Depuración de las emisiones procedentes del reciclaje y la producción de pilas

La transición de los combustibles fósiles a formas de energía más ecológicas está impulsando una enorme expansión de la capacidad de producción y reciclaje de baterías de iones de litio en Europa.

Los filtros de carbón activado de DESOTEC ofrecen soluciones sencillas y eficaces para tratar las emisiones de aire y las aguas residuales en la industria de las baterías.

 

El mercado y los motores

Para 2040, se prevé que la demanda de baterías de los vehículos eléctricos (VE) producidos en Europa aumente a 1 200 GWh al año. Solo para la UE, el Green Deal de la Comisión Europea describe las baterías como un pilar fundamental para la neutralidad climática en 2050, no solo para los vehículos eléctricos de batería, sino también para el almacenamiento de energía eólica, solar e hidroeléctrica para su uso en las redes nacionales europeas. Sin embargo, a nivel mundial, en 2021 solo se observó una producción anual de baterías de 100 GWh. Sin embargo, se necesitarán capacidades de producción de más de 450 GWh anuales a partir de 2030 para alcanzar los objetivos de la UE.

Además, en el último año ha aumentado la concienciación sobre la necesidad de reciclar las baterías usadas para evitar una futura crisis energética. El Green Deal de la UE, la ley de economía circular y la Directiva sobre baterías también potencian la necesidad de desarrollar rápidamente las capacidades de reciclaje. Un estudio de Greenpeace realizado a finales de 2020 reveló que casi 13 millones de toneladas de baterías de vehículos eléctricos llegarán al final de su vida útil entre 2021 y 2030. En ese tiempo, la producción de baterías consumirá el 30% de las reservas de cobalto conocidas en el mundo, y el uso de litio también aumentará drásticamente.

Aunque la gran mayoría de las grandes instalaciones de producción de baterías que superan una producción de 1 GWh al año (gigafábricas) se encuentran actualmente en Asia, Europa se está poniendo rápidamente al día y se prevé que alcance los 600 GWh en 2030. La preocupación por la interrupción de la cadena de suministro y la sostenibilidad también está impulsando a los fabricantes de automóviles europeos a construir instalaciones de producción y reciclaje de baterías más cerca de casa. A principios de 2022, se ha anunciado la apertura de más de 40 gigafábricas en toda Europa para 2030, mientras que se han previsto más de 50 instalaciones de reciclaje, también en toda Europa.

 

Emisiones contaminantes

Tanto la producción como el reciclaje de las baterías provocan emisiones contaminadas que deben ser tratadas antes de ser vertidas al medio ambiente. En la producción de baterías, las emisiones contaminadas al aire son el mayor problema; mientras que en el reciclaje, tanto el aire contaminado como las aguas residuales pueden ser motivo de preocupación.

 

Importantes contaminantes procedentes de la producción y el reciclaje de baterías:

  • N-metil-2-pirrolidona (NMP) del proceso de recubrimiento;
  • Ésteres del ácido carbónico como el carbonato de dimetilo (DMC) y el carbonato de etilo (EMC) como disolventes del electrolito en el proceso de llenado de las pilas.
  • Fluoruro de hidrógeno (HF) cuando las sales conductoras, por ejemplo, LiPF6 , entran en contacto con la humedad o el aglutinante PVDF se descompone, especialmente en el proceso de reciclaje

 

El NMP está clasificado como una sustancia muy preocupante debido a su toxicidad y, por tanto, está sujeto a límites de emisiones muy estrictos, a menudo muy por debajo de los límites estándar de COV. Para hacer frente a estas emisiones, las empresas tienen que instalar un sistema de purificación eficaz o cambiar a moléculas alternativas. En la actualidad, el NMP es el disolvente de recubrimiento preferido por su probada procesabilidad. Otros disolventes alternativos para el proceso de recubrimiento, como el fosfato de trietilo (TEP) o el acetoacetato de etilo (EAA), pueden ser menos perjudiciales, aunque su operatividad a gran escala aún no está probada. Aunque no están sujetos a límites de emisiones tan estrictos como el NMP, siguen preocupando a las empresas por motivos de sostenibilidad.

El DMC y el EMC son menos peligrosos, pero muy volátiles y fotosensibles. Al igual que las emisiones del proceso de recubrimiento, hay que eliminarlas. El HF es corrosivo y tóxico, por lo que debe purificarse.

