Kongón múlhat az elektromos autógyártás jövője

Guruló Hordó vendégposzt

2017-07-10T201351Z 1429377566 RC184F7C7420 RTRMADP 3 CHILE-LITHI
60 hozzászólás
Az elektromos autók akkumulátorai lítium ion-alapúak, de nemcsak lítium kell a gyártásukhoz. Attól függően, hogy milyen fémet használnak a katódhoz az akkumulátorban, jellemzően szükség van mangán, nikkel vagy kobalt hozzáadására is. Ezek közül legnagyobb bőségben mangán, utána pedig a nikkel áll rendelkezésre a világon és ehhez képest meglepően kis mennyiségű lítium- és kobalt-tartalékról tudunk. Különösen szűk lehet a keresztmetszet kobaltból, amiből jelenleg még csak a termelés 6,5%-át építik be az elektromos autókba, de ez hamarosan megsokszorozódhat. Mivel a kereslet folyamatosan nő, míg a kínálat viszonylag korlátozott, ezért a kobalt ára döntő lehet már a közeljövőben az akkumulátor-költségek további csökkenésében, ami a kulcsa az elektromos autók népautóvá válásának.

A Li-ion technológia lényege, hogy a töltés tárolásáról lítium-ionok gondoskodnak, amelyek töltéskor a negatív, szén alapú elektródához, kisütéskor pedig a pozitív fém-oxid elektródához vándorolnak.

guruloh01

Mi most a lítium és a tipikus katódfémek termelőit nézzük meg. Alábbiakban azt vizsgáljuk, mely országok profitálhatnak legjobban az elektromos autók felfutásából és lehet-e kínálati szűk keresztmetszet ezeknek a kulcsfémeknek a piacain a közeljövőben.

Az utakon futó elektromos autók többsége jelenleg kétfajta fém-oxid kombinációjával fut. Ezekben az autókban kb. 30% a mangán-oxid (LMO) akku, ami növeli az energiasűrűséget és az élettartamot, míg 70%-ban nikkel-mangán-kobalt oxid (NMC) akku biztosítja a hosszabb megtehető utat. Ezt a technológiát használja pl. a Nissan Leaf, a Chevy Volt vagy a BMW i3.

A Tesla gyártásához úgynevezett NCA akkut használnak, amely technológia során a nikkel-kobalt-oxidhoz alumíniumot adva tovább tudják növelni a kémiai stabilitást és az energiasűrűsége is az egyik legnagyobb (200-260 Wh/kg). Az NCA tehát nem tartalmaz mangánt, de a legkevésbé rendelkezésre álló érc, a kobalt ehhez is kell.

Mi az az energiasűrűség?

Az energiasűrűség talán a legjobb mutatószám az akkumulátorok összehasonlítására. Az akkuk fejlesztésénél ugyanis a gyártók arra figyelnek, hogy minél nagyobb kapacitás mellett minél kisebb legyen az akku mérete/tömege, vagyis minél nagyobb legyen az energiasűrűsége. Jelenleg a legnagyobb energiasűrűsége a Teslákban használt NCA akkuknak van, ez 200-260 wattóra/kilogramm. Az LMO akku energiasűrűsége 100-150 Wh/kg, az NMC akkué 150-220 Wh/kg. Összehasonlításként jeleznénk, hogy a benzin energiasűrűsége 12000-12700 Wh/kilogramm (igen, 12-12,7 ezer, nem elírás), aminek a jelentős része elveszik ugyan a hajtásláncban a belső égésű motorban, de így is 1700-1800 Wh/kg eljut a kerekekig. Bár hatalmas luxusnak tűnhet, hogy az energia nagy része a kipufogócsövön át távozik, de az energiasűrűség még így is többszöröse, mint amire Li-ion akkuk – jelenlegi tudásunk szerint – képesek vagy amire képesek lehetnek. A 20-25%-os hatékonysággal működő Otto-motorok energiasűrűsége tehát jóval meghaladja a legfejlettebb elektromos akkumulátorokét is, nem véletlenül voltak olyan sikeresek az elmúlt 100 évben. A lényeg azonban az, hogy amikor az akkumulátorok árának csökkenését figyeljük, – többek között – mindig ellenőrizzük le azt is, hogy milyen energiasűrűségű akkuról beszélnek.

