero po około dekadzie będzie można szacować poziomy recyklingu tych akumulatorów na skalę globalną. Dodatkowo ich żywotność może zostać przedłużona poprzez wykorzystywanie jako magazynów energii użytkowej.

Większość z metod recyklingu nadal jest w sferze testów, a te, które istnieją, stanowią energochłonne procesy o wysokim stopniu oddziaływania na środowisko. Oprócz samego recyklingu należy zadbać o metody bezpiecznego i ekonomicznego transportu. Ponadto produkt poddany recyklingowi powinien być wystarczająco wysokiej jakości, aby opłacalne stało się jego wykorzystywanie.

Na korzyść wysokiego stopnia recyklingu akumulatorów z pojazdów elektrycznych przemawiają ich gabaryty. Przedmioty użytkowe o małych gabarytach łatwo przechować w szufladzie lub wyrzucić do kosza. Natomiast akumulatory są przedmiotami o wiele większych rozmiarach, co utrudni ich magazynowanie. Ponadto producenci pojazdów elektrycznych będą zobowiązani do ich zbierania i recyklingu. Do takiego podejścia przymuszą ich zapewne nowe regulacje prawne w tym zakresie. Międzynarodowa Agencja Energetyczna szacuje, że do 2030 r. na całym świecie będzie użytkowanych 140 milionów samochodów elektrycznych. Taka liczba pojazdów przyczyni się do powstania nawet 11 milionów ton zużytych akumulatorów litowo-jonowych wymagających recyklingu.

Emisje dwutlenku węgla

Oprócz wykorzystywania metali ziem rzadkich do produkcji akumulatorów problematyczną kwestię stanowią również emisje dwutlenku węgla. Pojazdy elektryczne mają służyć przede wszystkim dekarbonizacji transportu drogowego i przyczyniać się do poprawy klimatu, a także pozwalać na ograniczenie emisji toksycznych substancji do powietrza, powodujących różnego typu choroby. Znacznie łatwiej jest kontrolować to, co wydostaje się z komina elektrowni węglowej, niż emisje spalin z rur wydechowych milionów pojazdów.

Ponadto, niestety, w wielu miejscach na świecie (w tym w Polsce) nadal użytkuje się pojazdy z uszkodzonymi lub celowo usuniętymi systemami filtrowania cząsteczek stałych. W kwestii emisji dwutlenku węgla oraz efektywności energetycznej wyniki badań oddziaływania pojazdów EV na środowisko znacznie się od siebie różnią. Wynika to przede wszystkim z przyjętych granic systemu, tj. czy w badaniu uwzględniono jedynie etap użytkowania pojazdu, czy też cały cykl życia - od produkcji poszczególnych materiałów po jego końcowe zagospodarowanie.

Ślad węglowy pojazdu

Wyniki badań jednoznacznie wskazują, iż największy wpływ na środowisko pojazdu elektrycznego ma etap jego użytkowania. Tutaj też badania wskazują na największe różnice pomiędzy wynikami w zależności od stosowanego miksu energetycznego w danym kraju. Jednakże należy podkreślić, że nawet przy zasilaniu samochodu elektrycznego energią o najwyższej emisji dwutlenku węgla posiadającej najwyższy wskaźnik potencjału globalnego ocieplenia pojazdy te i tak charakteryzuje korzystniejsze oddziaływanie na środowisko niż pojazdu konwencjonalnego (o tych samych parametrach). Wskazuje na to chociażby analizowany w badaniach LCA ślad węglowy, czyli wskaźnik całkowitej sumy emisji gazów cieplarnianych wywołanych bezpośrednio przez użytkowanie danego pojazdu. Należy jednak zauważyć, iż elektromobilność rozwija się najszybciej w krajach, gdzie w maksymalny sposób wykorzystuje się odnawialne źródła energii.

Dotyczy to przede wszystkim krajów skandynawskich: Norwegii i Szwecji, a także Szwajcarii, Holandii czy innych rozwiniętych krajów świata. To właśnie wyższy stopień wykorzystania energii odnawialnej w całkowitym wykorzystaniu energii brutto powoduje znaczne ograniczenie emisji dwutlenku węgla i znacznie korzystniejsze efekty środowiskowe rozwoju elektromobilności w krajach skandynawskich. Wyniki środowiskowej oceny cyklu życia pojazdu elektrycznego zasilanego energią z miksu energetycznego Skandynawii i Europy znacznie się różnią. W Europie potencjał globalnego ocieplenia dla EV wynosi nawet około 135 g CO2eq/km, natomiast w Skandynawii może to być nawet o połowę mniej. Metaanaliza niezależnych badań LCA wykonanych w ostatnich latach wykazała, iż samochód z elektrycznym akumulatorem przez cały okres eksploatacji generuje o 50% mniej emisji dwutlenku węgla niż obecnie przeciętny samochód UE. Nawet w warunkach polskiego miksu energetycznego jest to o 25% mniej CO2 niż w przypadku samochodu z silnikiem Diesla.

Badania dotyczące środowiskowej oceny cyklu życia pojazdów skupiają się jednak przede wszystkim na oddziaływaniu na środowisko w kontekście zmian klimatu, pomijając oddziaływanie na zdrowie ludzkie w odniesieniu do chociażby zanieczyszczeń rakotwórczych. W tym przypadku znaczącą rolę może odgrywać etap produkcji i końcowego zagospodarowania akumulatorów zawierających pierwiastki ziem rzadkich. Dlatego tak istotne z punktu widzenia zdrowia ludzkiego staje się rozwój nowych, przyjaznych środowisku metod recyklingu.