 

BREFs relevantes relacionados con el reciclaje de baterías

No existe un documento de referencia sobre las mejores tecnologías disponibles (BREF) para el reciclado de pilas. Por tanto, el BREF Tratamiento de residuos (categoría 16 - Residuos no especificados) puede considerarse la fuente pertinente para las Mejores Tecnologías Disponibles - Niveles de Emisión Asociados (MTD-AEL) para el control de emisiones [5,6]. Además de las conclusiones generales sobre la minimización de las emisiones (MTD 1-25), también pueden considerarse las MTD de las distintas categorías de tratamiento de residuos, como las correspondientes a:

  • Tratamiento mecánico en trituradoras de residuos metálicos (MTD 26-28)
  • Tratamiento de los RAEE que contienen VFC y/o VHC (MTD 29-30)
  • Tratamiento físico-químico de residuos sólidos y/o pastosos (MTD 40-41)
  • Tratamiento térmico del carbón activado usado, los catalizadores residuales y la tierra contaminada excavada (MTD 48-49).

Las concentraciones BAT-AEL son los valores que suelen asumir los legisladores nacionales y que se incluyen en los requisitos de emisión para la expedición de un permiso de explotación. La tabla 1 ilustra que la adsorción de contaminantes en carbón activado granular se considera una de las mejores tecnologías disponibles. También puede verse que los niveles de emisión de los componentes mencionados de las baterías de litio son muy bajos. En la mayoría de los diagramas de flujo del proceso se utiliza una combinación de tecnologías como el lavado alcalino húmedo seguido de la adsorción en carbón activado para alcanzar estos bajos niveles.

 

Tabla 1: Contaminantes regulados relevantes en el reciclaje de baterías de litio, mejor tecnología disponible y concentración de gas limpio alcanzable [6]

Contaminante

Frecuencia de medición

BAT

Tecnología

BAT-AEL / mg/Nm³

CFCs

6 meses

BAT29

Adsorción, condensación criogénica

0,5-10

polvo

6 meses

BAT41

Lavado húmedo, filtro, ciclón

2-5

HF

-

BAT49

Adsorción, lavado en húmedo

5-15

metales

12 meses

BAT25

Lavado húmedo, filtro, ciclón

2-5

TVOC

6 meses

BAT 29/41

Adsorción, condensación criogénica, filtro de tela, depuración húmeda

3-15

 

 

 

Emisiones atmosféricas

Producción de baterías: Hay varias etapas del proceso de producción que causan emisiones de aire contaminado.

Estos incluyen: la ventilación de los tanques de disolvente (NMP, DMC/EMC), el recubrimiento de los cátodos (NMP); la inyección de electrolitos en la batería (DMC/EMC) y el reciclaje interno de las baterías ya llenas, que generalmente libera DMC y EMC.

Los caudales varían entre las diferentes etapas, pero pueden ser elevados, incluso hasta 30-40 000 m³/h. Las concentraciones en estos flujos de aire suelen ser bajas, en torno a 2-30 mg/Nm³. Sin embargo, se han observado en el mercado límites de emisión de 1 mg/Nm³ de NMP y 10 mg/Nm³ de DMC/EMC.

DESOTEC ha instalado filtros de diferentes tamaños para algunas de las diferentes etapas, concretamente varios Aircon 2000 y 3000, dos AIRCON V-XL y Aircon V-L con sistema Airconnect en las instalaciones europeas de producción de baterías para tratar las emisiones mencionadas.

 

Reciclaje de baterías: Una vez más, las emisiones pueden liberarse en varias etapas. El proceso de trituración es una fuente importante. Se trata de separar los sólidos de los líquidos triturando las pilas hasta convertirlas en un granulado y, a continuación, evaporar los gases ácidos como el ácido fluorhídrico y los disolventes . Sin embargo, especialmente cuando hay humedad u oxígeno, se forman gases ácidos como el ácido fluorhídrico o el trifluoruro de fósforo, por ejemplo, a partir de la sal conductora LiPF6 o de polímeros como el PVDF. Los compuestos orgánicos como el aglutinante, la lámina y los electrolitos pueden dar lugar a una compleja emisión de productos de descomposición, que contienen, por ejemplo, eteno. Por lo tanto, los depuradores alcalinos húmedos se emplean a menudo para eliminar el HF. La eliminación efectiva de los compuestos orgánicos volátiles puede lograrse mediante la aplicación posterior de carbón activado.

Los caudales son bajos, normalmente alrededor de un par de cientos de m³/h; pero las concentraciones de COV son altas, a menudo alrededor de 1-10 g/m³.

Los disolventes electrolíticos evaporados (DMC/EMC, etc.) pueden condensarse y almacenarse en tanques, que liberan emisiones a través de respiraderos. El granulado seco (a menudo denominado masa negra) contiene metales, como aluminio, níquel, cobalto, litio y también grafito. Los metales se extraen de la masa negra mediante procesos térmicos o hidrotérmicos. En este último tratamiento hidrometalúrgico se utilizan disolventes, que pueden acabar en emisiones al aire y al agua

Aunque hoy en día el reciclaje se centra en primer lugar en los metales pesados, el Green Deal de la UE y la Directiva sobre baterías han establecido ambiciosos objetivos de reciclaje para abordar también el litio. Sin embargo, muchas empresas también evalúan la viabilidad de la recuperación de electrolitos y grafito.  Durante el proceso de extracción del metal también pueden utilizarse disolventes o modificadores de solubilidad, que pueden encontrarse en las emisiones atmosféricas. Esta es otra aplicación potencial de la filtración con carbón activado.