Itt jegyezzük meg, hogy az anód is módosítható, pl. a Mitsubishi (i-MiEV) és a Honda (Fit EV) elektromos motorok a tipikus grafit helyett titán-karbidot használnak (LTO akku), ami jelentősen hosszabb élettartamot eredményez. Bár a titán-karbid jó töltéshordozó és stabil anyag, energiasűrűsége viszonylag alacsony (70-80 wattóra/kilogramm). Katódfémnek ők is a már említett mangán, nikkel, kobalt kombinációkat használják.

guruloh02

Az ún. akkumulátor fémek iránti kereslet-előrejelzések megegyeznek abban, hogy exponenciális növekedést jósolnak minden lehetséges összetevőnek. Az ábrán a Bloomberg idei előrejelzését láthatjuk, ami jól mutatja, hogy nem feltétlenül lítiumra lesz arányaiban a legnagyobb szükség. A kínálati oldalt tekintve a fenti ércek közül legnagyobb bőségben mangán (690 mio mt), utána pedig a nikkel (78 mio t) áll rendelkezésre és ehhez képest meglepően kis mennyiségű lítium- (14 mio t) és kobalt-tartalékról (6 mio t) tudunk.

A tipikus NMC akku 1/3 arányban használ nikkelt, mangánt és kobaltot, míg a tipikus NCA akku 80%-ban tartalmaz nikkelt, 15%-ban kobaltot és 5%-ban alumíniumot. A gyártók pontos fémösszetétele azonban nem ismert, ipari titok.

Az alábbiakban röviden ismertetjük az akkumulátor fémek jellemző felhasználási formáit, a főbb kitermelőket és a kitermelés alakulását, hogy a kínálati oldalt elemezni tudjuk.

Lítium

Erősen reaktív alkálifém, a természetben elemi állapotban nem található meg, csak vegyületeiben fordul elő, amelyek általában ionosak. Sokáig a legnagyobb felhasználója a repülőgépipar volt, már a második világháborúban gyártottak lítium kenőzsírokat magas hőmérséklettűrő tulajdonsága miatt. Nagy szilárdsága és kis tömege miatt ma is használják repülőgép-alkatrészek elkészítéséhez.

Egy chilei lítiumbánya lepárlótavai az Atacama sivatagban.
Egy chilei lítiumbánya lepárlótavai az Atacama sivatagban.
Fotó: Ivan Alvarado

Másik jelentős felhasználása a nukleáris alkalmazásokban volt, ugyanis neutronelnyelő anyag a magfúzió során és szükséges a trícium termeléshez is, ami az atombomba gyártásához szükséges. Továbbá hőálló üvegeket és kerámiákat (zománcokat) állítanak elő segítségével. De használják a gyógyászatban is, a lítiumról ugyanis azt találták, hogy lelassítja az Alzheimer-kór és a demencia kialakulását. Az elektronikai iparban pedig már most a hordozható elektronikai eszközök (telefon, laptop, etc.) többsége Li-ion akkut használ. Erre a viszonylag hosszú listára iratkoztak fel az elektromos autók és a megújuló energiaforrások tárolására alkalmas akkumulátorai.

Lítiumot tavaly mindössze 7 országban bányásztak. A legnagyobb termelő Ausztrália (41%) és Chile (34%). Argentínával (16%) együtt a világ termelésének 91%-át adják, és a lítium tartalékok 77%-át birtokolják. Kína (6%), Zimbabwe (3%), Portugália (1%) és Brazília (1%) közül kizárólag Kína rendelkezik nagyobb tartalékokkal (22%). A lítium termelése 2015-ről 2016-ra 15%-kal emelkedett (31,5-ről 35,3 ezer tonnára), amit döntő részben az 58,3%-os argentin termelésnövekedés magyaráz.

Érdekesség, hogy a modern kozmológiai elméletek szerint a lítium egyike annak a három elemnek (a hidrogén és a hélium mellett), amely az ősrobbanásban keletkezett. Az ősrobbanás-elmélet szerint azonban háromszor annyi lítiumnak kellene lennie az univerzumban, mint amennyiről ma tudunk. Tehát akár kínálatbőség is lehet hamarosan, ha az elmélet beigazolódik és megtalálják a hiányzó mennyiséget. De erre azért nehéz stratégiát építeni.

