Purificare le emissioni dal riciclaggio e dalla produzione di batterie

La transizione dai combustibili fossili a forme più verdi di energia sta creando un'enorme espansione della produzione di batterie a ioni di litio e della capacità di riciclaggio in Europa.

I filtri a carbone attivo DESOTEC offrono soluzioni semplici ed efficaci per trattare le emissioni atmosferiche e le acque reflue nell'industria delle batterie.

 

Il mercato e i driver

Entro il 2040, si prevede che la domanda di batterie per veicoli elettrici (EV) prodotti in Europa salirà a 1 200 GWh all'anno. Solo per l'UE, il Green Deal della Commissione europea descrive le batterie come un pilastro importante per la neutralità del clima nel 2050, non solo per i veicoli elettrici a batteria, ma anche per l'immagazzinamento di energia da vento, solare e idroelettrica da utilizzare nelle reti nazionali europee. Eppure, a livello globale, solo 100 GWh di produzione annuale di batterie sono stati visti nel 2021. Tuttavia, dal 2030 saranno necessarie capacità di produzione di oltre 450 GWh all'anno per raggiungere gli obiettivi dell'UE.

Inoltre, nell'ultimo anno, è cresciuta la consapevolezza della necessità di riciclare le batterie usate per evitare una futura crisi energetica. Il Green Deal dell'UE, la legge sull'economia circolare e la Direttiva sulle batterie rafforzano anche la necessità di sviluppare rapidamente delle capacità di riciclaggio. Uno studio di Greenpeace alla fine del 2020 ha rilevato che quasi 13 milioni di tonnellate di batterie EV arriveranno alla fine della loro vita tra il 2021-2030. In quel periodo, la produzione di batterie consumerà il 30% delle riserve di cobalto conosciute al mondo, e anche l'uso del litio aumenterà enormemente.

Anche se la stragrande maggioranza dei grandi impianti di produzione di batterie che superano un output di 1 GWh all'anno (“gigafactories”) si trova attualmente in Asia, l'Europa sta rapidamente recuperando terreno e si prevede che raggiungerà 600 GWh entro il 2030. Le preoccupazioni per l'interruzione della catena di approvvigionamento e la sostenibilità stanno anche spingendo le case automobilistiche europee a costruire impianti di produzione e riciclaggio batterie più vicini a casa. All'inizio del 2022, più di 40 gigafactories sono state annunciate per aprire in tutta Europa entro il 2030, mentre sono previsti più di 50 impianti di riciclaggio, sempre in tutta Europa.

 

Emissioni inquinate

Sia la produzione che il riciclaggio di batterie causano emissioni contaminate che devono essere trattate prima di poter essere scaricate nell'ambiente. Nella produzione di batterie, il problema maggiore sono le emissioni atmosferiche contaminate; mentre nel riciclaggio, sia l'aria inquinata che le acque reflue possono essere una preoccupazione.

Inquinanti importanti dalla produzione e dal riciclaggio di batterie:

  • N-metil-2-pirrolidone (NMP) dal processo di rivestimento;
  • Esteri dell'acido carbonico come il dimetil carbonato (DMC) e l'etilmetil carbonato (EMC) come solventi elettrolitici nel processo di riempimento delle celle.
  • Fluoruro di idrogeno (HF) quando i sali conduttivi, ad esempio LiPF6 , entrano in contatto con l'umidità o quando il legante PVDF decade, soprattutto nel processo di riciclaggio

L'NMP è classificato come una sostanza molto preoccupante a causa della sua tossicità, e quindi è soggetto a limiti di emissioni molto severi, spesso molto al di sotto dei limiti standard per i COV. Per far fronte a queste emissioni, le aziende devono installare un impianto di purificazione efficiente o passare a molecole alternative. Oggi, l'NMP è il solvente di rivestimento preferito per la sua comprovata lavorabilità. Solventi alternativi per il processo di rivestimento come il trietil fosfato (TEP) o l'acetoacetato di etile (EAA) possono essere meno dannosi, anche se la loro operatività su larga scala non è ancora provata. Anche se non sono soggetti a limiti di emissioni così severi come l'NMP, sono comunque motivo di preoccupazione per le aziende per motivi di sostenibilità.

DMC e EMC sono meno pericolosi ma altamente volatili e fotosensibili. Proprio come le emissioni del processo di rivestimento, devono comunque essere rimossi. L'HF è corrosivo e tossico e deve quindi essere purificato.

 

BREF pertinenti relativi al riciclaggio di batterie

Non esiste un documento BREF (Best Available Technology (BAT) REFerence) per il riciclaggio delle batterie. Pertanto, il BREF Waste Treatment (categoria 16 - Rifiuti non altrimenti specificati) può essere considerato come la fonte pertinente per le migliori tecnologie disponibili - livelli di emissione associati (BAT-AEL) per il controllo delle emissioni [5,6]. Oltre alle conclusioni generali sulla minimizzazione delle emissioni (BAT 1-25), possono essere considerate anche le BAT di diverse categorie di trattamento rifiuti, come quelle per:

  • Trattamento meccanico in trituratori di rifiuti metallici (BAT 26-28)
  • Trattamento di RAEE contenenti VFC e/o VHC (BAT 29-30)
  • Trattamento fisico-chimico di rifiuti solidi e/o pastosi (BAT 40-41)
  • Trattamento termico di carbone attivo esausto, di catalizzatori di scarto e di suolo contaminato scavato (BAT 48-49).