DESOTEC puede suministrar una unidad de filtrado grande o varios filtros más pequeños en serie. Esto depende en gran medida de las necesidades del cliente, incluida la disponibilidad de espacio en el emplazamiento.

 

Aguas residuales

La contaminación por aguas residuales puede producirse durante el lavado y el aclarado de los componentes. La escorrentía del agua de lluvia también puede recoger la contaminación. Debido a la naturaleza de alta energía de las baterías, es posible que se incendien y, por lo tanto, las instalaciones de reciclaje pueden tener escorrentías de refrigeración o de extinción de incendios en el agua de drenaje.

Las aguas residuales contendrán una mezcla de componentes de electrolitos, revestimientos y agentes de limpieza, por lo que la contaminación se mide en términos de niveles globales de demanda química de oxígeno (DQO).

 

Productos químicos

En la producción o el reciclaje de baterías, los disolventes o electrolitos orgánicos que se han evaporado se condensan y vuelven a introducirse en la producción. Sin embargo, con el aumento de la eficiencia de ese proceso, habrá que emplear menos disolvente o electrolito de muestreo. Esto puede conducir a un eventual enriquecimiento de impurezas en los orgánicos circulados, lo que a su vez puede tener un impacto negativo en el producto. Se sabe que el carbón activado elimina eficazmente las impurezas de los disolventes orgánicos, como los compuestos aromáticos o halogenados.

La separación hidrometalúrgica del litio de los metales pesados mediante la precipitación de hidroxilos deja una salmuera que contiene sulfato de litio con impurezas orgánicas procedentes de los electrolitos, productos de descomposición que contienen flúor o fósforo y que se miden como COT, carbono orgánico total. La filtración de esa solución con carbón activado antes de su procesamiento posterior ha demostrado ser muy prometedora.

 

 

Ventajas de las soluciones DESOTEC

La producción y el reciclaje de baterías son sectores que cambian y crecen rápidamente. La tecnología mejora continuamente, lo que hace posible tanto la electrificación de las flotas de transporte como la recuperación de cantidades cada vez mayores de componentes valiosos de las baterías gastadas. El conocimiento de la huella de carbono de los productos y las operaciones, así como el cumplimiento de las denominadas categorías de rendimiento, es un claro mandato de la propuesta de modificación de la directiva comunitaria sobre baterías.

En DESOTEC apoyamos este sector y ya estamos suministrando filtros a dos instalaciones europeas de producción y reciclaje de baterías. Nuestros filtros son ideales para las instalaciones que están bajo presión para ponerse en marcha de la forma más rápida, fluida y segura posible. Además, ofrecemos carbones activados de baja huella de carbono y, mediante la reactivación de los carbones activados usados, tenemos visibilidades claras y reportables sobre la huella de carbono de su paso de limpieza de emisiones y purificación de productos.

Nuestros filtros son móviles, por lo que pueden instalarse muy rápidamente. Muchas tecnologías alternativas, como los oxidadores térmicos regenerativos (RTO), requieren varios meses de planificación e ingeniería, y pueden sufrir retrasos en la cadena de suministro. En cambio, el plazo de entrega de nuestros filtros suele ser de un par de semanas, o antes en casos urgentes. Nuestros distintos tamaños de filtros permiten aprovechar al máximo el espacio en las instalaciones del cliente. Además, la volatilidad de los precios del gas natural puede suponer un riesgo en el coste de funcionamiento de los sistemas de tratamiento por oxidación térmica.

Nuestros filtros empiezan a funcionar de inmediato. El carbón activo es una tecnología sencilla: si hay contaminación, los filtros la adsorben. A diferencia de otras tecnologías alternativas, no requiere un flujo constante para funcionar eficazmente, por lo que es ideal para fábricas nuevas en las que la producción puede parar y empezar. Una vez que la fábrica funcione sin problemas, los filtros pueden optimizarse si es necesario.

DESOTEC se encarga de todos los residuos, por lo que las empresas pueden centrarse en la producción. Los cambios de filtros son sencillos y pueden llevarse a cabo sin que se produzcan paradas de producción. A continuación, nuestros técnicos transportan el carbón usado fuera de las instalaciones del cliente en la unidad de filtrado cerrada, lo que supone un proceso seguro y sin complicaciones. Se reactiva en nuestras instalaciones de Bélgica, cerrando el ciclo y potenciando la sostenibilidad. DESOTEC conoce la huella de carbono de todos sus productos. Como resultado, con nuestros filtros móviles estará preparado para el requisito de la UE de 2024 de informar sobre la huella de carbono.

 

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