Mangán (LMO, NMC)

A mangánt már az őskorban használták, ezzel vittek színt a barlangrajzokba. De tudjuk, hogy az egyiptomiak és a rómaiak is használták üvegfestésre. De az igazi igény úgy a XVI-XIX. században jelent meg, amikor rájöttek, hogy mangán hozzáadásával az acél jóval keményebbé tehető. Az elektromos autók felfutása előtt tehát a mangánt főleg az acéltermelésben használták és az utóbbi időben alapvetően a kínai acéltermelés teljesítménye határozta meg a keresletét. Fontos még tudni, hogy ellentétben a többi fémmel, a jelenleg ismert technológiákban a mangán nem nagyon helyettesíthető.

A világ öt legnagyobb mangán termelője Dél-Afrika (29%), Kína (18%), Ausztrália (15%), Gabon (12%) és Brazília (7%) adta 2016-ban a világ termelésének 82%-át. Ez az öt ország rendelkezik a világ jelenleg ismert mangán tartalékainak 68%-ával. Van még egy ország ami fontos lehet, bár termelése csak az összes 2%-át adta tavaly, viszont a tartalékok 20%-ával rendelkezik, ez pedig Ukrajna.

Bár azt gondolnánk, hogy az akkumulátor gigagyárak építésével a mangán termelése jelentősen meglódult, egyelőre nem ez történik. 2016-ban 5,5%-kal csökkent az összkitermelés (17,5-ról 16,3 millió metrikus tonnára). Ez azonban nem azt jelenti, hogy kevesebb elektromos autót fognak gyártani a szűk kínálat miatt, hanem valószínűsíthető, hogy a csökkenő acéltermelés több, mint ellensúlyozza egyelőre a növekvő akkumulátor-igényt.

Nikkel (NMC, NCA)

A nikkelt is használták már időszámításunk előtt, főleg bronz- és rézötvözetekben. Annak ellenére, hogy viszonylag ritka elem, az egyik legfontosabb ipari fém. Ma is főként ötvözőelemként használják. Erősíti és keményíti az acélötvözeteket és gyakran alkalmaznak nikkelbevonatot más fémek korrózió elleni védelmére. Réz-nikkel ötvözetből készült csöveket használnak pl. a tengervízből ivóvizet előállító berendezésekben.

Elterjedten alkalmaznak nikkelt pénzérmék készítéséhez: az euró két legnagyobb pénzérméje (1 és 2 eurós) jelentős mennyiségű nikkelt tartalmaz: a sárga része olyan ötvözet, mely 5% nikkelt tartalmaz, míg az ezüst színű mintegy 25% nikkelt. A forint pénzérméi is 4-25% nikkelt tartalmaznak. De használják galvánelemek készítéséhez, növényi olajok hidrogénezéséhez és üvegfestésre is. És NMC akkut használnak az elektromos kerékpárok is.

A világ 7 legnagyobb nikkeltermelője 2016-ban a Fülöp-szigetek (22%), Oroszország (11%), Kanada (11%), Ausztrália (9%), Új-Kaledónia (9%), Indonézia (7%) és Brazília (6%), ők adják a világtermelés 77%-át és ők rendelkeznek a nikkeltartalékok 71%-ával.

Széleskörű felhasználása és a növekvő akkumulátor-igény ellenére minimálisan (0,5%-kal), de csökkent 2015-höz képest a 2016-os összkitermelés a világban. Annak ellenére történt ez, hogy az akkumulátor gyártásban a kobaltot jellemzően igyekeznek nikkellel helyettesíteni, elsősorban biztonsági okokból, mert kevésbé robbanékony. A fenti országok közül Kanada, Új-Kaledónia és Indonézia növelte termelését, a többieknél közel 10%-os esést látunk. A visszaeső acéltermelés itt is szerepet játszhat az aggregált számok alakulásában.

Kobalt (NMC, NCA)

A kobalt nagy ellenálló-képességű, mágneses ötvözetek fontos alkotóeleme. Vegyületeit általában tintákhoz, festékekhez és lakkokhoz használták fel napjainkig. Szuperötvözetként gázturbinás repülők hajtóművének gyártásához, ezen kívül mágnesekhez, de acélövezetű gumiabroncsok készítésénél is használják. Továbbá az emlősöknek szükségük van kis mennyiségű kobaltra, mivel a kobalt a B12-vitamin alapja.