Elektromobilność w Polsce

W ustawie o elektromobilności i paliwach alternatywnych, która weszła w życie 22 lutego 2018 r., określono, iż rozwój pojazdów elektrycznych stanowi kluczowy element zrównoważonego rozwoju kraju. Ustawa ta ma wspomóc rozwój sektora poprzez zachęty finansowe, chociażby zwolnienie z podatku akcyzowego czy objęcie pojazdów firmowych wyższymi stawkami amortyzacji. Na przykładzie innych krajów rozważane jest także zwolnienie z opłat czy też możliwość korzystania z buspasów. W roku 2017 sprzedano w Polsce 1068 samochodów elektrycznych, co stanowi wzrost o 92% w stosunku rocznym. Prawie 70% wszystkich samochodów elektrycznych zostało zakupionych przez klientów flotowych i biznesowych.

Najistotniejsze jest jednak rozwijanie świadomości i edukacji wśród potencjalnych klientów, co spowoduje zmianę przyzwyczajeń i przesiadanie się ze starych, zatruwających środowisko samochodów na nowsze i czystsze pojazdy elektryczne. Gdyż nawet w obliczu faktu, iż miks energetyczny Polski opiera się na wytwarzaniu energii w elektrowniach węglowych, to należy pamiętać, że pojazdy jeżdżące po naszych drogach są to samochody używane, importowane z innych krajów UE, mające średnio około 12 lat. Zatem przejście na pojazdy elektryczne mimo wszystko pozwoliłoby na znaczne ograniczenie niekontrolowanej emisji zanieczyszczeń do atmosfery, będących między innymi przyczyną smogu. Należy jednak zauważyć, iż podstawowym impulsem do zakupu samochodu elektrycznego są nie różnego rodzaju ulgi, ale przede wszystkim szeroko rozwinięta infrastruktura i dostępność punktów ładowania.

Nieodwołalny kierunek zmian

Nowe technologie pozwalające na poprawę składu chemicznego akumulatorów w pojazdach elektrycznych oraz rozwój branży ich recyklingu, a także możliwości ponownego użycia baterii EV w celach magazynowania energii pozwolą w końcowym wyniku na osiągnięcie celów zrównoważonego rozwoju i gospodarki cyrkularnej. Ponadto, jak już powyżej wskazano, ograniczenia w wydobyciu metali ziem rzadkich nie będą przesłanką do spowolnienia tempa rozwoju pojazdów EV z uwagi na nieustannie wdrażane innowacje w tym sektorze. Metale już zagospodarowane powinny natomiast zostać poddane recyklingowi, tak aby nie tylko ograniczyć ich negatywne oddziaływanie na środowisko, ale również zmniejszyć zależność Unii Europejskiej od importu tych metali.

Naukowo dowiedziono, że zwiększenie wskaźników efektywności zbiórki i recyklingu baterii pojazdów elektrycznych w znaczący sposób nie tylko ograniczy import materiałów, ale także pomoże w zachowaniu wartości odzyskiwanych materiałów w gospodarce UE. Innymi potencjalnymi korzyściami ze zwiększenia stopnia recyklingu będzie powstawanie nowych miejsc pracy w sektorze recyklingu litowo-jonowego oraz ograniczenia emisji dwutlenku węgla.

Przede wszystkim na kwestie elektromobilności należy spojrzeć jak na konieczny i nieodwołalny kierunek rozwoju przyszłej gospodarki światowej. W takim ujęciu dyskusja nad tym, czy pojazdy elektryczne są dobrym, czy złym rozwiązaniem, nie ma większego sensu. Zamiast tego wszystkie siły należy zjednoczyć w celu znalezienia konsensusu wszystkich zainteresowanych stron i stworzenie "elektryków" tak przyjaznych środowisku, jak to tylko możliwe.

Źródła

1. Tagliaferria C., Evangelistia S., Acconcia F., Domenech T., Ekins P., Barletta D., Lettieria P.: Life cycle assessment of future electric and hybrid vehicles: A cradle-to-grave systems engineering approach. "Chemical Engineering Research and Design" 112/2016, s. 298-309.
2. Drabik E., Rizos V.: Prospects for electric vehicle batteries in a circular economy. "Circular Impacts" 5/2018.
3. Girardi P., Gargiulo A., Brambilla P.C.: A comparative LCA of an electric vehicle and an internal combustion engine vehicle using the appropriate power mix: the Italian case study. "Int J Life Cycle Assess" 20/2015, s. 1127-1142.
4. Wójcik M., Pawłowska B., Stachowicz F.: Przegląd technologii recyklingu zużytych akumulatorów litowo-jonowych. "Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej" 295, "Mechanika" 89/2017, s. 107-120.
5. Petit Y.L.: Electric vehicle life cycle analysis and raw material availability. "Transport & Environment" 26.10.2017.
6. Poliscanowa J.: Electric vehicles, the truth. "Transport & Environment" 7.08.2018.
7. Romare M., Dahllöf L.: The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries. A Study with Focus on Current Technology and Batteries for light-duty Vehicles. IVL Swedish Environmental Research Institute 2017.

Czy samochody elektryczne są ekologiczne?

Sektor transportu stanowi jedno z większych do pokonania wyzwań w kontekście redukcji emisji ograniczenia zmian klimatu. Obecnie emisje CO2 w sektorze transportu stanowią około 23% całkowitej emisji dwutlenku węgla na świecie.