Le concentrazioni BAT-AEL sono i valori che vengono solitamente ripresi dai legislatori nazionali e inclusi nei requisiti di emissione per il rilascio di un permesso operativo. La tabella 1 illustra che l'adsorbimento di inquinanti su carbone attivo granulare è considerato una delle migliori tecnologie disponibili. Si può anche vedere che i livelli di emissione dei suddetti componenti delle batterie a litio sono molto bassi. Nella maggior parte dei diagrammi di flusso del processo, viene utilizzata una combinazione di tecnologie come lo scrubbing alcalino ad umido seguito dall'adsorbimento su carbone attivo, per raggiungere questi livelli bassi.

 

Tabella 1: Inquinanti regolamentati rilevanti nel riciclaggio di batterie a litio, migliore tecnologia disponibile e concentrazione ottenibile di gas pulito [6]

Inquinante

Frequenza di misurazione

BAT

Tecnologia

BAT-AEL / mg/Nm³

CFC

6 mesi

BAT29

Adsorbimento, condensazione criogenica

0,5-10

polvere

6 mesi

BAT41

Scrubbing ad umido, filtro, ciclone

2-5

HF

-

BAT49

Adsorbimento, scrubbing ad umido

5-15

metalli

12 mesi

BAT25

Scrubbing ad umido, filtro, ciclone

2-5

TVOC

6 mesi

BAT 29/41

Adsorbimento, condensazione criogenica, filtro a tessuto, scrubbing ad umido

3-15

 

Emissioni atmosferiche

Produzione di batterie: Ci sono diverse fasi nel processo di produzione che causano emissioni gassose contaminate.

Questi includono: lo sfiato dei serbatoi di solvente (NMP, DMC/EMC), il rivestimento dei catodi (NMP); l'iniezione di elettroliti nella batteria (DMC/EMC) e il riciclaggio interno di batterie già riempite che generalmente rilascia DMC e EMC.

Le portate variano in funzione delle diverse fasi ma possono essere elevate, anche fino a 30-40 000 m³/h. Le concentrazioni in questi flussi d'aria sono di solito basse, intorno ai 2-30 mg/Nm³. Tuttavia, sono stati osservati sul mercato limiti di emissione di 1 mg/Nm³ NMP e 10 mg/Nm³ DMC/EMC.

Per trattare le suddette emissioni DESOTEC ha installato negli impianti europei di produzione batterie dei filtri di varie dimensioni per alcune delle diverse fasi, vale a dire vari filtra AIRCON 2000 e 3000, due AIRCON V-XL e AIRCON V-L con sistema AIRCONNECT.

 

Riciclaggio di batterie:

Anche in questo caso, le emissioni possono essere rilasciate in diverse fasi. Il processo di triturazione è una fonte significativa. Questo comporta la separazione dei solidi dai liquidi schiacciando le batterie in un granulato, poi, l'evaporazione di gas acidi come l'acido fluoridrico e solventi. Tuttavia, soprattutto in presenza di umidità o ossigeno, si formano gas acidi come l'acido fluoridrico o il trifluoruro di fosforile, ad esempio dal sale conduttore LiPF6 o da polimeri come il PVDF. I composti organici come il legante, la pellicola e gli elettroliti possono portare ad una complessa emissione di prodotti di decomposizione, contenenti, per esempio, etene. Pertanto, sono spesso impiegati gli scrubber alcalini ad umido per la rimozione dell'HF. La rimozione efficace dei composti organici volatili può essere ottenuta attraverso l'applicazione a valle di carbone attivo.

Le portate sono basse, di solito intorno a un paio di centinaia di m³/h; ma le concentrazioni di COV sono alte, spesso intorno a 1-10 g/m³.

I solventi elettrolitici evaporati (DMC/EMC ecc.) possono essere condensati e conservati in serbatoi, che rilasciano emissioni attraverso sfiati. Il granulato essiccato (spesso chiamato massa nera) contiene metalli, tra cui alluminio, nichel, cobalto, litio e anche grafite. I metalli vengono estratti dalla massa nera tramite processi termici o idrotermali. In quest'ultimo trattamento idrometallurgico, vengono utilizzati solventi che possono finire nelle emissioni atmosferiche e nelle acque reflue.