Munkás egy kongói mangán és rézbányában.
Munkás egy kongói mangán és rézbányában.
Fotó: The Washington Post

A kobalt nemcsak rendkívül ritka, de termelése nagyon koncentrált. Tavaly Kongóban bányászták a világ termelésének 54%-át és Kongó rendelkezik a kobalttartalékok 57%-val is. A következő legnagyobb termelő, Kína és Kanada már csak 6%-ot állít elő. Oroszország (5%), Ausztrália (4%) és Zambia (4%) következnek a sorban. A világtermelés itt is csökkent 2015-ről 2016-ra, egyedül Kongó tudta növelni termelését.

Mivel a kereslet folyamatosan nő, míg a kínálat viszonylag korlátozott, ezért a kobalt ára döntő lehet már a közeljövőben az akkumulátor-költségek további csökkenésében. Jelenleg a kobalt termelés 6,5%-át építik be elektromos autókba, de ez hamarosan megsokszorozódhat. Valószínűleg az sem túl megnyugtató, hogy Kongó politikai stabilitásán múlhat az elektromos autók jövője.

guruloh03

Az alternatívák

Végezetül pedig meg kell említenünk még két technológiát, amik akár nagyon különböző akkumulátorokat is eredményezhetnek a jövőben. Az egyik a cink-levegő akkumulátortechnológia. Érdekessége, hogy a többi akkutípussal szemben nem zárt: működéséhez folyamatos levegő-utánpótlásra van szükség, mert kisüléskor oxigént köt meg, töltéskor pedig oxigént bocsát ki. A legnagyobb várakozások pedig a nagy teljesítményű, miniatűr üzemanyagcellákkal szemben vannak.

Az üzemanyagcellák az elemekhez hasonlóan vegyi reakciókkal közvetlenül elektromosságot állítanak elő, a különbség az, hogy míg az elemeket kifogytuk után el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele. Ez az üzemanyag legtöbbször hidrogén, de vannak metánnal és metanollal működő változatok is. A hidrogénből a reakció során víz lesz, míg a szénvegyületekből emellett széndioxid is képződik.

Az üzemanyagcella önmagában nem újdonság, például az űrsiklón is üzemanyagcellák szolgáltatják az elektromosság egy részét. Ezek a készülékek azonban hatalmasak, és a kW-MW teljesítménytartományban üzemelnek. Ígéretes kutatások folynak azonban a miniatürizálás irányában. Az üzemanyagcellának számos előnye van az akkumulátorokkal szemben. Talán a legfontosabb, hogy pillanatok alatt utántölthető, és hogy várhatóan lehetséges lesz a jelenlegi akkumulátoroknál sokkal nagyobb kapacitásút előállítani belőle. Ráadásul gyakorlatilag korlátlan a cella élettartama, ami környezetvédelmi szempontból fontos.

Konklúzió

Hasonlóan más természeti kincsekhez, az akkumulátorgyártáshoz létfontosságú fémek termelése is viszonylag koncentrált, pár ország adja az adott fém termelésének döntő részét. Ha marad a jelenlegi technológia, kulcsszerepbe fog kerülni Kongó, Ausztrália, Dél-Afrika, de a Fülöp-szigetek is már a következő években. A várhatóan növekvő kereslet pedig már a közeljövőben felhajthatja a fémek árát, mint azt a kobalt esetében már ma is látjuk.

Ez pedig rossz hír abból a szempontból, hogy mennyire gyorsan fog tovább csökkenni az elektromos autók akkumulátorainak ára. A kivetítések ugyanis jellemzően csak a technológia folyamatos fejlődésével számolnak, az alapanyagárak esetlegesen jelentősebb emelkedésével nem nagyon. Európa pedig hasonlóan a fosszilis energiaforrásokhoz, ebből a felfutásból is kimaradhat. Nem rendelkezik ugyanis az elektromos autók működéséhez létfontosságú fémek egyikéből sem érdemi részesedéssel. Úgy tűnik nemcsak az energia, hanem az energiakitettség sem szűnik meg, csak átalakul.

A cikk a Guruló Hordó blog vendégposztja.

Borítókép: Munkások dolgoznak  e gy chilei lítiumüzemben -  Fotó: Ivan Alvarado / Reuters