Mentre oggi l'attenzione nel riciclaggio si concentra innanzitutto sui metalli pesanti, il Green Deal dell'UE e la Direttiva sulle batterie hanno fissato obiettivi di riciclaggio ambiziosi per affrontare anche il litio. Tuttavia, molte aziende valutano anche la fattibilità del recupero di elettroliti e grafite.  Durante il processo di estrazione del metallo si possono utilizzare anche solventi o modificatori di solubilità, che possono essere trovati nelle emissioni gassose. Questa è un'altra potenziale applicazione della purificazione a carbone attivo.

DESOTEC può fornire sia un filtro grande, sia alcuni filtri più piccoli in serie. Questo dipende in gran parte dalle esigenze del cliente, compresa la disponibilità di spazio nel sito.

 

Acque reflue

L'inquinamento delle acque reflue può verificarsi durante il lavaggio e il risciacquo dei componenti. Anche lo scolo dell'acqua piovana può raccogliere la contaminazione. A causa della natura ad alta energia delle batterie, è possibile un incendio e quindi gli impianti di riciclaggio possono avere dei deflussi di raffreddamento o di estinzione del fuoco nell'acqua di scarico.

L'acqua di scarico conterrà una miscela di composti di elettroliti, rivestimenti e detergenti, quindi la contaminazione viene misurata in termini di livelli complessivi di domanda chimica di ossigeno (COD).

Prodotti chimici

Durante la produzione o il riciclaggio di batterie i solventi organici o gli elettroliti che erano stati evaporate, vengono condensati e reimmessi nella produzione. Tuttavia, con l'aumento dell'efficienza di tale processo, sarà necessario impiegare meno solventi o elettroliti. Questo può portare a un eventuale arricchimento di impurità nei composti organici circolanti, che a sua volta può avere un impatto negativo sul prodotto. Il carbone attivo è noto per rimuovere efficacemente le impurità dei solventi organici come i composti aromatici o alogenati.

La separazione idrometallurgica del litio dai metalli pesanti tramite precipitazione idrossilica lascia una salamoia contenente solfato di litio con impurità organiche dagli elettroliti, prodotti di decomposizione contenenti fluoro o fosforo, misurati come TOC (carbonio organico totale). La filtrazione a carbone attivo di questa soluzione prima di un ulteriore trattamento si è dimostrata molto promettente.

 

Vantaggi delle soluzioni DESOTEC

La produzione e il riciclaggio delle batterie sono settori in rapida evoluzione e crescita. La tecnologia migliora continuamente, rendendo possibile sia l'elettrificazione delle flotte di trasporto, sia il recupero di quantità crescenti di composti preziosi dalle batterie usate. La conoscenza dell'impronta di carbonio dei prodotti e delle operazioni, e la conformità all'interno delle cosiddette categorie di prestazioni è chiaramente richiesta nella proposta di emendamento della Direttiva europea sulle batterie.

Noi di DESOTEC sosteniamo questo settore e stiamo già fornendo filtri a due impianti europei di produzione e riciclaggio di batterie. I nostri filtri sono ideali per i siti che sono sotto pressione per entrare in funzione il più rapidamente, senza problemi e in modo più sicuro possibile. Inoltre, offriamo carboni attivi a bassa impronta di carbonio e, attraverso la riattivazione dei carboni attivi usati, abbiamo una visibilità chiara e documentabile sull'impronta di carbonio della vostra fase di pulizia delle emissioni e di purificazione del prodotto.

I nostri filtri sono mobili, quindi possono essere installati molto rapidamente. Molte tecnologie alternative, come gli ossidatori termici rigenerativi (RTO), richiedono diversi mesi di pianificazione e ingegneria, e possono essere soggette a ritardi nella catena di fornitura. Al contrario, il tempo di consegna dei nostri filtri è solitamente di un paio di settimane, o prima in casi urgenti. Le diverse dimensioni dei nostri filtri permettono un uso ideale dello spazio presso il sito del cliente. Inoltre, i prezzi volatili del gas naturale possono rappresentare un rischio sul costo operativo dei sistemi di trattamento di ossidazione termica.

I nostri filtri iniziano a lavorare immediatamente. Il carbone attivo è una tecnologia semplice: se la contaminazione è presente, i filtri la adsorbiranno. A differenza di alcune tecnologie alternative, non richiede un flusso costante per funzionare in modo efficiente, quindi è ideale per fabbriche nuove dove la produzione potrebbe fermarsi e iniziare. Una volta che la fabbrica funziona bene, i filtri possono essere ottimizzati se necessario.

DESOTEC gestisce tutti i rifiuti, così le aziende possono concentrarsi sulla produzione. La sostituzione dei filtri è semplice e può essere effettuata senza interruzioni della produzione. I nostri tecnici trasportano poi il carbone esausto fuori dalla sede del cliente nell'unità filtro chiusa, rendendo il processo sicuro e senza problemi. Il carbone esausto viene riattivato nelle nostre strutture in Belgio, chiudendo il ciclo e aumentando la sostenibilità. DESOTEC conosce l'impronta di carbonio di tutti i prodotti. Di conseguenza, con i nostri filtri mobili siete a prova di futuro per il requisito dell'UE del 2024 di reporting dell'impronta di carbonio.

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